Атомы металла образуют металлическую связь

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 483.

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 483.

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 (3S1) 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:

• кубическая объемно центрированная. В таком виде решетки атомы располагаются на вершине куба и один атом в центре объема куба. Такую решетку имеют следующие металлы: натрий, литий, барий, калий, свинец и многие другие.
• кубическая гранецентрированная. В таком виде решетки атомы располагаются в вершине куба и в центре каждой грани. Такой тип решетки имеют следующие металлы: церий, стронций, никель, серебро, золото, палладий, платина, медь и многие другие.

Рис. 3. Кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка.

• гексагональная. В таком виде решетки атомы располагаются в вершине и центрах шестигранной оснований призмы, а три атома находятся в средней плоскости этой призмы.

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.

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 483.

А какая ваша оценка?

Гость завершил

Тест «Мертвые души»с результатом 10/19

Гость завершил

Тест «Евгений Онегин»с результатом 10/16

Гость завершил

Тест «Горе от ума»с результатом 8/15

Гость завершил

Тест «Пиковая дама»с результатом 9/14

Гость завершил

Тест «Мастер и Маргарита»с результатом 9/16

Гость завершил

Тест на тему «Марко Поло»с результатом 10/10

Гость завершил

Тест «Толстый и тонкий»с результатом 8/8

Гость завершил

Тест «Ревизор»с результатом 17/17

Гость завершил

Тест «Биография Рылеева»с результатом 8/10

Не подошло? Напиши в х, чего не хватает!

Металлическая химическая связь — характеристика, способы образования и свойства

Время на чтение: 11 минут

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.

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:
• Me — ne⁻ ⇆ Me,
• 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:

1. K — e⁻ ⇆ K;
2. Cu — 2e⁻ ⇆ Cu;
3. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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 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. 

1. При деформации могут возникать области повышенной прочности и низкими пластическими свойствами, похожие на вещества с ковалентной связью (например, алмаз).
2. 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:

1. В узлах размещаются как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Каркас металлической решетки формируют исключительно катионы.
2. Узлы удерживаются за счет электростатического взаимодействия.
3. При низких температурах кристаллические вещества, образованные за счет ионного взаимодействия, проявляют свойства диэлектриков (не проводят ток).
4. 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 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:
• Fe0 -2e— = Fe2+

Куда направляются отделившиеся отрицательно заряженные частицы — электроны? Минус всегда притягивается к плюсу. Электроны притягиваются к другому иону (положительно заряженному) железа в кристаллической решетке:

1. 
2.  Fe2+ +2e— = Fe0
3. Ион становится нейтральным атомом.
4. 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.
• Физические свойства металлической химической связи:
• 

• теплопроводность (перенос теплоты частицами — в данном случае — электронами);
• электропроводность;
• все вещества — твердые (кроме некоторых щелочных металлов);
• высокие температуры плавления и кипения;
• характерный металлический блеск — он появляется за счет отражения лучей электронами; если металл растереть до порошкообразного состояния, металлический блеск пропадает — нет кристаллической решетки — нет свободно гуляющих электронов;
• высокая плотность вещества (кроме щелочных металлов);
• пластичность — это смещение слоев кристаллической решетки.

Обсуждение: «Металлическая химическая связь»

(Правила комментирования)

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.

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.

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.

• 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

Металлическая связь

Металлической называется многоцентровая связь, которая существует в металлах и их сплавах между положительно заряженными ионами и валентными электронами, которые являются общими для всех ионов и свободно передвигаются по кристаллу.

Атомы металлов имеют небольшое количество валентных электронов и низкую энергию ионизации.

 Эти электроны вследствие больших радиусов атомов металлов достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них и становиться общими для всего кристалла металла.

 В результате в кристаллической решетке металла возникают положительно заряженные ионы металла и электронный газ — совокупность подвижных электронов, которые свободно передвигаются по кристаллу металла .

