Свойства веществ с металлической связью

Обновлено: 17.05.2024

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.

Металлическая связь

При образовании двойных, тройных связей в органических соединениях (этилен, ацетилен) происходит перекрывание р-электронных облаков в плоскостях, перпендикулярно σ-связям и образование π-связей.

Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число электронов (1, 2. 3), это в основном s- и d-элементы. В обычных условиях металлы - кристаллические вещества (кроме ртути). На рисунке представлена схема кристаллической решетки натрия.

Кристаллическая решетка натрия

Как видно, каждый атом натрия окружен восемью соседними атомами. У атома натрия, как и у других металлов, имеется избыток валентных орбиталей и недостаток электронов. При сближении атомов в результате образования кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла. Такой тип химической связи называется металлической.

Между ковалентной и металлической связью имеется большое сходство – оба типа химической связи основаны на обобществлении валентных электронов. Только в металлах обобществленные электроны обслуживают весь кристалл, то есть они полностью делокализованы. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены («электронный газ») и перемещаются по всему объему металла, в целом электронейтрального. Этим объясняется отсутствие пространственной направленности металлической связи и высокие координационные числа металлических структур. Это означает, что металлическая связь не проявляет свойств насыщаемости, столь характерных для ковалентной связи. Делокализация же валентных электронов в металлах является следствием многоцентрового характера металлической связи и причиной хорошей электро- и теплопроводности металлов, пластичности и ковкости. Для веществ с ковалентной связью при отсутствии примесей электропроводность может быть обеспечена только в результате разрушения этих связей. Объясняется это тем, что ковалентная связь соединяет только два соседних атома, а общие электроны пребывают в непосредственной близости от них и прочно с ними связаны.

Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов, основанная на обобществлении внешних электронов атомов. Таким образом, металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества. В паро- и газообразном состоянии атомы всех веществ, в том числе и металлов, связаны между собой только ковалентной связью.

Аналогия между ковалентной и металлической связями подтверждается распределением электронной плотности между атомными остовами. Для обоих типов связей в пространстве между атомными остовами сохраняется значительная электронная плотность, образуя электронные мостики между взаимодействующими атомами.

Разница заключается в том, что в ковалентной связи электронные мостики имеют строго определенное пространственное направление, а у металлической связи электронная плотность равномерно распределена по всем направлениям. В результате в решетке типичных металлов все атомы кристаллографически эквивалентны и эффективные заряды атомов равны нулю.

Металлическая химическая связь

Вы когда-нибудь задумывались — существует ли в природе отдельный атом металла?

Металл всегда существует в виде кристалла. Естественно, это обусловлено определенным строением и предполагает определенные физические и химические свойства.

Давайте представим, что у нас есть кусок какого-то металла. Например, нам дано железо (Fe). Из чего состоит этот кусок железа?

Он состоит из атомов железа, которые находятся в строго определенном порядке — в узлах кристаллической решетки.

У атома железа, как у любого металла, на последнем электронном слое небольшое число электронов, плюс к этому, большой радиус атома. На этом последнем слое электроны держатся достаточно слабо.

Любой металл способен отдавать электроны, превращаясь в положительно заряженный ион.

На примере железа:

Fe 0 -2e — = Fe 2+

Куда направляются отделившиеся отрицательно заряженные частицы — электроны? Минус всегда притягивается к плюсу. Электроны притягиваются к другому иону (положительно заряженному) железа в кристаллической решетке:

Fe 2+ +2e — = Fe 0

Ион становится нейтральным атомом.

И такой процесс повторяется много раз.

Получается, что свободные электроны железа находятся в постоянном движении по всему объему кристалла, отрываясь и присоединяясь к ионам в узлах решетки. Другое название этого явления — делокализованное электронное облако. Термин «делокализованный» обозначает — свободный, не привязанный.

Это жестко зафиксированные в узлах кристаллической решетки ионы металла и свободно перемещающиеся по всему объему кристалла электроны.

В чем-то металлическая химическая связь похожа на ионную — в ней тоже присутствуют ионы (катионы) , однако, существенное отличие в том, что:

в ионной связи есть катионы (положительно заряженные частицы) и анионы (отрицательно заряженные ионы);
в металлической химической связи есть катионы и электроны .

Кое в чем металлическая химическая связь похожа и на ковалентную — в ней тоже есть общие электроны, но:

в ковалентной химической связи электроны принадлежат двум элементам (локализованы между ними);
в металлической — они принадлежат абсолютно всем ионам.

Металлическая химическая связь— связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Добиться состояния одной молекулы металла можно только при очень высоких температурах — когда металл перейдет в газообразное состояние.

Металлическая химическая связь - характеристика, способы образования и свойства

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.

Схема образования металлической связи на примерах

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:

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:

K - e⁻ ⇆ K;
Cu - 2e⁻ ⇆ Cu;
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:

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.
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.
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 свойства металлической связи

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).

Сходства и отличия металлической химической связи от ионной

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:

В узлах размещаются как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Каркас металлической решетки формируют исключительно катионы.
Узлы удерживаются за счет электростатического взаимодействия.
При низких температурах кристаллические вещества, образованные за счет ионного взаимодействия, проявляют свойства диэлектриков (не проводят ток).
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.

Металлическая связь образуется между атомами в кристалле металла, возникающая за счет перекрытия валентных электронов. Так, что же представляет собой этот вид связи, и в каких соединениях она присутствует?

Что такое металлическая связь?

Металлическая химическая связь существует в металлическом кристалле и в жидком расплавленном состоянии. Ее образуют элементы, атомы которых на внешнем уровне имеют мало электронов (1-3) по сравнению с общим числом внешних, энергетически близких орбиталей.

Рис. 1. Схема образования металлической связи.

Валентные электроны из-за небольшой энергии ионизации слабо удерживаются в атоме. Так, у атома натрия на один валентный электрон (3S₁) приходится 9 свободных и энергетически близких орбиталей (одна 3s, три 3p и пять 3d).

Из-за малого значения энергии ионизации валентный электрон слабо удерживается и свободно перемещается не только в пределах 9 своих свободных орбиталей, но при плотной упаковке в кристалле и на свободных орбиталях других атомов, осуществляя связь.

Химическая связь сильно делокализована: электроны обобществлены («электронный газ») и перемещаются по всему куску металла, в целом электронейтрального, между положительно заряженными ионами.

Свободное перемещение электронов по кристаллу объясняет ненаправленность и ненасыщенность связи, а также такие физические свойства металлов, как пластичность, блеск, электро- и теплопроводность.

Рис. 2. Свойства металлической химической связи.

Металлы почти всегда образуют высокосимметричные решетки с плотно приближенными друг к другу атомами. Выделяют три вида кристаллических решеток:

кубическая объемно центрированная. В таком виде решетки атомы располагаются на вершине куба и один атом в центре объема куба. Такую решетку имеют следующие металлы: натрий, литий, барий, калий, свинец и многие другие.
кубическая гранецентрированная.

гексагональная. В таком виде решетки атомы располагаются в вершине и центрах шестигранной оснований призмы, а три атома находятся в средней плоскости этой призмы.

Такой тип кристаллической решетки имеют следующие металлы: магний, кадмий, рений, осмий, рутений, бериллий и многие другие.

Что мы узнали?

Металлическая связь близка по природе к ковалентной, но отличается от нее тем, что обобществление электронов при ее образовании осуществляется сразу многими атомами. В данной статье дается определение понятию «металлическая связь», а также приведены примеры металлической химической связи.

Читайте также: