Образование металлической связи
Металлическая химическая связь
Ключевые слова конспекта: Металлическая химическая связь: ион-атомы и электронный газ. Физические свойства металлов и их применение на основе этих свойств. Чёрные и цветные металлы. Сплавы.
Подавляющее число химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева относятся к металлам:
- все s-элементы, кроме водорода и гелия;
- все d-элементы;
- p-элементы IIIА-группы, кроме бора;
- некоторые p-элементы IVA- (олово и свинец) и VA- (сурьма и висмут) групп, а также p-элемент VIIА-группы — полоний.
Анализ положения металлов в периодической системе и учёт особенностей строения их атомов позволяет сделать следующие выводы: атомы этих элементов содержат небольшое число электронов на внешнем слое (1—3), имеют сравнительно большой радиус атома и много свободных орбиталей, которые могут легко перекрываться. Поэтому валентные электроны свободно перемещаются от одних атомов, превращая их в ионы, к другим, связывая их.
В простых веществах-металлах осуществляется бесконечный процесс превращения атомов в ионы и обратно, который можно отразить с помощью схемы:
Эти же процессы происходят и в металлических сплавах.
| Связь в металлах и сплавах между ион–атомами, осуществляемая совокупностью валентных электронов, называется металлической связью . |
Металлическая связь определяет и особое кристаллическое строение металлов и сплавов — металлическую кристаллическую решётку, в узлах которой расположены ион–атомы. Обобществлённые подвижные электроны не принадлежат какому–то определённому атому и способны перемещаться по всему объёму металла. В отсутствие в нём электрического поля эти электроны хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решётки. В 1900 г. немецкий физик Пауль Друде предложил называть совокупность этих электронов электронным газом. Этот электронный газ прочно соединяет, как бы склеивает ионный остов металла. При механических нагрузках или нагреве газ не допускает разрыва металлической решётки, связывая положительные ионы. Поэтому при обработке металлов изменение их формы происходит без разрушения кристаллической решётки, так как её слои легко скользят один по другому.
Металлы электропроводны, потому что под действием электрического поля валентные электроны начинают направленное движение — возникает электрический ток. Металлы — это проводники первого рода, в отличие от растворов электролитов, которые относятся к проводникам второго рода.
Мы вряд ли представляем себе жизнь без электричества, которое поступает в каждый дом, в каждую квартиру по сети электрических проводов своеобразной кровеносной системе современной технической цивилизации. Лучше всего проводят электрический ток серебро, медь, золото, алюминий. Серебро и золото — дорогие металлы. Медь также недешёвый металл. Поэтому кабели линий электропередачи (ЛЭП) делают главным образом из алюминия.
Кстати, прочная опора линии электропередачи тоже металлическая. Прочность — одно из основных свойств большинства металлов, позволяющее использовать их в качестве конструкционных материалов. Один из наиболее прочных и в то же время лёгких металлов — титан. Этот металл и сплавы на его основе — незаменимые конструкционные материалы в самолётостроении и космической технике.
Все металлы теплопроводны. Это свойство, как и нетоксичность некоторых металлов, лежит в основе их применения для производства кухонной посуды: кастрюль, сковородок, противней. Батареи центрального отопления должны быстро нагреваться поступающей в них водой и эффективно отдавать теплоту окружающему воздуху, поэтому их тоже изготавливают из металла.
Самыми теплопроводными металлами являются те, которые хорошо проводят электрический ток: серебро, медь, золото, алюминий.
Металлы обладают металлическим блеском. Блестят они потому, что отражают лучи света, а не пропускают их, как стекло, и не поглощают, как сажа. Окраска большинства металлов серебристо–белая, так как они в равной степени отражают все лучи видимой части спектра. Золото и медь частично поглощают коротковолновое излучение, поэтому обладают окраской от жёлтой до красно–коричневой. Самые блестящие металлы — ртуть, палладий, серебро и алюминий, поэтому отражатели прожекторов, автомобильных фар и фонарей покрывают тонким слоем палладия, алюминия или хрома. Почти все измельчённые в порошок металлы, кроме магния и алюминия, теряют блеск и превращаются в серые или чёрные порошки.
