Post on 26-Jan-2016
description
Legatura metalica
Sl. dr. ing. Nicoleta Badea
Legatura metalica apare numai intre atomii metalelor in stare solida sau
lichida si se caracterizeaza prin libera circulatie a electronilor de valenta
in benzile de valenta.
În cristalul metalic atomii se află la distanţe mici unii de alţii, de aceea
orbitalii stratului de valenţă se intrepatrund nu mai aparţin unui atom sau
unei perechi de atomi, ci devin comuni tuturor atomilor, se contopesc
dând naştere unor orbitali extinşi pe tot cristalul metallic, formând
reţele metalice.
Metalele reprezintă 80 din cele 118 elemente cunoscute până în prezent.
Clasificarea metalelor după configuraţia electronică:
tipice, componente ale blocului sp - grupele principale ale
sistemului periodic;
tranziţionale componente ale blocurilor d şi f, - grupele secundare
ale sistemului periodic.
Banda 3s 3s1
2p6
2s2
1s2
E
(a) Atomi izolati de Na (b) Atomi de Na in cristalul
metalic
Exemplu: Structura electronică a atomului de Na este: 1s2 2s2 2p6 3s1
Fig. 1. Banda de valenţă a sodiului metalic
Totalitatea acestor niveluri de energie formează banda de valenţă.
Banda de valenţă comună determină coeziunea metalului.
Conform principiului excluderii a lui Pauli în stare fundamentală la 0 K
fiecare nivel energetic din banda de valenţă este ocupat de doi electroni.
Astfel, jumătate din banda de valenţă este ocupată de electroni, cealaltă
jumătate de energie mai înaltă fiind liberă. Zona de energie înaltă
neocupată se numeşte bandă de conducţie.
La temperaturi mai mari de 0 K electronii trec din banda de valenţă în
banda de conducţie, asigurând conducerea curentului electric în metal.
În cazul metalelor tranziţionale banda de valenţă este mai largă datorită
întrepătrunderea orbitalilor de tip d şi cei de tip s din stratul de valenţă.
Cu cât banda de valenţă este mai largă cu atât legătura metalică este
mai puternică între atomi, metalul este mai dur şi mai rezistent la solicitările
metalice.
Metalele al căror număr de legături metalice este mare, au raze atomice
mici, densităţi şi durităţi mari, temperaturi de topire şi de fierbere
ridicate, precum şi o rezistenţă remarcabilă la solicitările mecanice
exterioare.
Proprietăţile metalelor
stare de agregare – toate metalele sunt solide cu excepţia Hg care
este lichid;
densitatea metalelor variază în limite largi;
culoarea metalelor este variată. –
- albe metalic (Pb, Ag).
- galben-roşiatic: Cu;
- galben Au;
- culoare cenuşie-neagră - în pulbere fină;
Metal Li K Pt Os
[g/cm3] 0,53 0,86 21,45 22,5
temperatura de topire variază foarte mult de la metal la metal şi
este influenţată de volumul atomic.
Metal Hg K Na Cu Fe W
p.t. [o C] –39,0 63,5 97,8 1083 1536 3410
Diferenţa între punctele de topire a metalelor este folosită pentru
separarea metalelor între ele, la fabricarea aliajelor şi la prelucrarea
metalelor.
Densitate, duritatea si temperatura de topire cresc odata cu gradul de
ocupare al benzii de valenta.
proprietăţi electrice
- Conductibilitate electrică este mai mare în cazul metalelor în care banda
de valenţă este ocupată jumătate de electroni. Exemplu: grupa IA şi grupa
IB (Cu, Ag, Au).
Metalele alcalino pământoase (grupa II A) şi cele din grupa II (Zn, Cd, Hg)
conduc curentul electric mai slab decât cele din grupa IA şi IB datorită
faptului că au banda s complet ocupată de electroni.
