Как составить схемы образования химической связи для металлов

Что представляет из себя химическая связь?

Как всем известно со школьного курса химии, объединение атомов в молекулу вещества происходит посредством образования химических связей — электростатического взаимодействия ядер атомов и электронов. Так как электроны на внешнем слое связаны с ядром гораздо слабее, следовательно, являются более подвижными и называются валентными.

Химические связи классифицируются на несколько типов:

• ионная;
• ковалентная;
• водородная;
• вандерваальсова;
• металлическая.

Металлическая химическая связь

Если обратиться к таблице Менделеева, можно заметить, что большинство металлов содержит малое число валентных электронов на внешнем уровне. Ввиду высокой подвижности в кристаллической решетке довольно легко происходит их отрыв с образованием положительно заряженного катиона металла и свободных электронов — т.н. «электронного газа».

Таким образом, в структуре металла происходит постоянный обмен электронами и образование как ионов, так и электрически нейтральных атомов металла по механизму:

атом M0 — ne ↔ ион Mn+

Кристаллическую решетку металлов можно представить как «скелет» из атомов, по которому перемещаются электроны из «электронного газа». Для разных металлов характерны различные виды строения решеток:

1. объёмно-центрическая кубическая решетка (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr);
2. гранецентрическая кубическая решетка (Zn, Al, Cu и другие переходные металлы);
3. гексагональная (все щелочноземельные металлы, кроме бария);
4. тетрагональная — у индия;
5. ромбоэдрическая — у ртути.

Отличия от других видов

Главными характеристиками сравнения типов химических связей являются прочность, энергия образования (разрыва) и насыщаемость.

Рассмотрим их более подробно:

• Энергия металлической связи гораздо ниже, чем в ковалентной и ионной, что и обуславливает их прочность, согласно принципу стремления любой системы к минимуму энергии.
• Насыщаемость также не характерна для взаимодействия между атомами металлов. То есть количество атомов, вступающих во взаимодействие, не ограничивается числом валентных электронов, в отличие от тех же ковалентных связей.

Схема связи и примеры

Обмен электронами в металлах происходит по следующему механизму:

• К — nе <—> Кⁿ⁺
• Al — 3e <—> Al³⁺
• Li — e <—> Li⁺
• Mg — 2e <—> Mg²⁺
• In — 3e <—> In³⁺

Как показывает данная схема, образование металлической связи зависит от числа валентных электронов на внешнем слое — одновалентные ионы натрия могут отдать один электрон в образование общего «электронного облака», двухвалентные ионы магния — два электрона и так далее.

Голова кругом, да?

Разобраться в сложном переплетении электронов и ионов вам помогут наши онлайн курсы по химии для школьников. Занятия проходят в узком кругу слушателей, что позволяет уделять внимание каждому ребенку и отвечать развернуто на все заданные вопросы по предмету.

Свойства металлов

Особый вид взаимодействия, который характерен для атомов металлов, определяет ряд объединяющих их свойств и отличающих металлы от других веществ:

• высокие температуры плавления и кипения;

Высокие температуры плавления и кипения обусловлены тем, что катионы металла прочно связаны «электронным газом». При этом выявлена тенденция зависимости прочности связи от числа валентных электронов. Например, калий и натрий с температурой плавления 64 и 98 градусов Цельсия соответственно как одновалентные металлы являются легкоплавкими веществами по сравнению с, например, тугоплавким хромом (1615 градусов Цельсия).

• ковкость и пластичность (при механическом воздействии металлы не бьются и не крошатся, а подвергаются неупругой деформации);

Равномерностью распределения валентных электронов по кристаллу объясняется, например, такое свойство металлов, как пластичность — смещение ионов и атомов в любых направле­ниях без разрушения взаимодействия между ними.

• способность отражать свет (характерный для всех элементов-металлов серебристо-серый блеск на срезе),
• высокая электро­проводность и теплопроводность (использование металлов в электрических цепях приборов в качестве проводников).

Свободный обмен электронами между атомными орбиталями обуславливает и электропроводность металлов. «Электронный газ» с учетом разности электрохимических потенциалов переходит из беспорядочного движения к направленному.

Большое значение в промышленности играют сплавы металлов, сочетающие в себе свойства входящих в состав элементов.

Металлический тип взаимодействия также характерен и для спла­вов, находящихся в твёрдом и жидком состояниях. Однако, если металл нагреть до состояния пара, то связь между его атомами будет ковалентная и структура металла из цельной решетки перейдет в одно- или двухатомное состояние.

Занимайтесь на курсах ЕГЭ и ОГЭ в паре TwoStu и получите максимум баллов на экзамене:

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:

1. K — e⁻ ⇆ K;
2. Cu — 2e⁻ ⇆ Cu;
3. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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).

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:

1. В узлах размещаются как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Каркас металлической решетки формируют исключительно катионы.
2. Узлы удерживаются за счет электростатического взаимодействия.
3. При низких температурах кристаллические вещества, образованные за счет ионного взаимодействия, проявляют свойства диэлектриков (не проводят ток).
4. 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.

Вещества с металлической связью: схема механизма образования, отличие от других видов связи, примеры

В одноатомном состоянии при обычных условиях находятся только благородные газы. Остальные же элементы не суще­ствуют в виде индивидуальном, так как имеют возможность взаимодействовать между собой или с другими атомами. При этом образуются более сложные части­цы.

• Типы химического взаимодействия
• Металлическая химическая связь
• Отличия от других видов
• Схема связи и примеры
• Свойства металлов

Совокупность атомов может образовать следующие частицы:

• молекулы;
• молекулярные ионы;
• свободные радикалы.

Типы химического взаимодействия

Взаимодействие между атомами называют химической связью. Основой являются электростатические силы (силы взаимодействия электричес­ких зарядов), которые действуют между атомами, носителями этих сил являются ядро атома и электроны.

: полярная и неполярная ковалентная связь – что это?

Электронам, находящимся на внешнем энергетическом уровне, отведена основная роль в образовании химических связей между атомами. Они наиболее удалены от ядра, а, следовательно, связаны с ним наименее прочно. Их называют валентными электронами.

Частицы взаимодействуют между собой различными способами, что приводит к образованию молекул (и веществ) разного строения. Различают следующие типы химической связи:

• ионная;
• ковалентная;
• водородная;
• вандерваальсова;
• металлическая.

Говоря о различных типах химического взаимодействия между атомами, стоит помнить о том, что все типы одинаково основаны на электростатическом взаимодействии частиц.

: алканы – химические свойства предельных углеводородов.

Металлическая химическая связь

Как видно из положения металлов в таблице химических элементов, они, в большинстве своём, обладают небольшим числом валентных электронов. Электроны связаны со своими ядрами достаточно слабо и легко отрываются от них. В результате этого образуются положительно заряженные ионы металла и свобод­ные электроны.

Эти электроны, свободно перемещающиеся в кристаллической решётке, называют «электронным газом».

На рисунке схематично изображено строение вещества металла.

То есть в объёме металла атомы постоянно превращаются в ионы (их называют атом-ионами) и наоборот ионы постоянно принимают электроны из «электронного газа».

: как расставлять коэффициенты в химических уравнениях?

Механизм образования металлической связи можно записать в виде формулы:

атом M0 — ne ↔ ион Mn+

Таким образом, металлы представляют собой положительные ионы, которые расположены в кристаллической решётке в определённых положениях, и электроны, которые могут достаточно свободно перемещаться между атом-ионами.

