§ 13. Металлическая химическая связь

Определения и обозначения

Металлическая химическая связь — связь между положительными частицами металла и общими подвижными электронами. Она удерживает частицы вместе во всём металлическом кристалле, а не только в отдельных парах. Это понятие помогает объяснить, почему металл сохраняет целостность и проявляет характерные свойства.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом металле. В её узлах находятся положительные частицы, а пространство между ними заполнено подвижными электронами. Такая модель показывает, как устроен металл внутри.

Обобществлённые электроны — внешние электроны атомов металла, которые не принадлежат одной определённой паре атомов. Они становятся общими для многих частиц и могут перемещаться по кристаллу. Это понятие нужно, чтобы понять, откуда берутся подвижные носители заряда в металле.

Электронный газ — модель, в которой обобществлённые электроны представляют как подвижную среду внутри металлической решётки. Это не обычный газ, а образное описание свободного движения электронов между положительными частицами. Модель помогает связать устройство металла с его свойствами.

Как это устроено

Атомы металлов сравнительно легко отдают внешние электроны. Эти электроны слабее удерживаются ядром, чем внутренние, поэтому могут отделяться от отдельных атомов. В плотном скоплении атомов они уже не закреплены за одним соседом: перемещаются между множеством частиц и становятся общими для всего кристалла.

После ухода внешних электронов части атомов получают положительный заряд. В твёрдом металле эти положительные частицы располагаются упорядоченно, образуя узлы кристаллической решётки. Между узлами находятся обобществлённые электроны, поэтому строение металла нельзя представить как набор независимых нейтральных атомов.

Положительные частицы притягиваются к отрицательно заряженным электронам, и это электростатическое притяжение удерживает кристалл вместе. Электроны общие для многих частиц, поэтому притяжение не связывает только одну конкретную пару соседей. Такая связь охватывает весь кристалл и сохраняется, даже если положение его отдельных слоёв немного меняется.

Общие электроны способны перемещаться по металлическому кристаллу. Если к металлу приложить электрическое поле, их движение становится направленным, и электроны переносят заряд: возникает электрический ток. Они также передают энергию от более нагретых участков к менее нагретым, поэтому металлы хорошо проводят тепло.

Подвижные электроны взаимодействуют со светом и помогают металлу отражать его, что связано с характерным блеском металлической поверхности. При механическом воздействии слои частиц решётки могут смещаться относительно друг друга. Электроны при этом остаются общими и продолжают притягивать положительные частицы, поэтому металл не рассыпается и обычно может сгибаться или раскатываться.

Строение металлического кристалла и свойства металлов

Читайте таблицу слева направо: сначала найдите особенность строения, затем проследите, что происходит внутри кристалла, и установите связь со свойством. Для объяснения проводимости важно движение электронов, а для объяснения пластичности — сохранение притяжения при смещении слоёв. Эти свойства связаны с одной моделью, но возникают по разным причинам.

Разбор задач

Задача 1. На схеме металлического кристалла обозначены положительные частицы и точки между ними. Определите, что обозначено точками и что удерживает частицы в решётке.

1. Сначала определим, где расположены точки: они находятся между положительными частицами, а не в узлах решётки. Такое изображение обычно показывает электроны, которые не закреплены за одним атомом.
2. В модели металлической связи эти точки — обобществлённые электроны. Они подвижны и общие для множества частиц кристалла.
3. Затем назовём причину прочности: положительные частицы притягиваются к отрицательным электронам. Это притяжение удерживает решётку в целом.

Ответ: точки обозначают обобществлённые электроны; частицы удерживаются электростатическим притяжением к ним.

Задача 2. Объясните, почему металлы проводят электрический ток, используя модель металлической связи.

1. Вспомним, какие частицы в металле подвижны: это обобществлённые электроны. Положительные частицы находятся в узлах решётки и не переносятся через весь образец.
2. Когда к металлу приложено электрическое поле, движение электронов становится направленным. Они перемещаются по кристаллу, а не только колеблются около одной частицы.
3. Электроны имеют электрический заряд, поэтому их направленное движение переносит заряд через металл. Перенос заряда и есть электрический ток.

Ответ: металлы проводят ток, потому что обобществлённые электроны могут направленно перемещаться и переносить заряд.

Задача 3. При обработке металла его слои смещаются, но образец не рассыпается. Объясните это строением металлического кристалла и сравните с проводимостью металла.

1. Сначала отделим два явления. При обработке меняется расположение слоёв решётки, а при прохождении тока важен перенос электрического заряда.
2. Когда слои смещаются, общие электроны не становятся электронами только одного слоя. Притяжение электронов к положительным частицам сохраняется, поэтому частицы продолжают удерживаться вместе.
3. При проводимости те же электроны рассматривают с другой стороны: под действием электрического поля они движутся направленно и переносят заряд. Значит, сохранение связи при смещении объясняет пластичность, а движение электронов — электропроводность.

Ответ: металл не рассыпается, потому что притяжение между положительными частицами и общими электронами сохраняется при смещении слоёв. Электропроводность связана не с этим смещением, а с направленным движением электронов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что металлическая связь действует лишь между двумя соседними атомами. Так думают, потому что многие схемы показывают рядом несколько частиц, но обобществлённые электроны общие для большого числа частиц. Проверьте себя: если объяснение описывает только одну пару, оно не передаёт строение всего кристалла.

Ошибка — представлять электроны неподвижными. Это может показаться правдоподобным, если смотреть только на расположение узлов решётки, однако подвижность электронов помогает объяснить проводимость и передачу тепла. Проверьте объяснение вопросом: какие частицы могут перемещаться по металлу?

Ошибка — называть узлы решётки нейтральными атомами, не учитывая уход внешних электронов. В школьной модели в узлах находятся положительные частицы, а электроны становятся общими. Чтобы проверить себя, проследите, где оказались внешние электроны и какой заряд остаётся у частиц в узлах.

Ошибка — объяснять пластичность разрушением металлической связи. При смещении слоёв притяжение общих электронов к положительным частицам сохраняется, поэтому кристалл остаётся целым. Если бы связь разрушалась, металл рассыпался бы; проверьте, объясняет ли ваше рассуждение сохранение целостности образца.

Связь с другими темами

Для понимания металлической связи нужны знания о строении атома, зарядах ядра и электронов, а также о различиях между металлами и неметаллами. Именно особенности внешних электронов помогают понять, почему атомы металлов сравнительно легко их отдают. Позднее эта модель пригодится при изучении физических свойств металлов, сплавов и электрического тока. Она также помогает объяснять, почему металлы широко применяют в технике.

Что запомнить

• Металлическая связь характерна для металлов в простых веществах и многих сплавах.
• Внешние электроны атомов металла становятся общими и подвижными.
• В узлах металлической решётки находятся положительные частицы.
• Металлическую решётку удерживает притяжение положительных частиц к обобществлённым электронам.
• Подвижные электроны обеспечивают электропроводность и теплопроводность.
• Сохранение связи при смещении слоёв объясняет пластичность металлов.