§ 8. Металлическая связь. Водородная связь

Определения и обозначения

Металлическая связь — связь между частицами металла, обусловленная притяжением положительных ионов и обобществлённых электронов. Ионы — это атомы, потерявшие часть электронов и получившие положительный заряд. Такая модель помогает понять, почему металлический кристалл остаётся целым, хотя электроны в нём не закреплены за отдельными атомами.

Электронный газ — совокупность подвижных электронов, общих для множества атомов в металлическом кристалле. Слово «газ» здесь обозначает модель движения частиц, а не отдельное газообразное вещество. Это понятие нужно, чтобы объяснить перенос заряда и энергии внутри металла.

Водородная связь — взаимодействие атома водорода, уже связанного с сильно электроотрицательным атомом, с другим электроотрицательным атомом. Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электроны в химической связи. Понятие помогает объяснить притяжение частиц, которое не сводится к обычной ковалентной связи.

Межмолекулярная водородная связь — водородная связь между отдельными молекулами. В отличие от неё, внутримолекулярная связь возникает между частями одной сложной частицы. Различие нужно учитывать, когда мы объясняем, как молекулы объединяются друг с другом или как устроена отдельная молекула.

Как это устроено

При образовании металлического кристалла валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня — перестают быть связанными только с отдельными атомами. Атомы отдают их в общее пользование кристалла и превращаются в положительные ионы. Поэтому вместо отдельных пар «атом — электрон» возникает система ионов и общих подвижных электронов. Обобществление электронов и позволяет металлической связи охватывать сразу множество частиц.

Положительные ионы удерживаются в кристалле притяжением к электронному газу. Электроны способны перемещаться между ионами, поэтому при подключении источника напряжения они переносят заряд через металл. Та же подвижность помогает быстро передавать энергию от нагретых участков к более холодным. Так объясняются электропроводность и теплопроводность металлов, а не только их наличие в качестве наблюдаемых свойств.

Металлическая связь не направлена строго от одного иона к конкретному соседу: каждый положительный ион притягивается к общим электронам. Поэтому при механическом воздействии слои ионов могут смещаться, а электронный газ продолжает притягивать их и удерживать кристалл. Если бы связь требовала неизменного расположения каждой пары частиц, сдвиг легко разрушал бы структуру. Сохранение притяжения при смещении связано с пластичностью металлов — способностью менять форму без немедленного разрушения.

Водородная связь возникает, когда водород уже связан с сильно электроотрицательным атомом, например кислородом, азотом или фтором. Такой атом притягивает электронную плотность к себе, поэтому у водорода возникает частичный положительный заряд. Он может притягиваться к неподелённой электронной паре другого электроотрицательного атома. Следовательно, водородная связь не заменяет связь водорода с первым атомом, а добавляет притяжение между участками частиц.

Если притягивающиеся участки принадлежат разным молекулам, связь называют межмолекулярной; если одной молекуле — внутримолекулярной. Межмолекулярное притяжение способствует объединению молекул и влияет на свойства вещества. Например, молекулы воды удерживаются друг возле друга водородными связями. При кипении их нужно преодолеть, поэтому для перехода воды в пар требуется значительная энергия, а температура кипения выше, чем можно было бы ожидать только по молекулярной массе.

Сравнение металлической и водородной связей

Сначала определите, какие именно частицы или участки частиц взаимодействуют, а затем сопоставьте их с причиной притяжения. Последние две строки помогают перейти от строения к наблюдаемым свойствам вещества. Помните, что водородная связь может действовать и внутри одной молекулы, а металлическая охватывает весь кристалл.

Разбор задач

Кристалл меди

Условие. Определите, какой тип связи удерживает кристалл меди, и назовите частицы, между которыми она возникает. Решение:

1. Медь — металл, а её кристалл построен из положительных ионов и общих для кристалла валентных электронов.
2. Сопоставим это строение с определением: притяжение ионов к обобществлённым электронам и есть металлическая связь.
3. Назовём взаимодействующие частицы полностью: положительные ионы меди и подвижные электроны, а не только соседние атомы.