В результате металл представляет собой ряд положительных ионов, локализованных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, которые сравнительно свободно передвигаются в поле положительных центров.

 Пространственное строение металлов — это кристалл, который можно представить как клетку с положительно заряженными ионами в узлах, погруженную в отрицательно заряженный электронный газ.

 Все атомы отдают свои валентные электроны на образование электронного газа, они свободно перемещаются внутри кристалла, не нарушая химической связи.

Теория о свободном перемещении электронов в кристаллической решетке металлов была экспериментально подтверждена опытом Толмена и Стюарта (в 1916г.): при резком торможении предварительно раскрученной катушки с намотанным проводом, свободные электроны продолжали некоторое время двигаться по инерции, и в это время амперметр, включенный в цепь катушки, регистрировал импульс электрического тока.

Разновидности моделей металлической связи

Признаками металлической связи являются такие характеристики :

1. Многоэлектронность, поскольку в образовании металлического связи участвуют все валентные электроны;
2. Многоцентровость, или делокализованность — связь соединяет одновременно большое количество атомов, содержащихся в кристалле металла;
3. Изотропность, или ненаправленность — благодаря беспрепятственному передвижению электронного газа одновременно во все стороны металлическая связь является сферически симметричным.

Металлические кристаллы образуют, в основном, три вида кристаллических решеток, однако некоторые металлы в зависимости от температуры могут иметь разные структуры.

Кристаллические решетки металлов: а) кубическая гранецентрированная (Cu, Au, Ag, Al); б) кубическая объемноцентрированная (Li, Na, Ba, Mo, W, V); в) гексагональная (Mg, Zn, Ti, Cd, Cr)

Металлическая связь существует в кристаллах и расплавах всех металлов и сплавов. В чистом виде она характерна для щелочных и щелочно-земельных металлов. У переходных d-металлов связь между атомами является частично ковалентной.

Металлическая связь вследствие наличия свободных электронов (электронного газа) и их равномерного распределения по кристаллу приводит к характерным общим свойствам металлов и сплавов, в частности, высокую тепло- и электропроводность, пластичность (т.е. способность без разрушения испытывать деформации при обычных или повышенных температурах), непрозрачность и металлический блеск, обусловленный их способностью отражать свет.

Металлическая связь

В результате электростатического притяжения меж­ду катионом и анионом образуется, молекула.

Ионная связь

Теорию ионной связи предложил в 1916г. немецкий ученый В. Коссель. Эта теория объясняет образование связей между атомами типичных металлов и атома­митипичных неметаллов:CsF, CsCl, NaCl, KF, KCl, Na2O и др.

Согласно этой теории, при образовании ионной связи атомы типичных металлов отдают электроны, а атомы типичных неметаллов принимают электроны.

В результате этих процессов атомы металлов превра­щаются в положительно заряженные частицы, которые называются положительными ионами или катионами; а атомы неметаллов превращаются в отрицательные ионы — анионы. Заряд катиона равен числу отданных электронов.

• Атомы металлов отдают электроны внешнего слоя, а образующиеся ионы имеют завершенные электронные структуры (предвнешнего электронного слоя).
• Величина отрицательного заряда аниона равна числу принятых электронов.
• Атомы неметаллов принимают такое количество элек­тронов, какое им необходимо для завершения электрон­ного октета (внешнего электронного слоя).

1. Например: общая схема образования молекулы NaCl из атомов Na и С1: Na°-le = Na+1 Образование ионов
2. Сl°+1е-= Сl-
3. Na+1 + Сl-= Nа+Сl —
4. Na°+ Сl°= Nа+Сl — Соединение ионов
5. · Связь между ионами называется ионной связью.
6. Соединения, которые состоят из ионов, называются ионными соединениями.
7. Алгебраическая сумма зарядов всех ионов в моле­куле ионного соединения должна быть равна нулю,потому что любая молекула является электронейтраль­ной частицей.

