§ 53. Металлическая связь

Определения и обозначения

Металлическая связь — связь между положительными ионами металла и общими делокализованными электронами. Она объясняет, почему частицы металла удерживаются вместе, хотя электроны не закреплены за отдельными атомами.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение положительных ионов металла в узлах решётки. Это понятие помогает представить внутреннее строение твёрдого металла: ионы занимают определённые места, а электроны находятся между ними.

Электронный газ — совокупность свободно перемещающихся валентных электронов в металле. Слово «газ» здесь не означает обычное газообразное состояние: оно подчёркивает, что электроны подвижны и не привязаны к одному узлу.

Делокализованные электроны — электроны, принадлежащие не отдельному атому, а всей кристаллической решётке. Благодаря этому они могут перемещаться по металлу и участвуют в удержании множества ионов.

Как это устроено

У атомов металлов внешние, или валентные, электроны обычно удерживаются сравнительно слабо. Поэтому при образовании металлического кристалла такие электроны могут отделиться от отдельных атомов и стать общими для множества частиц. Атомы, потерявшие часть электронов, превращаются в положительные ионы, но вещество в целом остаётся электрически нейтральным.

В твёрдом металле положительные ионы располагаются в определённом порядке — в узлах кристаллической решётки. Между ними движутся делокализованные электроны, образуя электронный газ. Это не означает, что ионы неподвижны совсем: они колеблются около своих мест, но сохраняют общий порядок расположения.

Ионы и электроны имеют противоположные заряды, поэтому притягиваются. Это электростатическое притяжение связывает частицы в единое целое и называется металлической связью. Поскольку общие электроны взаимодействуют сразу со множеством ионов, связь не ограничивается парой соседних атомов.

Металлическая связь ненаправленная: у неё нет строго заданного направления от одного конкретного иона к другому. Поэтому при воздействии на металл слои ионов могут сдвинуться относительно соседних слоёв. Электронный газ при этом продолжает притягиваться к положительным ионам и помогает сохранить целостность вещества.

Подвижность электронов позволяет им переносить электрический заряд, поэтому металлы проводят ток. Те же электроны помогают быстро передавать энергию от нагретых участков к более холодным — так объясняется теплопроводность. Возможность смещения слоёв без разрушения решётки объясняет ковкость и пластичность: металл можно раскатывать, ковать и вытягивать в проволоку.

Строение металлической связи и свойства металлов

В таблице показано, как строение металла связано с его свойствами. Чтобы объяснить свойство, сначала найдите его в первом столбце, а затем проследите связь между проявлением и причиной. Например, способность проводить ток связана с подвижностью электронов, а не с перемещением ионов.

Разбор задач

Задача 1. Определите тип химической связи в простых веществах натрии, магнии и меди и назовите частицы, образующие связь.

1. Натрий, магний и медь — простые вещества, образованные металлами. Значит, рассматриваем строение металлического вещества, а не соединения разных элементов.
2. Для металлов характерна металлическая связь. В её образовании участвуют положительные ионы металла и общие делокализованные электроны.
3. Для каждого из трёх веществ ответ одинаков по типу связи: различаются сами ионы, но принцип их взаимодействия с общими электронами тот же.

Ответ: в натрии, магнии и меди — металлическая связь; её образуют положительные ионы металла и общие электроны.

Задача 2. Объясните, почему медь проводит электрический ток и в твёрдом состоянии, и в расплаве.

1. В твёрдой меди положительные ионы упорядочены в решётке, а делокализованные электроны могут перемещаться между ними. При воздействии электрического поля электроны начинают двигаться направленно и переносят заряд.
2. При плавлении порядок расположения ионов нарушается, но электроны не становятся закреплёнными за отдельными частицами. Они остаются подвижными и в жидком металле.
3. Следовательно, носителями тока в обоих состояниях служат свободные электроны. Перестройка расположения ионов не лишает их этой способности.

Ответ: медь проводит ток в твёрдом и жидком состоянии благодаря подвижным делокализованным электронам.

Задача 3. Объясните, почему металлическую пластинку можно согнуть, не разрушив вещество, а кристалл хлорида натрия при ударе раскалывается.

1. В металлической пластинке слои ионов могут смещаться. Связь ненаправленна, а общий электронный газ продолжает притягивать положительные ионы и удерживать металл вместе.
2. В кристалле хлорида натрия чередуются положительные и отрицательные ионы. Если слои сдвинуть, рядом могут оказаться одноимённо заряженные ионы, которые отталкиваются.
3. Отталкивание нарушает кристалл, поэтому он раскалывается. В металле же смещение слоёв не вызывает такого резкого разрушения связей.

Ответ: металл можно согнуть благодаря смещению слоёв при сохранении металлической связи; ионный кристалл при ударе раскалывается из-за отталкивания одноимённых ионов после смещения слоёв.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что связь существует только между соседними атомами металла. Так думают, представляя обычные молекулы, но в металле электроны общие для всей решётки. Проверьте себя: если объяснение говорит только о паре атомов, учтите также общий электронный газ.

Ошибка — изображать металлический кристалл как скопление нейтральных атомов. Такая модель не показывает, почему электроны могут перемещаться по всему веществу. Для проверки назовите частицы в узлах: это положительные ионы, а между ними находятся общие электроны.

Ошибка — объяснять электропроводность движением ионов. Ионы в твёрдом металле колеблются около узлов решётки и не переносят заряд через весь проводник. Проверьте себя вопросом: какая частица способна свободно и направленно перемещаться? Это электрон.

Ошибка — утверждать, что при плавлении металлическая связь полностью исчезает. При плавлении разрушается упорядоченная решётка, но притяжение ионов к общим электронам сохраняется. Это можно проверить по электропроводности расплава: в нём по-прежнему есть подвижные электроны.

Связь с другими темами

Для понимания металлической связи нужны знания о строении атома, валентных электронах, ионах и видах химической связи. Они помогают проследить, почему атомы металла образуют положительные ионы, а электроны становятся общими.

Эта тема связывает строение вещества с его физическими свойствами и применением: например, электропроводность позволяет использовать металлы для проводов, а пластичность — для изготовления деталей. Такие представления пригодятся при изучении сплавов, электрохимии и химических свойств металлов.

Что запомнить

• Металлическая связь характерна для простых веществ-металлов и их сплавов.
• В узлах металлической решётки находятся положительные ионы.
• Валентные электроны в металле делокализованы и образуют общий электронный газ.
• Металлическая связь имеет электростатическую природу.
• Свободные электроны обеспечивают электропроводность и теплопроводность металлов.
• Ненаправленность связи объясняет ковкость и пластичность металлов.