Металлическая связь

Рис. 19. Переход электрона от атома Nа к атому Cl

При этом атом натрия теряет один отрицательный заряд и становится катионом N³⁺, а атом хлора приобретает этот заряд и становится анионом С1^-.

СЛ. 26(1) Оценка зарядов на атомах натрия и хлора в состоянии ионов следует из сравнения числа протонов в их ядрах и общего числа электронов на их оболочках.

Nа —> Nа⁺ С1 — > Сl^-

Ядро 11р+ 11р+ 17р+ 17р+

Оболочка 11е^- 10е^- 17е^- 18е^-

В рамках орбитальной модели атома образование ионов Na⁺ и С1^- объясняется так СЛ 27:

Переход 3s-электрона атома натрия на 3p-подуровень хлора показан пунктирной стрелкой справа. Третий энергетический уровень имеет еще пять 3d-АО, но так как 3d-подуровень начинает заполняться только у атомов элементов четвертого периода, он здесь не показан ион С1^- находится в промежуточном устойчивом состоянии благородного газа.

Для простоты вместо эффективных зарядов обычно указывают целочисленные заряды ионов (Nа⁺)(С1^-), имея в виду, что именно такие ионы образуются при электролитической диссоциации ионного соединения NаС1 в водном растворе или в расплаве: NаС1 = Nа⁺ + С1^-.

Для того, чтобы решить, является ли данная связь преимущественно ковалентной или преимущественно ионной (и соответствующим способом интерпретировать свойства соединений), можно прибегнуть к оценке по методу Полинга. Химическая связь с 50 %-ой ионностью отвечает разности Dc = 1,7; при Dc > 1,7 связь будет по преимуществу ионная, например, как для NаС1 (Dc = 2,1), например СЛ. 28:

	CsCl	BaCl2	MgCl2	AlCl3	SnCl2	BiCl3
Dc	2,3	2,1	1,8	1,5	1,2	1,1

Очевидно, что СsС1, ВаС1₂ и МgС1₂ — ионные соединения, остальные хлориды (А1С1₃, SпСl₂ и ВiС1з) — ковалентные.

Чтобы изобразить образование ионов в химической реакции между нейтральными атомами, уравнение химической реакции записывают с помощью электронных формул СЛ 29(0):

При этом следует использовать правило равенства чисел электронов, переданных в реакции: число отданных электронов должно быть равно числу принятых электронов.

В соответствии с этим правилом подбираются стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции СЛ 29(1):

Металлы и сплавы металлов кристаллизуются в форме металлических решеток. Узлы в металлической решетке заняты положительными ионами металлов (атомными остовами металлов). Все металлы, за редкими исключениями, кристаллизуются в одном из трех типов решеток. При кубической плотневшей упаковке атомных остовов формируется гранецентрированная решетка, при гексагональной плотневшей упаковке — гексагональная решетка. Кристаллы щелочных металлов, бария и некоторых переходных металлов образуют объемно центрированную кубическую решетку. Названия решеток соответствуют упаковке атомных остовов в вершинах и серединах граней элементарного куба, в виде гексагональной призмы и в вершинах и геометрическом центре элементарного куба.

Заполнение гранецентрированной кубической и гексагональной решеток атомными остовами является максимально возможным при данных геометрических размерах атомных остовов металлов поэтому такие виды упаковок атомов называются плотневшими. Плотневшим упаковкам атомов соответствует и максимальное координационное число решетки, т. е. число ближайших соседей, окружающих данный атомный остов в пространстве. Для кубической и гексагональной плотневших упаковок координационное число равно 12 в объемно центрированной кубической решетке координационное число равно 8.

Валентные электроны, отделившиеся от атомов металлов и оставившиеся в узлах решетки соответствующие атомные остовы (катионы), более или менее свободно перемещаются в пространстве между катионами и обусловливают металлическую электрическую проводимость металлов. По аналогии с молекулами газообразного вещества, совершающими хаотическое движение, подвижные электроны рассматривают как электронный газ в металле.

Устойчивость металлической решетки обеспечивается наличием электростатического притяжения между положительно заряженными атомными остовами и отрицательно заряженными подвижными электронами. Связывающие кулоновские силы действуют на все соседние атомные остовы равномерно и поэтому они менее прочные, чем силы направленного химического связывания в атомных кристаллических решетках. Вследствие этого большинство металлических простых веществ, в отличие от алмазоподобных веществ, имеют относительно низкие температуры плавления, например:

Сs Nа Sn РЬ А1 Ва Аg Сu Fе

т. пл., °С 29 98 232 328 660 727 962 985 1539

(Важнейшие исключения: Мо 2620, Rе 3190, W 3387 °С).

Подобно атомам в атомных решетках и ионам в ионных решетках, катионы в металлических решетках, не обладающие поступательным движением, постоянно совершают колебания вокруг положения узлов решетки. Амплитуда этих колебаний при нагревании возрастает, и при достижении температуры плавления металла решетка разрушается. Температура плавления металлов, как правило, возрастает с увеличением числа валентных электронов в их атомах и с уменьшением расстояния между атомными остовами в решетке — параметра решетки а.

кальций плавится при значительно более высокой температуре, чем калий, в основном по причине удвоенного числа валентных электронов (параметры их решетки почти одинаковы).

От упаковки кристаллических решеток зависит пластическая деформируемость (ковкость) металлов. Она тем выше, чем больше в металлической решетке плотневших шаровых слоев (плоскостей трансляции, т. е. плоскостей параллельного переноса слоев) и чем меньше пустот, тормозящих скольжение слоев. Наименьшая ковкость у металлов с гексагональной решеткой, промежуточная — с объемно центрированной кубической решеткой и наибольшая — с гранецентрированной кубической решеткой.

П р и м е р. При нагревании железа до 911°С низкотемпературная объемно центрированная кубическая решетка (так называемое a-железо) переходит в гранецентрированную кубическую решетку (так называемое g-железо); по этой причине раскаленное железо значительно легче поддается ковке.

При затвердевании металлических расплавов происходит массовая кристаллизация и возникает одновременно множество мелких кристалликов, они называются кристаллитами. Рост кристаллита протекает в окружении подобных мелких кристаллов, при этом исключается значительное увеличение размеров кристаллитов и поэтому они не видны визуально на изломе металла и образец металла кажется монолитным.

Смеси двух или более индивидуальных металлов называются сплавами. В сплавах могут присутствовать в небольших количествах и некоторые неметаллы. Распространенным методом получения сплавов является совместное нагревание их составных частей до полного расплавления смеси. Однако есть металлы, которые не сплавляются друг с другом в любых отношениях.

Металлические сплавы можно классифицировать так: твердые растворы внедрения; твердые растворы замещения; смеси индивидуальных кристаллов металлов; смеси кристаллов интерметаллических соединений.

В сплавах, представляющих собой твердые растворы внедрения рис. 20а СЛ. 30, часть межузельных полостей металлической кристаллической решетки занята атомами другого элемента (например, углерода). Такие примеси часто упрочняют сплав, например, чугун, сталь — железо, содержащее примесные атомы углерода, значительно тверже, чем чистое железо.

Дата добавления: 2013-12-13