Резкой границы между ионной и ковалентнои связя­ми не существует. Ионную связь можно рассматривать как крайний случай полярной ковалентнои связи, при образовании которой общая электронная пара полнос­тьюсмещается к атому с большей электроотрицательно­стью.

Атомы большинства типичных металлов на внешнем электронном слое имеют небольшое число электронов (как правило, от 1 до 3); эти электроны называются валент­ными.

В атомах металлов прочность связи валентных электронов с ядром невысокая, то есть атомы обладают низкой энергией ионизации.

Это обусловливает легкость потери валентных электронов ч превращения атомов ме­талла в положительно заряженные ионы (катионы):

Ме° -nе ® Меn+

В кристаллической структуре металла валентные элек­троны обладают способностью легко перемещаться от од­ного атома к другому, что приводит к обобществлению электронов всеми соседними атомами.

Упрощенно строе­ние кристалла металла представляется следующим обра­зом: в узлах кристаллической решетки находятся ионы Меп+ и атомы Ме°, а между ними относительно свободно перемещаются валентные электроны, осуществляя связь между всеми атомами и ионами металла (рис. 3). Это осо­бый тип химической связи, называемой металлической.

· Металлическая связь — связь между атомами и ионами металлов в кристаллической решетке, осу­ществляемая обобществленными валентными электронами.

Благодаря этому типу химической связи металлы об­ладают определенным комплексом физических и хими­ческих свойств, отличающим их от неметаллов.

Прочность металлической связи обеспечивает устой­чивость кристаллической решетки и пластичность метал­лов (способность подвергаться разнообразной обработке без разрушения).

Свободное передвижение валентных электронов позволяет металлам хорошо проводить элект­рический ток и тепло. Способность отражать световые вол­ны (т.е.

металлический блеск) также объясняется строе­нием кристаллической решетки металла.

• Таким образом, наиболее характерными физическими свойствами металлов в зависимости от наличия металли­ческой связи являются:
• ■кристаллическая структура;
• ■металлический блеск и непрозрачность;
• ■пластичность, ковкость, плавкость;
• ■высокие электро- и теплопроводность; и склонность к образованию сплавов.

Типы химической связи

Темы кодификатора ЕГЭ: Ковалентная химическая связь, ее разновидности и механизмы образования. Характеристики ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь

Химические связи

Сначала рассмотрим связи, которые возникают между частицами внутри молекул. Такие связи называют внутримолекулярными.

Химическая связь между атомами химических элементов имеет электростатическую природу и образуется за счет взаимодействия внешних (валентных) электронов, в большей или меньшей степени удерживаемых положительно заряженными ядрами связываемых атомов.

Ключевое понятие здесь – ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ. Именно она определяет тип химической связи между атомами и свойства этой связи.

Электроотрицательность χ – это способность атома притягивать (удерживать) внешние (валентные) электроны. Электроотрицательность определяется степенью притяжения внешних электронов к ядру и зависит, преимущественно, от радиуса атома и заряда ядра.

Электроотрицательность сложно определить однозначно. Л.Полинг составил таблицу относительных электроотрицательностей (на основе энергий связей двухатомных молекул). Наиболее электроотрицательный элемент – фтор со значением 4.

Важно отметить, что в различных источниках можно встретить разные шкалы и таблицы значений электроотрицательности. Этого не стоит пугаться, поскольку при образовании химической связи играет роль разность электроотрицательностей атомов, а она примерно одинакова в любой системе.

Если один из атомов в химической связи  А:В сильнее притягивает электроны, то электронная пара смещается к нему. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, тем сильнее смещается электронная пара.

Если значения электроотрицательностей взаимодействующих атомов равны или примерно равны: ЭО(А)≈ЭО(В), то общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов: А : В. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Если электроотрицательности взаимодействующих атомов отличаются, но не сильно (разница электроотрицательностей примерно от 0,4 до 2: 0,4

1.3.1. Ковалентная химическая связь, ее разновидности и механизмы образования. Характеристики ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь

Крайне редко химические вещества состоят из отдельных, не связанных между собой атомов химических элементов. Таким строением в обычных условиях обладает лишь небольшой ряд газов называемых благородными: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон.

