Какие частицы обуславливают свойства металлов
В одной из предыдущих частей мы уже говорили, что металлы характеризуются металлическими свойствами, то есть способностью отдавать электроны, а чуть позднее, это было вот тут, упомянули о том, что говорить о металлической связи мы можем тогда, когда эта самая связь образуется между атомами химических элементов металлов.
Сегодня мы попробуем раскрыть большую часть первоначальных сведений, касающихся металлической связи, что, кстати, позволит понять в том числе и природу физических свойств металлов, поэтому наберитесь терпения, возможно, будет интересно!
Различные металлические воплощения
Начнём мы несколько издалека, а именно с определения химии (неожиданно). Я не удивлю Вас, если скажу, что
Химия – это наука о веществах, их свойствах и превращениях.
Попробуем коротко раскрыть смысл, заложенный в данном определении. Для этого мы должны прийти к единой точки зрения относительно таких понятий, как вещества и их свойства.
Вещество – это то, из чего состоит физическое тело. И вне всяких сомнений металлы непосредственно относятся к веществам, положенным в основу огромного количества физических тел, так железо (Fe) или медь (Cu) являются веществом для таких физических тел, как гвоздь или проволока. Но мы идём дальше.
А как определить, что такое свойства вещества? Давайте размышлять. Например, у меня есть различные свойства. Рост, вес, возраст и т.д. Совокупность всех моих свойств в конечном итоге отличает меня от Вас. Понимаете? Проводя аналогию с веществами, можно сказать, что
Свойства вещества – это то, что отличает одни вещества от других.
Физические свойства металлов.
И если физические свойства металлов нам из нашей повседневной практики известны достаточно хорошо, то вопрос о том, чем могут быть обусловлены эти свойства, я думаю, большинству из нас не покажется столь уж простым.
Дело в том, что в химии существует понимание: свойства вещества обусловлены, во-первых, составом вещества, во-вторых, его строением.
Свойства любого вещества обусловлены его составом и строением
И состав и строение в каждом конкретном случае по понятным причинам может значительно изменяться, внося свои существенные коррективы в итоговый результат, но наша задача выделить в этом общее, характерное для металлов!
Общую составляющую состава мы уже коротко обсудили, она включает в себе систему, состоящую из атомов химических элементов металлов, объединённых химической связью, что коротко может быть описано как Ме – Ме.
Чтобы добраться до общего, характеристического для металлов по части строения, нам вновь придётся поразмышлять. Итак, если металлы характеризуются металлическими свойствами, то есть, способностью отдавать электроны, то возникает логичный вопрос: кому они отдают электроны? Представьте, если я хочу отдать электроны, и Вы хотите отдать электроны, как мы можем найти общий язык?
Как выяснилось, атомы химических элементов металлов при образовании химической связи между собой отдают электроны в общее пользование, а в некотором роде освобождают эти электроны, и последние заполняют собой межузловое пространство металлической кристаллической решётки.
Схема металлической кристаллической решётки
Таким образом мы вводим новое для нас понятие:
Кристаллическая решётка – совокупность упорядоченно расположенных в пространстве структурных единиц твёрдого вещества.
Структурные единицы, входящие в состав кристаллической решётки называются узлами. Для удобства работы нашего представления узлы кристаллической решётки соединяют воображаемыми линиями.
В узлах же металлической кристаллической решётки находятся так называемые атом-ионы. Почему?
Дело в том, что освобождая электроны, или отдавая электроны в общее пользование для всей металлической кристаллической решётки, атом металла (Ме) перестаёт быть атомом и приобретает положительный заряд , то есть, становится ионом (катионом).
Схема металлической химической связи
Данный процесс обратим. (Стрелочка, направленная как в одну сторону, так и в другую, – символ обратимости). То есть, в действительности происходит беспокойный переход атома металла в состояние иона (катиона) с освобождением электронов и наоборот.
Почему же при отдаче электронов атом металла приобретает положительный заряд? Дело в том, что в случае отдачи электронов совокупный отрицательный заряд электронной оболочки уменьшается, а положительный заряд ядра остаётся неизменным и начинает преобладать над отрицательным зарядом электронной оболочки, что приводит к совокупному положительному заряду всей частицы, то есть к состоянию иона (катиона).
Переход атома кальция (Ca) в состояние иона (катиона) кальция
Теперь мы наконец-то готовы определить, что же такое металлическая связь:
Металлическая связь – это химическая связь, образованная за счёт обобществлённых (свободных) электронов, между атом-ионами металлов.
Именно наличием в межузловом пространстве металлической кристаллической решётки свободных обобществлённых электронов и объясняются все физические свойства металлов, такие как электропроводность, металлический блеск, ковкость и так далее.
Возможно, поподробнее мы об этом когда-нибудь и поговорим. А на этом у меня всё. Спасибо. Пока.
Источник
Положение металлов в периодической системе
В перечне простых веществ, составленном великим французским химиком Лавуазье в 1789 г. присутствует 17 металлов, в первом варианте периодической таблицы Д.И. Менделеева (1869) – их уже 47. Из 114 химических элементов 92 являются металлами. В традиционном варианте Периодической системе элементы-металлы расположены в начале периодов, а также в побочных подгруппах. Условной границей, отделяющей металлы от неметаллов, служит прямая, проведенная от бора до астата в длинном варианте периодической таблицы. Металлы оказываются левее и ниже этой прямой, неметаллы – правее и выше, а элементы, находящиеся вблизи прямой имеют двойственную природу, иногда их называют металлоидами. В Периодической системе, утвержденной ИЮПАК, металлы расположены в 1-12 группах.
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
Атомы металлов на внешнем уровне содержат не более четырех электронов, как правило, от одного до трех. Отдавая эти электроны, они приобретают устойчивую оболочку ближайшего инертного газа:
Таким образом, металлы в химических реакциях являются восстановителями – они приобретают положительную степень окисления. В этом заключается их принципиальное отличие от элементов-неметаллов.
Определение
Способность атома элемента смещать на себя электроны химической связи называют электроотрицательностью.
Вследствие низких значений электроотрицательности металлы легче отдают электроны, чем притягивают их, и, следовательно проявляют восстановительные свойства.
Слова «металл» и «неметалл» применимы не только к химическим элементам, но и к простым веществам. Например, говоря, что простое вещество является металлом, мы подразумеваем не только что оно состоит из атомов элемента-металла, но и определенную общность физических (металлический блеск, пластичность) и химических (восстановитель) свойств. Металлические свойства простых веществ убывают при движении по периоду слева направо, а по группе – снизу вверх. В наибольшей степени металлические свойства выражены у элементов главной подгруппы I группы Периодической системы – щелочных металлов. Их атомы настолько легко отдают валентный электрон, что в природе эти элементы встречаются исключительно в виде соединений.
Кристаллическая решетка и металлическая связь
Металлы имеют металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой расположены отдельные атомы. Они слабо удерживают валентные электроны, которые по этой причине свободно перемещаются по всему объему металла, формируя единое электронное облако и в равной степени притягиваются всеми атомами. Такая связь называется металлической.
Общие свойства металлов – пластичность, способность отражать свет, тепло- и электропроводность – объясняются особенностями их строения. При сильном надавливании кусок металла изменяет форму – часть атомов смещается, но не рассыпается: общее электронное облако прочно удерживает все атомы вместе. В электрическом поле свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, такое упорядоченное движение электронов называют электрическим током.
Чем больше в металле свободных электронов и чем сильнее колебания атомов, находящихся в узлах решетки, тем быстрее происходит выравнивание температуры во всем куске металла, то есть тем больше его теплопроводность. Поэтому относительные значения тепло- и электропроводности для многих металлов близки.
