Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 8. Металічний зв'язок

Поняття про металічний зв'язок

Дослідження за допомогою рентгенівського випромінювання довели, що метали у твердому стані існують у вигляді кристалів. Ці кристали складаються з атомів та позитивно заряджених йонів металічних елементів, які утримуються разом у певних положеннях кристалічних ґраток «електронним газом», що може вільно пересуватися (мал. 8.1).

Мал. 8.1. У металах у вузлах кристалічних ґраток розташовані катіони металічних елементів, навколо яких вільно пересуваються електрони

Хімічний зв'язок, що реалізується через електростатичне притягання позитивних йонів у ґратках вільними електронами, називають металічним.

Металічний зв'язок:

• у вузлах кристалічних ґраток розташовані катіони металічних елементів;

• вільні електрони («електронний газ») утримують разом катіони;

• характерний для металів та їхніх сплавів

В утворенні металічного зв'язку беруть участь електрони зовнішнього енергетичного рівня. Атоми металічних елементів їх утрачають, унаслідок чого ці електрони стають «вільними». Ці електрони вже не належать певному атому, вони делокалізовані, тобто розподілені між усіма позитивними йонами металічних елементів. Електрони не розташовуються електронними парами між сусідніми йонами, а можуть вільно пересуватися по всьому кристалу.

Делокалізовані електрони фактично є «цементом», що утримує разом позитивно заряджені йони, інакше кристалічні ґратки розпалися б через відштовхування йонів. Разом із тим, такі електрони утримуються металічними катіонами в межах кристалічних ґраток і не можуть залишити металічний кристал.

У металічному зв'язку кожний атом металічного елемента надає у спільне користування щонайменше один електрон. Отже, атоми s-елементів першої групи в металах перебувають у вигляді йонів з електронною конфігурацією атомів найближчого інертного елемента, оскільки віддають свій єдиний електрон зовнішнього рівня. Атоми металічних елементів інших груп можуть віддавати у спільне користування один чи більше електронів. А у вузлах кристалічних ґраток, відповідно, будуть наявні йони із зарядом +1, менша кількість двозарядних йонів і ще менша тризарядних. Наприклад, в алюмінію серед усіх йонів тільки 27 % двозарядних і частки відсотка тризарядних.

Порівняння металічного зв'язку з йонним та ковалентним

Металічний зв'язок має спільні риси як із ковалентним, так і з йонним зв'язком.

Подібно до ковалентного, металічний зв'язок утворюється за рахунок усуспільнення електронів. Але в ковалентному зв'язку спільною є тільки пара електронів, і вона належить лише двом атомам, а в металічному зв'язку всі електрони є спільними для всіх йонів металічного кристала.

Подібно до йонного зв'язку, металічний утворюється завдяки електростатичному притяганню протилежно заряджених частинок. Але в речовинах із йонним зв'язком у вузлах кристалічних ґраток розташовані і позитивно, і негативно заряджені йони, що утримуються разом. А в речовинах із металічним зв'язком у вузлах кристалічних ґраток розташовані тільки позитивно заряджені йони, що утримуються разом за рахунок електростатичного притягання до «електронного газу».

Речовини з металічним зв'язком

Металічний зв'язок утворюється атомами металічних елементів. Він існує в усіх простих речовинах-металах, а також у їхніх сплавах. Дослідження довели, що в деяких нітридах Титану (сполуках Титану з Нітрогеном) та деяких інших сполуках також наявний металічний зв'язок. Існування металічного зв'язку, тобто «електронного газу», здатного вільно пересуватися, зумовлює низку фізичних властивостей речовин із таким зв'язком: електропровідність (мал. 8.2), гнучкість (ковкість або пластичність) (мал. 8.3), металічний блиск, теплопровідність тощо.

Мал. 8.2. Наявність вільних електронів, що можуть пересуватися в певному напрямку, зумовлює електропровідність речовин із металічним зв'язком

Мал. 8.3. Вільні електрони, неначе тісто, скріплюють катіони металічних елементів незалежно від просторової форми металевого виробу, що зумовлює можливість надання будь-якої форми металічним кристалам

Ключова ідея

Металічний зв'язок, незважаючи на певні особливості, має спільні риси і з ковалентним, і з йонним зв'язком.

Контрольні запитання

109. Дайте визначення металічного зв'язку.

110. У чому полягають спільні та відмінні риси металічного зв'язку з ковалентним і йонним?

111. У яких сполуках існує металічний зв'язок?

112. Які спільні фізичні властивості металів та сплавів зумовлені наявністю в них металічного зв'язку?

Завдання з розвитку критичного мислення

113. Як ви вважаєте, чому кількість багатозарядних йонів у металічних кристалах значно менша за кількість однозарядних?

114. Доведіть або спростуйте твердження: йони металічних елементів у металічному кристалі утримуються разом «електронним газом», як родзинки утримуються тістом у кексі.

115. Чому, незважаючи на велику кількість заряджених частинок у металах, металічний кристал у цілому не має електричного заряду?

116. На вашу думку, чому вільні електрони в металічному кристалі називають «електронним газом»?