11. Металлическая химическая связь

Определения и обозначения

Металлическая химическая связь — связь между атомами металла, возникающая благодаря притяжению положительных частиц металла и общих электронов. Эти электроны не закреплены за одной частицей, поэтому притяжение охватывает весь металлический кристалл. Такое определение помогает не представлять связь как сцепление отдельных пар атомов.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение положительных частиц металла, между которыми движутся обобществлённые электроны. Слово «решётка» описывает расположение частиц в твёрдом веществе. Эта модель помогает понять, как устроен металл внутри, даже если мы не видим его частиц.

Обобществлённые электроны — валентные электроны, не принадлежащие одному определённому атому и способные перемещаться по всему кристаллу. Они удерживаются общим притяжением положительных частиц, но не закреплены возле одной из них. Их подвижность нужна, чтобы объяснить некоторые свойства металлов.

Электронный газ — образное название совокупности подвижных обобществлённых электронов в металле. Это не обычный газ, а удобная модель, показывающая, что электроны свободно перемещаются между частицами решётки. С её помощью объясняют действие электрического поля на металл.

Как это устроено

У атомов металлов обычно немного электронов на внешнем энергетическом уровне — их называют валентными. Эти электроны сравнительно слабо удерживаются ядром, поэтому энергия, необходимая для их отрыва, невелика. Когда атомы объединяются в кристалл, соседние частицы влияют друг на друга, и внешним электронам становится выгоднее перемещаться между ними, чем оставаться возле одного атома.

При сближении большого числа атомов валентные электроны становятся общими для всего кристалла. Они могут переходить от одной части его объёма к другой и не принадлежат какому-то одному атому. Атомы, отдавшие часть внешних электронов в общее пользование, превращаются в положительные частицы; их упорядоченное расположение образует решётку.

Металлическая связь возникает из-за электростатического притяжения — взаимодействия электрически заряженных частиц. Положительные частицы решётки притягиваются к общему электронному газу, а он распределён между ними по всему кристаллу. Поэтому связь не направлена между определёнными парами частиц: она объединяет кристалл в целом.

Если слои частиц в решётке сдвинуть, расположение соседей изменится, но электроны не останутся привязанными к прежним парам. Они переместятся вслед за изменением расположения и продолжат притягивать положительные частицы. Поэтому металлическое вещество не обязательно разрушается от такого смещения, в отличие от вещества, где связь направлена между отдельными парами атомов.

Подвижность электронов связывает строение металлов с их свойствами. Электрическое поле заставляет часть электронов двигаться направленно, создавая ток; движущиеся электроны также переносят энергию и участвуют в теплопроводности. Взаимодействие электронов со светом связано с металлическим блеском, а сохранение притяжения при сдвиге слоёв помогает металлу менять форму без рассыпания.

Металлическая связь и её проявления

Читай таблицу слева направо: сначала найди особенность строения, затем проследи, какое свойство она объясняет. Одно свойство может быть связано с несколькими особенностями. Например, электропроводность требует и подвижных электронов, и возможности их направленного движения.

Разбор задач

Задача 1. Ученик описывает металлическую связь как притяжение между отдельными атомами металла. Исправьте описание и укажите, какие частицы взаимодействуют. Чтобы проверить описание, нужно определить, закреплены ли валентные электроны за отдельными атомами или общие для кристалла.

1. Вспомним, что валентные электроны атомов металла при образовании кристалла обобществляются и могут перемещаться.
2. Значит, частицы решётки правильнее описывать как положительные частицы металла, а не как нейтральные отдельные атомы.
3. Укажем причину связи: положительные частицы притягиваются к общему электронному газу, который заполняет пространство между ними.

Ответ: металлическая связь — это притяжение положительных частиц металла к общим подвижным электронам во всём кристалле, а не связь только между отдельными атомами.

Задача 2. Объясните, почему медь проводит электрический ток в твёрдом состоянии, используя представление о строении металла. Одного факта о наличии электронов недостаточно: нужно показать, что именно происходит с ними при включении поля.

1. В твёрдой меди положительные частицы находятся в узлах решётки, а обобществлённые электроны способны перемещаться между ними.
2. Когда к образцу подключают источник тока, электрическое поле действует на подвижные электроны.
3. Электроны начинают двигаться преимущественно в одном направлении; их упорядоченное перемещение переносит электрический заряд.

Ответ: медь проводит ток в твёрдом состоянии благодаря направленному движению обобществлённых электронов внутри кристалла.

Задача 3. Металлический образец расплющили молотком, но он не рассыпался. Объясните результат, сравнив металлическую связь с направленной связью между отдельными парами атомов. Нужно понять, что меняется в решётке при ударе и сохраняется ли притяжение.

1. Удар может сместить слои положительных частиц относительно друг друга.
2. Общие электроны не закреплены за отдельными парами, поэтому могут перераспределиться между смещёнными частицами.
3. Электронный газ продолжает притягивать положительные частицы, так что связь сохраняется и образец меняет форму.

Ответ: металл не рассыпался, потому что подвижные общие электроны сохранили притяжение между частицами решётки. Направленная связь между отдельными парами при значительном смещении могла бы нарушиться.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что металлическая связь соединяет только соседние пары атомов. Так могут думать, перенося на металл представление о связи между двумя конкретными атомами. Проверь себя: спроси, принадлежат ли валентные электроны одной паре частиц; в металле они общие для кристалла.

Ошибка: представлять электроны неподвижными. Это происходит, если помнить только об их притяжении к положительным частицам и забыть об их подвижности. Проверь себя: сможешь ли ты объяснить, как электроны переносят заряд при включении электрического поля?

Ошибка: называть положительные частицы решётки только нейтральными атомами. Такая формулировка не учитывает, что валентные электроны становятся общими. Проверь себя: назови обе части модели — положительные частицы и движущиеся между ними обобществлённые электроны.

Ошибка: путать металлическую связь с ионной. В типичной ионной решётке чередуются положительные и отрицательные ионы, а в металлической общие электроны подвижны и не образуют таких отдельных чередующихся частиц. Проверь себя: выясни, есть ли в описанной модели отрицательные ионы, занимающие узлы решётки.

Связь с другими темами

Для изучения металлической связи нужно знать строение атома, валентные электроны и то, как атомы образуют ионы. Сравнение с ковалентной и ионной связью помогает увидеть, что частицы могут удерживаться разными способами: общими подвижными электронами или связями другого типа. Позже эта модель пригодится, чтобы объяснять свойства металлов и сплавов и понимать, почему их используют в разных изделиях.

Что запомнить

• Металлическая связь характерна для простых веществ-металлов и металлических кристаллов.
• Валентные электроны металла становятся общими и подвижными.
• В узлах решётки находятся положительные частицы металла.
• Металлическая связь — притяжение положительных частиц и общего электронного газа.
• Подвижные электроны объясняют электропроводность и теплопроводность металлов.
• Сохранение притяжения при смещении слоёв помогает объяснить пластичность металлов.