Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 9. Металічний зв’язок

Поняття про металічний зв'язок

Кристали металів складаються з позитивно заряджених йонів металічних елементів, які утримуються разом у певних положеннях кристалічних ґраток «електронним газом», що може вільно пересуватися (мал. 9.1).

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

В утворенні металічного зв’язку беруть участь електрони зовнішнього енергетичного рівня. Атоми металічних елементів їх утрачають, унаслідок чого електрони стають «вільними» Ці електрони вже не належать одному 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.

Мал. 9.1. У металах у вузлах кристалічних ґраток розташовані катіони металічних елементів, навколо яких вільно пересуваються електрони

Делокалізовані електрони фактично є «цементом», що утримує разом позитивно заряджені йони, інакше кристалічні ґратки розпалися б через відштовхування йонів. Разом із тим, 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 І 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 27 % двозарядних і лише частки відсотка тризарядних.

Металічний зв'язок:

• у вузлах кристалічних ґраток перебувають катіони металічних елементів;
• вільні електрони («електронний газ») утримують разом катіони кристалічних ґраток;
• характерний для металів та їхніх сплавів.

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 лише 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 лише позитивно заряджені йони, що утримуються разом за рахунок електростатичного притягання до «електронного газу».

Речовини з металічним зв'язком

Металічний зв’язок утворюється за участі атомів металічних елементів. Він існує в простих речовинах металах, а також у їхніх сплавах. Окремі дослідження доводять, що в деяких нітридах Титану (сполуках Титану з Нітрогеном) та деяких інших сполуках також існує металічний зв’язок. Існування металічного зв’язку, тобто «електронного газу», здатного вільно пересуватися, зумовлює ряд фізичних властивостей, притаманних таким речовинам: електропровідність (мал. 9.2), гнучкість (ковкість або пластичність) (мал. 9.3), металічний блиск, теплопровідність тощо.

Мал. 9.2. Наявність вільних електронів, що можуть одночасно пересуватися в одному напрямку, зумовлює електропровідність речовин із металічним зв'язком

Мал. 9.3. 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.

Запитання та завдання

47. Дайте визначення металічного зв'язку. У яких сполуках існує металічний зв'язок?

48. Які спільні та відмінні риси металічного зв'язку з ковалентним і йонним?

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

50. Чому, незважаючи на велику кількість заряджених частинок у металах, металічний кристал у цілому не має електричного заряду? Чи може виникнути заряд за певних умов чи дій?