Металева зв'язок: механізм утворення. Металева хімічний зв'язок: приклади

Всі відомі на сьогоднішній день хімічні елементи, розташовані в таблиці Менделєєва, поділяються умовно на дві великі групи: метали і неметали. Для того щоб вони стали не просто елементами, а сполуками, хімічними речовинами, могли вступати у взаємодію один з одним, вони повинні існувати у вигляді простих і складних речовин.

Саме для цього одні електрони намагаються прийняти, а інші - віддати. Заповнюючи один одного таким чином, елементи і утворюють різні хімічні молекули. Але що дозволяє їм утримуватися разом? Чому існують речовини такої міцності, зруйнувати яку непідвладне навіть найсерйознішим інструментам? А інші, навпаки, руйнуються від найменшого впливу. Все це пояснюється утворенням різних типів хімічного зв'язку між атомами в молекулах, формуванням кристалічної решітки певної будови.

металева зв'язок механізм утворення

Види хімічних зв'язків в сполуках

Всього можна виділити 4 основних типи хімічних зв'язків.

1. Ковалентний неполярний. Утворюється між двома однаковими неметаллами за рахунок усуспільнення електронів, формування загальних електронних пар. В освіті її беруть участь валентні неспарені частинки. Приклади: галогени, кисень, водень, азот, сірка, фосфор.
2. Ковалентний полярна. Утворюється між двома різними неметалами або між дуже слабким за властивостями металом і слабким по електронегативності неметаллом. В основі також загальні електронні пари та перетягування їх до себе тим атомом, спорідненість до електрона якого вище. Приклади: NH_3, SiC, P₂O₅ та інші.
3. Водневий зв'язок. Сама нестійка і слабка, формується між сильно електронегативний атомом однієї молекули і позитивним інший. Найчастіше це відбувається при розчиненні речовин у воді (спирту, аміаку і так далі). Завдяки такому зв'язку можуть існувати макромолекули білків, нуклеїнових кислот, складних вуглеводів і так далі.
4. Іонна зв'язок. Формується за рахунок сил електростатичного притягання різнозаряджені іонів металів і неметалів. Чим сильніше відмінність за даним показником, тим яскравіше виражений саме іонний характер взаємодії. Приклади сполук: бінарні солі, складні сполуки - основи, солі.
5. Металева зв'язок, механізм утворення якої, а також властивості, будуть розглянуті далі. Формується в металах, їх сплавах різного роду.

Існує таке поняття, як єдність хімічного зв'язку. У ньому якраз і йдеться про те, що не можна кожну хімічну зв'язок розглядати еталонно. Вони все лише умовно позначені одиниці. Адже в основі всіх взаємодій лежить єдиний принцип - електронностатіческое взаємодію. Тому іонна, металева, ковалентний зв'язок і воднева мають єдину хімічну природу і є лише граничними випадками один одного.

металева хімічний зв'язок приклади

Метали і їх фізичні властивості

Метали знаходяться в переважній більшості серед усіх хімічних елементів. Це пояснюється їх особливими властивостями. Значна частина з них була отримана людиною ядерними реакціями в лабораторних умовах, вони є радіоактивними з невеликим періодом напіврозпаду.

Однак більшість - це природні елементи, які формують цілі гірські породи і руди, входять до складу більшості важливих сполук. Саме з них люди навчилися відливати сплави і виготовляти масу прекрасних і важливих виробів. Це такі, як мідь, залізо, алюміній, срібло, золото, хром, марганець, нікель, цинк, свинець і багато інших.

Для всіх металів можна виділити загальні фізичні властивості, які пояснює схема освіти металевої зв'язку. Які ж це властивості?

