Metalli
Il restante tipo principale di solido è un metallo. Un metallo è caratterizzato dalla sua lucentezza, la facilità con cui può essere deformato (piuttosto che frantumato) con il martellamento, e la sua alta conducibilità elettrica e termica. I metalli tendono anche ad avere densità più elevate di altri tipi di solidi. Il punto di partenza per le teorie sulle strutture dei metalli è di considerarli come costituiti da cationi di atomi di metallo incorporati in un mare formato dagli elettroni di valenza scartati. La mobilità di questi elettroni spiega le proprietà meccaniche, ottiche ed elettriche dei metalli. I cationi sferici possono impacchettare strettamente insieme e tuttavia dare origine a gruppi elettrici localmente neutri. Questo è dovuto alla capacità degli elettroni di diffondersi tra i cationi e neutralizzare le loro cariche indipendentemente da quanto strettamente siano impacchettati. La vicinanza dell’impacchettamento degli atomi spiega le alte densità dei metalli.
Nel contesto delle teorie del legame chimico, un metallo è una molecola omonucleare estremamente grande. (Per un punto di vista alternativo, vedi cristallo.) Se un campione di sodio metallico è pensato come composto da n atomi di sodio dove ogni atomo ha un orbitale 3s da usare nella costruzione degli orbitali molecolari e ogni atomo fornisce un elettrone ad un pool comune, allora da questi n orbitali atomici si possono costruire n orbitali molecolari. Ogni orbitale ha un’energia caratteristica, e l’intervallo di energie attraversato dagli n orbitali è finito, per quanto grande sia il valore di n. Se n è molto grande, ne consegue che la separazione energetica tra orbitali molecolari vicini è molto piccola e si avvicina a zero quando n si avvicina all’infinito. Gli orbitali molecolari formano allora una banda di energie. Un’altra banda simile può essere formata dalla sovrapposizione degli orbitali 3p degli atomi, ma c’è un gap di banda sostanziale – cioè una regione di energia in cui non ci sono orbitali molecolari – tra le due bande.
Anche se la banda 3s è virtualmente continua, in realtà consiste di n orbitali molecolari discreti, ognuno dei quali, per il principio di esclusione di Pauli, può contenere due elettroni appaiati. Ne consegue che la banda 3s del sodio, che è occupata dal pool di n elettroni, è piena solo a metà. Ci sono orbitali molecolari vuoti immediatamente sopra gli orbitali riempiti più alti, ed è facile per una perturbazione, come una differenza di potenziale applicata o un campo elettromagnetico oscillante della luce incidente, spostare gli elettroni in questi livelli non occupati. Quindi, gli elettroni sono molto mobili e possono condurre una corrente elettrica, riflettere la luce, trasmettere energia e migrare rapidamente in nuove posizioni quando i cationi vengono spostati con il martellamento.
La teoria completa della struttura dei metalli è un argomento altamente tecnico (come lo sono le teorie complete degli altri argomenti discussi qui). Questa breve introduzione è stata intesa solo per mostrare che le idee della teoria degli orbitali molecolari possono essere estese in modo naturale per rendere conto delle caratteristiche generali delle strutture e delle proprietà dei solidi.
Si tratta di un argomento molto tecnico.