§ 5. Металлическая химическая связь

Определения и обозначения

Металлическая химическая связь — связь между положительно заряженными частицами металла и обобществлёнными электронами, которые притягиваются друг к другу. Она удерживает частицы в едином кристалле. Это определение помогает связать строение металла с его свойствами.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом металле, где в узлах находятся положительные ионы или атомные остовы. Между узлами располагаются общие электроны. Понятие решётки нужно, чтобы описывать порядок частиц в кристалле.

Обобществлённые электроны — валентные электроны, принадлежащие не отдельным атомам, а всему кристаллу металла. Они могут перемещаться между положительными узлами. Именно их общность отличает металлическую связь от локализованной ковалентной.

Электронный газ — образное название совокупности подвижных обобществлённых электронов в металлической решётке. Это не газ вне кристалла, а электронное облако внутри металла. Термин подчёркивает способность электронов свободно перемещаться по всему объёму.

Как это устроено

При сближении атомов металла их валентные электроны сравнительно легко отделяются от отдельных атомов и становятся общими для всего кристалла. Это происходит потому, что валентные электроны удалены от ядра и удерживаются им слабее, чем внутренние. Поэтому при образовании большого числа соседних атомов электроны начинают принадлежать не одной, а всей системе частиц.

Атомные остовы, потерявшие часть валентных электронов, образуют положительно заряженные узлы решётки, а между ними перемещаются обобществлённые электроны. Положительный заряд возникает из-за преобладания числа протонов над оставшимися электронами. Электронное облако распределяется между узлами, поэтому не даёт отдельным остовам разойтись.

Металлическая связь возникает благодаря электростатическому притяжению между положительными узлами решётки и общим электронным облаком. Положительные частицы притягивают электроны, а электроны одновременно удерживают множество соседних остовов. В результате вся решётка приобретает устойчивое состояние с меньшей энергией.

Металлическая связь не имеет строго заданного направления и не насыщается связями с определённым числом соседей. Общее электронное облако окружает положительные частицы со всех сторон, поэтому связь не привязана к одной паре атомов. При смещении слоёв соседние частицы могут измениться, но притяжение к электронам сохраняется.

Подвижность электронов объясняет электрическую и тепловую проводимость металлов. Электрическое поле направляет движение электронов, а при нагревании электроны быстро передают энергию между участками кристалла. Возможность смещения слоёв без разрушения связи объясняет ковкость и пластичность металлов.

Строение и свойства металлов, обусловленные металлической связью

Таблица показывает, как отдельные элементы строения связаны с наблюдаемыми свойствами металлов. При чтении двигайтесь от частицы или особенности связи к её проявлению. Так легче не заучивать свойства раздельно, а выводить их из единой модели.

Разбор задач

Задача 1

Укажите, какие частицы образуют металлическую связь в кристалле натрия. Нужно определить не просто состав кристалла, а именно частицы, между которыми действует притяжение. Для этого разделим модель металла на узлы решётки и пространство между ними.

1. Атом натрия имеет один валентный электрон, который сравнительно легко отделяется от атома.
2. После отделения электрона остаётся положительный атомный остов, поэтому в узлах решётки находятся положительные частицы.
3. Отделившиеся электроны не закреплены за одним остовом и становятся общими для всего кристалла.

Следовательно, металлическую связь в натрии образуют положительные атомные остовы в узлах решётки и общие подвижные электроны. Нельзя называть её связью только между положительными частицами. Устойчивость кристалла возникает именно из-за их притяжения к электронному облаку.

Задача 2

Объясните, почему твёрдый медный проводник проводит электрический ток. Вопрос требует связать наблюдаемое свойство с частицами, способными перемещаться. Проверим, какие частицы меди могут реагировать на внешнее электрическое поле.

1. В кристалле меди положительные атомные остовы занимают узлы и не могут свободно перемещаться по всему проводнику.
2. Валентные электроны обобществлены и находятся внутри кристалла, поэтому они подвижны.
3. Под действием электрического поля их беспорядочное движение получает направленную составляющую.

Направленное движение обобществлённых электронов создаёт электрический ток. Положительные остовы при этом остаются около узлов решётки и не переносят заряд через весь проводник. Поэтому проводимость меди объясняется именно подвижностью электронов.

Задача 3

Металлическую пластинку можно раскатать в тонкий лист, не разрушив её на отдельные кристаллические частицы. Нужно объяснить, почему изменение формы не прекращает действие металлической связи. Для этого рассмотрим, что происходит со слоями решётки при давлении валков.

1. При прокатке слои положительных атомных остовов смещаются относительно друг друга.
2. Из-за смещения некоторые остовы получают новых соседей, однако общее электронное облако остаётся между положительными частицами.
3. Металлическая связь ненаправленна и не требует сохранения прежних пар соседей, поэтому притяжение продолжается.

Пластинка вытягивается и утончается, но не распадается на отдельные частицы. Это свойство называют пластичностью, а способность изменять форму под действием удара — ковкостью. Их причина состоит в сохранении связи при перемещении слоёв, а не в постоянном разрыве и образовании новых связей.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что металлическую связь образуют только положительные ионы. Так допускают, потому что видят положительные частицы в узлах решётки и забывают о второй части модели. Проверка: всегда называйте и положительные остовы, и обобществлённые электроны.

Ошибка: представлять электронный газ как газ свободных частиц вне кристалла. Такое сравнение возникает из-за слова «газ», но электроны остаются внутри металла и движутся между узлами. Проверка: мысленно поместите электронное облако в объём решётки, а не за её пределы.

Ошибка: считать валентные электроны принадлежащими только одному атому. Это смешивает металлическую связь с моделью локализованной связи. Проверка: спросите себя, могут ли электроны перемещаться по всему кристаллу; для металла ответ положительный.

Ошибка: объяснять ковкость разрушением и последующим образованием отдельных связей. Такое объяснение противоречит ненаправленности металлической связи. Проверка: при смещении слоёв ищите сохранение притяжения к общим электронам, а не полное разрушение решётки.

Связь с другими темами

Для понимания металлической связи нужны знания о строении атома, валентных электронах и электростатическом притяжении. Эти понятия объясняют, почему электроны отделяются от отдельных атомов и удерживают положительные остовы. Далее металлическую связь можно сравнивать с ионной и ковалентной, а её модель применять для объяснения свойств металлов и сплавов.

Что запомнить

• Металлическая связь характерна для металлов и многих сплавов.
• В узлах металлической решётки находятся положительные атомные остовы.
• Валентные электроны в металле обобществлены и подвижны.
• Металлическая связь обусловлена притяжением положительных узлов решётки к общим электронам.
• Металлическая связь ненаправленная и ненасыщаемая.
• Подвижность электронов объясняет электрическую и тепловую проводимость металлов.
• Сохранение связи при смещении слоёв объясняет ковкость и пластичность металлов.