Металлическая связь

В атомах металлов внешние, валентные электроны удерживаются значительно слабее, чем в атомах неметаллов. Это ведет к тому, что электроны таких элементов утрачивают связь с отдельными атомами, обобществляются и удерживают положительные ионы в сближенном состоянии. Связь атомов в твердом или жидком металле, так называемая металлическая связь, основанная на обобществлении внешних электронов, является одним из видов химической связи. Наличие свободных электронов определяет высокую электро- и тепло-проводность металлов, положительный температурный коэффициент электросопротивления, хорошую отражательную способность к световому излучению (блеск и непрозрачность), высокую пластичность, магнитные свойства и т.д.

Стабильность кристаллической решетки металла невозможно объяснить на основании известных нам видов химических связей. Действительно, ионная связь между атомами металла, как между атомами одного сорта, мало вероятна. Также сомнительны ковалентные связи между атомами, поскольку каждый атом имеет от 8 до 12 ближайших соседей. Обобществление такого количества электронных пар с образованием стабильных ковалентных связей пока не известно. Остается предположить, что между атомами металлов действует особый вид химической связи — металлическая связь.

Чтобы рассмотреть поведение электронов в металле, необходимо знать их распределение по энергиям. Расчеты показывают, что электроны в металле обладают дискретными значениями анергии, но отдельные уровни расположены очень тесно друг к другу. Заполнение уровней происходит в соответствии с принципом Паули, поэтому даже при абсолютном нуле электроны занимают высокие энергетические уровни. Решение волнового уравнения для такой системы показывает, что некоторые значения энергии оказываются запрещенными: образуются так называемые зоны, где энергетические уровни тесно сгруппированы, сливаясь практически в непрерывный спектр, а зоны разделены промежутками запрещенных значений энергии (рис. 2.10). От величины промежутка зависит различие между металлами, полупроводниками и изоляторами. Зонная теория объясняет электропроводность металлов так: у проводников верхняя зона только частично заполнена электронами (рис. 2.10а).

Оставшаяся свободной часть представляет собой зону проводимости, куда переходят при наложении электрического поля электроны, образуя ток электричества.

В диэлектрике (изоляторе) верхняя зона целиком заполнена электронами и, кроме этого, она отделена от следующей зоны большой запрещенной зоной (рис. 2.10б). Наложение электрического поля не может вызвать перемещение электронов, так как все уровни в зоне заняты. Переход электронов в следующую зону может произойти только при изложении высокого напряжения, при котором возникает пробой и разрушение диэлектрика.

Полупроводники формально аналогичны диэлектрикам (изоляторам), но запрещенная зона у них гораздо меньше (рис. 2.10в). Поэтому не большого количества энергии достаточно, чтобы перевести электроны с верхних уровней заполненной зоны на низшие уровни зоны проводимости.

Между металлической и ковалентной связью имеется сходство — оба типа связи основаны на обобществлении валентных электронов. Однако ковалентная связь соединяет только два соседних атома, общие электроны все время пребывают в непосредственной близости от соединяемых атомов и прочие с ними связаны. При металлической связи все атомы участвуют в обобществлении валентных электронов. В связи с этим ковалентная связь между атомами в кристалле не допускает смещения атомов без разрыва связей, тогда как металлическая связь позволяет осуществлять довольно значительные взаимные смещения атомов без нарушения связи.

Дата добавления: 2014-10-23