Металната връзка е многоцентрова връзка, която съществува в металите и техните сплави между положително заредени йони и валентни електрони, които са общи за всички йони и се движат свободно през кристала.
Те имат малък брой валентни електрони и ниска йонизация. Тези електрони, поради големите радиуси на металните атоми, са доста слабо свързани с техните ядра и могат лесно да се отделят от тях и да станат общи за целия метален кристал. В резултат на това в кристалната решетка на метала се появяват положително заредени метални йони и електронен газ - набор от подвижни електрони, които свободно се движат около металния кристал.
В резултат на това металът е серия от положителни йони, локализирани в определени позиции, и голям брой електрони, които се движат относително свободно в полето на положителните центрове. Пространствената структура на металите е кристал, който може да бъде представен като клетка с положително заредени йони във възлите, потопени в отрицателно зареден електронен газ. Всички атоми даряват валентните си електрони за образуването на електронен газ; те се движат свободно вътре в кристала, без да прекъсват химическата връзка.
Теорията за свободното движение на електрони в кристалната решетка на металите беше експериментално потвърдена от опита на Толман и Стюарт (през 1916 г.): по време на рязко забавяне на преди това неусукана намотка с намотана жица, свободните електрони продължават да се движат по инерция за известно време и по това време амперметърът, включен в намотките на веригата, регистрира импулса на електрически ток.
Разновидности на модели метална връзка
Признаци на метална връзка са следните характеристики:
- Мултиелектронност, тъй като всички валентни електрони участват в образуването на метална връзка;
- Многоцентрова или делокализация - връзката свързва едновременно голям брой атоми, съдържащи се в метален кристал;
- Изотропия, или ненасоченост - поради безпрепятственото движение на електронния газ във всички посоки едновременно, металната връзка е сферично симетрична.
Металните кристали образуват главно три вида кристални решетки, но някои метали, в зависимост от температурата, могат да имат различни структури.
Кристални решетки на метали: а) кубични гранецентрирани (Cu, Au, Ag, Al); б) кубично тялоцентрирано (Li, Na, Ba, Mo, W, V); в) шестоъгълни (Mg, Zn, Ti, Cd, Cr) Метална връзка съществува в кристали и стопилки на всички метали и сплави. AT чиста формахарактерен е за алкалните и алкалоземните метали. В преходните d-метали връзката между атомите е частично ковалентна.
Поради наличието на свободни електрони (електронен газ) и равномерното им разпределение в кристала, металното свързване води до характерните общи свойства на металите и сплавите, по-специално висока топлинна и електрическа проводимост, пластичност (т.е. способността да се изпитват деформации без разрушаване при нормално или повишено), непрозрачност и метален блясък поради способността им да отразяват светлината.
Между металните атоми възниква метална връзка. Характерна особеност на металните атоми е малък брой електрони във външното енергийно ниво, слабо задържани от ядрото, и голям брой свободни атомни орбитали с подобни енергии, така че металната връзка е ненаситена.
Валентните електрони участват в образуването на връзки с 8 или 12 атома наведнъж (според координационния брой на металните атоми). При тези условия валентните електрони с ниска йонизационна енергия се движат по наличните орбитали на всички съседни атоми, осигурявайки връзка между тях.
метална връзка характеризиращ се със слабо взаимодействие на общите електрони с ядрата на свързаните атоми и пълната делокализация на тези електрони между всички атоми в кристала, което осигурява стабилността на тази връзка.
Схема на образуване на метална връзка (М - метал):
M 0 - ne M n +
Металите имат специална кристална решетка, в чиито възли има както неутрални, така и положително заредени метални атоми, между които социализираните електрони („електронен газ“) се движат свободно (в рамките на кристала). Движението на общите електрони в металите се извършва по набор от молекулни орбитали, които са възникнали поради сливането на голям брой свободни орбитали на свързаните атоми и покриващи много атомни ядра. В случай на метална връзка е невъзможно да се говори за нейната насоченост, тъй като общите електрони са равномерно делокализирани в целия кристал.
Структурните характеристики на металите определят техните характерни физични свойства: твърдост, пластичност, висока електрическа и топлопроводимост, както и специален метален блясък.
Металната връзка е характерна за металите не само в твърдо състояние, но и в течно състояние, т.е. това е свойство на агрегати от атоми, разположени в непосредствена близост един до друг. В газообразно състояние металните атоми са свързани помежду си чрез една или повече ковалентни връзки в молекули, например Li 2 (Li–Li), Be 2 (Be = Be), Al 4 - всеки алуминиев атом е свързан с три други, за да образува тетраедрична структура:
4. Водородна връзка
Водородната връзка е специален тип връзка, която е уникална за водородните атоми. Това се случва, когато водороден атом е свързан с атом на най-електроотрицателните елементи, предимно флуор, кислород и азот. Помислете за образуването на водородна връзка на примера на флуороводород. Електроотрицателният водороден атом има само един електрон, благодарение на който може да образува ковалентна връзка с флуорния атом. В този случай възниква молекула флуороводород H-F, в която общата електронна двойка се измества към флуорния атом.
