"Химия", Габриелян О.С.
Металлическая связь удерживает частицы металла в твёрдом кристалле. Атомы металла отдают валентные электроны, и те становятся общими для множества частиц: положительные частицы располагаются в узлах решётки, а подвижные электроны перемещаются между ними. Такое устройство объясняет, почему металлы проводят электрический ток и тепло, а также гнутся и вытягиваются, не рассыпаясь на отдельные частицы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металлическая связь — это связь между положительно заряженными частицами металла, осуществляемая обобществлёнными электронами. Обобществлённые электроны не закреплены за одной парой частиц, а принадлежат всему кристаллу. Это понятие помогает представить, почему металл сохраняет целостность, хотя электроны в нём могут перемещаться.
Электронный газ — так называют подвижные обобществлённые электроны, свободно перемещающиеся между частицами металла. Это не обычный газ: речь идёт об электронах, находящихся внутри твёрдого вещества. Название подчёркивает, что электроны не привязаны к определённому месту и могут двигаться по кристаллу.
Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение положительно заряженных частиц в металле, между которыми движутся общие электроны. Узлы — это места, в которых располагаются частицы решётки. Представление о решётке помогает описать внутреннее строение металла и объяснить, как частицы упорядочены в твёрдом веществе.
Металлический кристалл — твёрдое вещество, частицы которого удерживаются металлической связью и образуют металлическую решётку. В нём положительные частицы и подвижные электроны существуют как единая система. Это понятие связывает микроскопическое строение металла с его свойствами, которые можно наблюдать.
Атомы многих металлов сравнительно легко отдают валентные электроны — электроны внешнего слоя. Это происходит потому, что внешние электроны у таких атомов удерживаются ядром слабее, чем внутренние. В металлическом кристалле отданные электроны не уходят из вещества: они становятся общими для множества частиц. Так образуется не набор отдельных связанных пар, а общая электронная система.
После обобществления электронов в узлах решётки остаются положительно заряженные частицы металла. Их заряд возникает потому, что у них стало меньше электронов, чем протонов в ядрах. Между узлами движутся общие электроны, поэтому их называют электронным газом. Такое описание помогает увидеть, что положительные частицы не лежат в пустоте: пространство между ними заполнено подвижными электронами.
Металл удерживается вместе благодаря электростатическому притяжению. Электроны имеют отрицательный заряд, а частицы в узлах — положительный, поэтому они притягиваются. Это притяжение действует по всему кристаллу и связывает его частицы в единую структуру. Если бы такого притяжения не было, положительные частицы и электроны не образовали бы устойчивое твёрдое вещество.
Металлическая связь не направлена между отдельными парами атомов. Общие электроны распределены между многими частицами и притягиваются к положительным частицам в разных участках кристалла. Поэтому при перестройке положения соседних частиц связь не ограничена одной конкретной парой. Такой общий способ связывания отличает металл от веществ, где химическая связь образуется между определёнными частицами или парами частиц.
Подвижность электронов объясняет электропроводность металлов: под действием электрического поля электроны начинают двигаться направленно. Они также передают энергию по металлу, поэтому металлы хорошо проводят тепло. При механическом воздействии слои частиц могут смещаться относительно друг друга, но электронный газ продолжает притягивать положительные частицы. Из-за этого кристалл не распадается при небольшом смещении слоёв, а металл можно ковать и вытягивать.
В таблице сопоставлены частицы и электроны, участвующие в разных типах связи. При сравнении сначала определите, какие частицы образуют вещество, затем проследите, что происходит с электронами и откуда возникает притяжение. Последняя строка показывает примеры, на которых удобно проверить различия.
| Характеристика | Металлическая связь | Ионная связь | Ковалентная связь |
|---|---|---|---|
| Какие частицы связаны | Положительные частицы металла и общие электроны | Положительные и отрицательные ионы | Атомы |
| Как ведут себя электроны | Обобществлены и подвижны | Переходят от одних атомов к другим при образовании ионов | Общие электронные пары принадлежат связанным атомам |
| Как возникает притяжение | Между положительными частицами и общими электронами | Между разноимённо заряженными ионами | За счёт притяжения ядер к общим электронным парам |
| Направленность связи | Не направлена к одной паре частиц, охватывает кристалл | Не направлена к одной паре ионов в кристалле | Обычно направлена между определёнными атомами |
| Примеры веществ | Медь, натрий, железо | Хлорид натрия | Вода, кислород |
Задача 1. Составить схему металлического кристалла натрия: обозначить частицы в узлах решётки и электроны между ними. Нужно показать не отдельные атомы, каждый со своим электроном, а общую систему частиц и электронов. Натрий отдаёт по одному валентному электрону от атома, и электроны становятся общими для кристалла. Поэтому схема должна показывать повторяющиеся положительные частицы и подвижные электроны между ними.
Ответ: в узлах металлической решётки находятся положительные частицы натрия, а между ними — обобществлённые подвижные электроны. Они не принадлежат отдельным атомам.
Задача 2. Объяснить, почему медь проводит электрический ток. Для ответа нужно найти в строении меди частицы, которые могут перемещаться. Положительные частицы в узлах решётки не перемещаются свободно по всему кристаллу, зато общие электроны подвижны. Если на металл действует электрическое поле, их движение становится направленным.
Ответ: медь проводит электрический ток благодаря направленному движению подвижных электронов.
Задача 3. Сравнить, что произойдёт при смещении слоёв частиц в кристаллах меди и поваренной соли, и объяснить различие. В меди действует металлическая связь, а в поваренной соли — ионная. Нужно выяснить, сохраняется ли притяжение после смещения слоёв. Для этого проследим, какие частицы оказываются рядом в каждом кристалле.
Ответ: медь можно деформировать, не разрушая металлическую связь, а кристалл поваренной соли при таком смещении может расколоться из-за отталкивания одноимённых ионов.
Ошибка: считать, что металлическая связь соединяет только две соседние частицы. Так думают, потому что многие схемы химических связей изображают линии между парами атомов. Но в металле общие электроны связывают множество частиц во всём кристалле. Проверьте себя: если в объяснении есть только одна пара частиц, добавьте представление об общих электронах.
Ошибка: представлять электронный газ как обычный газ из нейтральных частиц. Слово «газ» может навести на мысль о пузырьках или молекулах, однако здесь речь идёт о подвижных электронах внутри металла. Они имеют отрицательный заряд и распределены между положительными частицами. Проверка простая: спросите себя, какие именно частицы движутся и какой у них заряд.
Ошибка: утверждать, что валентные электроны полностью исчезают или перестают быть электронами. Такое представление возникает, если перепутать отдачу электрона с его исчезновением. Электроны остаются в металле, но становятся общими и могут перемещаться между частицами. Чтобы проверить ответ, проследите, откуда берётся электронный газ: это те же валентные электроны, обобществлённые в кристалле.
Ошибка: объяснять ковкость тем, что металлический кристалл легко разрушается. Ковкость означает способность металла изменять форму, а не рассыпаться. При смещении слоёв электронный газ продолжает удерживать положительные частицы притяжением. Проверьте себя: если объяснение сводится к разрушению связи, оно не объясняет, почему металл сохраняет целостность при деформации.
Для понимания металлической связи нужны знания о строении атома, валентных электронах и образовании положительных ионов. Также пригодятся понятия кристаллической решётки и электростатического притяжения: они помогают представить расположение и взаимодействие частиц. Позже эта модель поможет объяснять свойства металлов и сплавов и связывать их с применением в технике и быту.
Что называют металлической связью?
Металлическая связь — это притяжение между положительно заряженными частицами металла и общими подвижными электронами. Эти электроны связывают не одну пару частиц, а множество частиц во всём кристалле.
Почему электроны в металле называют электронным газом?
Валентные электроны металла обобществлены и могут перемещаться между положительными частицами. Их называют электронным газом из-за подвижности и распределения по всему кристаллу, а не потому, что это обычный газ из нейтральных частиц.
Какие частицы находятся в узлах металлической кристаллической решётки?
В узлах располагаются положительно заряженные частицы металла. Между ними движутся общие валентные электроны.
Почему металлы проводят электрический ток?
В металле есть подвижные электроны, которые могут перемещаться по всему кристаллу. Под действием электрического поля они начинают двигаться направленно, и возникает электрический ток.
Почему металлы можно ковать и вытягивать в проволоку?
При деформации слои частиц металла могут смещаться, а общие электроны продолжают притягивать положительные частицы. Поэтому связь сохраняется, и металл не раскалывается сразу на отдельные части.
§ 13. Металлическая химическая связь
