Какие свойства металлов обусловливает металлическая связь

Металли́ческая связь — химическая связь между атомами в металлическом кристалле, возникающая за счёт перекрытия (обобществления) их валентных электронов. Металлическая связь описывается многими физическими свойствами металлов, такими как прочность, пластичность, теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и проводимость, непрозрачность и блеск[1][2][3][4].

Механизм металлической связи[править | править код]

В узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны проводимости, происходящие из атомов металлов при образовании ионов. Эти электроны играют роль «цемента», удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Когда металл принимает какую-либо форму или растягивается, он не разрушается, потому что ионы в его кристаллической структуре довольно легко смещаются относительно друг друга[5]. Силы связи не локализованы и не направлены. В металлах в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8).

Рис. 1. Расположение ионов в кристалле щелочного металла

Так, щелочные металлы кристаллизуются в кубической объёмно-центрированной решётке, и каждый положительно заряженный ион щелочного металла имеет в кристалле по восемь ближайших соседей — положительно заряженных ионов щелочного металла (рис. 1). Кулоновское отталкивание одноимённо заряженных частиц (ионов) компенсируется электростатическим притяжением к электронам связывающих звеньев, имеющих форму искажённого сплющенного октаэдра — квадратной бипирамиды, высота которой и рёбра базиса равны величине постоянной решётки aw кристалла щелочного металла (рис. 2).

Связывающие электроны становятся общими для системы из шести положительных ионов щелочных металлов и удерживают последние от кулоновского отталкивания.

Величина постоянной трансляционной решётки aw кристалла щелочного металла значительно превышает длину ковалентной связи молекулы щелочного металла, поэтому принято считать, что электроны в металле находятся в свободном состоянии:

Щелочной металл	Li	Na	K	Rb	Cs
Постоянная решётки aw, Å[6]	3,502	4,282	5,247	5,690	6,084
Длина ковалентной связи для Me2, Å[7]	2,67	3,08	3,92	4,10	4,30

Математическое построение, связанное со свойствами свободных электронов в металле, обычно отождествляют с «поверхностью Ферми», которую следует рассматривать как геометрическое место в k-пространстве, где пребывают электроны, обеспечивая основное свойство металла — проводить электрический ток[8]. Таким образом, электрический ток в металлах — это движение сорванных с орбитального радиуса электронов в поле положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки металла. Выход и вход свободных электронов в связывающее звено кристалла осуществляется через точки «0», равноудалённые от положительных ионов атомов (рис. 2).

Свободное движение электронов в металле подтверждено в 1916 году опытом Толмена и Стюарта по резкому торможению быстро вращающейся катушки с проводом — свободные электроны продолжали двигаться по инерции, в результате чего гальванометр регистрировал импульс электрического тока. Свободное движение электронов в металле обусловливает высокую теплопроводность металла и склонность металлов к термоэлектронной эмиссии, происходящей при умеренной температуре.

Колебание ионов кристаллической решётки создаёт сопротивление движению электронов по металлу, сопровождающееся разогревом металла. В настоящее время важнейшим признаком металлов считается положительный температурный коэффициент электрической проводимости, то есть понижение проводимости с ростом температуры. С понижением температуры электросопротивление металлов уменьшается, вследствие уменьшения колебаний ионов в кристаллической решётке. В процессе исследования свойств материи при низких температурах Камерлинг-Оннес открывает явление сверхпроводимости. В 1911 году ему удаётся обнаружить уменьшение электросопротивления ртути при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К) до нуля. В 1913 году Камерлинг-Оннесу присуждается Нобелевская премия по физике со следующей формулировкой: «За исследование свойств веществ при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия».

Однако теория сверхпроводимости была создана позднее. В её основе лежит концепция куперовской электронной пары — коррелированного состояния связывающих электронов с противоположными спинамии и импульсами, и, следовательно, сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа, состоящего из куперовских пар электронов, через ионную кристаллическую решётку. В 1972 году авторам теории БКШ — Бардину, Куперу и Шрифферу присуждена Нобелевская премия по физике «За создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией».

