Componendo la maggior parte degli elementi chimici della tavola periodica, i metalli sono tra le sostanze conosciute più versatili e utili. Lo sviluppo delle tecnologie di lavorazione dei metalli per creare materiali è stato probabilmente uno dei progressi più importanti nella storia dell’umanità. I metalli sono onnipresenti nel mondo moderno. Ponti, grattacieli, dighe e automobili – la maggior parte delle costruzioni industriali e su larga scala sono composte interamente o almeno parzialmente da metalli e i metalli sono un componente essenziale nella maggior parte dell’elettronica moderna.
Detto questo, il termine “metallo” è molto ampio e comprende una serie di sostanze con proprietà diverse, come il piombo (un metallo pesante denso), il mercurio (un metallo liquido) e il sodio (un metallo morbido che si può tagliare con un coltello). Allora, cos’è che rende un metallo un metallo, e quali sono alcune proprietà dei metalli che li rendono così utili?
Cosa sono i metalli?
In chimica, il termine “metallo” è normalmente usato per riferirsi agli elementi che occupano i gruppi 3-12 nel blocco d della tavola periodica. Questi elementi sono talvolta chiamati “metalli di transizione”. I metalli si distinguono dai non-metalli in virtù delle loro proprietà. Alcune proprietà comuni dei metalli includono:
- Durezza – i metalli tendono ad essere duri e resistenti alla deformazione
- Malleabilità & Duttilità – i metalli possono piegarsi e cambiare forma senza rompersi
- Conducibilità – i metalli tendono ad essere buoni conduttori di calore ed elettricità
- Lucentezza – i metalli hanno un unico magnetismo – molti metalli sono ferromagnetici o paramagnetici
Oltre a queste proprietà fisiche, i metalli hanno anche proprietà chimiche specifiche. I metalli tendono ad avere basse energie di ionizzazione e formano facilmente ioni positivi. La maggior parte dei metalli hanno un carattere basico e reagiscono con gli acidi per formare sali e acqua.
I metalli costituiscono la maggior parte degli elementi della tavola periodica. Circa 91 dei 118 elementi conosciuti sono classificati come metalli. 6 elementi (boro, silicio, germanio, arsenico, antimonio e tellurio) sono comunemente classificati come metalloidi e hanno una miscela di proprietà metalliche e non metalliche.
Cosa rende un metallo un metallo?
Finora abbiamo solo elencato alcune proprietà comuni ai metalli. Un’altra domanda è: perché i metalli hanno le proprietà che hanno? Cioè, cosa c’è nella struttura degli elementi metallici che spiega le loro proprietà comunemente osservate?
Le proprietà uniche dei metalli possono essere spiegate dalla loro struttura atomica ed elettronica. Gli elementi del blocco d della tavola periodica tendono ad avere più orbitali vuoti nel guscio elettronico. Quando gli atomi metallici si agglomerano, i loro elettroni diventano delocalizzati e vengono condivisi uniformemente tra gli atomi. Si può pensare a un metallo come a un reticolo di cationi carichi positivamente circondati da un “mare” di elettroni. Il gran numero di orbitali elettronici vuoti significa che gli elettroni possono muoversi facilmente da un atomo all’altro. La natura delocalizzata dei legami metallici è ciò che spiega le proprietà uniche dei metalli.
Nella prossima sezione, daremo uno sguardo approfondito ad alcune proprietà chiave dei metalli e spiegheremo come emergono dalle loro strutture atomiche ed elettroniche
5 incredibili proprietà dei metalli
Durezza
In senso stretto, non tutti i metalli sono duri a temperature e pressioni standard. Il mercurio è un liquido a temperatura ambiente e il gallio si scioglie nel palmo della mano in una giornata calda. Alcuni metalli, come il sodio e il potassio, sono molto morbidi e possono essere tagliati con un coltello, come una torta.
Tuttavia, molti metalli sono noti per essere duri e resistenti alla deformazione meccanica. Questa durezza è una delle ragioni per cui i metalli sono così utili per applicazioni industriali e su larga scala. La durezza dei metalli può essere spiegata dal modo in cui i loro atomi sono disposti l’uno rispetto all’altro. La maggior parte dei metalli hanno attrazioni intermolecolari molto forti, che fanno sì che i loro atomi si raggruppino molto strettamente. Poiché gli atomi sono così vicini, c’è poco spazio tra di loro e non possono muoversi molto quando viene applicata una forza esterna. Lo stesso principio spiega la resistenza alla trazione tipicamente alta dei metalli.
La disposizione fisica degli atomi strettamente imballati spiega anche perché i metalli tendono ad essere densi e pesanti. La densità è una misura della quantità di massa per unità di volume. Quando gli atomi sono molto vicini tra loro, c’è un’alta quantità di massa per unità di volume, quindi i metalli sono densi
Malleabilità &Duttilità
Una proprietà chiave dei metalli che li rende così utili è che possono essere modellati e modellati senza rompersi o perdere durezza. I metalli sono molto malleabili, il che significa che possono essere compressi o appiattiti senza incrinarsi o frantumarsi. Per esempio, l’oro è un metallo molto malleabile. Un singolo blocco d’oro delle dimensioni di una scatola di fiammiferi può essere appiattito in un foglio delle dimensioni di un campo da tennis. La duttilità si riferisce alla capacità di una sostanza di essere modellata senza perdere durezza. I metalli sono duttili perché possono essere modellati in nuove strutture senza perdere forza.
La malleabilità e la duttilità dei metalli sono spiegate dalla natura delocalizzata dei legami metallici. Poiché gli elettroni sono delocalizzati, fogli di atomi di metallo possono scivolare uno contro l’altro senza rompere alcun legame chimico. Questo è l’esatto opposto di quello che potrebbe accadere in un composto ionico fragile, per esempio. In un composto ionico, gli atomi sono bloccati in una struttura rigida dove gli ioni positivi e negativi sono allineati tra loro. Quando uno strato viene spostato da una forza, gli ioni positivi e negativi si disallineano e si respingono a vicenda. La repulsione causa la frattura della sostanza.
Conducibilità &termica
I metalli sono anche noti per essere conduttivi, il che significa che possono immagazzinare e trasferire bene calore ed elettricità. Le capacità dei metalli di immagazzinare e trasmettere calore ed elettricità sono chiamate rispettivamente conducibilità termica ed elettrica.
Conducibilità termica
I metalli sono noti per essere buoni conduttori termici. La conducibilità termica spiega perché si può riscaldare una padella di metallo sul fornello e usarla per cucinare. Il calore del fornello viene trasferito alla padella di metallo. Quel calore viene poi trasferito al cibo quando viene cucinato. I metalli sono buoni conduttori termici perché la loro struttura atomica strettamente imballata assorbe l’energia cinetica in modo molto efficiente. Fondamentalmente, il calore è solo il movimento delle molecole. Riscaldare qualcosa equivale a far muovere più velocemente le molecole che lo compongono. Poiché gli atomi di metallo sono impacchettati molto strettamente insieme, il movimento (calore) di qualsiasi atomo è facilmente trasferito ai suoi vicini.
Conducibilità elettrica
I metalli sono buoni conduttori di elettricità a causa dei loro elettroni delocalizzati in movimento libero. Quando una tensione elettrica viene applicata a un metallo, un campo elettrico innesca il movimento delle cariche elettroniche. Poiché gli elettroni sono delocalizzati, si muovono molto facilmente sotto l’influenza di un campo elettronico. Nei metalli conduttivi, gli elettroni fluiscono sempre dal terminale negativo al terminale positivo.
Lustro
I metalli sono anche noti per il loro aspetto visivo unico. Sotto la luce, i metalli hanno un caratteristico aspetto lucido. Questa lucentezza esteticamente piacevole di metalli come l’oro, l’argento e il platino spiega il loro valore e il loro uso in gioielli e ornamenti.
La lucentezza dei metalli può essere spiegata dall’interazione di luce ed elettroni. Nei metalli, gli elettroni sono delocalizzati e liberi di muoversi. Quando la luce (qualsiasi radiazione EM) colpisce la superficie, gli elettroni assorbono i fotoni ed entrano in uno stato energetico eccitato. Quando l’elettrone cade di nuovo nel suo stato di terra, rilascia un po’ di energia sotto forma di fotone. Poiché la quantità di energia nel sistema deve rimanere costante, il fotone emesso dall’elettrone ha la stessa frequenza del fotone che è stato inizialmente assorbito dall’elettrone. L’occhio umano percepisce questo processo come il luccichio riflettente associato ai metalli.
Magnetismo
Un’altra proprietà caratteristica dei metalli è la loro capacità di produrre ed essere influenzati da campi magnetici. Un aspetto fondamentale degli elettroni è che producono un dipolo magnetico, cioè una regione di influenza magnetica con un polo positivo e uno negativo. In condizioni normali, gli elettroni nei metalli sono mescolati in modo che i loro dipoli non si allineino tra loro.
Tuttavia, sotto l’influenza di un campo magnetico esterno, gli elettroni si orientano in modo che tutti i loro dipoli siano rivolti nella stessa direzione. L’azione cumulativa dei dipoli risulta in un campo magnetico macroscopico che può spingere e tirare oggetti. I metalli sono inclini ad essere magnetizzati perché hanno numerosi orbitali elettronici aperti. Poiché ci sono molti orbitali aperti nei metalli, gli elettroni possono muoversi e cambiare orientamento molto, quindi è più facile ottenere i loro campi magnetici allineati.
I materiali che diventano magnetici sotto l’influenza di un campo magnetico esterno sono chiamati paramagnetici. Provate questo esperimento a casa: Prendete un cacciavite, alcuni aghi e un magnete da cucina. Toccare gli aghi con la punta del cacciavite non serve a niente perché non c’è attrazione. Poi, tieni gli aghi contro il magnete da cucina per un minuto o due. Quando togliete gli aghi, dovreste scoprire che ora sono attratti dalla punta del cacciavite. Questo perché il campo magnetico del magnete da cucina riallinea gli elettroni nell’ago in modo che i loro poli magnetici siano tutti allineati.
La maggior parte dei materiali paramagnetici non rimane magnetizzata a tempo indeterminato. Fluttuazioni termiche casuali nel materiale alla fine causeranno il disallineamento dei dipoli. Alcuni materiali sono in grado di mantenere le loro proprietà magnetiche dopo che il campo magnetico viene rimosso. Questi tipi di materiali sono chiamati ferromagnetici. Il nichel e il ferro sono due tipi di metalli ferromagnetici.