Factorii care influenteaza proprietatile electrice si termice:
volumul atomilor;
lăţimea benzii de valenţă
Metalele tranziţionale sunt conductori mai buni decât metalele alcaline
datorită faptului că au volume mai mici, reţele mai compacte şi benzi de
valenţă largi conţinând mai mulţi electroni.
prezenţa impurităţilor în reţeaua metalică scade
conductivitatea electrica
Temperatura creşterea temperaturii conduce la
scăderea conductibilităţii electrice a metalelor
Aproape de zero absolut (-273°C), metalele îşi pierd complet rezistenţa
electrică şi devin conductori „ideali”. Acest fenomen se numeşte
supraconductibilitate.
Ex: Nb care are temperatura critica cea mai ridicata (Tc) = 9.3 K in timp ce
NbGe are Tc = 23,6 K.
proprietăţii termice - conductibilitatea termică a metalelor este
explicată datorită mişcării libere a electronilor, cât şi prin vibraţiile
atomilor.
proprietăţi optice - metalele prezintă luciu şi opacitate datorita
electronilor mobili din metal.
proprietăţi mecanice ale metalelor sunt: plasticitate, maleabilitate,
ductilitate, tenacitate, rezistenţă la compresiune şi tracţiune.
Plasticitatea este proprietatea metalelor (şi aliajelor) de a se deforma
permanent când sunt supuse unei tensiuni exercitate din exterior. Procesul
este ireversibil.
maleabilitatea unui metal este capacitatea lui de a fi tras în foi prin
comprimare la o temperatură inferioară punctului de topire. Sub acţiunea
forţelor exterioare, cristalele metalelor se deformează după anumite
planuri de reticulare.
Maleabilitatea depinde de temperatură, şi anume creşte până la o
anumită temperatură, după care scade şi metalele devin casante.
Aplicarea
forţei Aplicarea
forţei
În cursul solicitărilor mecanice, atomii nu pierd contactul unii cu alţii, îşi schimbă poziţia unul în raport cu altul, dar rămân legaţi prin benzile de valenţă, astfel încât reţeaua metalică nu este alterată.
Ductilitatea este proprietatea unui metal de a fi tras în fire; ea depinde de plasticitate şi de maleabilitate.
Tenacitatea este proprietatea unui metal de a cuprinde o energie mare de deformare plastică. Metalele care au tenacitate mare sunt rezistente, pe când cele cu tenacitate mică sunt casante.
proprietăţi magnetice: paramagnetism, diamagnetism şi feromagnetism.
Metalele feromagnetice (Fe, Co şi Ni) se magnetizează puternic, păstrând magnetismul şi după îndepărtarea câmpului magnetic inductor.
Metale paramagnetice au proprietăţi magnetice slabe, fără a păstra aceste proprietăţi după îndepărtarea câmpului magnetic inductor (majoritatea metalelor tranziţionale).
Metalele diamagnetice (Cu, Ag, Au, Sn, Pb, Pi) nu se magnetizează şi sunt respinse de câmpul magnetic.
În antiferomagnetism – electronii impari sunt orientaţi în direcţii care permit anularea momentelor magnetice individuale astfel încât momentul magnetic global este zero.
Solubilitatea - metalele sunt insolubile în solvenţi comuni. Se dizolvă
numai în alte metale topite formând aliaje. La solidificarea topiturii se
realizează legătura metalică între atomii unor metale diferite.
Proprietăţi chimice ale metalelor sunt: starea de oxidare şi caracterul
lor electrochimic.
Starea de oxidare (S.O) este o proprietate care variază în anumite limite în
funcţie de natura elementului considerat.
pentru elementele metalice de tip s şi p, S.O. este în general dată de
numărul grupei din care face parte elementul, şi cu puţine excepţii,
aceasta reprezintă unica valenţă a elementului respectiv;
pentru metalele tranziţionale de tip d, S.O. prezintă o gamă mult mai
mare de valori - cea maximă fiind dată de numărul grupei - ca o
consecinţă a particularităţilor structurii lor electronice.