Чаще же всего химические вещества состоят не из разрозненных атомов, а из их объединений в различные группировки. Такие объединения атомов могут насчитывать несколько единиц, сотен, тысяч или даже больше атомов.

Сила, которая удерживает эти атомы в составе таких группировок, называется химическая связь.

Другими словами, можно сказать, что химической связью называют взаимодействие, которое обеспечивает связь отдельных атомов в более сложные структуры (молекулы, ионы, радикалы, кристаллы и др.).

• Причиной образования химической связи является то, что энергия более сложных структур меньше суммарной энергии отдельных, образующих ее атомов.
• Так, в частности, если при взаимодействии атомов X и Y образуется молекула XY, это означает, что внутренняя энергия молекул этого вещества ниже, чем внутренняя энергия отдельных атомов, из которых оно образовалось:
• E(XY) < E(X) + E(Y)
• По этой причине при образовании химических связей между отдельными атомами выделятся энергия.
• Упрощенно можно считать, что в основе химических связей лежат электростатические силы, обусловленные взаимодействиями положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
• В образовании химических связей элементов главных подгрупп принимают участие электроны внешнего электронного слоя с наименьшей энергией связи с ядром, называемые валентными. Например, у бора таковыми являются электроны 2 энергетического уровня – 2 электрона на 2s-орбитали и 1 на 2p-орбитали:

При образовании химической связи каждый атом стремится получить электронную конфигурацию атомов благородных газов, т.е. чтобы в его внешнем электронном слое было 8 электронов (2 для элементов первого периода). Это явление получило название правила октета.

Достижение атомами электронной конфигурации благородного газа возможно, если изначально одиночные атомы сделают часть своих валентных электронов общими для других атомов. При этом образуются общие электронные пары.

В зависимости от степени обобществления электронов можно выделить ковалентную, ионную и металлическую связи.

Ковалентная связь

Ковалентная связь возникает чаще всего между атомами элементов неметаллов. Если атомы неметаллов, образующие ковалентную связь, относятся к разным химическим элементам, такую связь называют ковалентной полярной.

Причина такого названия кроется в том, что атомы разных элементов имеют и различную способность притягивать к себе общую электронную пару. Очевидно, что это приводит к смещению общей электронной пары в сторону одного из атомов, в результате чего на нем формируется частичный отрицательный заряд.

В свою очередь, на другом атоме формируется частичный положительный заряд. Например, в молекуле хлороводорода электронная пара смещена от  атома водорода к атому хлора:

Примеры веществ с ковалентной полярной связью:

СCl4, H2S, CO2, NH3, SiO2 и т.д.

Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметаллов одного химического элемента. Поскольку атомы идентичны, одинакова и их способность оттягивать на себя общие электроны. В связи с этим смещения электронной пары не наблюдается:

Вышеописанный механизм образования ковалентной связи, когда оба атома предоставляют электроны для образования общих электронных пар, называется обменным.

Также существует и донорно-акцепторный механизм.

При образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму общая электронная пара образуется за счет заполненной орбитали одного атома (с двумя электронами) и пустой орбитали другого атома.

Атом, предоставляющий неподеленную электронную пару, называют донором, а атом со свободной орбиталью – акцептором.

В качестве доноров электронных пар выступают атомы, имеющие спаренные электроны, например N, O, P, S.

Например, по донорно-акцепторному механизму происходит образование четвертой ковалентной связи N-H в катионе аммония NH4+:

Помимо полярности ковалентные связи также характеризуются энергией. Энергией связи называют минимальную энергию, необходимую для разрыва связи между атомами.