Характерные кристаллические решётки[править | править код]

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решёток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объемно центрированную решётку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba и др.

В кубической гранецентрированной решётке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решётку такого типа имеют металлы: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, γ-Fe, Cu, α-Co и др.

В гексагональной решётке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca и др.

Другие свойства[править | править код]

Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Многие металлы обладают высокой твёрдостью, например хром, молибден, тантал, вольфрам и др. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.

Примечания[править | править код]

Источник

Атомы в молекуле удерживаются посредством химической связи. Если молекула состоит из разных атомов (KF, Na2S, CO2, H2O), то речь идёт о ковалентной полярной (случай, когда в молекулу входят атомы неметаллов) или ионной связи (случай, когда молекула состоит из атома металла и атома неметалла). Если мы имеем дело с молекулой, состоящей из атомов неметалла одного вида (О2, N2, Br2), то в этом случае имеет место ковалентная неполярная связь. А как же связаны атомы в металлах, например, в натрии Na, кальции Са или алюминии Al?

Фото: livemaster.ru

Металлическая связь

Составляющие металл атомы удерживаются в единой структуре посредством химической связи. Не будь её, не существовало бы кристаллов. И эта связь носит название металлическая.

Металлическая связь – это связь, возникающая в результате обобществления электронов, находящихся на внешних электронных слоях атомов.

Чтобы понять это довольно сложно определение, посмотрим пример. Но для начала вспомним, как построены атомы металлов. В таблице Менделеева элементы-металлы располагаются в левом нижнем углу (мы говорим о главных подгруппах). У атомов металлов на внешнем электронном слое мало электронов. Кроме того, чем ниже мы опускаемся по группе в периодической таблице, тем больше становится радиус атома. Это означает, что на внешний слой всё дальше от ядра (напомню, что ядро атома имеет положительный заряд). Из-за этого электроны на внешнем уровне все меньше притягиваются к ядру. Малое число электронов и их удалённость от ядра позволяют им с лёгкостью отрываться от атома. При этом, как вы помните, атом превращается в ион, в данном случае в катион:

Me – 1e- → Me+1

Здесь Me – произвольный металл, с одним электроном на внешнем электронном уровне. В случае, если на внешнем электронном уровне несколько электронов, схема выглядит так:

Me – ne- → Me+n

Здесь n – число валентных электронов. Например, для кальция, стоящего во второй группе таблицы Менделеева и имеющего 2 электрона не внешнем уровне, схема такова:

Са – 2e- → Са+2

Для алюминия, стоящего в третьей и группе и имеющего 3 электрона на внешнем уровне, мы можем записать такую схему:

Al – 3e- → Al+3

Тут уместно задаться вопросом, а куда же деваются эти самые оторвавшиеся от атомов электроны? Они никуда не исчезают, а просто перемещаются от одного атома к другому. «Найдя» катион, электрон просто временно присоединяется к нему, чтобы тут же оторваться и отправиться в новое путешествие между атомами в поисках нового катиона. Фактически образуется эдакая динамическая система, в которой есть атомы и катионы металлов и курсирующие между ними электроны, которые то и дело присоединяются и отрываются, превращая катионы в атомы и атомы в катионы:

Me – ne- ⇄ Me+n

За счёт чего удерживается эта структура? За счёт электростатического взаимодействия, то есть притяжения отрицательно и положительно заряженных частиц.

Чтобы представить себе это более чётко, вообразите структуру из катионов, которая погружена в своеобразный «газ» из электронов. Это и есть металлическая связь. Подобным образом построены все металлы и их сплавы, когда они находятся в твёрдом или расплавленном состоянии.

Пишите, пожалуйста, в комментариях, что осталось непонятным, и я обязательно дам дополнительные пояснения. Жалуйтесь на сложности в изучении школьного курса и говорите, что вас испугало в учебнике химии. И тогда следующая статья будет рассказывать именно об этой проблеме.

