МЕТАЛІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК

Більшість елементів у вільному стані є металами. Крім ртуті, за звичайних умов вони є твердими речовинами густиною від 0,53 г/см³ (літій) до 22,48 г/см³ (осмій). Залежно від густини їх поділяють на легкі (r < 5 г/см³) і важкі (r > 5 г/см³). У широких межах змінюються і температури плавлення металів: від –35 °С (ртуть) до 440 °С (реній). Легкоплавкими вважають метали, що мають температуру плавлення до 1000°С, тугоплавкими — понад 1500°С.

Кристалічна структура металів характеризується високими координаційними числами (8; 12). Найтиповішими для металів є структури трьох типів: кубічна (d -метали I i VIII груп періодич­ної системи); кубічна об’ємноцентрована (лужні метали, d -метали V групи) і гексагональна (Be, Mg, Tc, Re та ін.).

До металів належать усі s -елементи (за винятком водню і ге­лію), усі d - та f -, а також деякі p -елементи (алюміній, галій, свинець та ін.).

Для металів характерні певні властивості, що відрізняють їх від неметалів, зокрема яскрава, блискуча поверхня, що зумовлено значною здатністю до відбивання сонячних променів, високі електро- і теплопровідність, пластичність, порівняно низькі енергії іонізації атомів, тобто здатність легко віддавати валентні електрони і перетворюватись на позитивно заряджені іони.

Значення електропровідності деяких речовин різної природи наведено нижче.

Речовина	Тип кристала	Електрична провідність, 1/(Ом•см)
Срібло	Металічний	6•10^5
Хлорид натрію	Іонний	10^-7
Алмаз	Ковалентний	10^-14

Висока електропровідність металів свідчить про наявність у їхній структурі електронів, здатних вільно переміщуватись по всьому кристалу. Зв’язок у металах не можна віднести до іон­ного, оскільки мали б утворюватися тільки однаково заряджені іони. Цей зв’язок не можна також вважати ковалентним, бо останній утворюється за рахунок локалізованих електронних пар. У металічних кристалах наявний особливий тип зв’язку — металічний.

Природу металічного зв’язку пояснює зонна теорія криста­лів. В її основу покладено метод молекулярних орбіталей, розвинутий для системи з дуже великим числом взаємодіючих ато­мів (близьким до сталої Авогадро).

Для розуміння теорії слід уявити, що ізольовані атоми одного елемента конденсуються з газоподібного стану в тверду кристалічну фазу. Доки вони були віддаленими, їхні електронні конфігурації мали однакову будову, але в міру їх зближення між ними зростає взаємодія, що супроводжується перекриванням подібних між собою атомних орбіталей. За методом молекулярних орбіталей це приводить до створення з кожної пари початково енергетично рівноцінних атомних орбіталей двох молекулярних: зв’язувальної з нижчою енергією та розпушувальної — з вищою. У разі взаємодії n орбіталей одного атома з n орбі­талями іншого утворюється n зв’язувальних і n розпушувальних орбіталей. Подальші приєднання атомів зумовлюють виникнення нових молекулярних орбіталей, і відповідні їм енергетичні рівні розміщуються поблизу попередньо створених. Чим більше атомів у системі, тим більше молекулярно–орбітальних станів. Нарешті, коли число взаємодіючих атомів стає дуже великим
(~ 10²³), у кристалі створюється сукупність надзвичайно близьких один до одного енергетичних рівнів молекулярних орбіта­лей. Енергетична відмінність між ними настільки мала (майже 10^-22 еВ), що утворюється практично безперервна енергетична зона, яка охоплює увесь кристал.

Для прикладу розглянемо металічний зв’язок у кристалі лі­тію (2 s ¹). Кристал має об’ємноцентровану кубічну структуру (ко­ординаційне число 8), в якій одноелектронна 2 s -орбіталь кожного атома спочатку перекривається з такими самими орбіта­лями восьми найближчих атомів. Далі відбувається перекривання орбіталей за участю більш віддалених атомів до утворення просторової енергетичної зони.

Запитання для самоконтролю

1. Визначити ковалентний полярний і неполярний зв'язок. Наведіть приклади.

2. Охарактеризуйте механізм утворення донорно-акцепторного ковалентного зв’язку.

3. Сформулюйте напрямленість ковалентного зв’язку.

4. Охарактеризуйте гібридизацію атомних електронних орбіталей.

5. Визначити механізм утворення йонного зв’язку. Що називається диполем?

6. Визначити водневий зв'язок. Наведіть приклади.

7. Охарактеризуйте металічний зв'язок. Наведіть приклади.

8. Які сили міжмолекулярної взаємодії вам відомі?

9. Сформулюйте агрегатні стани речовин.

10. Яка залежність існує між типом кристалічних ґраток і хімічним зв’язком?

Дата добавления: 2014-01-05