Кристаллическая решётка представляет «скелет», остов вещества, а электроны перемещаются между её узлами. Формы кристаллических решёток металлов могут быть различными, например:

• объёмно-центрическая кубическая решётка характерна для щелочных металлов;
• гранецентрическую кубическую решётку имеют, например, цинк, алюминий, медь, другие переходные элементы;
• гексагональная форма типична для щёлочноземельных элементов (исключением является барий);
• тетрагональная структура — у индия;
• ромбоэдрическая — у ртути.

Пример кристаллической решётки металла показан на картинке ниже.

Отличия от других видов

Отличается металлическая связь от ковалентной по прочности. Энергия металлических связей меньше, чем ковалентных в 3−4 раза и меньше энергии ионной связи.

В случае с металлической связью, нельзя говорить и о направленности, ковалентная связь строго направлена в пространстве.

Такая характеристика, как насыщаемость также не характерна для взаимодействия между атомами металлов. В то время как ковалентные связи являются насыщаемыми, то есть количество атомов, с которыми может произойти взаимодействие, строго ограничено количеством валентных электронов.

Схема связи и примеры

Процесс, происходящий в металле можно записать с помощью формулы:

К — е К +

Al — 3e Al3+

Na — e Na+

Zn — 2e Zn2+

Fe — 3e Fe3+

Если описывать более подробно, металлическую связь, как образуется этот тип связи, необходимо рассматривать строение внешних энергетических уровней элемента.

В качестве примера можно рассмотреть натрий. Имеющийся на внешнем уровне единственный валентный 3s электрон может свободно перемещаться по свободным орбиталям третьего энергетического уровня. При сближении атомов натрия, происходит перекрывание орбиталей. Теперь уже все электроны могут перемещаться между атом-ионами в пределах всех пререкрывшихся орбиталей.

У цинка на 2 валентных электрона приходится целых 15 свободных орбиталей на четвёртом энергетическом уровне. При взаимодействии атомов эти свободные орбитали будут перекрываться, как бы обобществляя электроны, которые по ним перемещаются.

У атомов хрома валентных электронов 6 и все они будут участвовать в образовании электронного газа и связывать атом-ионы.

Свойства металлов

Особый вид взаимодействия, который характерен для атомов металлов, определяет ряд объединяющих их свойств и отличающих металлы от других веществ. Примерами таких свойств являются высокие температуры плавления, высокие температуры кипе­ния, ковкость, способность отражать свет, высокая электро­проводность и теплопроводность.

Высокие температуры плавления и кипения объясняются тем, что катионы металла прочно связаны электронным газом.

При этом прослеживается закономерность, что прочность связи увеличивается с увеличением количества валентных электронов.

Например, рубидий и калий являются легкоплавкими веществами (температуры плавления 39 и 63 градуса Цельсия, соответственно), по сравнению с, например, хромом (1615 градусов Цельсия).

Равномерностью распределения валентных электронов по кристаллу объясняется, например, такое свойство металлов, как пластичность — смещение ионов и атомов в любых направле­ниях без разрушения взаимодействия между ними.

Свободное перемещение электронов по атомным орбиталям объясняет и электропроводность металлов. Электронный газ при наложении разности потенциалов переходит из хаотического движения к движению направленному.

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси, называемые сплавами. В сплаве свойства одного компонента обычно удачно дополняют свойства другого.

Металлический тип взаимодействия характерен как для чистых ме­таллов, так и для их смесей — спла­вов, находящихся в твёрдом и жидком состояниях. Однако, если металл перевести в газообразное состояние, то связь между его атомами будет ковалентная. Металл в виде пара состоит и отдельных молекул (одно- или двухатомных).

Металлическая химическая связь. Полные уроки — Гипермаркет знаний

Гипермаркет знаний>>Химия>>Химия 8 класс. Полные уроки>>Химия: Металлическая химическая связь. Полные уроки

Тема. Металлическая химическая связь

Цель урока

• Дать представление о металлической химической связи.

• Научится записывать схемы образования металлической связи.

• Ознакомится с физическими свойствами металлов.

• Научится четко разделять виды химических связей.

Задачи урока

• Узнать, как взаимодействуют между собой атомы металлов

• Определить, каким образом влияет металлическая связь на свойства образованных ею веществ

Основные термины:

• Электроотрицательность  —  химическое свойство атома, которое является количественной характеристикой способности атома в молекуле притягивать к себе общие электронные пары.
• Химическая связь —явление взаимодействия атомов, из-за перекрытия электронных облаков взаимодействующих атомов.
• Металическая связь — это связь в металлах между атомами и ионами, образованная за счет обобществления электронов.
• Ковалентная связь  — химическая связь, образуется с помощью перекрытия пары валентных  электроннов. Обеспечивающие связь электроны называются общей электронной парой. Бывает 2-х видов: полярная и не полярная.
• Ионная связь —  химическая связь,которая образуется между атомами неметалов, при которой общая электронная пара  переходит к атому с большей электроотрицательностью. В итоге атомы притягиваются, как разноименно заряженные тела.
• Водородная связь — химическая связь между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.

  ХОД УРОКА

Металлическая химическая связь

Определите элементы ставшие не в ту «очередь».Почему?Ca Fe P K Al Mg Na

Какие элементы из таблицы Менделеева называются металлами?

Сегодня мы узнаем какие свойства есть у металлов, и как они зависят от связи которая образуется между йонами металов.Для начала вспомним месторасполажения металлов в периодической системе?Металлы как мы все знаем обычно существуют не в виде изолированных атомов, а в форме куска, слитка или металлического изделия. Выясним, что собирает атомы металла в целостном объеме.
Рис. 1.

Золото.На примере мы видим кусок золота. И кстати уникальным металлом является золото. С помощью ковки из чистого золота можно сделать фольгу толщиной 0,002 мм! такой нончайший лист фольги  почти прозрачный и имеет зелёный оттенок  просвете. В итоге из слитка золота размером со спичечный коробок можно получить тонкую фольгу, которая покроет площадь тенисного корта.

В химическом отношении все металы характеризуются легкостью отдачи валентных электронов, и как следствие образование положительно заряженных ионов и проявлять только положительную окисленность. Именно поэтому металы в свободном состоянии являются востановителями. Общей особенностью атомов металов являются большие размеры по отношению к неметалам.

Внешние эллектроны находятся на больших расстояниях от ядра и поэтому слабо с ним связаны, следовательно легко отрываются.Атомы большего колличества металлов на внешнем уровне имеют маленькое колличество электронов – 1,2,3. Эти электроны легко отрываются и атомы металлов становятся ионами. Ме0 – n ē ⇆ Men+ атомы метала – електроны внешн.

орбиты ⇆ ионы металаТаким образом оторвавшиеся электроны могут перемещатся от одного иона к другому тоесть становятся свободными, и как бы связывая их в единое целое.Поэтому получается, что все оторвавшиеся электроны евляются общими, так как нельзя понять какой эллектрон принадлежит какому из атомов металла.

Электроны могут обьединятся с катионами, тогда временно образуются атомы, от которых сопять потом отрываются электроны. Этот процесс происходит постоянно и без остановки. Получается, что в объеме металла атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот. При этом небольшое число общих электронов связывает большое число атомов и ионов металла.

Но важно, что число электронов в металле равно общему заряду положительных ионов, тоесть получается, что в целом металл остается электронейтральным. Такой процесс представляют как модель — ионы металла находятся в облаке из электронов. Такое электронное облако называют «электронным газом».

Вот например на данной картинке мы видим как электрончики двигаются среди неподвижныхйонов внутри кристалической решетки метала.
Рис. 2. Движение электроннов

Для того чтоб лучше понять, что такое Электронный газ и как он ведет себя в химических реакциях разных металлов посмотрим интересное видео. (золото в этом видео упоминается исключительно как цвет!)

Теперь мы можем записать определение: металлическая связь — это связь в металлах между атомами и ионами, образованная за счет обобществления электронов.