Caracterul electrochimic al metalelor este o măsură directă a tendinţei
acestora de a forma ioni în soluţie, conform reacţiei:
M → Mz+ + ze−
Seria Volta
Li K Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au Pt
-3,01 -2,92 - 2,7 -2,38 -1,66 -0,76 -0,41 -0,44 -0,27 -0,23 -0,14 -0,13 0 +0,34 0,79 0,79 1,42
1. Cu cât metalul este aşezat mai mult la începutul seriei, cu atât este mai activ,
are capacitate de ionizare mai mare (M Mz+ + ze) şi se oxideaza mai usor.
2. Metalele care se găsesc la stanga hidrogenului il deplasează din apă şi din
soluţiile acizilor diluaţi, spre deosebire de metalele din dreapta hidrogenului
care nu inlocuiesc hidrogenul din aceste soluţii;
3. Metalele dispuse în dreapta hidrogenului (metale nobile) au o activitate
chimică redusă, se oxidează mai greu şi au o tendinţă mai mare de a trece
din starea de ioni în stare de atomi (Mz+ + ze M)
Tipuri de reţea Reţea Exemplu
Hexagonal
compactă
Be, Mg, Cr, Os;
Cubică cu feţe
centrate
Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au
Cubică centrată
intern
Cr, W, Mo
Majoritatea metalelor cristalizează în trei tipuri de reţea:
Legăturile metalice sunt nesaturate, nelocalizate şi nedirijate în spaţiu,
ceea ce ar explica plasticitatea metalelor.
Polimorfism - unele metale (Sn, Fe, Co, Ni, Mn, Fe cristalizează în mai
multe tipuri de reţele stabile pe anumite intervale de temperatura.
De exemplu Fe are trei forme polimorfe:
- retea cubica cu fete centrate, forma alfa stabila pana la 906o C;
- retea cubica centrata intern, forma gama stabila intre 906 - 1406o C;
- retea cubica cu fete centrate, forma delta stabila intre 1401 – 1536o C;
Aliajele se caracterizează:
• prin proprietăti calitativ superioare faţă de cele corespunzătoare
elementelor componente.
• duritatea şi rezistenţa aliajelor sunt mai mari decât ale metalelor
componente.
Aliajele sunt mai utilizate în tehnica modernă decât metalele în stare pură.
Cel mai simplu aliaj este soluţia solidă, care este de două tipuri de:
substituţie şi de inserţie.
Un aliaj format din doi componenţi A şi B, formează o soluţie solidă de
substituţie, dacă o parte din atomii A sunt înlocuiţi de atomii B (sau
invers) şi cele două tipuri de atomi sunt dispuşi într-o reţea cristalină
comună.
După felul cum atomii B înlocuiesc în mod ordonat sau întâmplător
atomii A se obţin soluţii solide de substituţie ordonate (fig. 2a) şi
dezordonate (fig. 2b).
Fig. 2. Soluţii solide de substituţie
Tip aliaj Compoziţie
Aur 14
carate
58% Au; 14- 28% Cu; 4-28 % Ag
Aur 18
carate
75% Au; 10-20 % Ag, 5-15% Cu
Bronzul 80 % Cu; 20 % Sn
Alamă 67- 90 % Cu; 10 -33 % Zn a b
B
A A B
Fig. 3 Soluţie solidă de inserţie.
Soluţiile solide de inserţie (interstiţiale) se formează atunci când atomii
dizolvaţi ocupă poziţii interstiţiale între atomii solventului (fig. 3).
Atomii elementului B ce se inserează în golurile reţelei elementului A
trebuie să aibă dimensiuni foarte mici: rB ≤ 0,59 rA. Din acest punct de
vedere hidrogenul, C, N şi B deci elemente cu raze atomice mici,
prezintă o importanţă practică deosebită, formând aliaje cu
proprietaţi mecanice deosebite.
Exemplu
carburi: TiC, W2C, NbC
Hidruri TiH2, CrH, CrH2; PdH
TiN, ZrN, TaN
Proprietatile compusilor interstitiali:
- inerti chimic;
- temperaturi de topire ridicate: 3030 oC - W2C, 3220 oC ZrN;
- supraconductori;
- duritati mari cuprinse intre 8-10 pe scara Mohs; B4C este compusul
cel mai dur- zgaraie diamantul