1. Ковкість і пластичність. Відомо, що багато метали можна прокатати навіть до стану фольги (золото, алюміній). З інших отримують дріт, металеві гнучкі листи, вироби, здатні деформуватися при фізичному впливі, але тут же відновлювати форму після припинення його. Саме ці якості металів і називають ковкістю і пластичністю. Причина цієї особливості - металевий тип зв'язку. Іони і електрони в кристалі ковзають щодо один одного без розриву, що і дозволяє зберігати цілісність всієї структури.
2. Металевий блиск. Це також пояснює металевий зв'язок, механізм утворення, характеристики її та особливості. Так, не всі частинки здатні поглинати або відбивати світлові хвилі однакової довжини. Атоми більшості металів відображають короткохвильові промені і набувають практично однакову забарвлення сріблястого, білого, блідо-блакитного відтінку. Винятками є мідь і золото, їх забарвлення рудо-червона і жовта відповідно. Вони здатні відображати більш довгохвильове випромінювання.
3. Тепло- і електропровідність. Дані властивості також пояснюються будовою кристалічної решітки і тим, що в її освіті реалізується металевий тип зв'язку. За рахунок "електронного газу", що рухається всередині кристалу, електричний струм і тепло миттєво і рівномірно розподіляються між усіма атомами і іонами і проводяться через метал.
4. Твердий агрегатний стан при звичайних умовах. Тут винятком є лише ртуть. Всі інші метали - це обов'язково міцні, тверді з'єднання, так само як і їхні сплави. Це також результат того, що в металах присутня металева зв'язок. Механізм утворення такого типу зв'язування частинок повністю підтверджує властивості.

Це основні фізичні характеристики для металів, які пояснює і визначає саме схема освіти металевої зв'язку. Актуальний такий спосіб з'єднання атомів саме для елементів металів, їх сплавів. Тобто для них в твердому і рідкому стані.

схема освіти металевої зв'язку

Металевий тип хімічного зв'язку

У чому ж її особливість? Вся справа в тому, що такий зв'язок формується не за рахунок різнозаряджені іонів і їх електростатичного притягання і не за рахунок різниці в електронегативності і наявності вільних електронних пар. Тобто іонна, металева, ковалентний зв'язок мають кілька різну природу та відмінні риси пов'язуються частинок.

Всім металам притаманні такі характеристики, як:

• мала кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні (крім деяких винятків, у яких їх може бути 6,7 і 8) ;
• великий атомний радіус;
• низька енергія іонізації.

Все це сприяє легкому відділенню зовнішніх неспарених електронів від ядра. При цьому вільних орбіталей у атома залишається дуже багато. Схема освіти металевої зв'язку якраз і буде показувати перекривання численних орбітальних осередків різних атомів між собою, які в результаті і формують загальне внутрікристалічної простір. У нього подаються електрони від кожного атома, які починають вільно блукати по різних частинах решітки. Періодично кожен з них приєднується до іону у вузлі кристала і перетворює його в атом, потім знову від'єднується, формуючи іон.

Таким чином, металевий зв'язок - це зв'язок між атомами, іонами і вільними електронами в загальному кристалі металу. Електронне хмара, вільно переміщається всередині структури, називають "електронним газом". Саме їм пояснюється більшість фізичних властивостей металів та їх сплавів.

Як конкретно реалізує себе металева хімічний зв'язок? Приклади можна привести різні. Спробуємо розглянути на шматочку літію. Навіть якщо взяти його розміром з горошину, атомів там будуть тисячі. Ось і уявімо собі, що кожен з цих тисяч атомів віддає свій валентний єдиний електрон в загальне кристалічна простір. При цьому, знаючи електронне будови даного елемента, можна побачити кількість порожніх орбіталей. У літію їх буде 3 (р-орбіталі другого енергетичного рівня). За три у кожного атома з десятків тисяч - це і є загальний простір усередині кристала, в якому "електронний газ" вільно переміщається.

ковалентная і металева зв'язок

Речовина з металевим зв'язком завжди міцне. Адже електронний газ не дозволяє кристалу валитися, а лише зміщує шари і тут же відновлює. Воно блищить, володіє певною щільністю (найчастіше високої), плавкості, ковкістю і пластичністю.