Физические свойства металлов
Агрегатное состояние и температуры плавления. Температуры плавления металлов меняются в очень широких пределах. Самый легкоплавкий из металлов – ртуть – при комнатной температуре является жидкостью. Металл галлий плавится от теплоты человеческого тела. Из металлов широко применяемых в технике, наиболее легкоплавкие – олово и свинец. Наибольшую температуру плавления имеет вольфрам, из которого изготавливают нити накаливания лампочек. Металлы с температурой плавления выше принято называть тугоплавкими.
ртуть галлий вольфрам
Окраска. Среди металлов немногие обладают характерной окраской. «Золото через свой изрядно желтый цвет и блещущую светлость от прочих металлов отлично», – писал Михаил Васильевич Ломоносов. Медь имеет розово-красный цвет, серебро и платина – белый, щелочной металл цезий – бледно-желтый. Для описания цвета других металлов трудно подобрать слова. Все они кажутся нам серыми с тем или иным едва заметным оттенком.
медь литий
Плотность. Металлы сильно различаются по плотности. Наиболее легкими являются щелочные металлы литий, натрий и калий. Литий плавает даже на поверхности керосина – жидкости с плотностью меньшей плотности воды. Металлы с плотностью ниже 5 г/см называют легкими. К ним, помимо щелочных и щелочно-земельных металлов, принадлежат магний, алюминий и другие. В число наиболее тяжелых входят переходные металлы, расположенные в шестом периоде, а также актиноиды. Ртуть, например, имеет плотность 13,6 г/см, то есть литровая банка, заполненная ртутью, весит 13,6 кг!
Твердость вещества оценивают по его способности оставлять царапину на другом веществе. Наиболее твердым веществом является алмаз – он оставляет след на любых поверхностях. Из металлов по твердости к алмазу приближается хром – он царапает стекло. Наиболее мягкие металлы – щелочные. Они легко режутся ножом. Мягкими являются также свинец, олово, цинк, серебро.
Электро- и теплопроводность. Все без исключения металлы хорошо проводят электрический ток. Наибольшей электропроводностью обладает серебро, немного уступают ему медь и золото. Серебро – очень дорогой металл. Его используют в электротехнике при изготовлении высокоточных дорогостоящих приборов. Самые хорошие провода, применяемые в быту, медные. Они во много раз превосходят по самим характеристикам провода, изготовленные из алюминия. При прохождении через металл электрического тока часть электрической энергии преобразуется в тепловую – металл нагревается. Использование алюминиевых проводов при больших нагрузках на электрическую сеть может привести к их плавлению. Особенно опасны места стыка алюминиевых и медных проводов – они нагреваются намного быстрее. Неисправная электропроводка является причиной многих пожаров.
Пластичность. Многие металлы пластичны, то есть обладают способностью изменять форму, например, расплющиваться при ударе молотком. Наибольшей пластичностью обладают золото, серебро, медь, олово. Их можно раскатывать в фольгу.
Фольга из меди Фольга из золота
Источник
Металли́ческая связь — химическая связь между атомами в металлическом кристалле, возникающая за счёт перекрытия (обобществления) их валентных электронов. Металлическая связь описывается многими физическими свойствами металлов, такими как прочность, пластичность, теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и проводимость, непрозрачность и блеск[1][2][3][4].
Механизм металлической связи[править | править код]
В узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны проводимости, происходящие из атомов металлов при образовании ионов. Эти электроны играют роль «цемента», удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Когда металл принимает какую-либо форму или растягивается, он не разрушается, потому что ионы в его кристаллической структуре довольно легко смещаются относительно друг друга[5]. Силы связи не локализованы и не направлены. В металлах в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8).
Рис. 1. Расположение ионов в кристалле щелочного металла
Так, щелочные металлы кристаллизуются в кубической объёмно-центрированной решётке, и каждый положительно заряженный ион щелочного металла имеет в кристалле по восемь ближайших соседей — положительно заряженных ионов щелочного металла (рис. 1). Кулоновское отталкивание одноимённо заряженных частиц (ионов) компенсируется электростатическим притяжением к электронам связывающих звеньев, имеющих форму искажённого сплющенного октаэдра — квадратной бипирамиды, высота которой и рёбра базиса равны величине постоянной решётки aw кристалла щелочного металла (рис. 2).
Связывающие электроны становятся общими для системы из шести положительных ионов щелочных металлов и удерживают последние от кулоновского отталкивания.
Величина постоянной трансляционной решётки aw кристалла щелочного металла значительно превышает длину ковалентной связи молекулы щелочного металла, поэтому принято считать, что электроны в металле находятся в свободном состоянии:
| Щелочной металл | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| Постоянная решётки aw, Å[6] | 3,502 | 4,282 | 5,247 | 5,690 | 6,084 |
| Длина ковалентной связи для Me2, Å[7] | 2,67 | 3,08 | 3,92 | 4,10 | 4,30 |
Математическое построение, связанное со свойствами свободных электронов в металле, обычно отождествляют с «поверхностью Ферми», которую следует рассматривать как геометрическое место в k-пространстве, где пребывают электроны, обеспечивая основное свойство металла — проводить электрический ток[8]. Таким образом, электрический ток в металлах — это движение сорванных с орбитального радиуса электронов в поле положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки металла. Выход и вход свободных электронов в связывающее звено кристалла осуществляется через точки «0», равноудалённые от положительных ионов атомов (рис. 2).
Свободное движение электронов в металле подтверждено в 1916 году опытом Толмена и Стюарта по резкому торможению быстро вращающейся катушки с проводом — свободные электроны продолжали двигаться по инерции, в результате чего гальванометр регистрировал импульс электрического тока. Свободное движение электронов в металле обусловливает высокую теплопроводность металла и склонность металлов к термоэлектронной эмиссии, происходящей при умеренной температуре.
Колебание ионов кристаллической решётки создаёт сопротивление движению электронов по металлу, сопровождающееся разогревом металла. В настоящее время важнейшим признаком металлов считается положительный температурный коэффициент электрической проводимости, то есть понижение проводимости с ростом температуры. С понижением температуры электросопротивление металлов уменьшается, вследствие уменьшения колебаний ионов в кристаллической решётке. В процессе исследования свойств материи при низких температурах Камерлинг-Оннес открывает явление сверхпроводимости. В 1911 году ему удаётся обнаружить уменьшение электросопротивления ртути при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К) до нуля. В 1913 году Камерлинг-Оннесу присуждается Нобелевская премия по физике со следующей формулировкой: «За исследование свойств веществ при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия».
Однако теория сверхпроводимости была создана позднее. В её основе лежит концепция куперовской электронной пары — коррелированного состояния связывающих электронов с противоположными спинамии и импульсами, и, следовательно, сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа, состоящего из куперовских пар электронов, через ионную кристаллическую решётку. В 1972 году авторам теории БКШ — Бардину, Куперу и Шрифферу присуждена Нобелевская премия по физике «За создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией».
Характерные кристаллические решётки[править | править код]
Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решёток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.
В кубической объемно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объемно центрированную решётку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba и др.
В кубической гранецентрированной решётке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решётку такого типа имеют металлы: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, γ-Fe, Cu, α-Co и др.
В гексагональной решётке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca и др.
Другие свойства[править | править код]
Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Многие металлы обладают высокой твёрдостью, например хром, молибден, тантал, вольфрам и др. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.
Примечания[править | править код]
Источник
Металлическая химическая связь характерна для металлов и их сплавов в кристаллическом состоянии. Образуется за счет обобществления валентных электронов. Для этого типа строения вещества не характерно образование направленных структурированных связей.
Следует отличать различные типы связи элементов кристаллов – металлическую, ионную и водородную, свойственную кристаллам льда.
Механизм создания металлической связи предусматривает отрыв частично свободных электронов от атома с образованием катионов с положительным зарядом, формирующих “остов” кристаллической решетки и электронного облака. При этом металлический кристалл не приобретает положительного или отрицательного заряда.
