Металлическая связь. Свойства 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. По этой причине в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (к примеру, 12 или 8). Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. В случае 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 объёмно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.
В кубической объёмно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объёмно 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. В случае если к концам металлического образца приложить разность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала:данный поток электронов, движущихся в одном направлении, и представляет собой всем знакомый электрический ток.
Металлическая связь. Свойства металлической связи. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Металлическая связь. Свойства металлической связи." 2017, 2018.
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?
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 (3S 1) 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:
Рис. 3. Кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка.
Такой тип кристаллической решетки имеют следующие металлы: магний, кадмий, рений, осмий, рутений, бериллий и многие другие.
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.
ХОД УРОКА
Определите элементы ставшие не в ту «очередь».Почему?
Ca Fe P K Al Mg Na
Какие элементы из таблицы Менделеева
называются металлами?
Сегодня мы узнаем какие свойства есть у металлов, и как они зависят от связи которая образуется между йонами металов.
Для начала вспомним месторасполажения металлов в периодической системе?
Металлы как мы все знаем обычно существуют не в виде изолированных атомов, а в форме куска, слитка или металлического изделия. Выясним, что собирает атомы металла в целостном объеме.
На примере мы видим кусок золота. И кстати уникальным металлом является золото. С помощью ковки из чистого золота можно сделать фольгу толщиной 0,002 мм! такой нончайший лист фольги почти прозрачный и имеет зелёный оттенок просвете. В итоге из слитка золота размером со спичечный коробок можно получить тонкую фольгу, которая покроет площадь тенисного корта.
В химическом отношении все металы характеризуются легкостью отдачи валентных электронов, и как следствие образование положительно заряженных ионов и проявлять только положительную окисленность. Именно поэтому металы в свободном состоянии являются востановителями. Общей особенностью атомов металов являются большие размеры по отношению к неметалам. Внешние эллектроны находятся на больших расстояниях от ядра и поэтому слабо с ним связаны, следовательно легко отрываются.
Атомы большего колличества металлов на внешнем уровне имеют маленькое колличество электронов – 1,2,3. Эти электроны легко отрываются и атомы металлов становятся ионами.
Ме0 – n ē ⇆ Men+
атомы метала – електроны внешн. орбиты ⇆ ионы метала
Таким образом оторвавшиеся электроны могут перемещатся от одного иона к другому тоесть становятся свободными, и как бы связывая их в единое целое.Поэтому получается, что все оторвавшиеся электроны евляются общими, так как нельзя понять какой эллектрон принадлежит какому из атомов металла.
Электроны могут обьединятся с катионами, тогда временно образуются атомы, от которых сопять потом отрываются электроны. Этот процесс происходит постоянно и без остановки. Получается, что в объеме металла атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот. При этом небольшое число общих электронов связывает большое число атомов и ионов металла. Но важно, что число электронов в металле равно общему заряду положительных ионов, тоесть получается, что в целом металл остается электронейтральным.
Такой процесс представляют как модель - ионы металла находятся в облаке из электронов. Такое электронное облако называют «электронным газом».
Вот например на данной картинке мы видим как электрончики двигаются среди неподвижныхйонов внутри кристалической решетки метала.
Рис. 2. Движение электроннов
Для того чтоб лучше понять, что такое Электронный газ и как он ведет себя в химических реакциях разных металлов посмотрим интересное видео. (золото в этом видео упоминается исключительно как цвет!)
Теперь мы можем записать определение: металлическая связь - это связь в металлах между атомами и ионами, образованная за счет обобществления электронов.
Давайте сравним все виды связей которые мы знаем И закрепим, чтобы лучше различать их, для этого посмотрим видео.
Металлическая связь бывает не только в чистых металах но также характерна для смесей разных металов, сплавов в разных агрегатных состояниях.
Металлическая связь имеет важное значение и обуславливает основные свойства металлов
- электропроводность – беспорядочное движение електронов в объеме металла. Но при небольшой разности потенциалов, чтобы электроны двигались упорядоченно. Металами с лучшей проводимостью являются Ag, Cu, Au, Al.
- пластичность
Связи между слоями металла не очень значительны, это позволяет перемещать слои под нагрузкой (деформировать металл не ломая его). Наилучше деформирующиеся металы (мягкие)Au, Ag, Cu.
- металлический блеск
Электронный газ отражает почти все световые лучи. Вот почему чистые металлы так сильно блестят и чаще всего имеют сенрый или белый цвет. Металы являющиеся наилучшими отражателями Ag, Cu, Al, Pd, Hg
Упражнение 1
Выбрать формулы веществ которые имеют
а) ковалентную полярную связь: Cl2, KCl, NH3, O2, MgO, CCl4, SO2;
б) с ионную связь: HCl, KBr, P4, H2S, Na2O, CO2, CaS.
Упражнение 2
Вычеркните лишнее:
а) CuCl2, Al, MgS
б) N2, HCl, O2
в) Ca, CO2, Fe
г) MgCl2, NH3, H2
Металлический натрий , металлический литий, и остальные щелочные металлы меняют цвет пламени. Металлический литий и его соли придают огню --красный цвет, металлический натрий и соли натрия - жёлтый, металлический калий и его соли - фиолетовый, а рубидия и цезия - тоже фиолетовый, но более светлый.
Рис. 4. Кусок металического лития 
Рис. 5. Окрашивание пламени металами
Литий (Li). Металлический литий, как и металлический натрий, относится к щелочным металлам. Оба растворяются в воде. Натрий, растворяясь в воде образует едкий натр –очень сильную кислоту. При растворении щелочных металов в воде выделяется много тепла и газа (водорода). Такие металы желательно не трогать руками, так как можно обжечся.
1. Урок по теме «Металлическая химическая связь», учителя химии Тухта Валентины Анатольевны МОУ "Есеновичская СОШ"
2. Ф. А. Деркач "Химия", - научно-методическое пособие. – Киев, 2008.
3. Л. Б. Цветкова «Неорганическая химия» – 2-е издание, исправленное и дополненное. – Львов, 2006.
4. В. В. Малиновский, П. Г. Нагорный «Неорганическая химия» - Киев, 2009.
5. Глинка Н.Л. Общая химия. – 27 изд./ Под. ред. В.А. Рабиновича. – Л.: Химия, 2008. – 704 с.ил.
Отредактировано и выслано Лисняк А.В.
Над уроком работали:
Тухта В.А.
Лисняк А.В.
Поставить вопрос о современном образовании, выразить идею или решить назревшую проблему Вы можете на Образовательном форуме , где на международном уровне собирается образовательный совет свежей мысли и действия. Создав блог, Химия 8 класс
Вы узнали, как взаимодействуют между собой атомы элементов-металлов и элементов-неметаллов (электроны переходят от первых ко вторым), а также атомы элементов-неметаллов между собой (неспаренные электроны внешних электронных слоёв их атомов объединяются в общие электронные пары). Теперь мы познакомимся с тем, как взаимодействуют между собой атомы элементов-металлов. Металлы обычно существуют не в виде изолированных атомов, а в виде слитка или металлического изделия. Что удерживает атомы металла в едином объёме?
Атомы большинства элементов-металлов на внешнем уровне содержат небольшое число электронов - 1, 2, 3. Эти электроны легко отрываются, а атомы превращаются в положительные ионы. Оторвавшиеся электроны перемещаются от одного иона к другому, связывая их в единое целое.
Разобраться, какой электрон принадлежал какому атому, просто невозможно. Все оторвавшиеся электроны стали общими. Соединяясь с ионами, эти электроны временно образуют атомы, потом снова отрываются и соединяются уже с другим ионом и т. д. Бесконечно происходит процесс, который можно изобразить схемой:
Следовательно, в объёме металла атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот. Их так и называют атом-ионами.
На рисунке 41 схематически изображено строение фрагмента металла натрия. Каждый атом натрия окружён восемью соседними атомами.
Рис. 41.
Схема строения фрагмента кристаллического натрия
Оторвавшиеся внешние электроны свободно движутся от одного образовавшегося иона к другому, соединяя, будто склеивая, ионный остов натрия в один гигантский металлический кристалл (рис. 42).
Рис. 42.
Схема металлической связи
Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, так как основана на обобществлении внешних электронов. Однако при образовании ковалентной связи обобществляются внешние неспаренные электроны только двух соседних атомов, в то время, как при образовании металлической связи в обобществлении этих электронов участвуют все атомы. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической, как правило, пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск.
На рисунке 43 изображена древняя золотая фигурка оленя, которой уже более 3,5 тыс. лет, но она не потеряла характерного для золота - этого самого пластичного из металлов - благородного металлического блеска.
рис. 43. Золотой олень. VI в. до н. э.
Металлическая связь характерна как для чистых металлов, так и для смесей различных металлов - сплавов, находящихся в твёрдом и жидком состояниях. Однако в парообразном состоянии атомы металлов связаны между собой ковалентной связью (например, парами натрия заполняют лампы жёлтого света для освещения улиц больших городов). Пары металлов состоят из отдельных молекул (одноатомных и двухатомных).
Вопрос о химических связях - центральный вопрос науки химии. Вы познакомились с начальными представлениями о типах химической связи. В дальнейшем вы узнаете много интересного о природе химической связи. Например, что в большинстве металлов, кроме металлической связи, есть ещё и ковалентная связь, что существуют и другие типы химических связей.
Ключевые слова и словосочетания
Работа с компьютером
Вопросы и задания
Ионная связь
(использованы материалы сайта http://www.hemi.nsu.ru/ucheb138.htm)
Ионная связь осуществляется путем электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами. Эти ионы образуются в результате перехода электронов от одного атома к другому. Ионная связь образуется между атомами, имеющими большие различия электроотрицательностей (обычно больше 1,7 по шкале Полинга), например, между атомами щелочных металлов и галогенов.
Рассмотрим возникновение ионной связи на примере образования NaCl.
Из электронных формул атомов
Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 и
Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5
видно, что для завершения внешнего уровня атому натрия легче отдать один электрон, чем присоединить семь, а атому хлора легче присоединить один, чем отдать семь. В химических реакциях атом натрия отдает один электрон, а атом хлора принимает его. В результате электронные оболочки атомов натрия и хлора превращаются в устойчивые электронные оболочки благородных газов (электронная конфигурация катиона натрия
Na + 1s 2 2s 2 2p 6 ,
а электронная конфигурация аниона хлора
Cl – - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6).
Электростатическое взаимодействие ионов приводит к образованию молекулы NaCl.
Характер химической связи часто находит отражение в агрегатном состоянии и физических свойствах вещества. Такие ионные соединения, как хлорид натрия NaCl твердые и тугоплавкие потому, что между зарядами их ионов "+" и "–" существуют мощные силы электростатического притяжения.
Отрицательно заряженный ион хлора притягивает не только "свой" ион Na+, но и другие ионы натрия вокруг себя. Это приводит к тому, что около любого из ионов находится не один ион с противоположным знаком, а несколько.
Строение кристалла поваренной соли NaCl.
Фактически, около каждого иона хлора располагается 6 ионов натрия, а около каждого иона натрия - 6 ионов хлора. Такая упорядоченная упаковка ионов называется ионным кристаллом. Если в кристалле выделить отдельный атом хлора, то среди окружающих его атомов натрия уже невозможно найти тот, с которым хлор вступал в реакцию.
Притянутые друг к другу электростатическими силами, ионы крайне неохотно меняют свое местоположение под влиянием внешнего усилия или повышения температуры. Но если хлорид натрия расплавить и продолжать нагревать в вакууме, то он испаряется, образуя двухатомные молекулы NaCl . Это говорит о том, что силы ковалентного связывания никогда не выключаются полностью.
Основные характеристики ионной связи и свойства ионных соединений
1. Ионная связь является прочной химической связью. Энергия этой связи составляет величины порядка 300 – 700 кДж/моль.
2. В отличие от ковалентной связи, ионная связь является ненаправленной, поскольку ион может притягивать к себе ионы противоположного знака в любом направлении.
3. В отличие от ковалентной связи, ионная связь является ненасыщенной, так как взаимодействие ионов противоположного знака не приводит к полной взаимной компенсации их силовых полей.
4. В процессе образования молекул с ионной связью не происходит полной передачи электронов, поэтому стопроцентной ионной связи в природе не существует. В молекуле NaCl химическая связь лишь на 80% ионная.
5. Соединения с ионной связью – это твердые кристаллические вещества, имеющие высокие температуры плавления и кипения.
6. Большинство ионных соединений растворяются в воде. Растворы и расплавы ионных соединений проводят электрический ток.
Металлическая связь
По-другому устроены металлические кристаллы. Если рассмотреть кусочек металлического натрия, то обнаружится, что внешне он сильно отличается от поваренной соли. Натрий - мягкий металл, легко режется ножом, расплющивается молотком, его можно без труда расплавить в чашечке на спиртовке (температура плавления 97,8 о С). В кристалле натрия каждый атом окружен восемью другими такими же атомами.
Строение кристалла металлического Na.
Из рисунка видно, что атом Na в центре куба имеет 8 ближайших соседей. Но это же можно сказать и о любом другом атоме в кристалле, поскольку все они одинаковы. Кристалл состоит из "бесконечно" повторяющихся фрагментов, изображенных на этом рисунке.
Атомы металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число валентных электронов. Поскольку энергия ионизации атомов металлов невелика, валентные электроны слабо удерживаются в этих атомах. В результате в кристаллической решетке металлов появляются положительно заряженные ионы и свободные электроны. При этом катионы металла находятся в узлах кристаллической решетки, а электроны свободно перемещаются в поле положительных центров образуя так называемый «электронный газ».
