МЕТАЛЕВИЙ ЗВ’ЯЗОК: ВЛАСТИВОСТІ, ЯК ВІН УТВОРЮЄТЬСЯ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Металева зв'язок є той , який утримує атоми металевих елементів близько один до одного. Він присутній у металах і визначає всі їх фізичні властивості, що характеризують їх як тверді, пластичні, ковкі матеріали та хороші провідники тепла та електрики.

З усіх хімічних зв’язків металевий зв’язок є єдиним, де електрони не розташовані виключно між парою атомів, а переміщуються між мільйонами у своєрідний клей або «море електронів», які міцно утримують їх. або згуртований.

Мідний металевий зв’язок

Наприклад, припустимо металеву мідь. У міді її атоми Cu віддають свої валентні електрони, утворюючи металевий зв’язок. Над цим зв’язком зображено катіони Cu ²⁺ (сині кола), оточені електронами (жовті кола). Електрони ще немає: вони рухаються по всьому мідному кристалу. Однак у металах ми говоримо формально не про катіони, а про нейтральні атоми металів.

Металевий зв’язок перевіряється шляхом вивчення властивостей металевих елементів, а також властивостей їх сплавів. Вони об'єднують низку блискучих, срібних, жорстких, твердих матеріалів, які також мають високі температури плавлення та кипіння.

Як утворюється металевий зв’язок?

Металевий зв’язок у цинку

Металевий зв’язок утворюється лише між однією сукупністю або групою атомів металу. Для того, щоб електрони переміщалися по всьому металевому кристалу, має бути "шосе", по якому вони можуть рухатися далі. Це розроблено з перекриття всіх атомних орбіталей сусідніх атомів.

Наприклад, розглянемо ряд атомів цинку, Zn ··· Zn ··· Zn ···. Ці атоми перекривають свої валентні атомні орбіталі для створення молекулярних орбіталей. У свою чергу, ці молекулярні орбіталі перетинаються з іншими орбіталями сусідніх атомів Zn.

Кожен атом цинку вносить два електрони, щоб внести свій внесок у металевий зв’язок. Таким чином, перекриття або об'єднання молекулярних орбіталей та атоми, подаровані цинком, походять від «шосе», за допомогою якого електрони переміщуються по всьому кристалу так, ніби вони є клеєм або морем електронів, покриваючи або купаючи всі металеві атоми.

Властивості металевого зв’язку

Структури

Металевий зв’язок зароджується компактними структурами, де атоми тісно об'єднані, без великої відстані, яка їх розділяє. Залежно від типу питомої структури бувають різні кристали, деякі більш щільні, ніж інші.

У металевих структурах мова йде не про молекули, а про нейтральні атоми (або катіони, відповідно до інших перспектив). Повертаючись до прикладу міді, у її ущільнених кристалах немає молекул Cu ₂ з ковалентним зв’язком Cu-Cu.

Реорганізація

Металевий зв’язок має властивість реорганізуватися. Цього не відбувається з ковалентними та іонними зв’язками. Якщо ковалентний зв’язок розірветься, він не перетвориться так, ніби нічого не сталося. Також електричні заряди на іонному зв’язку незмінні, якщо не відбудеться хімічна реакція.

Розглянемо для прикладу металеву ртуть для пояснення цього пункту.

Металевий зв’язок між двома сусідніми атомами ртуті, Hg ··· Hg, може розірватися та утворюватися з іншим сусіднім атомом, якщо кристал зазнає зовнішньої сили, яка його деформує.

Таким чином, зв’язок реорганізується, поки скло зазнає деформації. Це надає металам властивості бути пластичними та ковкими матеріалами. Інакше вони зламаються, як шматочки скла або кераміки, навіть коли гарячі.

Теплова та електрична електропровідність

Властивість металевого зв’язку, що має електрони, що переробили електрони, також дає металам можливість проводити тепло та електрику. Це тому, що, оскільки електрони делокалізовані і рухаються скрізь, вони ефективно передають атомні коливання так, ніби це хвиля. Ці коливання переводяться в тепло.

З іншого боку, коли електрони рухаються, позаду залишаються порожні місця, які можуть займати інші, тим самим маючи електронну вакансію, через яку більше електронів може «бігати» і таким чином породжувати електричний струм.

В принципі, не звертаючись до фізичних теорій, що стоять за явищем, це загальне пояснення електропровідності металів.

Металевий блиск

Делокалізовані та рухливі електрони також можуть взаємодіяти з фотонами та відкидати їх у видимому світлі. Залежно від щільності та поверхні металу він може проявляти різні відтінки сірого або сріблястого або навіть райдужні блискітки. Найбільш винятковими є випадки з міді, ртуті та золота, які поглинають фотони певних частот.

Електроніка

Для розуміння металевого зв’язку необхідно зрозуміти, що мається на увазі під делокалізацією електронів. Визначити, де електрони, неможливо. Однак можна підрахувати, в якій області простору вони можуть бути знайдені. У ковалентному зв’язку AB пара електронів розподіляється в просторі, який розділяє атоми А і В; Потім, як кажуть, вони розташовані між A і B.

Однак у металевому зв'язку АВ не можна сказати, що електрони поводяться так само, як у ковалентному зв'язку АВ. Вони не розташовані між двома специфічними атомами А і В, але розсіяні або спрямовані до інших частин твердого тіла, де також є ущільнені, тобто тісно пов'язані атоми А і В.

Коли це так, говорять, що електрони металевого зв’язку є delocalized: вони рухаються в будь-якому напрямку, де є атоми A і B, як показано на першому зображенні з атомами міді та їхніми електронами.

Тому в металевому зв’язку ми говоримо про делокалізацію цих електронів, і ця характеристика відповідає за багато властивостей, які мають метали. На ній також базується теорія моря електронів.

Приклади металевих зв’язків

Деякі поширені металеві ланки в повсякденному житті:

- Металеві елементи

Цинк

Металевий зв’язок у цинку

У цинку перехідний метал, його атоми пов'язані металевим зв’язком.

Золото (Au)

Чисте золото, як і сплави цього матеріалу з міддю та сріблом, в даний час дуже застосовується у вишуканих ювелірних виробах.

Мідь (Cu)

Цей метал широко застосовується в електричному застосуванні, завдяки чудовим властивостям електропровідності.

Срібло (Ag)

Враховуючи свої властивості, цей метал широко застосовується як в образотворчих ювелірних виробах, так і в промисловій галузі.

Нікель (Ni)

У чистому стані його зазвичай використовують для виготовлення монет, акумуляторів, ливарних чи різних металевих деталей.

Кадмій (кд)

Це дуже токсичний матеріал і використовується при виготовленні акумуляторів.

Платина (Pt)

Його використовують як в тонких ювелірних виробах (сплави із золотом), так і у виробництві лабораторних вимірювальних приладів та зубних імплантатів.

Титан (Ti)

Цей метал зазвичай використовується в машинобудуванні, а також у виробництві остеосинтетичних імплантатів, промисловому застосуванні та ювелірних виробах.

Свинець (Pb)

Цей матеріал використовується при виробництві електричних провідників, точніше, для виготовлення зовнішньої куртки телефонних та телекомунікаційних кабелів.

- Металеві сполуки

Звичайна сталь

В результаті реакції заліза з вуглецем утворюється звичайна сталь - матеріал, набагато стійкіший до механічних навантажень порівняно з залізом.

Нержавіюча сталь

Варіант вищевказаного матеріалу можна знайти, комбінуючи звичайну сталь з перехідними металами, такими як хром і нікель.

Бронза

Він виробляється комбінуванням міді з оловом, приблизно в 88% і 12% відповідно. Його використовують у виготовленні монет, інструментів та публічних прикрас.

Ртутні сплави

Різні сплави ртуті з іншими перехідними металами, такими як срібло, мідь і цинк, виробляють амальгами, що застосовуються в стоматології.

Хром платиновий сплав

Цей вид сплаву широко застосовується для виготовлення лез.

Піельтре

Цей сплав з олова, сурми, конверта та вісмуту зазвичай використовується для виготовлення домашнього посуду.

Латунь

Він утворюється комбінуванням міді з цинком у пропорції 67% та 33% відповідно. Застосовується при виготовленні апаратних предметів.

Море електронної теорії

Просте зображення моря електронів. Джерело: Мускід

Зображення вище ілюструє концепцію електронного моря. Відповідно до теорії моря електронів, металеві атоми проливають свої валентні електрони (негативні заряди), щоб стати атомними іонами (позитивні заряди). Вивільнені електрони стають частиною моря, в якому вони дерокалізуються на кожен дюйм металевого кристала.

Однак це не означає, що метал складається з іонів; його атоми насправді нейтральні. Ми говоримо не про іони Hg ⁺ у рідкій ртуті, а про нейтральні атоми Hg.

Інший спосіб візуалізації моря електронів - припущення нейтральності атомів. Таким чином, хоча вони надають своїм електронам визначати металевий зв’язок, який утримує їх міцно згуртованим, вони також моментально отримують інші електрони з інших областей кристала, так що вони ніколи не набувають позитивного заряду.

Ця теорія пояснює, чому метали пластичні, ковкі, і як зв’язки можна переставляти, щоб дозволити деформацію кристала без розриву. Деякі люди називають це море електронів «електронним цементом», оскільки воно здатне рухатися, але в нормальних умовах воно твердне і утримує металеві атоми міцними і нерухомими.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
3. Вікіпедія. (2020). Металеве склеювання. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Редактори Encyclopeedia Britannica. (4 квітня 2016 р.). Металевий зв’язок. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
5. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (29 січня 2020 р.). Металевий зв’язок: визначення, властивості та приклади. Відновлено з: thinkco.com
6. Джим Кларк. (29 вересня 2019 р.). Металеве склеювання Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
7. Мері Еллен Елліс. (2020). Що таке металевий облігація? - Визначення, властивості та приклади. Вивчення. Відновлено з: study.com