Next 

2.1. Consideraţii generale. Legătura metalică

 

Metalele sunt substanţe simple (elementare), solide la temperatura obişnuită, cu excepţia mercurului care este lichid la această temperatură, cristalizate în reţele compacte.

Ele se deosebesc de celelalte substanţe simple printr-o serie de proprietăţi ca: luciu metalic, proprietatea de a absorbi lumina, sunt insolubile în dizolvanţi comuni dar se dizolvă în metale formând aliaje. Prezintă conductibilitate termică şi electrică şi proprietăţi mecanice specifice (plasticitate, maleabilitate, ductilitate, tenacitate etc.)

Atomii metalelor au un număr mic de electroni (1...4) pe ultimul strat, cu excepţia bismutului care are 5 electroni pe ultimul nivel electronic.

Proprietăţile metalelor sunt determinate de un tip special de legătură care se stabileşte între atomii dintr-o reţea metalică, numită legătură metalică.

Tratarea cuantică a legăturii metalice, prin aplicarea teoriei orbitalilor moleculari a fost realizată de Sommerfeld (1927), Fermi şi Bloch (1929), Brillouin şi Pauling (1938) şi alţii. Conform acestei teorii, electronii dintr-o reţea metalică nu sunt perfect liberi ci sunt supuşi unui câmp periodic existent în reţea; într-o bucată compactă de metal, considerată o moleculă uriaşă, distribuţia electronilor este diferită de cea din atomii individuali liberi cum ar fi cei în stare de gaz. Diferenţele sunt mai mici pentru nivelele mai apropiate de nucleu dar sunt semnificative pentru cele mai îndepărtate. În atomii individuali, electronii sunt distribuiţi într-un număr limitat de nivele de energie pe când în metalul compact fiecare nivel energetic se multiplică într-un număr de nivele egal cu numărul atomilor din reţea, lărgindu-se astfel zonele în care electronii au acces, respectiv în reţeaua cristalină electronii se vor găsi în zone (benzi) de energie permisă separate de zone (benzi) interzise. Nivelele interioare pot fi părăsite de electroni doar dacă metalul este iradiat cu raze X, pe această proprietate bazându-se şi un tip de analiză spectrală. Banda corespunzătoare nivelului ultim este cea care este extinsă în întreg cristalul metalic. În general ultima bandă de energie ocupată cu electroni se numeşte bandă de valenţă iar banda permisă, liberă, imediat superioară benzii de valenţă, se numeşte bandă de conducţie.

Prin aplicarea unei diferenţe de potenţial, electronii vor trece pe nivelele superioare ale aceleiaşi benzi, cazul metalelor alcaline, sau din banda de valenţă în cea de conducţie, asigurând conducţia electrică a metalelor.

Conductibilitatea unui metal se defineşte ca inversul rezistivităţii lui, r, fiind constantă pentru un metal dat, la temperatură constantă. Ţinând seama de relaţia de calcul a rezistenţei, R, a unui conductor, conductibilitatea, k, se defineşte ca fiind inversul rezistenţei, opuse la trecerea curentului electric, de către un conductor cu lungime, l,  şi arie , A, unitare, ec. (2.1). Metalele alcaline sunt unii dintre cei mai buni conductori electrici. În reţeaua metalelor alcalino-pământoase (metale ns2), banda de valenţă ns2N este complet ocupată, iar conductibilitatea acestor metale se explică prin suprapunerea benzii de valenţă ns2Ncu banda de conducţie np0 complet liberă. Conductibilitatea  ridicată a metalelor tranziţionale se explică prin suprapunerea benzii ns2N complet ocupată cu banda (n-1)d, incomplet ocupată.

 

 ;   k = f(metal, temperatură)                               (2.1)

Tratarea cuantică a stării solide explică comportarea de conductor, de izolator sau de semiconductor a reţelelor, comportare determinată de valoarea DE a diferenţei dintre energia benzii de valenţă şi cea a benzii de conducţie. Această energie defineşte o zonă numită bandă interzisă. Dacă valoarea este nulă, materialul este conductor, dacă este până în 3eV, comportamentul este al unui semiconductor iar dacă banda interzisă depăşeşte 3eV materialul este izolator.