Металева зв'язок: механізм утворення. Металева хімічний зв'язок: приклади

Всі відомі на сьогоднішній день хімічні елементи, розташовані в таблиці Менделєєва, поділяються умовно на дві великі групи: метали і неметали. Для того щоб вони стали не просто елементами, а сполуками, хімічними речовинами, могли вступати у взаємодію один з одним, вони повинні існувати у вигляді простих і складних речовин.

Саме для цього одні електрони намагаються прийняти, а інші - віддати. Заповнюючи один одного таким чином, елементи і утворюють різні хімічні молекули. Але що дозволяє їм утримуватися разом? Чому існують речовини такої міцності, зруйнувати яку непідвладне навіть найсерйознішим інструментам? А інші, навпаки, руйнуються від найменшого впливу. Все це пояснюється утворенням різних типів хімічного зв`язку між атомами в молекулах, формуванням кристалічної решітки певної будови.

Види хімічних зв`язків в сполуках

Всього можна виділити 4 основних типи хімічних зв`язків.

1. Ковалентний неполярний. Утворюється між двома однаковими неметаллами за рахунок усуспільнення електронів, формування загальних електронних пар. В освіті її беруть участь валентні неспарені частинки. Приклади: галогени, кисень, водень, азот, сірка, фосфор.
2. Ковалентний полярна. Утворюється між двома різними неметалами або між дуже слабким за властивостями металом і слабким по електронегативності неметаллом. В основі також загальні електронні пари та перетягування їх до себе тим атомом, спорідненість до електрона якого вище. Приклади: NH_3, SiC, P₂O₅ та інші.
3. Водневий зв`язок. Сама нестійка і слабка, формується між сильно електронегативний атомом однієї молекули і позитивним інший. Найчастіше це відбувається при розчиненні речовин у воді (спирту, аміаку і так далі). Завдяки такому зв`язку можуть існувати макромолекули білків, нуклеїнових кислот, складних вуглеводів і так далі.
4. Іонна зв`язок. Формується за рахунок сил електростатичного притягання різнозаряджені іонів металів і неметалів. Чим сильніше відмінність за даним показником, тим яскравіше виражений саме іонний характер взаємодії. Приклади сполук: бінарні солі, складні сполуки - основи, солі.
5. Металева зв`язок, механізм утворення якої, а також властивості, будуть розглянуті далі. Формується в металах, їх сплавах різного роду.

Існує таке поняття, як єдність хімічного зв`язку. У ньому якраз і йдеться про те, що не можна кожну хімічну зв`язок розглядати еталонно. Вони все лише умовно позначені одиниці. Адже в основі всіх взаємодій лежить єдиний принцип - електронностатіческое взаємодію. Тому іонна, металева, ковалентний зв`язок і воднева мають єдину хімічну природу і є лише граничними випадками один одного.

Метали і їх фізичні властивості

Метали знаходяться в переважній більшості серед усіх хімічних елементів. Це пояснюється їх особливими властивостями. Значна частина з них була отримана людиною ядерними реакціями в лабораторних умовах, вони є радіоактивними з невеликим періодом напіврозпаду.

Однак більшість - це природні елементи, які формують цілі гірські породи і руди, входять до складу більшості важливих сполук. Саме з них люди навчилися відливати сплави і виготовляти масу прекрасних і важливих виробів. Це такі, як мідь, залізо, алюміній, срібло, золото, хром, марганець, нікель, цинк, свинець і багато інших.

Для всіх металів можна виділити загальні фізичні властивості, які пояснює схема освіти металевої зв`язку. Які ж це властивості?