Источник

Металлическая связь — химическая связь, обусловленная наличием относительно свободных электронов. Характерна как для чистых металлов, так и их сплавов и интерметаллических соединений.

Механизм металлической связи

Во всех узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа движутся валентные электроны, отцепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены.

Поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8). Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. Если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталями первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орбиталь. Когда атомов много, возникает огромное число трехмерных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех направлениях. Вследствие многократного перекрывания орбиталей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов.

Характерные кристаллические решётки

Другие свойства

Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей. Также важным свойством является металлическая ароматичность.

Металлы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объясняются особым типом химической связи, соединяющей атомы металлов между собой – металлической связью.

Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристаллов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море свободно движущихся между ними электронов.

Металлическая связь объясняет свойства металлов, в частности, их прочность. Под действием деформирующей силы решетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие от ионных кристаллов.

Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии распространится в “ электронном море” по всему образцу с большой скоростью.

Становится понятной и электрическая проводимость металлов. Если к концам металлического образца приложить разность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала: этот поток электронов, движущихся в одном направлении, и представляет собой всем знакомый электрический ток.

Источник

Готовлю к ЕГЭ и ОГЭ по химии с душой и на результат

Мой инстаграм @chemyblog

В металлах связь металлическая ???? атомы металлов образуют кристаллическую решетку, между атомами постоянно перемещаются свободные электроны. Благодаря этому металлы проводят электрический ток. Ток – направленное движение заряженных частиц. Подключаем металл к электрической цепи – электроны начинают двигаться направленно – идёт ток. Плюс металлы… Читать далее

Какие металлы принято называть активными?

Увлекаюсь всем на свете: от моды до путешествий. Работаю помощником главного…

Активные металлы отличаются мягкостью, легкостью и невысокой температурой плавления. Как правило, у активных металлов 1-2 валентных электрона, находящихся на достаточном удалении от ядра. Наиболее активными считаются литий, натрий, калий, цезий, рубидий.

Степень активности металла можно посмотреть в электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен.

Что применяется для получения металлов?

Невское Оборудование поставщик металлообрабатывающего оборудования и станков · spbstanki.ru

Так как металлы в земной коре встречаются преимущественно в виде соединений в различных минералах (как правило: оксидов, гидроксидов, солей и т.д..), а в самородном состоянии могут находиться лишь неактивные металлы (такие как: медь, золото, серебро, платиновые металлы, ртуть). Поэтому металлы в основном получают из руд с помощью металлургических процессов. Любой металлургический процесс – это процесс восстановления металла с помощью различных восстановителей. Он состоит из трех основных этапов: обогащение руды, восстановление металлов из их соединений, очистка технических металлов.

Восстановительные процессы способов получения металлов делятся на следующие:

Пирометаллургия – восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, алюминия, магния и др.
Гидрометаллургия – восстановление металлов из солей в растворе.
Электрометаллургия – восстановление металлов в процессе электролиза растворов и расплавов солей.

Какие бывают свойства металлов?

Свойства металлов делятся на несколько групп: физические, химические, механические и технологические.

1) Физические свойства: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность.

2) Химические свойства: окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

3) Механические свойства: прочность, твердость, упругость, пластичность.

4) Технологические свойства: прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием.

Что будет, если соединить все элементы таблицы Менделеева?

Мамкин дизайнер, тот самый парень, который в твоем классе выводил учителей из…

«Первые два ряда можно собрать без проблем. Собирая третий ряд, вы сгорите. Собирая четвертый, вы погибнете, потому что отравитесь токсичным дымом. Пятый ряд сделает с вами то же самое и еще облучит вас радиацией. Шестой ряд взорвется и превратит здание, в котором вы находитесь, в радиоактивное и токсичное облако из пыли и огня. Не пытайтесь собрать седьмой ряд»
В книге “What If” Рендалла Монро есть целая статья на эту тему, с подробным описанием каждого шага и последствий. К сожалению, в открытом доступе конкретно этой статьи нет.
Коротко говоря: вам моментально придет п#здец

Прочитать ещё 7 ответов

Источник

урок по химии 10 Сегодня разберем урок химии 10 — Металлы. Общая характеристика. Металлическая связь. Физические и химические свойства, методы получения. Коррозия металлов. Как обещал, даю ответы к тестовым заданиям урока химии 9: 1-3, 2-2, 3-2, 4-2, 5-3, 6-1, 7-1, 8-2, 9-4, 10-2, 11-2, 12-2, 13-2, 14-3, 15-1, 16-1, 17-1, 18-1, 19-4, 20-3, 21-3, 22-2, 23-1, 24-4, 25-1.

Теперь перейдем к уроку химии 10.

Общая характеристика. Из всех известных в настоящее время элементов около 80% относятся к металлам: s-элементы I и II групп, все d- и f- элементы и ряд p-элементов главных подгрупп периодической системы. Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (кроме первого). Главной особенностью элементов-металлов является наличие у них на внешних энергетических уровнях небольшого числа электронов.(1,2,3).

В природе металлы встречаются как в свободном виде, так и в виде соединений. В свободном виде существуют химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и прокатываться. По цвету, все металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. По плотности различают металлы легкие (ρ < 5) и тяжелые (ρ > 5). Примером легких металлов служат калий, натрий, кальций, алюминий и др. К тяжелым металлам относятся осмий, олово, свинец, никель, ртуть, золото, платина и т.д. Температура плавления металлов также различна: от -38.9 °С (ртуть) до 3380 °С (вольфрам). Металлы могут отличаться и по твердости: самыми мягкими металлами являются натрий и калий (режутся ножом), а самыми твердыми – никель, вольфрам, хром (последний режет стекло). Тепло и электричество различные металлы проводят неодинаково: лучшим проводником электричества является серебро, худшим – ртуть.

В расплавленном состоянии металлы могут распределяться друг в друге, образуя сплавы. Большинство расплавленных металлов могут смешиваться друг с другом в неограниченных количествах. При смешивании расплавленных металлов происходит либо простое растворение расплавов одного металла в другом, либо металлы вступают в химическое соединение. Чаше всего сплавы представляют собой смеси свободных металлов с их химическими соединениями. В состав сплавов могут входить также и неметаллы (чугун – сплав железа с углеродом). Свойства металлов существенно отличаются от свойств составляющих их элементов.

Известно, что у металлов на внешнем энергетическом уровне (ВЭУ) имеется 1-3 валентных электрона. Поэтому они сравнительно легко отдают свои электроны неметаллам, у которых на ВЭУ 5-7 электронов. Так, металлы непосредственно реагируют с галогенами. Большинство Ме хорошо реагируют с кислородом (исключая золото, платину, серебро), образуя оксиды и пероксиды; взаимодействуют с серой с образованием сульфидов. Щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой с образованием растворимых в ней щелочей. Металлы средней активности реагируют с водой только при нагревании. Малоактивные металлы с водой вообще не реагируют. Большинство металлов растворяется в кислотах. Однако химическая активность различных металлов различна. Она определяется легкостью атомов металла отдавать валентные электроны.

Приводим таблицу газообразных продуктов реакций кислот и металлов. Ее надо запомнить, или иметь всегда под рукой.

Металлы	HCl Разбав	НСl Конц	H2SO4 Разбав	H2SO4 Конц	HNO3 Разбав	HNO3 Конц
Li	H2	H2	H2	H2S	NH3	N2O
K	H2	H2	H2	H2S	NH3	N2O
Ca	H2	H2	H2	H2S	NH3	N2O
Na	H2	H2	H2	H2S	NH3	N2O
Mg	H2	H2	H2	SO2	NH3	N2O
Al	H2	H2	H2	SO2	NH3	–
Zn	H2	H2	H2	SO2	NO	NO2
Cr	H2	H2	H2	SO2	NO	–
Fe	H2	H2	H2	–	NH3	–
Ni	H2	H2	H2	SO2	NO	NO2
Sn	H2	H2	H2	SO2	NH3	NO2
Pb	H2	H2	H2	SO2	NO	NO2
H	–	–	–	–	–	–
Cu	–	–	–	SO2	NO	NO2
Hg	–	–	–	SO2	NO	NO2
Ag	–	–	–	SO2	NO	NO2
Pt	–	–	–	–	–	–
Au	–	–	–	–	–	–

По своей активности все металлы расположены в определенной последовательности, образуя ряд активности или ряд стандартных электродных потенциалов:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

В этом ряду каждый предыдущий металл вытесняет из соединений все последующие металлы.