Пластичность металлов в сочетании с блеском делают их незаменимым материалом для художников. Самым пластичным по праву считается золото. Из одного грамма этого металла можно вытянуть нить длиной 2 км или раскатать фольгу толщиной 0,00008 мм. Такой тонкий листочек даже в руки взять невозможно: он сразу прилипнет к коже. Это свойство находит своё применение: тонкими золотыми листочками покрывают купола церквей, скульптуры, деревянную резьбу.
Современная техника и промышленность нуждаются в металлических материалах с самыми разнообразными и трудно сочетаемыми свойствами, которых нет у чистых металлов. На помощь технологам приходят сплавы.
| Сплавы — это металлические материалы, получаемые из расплавов двух или более веществ, одно из которых — металл. |
Например, из железосодержащих руд выплавляют чугун — сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет от 2 до 4%. Чугун — хрупкий материал, изделия из которого получают не ковкой, а литьём, как из пластмасс. Из чугуна изготавливают различные массивные конструкции: корпуса станков, турбин, детали двигателей, ограждения. Настоящее произведение искусства — ограды мостов и решётки парков Санкт–Петербурга.
Если из чугуна удалить излишек углерода и довести его содержание до 1—2%, получится сталь. В отличие от чугуна, она пластична, ковка, имеет гладкую блестящую поверхность. Сталь можно прокатать в тонкий лист или железнодорожный рельс, вытянуть в проволоку, согнуть уголком.
Для придания стали специфических свойств в неё добавляют другие металлы — так называемые легирующие добавки. Используя их, выплавляют сотни разных сортов стали. Нержавеющая сталь содержит хром и никель. В жаропрочную сталь добавляют вольфрам. Молибден придаёт стали твёрдость. Алюминий добавляют в сталь, идущую на изготовление кузовов автомобилей.
| Железо и сплавы на его основе называют чёрными металлами, а соответствующую отрасль промышленности — чёрной металлургией. Все остальные металлы и сплавы называют цветными. |
Сплав меди с оловом, бронза, обладает хорошими литейными свойствами. Из неё отливают не только колокола и художественные изделия, но и подшипники, вентили, клапаны и детали машин.
Сплав меди с цинком называют латунью. Она прочнее меди, устойчива к атмосферной коррозии. Из латуни изготавливают трубки, шестерни, армейские знаки отличия, химическое оборудование.
Нарядные столовые приборы, посуду, недорогие украшения изготавливают из мельхиора — сплава меди с никелем. Несмотря на то, что никеля в этом сплаве всего 20%, мельхиор лишён медного цвета и по внешнему виду напоминает серебро.
Сплав алюминия с медью, магнием и марганцем называют дуралюмин (дюраль) и используют в самолёто-, судо- и машиностроении.
Конспект урока по химии «Металлическая химическая связь». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 11 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:
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: Ме — e — ↔ Ме n+ . 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.
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.
Сходства и отличия металлической химической связи от ионной и ковалентной
Все виды связи переплетаются между собой и имеют сходные черты. Более того, некоторые соединения могут иметь сразу несколько видов связи в одной молекуле.
Металлическая связь сходна с ионной тем, что атомы металлов в соединениях легко отдают свои валентные электроны, которые слабо связаны со своими атомными ядрами. Отрыв электронов от ядра приводит к формированию катионов металлов.
Обобществление отрицательно заряженных электронов по системе частично перекрывающихся орбиталей металлов приводит к формированию прочной химической связи, что напоминает по механизму образования ковалентную связь.
Каждый из видов связи имеет свои особенности построения решеток, взаимодействия частиц, а также характерные свойства.
Несмотря на схожесть металлической связи с ковалентной и ионной, каждая из них имеет ряд характерных черт, благодаря которым можно легко определить вид связи в соединении.
Металлическая связь в отличие от ковалентной имеет высокую концентрацию электронов проводимости в атомах металлов. Она менее прочна, чем ковалентная, а ее энергия связей меньше в 3-4 раза.