1. Ковкість і пластичність. Відомо, що багато метали можна прокатати навіть до стану фольги (золото, алюміній). З інших отримують дріт, металеві гнучкі листи, вироби, здатні деформуватися при фізичному впливі, але тут же відновлювати форму після припинення його. Саме ці якості металів і називають ковкістю і пластичністю. Причина цієї особливості - металевий тип зв`язку. Іони і електрони в кристалі ковзають щодо один одного без розриву, що і дозволяє зберігати цілісність всієї структури.
2. Металевий блиск. Це також пояснює металевий зв`язок, механізм утворення, характеристики її та особливості. Так, не всі частинки здатні поглинати або відбивати світлові хвилі однакової довжини. Атоми більшості металів відображають короткохвильові промені і набувають практично однакову забарвлення сріблястого, білого, блідо-блакитного відтінку. Винятками є мідь і золото, їх забарвлення рудо-червона і жовта відповідно. Вони здатні відображати більш довгохвильове випромінювання.
3. Тепло- і електропровідність. Дані властивості також пояснюються будовою кристалічної решітки і тим, що в її освіті реалізується металевий тип зв`язку. За рахунок "електронного газу", що рухається всередині кристалу, електричний струм і тепло миттєво і рівномірно розподіляються між усіма атомами і іонами і проводяться через метал.
4. Твердий агрегатний стан при звичайних умовах. Тут винятком є лише ртуть. Всі інші метали - це обов`язково міцні, тверді з`єднання, так само як і їхні сплави. Це також результат того, що в металах присутня металева зв`язок. Механізм утворення такого типу зв`язування частинок повністю підтверджує властивості.

Це основні фізичні характеристики для металів, які пояснює і визначає саме схема освіти металевої зв`язку. Актуальний такий спосіб з`єднання атомів саме для елементів металів, їх сплавів. Тобто для них в твердому і рідкому стані.

Металевий тип хімічного зв`язку

У чому ж її особливість? Вся справа в тому, що такий зв`язок формується не за рахунок різнозаряджені іонів і їх електростатичного притягання і не за рахунок різниці в електронегативності і наявності вільних електронних пар. Тобто іонна, металева, ковалентний зв`язок мають кілька різну природу та відмінні риси пов`язуються частинок.

Всім металам притаманні такі характеристики, як:

• мала кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні (крім деяких винятків, у яких їх може бути 6,7 і 8) ;
• великий атомний радіус;
• низька енергія іонізації.

Все це сприяє легкому відділенню зовнішніх неспарених електронів від ядра. При цьому вільних орбіталей у атома залишається дуже багато. Схема освіти металевої зв`язку якраз і буде показувати перекривання численних орбітальних осередків різних атомів між собою, які в результаті і формують загальне внутрікристалічної простір. У нього подаються електрони від кожного атома, які починають вільно блукати по різних частинах решітки. Періодично кожен з них приєднується до іону у вузлі кристала і перетворює його в атом, потім знову від`єднується, формуючи іон.

Таким чином, металевий зв`язок - це зв`язок між атомами, іонами і вільними електронами в загальному кристалі металу. Електронне хмара, вільно переміщається всередині структури, називають "електронним газом". Саме їм пояснюється більшість фізичних властивостей металів та їх сплавів.

Як конкретно реалізує себе металева хімічний зв`язок? Приклади можна привести різні. Спробуємо розглянути на шматочку літію. Навіть якщо взяти його розміром з горошину, атомів там будуть тисячі. Ось і уявімо собі, що кожен з цих тисяч атомів віддає свій валентний єдиний електрон в загальне кристалічна простір. При цьому, знаючи електронне будови даного елемента, можна побачити кількість порожніх орбіталей. У літію їх буде 3 (р-орбіталі другого енергетичного рівня). За три у кожного атома з десятків тисяч - це і є загальний простір усередині кристала, в якому "електронний газ" вільно переміщається.

Речовина з металевим зв`язком завжди міцне. Адже електронний газ не дозволяє кристалу валитися, а лише зміщує шари і тут же відновлює. Воно блищить, володіє певною щільністю (найчастіше високої), плавкості, ковкістю і пластичністю.

Де ще реалізується металева зв`язок? Приклади речовин:

• метали у вигляді простих структур;
• всі сплави металів один з іншому;
• всі метали і їхні сплави в рідкому і твердому стані.

Конкретних прикладів можна навести просто неймовірна кількість, адже металів в періодичній системі більше 80!

Металева зв`язок: механізм утворення

Якщо розглядати його в загальному вигляді, то основні моменти ми вже позначили вище. Наявність вільних атомних орбіталей і електронів, легко відриваються від ядра внаслідок малої енергії іонізації, - ось головні умови для формування даного типу зв`язку. Таким чином, виходить, що вона реалізується між наступними частками:

• атомами у вузлах кристалічної решеткі;
• вільними електронами, які були у металу валентнимі;
• іонами у вузлах кристалічної решітки.

У підсумку - металева зв`язок. Механізм утворення в загальному вигляді виражається наступною записом: Ме⁰ - e^- harr- Ме^{n +}. Зі схеми очевидно, які частки присутні в кристалі металу.

Самі кристали можуть мати різну форму. Це залежить від конкретної речовини, з яким ми маємо справу.

Типи кристалів металів

Дана структура металу або його сплаву характеризується дуже щільною упаковкою частинок. Її забезпечують іони у вузлах кристала. Самі по собі решітки можуть бути різних геометричних форм в просторі.

1. Об`емноцентріческая кубічна решітка - лужні метали.
2. Гексагональная компактна структура - всі лужноземельні, крім барію.
3. Гранецентріческая кубічна - алюміній, мідь, цинк, багато перехідні метали.
4. Ромбоедрична структура - у ртуті.
5. Тетрагональна - індій.

Чим важче метал і чим нижче він розташовується в періодичній системі, тим складніше його упаковка і просторова організація кристала. При цьому металева хімічний зв`язок, приклади якої можна привести для кожного існуючого металу, є визначальною при побудові кристала. Сплави мають дуже різноманітні організації в просторі, деякі з них до цих пір ще не до кінця вивчені.

Характеристики зв`язку: ненаправлену

Ковалентний і металева зв`язок мають одну дуже яскраво виражену відмінну рису. На відміну від першої, металевий зв`язок не є спрямованою. Що це означає? Тобто електронне хмара всередині кристалу рухається абсолютно вільно в його межах в різних напрямках, кожен з електронів здатний приєднуватися до абсолютно будь-якому йону у вузлах структури. Тобто взаємодія здійснюється за різними напрямками. Звідси і говорять про те, що металева зв`язок - ненаправленная.

Механізм ковалентного зв`язку увазі утворення спільних електронних пар, тобто хмар перекривання атомів. Причому відбувається воно строго за певною лінії, що з`єднує їх центри. Тому говорять про спрямованість такого зв`язку.

Насичуваність

Дана характеристика відображає здатність атомів до обмеженого або необмеженого взаємодії з іншими. Так, ковалентная і металева зв`язок за цим показником знову ж є протилежностями.

Перша є насичує. Атоми, які беруть участь у її освіті, мають строго певну кількість валентних зовнішніх електронів, які беруть безпосередню участь в утворенні сполуки. Більше, ніж є, у нього електронів не буде. Тому і кількість формованих зв`язків обмежено валентностью. Звідси насичуваність зв`язку. Завдяки даній характеристиці більшість сполук має постійний хімічний склад.

Металева та воднева зв`язку, навпаки, ненасищаемой. Це пояснюється наявністю численних вільних електронів і орбіталей всередині кристалу. Також роль відіграють іони у вузлах кристалічної решітки, кожен з яких може стати атомом і знову іоном в будь-який момент часу.

Ще одна характеристика металевого зв`язку - делокалізація внутрішнього електронної хмари. Вона проявляється у здатності невеликої кількості загальних електронів пов`язувати між собою безліч атомних ядер металів. Тобто щільність як би делокалізуется, розподіляється рівномірно між усіма ланками кристала.

Приклади утворення зв`язку в металах

Розглянемо кілька конкретних варіантів, які ілюструють, як утворюється металева зв`язок. Приклади речовин наступні:

• цинк;
• алюміній;
• калій;
• хром.

