Buongiorno a tutti e benvenuti alla terza lezione della serie dei legami chimici in cui tratterò del legame metallico. Questo è l'ultimo dei tre grandi tipi di legami forti o primari, cioè quei legami che tengono uniti gli atomi e vanno a formare strutture più complesse. Abbiamo già visto, e invito chi non l'avesse ancora fatto a guardare i relativi video per capire meglio anche questo, il legame covalente nel primo video e il legame ionico nel secondo video.
Allora, il legame metallico può essere descritto attraverso due modelli che sono tra di loro ovviamente complementari. Il modello classico, sviluppato ovviamente prima, e il modello quantistico della teoria delle bande, che non è una negazione del modello classico, bensì una modalità di giustificare le caratteristiche dei metalli nell'ottica delle nuove scoperte chimiche del Novecento. Cominciamo dal modello classico.
Il modello classico dice che un metallo è costituito da un reticolo di cationi disposti ordinatamente, come appunto in un cristallo, con gli elettroni di valenza dei singoli atomi che non sono più di singola proprietà, diciamo, dell'atomo originario, ma che sono delocalizzati e distribuiti su tutta la struttura del cristallo metallico stesso. Cioè, gli elettroni sono estremamente... liberi di muoversi intorno ai cationi che invece sono in posizioni fissate. I cationi carichi positivamente, ad esempio ferro 2+, magnesio 2+, sodio 2+, sono effettivamente fissati in posizioni cristalline.
Gli elettroni, che sono le cariche negative, possono muoversi liberamente passando dal orbitale di proprietà di un atomo a quello dell'atomo vicino senza sforzo, poiché questa struttura specifica permette proprio lo scorrimento libero degli elettroni. Questo ovviamente porta ad alcune proprietà, per esempio la conducibilità elettrica elevata dei metalli. Tutti sanno che un metallo conduce facilmente la corrente elettrica. Il motivo è proprio che quando si applica una differenza di potenziale, ai capi di un metallo, per esempio di un filo metallico, gli elettroni sono liberi di muoversi nel reticolo di cationi e quindi scorreranno nella direzione dal meno al più, perché gli elettroni sono cariche negative e quindi verranno attratti dal polo positivo.
Scorreranno all'interno del metallo e questo scorrimento sarà libero o comunque molto facile, diciamo così, per queste particelle e di conseguenza il metallo è un buon conduttore di elettricità. Ricordo a chi non lo sapesse che la corrente elettrica è proprio lo spostamento degli elettroni. I metalli sono anche tutti limalleabili, cioè possono essere facilmente trasformati in fili sottili o in lamine, senza che questo processo provochi la rottura del metallo.
Il fatto che i metalli possano essere lavorati facilmente, a differenza ad esempio dei cristalli ionici, dei solidi ionici, dipende proprio dalle loro caratteristiche strutturali. Nella figura vedete cosa succede se io spingo una sezione del metallo, che gli elettroni, che il mare di elettroni è distribuito equamente tra i cationi, che in questo schema sono rappresentati dai pallini verdi più grandi, semplicemente fungono da mediatori della relazione. tra un catione e l'altro e di conseguenza la parte del metallo che viene fatta scorrere lo fa senza spaccarsi, senza spezzare il legame con i restanti cationi metallici. Al contrario, in un solido ionico, quando io sposto, diciamo così, un piano, è avvicino degli ioni carichi positivi a degli altri ioni carichi positivi.
e degli ioni carichi negativi a degli altri ioni carichi negativi, quindi genero la ripulsione elettrostatica tipica di due cariche dello stesso segno avvicinate. Questo potete vederlo nello schema, perché se vi immaginate lo spostamento del piano indicato dalla freccia, avvicinate ioni dello stesso colore, cioè della stessa carica, e di conseguenza generate una repulsione. Questa repulsione è quella che rompe il cristallo ionico e quindi di fatto spezza il piano che io sto andando a spingere.
Questo è il modello classico, vediamo invece che cosa ti dice il modello quantistico. La teoria delle bande è l'interpretazione quantistica della struttura dei metalli. Di fatto presume che si formi un orbitale molecolare unico tra tutti gli atomi del metallo che vanno a formare appunto il cristallo metallico.
Ovviamente, secondo la teoria dell'orbitale molecolare, diversi orbitali atomici si fondono a formare un unico grande orbitale molecolare formato da tanti sottolivelli. I sottolivelli sono lo stesso numero degli orbitali atomici originari. Ricordiamo che se io formo un unico grande orbitale molecolare, partendo da un metallo formato, facciamo finta, da un miliardo di atomi, allora io formerò un orbitale con un miliardo di sottolivelli. In questa enormità di sottolivelli non riesco più a distinguere, dal punto di vista energetico, un sottolivello da un altro.
Quello che ottengo è una banda in cui tutti questi sottolivelli sono in un certo senso tutti vicini tra di loro, quasi come se fosse un continuo. Gli orbitali atomici si dividono quindi, unendosi tra di loro, in diverse bande di orbitali molecolari, a energia diversa. Le bande più basse sono ovviamente quelle a energia minore, le bande più basse sono quelle a energia maggiore. Quindi è come se avessi queste grandi bande di orbitali molecolari, separate tra di loro da un gap energetico, lo spazio che vedete tra questi rettangoli, nel quale non si trovano elettroni. Faccio notare che all'interno di una stessa banda ci sono moltissimi sottolivelli energetici, ma non sono rappresentati, perché la differenza di energia tra questi è talmente piccola che anche il minimo apporto energetico permette a un elettrone di passare da uno di questi livelli a quello più in alto.
Tuttavia, questo discorso cambia molto nel passaggio tra le diverse bande. Qui il gap energetico solitamente è più elevato. Allora, possiamo distinguere i materiali in tre tipi a seconda della struttura elettronica delle loro bande.
Nei materiali chiamati conduttori, la banda di conduzione è semipiena. Significa che questi materiali hanno una delle loro bande, che contiene alcuni elettroni, ma non ha la sufficienza da riempire completamente tutti i sottolivelli di quella banda. In un materiale chiamato isolante abbiamo una banda di valenza, cioè la banda superiore riempita, e abbiamo delle bande successive completamente vuote.
La banda di valenza piena è distanziata dalla banda chiamata di conduzione da un gap energetico abbastanza elevato. In un semiconduttore, anche qui troviamo la banda completamente piena, la banda di valenza, ma il gap energetico che separa questa banda da quella successiva è più piccolo. Se all'interno di una banda c'è spazio di movimento per gli elettroni, nel senso che gli elettroni possono essere facilmente promossi a un sottolivello successivo, che ricordiamo è molto vicino energeticamente, allora gli elettroni possono acquisire quantità di moto e cioè muoversi all'interno del reticolo cristallino del metallo. Questo avviene nei conduttori.
Abbiamo visto che nei conduttori la banda è semipiena. Questo significa che c'è... spazio a sufficienza e quando io applico una piccola energia, ad esempio un campo elettrico esterno, gli elettroni all'interno della banda di conduzione acquisiscono sufficiente energia per fare il piccolo salto energetico all'interno della stessa banda e di conseguenza acquisire la quantità di moto necessaria a scorrere e a muoversi all'interno della struttura cristallina. Avviene quindi passaggio di corrente elettrica. Negli isolanti la banda di valenza è già piena.
Per aumentare il livello energetico degli elettroni della banda di valenza io dovrei promuoverli alla banda successiva, ma il gap energetico tra due bande è molto grande, per cui un campo elettrico è molto più grande. perché non ha abbastanza energia da permettere questo passaggio. L'unico modo per cui potrei permettere questo passaggio è con un apporto di energia molto più grande, ad esempio attraverso un bombardamento con dei fotoni o altri tipi di raggi fortemente energetici.
Quindi negli isolanti il passaggio di corrente elettrica non c'è, perché gli elettroni sono bloccati, cristallizzati, nelle posizioni energetiche tipiche di una banda di valenza piena. Nei semiconduttori avviene la stessa cosa, ma avendo un piccolo gap tra la banda di valenza e la banda di conduzione, con un sufficiente apporto di energia, io posso osservare che alcuni elettroni si muovono e vanno nella banda di conduzione. Qui sono poi liberi di assorbire ulteriore energia e acquisire di conseguenza la quantità di moto necessaria a determinare nei semiconduttori alcune proprietà elettriche. I semiconduttori sono molto importanti in elettronica.
Ma non vengono spesso utilizzati puri, vengono utilizzati drogati. Che cosa significa? Il drogaggio è l'inserimento di piccole quantità di impurità, quindi altri elementi chimici, all'interno di un semiconduttore per migliorare le sue proprietà elettriche. Il drogaggio serve di fatto a migliorare la conducibilità del semiconduttore. Possiamo avere drogaggi di tipo N o di tipo P.
A seconda del fatto che io inserisca all'interno della struttura del semiconduttore alcuni... elementi chimici con un eccesso di elettroni o con una carenza di elettroni rispetto all'elemento chimico di cui è formato il conduttore. Se io vado ad aumentare il numero degli elettroni, andrò anche ad aumentare la probabilità che questi elettroni passino nella banda di conduzione del semiconduttore e di conseguenza diano effettivamente riscontro a un aumento della conducibilità elettrica. Il drogaggio di tipo P invece permette avendo una carenza di elettroni, di formare delle lacune elettroniche, cioè dei veri e propri buchi. È come se io andassi a svuotare parzialmente la banda di valenza del semiconduttore.
Ma una banda parzialmente svuotata è una banda che di fatto non è piena e di conseguenza permette, anche in questo caso, l'aumento di energia dei singoli elettroni e la conducibilità elettrica all'interno dei semiconduttori. Grazie per aver seguito questo video. La serie sui legami chimici continuerà con i legami deboli o secondari.