Физическая природа металлической связи
Прочность металлической связи возрастает с ростом числа валентных электронов, участвующих в ее образовании, о чем можно судить по температурам плавления. Титан, цирконий и гафний имеют по 4 валентных электрона ( хотя точно не известно, сколько электронов они отдают на образование металлической связи), их температуры плавления выше температур плавления, например, металлов третьей группы, но ниже температур плавления металлов V и VI групп, имеющих большее число валентных электронов. [1]
Действительно, прочность металлической связи возрастает в периоде системы элементов при переходе от металла к металлу слева направо. Так, в шестом периоде, например, температура плавления значительно повышается от цезия к лантану. Это означает, что кристаллическая решетка цезия по прочности уступает решетке бария, а прочность последней-решетке лантана. [2]
От чего зависит прочность металлической связи . [3]
Почему деформация металлов не сказывается на прочности металлической связи . [4]
Высокие или низкие температуры плавления и кипения металлов определяются прочностью металлических связей . Понятие энергии связи к металлическим связям не применяется из-за их многоцентровой природы. [5]
Теория взаимодействия водорода с решеткой металла; водород является разновидностью дефекта, понижающего прочность коге-зионной металлической связи . [6]
Прочность металлической связи зависит от энергии притяжения и отталкивания между катионами и электронами. Электроположительная ионная решетка и электроотрицательный электронный газ взаимно нейтрализуют друг друга. Свободные электроны могут перемещаться между ионами. [7]
Методологической основой для работ Г. В. Ужика является идея функциональной связи между сопротивлением отрыву, как физической константой материала, и техническим пределом текучести материала ( сго 2) - Между тем связь между сопротивлением отрыву и техническим условным пределом текучести принципиально недопустима. Сопротивление отрыву, как физическая константа материала, действительно существует и представляет собой прочность металлической связи при разрушении металла без пластической деформации. Технический же предел текучести - это текущая ордината кривой деформации, условно задаваемая в технике величиной остаточной деформации. Определение сопротивления отрыва по Г. В. Ужику тем самым превращается в определение переменной величины, являющейся тенью текущей ординаты кривой деформации и послушно следующей за ее значением; сопротивление отрыву по Ужику теряет смысл физической константы, имеющей определенное количественное значение. [8]
Все металлы VIII группы имеют небольшой объем атомов, плотную упаковку кристаллической решетки п, как следствие этого, прочность металлической связи и высокие температуры плавления. Важной особенностью железа, кобальта и никеля является способность этих металлов к намагничиванию. Переменная степень окисления членов подгруппы VIПВ обусловливает отчасти и их разнообразнейшие каталитические свойства. Способность образовывать кислородные соединения з каждом ряду VIII группы быстро уменьшается с возрастанием порядкового номера. [9]
В работе Бонда [11] анализируются физические и каталитические свойства металлов VIII группы и Си, Ag и Аи. Подчеркивается, что при переходе в VIII группе слева направо отношение электрон: атом увеличивается, а вместе с этим уменьшается прочность металлической связи за счет уменьшения количества неспаренных электронов, что ведет к ослаблению прочности связей с адсорбированной молекулой. [10]
Например, сравним теплоты испарения магния и алюминия. Более высокое значение для алюминия показывает, что металлическая связь действительно становится более прочной при увеличении числа валентных электронов и заряда ядра. Таким образом, прочность металлической связи возрастает при переходе от элемента к элементу вдоль периода периодической таблицы слева направо. Кристаллические решетки переходных металлов являются более прочными, и эти металлы плавятся и кипят при более высоких температурах, чем щелочные и щелочно-земельные металлы. [12]
Металлическая связь осуществляется путем образования из внешних, относительно слабо связанных с ядром электронов отрицательно заряженного электронного газа, организующего положительно заряженные ионы в - плотную, но довольна пластичную кристаллическую решетку. Электроны легко перемещаются от атома к атому, обусловливая высокую электропроводность металла. Большинство металлов имеет одну из трех кристаллических решеток: гексагональную плотноупакованную, гранецентрированную кубическую или объ-емноцентрированную кубическую. Прочность металлической связи увеличивается с повышением концентрации электронного газа. [13]
В этом и состоит сущность металлической связи. Металлическая связь отличается от ковалентной связи тем, что в обобществлении принимают участие электроны всех атомов металла. Она будет гораздо сильнее в тех элементах, которые имеют больше одного наружного электрона и более высокий заряд ядра. В этом случае в электронном газе находится больше электронов и каждый электрон связан с ядром более прочно благодаря увеличенному его заряду. Действительно, прочность металлической связи возрастает в периоде системы элементов при переходе от металла к металлу слева направо. Так, в шестом периоде, например, температура плавления значительно повышается от цезия к лантану. [15]
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
Большинство металлов имеют общие свойства, которые отличны от свойств других простых или сложных веществ. Это такие свойства как:
- повышенные температуры плавления,
- значительные электро- и теплопроводность,
- способность отражать свет и
- способность прокатываться в листы
- характерный металлический блеск.