В резултат на това разпределение на електронната плътност молекулата на флуороводорода е дипол, положителният полюс на който е водороден атом. Поради факта, че свързващата електронна двойка е изместена към флуорния атом, тя се освобождава частично 1 с-орбитала на водородния атом и ядрото му е частично открито. Във всеки друг атом положителният заряд на ядрото след отстраняването на валентните електрони е екраниран от вътрешни електронни обвивки, които осигуряват отблъскване на електронните обвивки на други атоми. Водородният атом няма такива обвивки, неговото ядро е много малка (субатомна) положително заредена частица - протон (диаметърът на протона е около 10 5 пъти по-малък от диаметрите на атомите и поради липсата на електрони в него той се привлича от електронната обвивка на други електрически неутрални или отрицателно заредени атоми).
Силата на електрическото поле в близост до частично "голия" водороден атом е толкова голяма, че може активно да привлича отрицателния полюс на съседната молекула. Тъй като този полюс е флуорният атом, който има три несвързани електронни двойки, и с- орбиталата на водородния атом е частично свободна, тогава възниква донорно-акцепторно взаимодействие между положително поляризирания водороден атом на една молекула и отрицателно поляризирания флуорен атом на съседната молекула.
Така в резултат на съвместното електростатично и донорно-акцепторно взаимодействие възниква допълнителна втора връзка с участието на водороден атом. Това е, което е водородна връзка, …H–F H–F…
Различава се от ковалентния по енергия и дължина. Водородните връзки са по-дълги и по-малко здрави от ковалентните връзки. Енергията на водородната връзка е 8–40 kJ/mol, а тази на ковалентната връзка е 80–400 kJ/mol. В твърдия флуороводород дължината на ковалентната връзка H–F е 95 pm, дължината на водородната връзка FH е 156 pm. Благодарение на водородната връзка между HF молекулите, твърдите кристали на флуороводород се състоят от безкрайни плоски зигзагообразни вериги, тъй като системата от три атома, образувана от водородна връзка, обикновено е линейна.
Водородните връзки между HF молекулите са частично запазени в течен и дори в газообразен флуороводород.
Водородната връзка условно се записва като три точки и се изобразява по следния начин:
където X, Y са F, O, N, Cl, S атоми.
Енергията и дължината на водородната връзка се определят от диполния момент на H–X връзката и размера на атома Y. Дължината на водородната връзка намалява и нейната енергия се увеличава с увеличаване на разликата между електроотрицателностите на атомите X и Y (и съответно диполния момент на връзката H–X) и с намаляване на размера на атома Y.
Водородните връзки се образуват и между молекули, в които има O-H връзки (например вода H 2 O, перхлорна киселина HClO 4, азотна киселина HNO 3, карбоксилни киселини RCOOH, фенол C 6 H 5 OH, алкохоли ROH) и N–H (например амоняк NH 3, тиоцианова киселина HNCS, органични амиди RCONH 2 и амини RNH 2 и R 2 NH).
Веществата, чиито молекули са свързани с водородни връзки, се различават по свойствата си от вещества, които са подобни на тях в структурата на молекулите, но не образуват водородни връзки. Точки на топене и кипене на хидриди елементи от групата IVA, в които няма водородни връзки, постепенно намаляват с намаляване на номера на периода (фиг. 15).В хидридите на елементи от групи VA-VIIA тази зависимост е нарушена. Три вещества, чиито молекули са свързани с водородни връзки (амоняк NH3, вода H2O и флуороводород HF), имат много по-високи точки на топене и кипене от техните двойници (фиг. 15). В допълнение, тези вещества имат по-широк температурен диапазон на съществуване в течно състояние, по-високи топлини на топене и изпарение.
Водородната връзка играе важна роля в процесите на разтваряне и кристализация на веществата, както и при образуването на кристалохидрати.
Водородните връзки могат да се образуват не само между молекулите (междумолекулна водородна връзка, MVS) , както е в примерите, обсъдени по-горе, но също и между атоми на една и съща молекула (вътремолекулна водородна връзка, VVS) . Например, поради вътремолекулни водородни връзки между водородните атоми на аминогрупите и кислородните атоми на карбонилните групи, полипептидните вериги, които образуват протеиновите молекули, имат спирална форма.
снимка??????????????
Водородните връзки играят огромна роля в процесите на редупликация и биосинтеза на протеини. Двете вериги на двойната спирала на ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) се държат заедно чрез водородни връзки. В процеса на редупликация тези връзки се разкъсват. По време на транскрипцията синтезът на РНК (рибонуклеинова киселина) с помощта на ДНК като матрица също се случва поради възникването на водородни връзки. И двата процеса са възможни, тъй като водородните връзки се образуват лесно и лесно се разрушават.
Ориз. 15. Точки на топене ( а) и кипене ( b) хидриди на елементи от групи IVА-VIIA.
Йонна връзка
(използвани са материали от уебсайта http://www.hemi.nsu.ru/ucheb138.htm)
Йонното свързване се осъществява чрез електростатично привличане между противоположно заредени йони. Тези йони се образуват в резултат на прехвърлянето на електрони от един атом към друг. Йонна връзка се образува между атоми, които имат големи разлики в електроотрицателността (обикновено по-голяма от 1,7 по скалата на Полинг), например между алкални метали и халогени.
Нека разгледаме появата на йонна връзка, използвайки примера за образуване на NaCl.
От електронните формули на атомите
Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 и
Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5
Може да се види, че за завършване на външното ниво е по-лесно за натриевия атом да отдаде един електрон, отколкото да добави седем, а за хлорния атом е по-лесно да добави един, отколкото да отдаде седем. При химичните реакции натриевият атом отдава един електрон, а хлорният атом го приема. Като резултат електронни обвивкинатриевите и хлорните атоми се превръщат в стабилни електронни обвивки на благородни газове (електронната конфигурация на натриевия катион
Na + 1s 2 2s 2 2p 6 ,
и електронната конфигурация на хлорния анион
Cl – - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6).
Електростатичното взаимодействие на йони води до образуването на молекулата на NaCl.
Естеството на химичната връзка често се отразява в състоянието на агрегиране и физичните свойства на веществото. Йонни съединения като натриев хлорид NaCl са твърди и огнеупорни, защото има мощни сили на електростатично привличане между зарядите на техните "+" и "-" йони.
Отрицателно зареденият хлориден йон привлича не само "своя" Na + йон, но и други натриеви йони около него. Това води до факта, че близо до всеки от йоните няма един йон с противоположен знак, а няколко.
Структурата на кристала натриев хлорид NaCl.
Всъщност има 6 натриеви йона около всеки хлориден йон и 6 хлоридни йона около всеки натриев йон. Такава подредена опаковка от йони се нарича йонен кристал. Ако отделен хлорен атом е изолиран в кристал, тогава сред околните натриеви атоми вече не е възможно да се намери този, с който хлорът е реагирал.
Привлечени един към друг от електростатични сили, йоните са изключително неохотни да променят местоположението си под въздействието на външна сила или повишаване на температурата. Но ако натриевият хлорид се разтопи и продължи да се нагрява във вакуум, тогава той се изпарява, образувайки двуатомни молекули NaCl. Това предполага, че силите на ковалентно свързване никога не се изключват напълно.
Основните характеристики на йонната връзка и свойствата на йонните съединения
1. Йонната връзка е силна химична връзка. Енергията на тази връзка е около 300 – 700 kJ/mol.
2. За разлика от ковалентната връзка, йонната връзка е ненасочена, тъй като йонът може да привлича към себе си йони с противоположен знак във всяка посока.
3. За разлика от ковалентната връзка, йонната връзка е ненаситена, тъй като взаимодействието на йони с противоположен знак не води до пълна взаимна компенсация на техните силови полета.
4. В процеса на образуване на молекули с йонна връзка няма пълен трансфер на електрони, следователно 100% йонна връзка не съществува в природата. В молекулата на NaCl химичната връзка е само 80% йонна.
5. Йонните съединения са кристални твърди вещества с високи точки на топене и кипене.
6. Повечето йонни съединения се разтварят във вода. Разтвори и стопилки на йонни съединения провеждат електрически ток.
метална връзка
Металните кристали са подредени по различен начин. Ако разгледате парче метален натрий, ще откриете, че външно той е много различен от трапезната сол. Натрият е мек метал, лесно се реже с нож, сплесква се с чук, лесно се разтопява в чаша на спиртна лампа (точка на топене 97,8 o C). В натриев кристал всеки атом е заобиколен от осем други подобни атома.
Структурата на кристала на металния Na.
От фигурата се вижда, че Na атомът в центъра на куба има 8 най-близки съседи. Но същото може да се каже за всеки друг атом в кристал, тъй като всички те са еднакви. Кристалът се състои от "безкрайно" повтарящи се фрагменти, показани на тази снимка.
Металните атоми на външно енергийно ниво съдържат малък брой валентни електрони. Тъй като енергията на йонизация на металните атоми е ниска, валентните електрони се задържат слабо в тези атоми. В резултат на това в кристалната решетка на металите се появяват положително заредени йони и свободни електрони. В този случай металните катиони се намират във възлите на кристалната решетка, а електроните се движат свободно в полето на положителните центрове, образувайки така наречения "електронен газ".
Наличието на отрицателно зареден електрон между два катиона води до факта, че всеки катион взаимодейства с този електрон.
По този начин, метална връзка е връзка между положителни йони в метални кристали, която се осъществява чрез привличане на електрони, които се движат свободно в целия кристал.
Тъй като валентните електрони в метала са равномерно разпределени в кристала, металната връзка, подобно на йонната, е ненасочена връзка. За разлика от ковалентната връзка, металната връзка е ненаситена връзка. Металната връзка се различава от ковалентната връзка и по сила. Енергията на металната връзка е около три до четири пъти по-малка от енергията на ковалентната връзка.
Поради високата подвижност на електронния газ, металите се характеризират с висока електрическа и топлопроводимост.
Металният кристал изглежда достатъчно прост, но неговата електроника всъщност е по-сложна от тази на кристалите. йонни соли. На външната електронна обвивка на металните елементи няма достатъчно електрони, за да образуват пълноценна "октетна" ковалентна или йонна връзка. Следователно в газообразно състояние повечето метали се състоят от едноатомни молекули (т.е. отделни, несвързани атоми). Типичен пример са живачните пари. По този начин метална връзка между металните атоми възниква само в течно и твърдо състояние на агрегат.
Металната връзка може да се опише по следния начин: някои от металните атоми в получения кристал предават валентните си електрони в пространството между атомите (в натрия е ... 3s1), превръщайки се в йони. Тъй като всички метални атоми в кристала са еднакви, всеки от тях има равен шанс да загуби валентен електрон.
С други думи, преходът на електрони между неутрални и йонизирани метални атоми става без консумация на енергия. В този случай част от електроните винаги се озовават в пространството между атомите под формата на "електронен газ".
Тези свободни електрони, първо, държат металните атоми на определено равновесно разстояние един от друг.
Второ, те придават на металите характерен "метален блясък" (свободните електрони могат да взаимодействат със светлинните кванти).
Трето, свободните електрони осигуряват на металите добра електропроводимост. Високата топлопроводимост на металите се обяснява и с наличието на свободни електрони в междуатомното пространство - те лесно "реагират" на промените в енергията и допринасят за нейния бърз трансфер в кристала.
Опростен модел на електронната структура на метален кристал.
******** На примера на металния натрий, нека разгледаме природата на металната връзка от гледна точка на идеите за атомните орбитали. Натриевият атом, подобно на много други метали, има липса на валентни електрони, но има свободни валентни орбитали. Единственият 3s електрон на натрия е в състояние да се придвижи до някоя от свободните и близки по енергия съседни орбитали. Когато атомите в един кристал се приближават един към друг, външните орбитали на съседните атоми се припокриват, поради което дарените електрони се движат свободно в целия кристал.
„Електронният газ“ обаче съвсем не е разстроен, както може да изглежда. Свободните електрони в метален кристал са в припокриващи се орбитали и са социализирани до известна степен, образувайки вид ковалентни връзки. Натрият, калият, рубидият и другите метални s-елементи просто имат малко споделени електрони, така че техните кристали са крехки и топими. С увеличаване на броя на валентните електрони силата на металите като правило се увеличава.
По този начин елементите са склонни да образуват метална връзка, чиито атоми на външните обвивки имат малко валентни електрони. Тези валентни електрони, които осъществяват металната връзка, са социализирани до такава степен, че могат да се движат през целия метален кристал и осигуряват висока електрическа проводимост на метала.
Кристалът NaCl не провежда електричество, тъй като в пространството между йоните няма свободни електрони. Всички електрони, дарени от натриевите атоми, здраво задържат хлоридни йони около себе си. Това е една от основните разлики между йонните кристали и металните.
Това, което сега знаете за металната връзка, обяснява и високата ковкост (пластичност) на повечето метали. Металът може да бъде сплескан в тънък лист, изтеглен в тел. Факт е, че отделни слоеве от атоми в метален кристал могат сравнително лесно да се плъзгат един върху друг: подвижният „електронен газ“ постоянно омекотява движението на отделните положителни йони, като ги предпазва един от друг.
Разбира се, нищо подобно не може да се направи с готварска сол, въпреки че солта също е кристално вещество. В йонните кристали валентните електрони са здраво свързани с ядрото на атома. Преместването на един слой йони спрямо друг води до сближаване на йони с еднакъв заряд и предизвиква силно отблъскване между тях, което води до разрушаване на кристала (NaCl е крехко вещество).
Изместването на слоевете на йонния кристал причинява появата на големи отблъскващи сили между подобни йони и разрушаването на кристала.
