Металлическая связь как найти

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 2 октября 2021 года; проверки требуют 10 правок.

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).

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 a_w 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 a_w кристалла щелочного металла значительно превышает длину ковалентной связи молекулы щелочного металла, поэтому принято считать, что электроны в металле находятся в свободном состоянии:

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: 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.

Расплавы металлов[править | править код]

Расплавы не теряют свойств кристаллических металлов. И теплопроводность и электропроводность остаётся высокой. В качестве примера можно привести ртутные контакты, в которых в полной мере используются электропроводность жидкой ртути.

Примечания[править | править код]

Металлическая химическая связь характерна для металлов и их сплавов в кристаллическом состоянии. Образуется за счет обобществления валентных электронов. Для этого типа строения вещества не характерно образование направленных структурированных связей. 

Следует отличать различные типы связи элементов кристаллов – металлическую, ионную и водородную, свойственную кристаллам льда.

Механизм создания металлической связи предусматривает отрыв частично свободных электронов от атома с образованием катионов с положительным зарядом, формирующих “остов” кристаллической решетки и электронного облака. При этом металлический кристалл не приобретает положительного или отрицательного заряда.

Общий случай формирования связывания металлических атомов в химии, соответствующий данному выше определению:

Me – ne⁻ ⇆ Me,

здесь n – число электронов, участвующих в образовании связи, как правило, от 1 до 3.

В левой части уравнения – атом металла, отдающий электроны, в правой – образовавшийся в результате ион.

Формула показывает, что в кристалле постоянно происходит присоединение и отдача электронов.

Схемы формирования связи на примере атомов различной валентности:

1. K – e⁻ ⇆ K;
2. Cu – 2e⁻ ⇆ Cu;
3. Al – 3e⁻ ⇆ Al.

Отделяющиеся от атома электроны перемещаются на свободные валентные орбитали, которые обобществляются и позволяют всем электронам перемещаться в пределах кристалла. Отделение электронов выгодно атому с точки зрения энергетического баланса, так как позволяет сформировать электронно-стабильную оболочку.

Характерные кристаллические решетки

Металлические кристаллы подразделяются на 3 основных типа:

1. Объемно-центрированную кубическую решетку, в которой, помимо размещения атомов в четырех вершинах куба, один из них размещается в центре объемной фигуры. Такой тип организации твердого вещества характерен для ряда металлов, включая K, Na и Li, вольфрам, хром, ниобий и др.
2. Гранецентрированная кубическая решетка характеризуется расположением атомов в центре граней. Всего в ячейке задействовано 10 атомов, 4 в вершинах и 6 на гранях. Такая решетка встречается у меди, драгметаллов (серебра и золота) и металлов платиновой группы: Pd, Pt.
3. Гексагональное строение решетки предполагает размещение атомов в углах и внутри 6-гранной призмы. Ячейка состоит из 15 атомов и свойственна магнию, кальцию, осмию, бериллию и ряду других металлических элементов.

Общими свойствами всех решеток являются высокая симметрия и плотная упаковка составляющих их атомов. Некоторые элементы периодической таблицы формируют уникальную структуру, например, элементарная ячейка In имеет тетрагональное строение.

Для сплавов, являющихся химическими соединениями, также характерно образование кристаллов перечисленных видов, при этом атомы каждого металла занимают определенное место в структуре. 

Например, в сплаве никеля и алюминия атомы Al размещаются по углам, а атом Ni – в центре ОЦК ячейки. Свойства сплава и его структура влияют на класс прочности изделия, изготовленного из этого материала.

Физические характеристики металлических кристаллов обусловлены способностью обобществленных электронов свободно перемещаться внутри кристалла.

Характеристики, отличающие подобные вещества:

• хорошая электропроводность, благодаря наличию условно свободного электронного облака;

• высокая проводимость тепла;

• низкая реакционная способность или инертность;

• пластичность – большинство металлов можно гнуть и ковать.

Высокий уровень организации вещества обусловливает металлический блеск. Следует иметь в виду, что повышение прочности при пластической деформации и легировании приводит к образованию частично ковалентной связи. 

При деформации могут возникать области повышенной прочности и низкими пластическими свойствами, похожие на вещества с ковалентной связью (например, алмаз).

Помимо рассматриваемой, металлы могут образовывать другие виды связи, включая простую ионную. 

Их общие черты:

• участие металлов, при этом металлическая связь формируется исключительно атомами металла, а ионная образуется между металлическим и неметаллическим элементами;

• металл высвобождает электроны и становится катионом;

• соединения могут существовать в кристаллической форме.

Кристаллы с ионным характером соединения отличают следующие параметры:

1. В узлах размещаются как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Каркас металлической решетки формируют исключительно катионы.
2. Узлы удерживаются за счет электростатического взаимодействия.
3. При низких температурах кристаллические вещества, образованные за счет ионного взаимодействия, проявляют свойства диэлектриков (не проводят ток).
4. Переход электронов с атома металла происходит на орбиты атома неметалла.

Характерный пример кристалла с ионной связью – поваренная соль, решетка которой сформирована из ионов Na⁺ и Cl⁻. Такие кристаллические вещества не обладают пластичностью и блеском.

Что представляет из себя химическая связь?

Как всем известно со школьного курса химии, объединение атомов в молекулу вещества происходит посредством образования химических связей — электростатического взаимодействия ядер атомов и электронов. Так как электроны на внешнем слое связаны с ядром гораздо слабее, следовательно, являются более подвижными и называются валентными.

Химические связи классифицируются на несколько типов:

• ионная;
• ковалентная;
• водородная;
• вандерваальсова;
• металлическая.

Металлическая химическая связь

Если обратиться к таблице Менделеева, можно заметить, что большинство металлов содержит малое число валентных электронов на внешнем уровне. Ввиду высокой подвижности в кристаллической решетке довольно легко происходит их отрыв с образованием положительно заряженного катиона металла и свободных электронов — т.н. «электронного газа».

Таким образом, в структуре металла происходит постоянный обмен электронами и образование как ионов, так и электрически нейтральных атомов металла по механизму:

атом M0 — ne ↔ ион Mn+

Кристаллическую решетку металлов можно представить как «скелет» из атомов, по которому перемещаются электроны из «электронного газа». Для разных металлов характерны различные виды строения решеток:

1. объёмно-центрическая кубическая решетка (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr);
2. гранецентрическая кубическая решетка (Zn, Al, Cu и другие переходные металлы);
3. гексагональная (все щелочноземельные металлы, кроме бария);
4. тетрагональная — у индия;
5. ромбоэдрическая — у ртути.

Отличия от других видов

Главными характеристиками сравнения типов химических связей являются прочность, энергия образования (разрыва) и насыщаемость.

Рассмотрим их более подробно:

• Энергия металлической связи гораздо ниже, чем в ковалентной и ионной, что и обуславливает их прочность, согласно принципу стремления любой системы к минимуму энергии.
• Насыщаемость также не характерна для взаимодействия между атомами металлов. То есть количество атомов, вступающих во взаимодействие, не ограничивается числом валентных электронов, в отличие от тех же ковалентных связей.

Схема связи и примеры

Обмен электронами в металлах происходит по следующему механизму:

• К — nе <—> Кⁿ⁺
• Al — 3e <—> Al³⁺
• Li — e <—> Li⁺
• Mg — 2e <—> Mg²⁺
• In — 3e <—> In³⁺

Как показывает данная схема, образование металлической связи зависит от числа валентных электронов на внешнем слое — одновалентные ионы натрия могут отдать один электрон в образование общего «электронного облака», двухвалентные ионы магния — два электрона и так далее.

Голова кругом, да?

Разобраться в сложном переплетении электронов и ионов вам помогут наши онлайн курсы по химии для школьников. Занятия проходят в узком кругу слушателей, что позволяет уделять внимание каждому ребенку и отвечать развернуто на все заданные вопросы по предмету.

Свойства металлов

Особый вид взаимодействия, который характерен для атомов металлов, определяет ряд объединяющих их свойств и отличающих металлы от других веществ:

• высокие температуры плавления и кипения;

Высокие температуры плавления и кипения обусловлены тем, что катионы металла прочно связаны «электронным газом». При этом выявлена тенденция зависимости прочности связи от числа валентных электронов. Например, калий и натрий с температурой плавления 64 и 98 градусов Цельсия соответственно как одновалентные металлы являются легкоплавкими веществами по сравнению с, например, тугоплавким хромом (1615 градусов Цельсия).

• ковкость и пластичность (при механическом воздействии металлы не бьются и не крошатся, а подвергаются неупругой деформации);

Равномерностью распределения валентных электронов по кристаллу объясняется, например, такое свойство металлов, как пластичность — смещение ионов и атомов в любых направле­ниях без разрушения взаимодействия между ними.

• способность отражать свет (характерный для всех элементов-металлов серебристо-серый блеск на срезе),
• высокая электро­проводность и теплопроводность (использование металлов в электрических цепях приборов в качестве проводников).

Свободный обмен электронами между атомными орбиталями обуславливает и электропроводность металлов. «Электронный газ» с учетом разности электрохимических потенциалов переходит из беспорядочного движения к направленному.

Большое значение в промышленности играют сплавы металлов, сочетающие в себе свойства входящих в состав элементов.

Металлический тип взаимодействия также характерен и для спла­вов, находящихся в твёрдом и жидком состояниях. Однако, если металл нагреть до состояния пара, то связь между его атомами будет ковалентная и структура металла из цельной решетки перейдет в одно- или двухатомное состояние.

Занимайтесь на курсах ЕГЭ и ОГЭ в паре TwoStu и получите максимум баллов на экзамене: