Металічная сувязь: механізм адукацыі. Металічная хімічная сувязь: прыклады

Усе вядомыя на сённяшні дзень хімічныя элементы, размешчаныя ў табліцы Мендзялеева, падпадзяляюцца ўмоўна на дзве вялікія групы: металы і неметалы. Для таго каб яны сталі не проста элементамі, а злучэннямі, хімічнымі рэчывамі, маглі ўступаць ва ўзаемадзеянне адзін з адным, яны павінны існаваць у выглядзе простых і складаных рэчываў.

Менавіта для гэтага адны электроны імкнуцца прыняць, а іншыя - аддаць. Папаўняючы адзін аднаго такім чынам, элементы і ўтвараюць розныя хімічныя малекулы. Але што дазваляе ім ўтрымлівацца разам? Чаму існуюць рэчывы такі трываласці, разбурыць якую непадуладна нават самым сур'ёзным інструментам? А іншыя, наадварот, руйнуюцца ад найменшага ўздзеяння. Усё гэта тлумачыцца адукацыяй розных тыпаў хімічнай сувязі паміж атамамі ў малекулах, фарміраваннем крышталічнай рашоткі пэўнага будынкі.

Віды хімічных сувязяў ў злучэннях

Усяго можна вылучыць 4 асноўных тыпу хімічных сувязяў.

1. Кавалентная непалярная. Утвараецца паміж двума аднолькавымі неметаламі за кошт абагульванні электронаў, фарміравання агульных электронных пар. У адукацыі яе прымаюць удзел валентныя неспаренного часціцы. Прыклады: галагены, кісларод, вадарод, азот, сера, фосфар.
2. Кавалентная палярная. Утвараецца паміж двума рознымі неметаламі альбо паміж вельмі слабым па ўласцівасцях металам і слабым па Электраадмо неметалы. У аснове таксама агульныя электронныя пары і перацягванне іх да сабе тым атамам, сродство да электронных якога вышэй. Прыклады: NH _3, SiC, P ₂ O ₅ і іншыя.
3. Вадародная сувязь. Самая няўстойлівая і слабая, фарміруецца паміж моцна Электраадмо атамам адной малекулы і станоўчым іншы. Часцей за ўсё гэта адбываецца пры растварэнні рэчываў у вадзе (спірту, аміяку і гэтак далей). Дзякуючы такой сувязі могуць існаваць макрамалекулы бялкоў, нуклеінавых кіслот, складаных вугляводаў і гэтак далей.
4. Іённая сувязь. Фарміруецца за кошт сіл электрастатычнага прыцягнення разнозаряженных іёнаў металаў і неметаллов. Чым мацней адрозненне па дадзеным паказчыку, тым ярчэй выяўлены менавіта іённы характар узаемадзеяння. Прыклады злучэнняў: бінарныя солі, складаныя злучэнні - падставы, солі.
5. Металічная сувязь, механізм адукацыі якой, а таксама ўласцівасці, будуць разгледжаны далей. Фарміруецца ў металах, іх сплавах рознага роду.

Існуе такое паняцце, як адзінства хімічнай сувязі. У ім якраз і гаворыцца пра тое, што нельга кожную хімічную сувязь разглядаць эталон. Яны ўсё толькі ўмоўна пазначаныя адзінкі. Бо ў аснове ўсіх узаемадзеянняў ляжыць адзіны прынцып - электронностатическое ўзаемадзеянне. Таму іённая, металічная, кавалентная сувязь і вадародная маюць адзіную хімічную прыроду і з'яўляюцца толькі межавымі выпадкамі адзін аднаго.

Металы і іх фізічныя ўласцівасці

Металы знаходзяцца ў пераважнай большасці сярод усіх хімічных элементаў. Гэта тлумачыцца іх адмысловымі ўласцівасцямі. Значная частка з іх была атрыманая чалавекам ядзернымі рэакцыямі ў лабараторных умовах, яны з'яўляюцца радыеактыўнымі з невялікім перыядам паўраспаду.

Аднак большасць - гэта прыродныя элементы, якія фарміруюць цэлыя горныя пароды і руды, уваходзяць у склад большасці важных злучэнняў. Менавіта з іх людзі навучыліся адліваць сплавы і вырабляць масу выдатных і важных вырабаў. Гэта такія, як медзь, жалеза, алюміній, срэбра, золата, хром, марганец, нікель, цынк, свінец і многія іншыя.

Для ўсіх металаў можна вылучыць агульныя фізічныя ўласцівасці, якія тлумачыць схема адукацыі металічнай сувязі. Якія ж гэта ўласцівасці?

1. Ковкость і пластычнасць. Вядома, што многія металы можна прокатать нават да стану фальгі (золата, алюміній). З іншых атрымліваюць дрот, металічныя гнуткія лісты, вырабы, здольныя дэфармавацца пры фізічным уздзеянні, але тут жа аднаўляць форму пасля спынення яго. Менавіта гэтыя якасці металаў і называюць ковкостью і пластычнасцю. Прычына гэтай асаблівасці - металічны тып сувязі. Іёны і электроны ў крышталі слізгаюць адносна адзін аднаго без разрыву, што і дазваляе захоўваць цэласнасць ўсёй структуры.
2. Металічны бляск. Гэта таксама тлумачыць металічная сувязь, механізм адукацыі, характарыстыкі яе і асаблівасці. Так, не ўсе часціцы здольныя паглынаць або адлюстроўваць светлавыя хвалі аднолькавай даўжыні. Атамы большасці металаў адлюстроўваюць караткахвалевыя прамяні і набываюць практычна аднолькавую афарбоўку серабрыстага, белага, бледна-блакітнага адцення. Выключэннямі з'яўляюцца медзь і золата, іх афарбоўка руда-чырвоная і жоўтая адпаведна. Яны здольныя адлюстроўваць больш даўгахвалевае выпраменьванне.
3. Цепла- і электраправоднасць. Дадзеныя ўласцівасці таксама тлумачацца будынкам крышталічнай рашоткі і тым, што ў яе адукацыі рэалізуецца металічны тып сувязі. За кошт "электроннага газу", што рухаецца ўсярэдзіне крышталя, электрычны ток і цяпло імгненна і раўнамерна размяркоўваюцца паміж усімі атамамі і іёнамі і праводзяцца праз метал.
4. Цвёрдае агрэгатны стан пры звычайных умовах. Тут выключэннем з'яўляецца толькі ртуць. Усе астатнія металы - гэта абавязкова трывалыя, цвёрдыя злучэння, а таксама за іх сплавы. Гэта таксама вынік таго, што ў металах прысутнічае металічная сувязь. Механізм адукацыі такога тыпу звязвання часціц цалкам пацвярджае ўласцівасці.

Гэта асноўныя фізічныя характарыстыкі для металаў, якія тлумачыць і вызначае менавіта схема адукацыі металічнай сувязі. Актуальны такі спосаб злучэння атамаў менавіта для элементаў металаў, іх сплаваў. Гэта значыць для іх у цвёрдым і вадкім стане.

Металічны тып хімічнай сувязі

У чым жа яе асаблівасць? Уся справа ў тым, што такая сувязь фармуецца не за кошт разнозаряженных іёнаў і іх электрастатычнага прыцягнення і не за кошт рознасці ў Электраадмо і наяўнасці свабодных электронных пар. Гэта значыць іённая, металічная, кавалентная сувязь маюць некалькі розную прыроду і адметныя рысы звязваем часціц.

Усім металах ўласцівы такія характарыстыкі, як:

• малая колькасць электронаў на знешнім энергетычным узроўні (акрамя некаторых выключэнняў, у якіх іх можа быць 6,7 і 8);
• вялікі атамны радыус;
• нізкая энергія іянізацыі.

Усё гэта спрыяе лёгкаму аддзяленню знешніх неспаренных электронаў ад ядра. Пры гэтым свабодных арбіталей ў атама застаецца вельмі шмат. Схема адукацыі металічнай сувязі якраз і будзе паказваць перакрываць шматлікіх арбітальных вочак розных атамаў паміж сабой, якія ў выніку і фармуюць агульнае внутрикристаллическое прастору. У яго падаюцца электроны ад кожнага атама, якія пачынаюць свабодна блукаць па розных частках кратаў. Перыядычна кожны з іх далучаецца да іёну ў вузле крышталя і ператварае яго ў атам, затым зноў адлучаецца, фарміруючы іён.

Такім чынам, металічная сувязь - гэта сувязь паміж атамамі, іёнамі і свабоднымі электронамі ў агульным крышталі металу. Электроннае воблака, свабодна перамяшчаецца ўнутры структуры, называюць "электронным газам". Менавіта ім тлумачыцца большасць фізічных уласцівасцяў металаў і іх сплаваў.

Як канкрэтна рэалізуе сябе металічная хімічная сувязь? Прыклады можна прывесці розныя. Паспрабуем разгледзець на кавалачку літыя. Нават калі ўзяць яго памерам з гарошыну, атамаў там будуць тысячы. Вось і прадставім сабе, што кожны з гэтых тысяч атамаў аддае свой валентны адзіны электрон ў агульнае крышталічнае прастору. Пры гэтым, ведаючы электроннае будынка дадзенага элемента, можна ўбачыць колькасць пустуючых арбіталей. У літыя іх будзе 3 (р-арбіталь другога энергетычнага ўзроўня). Па тры ў кожнага атама з дзесяткаў тысяч - гэта і ёсць агульнае прастору ўнутры крышталя, у якім "электронны газ" свабодна перамяшчаецца.

Рэчыва з металічнай сувяззю заўсёды трывалае. Бо электронны газ не дазваляе крышталю разбурацца, а толькі ссоўвае пласты і тут жа аднаўляе. Яно блішчыць, валодае пэўнай шчыльнасцю (часцей за ўсё высокай), плавкостью, ковкостью і пластычнасцю.

Дзе яшчэ рэалізуецца металічная сувязь? Прыклады рэчываў:

• металы ў выглядзе простых структур;
• усе сплавы металаў адзін з адным;
• усе металы і іх сплавы ў вадкім і цвёрдым стане.

Канкрэтных прыкладаў можна прывесці проста неймаверная колькасць, бо металаў у перыядычнай сістэме больш за 80!

Металічная сувязь: механізм адукацыі

Калі разглядаць яго ў агульным выглядзе, то асноўныя моманты мы ўжо пазначылі вышэй. Наяўнасць свабодных атамных арбіталей і электронаў, лёгка адрываюцца ад ядра з прычыны малой энергіі іянізацыі, - вось галоўныя ўмовы для фармавання дадзенага тыпу сувязі. Такім чынам, атрымліваецца, што яна рэалізуецца паміж наступнымі часціцамі:

• атамамі ў вузлах крышталічнай рашоткі;
• свабоднымі электронамі, якія былі ў металу валентнасці;
• іёнамі ў вузлах крышталічнай рашоткі.

У выніку - металічная сувязь. Механізм адукацыі ў агульным выглядзе выражаецца наступнай запісам: Ме ⁰ - e ^- ↔ Ме ^{n +.} З схемы відавочна, якія часціцы прысутнічаюць у крышталі металу.

Самі крышталі могуць мець розную форму. Гэта залежыць ад канкрэтнага рэчывы, з якім мы маем справу.

Тыпы крышталяў металаў

Дадзеная структура металу або яго сплаву характарызуецца вельмі шчыльнай пакаваннем часціц. Яе забяспечваюць іёны ў вузлах крышталя. Самі па сабе рашоткі могуць быць розных геаметрычных формаў ў прасторы.

1. Объемноцентрическая кубічных рашотка - шчолачныя металы.
2. Гексагональную кампактная структура - усё шчолачназямельныя, акрамя барыю.
3. Гранецентрическая кубічных - алюміній, медзь, цынк, многія пераходныя металы.
4. Ромбоэдрическая структура - у ртуці.
5. Тетрагональная - індый.

Чым цяжэй метал і чым ніжэй ён размяшчаецца ў перыядычнай сістэме, тым складаней яго ўпакоўка і прасторавая арганізацыя крышталя. Пры гэтым металічная хімічная сувязь, прыклады якой можна прывесці для кожнага існуючага металу, з'яўляецца вызначальнай пры пабудове крышталя. Сплавы маюць вельмі разнастайныя арганізацыі ў прасторы, некаторыя з іх да гэтага часу яшчэ не да канца вывучаныя.

Характарыстыкі сувязі: ненаправленную

Кавалентная і металічная сувязь маюць адну вельмі ярка выяўленую адметную рысу. У адрозненне ад першай, металічная сувязь не з'яўляецца накіраванай. Што гэта значыць? Гэта значыць электроннае воблака ўнутры крышталя рухаецца зусім свабодна ў яго межах у розных напрамках, кожны з электронаў здольны далучацца да абсалютна любому іёну ў вузлах структуры. Гэта значыць ўзаемадзеянне ажыццяўляецца па розных напрамках. Адсюль і кажуць пра тое, што металічная сувязь - ненаправленную.

Механізм кавалентнай сувязі мае на ўвазе адукацыю агульных электронных пар, то ёсць аблокаў перакрыцця атамаў. Прычым адбываецца яно строга па вызначанай лініі, якая злучае іх цэнтры. Таму кажуць аб накіраванасці такой сувязі.

Насыщаемость

Дадзеная характарыстыка адлюстроўвае здольнасць атамаў да абмежаванага або неабмежаванаму ўзаемадзеянні з іншымі. Так, кавалентная і металічная сувязь па гэтым паказчыку зноў жа з'яўляюцца супрацьлегласцямі.

Першая з'яўляецца насычаецца. Атамы, якія прымаюць удзел у яе адукацыі, маюць строга пэўную колькасць валентных знешніх электронаў, якія прымаюць непасрэдны ўдзел у адукацыі злучэння. Больш, чым ёсць, у яго электронаў не будзе. Таму і колькасць фармаваных сувязяў абмежавана валентнасці. Адсюль насыщаемость сувязі. Дзякуючы дадзенай характарыстыцы большасць злучэнняў мае пастаянны хімічны склад.

Металічная і вадародная сувязі, насупраць, ненасыщаемые. Гэта тлумачыцца наяўнасцю шматлікіх вольных электронаў і арбіталей ўнутры крышталя. Таксама ролю гуляюць іёны ў вузлах крышталічнай рашоткі, кожны з якіх можа стаць атамам і зноў іёнам ў любы момант часу.

Яшчэ адна характарыстыка металічнай сувязі - делокализация ўнутранага электроннага аблокі. Яна выяўляецца ў здольнасці невялікай колькасці агульных электронаў звязваць паміж сабой мноства атамных ядраў металаў. Гэта значыць шчыльнасць як бы делокализуется, размяркоўваецца раўнамерна паміж усімі звёнамі крышталя.

Прыклады адукацыі сувязі ў металах

Разгледзім некалькі канкрэтных варыянтаў, якія ілюструюць, як утворыцца металічная сувязь. Прыклады рэчываў наступныя:

• цынк;
• алюміній;
• калій;
• хром.

Адукацыя металічнай сувязі паміж атамамі цынку: Zn ⁰ - 2e ^- ↔ Zn ^2+. Атам цынку мае чатыры энергетычных ўзроўню. Свабодных арбіталей, зыходзячы з электроннай будовы, у яго 15 - 3 на р-арбіталь, 5 на 4 d і 7 на 4f. Электронная будова наступнае: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁰ 4d ⁰ 4f ^0, усяго ў атаме 30 электронаў. Гэта значыць дзве свабодныя валентныя адмоўныя часціцы здольныя перамяшчацца ў межах 15 прасторных і нікім не занятых арбіталей. І так у кожнага атама. У выніку - велізарнае агульную прастору, якое складаецца з пустуючых арбіталей, і невялікая колькасць электронаў, якія злучаюць усю структуру разам.

Металічная сувязь паміж атамамі алюмінія: AL ⁰ - e ^- ↔ AL ^3+. Трынаццаць электронаў атама алюмінія размяшчаюцца на трох энергетычных узроўнях, якіх ім відавочна хапае з лішкам. Электронная будова: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ¹ 3d ^0. Свабодных арбіталей - 7 штук. Відавочна, што электроннае воблака будзе невялікім па параўнанні з агульным унутраным вольнай прасторай ў крышталі.

Металічная сувязь хрому. Дадзены элемент асаблівы па сваім электронным будынку. Бо для стабілізацыі сістэмы адбываецца правал электрона з 4s на 3d арбіталей: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ⁵ 4p ⁰ 4d ⁰ 4f ^0. Усяго 24 электрона, з якіх валентных атрымліваецца шэсць. Менавіта яны сыходзяць у агульнае электроннае прастору на адукацыю хімічнай сувязі. Свабодных арбіталей 15, гэта значыць усё роўна нашмат больш, чым патрабуецца для запаўнення. Таму хром - таксама тыповы прыклад металу з адпаведнай сувяззю ў малекуле.

Адным з самых актыўных металаў, якія рэагуюць нават са звычайнай вадой з узгараннем, з'яўляецца калій. Чым тлумачацца такія ўласцівасці? Зноў жа шмат у чым - металічным тыпам сувязі. Электронаў у гэтага элемента ўсяго 19, але вось размяшчаюцца яны аж на 4 энергетычных узроўнях. Гэта значыць на 30 арбіталей розных подуровней. Электронная будова: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ⁰ 4p ⁰ 4d ⁰ 4f ^0. Усяго два валентных электрона, з вельмі нізкай энергіяй іянізацыі. Свабодна адрываюцца і сыходзяць у агульнае электроннае прастору. Арбіталей для перамяшчэння на адзін атам 22 штукі, то ёсць вельмі шырокае вольная прастора для "электроннага газу".

Падабенства і адрозненне з іншымі відамі сувязяў

У цэлым гэта пытанне ўжо разглядаўся вышэй. Можна толькі абагульніць і зрабіць выснову. Галоўнымі адметнымі ад усіх іншых тыпаў сувязі рысамі менавіта металічных крышталяў з'яўляюцца:

• некалькі відаў часціц, якія бяруць удзел у працэсе звязвання (атамы, іёны ці атам-іёны, электроны);
• рознае прасторавае геаметрычнае будынак крышталяў.

З вадароднай і іённай сувяззю металічную аб'ядноўвае ненасыщаемость і ненаправленную. З кавалентнай палярнай - моцнае электрастатычнае прыцягненне паміж часціцамі. Асобна з іённай - тып часціц у вузлах крышталічнай рашоткі (іёны). З кавалентнай непалярныя - атамы ў вузлах крышталя.

Тыпы сувязей у металах рознага агрэгатнага стану

Як мы ўжо адзначалі вышэй, металічная хімічная сувязь, прыклады якой прыведзены ў артыкуле, утвараецца ў двух агрэгатных станах металаў і іх сплаваў: цвёрдым і вадкім.

Узнікае пытанне: які тып сувязі ў парах металаў? Адказ: кавалентная палярная і непалярная. Як і ва ўсіх злучэннях, якія знаходзяцца ў выглядзе газу. Гэта значыць пры працяглым награванні металу і пераводу яго з цвёрдага стану ў вадкае сувязі не рвуцца і крышталічная структура захоўваецца. Аднак калі гаворка заходзіць аб пераводзе вадкасці ў парападобным стан, крышталь руйнуецца і металічная сувязь пераўтворыцца ў кавалентным.