§ 53. Металлическая связь

Определения и обозначения

Металлическая связь — связь между атомами металла, возникающая благодаря притяжению положительно заряженных ионов и общих для всего кристалла электронов. Ионы — это частицы с электрическим зарядом, который появляется, когда атом отдаёт или принимает электроны. Такое определение помогает понять, что металл удерживает вместе не отдельная пара атомов, а взаимодействие частиц во всём кристалле.

Электронный газ — общее название электронов, которые в металле не принадлежат одному определённому атому и могут перемещаться по кристаллу. Это не настоящий газ и не отдельное вещество: электроны остаются внутри металла и притягиваются к положительным ионам. Термин нужен, чтобы описать их общность и подвижность.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц металла, в узлах которого находятся положительные ионы, а между ними движутся общие электроны. Узлы — это определённые места в упорядоченном строении кристалла. Представление о решётке помогает различать расположение ионов и движение электронов.

Как это устроено

У каждого атома металла есть внешние электроны, расположенные дальше от ядра, чем внутренние. Ядро и внутренние электроны удерживают их сравнительно слабо, поэтому при сближении множества атомов внешние электроны могут перестать принадлежать только одному атому. Они становятся общими для большого числа частиц и распространяются по всему кристаллу. Поэтому металлическую связь нельзя представить лишь как взаимодействие двух соседних атомов.

Когда атомы металла отдают внешние электроны в общее пользование, каждый из них превращается в положительный ион. Причина появления положительного заряда проста: отрицательно заряженных электронов у частицы становится меньше, чем положительных зарядов в её ядре. Ионы не разлетаются беспорядочно, а занимают упорядоченные места — узлы кристаллической решётки. Такое расположение создаёт основу для устойчивого строения металла.

Между положительными ионами находятся общие электроны, которые притягиваются к каждому из них. Именно это взаимное притяжение удерживает частицы вместе и образует металлическую связь. Электроны при этом не стоят неподвижно между одной парой ионов, а могут перемещаться по всему кристаллу. Поэтому связь охватывает металл в целом и сохраняется даже при перемещении электронов.

Подвижность электронов объясняет электропроводность металлов. Если к металлу подключить источник тока, электрическое поле заставит часть общих электронов двигаться преимущественно в одном направлении. Их направленное движение и есть электрический ток; ионы в узлах решётки не перемещаются вдоль провода, как поток частиц. Без подвижных носителей заряда металл не мог бы проводить ток таким способом.

Тепло в металле передаётся от более нагретых участков к менее нагретым, в том числе благодаря подвижным электронам, которые переносят энергию по кристаллу. Пластичность связана с тем, что при нажатии или раскатывании слои ионов могут сдвигаться относительно друг друга. Общие электроны продолжают притягиваться к ионам и помогают сохранить связь при таком смещении. Поэтому металл способен менять форму без немедленного разрушения кристалла.

Металлическая связь и свойства металлов

Сопоставляйте устройство кристалла со свойством: сначала определите, какие частицы участвуют в явлении, затем найдите связь с их расположением или движением. Таблица показывает основные соответствия. Так проще объяснить свойства через строение, а не просто заучить их названия.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Укажите, какие частицы находятся в узлах кристаллической решётки металла и какие частицы расположены между ними. Чтобы ответить, нужно различить упорядоченное расположение частиц и подвижные частицы между ними. Не следует называть все частицы атомами: при образовании металлической связи внешние электроны становятся общими.

1. Вспомним, что атомы металла отдают внешние электроны в общее пользование.
2. После отдачи электронов атомы превращаются в положительно заряженные ионы.
3. Определим, что в модели металлической решётки ионы находятся в узлах, а общие электроны располагаются между ними.

Ответ. В узлах решётки находятся положительные ионы металла, а между ними — общие подвижные электроны.

Задача 2

Условие. Объясните, почему металлический провод проводит электрический ток. В ответе важно назвать частицы, которые перемещаются, и причину их движения. Одного утверждения «металлы проводят ток» недостаточно: нужно связать свойство с устройством металла.

1. Найдём подвижные заряженные частицы: ими являются общие электроны, а не ионы в узлах решётки.
2. Учтём, что при подключении провода электрическое поле действует на электроны и направляет их движение.
3. Свяжем направленное движение электронов с электрическим током.

Ответ. Металлический провод проводит ток, потому что его общие электроны могут перемещаться по кристаллу и под действием электрического поля движутся направленно.

Задача 3

Условие. Металлический лист можно раскатать в тонкую пластинку, не разрушив его. Объясните это, используя представление о строении металла. Здесь нужно учесть, что при раскатывании меняется взаимное положение частиц, но металл сохраняет целостность. Значит, следует проследить, что происходит со слоями решётки и общей электронной средой.

1. При действии силы слои положительных ионов смещаются относительно друг друга.
2. Проверим, что происходит с общими электронами: они не закреплены за отдельной парой ионов, поэтому могут перемещаться вместе с изменяющейся структурой.
3. Ионы по-прежнему притягиваются к общим электронам, поэтому металлическая связь сохраняется при смещении слоёв.

Ответ. Лист можно раскатать, потому что слои ионов смещаются, а притяжение общих электронов помогает сохранить связь между частицами металла.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что металлическая связь возникает только между соседними атомами. Такое представление появляется, если переносить на металл модель отдельной пары связанных частиц. В действительности общие электроны взаимодействуют со многими ионами во всём кристалле. Проверь себя: если объяснение охватывает только два атома, в нём упущена общность электронов.

Ошибка: представлять электронный газ как отдельное вещество или скопление электронов вне кристалла. Слово «газ» может навести на такую мысль, но здесь это название подвижных общих электронов внутри металла. Они притягиваются к положительным ионам. Проверь себя: электроны должны быть описаны как часть строения кристалла, а не как вещество рядом с ним.

Ошибка: называть частицы в узлах металлической решётки нейтральными атомами. Так можно ошибиться, если забыть, что атомы отдали внешние электроны. В упрощённой модели в узлах находятся положительные ионы. Проверь себя: сопоставь число электронов с зарядом частицы — после отдачи отрицательно заряженных электронов она становится положительной.

Ошибка: объяснять электропроводность перемещением ионов. Возможно, причина ошибки в том, что именно ионы заметны в схеме решётки, но в проводнике они занимают узлы. Ток в металле связан с направленным движением электронов. Проверь себя: назови подвижные частицы и убедись, что не приписываешь ионам перемещение вдоль провода.

Связь с другими темами

Для понимания металлической связи нужно вспомнить строение атома и роль внешних электронов. Именно внешние электроны могут становиться общими, когда сближаются атомы металла. Без этого знания трудно объяснить появление положительных ионов и электронов, участвующих в связи.

Также нужно различать атомы, ионы и кристаллическую решётку. Понятие химической связи помогает сравнить металлическую связь с ионной и ковалентной: в металле электроны общие для многих ионов, а не только для одной пары частиц. Такое сравнение помогает точнее описывать строение разных веществ.

Представление о металлической связи пригодится, когда нужно объяснить свойства металлов и их сплавов. Свойства можно связывать с тем, какие частицы входят в строение вещества и как они перемещаются. Так строение становится ключом к пониманию поведения материала.

Что запомнить

• Металлическая связь характерна для металлов.
• В узлах металлической решётки находятся положительные ионы.
• Внешние электроны в металле являются общими для множества ионов.
• Общие подвижные электроны называют электронным газом.
• Притяжение ионов и общих электронов удерживает кристалл металла.
• Подвижность электронов объясняет электропроводность металлов.