Какая связь обуславливает физические свойства металлов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Металлическая связь — химическая связь, обусловленная наличием относительно свободных электронов. Характерна как для чистых металлов, так и их сплавов и интерметаллических соединений.

Механизм металлической связи

Во всех узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа движутся валентные электроны, отцепившиеся от атомов 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. Силы связи не локализованы и не направлены.

Поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8). Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. Если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталями первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орбиталь. Когда атомов много, возникает огромное число трехмерных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех направлениях. Вследствие многократного перекрывания орбиталей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов.

Характерные кристаллические решётки

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

Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей. Также важным свойством является металлическая ароматичность.

Металлы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объясняются особым типом химической связи, соединяющей атомы металлов между собой – металлической связью.

Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристаллов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море свободно движущихся между ними электронов.

Металлическая связь объясняет свойства металлов, в частности, их прочность. Под действием деформирующей силы решетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие от ионных кристаллов.

Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии распространится в “ электронном море” по всему образцу с большой скоростью.

Становится понятной и электрическая проводимость металлов. Если к концам металлического образца приложить разность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала: этот поток электронов, движущихся в одном направлении, и представляет собой всем знакомый электрический ток.

Механизм металлической связи

Характерные кристаллические решётки

Другие свойства

Физические свойства металлов отличают их от неметаллов. Все металлы, кроме ртути, – твёрдые кристаллические вещества, являющиеся восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях.

Положение в таблице Менделеева

Металлы занимают I-II группы и побочные подгруппы III-VIII групп. Металлические свойства, т.е. способность отдавать валентные электроны или окисляться, увеличиваются сверху вниз по мере увеличения количества энергетических уровней. Слева направо металлические свойства ослабевают, поэтому наиболее активные металлы находятся в I-II группах, главных подгруппах. Это щелочные и щелочноземельные металлы.

Определить степень активности металлов можно по электрохимическому ряду напряжений. Металлы, стоящие до водорода, наиболее активны. После водорода стоят слабоактивные металлы, не вступающие в реакцию с большинством веществ.

Строение

Вне зависимости от активности все металлы имеют общее строение. Атомы в простом металле расположены не хаотично, как в аморфных веществах, а упорядоченно – в виде кристаллической решётки. Удерживает атомы в одном положении металлическая связь.

Такой вид связи осуществляется за счёт положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической ячейки (единицы решётки), и отрицательно заряженных свободных электронов, которые образуют так называемый электронный газ. Электроны отделились от атомов, превратив их в ионы, и стали перемещаться в решётке хаотично, скрепляя ионы вместе. Без электронов решётка бы распалась за счёт отторжения одинаково заряженных ионов.

Различают три типа кристаллической решётки. Кубическая объемно-центрированная состоит из 9 ионов и характерна хрому, железу, вольфраму. Кубическая гранецентрированная включает 14 ионов и свойственная свинцу, алюминию, серебру. Из 17 ионов состоит гексагональная плотноупакованная решётка цинка, титана, магния.

Свойства

Строение кристаллической решётки определяет основные физические и химические свойства металлов. Металлы блестят, плавятся, проводят тепло и электричество. Промышленность и металлургия нашли применение физическим свойствам металлов в изготовлении деталей, фольги, корпусов машин, зеркал, бытовой и промышленной химии. Особенности металлов и их использование представлены в таблице физических свойств металлов.

Свойства

Особенности

Примеры

Применение

Способность отражать солнечный свет

Наиболее блестящими металлами являются Hg, Ag, Pd

Лёгкие – имеют плотность меньше 5 г/см 3

Na, K, Ba, Mg, Al. Самый лёгкий металл – литий с плотностью 0,533 г/см 3

Изготовление облицовки, деталей самолётов

Тяжёлые – имеют плотность больше 5 г/см 3

Sn, Fe, Zn, Au, Pb, Hg. Самый тяжёлый – осмий с плотностью 22,5 г/см 3

Использование в сплавах

Способность изменять форму без разрушений (можно раскатать в тонкую фольгу)

Наиболее пластичные – Au, Cu, Ag. Хрупкие – Zn, Sn, Bi, Mn

Формовка, сгибание труб, изготовление проволоки

Мягкие – режутся ножом

Изготовление мыла, стекла, удобрений

Твёрдые – сравнимы по твёрдости с алмазом

Самый твёрдый – хром, режет стекло

Изготовление несущих конструкций

Легкоплавкие – температура плавления ниже 1000°С

Hg (38,9°С), Ga (29,78°С), Cs (28,5°С), Zn (419,5°C)

Производство радиотехники, жести

Тугоплавкие – температура плавления выше 1000°С

Cr (1890°С), Mo (2620°С), V (1900°С). Наиболее тугоплавкий – вольфрам (3420°С)

Изготовление ламп накаливания

Способность передавать тепло другим телам

Лучше всего проводят ток и тепло Ag, Cu, Au, Al

Приготовление пищи в металлической посуде

Способность проводить электрический ток за счёт свободных электронов

Передача электричества по проводам

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.

Физические свойства металлов объясняются особенностями строения их кристаллических решеток. В узлах решеток располагаются или положительно заряженные ионы металлов, или их атомы, а между ними перемещаются свободные электроны. Связь, между свободными электронами и ионами металла в кристаллической решетке, называется металлической.

Для металлов характерны как общие физические свойства, так и индивидуальные свойства. Металлический блеск, пластичность и ковкость, теплопроводность и электропроводность – это свойства, характерные для всех металлов, по ним отличают их от неметаллов. Температура плавления, плотность, твердость для каждого металла свои, в этом они отличаются друг от друга.

Пластичность– способность металла изменять форму под действием внешних сил без разрушения и сохранять ее после прекращения воздействия. При воздействии на металлическую кристаллическую решетку происходит смещение слоев атом-ионов металла относительно друг друга без разрыва связей, поэтому для них характерна высокая пластичность.

Наиболее пластичные металлы: золото, серебро, медь, олово, свинец. Например из 1 г золота можно получить тончайшую проволоку длиной около 3 км или же лист, способный покрыть потолок трехкомнатной квартиры площадью около 50 м2. Тончайшие листы золота, толщиной от 1 мкм до 3 мкм, называют сусальным золотом. Его применяют для декоративной отделки изделий, изготовленных в основном из дерева. Листочками сусального золота оклеивают резные деревянные рельефы, предназначенные для украшения интерьеров дворцов, храмов, дорогой мебели.

Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток.

В металлической кристаллической решетке присутствуют свободные электроны, которые при обычных условиях двигаются в беспорядке, а при попадании в электрическое поле начинают двигаться направлено, в результате чего возникает электрический ток.

Наибольшей электропроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо;

а наименьшей – свинец, марганец, вольфрам и ртуть. При повышении температуры электропроводность металлов уменьшается, это объясняется усилением колебательного движения атомов-ионов металлов, что затрудняет направленное движение электронов. При понижении температуры электропроводность увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Медь и алюминий наиболее доступные металлы, поэтому их используют в виде проводников электрического тока.

Теплопроводность – способность металла передавать теплоту от более нагретых его частей менее нагретым. Это свойство металлов также объясняется подвижностью свободных электронов, они при движении сталкиваются с колеблющимися в узлах решетки ионами и обмениваются с ними энергией.

При повышении температуры колебания одних ионов передаются другим ионам с помощью электронов, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается. Теплопроводность металлов изменяется в той же последовательности, что и электропроводность.

Наибольшей теплопроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо; а наименьшей – свинец, марганец, вольфрам и ртуть.

Если одновременно в горячую воду опустить например чайные ложки, изготовленные из серебра, меди, золота, алюминия, железа, то быстрее нагреется ложка из серебра, так как ее теплопроводность выше теплопроводности других металлов, затем медная, золотая, алюминиевая и затем железная ложки.

Твердость – способность твердого тела сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях являются твердыми веществами.

По твердости металлы сравнивают с алмазом, твердость которого принята за 10.

Самыми мягкими являются щелочные металлы (цезий, рубидий, калий, натрий) их можно резать ножом, а самым твердым является хром, он царапают стекло.

Плотность – величина, определяемая отношением массы тела к его объему.

По плотности металлы делятся на легкие (с плотностью менее 5 г/см3) и тяжелые (с плотностью более 5 г/см3). К легким металлам относятся щелочные (литий, натрий), щелочноземельные (кальций, магний) и алюминий. К тяжелым – цинк, железо, никель, медь, серебро, свинец, ртуть, золото, платина. Самый легкий металл – литий (0,53 г/см3), а самый тяжелый – осмий (22,6 г/см3).

Плавкость металлов – это процесс перехода вещества из твердого в жидкое состояние. По температуре плавления металлы можно разделить на легкоплавкие и тугоплавкие.

К легкоплавким относятся металлы, температура плавления которых ниже 10000 С. Это ртуть, галлий, цезий, калий, олово, свинец, цинк, магний, алюминий.

Если температура плавления выше температуры плавления железа 15390 С, то металл является тугоплавким. К ним относятся: титан, хром, ванадий, цирконий, гафний, ниобий, молибден, вольфрам.

Самая низкая температура плавления у ртути – 390 С, поэтому это единственный металл, который при комнатной температуре находится в расплавленном состоянии. Самая высокая температура плавления у вольфрама 34200 С, из этого металла изготавливают нити накаливания электрических ламп.

К физическим свойствам металлов относятся: металлический блеск, пластичность и ковкость, теплопроводность и электропроводность, твердость, плотность, плавкость. Свойства металлов зависят от особенностей строения их кристаллических решеток. Все металлы обладают металлическим блеском, электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью. Твердость, плотность и температура плавления и кипения металлов отличаются, на эти показатели влияют расположение атомов и ионов в узлах кристаллической решетки и их атомные радиусы.

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.

Схема образования металлической связи на примерах

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:

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 свойства металлической связи

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.

Читайте также: