Какие свойства металлов определяет наличие металлической связи
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
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
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
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
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.
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.
Возможно ли собирать метан из атмосферы?
Или в коровниках производить сбор метана где его много?
Директор по трансформации и устойчивости, работаю с ВЭФ, живу в Амстердаме, пишу для… · t.me/climatepro
Метан можно улавливать при выделении на свалках и в резервуарах для хранения отходов домашнего скота. Системы сбора метана, уже попавшего в атмосферу, пока в разработке.
Метан обладает очень сильным парниковым эффектом. Одна молекула метана в 84 раза эффективнее удерживает тепло в атмосфере, чем молекула углекислого газа. Поэтому улавливание и переработка метана особенно актуальны для удержания глобального потепления в рамках 1.5-2 градусов Цельсия.
Основные источники метана в атмосфере, связанные с деятельностью человека:
- Свалки, на которых метан образуется в результате разложения органического мусора
- Домашний скот и отходы его жизнедеятельности, выделяющие метан
- Добыча ископаемого топлива: метан (природный газ) выделяется в результате эксплуатации нефтегазовых систем, а также в действующих и заброшенных угольных шахтах
На свалках применяют специальные системы сбора метана, который затем используется для обогрева зданий и производства электроэнергии.
Принцип работы таких систем изображён на картинке:
После первичного размещения отходов и создания анаэробных (без доступа кислорода) условий на свалке начинает образовываться метан. С помощью вертикальных и горизонтальных труб, расположенных на полигоне, газ собирается в резервуары и не попадает в атмосферу. Затем свалочный газ обрабатывается и направляется на различные нужды, в том числе на выработку электроэнергии или выработку тепловой энергии для отопления зданий.
Таким же способом метан улавливают на фермах из резервуаров (в бескислородной среде), содержащих навоз и другие отходы домашнего скота.
Сейчас также разрабатываются системы улавливания метана из атмосферы и переработки его в углекислый газ. Из-за значимо большего парникового эффекта метана по сравнению с углекислым газом такая переработка позволит снизить в краткосрочной перспективе общий парниковый эффект на планете.
Почему именно у серебра самая высокая электропроводность среди металлов? Как это объясняется на уровне взаимодействия между атомами?
Сусанна Казарян, США, Физик
Вопрос касается электропроводности металлов, описываемой Зонной теорией металлов и квантовой механикой. И действительно, проводимость Серебра (⁴⁷Ag) на 6% больше проводимости Меди (²⁹Cu). Почему? Боюсь этот вопрос на сегодня открытый. Вот электронные конфигурации Меди и Серебра:
- Cu: 2 8 18 1
- Ag: 2 8 18 18 1
Разница только в наличии незаполненной четвертой электронной оболочки Серебра, что не должно давать особых преимуществ в электропроводности. Главную же роль в высокой их электропроводности играет одинокий электрон на последней оболочке, склонный к свободной беспризорной жизни бродяги (дрейфу) в необъятных просторах кристаллической решётки металлов. Электропроводность (σ) по определению пропорциональна числу свободных электронов (n) и их среднему свободному пробегу (d), и обратно пропорциональна скорости дрейфа (v) свободных электронов, т.е. σ ∝ (n/v)⋅d. Так вот, отношение (n/v) для Меди больше чем для Серебра более чем на 10%. Но из эксперимента известно, что σ(Ag) > σ(Cu), a это значит, что средний свободный пробег электронов (d) в Серебре, соответственно больше чем в Меди. Почему? Ответ скрыт в электрон-фононных взаимодействиях при движении свободных электронов в кристаллической решётке, а фонон это квант колебательного движения (вибрации) атомов металла в решётке. А вот туда (за решётку) влезать я всегда избегаю и вам советую. Целее будем.
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
Все известные на сегодняшний день химические элементы, расположенные в таблице Менделеева, подразделяются условно на две большие группы: металлы и неметаллы. Для того чтобы они стали не просто элементами, а соединениями, химическими веществами, могли вступать во взаимодействие друг с другом, они должны существовать в виде простых и сложных веществ.
Именно для этого одни электроны стараются принять, а другие – отдать. Восполняя друг друга таким образом, элементы и образуют различные химические молекулы. Но что позволяет им удерживаться вместе? Почему существуют вещества такой прочности, разрушить которую неподвластно даже самым серьезным инструментам? А другие, наоборот, разрушаются от малейшего воздействия. Все это объясняется образованием различных типов химической связи между атомами в молекулах, формированием кристаллической решетки определенного строения.
Виды химических связей в соединениях
Всего можно выделить 4 основных типа химических связей.
- Ковалентная неполярная. Образуется между двумя одинаковыми неметаллами за счет обобществления электронов, формирования общих электронных пар. В образовании ее принимают участие валентные неспаренные частицы. Примеры: галогены, кислород, водород, азот, сера, фосфор.
- Ковалентная полярная. Образуется между двумя разными неметаллами либо между очень слабым по свойствам металлом и слабым по электроотрицательности неметаллом. В основе также общие электронные пары и перетягивание их к себе тем атомом, сродство к электрону которого выше. Примеры: NH3, SiC, P2O5 и прочие.
- Водородная связь. Самая нестойкая и слабая, формируется между сильно электроотрицательным атомом одной молекулы и положительным другой. Чаще всего это происходит при растворении веществ в воде (спирта, аммиака и так далее). Благодаря такой связи могут существовать макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, сложных углеводов и так далее.
- Ионная связь. Формируется за счет сил электростатического притяжения разнозаряженных ионов металлов и неметаллов. Чем сильнее различие по данному показателю, тем ярче выражен именно ионный характер взаимодействия. Примеры соединений: бинарные соли, сложные соединения – основания, соли.
- Металлическая связь, механизм образования которой, а также свойства, будут рассмотрены дальше. Формируется в металлах, их сплавах различного рода.
Существует такое понятие, как единство химической связи. В нем как раз и говорится о том, что нельзя каждую химическую связь рассматривать эталонно. Они все лишь условно обозначенные единицы. Ведь в основе всех взаимодействий лежит единый принцип – электронностатическое взаимодействие. Поэтому ионная, металлическая, ковалентная связь и водородная имеют единую химическую природу и являются лишь граничными случаями друг друга.
Металлы и их физические свойства
Металлы находятся в подавляющем большинстве среди всех химических элементов. Это объясняется их особыми свойствами. Значительная часть из них была получена человеком ядерными реакциями в лабораторных условиях, они являются радиоактивными с небольшим периодом полураспада.
Однако большинство – это природные элементы, которые формируют целые горные породы и руды, входят в состав большинства важных соединений. Именно из них люди научились отливать сплавы и изготавливать массу прекрасных и важных изделий. Это такие, как медь, железо, алюминий, серебро, золото, хром, марганец, никель, цинк, свинец и многие другие.
Для всех металлов можно выделить общие физические свойства, которые объясняет схема образования металлической связи. Какие же это свойства?
- Ковкость и пластичность. Известно, что многие металлы можно прокатать даже до состояния фольги (золото, алюминий). Из других получают проволоку, металлические гибкие листы, изделия, способные деформироваться при физическом воздействии, но тут же восстанавливать форму после прекращения его. Именно эти качества металлов и называют ковкостью и пластичностью. Причина этой особенности – металлический тип связи. Ионы и электроны в кристалле скользят относительно друг друга без разрыва, что и позволяет сохранять целостность всей структуры.
- Металлический блеск. Это также объясняет металлическая связь, механизм образования, характеристики ее и особенности. Так, не все частицы способны поглощать или отражать световые волны одинаковой длины. Атомы большинства металлов отражают коротковолновые лучи и приобретают практически одинаковую окраску серебристого, белого, бледно-голубоватого оттенка. Исключениями являются медь и золото, их окраска рыже-красная и желтая соответственно. Они способны отражать более длинноволновое излучение.
- Тепло- и электропроводность. Данные свойства также объясняются строением кристаллической решетки и тем, что в ее образовании реализуется металлический тип связи. За счет “электронного газа”, движущегося внутри кристалла, электрический ток и тепло мгновенно и равномерно распределяются между всеми атомами и ионами и проводятся через металл.
- Твердое агрегатное состояние при обычных условиях. Здесь исключением является лишь ртуть. Все остальные металлы – это обязательно прочные, твердые соединения, равно как и их сплавы. Это также результат того, что в металлах присутствует металлическая связь. Механизм образования такого типа связывания частиц полностью подтверждает свойства.
Это основные физические характеристики для металлов, которые объясняет и определяет именно схема образования металлической связи. Актуален такой способ соединения атомов именно для элементов металлов, их сплавов. То есть для них в твердом и жидком состоянии.
Металлический тип химической связи
В чем же ее особенность? Все дело в том, что такая связь формируется не за счет разнозаряженных ионов и их электростатического притяжения и не за счет разности в электроотрицательности и наличия свободных электронных пар. То есть ионная, металлическая, ковалентная связь имеют несколько разную природу и отличительные черты связываемых частиц.
Всем металлам присущи такие характеристики, как:
- малое количество электронов на внешнем энергетическом уровне (кроме некоторых исключений, у которых их может быть 6,7 и 8);
- большой атомный радиус;
- низкая энергия ионизации.
Все это способствует легкому отделению внешних неспаренных электронов от ядра. При этом свободных орбиталей у атома остается очень много. Схема образования металлической связи как раз и будет показывать перекрывание многочисленных орбитальных ячеек разных атомов между собой, которые в результате и формируют общее внутрикристаллическое пространство. В него подаются электроны от каждого атома, которые начинают свободно блуждать по разным частям решетки. Периодически каждый из них присоединяется к иону в узле кристалла и превращает его в атом, затем снова отсоединяется, формируя ион.
Таким образом, металлическая связь – это связь между атомами, ионами и свободными электронами в общем кристалле металла. Электронное облако, свободно перемещающееся внутри структуры, называют “электронным газом”. Именно им объясняется большинство физических свойств металлов и их сплавов.
Как конкретно реализует себя металлическая химическая связь? Примеры можно привести разные. Попробуем рассмотреть на кусочке лития. Даже если взять его размером с горошину, атомов там будут тысячи. Вот и представим себе, что каждый из этих тысяч атомов отдает свой валентный единственный электрон в общее кристаллическое пространство. При этом, зная электронное строения данного элемента, можно увидеть количество пустующих орбиталей. У лития их будет 3 (р-орбитали второго энергетического уровня). По три у каждого атома из десятков тысяч – это и есть общее пространство внутри кристалла, в котором “электронный газ” свободно перемещается.
Вещество с металлической связью всегда прочное. Ведь электронный газ не позволяет кристаллу рушиться, а лишь смещает слои и тут же восстанавливает. Оно блестит, обладает определенной плотностью (чаще всего высокой), плавкостью, ковкостью и пластичностью.
Где еще реализуется металлическая связь? Примеры веществ:
- металлы в виде простых структур;
- все сплавы металлов друг с другом;
- все металлы и их сплавы в жидком и твердом состоянии.
Конкретных примеров можно привести просто неимоверное количество, ведь металлов в периодической системе более 80!
Металлическая связь: механизм образования
Если рассматривать его в общем виде, то основные моменты мы уже обозначили выше. Наличие свободных атомных орбиталей и электронов, легко отрывающихся от ядра вследствие малой энергии ионизации, – вот главные условия для формирования данного типа связи. Таким образом, получается, что она реализуется между следующими частицами:
- атомами в узлах кристаллической решетки;
- свободными электронами, которые были у металла валентными;
- ионами в узлах кристаллической решетки.
В итоге – металлическая связь. Механизм образования в общем виде выражается следующей записью: Ме0 – e- ↔ Меn+. Из схемы очевидно, какие частицы присутствуют в кристалле металла.
Сами кристаллы могут иметь разную форму. Это зависит от конкретного вещества, с которым мы имеем дело.
Типы кристаллов металлов
Данная структура металла или его сплава характеризуется очень плотной упаковкой частиц. Ее обеспечивают ионы в узлах кристалла. Сами по себе решетки могут быть разных геометрических форм в пространстве.
- Объемноцентрическая кубическая решетка – щелочные металлы.
- Гексагональная компактная структура – все щелочноземельные, кроме бария.
- Гранецентрическая кубическая – алюминий, медь, цинк, многие переходные металлы.
- Ромбоэдрическая структура – у ртути.
- Тетрагональная – индий.
Чем тяжелее металл и чем ниже он располагается в периодической системе, тем сложнее его упаковка и пространственная организация кристалла. При этом металлическая химическая связь, примеры которой можно привести для каждого существующего металла, является определяющей при построении кристалла. Сплавы имеют очень разнообразные организации в пространстве, некоторые из них до сих пор еще не до конца изучены.
Характеристики связи: ненаправленность
Ковалентная и металлическая связь имеют одну очень ярко выраженную отличительную черту. В отличие от первой, металлическая связь не является направленной. Что это значит? То есть электронное облако внутри кристалла движется совершенно свободно в его пределах в разных направлениях, каждый из электронов способен присоединяться к абсолютно любому иону в узлах структуры. То есть взаимодействие осуществляется по разным направлениям. Отсюда и говорят о том, что металлическая связь – ненаправленная.
Механизм ковалентной связи подразумевает образование общих электронных пар, то есть облаков перекрывания атомов. Причем происходит оно строго по определенной линии, соединяющей их центры. Поэтому говорят о направленности такой связи.
Насыщаемость
Данная характеристика отражает способность атомов к ограниченному или неограниченному взаимодействию с другими. Так, ковалентная и металлическая связь по этому показателю опять же являются противоположностями.
Первая является насыщаемой. Атомы, принимающие участие в ее образовании, имеют строго определенное количество валентных внешних электронов, принимающих непосредственное участие в образовании соединения. Больше, чем есть, у него электронов не будет. Поэтому и количество формируемых связей ограничено валентностью. Отсюда насыщаемость связи. Благодаря данной характеристике большинство соединений имеет постоянный химический состав.
Металлическая и водородная связи, напротив, ненасыщаемые. Это объясняется наличием многочисленных свободных электронов и орбиталей внутри кристалла. Также роль играют ионы в узлах кристаллической решетки, каждый из которых может стать атомом и снова ионом в любой момент времени.
Еще одна характеристика металлической связи – делокализация внутреннего электронного облака. Она проявляется в способности небольшого количества общих электронов связывать между собой множество атомных ядер металлов. То есть плотность как бы делокализуется, распределяется равномерно между всеми звеньями кристалла.
Примеры образования связи в металлах
Рассмотрим несколько конкретных вариантов, которые иллюстрируют, как образуется металлическая связь. Примеры веществ следующие:
- цинк;
- алюминий;
- калий;
- хром.
Образование металлической связи между атомами цинка: Zn0 – 2e- ↔ Zn2+. Атом цинка имеет четыре энергетических уровня. Свободных орбиталей, исходя из электронного строения, у него 15 – 3 на р-орбитали, 5 на 4 d и 7 на 4f. Электронное строение следующее: 1s22s22p63s23p64s23d104p04d04f0 , всего в атоме 30 электронов. То есть две свободные валентные отрицательные частицы способны перемещаться в пределах 15 просторных и никем не занятых орбиталей. И так у каждого атома. В итоге – огромное общее пространство, состоящее из пустующих орбиталей, и небольшое количество электронов, связывающих всю структуру воедино.
Металлическая связь между атомами алюминия: AL0 – e- ↔ AL3+ . Тринадцать электронов атома алюминия располагаются на трех энергетических уровнях, которых им явно хватает с избытком. Электронное строение: 1s22s22p63s23p13d0. Свободных орбиталей – 7 штук. Очевидно, что электронное облако будет небольшим по сравнению с общим внутренним свободным пространством в кристалле.
Металлическая связь хрома. Данный элемент особый по своему электронному строению. Ведь для стабилизации системы происходит провал электрона с 4s на 3d орбиталь: 1s22s22p63s23p64s13d54p04d04f0. Всего 24 электрона, из которых валентных получается шесть. Именно они уходят в общее электронное пространство на образование химической связи. Свободных орбиталей 15, то есть все равно намного больше, чем требуется для заполнения. Поэтому хром – также типичный пример металла с соответствующей связью в молекуле.
Одним из самых активных металлов, реагирующих даже с обычной водой с возгоранием, является калий. Чем объясняются такие свойства? Опять же во многом – металлическим типом связи. Электронов у этого элемента всего 19, но вот располагаются они аж на 4 энергетических уровнях. То есть на 30 орбиталях разных подуровней. Электронное строение: 1s22s22p63s23p64s13d04p04d04f0. Всего два валентных электрона, с очень низкой энергией ионизации. Свободно отрываются и уходят в общее электронное пространство. Орбиталей для перемещения на один атом 22 штуки, то есть очень обширное свободное пространство для “электронного газа”.
Сходство и различие с другими видами связей
В целом данный вопрос уже рассматривался выше. Можно только обобщить и сделать вывод. Главными отличительными от всех других типов связи чертами именно металлических кристаллов являются:
- несколько видов частиц, принимающих участие в процессе связывания (атомы, ионы или атом-ионы, электроны);
- различное пространственное геометрическое строение кристаллов.
С водородной и ионной связью металлическую объединяет ненасыщаемость и ненаправленность. С ковалентной полярной – сильное электростатическое притяжение между частицами. Отдельно с ионной – тип частиц в узлах кристаллической решетки (ионы). С ковалентной неполярной – атомы в узлах крис