Навигация
- Решаване на комбинирани задачи по количествените характеристики на веществото
- Разрешаване на проблем. Законът за постоянството на състава на веществата. Изчисления, използващи понятията "моларна маса" и "химическо количество" на веществото
Всички известни в момента химични елементи, разположени в периодичната таблица, са условно разделени на две големи групи: метали и неметали. За да станат не просто елементи, а връзки, химикали, биха могли да взаимодействат помежду си, те трябва да съществуват под формата на прости и сложни вещества.
Именно за това някои електрони се опитват да приемат, докато други - да дават. Допълвайки се по този начин, елементите и формата са различни химични молекули. Но какво ги държи заедно? Защо има вещества с такава сила, които дори и най-сериозните инструменти не могат да унищожат? А други, напротив, се унищожават от най-малкото въздействие. Всичко това се обяснява с образуването на различни видове химични връзки между атомите в молекулите, образуването на кристална решетка с определена структура.
Видове химични връзки в съединенията
Общо могат да се разграничат 4 основни типа химични връзки.
- Ковалентен неполярен. Образува се между два идентични неметала поради социализацията на електроните, образуването на общи електронни двойки. В образуването му участват валентни несдвоени частици. Примери: халогени, кислород, водород, азот, сяра, фосфор.
- ковалентен полярен. Образува се между два различни неметала или между метал с много слаби свойства и неметал със слаба електроотрицателност. Също така се основава на общи електронни двойки и тяхното придърпване към себе си от този атом, чийто електронен афинитет е по-висок. Примери: NH 3, SiC, P 2 O 5 и др.
- Водородна връзка. Най-нестабилният и слаб, той се образува между силно електроотрицателен атом на една молекула и положителен на друга. Най-често това се случва, когато вещества се разтварят във вода (алкохол, амоняк и т.н.). Благодарение на тази връзка могат да съществуват протеинови макромолекули, нуклеинова киселина, сложни въглехидрати и др.
- Йонна връзка. Образува се поради силите на електростатично привличане на различно заредени йони на метали и неметали. Колкото по-силна е разликата в този показател, толкова по-изразен е йонният характер на взаимодействието. Примери за съединения: бинарни соли, комплексни съединения - основи, соли.
- Метална връзка, чийто механизъм на образуване, както и свойствата, ще бъдат обсъдени допълнително. Образува се в метали, техните сплави от различни видове.
Има такова нещо като единството на химичната връзка. Той просто казва, че е невъзможно да се разглежда всяка химическа връзка като еталон. Всички те са само номинални единици. В края на краищата всички взаимодействия се основават на един принцип - статично взаимодействие на електрони. Следователно йонните, металните, ковалентните връзки и водородните връзки имат една химическа природа и са само гранични случаи една на друга.
Метали и техните физични свойства
Металите са в огромното мнозинство сред всички химични елементи. Това се дължи на техните специални свойства. Значителна част от тях са получени от човека чрез ядрени реакции в лаборатория, те са радиоактивни с кратък период на полуразпад.
Повечето обаче са естествени елементи, които образуват цяло скалии руди, са част от най-важните съединения. От тях хората се научиха да леят сплави и да правят много красиви и важни продукти. Това са мед, желязо, алуминий, сребро, злато, хром, манган, никел, цинк, олово и много други.
За всички метали могат да се разграничат общи физични свойства, които се обясняват със схемата за образуване на метална връзка. Какви са тези свойства?
- ковкост и пластичност. Известно е, че много метали могат да бъдат валцувани дори до състоянието на фолио (злато, алуминий). От други се получават тел, метални гъвкави листове, продукти, които могат да се деформират при физическо въздействие, но веднага възстановяват формата си след прекратяването му. Именно тези качества на металите се наричат ковкост и пластичност. Причината за тази особеност е металният тип връзка. Йоните и електроните в кристала се плъзгат един спрямо друг, без да се счупят, което прави възможно запазването на целостта на цялата структура.
- Метален блясък. Той също така обяснява металната връзка, механизма на образуване, нейните характеристики и особености. Така че не всички частици са в състояние да абсорбират или отразяват светлинни вълни с еднаква дължина на вълната. Атомите на повечето метали отразяват лъчи с къса дължина на вълната и придобиват почти същия цвят на сребро, бяло, бледо синкаво. Изключение правят медта и златото, цветът им е съответно червеникаво-червен и жълт. Те са в състояние да отразяват радиация с по-голяма дължина на вълната.
- Топлинна и електропроводимост. Тези свойства се обясняват и със структурата на кристалната решетка и факта, че при нейното образуване се реализира метален тип връзка. Благодарение на „електронния газ“, движещ се вътре в кристала, електрическият ток и топлината се разпределят незабавно и равномерно между всички атоми и йони и се провеждат през метала.
- Твърдо агрегатно състояние при нормални условия. Единственото изключение тук е живакът. Всички останали метали са задължително здрави, твърди съединения, както и техните сплави. Това също е резултат от наличието на метална връзка в металите. Механизмът на образуване на този тип свързване на частиците напълно потвърждава свойствата.
Това са основните физически характеристикиза метали, който обяснява и дефинира точно схемата на образуване на метална връзка. Този метод на свързване на атоми е подходящ специално за елементи от метали, техните сплави. Тоест за тях в твърдо и течно състояние.
Химическа връзка от метален тип
Каква е неговата особеност? Работата е там, че такава връзка се образува не поради различни заредени йони и тяхното електростатично привличане, а не поради разликата в електроотрицателността и наличието на свободни електронни двойки. Тоест, йонните, металните, ковалентните връзки имат малко по-различен характер и отличителни черти на свързаните частици.
Всички метали имат следните характеристики:
- малък брой електрони на (с изключение на някои изключения, които могат да имат 6,7 и 8);
- голям атомен радиус;
- ниска йонизационна енергия.
Всичко това допринася за лесното отделяне на външните несдвоени електрони от ядрото. В този случай атомът има много свободни орбитали. Схемата за образуване на метална връзка просто ще покаже припокриването на множество орбитални клетки от различни атоми една с друга, които в резултат на това образуват общо вътрекристално пространство. В него се подават електрони от всеки атом, които започват да се скитат свободно в различни части на решетката. Периодично всеки от тях се прикрепя към йон на място на кристал и го превръща в атом, след което отново се отделя, образувайки йон.
По този начин металната връзка е връзка между атоми, йони и свободни електрони в общ метален кристал. Електронен облак, който се движи свободно в структурата, се нарича "електронен газ". Той обяснява повечето от металите и техните сплави.
Как точно се реализира метална химическа връзка? Могат да се дадат различни примери. Нека се опитаме да разгледаме парче литий. Дори да го вземете с размера на грахово зърно, ще има хиляди атоми. Нека си представим, че всеки от тези хиляди атоми отдава своя единствен валентен електрон на общото кристално пространство. В същото време, знаейки електронната структура на даден елемент, можете да видите броя на празните орбитали. Литият ще има 3 от тях (p-орбитали на второ енергийно ниво). Три за всеки атом от десетки хиляди - това е общото пространство вътре в кристала, в което "електронният газ" се движи свободно.
Вещество с метална връзка винаги е силно. В края на краищата, електронният газ не позволява на кристала да се срине, а само измества слоевете и веднага се възстановява. Той блести, има определена плътност (най-често висока), плавимост, ковкост и пластичност.
Къде другаде се реализира метална връзка? Примери за вещества:
- метали под формата на прости структури;
- всички метални сплави една с друга;
- всички метали и техните сплави в течно и твърдо състояние.
Има просто невероятен брой конкретни примери, защото в периодичната система има повече от 80 метала!
Метална връзка: механизъм на образуване
Ако го разгледаме в общи линии, тогава вече очертахме основните точки по-горе. Наличието на свободни електрони и такива, които лесно се отделят от ядрото поради ниската енергия на йонизация, са основните условия за образуването на този тип връзка. По този начин се оказва, че той се реализира между следните частици:
- атоми във възлите на кристалната решетка;
- свободни електрони, които са били валентни в метала;
- йони в местата на кристалната решетка.
Крайният резултат е метална връзка. Механизмът на образуване в общи линии се изразява със следната нотация: Me 0 - e - ↔ Me n+. От диаграмата е очевидно кои частици присъстват в металния кристал.
Самите кристали могат да имат различна форма. Зависи от конкретното вещество, с което имаме работа.
Видове метални кристали
Тази структура на метал или негова сплав се характеризира с много плътно опаковане на частици. Осигурява се от йони във възлите на кристала. Самите решетки могат да бъдат с различни геометрични форми в пространството.
- Обемноцентрична кубична решетка - алкални метали.
- Шестоъгълна компактна структура - всички алкалоземни елементи с изключение на барий.
- Гранецентрична кубична - алуминий, мед, цинк, много преходни метали.
- Ромбоедрична структура - в живака.
- Тетрагонален - индий.
Колкото по-ниско е разположен в периодичната система, толкова по-сложна е неговата опаковка и пространствена организация на кристала. В този случай металната химическа връзка, примери за която могат да бъдат дадени за всеки съществуващ метал, е определяща при изграждането на кристал. Сплавите имат много разнообразна организация в пространството, някои от които все още не са напълно разбрани.
Комуникационни характеристики: ненасочен
Ковалентните и металните връзки имат една много силно изразена отличителна черта. За разлика от първата, металната връзка не е насочена. Какво означава? Тоест, електронният облак вътре в кристала се движи напълно свободно в неговите граници в различни посоки, всеки от електроните може да се присъедини към абсолютно всеки йон във възлите на структурата. Тоест взаимодействието се осъществява в различни посоки. Следователно те казват, че металната връзка е ненасочена.
Механизмът на ковалентното свързване включва образуването на общи електронни двойки, тоест облаци от припокриващи се атоми. Освен това се случва строго по определена линия, свързваща центровете им. Следователно те говорят за посоката на такава връзка.
Насищаемост
Тази характеристика отразява способността на атомите да имат ограничено или неограничено взаимодействие с другите. И така, ковалентните и металните връзки в този индикатор отново са противоположни.
Първият е наситен. Атомите, участващи в образуването му, имат строго определен брой валентни външни електрони, които участват пряко в образуването на съединението. Повече, отколкото е, няма да има електрони. Следователно броят на образуваните връзки е ограничен от валентността. Оттук и насищането на връзката. Поради тази характеристика повечето съединения имат постоянен химичен състав.
Металните и водородните връзки, от друга страна, са ненаситени. Това се дължи на наличието на множество свободни електрони и орбитали вътре в кристала. Йоните също играят роля във възлите на кристалната решетка, всеки от които може да стане атом и отново йон по всяко време.
Друга характеристика на металната връзка е делокализацията на вътрешния електронен облак. Тя се проявява в способността на малък брой общи електрони да свързват много атомни ядра на металите. Това означава, че плътността изглежда делокализирана, разпределена равномерно между всички връзки на кристала.
Примери за образуване на връзка в метали
Нека да разгледаме няколко конкретни опции, които илюстрират как се образува метална връзка. Примери за вещества са както следва:
- цинк;
- алуминий;
- калий;
- хром.
Образуване на метална връзка между цинковите атоми: Zn 0 - 2e - ↔ Zn 2+. Атомът на цинка има четири енергийни нива. Свободни орбитали, въз основа на електронната структура, има 15 - 3 в p-орбитали, 5 в 4d и 7 в 4f. Електронна структураследното: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 0 4d 0 4f 0 , в атома има 30 електрона. Това означава, че две свободни валентни отрицателни частици могат да се движат в рамките на 15 просторни и незаети орбитали. И така е с всеки атом. В резултат - огромно общо пространство, състоящо се от празни орбитали и малък брой електрони, които свързват цялата структура заедно.
Метална връзка между алуминиеви атоми: AL 0 - e - ↔ AL 3+. Тринадесетте електрона на алуминиевия атом са разположени на три енергийни нива, които очевидно имат в излишък. Електронна структура: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3d 0 . Свободни орбитали - 7 бр. Очевидно електронният облак ще бъде малък в сравнение с общото вътрешно свободно пространство в кристала.
Метална връзка хром. Този елемент е специален в своята електронна структура. Наистина, за да стабилизира системата, електронът пада от 4s на 3d орбитала: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 4p 0 4d 0 4f 0 . Има общо 24 електрона, от които шест са валентни. Именно те отиват в общото електронно пространство, за да образуват химическа връзка. Има 15 свободни орбитали, което все още е много повече от необходимото за запълване. Следователно хромът също е типичен пример за метал със съответна връзка в молекулата.
Един от най-активните метали, реагиращ дори с обикновена вода със запалване, е калият. Какво обяснява тези свойства? Отново, в много отношения - метален тип връзка. Този елемент има само 19 електрона, но те вече са разположени на 4 енергийни нива. Тоест на 30 орбитали от различни поднива. Електронна структура: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 0 4p 0 4d 0 4f 0 . Само две с много ниска йонизационна енергия. Свалете се свободно и влезте в общото електронно пространство. Има 22 орбитали за преместване на един атом, тоест много голямо свободно пространство за "електронния газ".
Прилики и разлики с други видове взаимоотношения
Като цяло този въпрос вече беше обсъден по-горе. Можем само да обобщим и да направим извод. Основните отличителни черти на металните кристали от всички други видове комуникация са:
- няколко вида частици, участващи в процеса на свързване (атоми, йони или атом-йони, електрони);
- различна пространствена геометрична структура на кристалите.
При водородните и йонните връзки металната връзка е ненаситена и ненасочена. С ковалентен полярен - силно електростатично привличане между частиците. Отделно от йонните - вида на частиците във възлите на кристалната решетка (йони). С ковалентни неполярни - атоми във възлите на кристала.
Видове връзки в метали с различно агрегатно състояние
Както отбелязахме по-горе, металната химическа връзка, примери за която са дадени в статията, се образува в две агрегатни състоянияметали и техните сплави: твърди и течни.
Възниква въпросът: какъв тип връзка в металните пари? Отговор: ковалентен полярен и неполярен. Както във всички съединения, които са под формата на газ. Тоест при продължително нагряване на метала и прехвърлянето му от в твърдо състояниевръзките не се разпадат в течност и кристалната структура се запазва. Когато обаче става въпрос за прехвърляне на течност в състояние на пара, кристалът се разрушава и металната връзка се превръща в ковалентна.
В резултат на електростатично привличане между катиона и аниона се образува молекула.
Йонна връзка
Теорията за йонната връзка е предложена през 1916 ᴦ. немски учен В. Косел. Тази теория обяснява образуването на връзки между атоми на типични метали и атомитипичен неметали: CsF, CsCl, NaCl, KF, KCl, Na 2 O и др.
Според тази теория, когато се образува йонна връзка, атомите на типичните метали отдават електрони, а атомите на типичните неметали приемат електрони.
В резултат на тези процеси металните атоми се превръщат в положително заредени частици, които се наричат положителни йони или катиони; а атомите на неметалите се превръщат в отрицателни йони – аниони. Зарядът на катиона е равен на броя на отдадените електрони.
Металните атоми даряват електрони на външния слой и получените йони имат завършени електронни структури (предварителен външен електронен слой).
Стойността на отрицателния заряд на аниона е равна на броя на получените електрони.
Атомите на неметалите приемат толкова електрони, колкото им е необходимо завършване на електронен октет (външен електронен слой).
Например: общата схема за образуване на молекула NaCl от Na и C1 атоми: Na ° -le \u003d Na +1 Образуване на йони
Cl ° + 1e - \u003d Cl -
Na +1 + Cl - \u003d Na + Cl -
Na ° + Cl ° \u003d Na + Cl - Свързване на йони
· Връзката между йони се нарича йонна връзка.
Съединенията, които са изградени от йони, се наричат йонни съединения.
Алгебричната сума на зарядите на всички йони в молекулата на йонно съединение трябва да бъде равна на нула,защото всяка молекула е електрически неутрална частица.
Няма рязка граница между йонните и ковалентните връзки. Йонната връзка може да се разглежда като краен случай на полярна ковалентна връзка, при образуването на която обща електронна двойка напълносе движи към атом с по-висока електроотрицателност.
Атомите на повечето типични метали имат малък брой електрони на външния електронен слой (обикновено 1 до 3); тези електрони се наричат валентни електрони. В металните атоми силата на връзката на валентните електрони с ядрото е ниска, т.е. атомите имат ниска йонизационна енергия. Това улеснява загубата на валентни електрони чтрансформация на метални атоми в положително заредени йони (катиони):
Me ° -ne ® Me n +
В кристалната структура на метала валентните електрони имат способността лесно да преминават от един атом към друг, което води до социализация на електроните от всички съседни атоми. Опростено, структурата на метален кристал се представя по следния начин: във възлите на кристалната решетка има Men+ йони и Me° атоми, а валентните електрони се движат относително свободно между тях, осъществявайки връзка между всички атоми и метални йони (фиг. 3). Това е специален вид химична връзка, наречена метална връзка.
· Метална връзка – връзка между атомите и йоните на металите в кристалната решетка, осъществявана от социализирани валентни електрони.
Благодарение на този вид химическа връзка, металите имат определен набор от физични и химични свойства, които ги отличават от неметалите.
Ориз. 3. Схема на кристалната решетка на металите.
Силата на металната връзка осигурява стабилността на кристалната решетка и пластичността на металите (способността да се подлагат на различни обработки без разрушаване). Свободното движение на валентните електрони позволява на металите да провеждат добре електричество и топлина. Способността да отразява светлинните вълни (ᴛ.ᴇ. метален блясък) също се обяснява със структурата на кристалната решетка на метала.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, най-характерният физични свойстваметалите въз основа на наличието на метална връзка са:
■кристална структура;
■метален блясък и непрозрачност;
■пластичност, ковкост, топимост;
■висока електро- и топлопроводимост; и склонност към образуване на сплави.
Метална връзка - понятие и видове. Класификация и особености на категория "Метални съединения" 2017, 2018г.
Самото наименование "метална връзка" показва, че говорим за вътрешната структура на металите. Атомите на повечето метали на външно енергийно ниво съдържат малък брой валентни електрони в сравнение с общ бройвъншен енергийно близък ... .
Металната връзка се основава на социализацията на валентните електрони, принадлежащи не на два, а на почти всички метални атоми в кристала. Има много по-малко валентни електрони в металите, отколкото има свободни орбитали. Това създава условия за свободно движение ... .
Съществена информация за естеството на химичната връзка в металите може да се получи въз основа на две характерни особеностив сравнение с ковалентни и йонни съединения. Металите, първо, се различават от другите вещества с висока електрическа проводимост и ....
Значителна информация за природата на химичната връзка в металите може да се получи въз основа на две характерни особености за тях в сравнение с ковалентните и йонните съединения. Металите, първо, се различават от другите вещества с висока електрическа проводимост и ....
Молекулата е най-малката частица от вещество, което има своите химични свойства. Според теорията на химическата връзка стабилното състояние на елемента съответства на структура с електронна формула на външното ниво s2p6 (аргон, криптон, радон и др.). Докато се образоват...