Общий случай формирования связывания металлических атомов в химии, соответствующий данному выше определению:
Me – ne⁻ ⇆ Me,
здесь n – число электронов, участвующих в образовании связи, как правило, от 1 до 3.
В левой части уравнения – атом металла, отдающий электроны, в правой – образовавшийся в результате ион.
Формула показывает, что в кристалле постоянно происходит присоединение и отдача электронов.
Схемы формирования связи на примере атомов различной валентности:
- K – e⁻ ⇆ K;
- Cu – 2e⁻ ⇆ Cu;
- Al – 3e⁻ ⇆ Al.
Отделяющиеся от атома электроны перемещаются на свободные валентные орбитали, которые обобществляются и позволяют всем электронам перемещаться в пределах кристалла. Отделение электронов выгодно атому с точки зрения энергетического баланса, так как позволяет сформировать электронно-стабильную оболочку.
Характерные кристаллические решетки
Металлические кристаллы подразделяются на 3 основных типа:
- Объемно-центрированную кубическую решетку, в которой, помимо размещения атомов в четырех вершинах куба, один из них размещается в центре объемной фигуры. Такой тип организации твердого вещества характерен для ряда металлов, включая K, Na и Li, вольфрам, хром, ниобий и др.
- Гранецентрированная кубическая решетка характеризуется расположением атомов в центре граней. Всего в ячейке задействовано 10 атомов, 4 в вершинах и 6 на гранях. Такая решетка встречается у меди, драгметаллов (серебра и золота) и металлов платиновой группы: Pd, Pt.
- Гексагональное строение решетки предполагает размещение атомов в углах и внутри 6-гранной призмы. Ячейка состоит из 15 атомов и свойственна магнию, кальцию, осмию, бериллию и ряду других металлических элементов.
Общими свойствами всех решеток являются высокая симметрия и плотная упаковка составляющих их атомов. Некоторые элементы периодической таблицы формируют уникальную структуру, например, элементарная ячейка In имеет тетрагональное строение.
Для сплавов, являющихся химическими соединениями, также характерно образование кристаллов перечисленных видов, при этом атомы каждого металла занимают определенное место в структуре.
Например, в сплаве никеля и алюминия атомы Al размещаются по углам, а атом Ni – в центре ОЦК ячейки. Свойства сплава и его структура влияют на класс прочности изделия, изготовленного из этого материала.
Физические характеристики металлических кристаллов обусловлены способностью обобществленных электронов свободно перемещаться внутри кристалла.
Характеристики, отличающие подобные вещества:
хорошая электропроводность, благодаря наличию условно свободного электронного облака;
высокая проводимость тепла;
низкая реакционная способность или инертность;
пластичность – большинство металлов можно гнуть и ковать.
Высокий уровень организации вещества обусловливает металлический блеск. Следует иметь в виду, что повышение прочности при пластической деформации и легировании приводит к образованию частично ковалентной связи.
При деформации могут возникать области повышенной прочности и низкими пластическими свойствами, похожие на вещества с ковалентной связью (например, алмаз).
Сходства и отличия металлической химической связи от ионной
Помимо рассматриваемой, металлы могут образовывать другие виды связи, включая простую ионную.
Их общие черты:
участие металлов, при этом металлическая связь формируется исключительно атомами металла, а ионная образуется между металлическим и неметаллическим элементами;
металл высвобождает электроны и становится катионом;
соединения могут существовать в кристаллической форме.
Кристаллы с ионным характером соединения отличают следующие параметры:
- В узлах размещаются как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Каркас металлической решетки формируют исключительно катионы.
- Узлы удерживаются за счет электростатического взаимодействия.
- При низких температурах кристаллические вещества, образованные за счет ионного взаимодействия, проявляют свойства диэлектриков (не проводят ток).
- Переход электронов с атома металла происходит на орбиты атома неметалла.
Характерный пример кристалла с ионной связью – поваренная соль, решетка которой сформирована из ионов Na⁺ и Cl⁻. Такие кристаллические вещества не обладают пластичностью и блеском.
Источник