¿Qué hace que algunos metales se fundan a mayor temperatura?

Question

Estoy mirando la temperatura de fusión de los elementos metálicos, y observo que los metales con alta temperatura de fusión están todos agrupados en alguna esquina inferior izquierda del $\mathrm{d}$ -Bloqueo. Si tomo por ejemplo la tabla periódica con el estado físico indicado en $\pu{2165 K}$ :

Veo que (aparte del boro y el carbono) los únicos elementos que siguen siendo sólidos a esa temperatura forman un bloque bastante bien definido alrededor del wolframio (que se funde a $\pu{3695 K}$ ). ¿Qué es lo que hace que este grupo de metales se funda a tan alta temperatura?

Answer 1

Se han insinuado algunos factores, pero permítanme ponerlos en orden de importancia y mencionar algunos más:

• Los metales suelen tener un punto de fusión alto, porque enlace interatómico metálico por electrones deslocalizados ( $\ce{Li}$ que tiene sólo unos pocos electrones para este "mar de electrones") entre los átomos del núcleo es bastante eficaz en esos sólidos de elementos puros en comparación con otros tipos de enlace (iónico $\pu{6-20 eV/atom}$ energía de enlace, covalente 1-7, metálico 1-5, van-der-Waals mucho menor). Además, las redes iónicas como $\ce{NaCl}$ tienen una mayor energía de red y de enlace, tienen un débil enlace interatómico de largo alcance, a diferencia de la mayoría de los metales. Se rompen o son fácilmente solubles, los metales son maleables pero no se rompen, el mar de electrones es la razón de su capacidad de soldadura.

• la estructura cristalina y la masa juegan un papel inferior entre sus elementos filtrados (basta con buscar la estructura cristalina de esos elementos), ya que el enlace metálico no es direccional a diferencia del enlace covalente (simetría orbital). Los metales suelen tener medio relleno $\mathrm{s}$ y $\mathrm{p}$ bandas (más fuertes deslocalizadas que $\mathrm{d}$ y $\mathrm{f}$ ) en el borde de Fermi (lo que significa una alta conductividad) y, por lo tanto, muchos electrones deslocalizados que pueden pasar a estados energéticos desocupados dando lugar al mayor mar de electrones con la mitad o menos de bandas de relleno.

• metales nobles como $\ce{Au,Ag}$ tener un completo $\mathrm{d}$ orbital, por lo tanto baja reactividad/electronegatividad y se utilizan a menudo como materiales de contacto (alta conductividad debido al mar de electrones "muy fluido" que consiste sólo en $\mathrm{s}$ -electrones orbitales. A diferencia del tungsteno con la mitad o menos de los electrones ocupados $\mathrm{d}$ -orbitales no muestran ninguna interatómica $\mathrm{d-d}$ de la unión por deslocalización $\mathrm{d}$ -electrones, y lo que es más importante, un medio lleno $\mathrm{d}$ -contribuye con 5 electrones a la banda de energía, mientras que un $\mathrm{s}$ sólo 1, $\mathrm{p}$ sólo 3, el mar de electrones es mayor entre los $\mathrm{d}$ -grupo.

• Le site "empaquetamiento" de los átomos del núcleo en la red (distancia interatómica) entre los altos $Z$ átomos (en comparación con Por ejemplo $\ce{Li}$ ) es más denso (más protones, mayor atracción de los electrones de la cáscara, menor radio interatómico), significa una mayor unión interatómica transmitida por el mar de electrones:

Puede ver aquí que en cada serie ( $\ce{Li,\ Na,\ K}$ ) los puntos de fusión aumentan hasta un máximo y luego disminuyen con el aumento del número atómico (falta de estados energéticos desocupados para los deslocalizados $\mathrm{d}$ -electrones), siendo aquí el mayor mar de electrones un factor más fuerte que un envase un poco más denso.

• El boro, como semimetálico, presenta enlaces metálicos y covalentes, enlaces covalentes direccionales fuertes del carbono y es capaz de construir una red de enlaces, a diferencia de otros elementos no metálicos que presentan enlaces covalentes intramoleculares, Por ejemplo en las moléculas diatómicas, pero no en las macromoléculas debido a la falta de electrones no apareados.

Así que hay algunas tendencias mayores para los puntos de fusión que explican los altos puntos de fusión de $\mathrm{d}$ -metales, pero también algunas excepciones menores a la regla como $\ce{Mn}$ .

Answer 2

Creo que hay dos propiedades en juego: la velocidad atómica y la estabilidad de la estructura de la red.

Recordemos que la temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas, por lo que $v \propto \sqrt{\frac{T}{m}}$ o para alcanzar la misma velocidad, $T \propto m$ . Así, a la misma temperatura, dos átomos más pesados se moverán más lentamente entre sí que dos moléculas más ligeras, lo que les dará más tiempo para interactuar.

Recordemos que en un sólido, las moléculas se mantienen en un entramado gracias a las fuerzas intermoleculares, y en un líquido, los átomos tienen suficiente energía como para que las fuerzas entre ellos ya no sean lo suficientemente fuertes como para mantener los átomos en un entramado. Por tanto, cuanto más estabilidad adquieran los átomos de una sustancia al estar en su disposición sólida y cristalina, mayor será su punto de fusión. Ahora bien, ¿por qué los metales de esa zona ganan más estabilidad en sus formas sólidas? Estoy bastante seguro de que la respuesta tiene que ver con la integridad de los orbitales y los semiorbitales. No estoy seguro de los detalles de la nube de electrones deslocalizada en los metales, pero creo que es probable que permita a estos metales llenar o vaciar de alguna manera sus orbitales incompletos.