Энергия связи уменьшается с ростом радиусов связываемых атомов. Так, как мы знаем, атомные радиусы увеличиваются вниз по подгруппам, можно, например, сделать вывод о том, что прочность связи галоген-водород увеличивается в ряду:

HI < HBr < HCl < HF

Также энергия связи зависит от ее кратности – чем больше кратность связи, тем больше ее энергия. Под кратностью связи понимается количество общих электронных пар между двумя атомами.

Ионная связь

Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи.

Если в ковалентной-полярной связи общая электронная пара смещена частично к одному из пары атомов, то в ионной она практически полностью «отдана» одному из атомов.

Атом, отдавший электрон(ы), приобретает положительный заряд и становится катионом, а атом, забравший у него электроны, приобретает отрицательный заряд и становится анионом.

1. Таким образом, ионная связь — это связь, образованная за счет электростатического притяжения катионов к анионам.
2. Образование такого типа связи характерно при взаимодействии атомов типичных металлов и типичных неметаллов.
3. Например, фторид калия. Катион калия получается в результате отрыва от нейтрального атома одного электрона, а ион фтора образуется при присоединении к атому фтора одного электрона:

• Между получившимися ионами возникает сила электростатического притяжения, в результате чего образуется ионное соединение.
• При образовании химической связи электроны от атома натрия перешли к атому хлора и образовались противоположно заряженные ионы, которые имеют завершенный внешний энергетический уровень.
• Установлено, что электроны от атома металла не отрываются полностью, а лишь смещаются в сторону атома хлора, как в ковалентной связи.

Большинство бинарных соединений, которые содержат атомы металлов, являются ионными. Например, оксиды, галогениды, сульфиды, нитриды.

Ионная связь возникает также между простыми катионами и простыми анионами (F−, Cl−, S2-), а также между простыми катионами и сложными анионами (NO3−, SO42-, PO43-, OH−). Поэтому к ионным соединениям относят соли и основания (Na2SO4, Cu(NO3)2, (NH4)2SO4), Ca(OH)2, NaOH).

Металлическая связь

Данный тип связи образуется в металлах.

У атомов всех металлов на внешнем электронном слое присутствуют электроны, имеющие низкую энергию связи с ядром атома. Для большинства металлов, энергетически выгодным является процесс потери внешних электронов.

Ввиду такого слабого взаимодействия с ядром эти электроны в металлах весьма подвижны и в каждом кристалле металла непрерывно происходит следующий процесс:

М0 — ne− = Mn+ , где М0 – нейтральный атом металла, а Mn+ катион этого же металла. На рисунке ниже представлена иллюстрация происходящих процессов.

То есть по кристаллу металла «носятся» электроны, отсоединяясь от одного атома металла, образуя из него катион, присоединяясь к другому катиону, образуя нейтральный атом.

Такое явление получило название “электронный ветер”, а совокупность свободных электронов в кристалле атома неметалла назвали “электронный газ”.

Подобный тип взаимодействия между атомами металлов назвали металлической связью.

Водородная связь

Если атом водорода в каком-либо веществе связан с элементом с высокой электроотрицательностью (азотом, кислородом или фтором),   для такого вещества характерно такое явление, как водородная связь.

Поскольку атом водорода связан с электроотрицательным атомом, на атоме водорода образуется частичный положительный заряд, а на атоме электроотрицательного элемента — частичный отрицательный.

В связи с этим становится возможным электростатическое притяжения между частично положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой.

Например водородная связь наблюдается для молекул воды:

Именно водородной связью объясняется аномально высокая температура плавления воды. Кроме воды, также прочные водородные связи образуются в таких веществах, как фтороводород, аммиак, кислородсодержащие кислоты, фенолы, спирты, амины.

Металлическая связь | это… Что такое Металлическая связь?

Металлическая связь — это одновременное существование положительно заряженных атомов и свободного электронного газа.

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.

Поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8).

Рис.1.Расположение ионов в кристалле щелочного металла

Рис.2.Связывающее звено кристаллической решётки щелочного металла

Так, щелочные металлы кристаллизуются в кубической объёмно-центрированной решётке, и каждый положительно заряженный ион щелочного металла имеет в кристалле по восемь ближайших соседей – положительно заряженных ионов щелочного металла (рис.1).

Кулоновское отталкивание одноимённо-заряженных частиц (ионов) компенсируется электростатическим притяжением к электронам связывающих звеньев, имеющих форму искажённого сплющенного октаэдра – квадратной бипирамиды, высота которой и рёбра базиса равны величине постоянной трансляционной решётке aw кристалла щелочного металла (рис.2).

Связывающие электроны становятся общими для системы из шести положительных ионов щелочных металлов и удерживают последние от кулоновского отталкивания.

Величина постоянной трансляцонной решётки aw кристалла щелочного металла значительно превышает длину ковалентной связи молекулы щелочного металла, поэтому принято считать, что электроны в металле находятся в свободном состоянии:

Щёлочный металл
Li
Na
K
Rb
Cs
Постоянная решётка aw,Å [1] Длина ковалентной связи, Me2, Å [2]

3,5021	4,2820	5,247	5,69	6,084
2,67	3,08	3,92	4,10	4,30

Математическое построение, связанное со свойствами свободных электронов в металле, обычно отождествляют с «поверхностью Ферми», которую следует рассматривать как геометрическое место, где пребывают электроны, обеспечивая основное свойство металла – проводить электрический ток[3].

Таким образом, электрический ток в металлах – это движение сорванных с орбитального радиуса электронов в поле положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки металла.

Выход и вход свободных электронов в связывающее звено кристалла осуществляется через точки «0», равноудалённые от положительных ионов атомов (рис.2).

Свободное движение электронов в металле подтверждено в 1916 году опытом Толмена и Стюарта по резкому торможению быстро вращающейся катушки с проводом – свободные электроны продолжали двигаться по инерции, в результате чего гальванометр регистрировал импульс электрического тока. Свободное движение электронов в металле обусловливает высокую теплопроводность металла и склонность металлов к термоэлектронной эмиссии, происходящей при умеренной температуре.

Колебания ионов кристаллической решётки создаёт сопротивление движению электронов по металлу, сопровождающееся разогревом металла.

В настоящее время важнейшим признаком металлов считается отрицательный температурный коэффициент электрической проводимости, то есть понижение проводимости с ростом температуры.

С понижением температуры электросопротивление металлов уменьшается, вследствие уменьшения колебаний ионов в кристаллической решётке. В процессе исследования свойств материи при низких температурах Камерлинг-Оннес открывает явление сверхпроводимости.

В 1911 году ему удаётся обнаружить уменьшение электросопротивления ртути при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К) до нуля. В 1913 году Камерлинг-Оннесу присуждается Нобелевская премия по физике со следующей формулировкой: «За исследование свойств веществ при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия.»

Однако теория сверхпроводимости была создана позднее.

В её основе лежит концепция куперовской электронной пары – коррелированного состояния связывающих электронов с противоположными спинамии и импульсами, и, следовательно, сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа, состоящего из куперовских пар электронов, через ионную кристаллическую решётку. В 1972 году авторам теории БКШ – Бардину, Куперу и Шрифферу присуждена Нобелевская премия по физике “За создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией».

Характерные кристаллические решётки

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решёток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объемно 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.

Примечания

1. ↑ Справочник химика. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.-М.: ГНТИ Химической литературы, 1962. — Т. 1. — С. 402-513. — 1072 с.
2. ↑ Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Справочник по неорганической химии. Константы неорганических веществ.. — М.: «Химия», 1987. — С. 132-136. — 320 с.
3. ↑ Зиман Дж. Электроны в металлах (введение в теорию поверхностей Ферми). Успехи физических наук.. — 1962. — Т. 78, вып.2. — 291 с.

• Ковалентная связь
• Ионная связь