В отличие от ковалентной связи металлическая:
- ненасыщаема— объединяет большое количество атомов;
- ненаправлена и делокализирована и электроны в связи обобществляются всеми атомами соединения.
В отличие от ионной связи металлическая образуется между катионами и отрицательно заряженными электронами, которые не привязаны к одному атомному ядру, а свободно движутся по кристаллической решетке.
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.
Металлическая химическая связь
Металлическая связь — это связь, которую образуют относительно свободные электроны между ионами металлов, образующих кристаллическую решетку.
У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно расположены от одного до трех электронов. Радиусы у атомов металлов, как правило, большие — следовательно, атомы металлов, в отличие от неметаллов, достаточно легко отдают наружные электроны, т.е. являются сильными восстановителями.
Отдавая электроны, атомы металлов превращаются в положительно заряженные ионы . Оторвавшиеся электроны относительно свободно перемещаются между положительно заряженными ионами металлов. Между этими частицами возникает связь, т.к. общие электроны удерживают катионы металлов, расположенные слоями, вместе , создавая таким образом достаточно прочную металлическую кристаллическую решетку . При этом электроны непрерывно хаотично двигаются, т.е. постоянно возникают новые нейтральные атомы и новые катионы.
Отдельно стоит рассмотреть взаимодействия, возникающие между отдельными молекулами в веществе — межмолекулярные взаимодействия . Межмолекулярные взаимодействия — это такой вид взаимодействия между нейтральными атомами, при котором не появляются новые ковалентные связи. Силы взаимодействия между молекулами обнаружены Ван-дер Ваальсом в 1869 году, и названы в честь него Ван-дар-Ваальсовыми силами. Силы Ван-дер-Ваальса делятся на ориентационные , индукционные и дисперсионные . Энергия межмолекулярных взаимодействий намного меньше энергии химической связи.
Ориентационные силы притяжения возникают между полярными молекулами (диполь-диполь взаимодействие). Эти силы возникают между полярными молекулами. Индукционные взаимодействия — это взаимодействие между полярной молекулой и неполярной. Неполярная молекула поляризуется из-за действия полярной, что и порождает дополнительное электростатическое притяжение.
Особый вид межмолекулярного взаимодействия — водородные связи. Водородные связи — это межмолекулярные (или внутримолекулярные) химические связи, возникающие между молекулами, в которых есть сильно полярные ковалентные связи — H-F, H-O или H-N . Если в молекуле есть такие связи, то между молекулами будут возникать дополнительные силы притяжения.
Механизм образования водородной связи частично электростатический, а частично — донорно–акцепторный. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором — атомы водорода, соединенные с этими атомами. Для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость .
Водородную связь можно обозначать точками: Н ··· O. Чем больше электроотрицательность атома, соединенного с водородом, и чем меньше его размеры, тем крепче водородная связь. Она характерна прежде всего для соединений фтора с водородом , а также к ислорода с водородом , в меньшей степени азота с водородом .
Водородные связи возникают между следующими веществами:
— фтороводород HF (газ, раствор фтороводорода в воде — плавиковая кислота), вода H2O (пар, лед, жидкая вода):
— раствор аммиака и органических аминов — между молекулами аммиака и воды;
— органические соединения, в которых связи O-H или N-H: спирты, карбоновые кислоты, амины, аминокислоты, фенолы, анилин и его производные, белки, растворы углеводов — моносахаридов и дисахаридов.
Водородная связь оказывает влияние на физические и химические свойства веществ. Так, дополнительное притяжение между молекулами затрудняет кипение веществ. У веществ с водородными связями наблюдается аномальное повышение температуры кипения.
Например , как правило, при повышении молекулярной массы наблюдается повышение температуры кипения веществ. Однако в ряду веществ H2O-H2S-H2Se-H2Te мы не наблюдаем линейное изменение температур кипения.
А именно, у воды температура кипения аномально высокая — не меньше -61 о С, как показывает нам прямая линия, а намного больше, +100 о С. Эта аномалия объясняется наличием водородных связей между молекулами воды. Следовательно, при обычных условиях (0-20 о С) вода является жидкостью по фазовому состоянию.
Источник
