Metalli

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Introduzione

Metalli Elementi chimici caratterizzati in generale da lucentezza, durezza, malleabilità, duttilità, buona conducibilità elettrica e termica; a temperatura ambiente sono solidi cristallini (con l’eccezione del mercurio). I metalli (fra i quali, ad esempio, alluminio, argento, bario, berillio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cobalto, cromo, ferro, iridio, litio, magnesio, manganese, mercurio, molibdeno, nichel, oro, osmio, palladio, piombo, platino, potassio, radio, rame, rodio, sodio, stagno, tallio, tantalio, titanio, torio, tungsteno, uranio, vanadio, zinco) possono combinarsi fra loro e con alcuni altri elementi, formando composti, soluzioni solide o miscele. Una sostanza costituita da due o più metalli, oppure da un metallo e da particolari non metalli, come ad esempio il carbonio, si chiama lega. Le leghe formate da mercurio e altri elementi metallici sono invece dette amalgami.

Nell’ambito delle definizioni generali che permettono di classificare un elemento tra i metalli, le proprietà di ogni singola sostanza possono essere molto variabili. La maggior parte degli elementi metallici ha colore grigiastro, ma il bismuto è rossastro, il rame è rosso e l’oro è giallo. In alcuni casi, il colore varia in rapporto alla direzione di assorbimento della luce, un fenomeno noto come pleocroismo.

I punti di fusione possono variare da un minimo di -39 °C per il mercurio a un massimo di 3410 °C per il tungsteno. L’iridio (che ha densità relativa pari a 22,4) è il metallo più denso e il litio (che ha densità relativa di 1,53) è il meno denso. La maggior parte dei metalli cristallizza nel sistema cubico, ma non sono rare celle esagonali o tetragonali (vedi Cristallo). A temperature ordinarie, il bismuto presenta i valori più bassi di conducibilità elettrica, mentre l’argento presenta quelli più alti (per quanto riguarda le basse temperature, vedi Criogenia e Superconduttività). La conducibilità della maggior parte degli elementi metallici può essere ridotta trasformandoli in leghe. Tutti i metalli si dilatano se scaldati e diminuiscono di volume se raffreddati; alcune leghe, ad esempio quelle di platino e di iridio, hanno coefficiente di dilatazione termica molto basso.

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Proprietà fisiche

I metalli sono in genere molto duri e resistenti a diversi tipi di sforzi. Nonostante le differenze fra un metallo e l’altro siano notevoli, la loro classificazione avviene esclusivamente in base a proprietà fisiche quali: la durezza (cioè la resistenza a deformazioni superficiali o abrasioni); la resistenza a trazione (cioè la resistenza alla rottura); l’elasticità (cioè la capacità di assumere la forma originaria quando cessa la deformazione); la malleabilità (cioè la capacità di essere ridotti in lamine sottili senza subire rotture); la resistenza alla fatica (cioè la capacità di resistere a sforzi ripetuti); la duttilità (cioè la capacità di venire deformati senza subire rotture). Vedi anche Scienza e tecnologia dei materiali.

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Proprietà chimiche

Nella maggior parte dei composti chimici, i metalli hanno stati di ossidazione positivi, cioè cedono con facilità uno o due elettroni agli atomi a cui si legano. Sono inoltre caratterizzati da potenziali di ionizzazione relativamente bassi e possono facilmente trasformarsi in ioni positivi (cationi). Di conseguenza formano ossidi di tipo basico e possono formare sali, come cloruri, solfuri e carbonati. Vedi Reazione chimica.

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Struttura elettronica

Le varie caratteristiche dei metalli, in particolare l’elevata conducibilità termica ed elettrica, possono essere spiegate sulla base della struttura chimica ed elettronica di questi elementi.

Secondo la teoria universalmente accettata, nota come teoria delle bande, il legame tra atomi di un metallo è dovuto alla sovrapposizione degli orbitali atomici. Interagiscono fra loro solo gli orbitali di energia simile, quindi da ogni n orbitali atomici di energia equivalente, si formano n orbitali molecolari, estesi a tutto il solido, disposti su livelli energetici molto ravvicinati. A ciascuno di questi gruppi di orbitali molecolari si dà il nome di banda. Le bande sono fra loro separate da salti energetici, detti gap, la cui ampiezza dipende dalla differenza di energia fra i gruppi di orbitali atomici da cui sono state formate. Gli elettroni di valenza di ogni atomo del metallo si dispongono, a coppie, su tutti gli orbitali molecolari di ogni banda, a partire da quelli a energia più bassa. Di solito, i metalli non hanno elettroni in numero sufficiente per popolare tutti gli orbitali molecolari, quindi le bande a energia più alta sono vuote o solo parzialmente occupate. Assorbendo energia dall’esterno, gli elettroni dei livelli più bassi possono spostarsi in quelli più alti, vuoti: tali spostamenti giustificano le proprietà tipiche dei metalli.

Vedi anche Elementi chimici; Metallografia; Metallurgia; Elementi di transizione.