Электролиз мы рассматривали ранее. Здесь же коротко напомним его основные моменты. Анод — положительный электрод, на нем происходит окисление; катод — отрицательный электрод, на нем происходит восстановление. При электролизе расплава происходит распределение ионов соли в анодном и катодном пространстве. Ион металла восстанавливается до металла, а кислотный остаток бескислородной кислоты окисляется до соответствующего газа или элемента. Электролиз растворов солей более сложен из-за возможности участия в электродных процессах молекул воды. На катоде: 1) ионы металлов от лития до алюминия не восстанавливаются, но идет процесс восстановления водорода из воды, 2) ионы металлов от алюминия до водорода восстанавливаются до металлов вместе с восстановлением водорода из воды, 3) ионы металлов от висмута до золота восстанавливаются до металлов. На аноде: 1) анионы бескислородных кислот окисляются до соответствующих элементов, 2) при электролизе солей кислородсодержащих кислот происходит окисление не кислотных остатков, а воды с выделением кислорода, 3) в щелочных растворах происходит окисление гидроксид-ионов до кислорода и воды, 4) при использовании растворимых анодов, на них образуются катионы металла, из которого сделан анод.

Металлическая связь. Связь между положительными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов называется металлической связью.

Физические свойства. Для всех металлов характерны электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Металлы различаются по плотности: самый легкий металл литий ( ρ = 0,53 г/см3).

Основные промышленные способы получения металлов:

Пирометаллургический:

1) коксотермия Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Fe(CO)3 → Fe + 3CO

2) алюмотермия Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

3) магнийтермия TiO2 + 2Mg → Ti + 2MgO

4) водородотермия CuO + H2 → Cu + H2O

2. Электрохимический:

1) электролиз расплавов: NiCl2 → Ni + Cl2

2) электролиз растворов: MnSO4 + 2H2O → Mn + O2 + H2 + H2SO4

3. Гидрометаллургический:

Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O

CuSO4 + Fe → Cu + FeSO4.

Коррозия – это самопроизврольный процесс разрушения металлов при ввзаимодействии их с окружающей средой, например, железо на воздухе: 4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3

Коррозия наносит большой ущерб народному хозяйству. Поэтому с коррозией ведут борьбу. Существуют следующие методы защиты металлов от коррозии.

1. Исключение контакта металла с атмосферой и электролитами. Это может быть достигнуто нанесением защитных покрытий:

а) неметаллических – специальные лаки, краски, эмали;

б) химических – покрытий, к которым относятся искуственно создаваемые поверхностные пленки (оксидные, фосфатные, нитридные и др.);

в) металлических – покрытий, полученных электрохимическим осаждением на защищаемой детали тонкого слоя другого металла (хромирование, никелирование, цинкование, лужение и т.д.);

2. Электрохимические методы защиты:

а) протекторная – к защищаемому металлу присоединяется кусок более активного металла, который и разрушается в присутствии электролита;

б) катодная – металлоконструкции подсоединяются к катоду внешнего источника тока, что исключает возможность их анодного разрушения.

3. Специальная обработка электролита или среды, в которой находится защищаемая конструкция:

а) введение веществ-ингибиторов, замедляющих коррозию;

б) удаление растворенного воздуха в воде (деаэрация) – например, в воде, поступающей в котельные установки.

Это был урок химии 10 — Металлы. Общая характеристика. Металлическая связь. Физические и химические свойства, методы получения. Коррозия металлов.

{lang: ‘ru’}

Share this post for your friends:

Friend me:

Источник