Ответ. Кристалл меди удерживает металлическая связь между положительными ионами меди и обобществлёнными электронами.

Проводимость меди и сахара

Условие. Почему медь проводит электрический ток, а твёрдый сахар — нет? Решение:

1. В меди валентные электроны обобществлены и могут перемещаться по кристаллу.
2. Электрическое поле направляет движение этих электронов, поэтому они переносят заряд и возникает ток.
3. Твёрдый сахар — молекулярное вещество: его частицы представлены молекулами, а свободных подвижных электронов, подобных электронному газу в металле, нет. Поэтому в обычном твёрдом сахаре нет таких носителей заряда.

Ответ. Медь проводит ток благодаря подвижным электронам, а в твёрдом сахаре таких носителей заряда нет.

Температура кипения воды

Условие. У воды температура кипения выше, чем можно ожидать по сравнению с веществами сходной молекулярной массы. Объясните различие. Решение:

1. При кипении молекулы воды должны удалиться друг от друга и перейти в газообразное состояние.
2. Молекулы притягиваются межмолекулярными водородными связями, поэтому их разделение требует дополнительной энергии.
3. Это притяжение нужно преодолеть, хотя сами молекулы при кипении не разрушаются на атомы. Значит, для перехода воды в пар нужна более высокая температура, чем можно было бы предположить только по молекулярной массе.

Ответ. Повышенную температуру кипения воды объясняют межмолекулярные водородные связи между её молекулами.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что металлическая связь — это притяжение только между соседними атомами. Так можно подумать, представляя кристалл как ряд отдельных пар, но валентные электроны в металле обобществлены. В результате каждый ион взаимодействует с общими электронами кристалла. Для самопроверки спросите себя, принадлежат ли эти электроны одной выбранной паре атомов: если нет, следует говорить о металлической связи.

Электронный газ не является отдельной жидкостью внутри металла. Такое представление возникает из-за слова «газ» и образного описания подвижности электронов. На деле это модель совокупности обобществлённых электронов, движущихся в кристалле. Проверьте себя: если в объяснении электроны отделены от металлической структуры как самостоятельный слой вещества, модель понята неверно.

Водородную связь нельзя называть обычной ковалентной связью между двумя атомами водорода. Ошибка появляется, если ориентироваться только на слово «водородная», не учитывая участвующие частицы. В действительности водород уже связан с одним электроотрицательным атомом и притягивается к другому электроотрицательному атому. Чтобы проверить ответ, укажите оба электроотрицательных атома и роль водорода между ними.

Неверно утверждать, что водородная связь всегда возникает только между молекулами. Обычно при разборе свойств воды вспоминают межмолекулярные связи и забывают о связи внутри одной частицы. Однако притягивающиеся участки могут принадлежать одной молекуле, тогда связь будет внутримолекулярной. Самопроверка проста: выясните, относятся ли оба участка к разным молекулам или к одной.

Связь с другими темами

Чтобы понять металлическую связь, нужно знать строение атома и роль валентных электронов; представления о ковалентной связи помогают отличать её от взаимодействия общих электронов всего металлического кристалла. Понятие кристаллической решётки связывает строение металлов и молекулярных веществ с их свойствами. Эти знания пригодятся при объяснении физических свойств веществ и межмолекулярных взаимодействий. В биологии водородные связи важны для рассмотрения строения белков.

Что запомнить

• Металлическая связь связывает положительные ионы металла с общими подвижными электронами.
• Подвижность электронов в металлах объясняет их электропроводность и теплопроводность.
• Металлическая связь не имеет строго заданного направления.
• Водородная связь возникает при участии атома водорода, связанного с электроотрицательным атомом.
• Водородная связь слабее ковалентной, но заметно влияет на свойства веществ.
• Водородные связи могут соединять молекулы или возникать внутри одной молекулы.