Де ще реалізується металева зв'язок? Приклади речовин:

• метали у вигляді простих структур;
• всі сплави металів один з іншому;
• всі метали і їхні сплави в рідкому і твердому стані.

Конкретних прикладів можна навести просто неймовірна кількість, адже металів в періодичній системі більше 80!

Металева зв'язок: механізм утворення

Якщо розглядати його в загальному вигляді, то основні моменти ми вже позначили вище. Наявність вільних атомних орбіталей і електронів, легко відриваються від ядра внаслідок малої енергії іонізації, - ось головні умови для формування даного типу зв'язку. Таким чином, виходить, що вона реалізується між наступними частками:

• атомами у вузлах кристалічної решеткі;
• вільними електронами, які були у металу валентнимі;
• іонами у вузлах кристалічної решітки.

У підсумку - металева зв'язок. Механізм утворення в загальному вигляді виражається наступною записом: Ме⁰ - e^- harr- Ме^{n +}. Зі схеми очевидно, які частки присутні в кристалі металу.

Самі кристали можуть мати різну форму. Це залежить від конкретної речовини, з яким ми маємо справу.

Типи кристалів металів

Дана структура металу або його сплаву характеризується дуже щільною упаковкою частинок. Її забезпечують іони у вузлах кристала. Самі по собі решітки можуть бути різних геометричних форм в просторі.

1. Об'емноцентріческая кубічна решітка - лужні метали.
2. Гексагональная компактна структура - всі лужноземельні, крім барію.
3. Гранецентріческая кубічна - алюміній, мідь, цинк, багато перехідні метали.
4. Ромбоедрична структура - у ртуті.
5. Тетрагональна - індій.

Чим важче метал і чим нижче він розташовується в періодичній системі, тим складніше його упаковка і просторова організація кристала. При цьому металева хімічний зв'язок, приклади якої можна привести для кожного існуючого металу, є визначальною при побудові кристала. Сплави мають дуже різноманітні організації в просторі, деякі з них до цих пір ще не до кінця вивчені.

металева зв'язок приклади речовин

Характеристики зв'язку: ненаправлену

Ковалентний і металева зв'язок мають одну дуже яскраво виражену відмінну рису. На відміну від першої, металевий зв'язок не є спрямованою. Що це означає? Тобто електронне хмара всередині кристалу рухається абсолютно вільно в його межах в різних напрямках, кожен з електронів здатний приєднуватися до абсолютно будь-якому йону у вузлах структури. Тобто взаємодія здійснюється за різними напрямками. Звідси і говорять про те, що металева зв'язок - ненаправленная.

Механізм ковалентного зв'язку увазі утворення спільних електронних пар, тобто хмар перекривання атомів. Причому відбувається воно строго за певною лінії, що з'єднує їх центри. Тому говорять про спрямованість такого зв'язку.

Насичуваність

Дана характеристика відображає здатність атомів до обмеженого або необмеженого взаємодії з іншими. Так, ковалентная і металева зв'язок за цим показником знову ж є протилежностями.

Перша є насичує. Атоми, які беруть участь у її освіті, мають строго певну кількість валентних зовнішніх електронів, які беруть безпосередню участь в утворенні сполуки. Більше, ніж є, у нього електронів не буде. Тому і кількість формованих зв'язків обмежено валентностью. Звідси насичуваність зв'язку. Завдяки даній характеристиці більшість сполук має постійний хімічний склад.

Металева та воднева зв'язку, навпаки, ненасищаемой. Це пояснюється наявністю численних вільних електронів і орбіталей всередині кристалу. Також роль відіграють іони у вузлах кристалічної решітки, кожен з яких може стати атомом і знову іоном в будь-який момент часу.

металевий тип зв'язку

Ще одна характеристика металевого зв'язку - делокалізація внутрішнього електронної хмари. Вона проявляється у здатності невеликої кількості загальних електронів пов'язувати між собою безліч атомних ядер металів. Тобто щільність як би делокалізуется, розподіляється рівномірно між усіма ланками кристала.

Приклади утворення зв'язку в металах

Розглянемо кілька конкретних варіантів, які ілюструють, як утворюється металева зв'язок. Приклади речовин наступні:

• цинк;
• алюміній;
• калій;
• хром.

Освіта металевої зв'язки між атомами цинку: Zn⁰ - 2e^- harr- Zn²⁺. Атом цинку має чотири енергетичних рівня. Вільних орбіталей, виходячи з електронної будови, у нього 15 - 3 на р-орбіталі, 5 на 4 d і 7 на 4f. Електронна будова наступне: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁰4d⁰4f⁰ , всього в атомі 30 електронів. Тобто дві вільні валентні негативні частинки здатні переміщатися в межах 15 просторих і ніким не зайнятих орбіталей. І так у кожного атома. У результаті - величезна загальний простір, що складається з порожніх орбіталей, і невелика кількість електронів, що пов'язують всю структуру воєдино.

Металева зв'язок між атомами алюмінію: AL⁰ - e^- harr- AL³⁺ . Тринадцять електронів атома алюмінію розташовуються на трьох енергетичних рівнях, яких їм явно вистачає з надлишком. Електронна будова: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹3d⁰. Вільних орбіталей - 7 штук. Очевидно, що електронне хмара буде невеликим порівняно із загальним внутрішнім вільним простором в кристалі.

іонна металева ковалентний зв'язок

Металева зв'язок хрому. Даний елемент особливий за своїм електронною будовою. Адже для стабілізації системи відбувається провал електрона з 4s на 3d-орбіталь: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵4p⁰4d⁰4f⁰. Всього 24 електрона, з яких валентних виходить шість. Саме вони йдуть у загальне електронний простір на освіту хімічного зв'язку. Вільних орбіталей 15, тобто все одно набагато більше, ніж потрібно для заповнення. Тому хром - також типовий приклад металу з відповідною зв'язком в молекулі.

Одним з найактивніших металів, що реагують навіть зі звичайною водою із загорянням, є калій. Чим пояснюються такі властивості? Знову ж багато в чому - металевим типом зв'язку. Електронів у цього елемента всього 19, але от розташовуються вони аж на 4 енергетичних рівнях. Тобто на 30 орбиталях різних підрівнів. Електронна будова: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁰4p⁰4d⁰4f⁰. Всього два валентних електрона, з дуже низькою енергією іонізації. Вільно відриваються і йдуть в загальний електронний простір. Орбіталей для переміщення на один атом 22 штуки, тобто дуже велике вільний простір для "електронного газу".

Схожість і відмінність з іншими видами зв'язків

В цілому дане питання вже розглядалося вище. Можна тільки узагальнити і зробити висновок. Головними відмітними від усіх інших типів зв'язку рисами саме металевих кристалів є:

• кілька видів частинок, що приймають участь у процесі зв'язування (атоми, іони або атом-іони, електрони) ;
• різне просторове геометричну будову кристалів.

З водневої і іонним зв'язком металеву об'єднує ненасищаемость і ненаправлення. З ковалентного полярної - сильне електростатичне тяжіння між частинками. Окремо з іонним - тип частинок у вузлах кристалічної решітки (іони). З ковалентного неполярной - атоми у вузлах кристала.

Типи зв'язків у металах різного агрегатного стану

Як ми вже відзначали вище, металева хімічний зв'язок, приклади якої наведено в статті, утворюється в двох агрегатних станах металів та їх сплавів: твердому і рідкому.

Виникає питання: який тип зв'язку в парах металів? Відповідь: ковалентний полярний і неполярний. Як і у всіх з'єднаннях, які перебувають у вигляді газу. Тобто при тривалому нагріванні металу і переведення його з твердого стану в рідкий зв'язку не рвуться і кристалічна структура зберігається. Однак коли мова заходить про переведення рідини в пароподібний стан, кристал руйнується і металевий зв'язок перетвориться в ковалентну.