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.
металлическая связь
Такие особенности, как тепло- и электропроводность металлов связано с существованием свободно движущихся электронов в кристаллической решетке.
Особенности металлической связи
Отличие металлической связи от ковалентной
- Несмотря на то, что металлическая связь как и ковалентная связь образована посредством обобществления электронов, однако в металлической связи электроны принадлежат всему множеству ионов/атомов металлов, а в ковалентной только двум атомам неметаллов.
- Важное отличие металлической связи от ковалентной – это то, что здесь не существует направленности связи, т.к. электроны по кристаллу распределены почти равномерно.
- Прочность металлической связи также отличается: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии ковалентной связи.
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
- Если рассмотреть щелочные металлы, то наиболее активный среди них – цезий, легче всего будет отдавать свои валентные электроны, а труднее всего – рубидий, наименее активный среди щелочных металлов.
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.
- Чем больше валентных электронов имеет атом металла, тем более прочна его кристаллическая решетка, и тем выше его температуры кипения и плавления
Ниже приведена зависимость температуры плавления металлов от их положения в периодической таблице и числа валентных электронов.
зависимость температуры плавления металлов от положения в периодической таблице и от числа валентных электронов
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Природа металлической связи также электростатическая; обобществленные электроны могут находиться около двух или более положительных ядер одновременно. Атомы лития легко отдают свой валентный электрон в общее пользование, превращаясь в положительный ион с электронной конфигурацией гелия. Свободные электроны, благодаря наличию большого числа свободных орбиталей, могут перемещаться в кристалле таким образом, что взаимодействуют с ядрами двух атомов и более. В кристалле лития каждый атом окружен восемью ближайшими атомами. [1]
Природа металлической связи также электростатическая; обобществленные электроны могут находиться около двух или более положительных ядер одновременно. [2]
Природа металлической связи подобна ковалентной связи: оба типа свя - ii основаны на обобществлении валентных электронов. Однако в атомах металлов количество такю: - VICKфонов значительно меньше количества вакантных орошал н, поэтому они могут переходить из одном орбшали в друтм. [3]
Природа металлической связи подобна ковалентной связи: оба типа связи основаны на обобществлении валентных электронов. Однако в атомах металлов количество таких электронов значительно меньше количества вакантных орбиталей, поэтому они могут переходить из одной орбитали в другую. [5]
Каким образом природа металлической связи объясняет свойства металлов. [7]
Для объяснения природы металлической связи предположили [23], что внешние электроны металлов образуют резонирующие гибридные связи, однако флуктуирующие в произвольных направлениях гибридные орбитали не определяют ни числа, ни направленности связей, приводящих к конкретной структуре металлического кристалла. [8]
Рассмотрим более подробно природу металлической связи на примере кристалла лития. [9]
Ряд расчетов на основе современных представлений о природе металлической связи сделан для энергии активации само-диффузии меди. Опытное значение этой величины близко к 50 ккал / моль; между тем расчет для обменного механизма дал 240 ккал / моль, а для механизма движения по междоузлиям с последующим обменом с атомом, находящимся в узле, 250 ккал / моль. Наименьшее значение энергии активации при циклическом механизме отвечает кольцу, включающему четыре ато-мз я равно 30 ккал / моль. Таким образом, наиболее вероятным для гране-центрированных ( сравнительно плотноупа-кованных) решеток оказывается механизм вакансий. [10]
Повидимому, дальнейшее исследование этого явления могло бы пролить свет на природу металлической связи , где многое остается еще неясным. [11]
В настоящее время принято считать, что все основные свойства металлов определяются природой металлической связи . Но наиболее специфическим свойством металлов, качественно отличающим их от других веществ в конденсированном состоянии, является отрицательный температурный коэффициент электрической проводимости. Это означает, что металлы с р остом температуры уменьшают электрическую проводимость. А носителями электрического тока ( электронами проводимости) в металлах выступают как раз обобществленные электроны. [12]
В настоящее время принято считать, что все основные свойства металлов определяются природой металлической связи . Но наиболее специфическим свойством металлов, качественно отличающим их от других веществ в конденсированном состоянии, является отрицательный температурный коэффициент электрической проводимости. Это означает, что металлы с ростом температуры уменьшают электрическую проводимость. А носителями электрического тока в металлах как раз выступают обобществленные электроны. [13]
В соответствии с рассмотренными выше типами связи различают кристаллы: а) ионные, или полярные, б) ван-дер-ваальсовские, или молекулярные, в) атомные, или валентные ( гомеополярные) и г) металлы. Природа металлической связи , характерной для кристалла в целом, будет рассмотрена ниже. Особенно хорошо развита теория ионных и ван-дер-ваальсовских кристаллов. С другой стороны, электронная плотность ( волновая функция) валентных электронов свободных атомов изменяется при переходе к кристаллическому состоянию у металлов гомеополярных соединений так сильно, что это изменение уже нельзя рассматривать как малое возмущение. [14]
Читайте также: