примеры металлической связи в жизни
Металлическая химическая связь
Всего получено оценок: 389.
Всего получено оценок: 389.
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).
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.
Характерные кристаллические решетки
Металлы почти всегда образуют высокосимметричные решетки с плотно приближенными друг к другу атомами. Выделяют три вида кристаллических решеток:
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.
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.
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:
Формула показывает, что в кристалле постоянно происходит присоединение и отдача электронов.
Схемы формирования связи на примере атомов различной валентности:
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:
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.
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;
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.
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:
Металлическая связь: механизм образования и примеры
В одноатомном состоянии при обычных условиях находятся только благородные газы. Остальные же элементы не существуют в виде индивидуальном, так как имеют возможность взаимодействовать между собой или с другими атомами. При этом образуются более сложные частицы.
Совокупность атомов может образовать следующие частицы:
Типы химического взаимодействия
Взаимодействие между атомами называют химической связью. Основой являются электростатические силы (силы взаимодействия электрических зарядов), которые действуют между атомами, носителями этих сил являются ядро атома и электроны.
Это интересно: полярная и неполярная ковалентная связь — что это?
Электронам, находящимся на внешнем энергетическом уровне, отведена основная роль в образовании химических связей между атомами. Они наиболее удалены от ядра, а, следовательно, связаны с ним наименее прочно. Их называют валентными электронами.
Частицы взаимодействуют между собой различными способами, что приводит к образованию молекул (и веществ) разного строения. Различают следующие типы химической связи:
Говоря о различных типах химического взаимодействия между атомами, стоит помнить о том, что все типы одинаково основаны на электростатическом взаимодействии частиц.
Металлическая химическая связь
Как видно из положения металлов в таблице химических элементов, они, в большинстве своём, обладают небольшим числом валентных электронов. Электроны связаны со своими ядрами достаточно слабо и легко отрываются от них. В результате этого образуются положительно заряженные ионы металла и свободные электроны.
Эти электроны, свободно перемещающиеся в кристаллической решётке, называют «электронным газом».
На рисунке схематично изображено строение вещества металла.
То есть в объёме металла атомы постоянно превращаются в ионы (их называют атом-ионами) и наоборот ионы постоянно принимают электроны из «электронного газа».
Механизм образования металлической связи можно записать в виде формулы:
атом M 0 — ne ↔ ион M n+
Таким образом, металлы представляют собой положительные ионы, которые расположены в кристаллической решётке в определённых положениях, и электроны, которые могут достаточно свободно перемещаться между атом-ионами.
Кристаллическая решётка представляет «скелет», остов вещества, а электроны перемещаются между её узлами. Формы кристаллических решёток металлов могут быть различными, например:
Пример кристаллической решётки металла показан на картинке ниже.
Отличия от других видов
Отличается металлическая связь от ковалентной по прочности. Энергия металлических связей меньше, чем ковалентных в 3−4 раза и меньше энергии ионной связи.
В случае с металлической связью, нельзя говорить и о направленности, ковалентная связь строго направлена в пространстве.
Такая характеристика, как насыщаемость также не характерна для взаимодействия между атомами металлов. В то время как ковалентные связи являются насыщаемыми, то есть количество атомов, с которыми может произойти взаимодействие, строго ограничено количеством валентных электронов.
Схема связи и примеры
Процесс, происходящий в металле можно записать с помощью формулы:
Если описывать более подробно, металлическую связь, как образуется этот тип связи, необходимо рассматривать строение внешних энергетических уровней элемента.
В качестве примера можно рассмотреть натрий. Имеющийся на внешнем уровне единственный валентный 3s электрон может свободно перемещаться по свободным орбиталям третьего энергетического уровня. При сближении атомов натрия, происходит перекрывание орбиталей. Теперь уже все электроны могут перемещаться между атом-ионами в пределах всех пререкрывшихся орбиталей.
У цинка на 2 валентных электрона приходится целых 15 свободных орбиталей на четвёртом энергетическом уровне. При взаимодействии атомов эти свободные орбитали будут перекрываться, как бы обобществляя электроны, которые по ним перемещаются.
У атомов хрома валентных электронов 6 и все они будут участвовать в образовании электронного газа и связывать атом-ионы.
Свойства металлов
Особый вид взаимодействия, который характерен для атомов металлов, определяет ряд объединяющих их свойств и отличающих металлы от других веществ. Примерами таких свойств являются высокие температуры плавления, высокие температуры кипения, ковкость, способность отражать свет, высокая электропроводность и теплопроводность.
Высокие температуры плавления и кипения объясняются тем, что катионы металла прочно связаны электронным газом. При этом прослеживается закономерность, что прочность связи увеличивается с увеличением количества валентных электронов. Например, рубидий и калий являются легкоплавкими веществами (температуры плавления 39 и 63 градуса Цельсия, соответственно), по сравнению с, например, хромом (1615 градусов Цельсия).
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.
Свободное перемещение электронов по атомным орбиталям объясняет и электропроводность металлов. Электронный газ при наложении разности потенциалов переходит из хаотического движения к движению направленному.
В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси, называемые сплавами. В сплаве свойства одного компонента обычно удачно дополняют свойства другого.
Металлический тип взаимодействия характерен как для чистых металлов, так и для их смесей — сплавов, находящихся в твёрдом и жидком состояниях. Однако, если металл перевести в газообразное состояние, то связь между его атомами будет ковалентная. Металл в виде пара состоит и отдельных молекул (одно- или двухатомных).
Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ
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.
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.
Металлическая химическая связь
Это жестко зафиксированные в узлах кристаллической решетки ионы металла и свободно перемещающиеся по всему объему кристалла электроны.
Кое в чем металлическая химическая связь похожа и на ковалентную — в ней тоже есть общие электроны, но:
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.
Физические свойства металлической химической связи:
Металлическая связь
Большинство металлов имеют общие свойства, которые отличны от свойств других простых или сложных веществ. Это такие свойства как:
Эти свойства связаны с существованием в металлах металлической связи:
Металлическая связь — это связь между положительно заряженными ионами и атомами металлов и свободно движущимися по кристаллу электронами.
Образование металлической связи
Простое вещество — металл существует в виде кристалла, имеющим металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой находятся атомы или ионы металлов.
Валентные атомные орбитали каждого атома металла в кристалле перекрываются сразу с орбиталями нескольких близлежащих соседей, и число этих атомных орбиталей чрезвычайно велико. Поэтому число возникающих молекулярных орбиталей тоже велико.
Мы уже знаем, что число валентных электронов атомов металлов небольшое, к тому же они достаточно слабо связаны с собственными ядрами и могут легко отрываться. Поэтому электроны заполняют всю зону взаимодействующих орбиталей образуя металлическую связь. Т.о. в кристаллической решетке металла перемещение электронов происходит свободно.
Такие особенности, как тепло- и электропроводность металлов связано с существованием свободно движущихся электронов в кристаллической решетке.
Особенности металлической связи
Отличие металлической связи от ковалентной
Отличие металлической связи от ионной
В образовании как ионной связи, так и металлической принимают участие ионы — катионы. Однако ионная связь — это связь между катионами и анионами, а в металлической связи анионы отсутствуют, зато имеются электроны, свободно движущиеся между катионами/атомами металлов.
Прочность металлической связи
Чем легче атом металла переходит в состояние иона, т.е. отдает электроны, тем менее прочна его решетка, вследствие отталкивания положительно заряженных ионов.
В связи с этим металл будет обладать пониженной температурой плавления и становится более мягким.
Ниже приведена зависимость температуры плавления металлов от их положения в периодической таблице и числа валентных электронов.