Освіта металевої зв`язки між атомами цинку: Zn<sup>0</sup> - 2e<sup>-</sup> harr- Zn<sup>2+</sup>. Атом цинку має чотири енергетичних рівня. Вільних орбіталей, виходячи з електронної будови, у нього 15 - 3 на р-орбіталі, 5 на 4 d і 7 на 4f. Електронна будова наступне: 1s<sup>2</sup>2s<sup>2</sup>2p<sup>6</sup>3s<sup>2</sup>3p<sup>6</sup>4s<sup>2</sup>3d<sup>10</sup>4p<sup>0</sup>4d<sup>0</sup>4f<sup>0</sup> , всього в атомі 30 електронів. Тобто дві вільні валентні негативні частинки здатні переміщатися в межах 15 просторих і ніким не зайнятих орбіталей. І так у кожного атома. У результаті - величезна загальний простір, що складається з порожніх орбіталей, і невелика кількість електронів, що пов`язують всю структуру воєдино.

Металева зв`язок між атомами алюмінію: AL⁰ - e^- harr- AL³⁺ . Тринадцять електронів атома алюмінію розташовуються на трьох енергетичних рівнях, яких їм явно вистачає з надлишком. Електронна будова: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹3d⁰. Вільних орбіталей - 7 штук. Очевидно, що електронне хмара буде невеликим порівняно із загальним внутрішнім вільним простором в кристалі.

Металева зв`язок хрому. Даний елемент особливий за своїм електронною будовою. Адже для стабілізації системи відбувається провал електрона з 4s на 3d-орбіталь: 1s<sup>2</sup>2s<sup>2</sup>2p<sup>6</sup>3s<sup>2</sup>3p<sup>6</sup>4s<sup>1</sup>3d<sup>5</sup>4p<sup>0</sup>4d<sup>0</sup>4f<sup>0</sup>. Всього 24 електрона, з яких валентних виходить шість. Саме вони йдуть у загальне електронний простір на освіту хімічного зв`язку. Вільних орбіталей 15, тобто все одно набагато більше, ніж потрібно для заповнення. Тому хром - також типовий приклад металу з відповідною зв`язком в молекулі.

Одним з найактивніших металів, що реагують навіть зі звичайною водою із загорянням, є калій. Чим пояснюються такі властивості? Знову ж багато в чому - металевим типом зв`язку. Електронів у цього елемента всього 19, але от розташовуються вони аж на 4 енергетичних рівнях. Тобто на 30 орбиталях різних підрівнів. Електронна будова: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁰4p⁰4d⁰4f⁰. Всього два валентних електрона, з дуже низькою енергією іонізації. Вільно відриваються і йдуть в загальний електронний простір. Орбіталей для переміщення на один атом 22 штуки, тобто дуже велике вільний простір для "електронного газу".

Схожість і відмінність з іншими видами зв`язків

В цілому дане питання вже розглядалося вище. Можна тільки узагальнити і зробити висновок. Головними відмітними від усіх інших типів зв`язку рисами саме металевих кристалів є:

• кілька видів частинок, що приймають участь у процесі зв`язування (атоми, іони або атом-іони, електрони) ;
• різне просторове геометричну будову кристалів.

З водневої і іонним зв`язком металеву об`єднує ненасищаемость і ненаправлення. З ковалентного полярної - сильне електростатичне тяжіння між частинками. Окремо з іонним - тип частинок у вузлах кристалічної решітки (іони). З ковалентного неполярной - атоми у вузлах кристала.

Типи зв`язків у металах різного агрегатного стану

Як ми вже відзначали вище, металева хімічний зв`язок, приклади якої наведено в статті, утворюється в двох агрегатних станах металів та їх сплавів: твердому і рідкому.

Виникає питання: який тип зв`язку в парах металів? Відповідь: ковалентний полярний і неполярний. Як і у всіх з`єднаннях, які перебувають у вигляді газу. Тобто при тривалому нагріванні металу і переведення його з твердого стану в рідкий зв`язку не рвуться і кристалічна структура зберігається. Однак коли мова заходить про переведення рідини в пароподібний стан, кристал руйнується і металевий зв`язок перетвориться в ковалентну.