Наличие между двумя катионами отрицательно заряженного электрона приводит тому, что каждый катион взаимодействует с этим электроном.
Таким образом, металлическая связь – это связь между положительными ионами в кристаллах металлов, которая осуществляется путем притяжения электронов, свободно перемещающихся по всему кристаллу.
Поскольку валентные электроны в металле равномерно распределены по всему кристаллу металлическая связь, как и ионная, является ненаправленной связью. В отличие от ковалентной связи, металлическая связь является ненасыщенной связью. От ковалентной связи металлическая связь отличается также и прочностью. Энергия металлической связи примерно в три – четыре раза меньше энергии ковалентной связи.
Вследствие большой подвижности электронного газа металлы характеризуются высокой электро- и теплопроводностью.
Металлический кристалл выглядит достаточно простым, но на самом деле его электронное устройство сложнее, чем у кристаллов ионных солей. На внешней электронной оболочке элементов-металлов недостаточно электронов для образования полноценной "октетной" ковалентной или ионной связи. Поэтому в газообразном состоянии большинство металлов состоит из одноатомных молекул, (т.е. отдельных, не связанных между собой атомов). Типичный пример - пары ртути. Таким образом, металлическая связь между атомами металлов возникает только в жидком и твердом агрегатном состоянии.
Описать металлическую связь можно следующим образом: часть атомов металла в образующемся кристалле отдают в пространство между атомами свои валентные электроны (у натрия это...3s1), превращаясь в ионы. Поскольку все атомы металла в кристалле одинаковы, каждый из них имеет равные с другими шансы потерять валентный электрон.
Иными словами, переход электронов между нейтральными и ионизированными атомами металла происходит без затрат энергии. Часть электронов при этом всегда оказывается в пространстве между атомами в виде "электронного газа".
Эти свободные электроны, во-первых, удерживают атомы металла на определенном равновесном расстоянии друг от друга.
Во-вторых, они придают металлам характерный "металлический блеск" (свободные электроны могут взаимодействовать с квантами света).
В-третьих, свободные электроны обеспечивают металлам хорошую электропроводность. Высокая теплопроводность металлов тоже объясняется наличием свободных электронов в межатомном пространстве - они легко "откликаются" на изменения энергии и способствуют ее быстрому переносу в кристалле.
Упрощенная модель электронного строения металлического кристалла.
******** На примере металла натрия рассмотрим природу металлической связи с точки зрения представлений об атомных орбиталях. У атома натрия, как и у многих других металлов, имеется недостаток валентных электронов, зато имеются свободные валентные орбитали. Единственный 3s-электрон натрия способен перемещаться на любую из свободных и близких по энергии соседних орбиталей. При сближении атомов в кристалле внешние орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему отданные электроны свободно перемещаются по всему кристаллу.
Однако "электронный газ" вовсе не беспорядочен, как может показаться. Свободные электроны в металлическом кристалле находятся на перекрывающихся орбиталях и в какой-то мере обобществляются, образуя подобие ковалентных связей. У натрия, калия, рубидия и других металлических s-элементов обобществленных электронов просто мало, поэтому их кристаллы непрочные и легкоплавкие. С увеличением числа валентных электронов прочность металлов, как правило, возрастает.
Таким образом, металлическую связь склонны образовывать элементы, атомы которых на внешних оболочках имеют мало валентных электронов. Эти валентные электроны, осуществляющие металлическую связь, обобществлены настолько, что могут перемещаться по всему металлическому кристаллу и обеспечивают высокую электропроводность металла.
Кристалл NaCl не проводит электрический ток, потому что в пространстве между ионами нет свободных электронов. Все электроны, отданные атомами натрия, прочно удерживают около себя ионы хлора. В этом одно из существенных отличий ионных кристаллов от металлических.
То, что вы теперь знаете о металлической связи, позволяет объяснить и высокую ковкость (пластичность) большинства металлов. Металл можно расплющить в тонкий лист, вытянуть в проволоку. Дело в том, что отдельные слои из атомов в кристалле металла могут относительно легко скользить один по другому: подвижный "электронный газ" постоянно смягчает перемещение отдельных положительных ионов, экранируя их друг от друга.
Разумеется, ничего подобного нельзя сделать с поваренной солью, хотя соль - тоже кристаллическое вещество. В ионных кристаллах валентные электроны прочно связаны с ядром атома. Сдвиг одного слоя ионов относительно другого приводит к сближению ионов одинакового заряда и вызывает сильное отталкивание между ними, в результате чего происходит разрушение кристалла (NaCl - хрупкое вещество).
Сдвиг слоев ионного кристалла вызывает появление больших сил отталкивания между одноименными ионами и разрушение кристалла.