Давайте сравним все виды связей которые мы знаем  И закрепим, чтобы лучше различать их, для этого посмотрим видео.

Металлическая связь  бывает не только в чистых металах но также характерна для смесей разных металов, сплавов в разных агрегатных состояниях. Металлическая связь имеет важное значение и обуславливает основные свойства металлов- электропроводность – беспорядочное движение електронов в объеме металла. Но при небольшой разности потенциалов , чтобы электроны двигались упорядоченно. Металами с лучшей проводимостью являются Ag, Cu, Au, Al. — пластичность  Связи между слоями металла не очень значительны, это позволяет перемещать слои под нагрузкой (деформировать металл не ломая его). Наилучше деформирующиеся металы (мягкие)Au, Ag, Cu. — металлический блеск 

Электронный газ отражает почти все световые лучи. Вот почему чистые металлы так сильно блестят и чаще всего имеют сенрый или белый цвет. Металы являющиеся наилучшими отражателями Ag, Cu, Al, Pd, Hg

Упражнение 1

Выбрать формулы веществ которые имеют а) ковалентную полярную связь: Cl2, KCl, NH3, O2, MgO, CCl4, SO2; б) с ионную связь: HCl, KBr, P4, H2S, Na2O, CO2, CaS.

Упражнение 2

Вычеркните лишнее: а) CuCl2, Al, MgS б) N2, HCl, O2 в) Ca, CO2, Fe

г) MgCl2, NH3, H2

Интересно знать что…

Металлический натрий, металлический литий, и остальные щелочные металлы меняют цвет пламени. Металлический литий и его соли придают огню —красный цвет, металлический натрий и соли натрия — жёлтый, металлический калий и его соли — фиолетовый, а рубидия и цезия — тоже фиолетовый, но более светлый.
 Рис. 4. Кусок металического лития
Рис. 5.

Окрашивание пламени металами

Литий (Li). Металлический литий, как и металлический натрий, относится к щелочным металлам. Оба растворяются в воде. Натрий, растворяясь в воде образует  едкий натр –очень сильную кислоту. При растворении щелочных металов  в воде  выделяется много тепла и газа (водорода).

Такие металы желательно не трогать руками, так как можно обжечся.

Список литературы

1. Урок по теме «Металлическая химическая связь», учителя химии Тухта Валентины Анатольевны МОУ «Есеновичская СОШ»2. Ф. А. Деркач «Химия», — научно-методическое пособие. – Киев, 2008.3. Л. Б.

Цветкова «Неорганическая химия» – 2-е издание, исправленное и дополненное. – Львов, 2006.4. В. В. Малиновский, П. Г. Нагорный «Неорганическая химия» —  Киев, 2009.

5. Глинка Н.Л. Общая химия. – 27 изд./ Под. ред. В.А. Рабиновича.

– Л.: Химия, 2008. – 704 с.ил.

Отредактировано и выслано Лисняк А.В.

Над уроком работали:

Тухта В.А.

Лисняк А.В.

Поставить вопрос о современном образовании, выразить идею или решить назревшую проблему Вы можете на Образовательном форуме, где на международном уровне собирается образовательный совет свежей мысли и действия.

Создав блог, Вы не только повысите свой статус, как компетентного преподавателя, а и сделаете весомый вклад в развитие школы будущего.

Гильдия Лидеров Образования открывает двери для специалистов  высшего ранга и приглашает к сотрудничеству в направлении создания лучших в мире школ.

Предмети > Химия > Химия 8 класс

Все известные на сегодняшний день химические элементы, расположенные в таблице Менделеева, подразделяются условно на две большие группы: металлы и неметаллы. Для того чтобы они стали не просто элементами, а соединениями, химическими веществами, могли вступать во взаимодействие друг с другом, они должны существовать в виде простых и сложных веществ.

Именно для этого одни электроны стараются принять, а другие — отдать. Восполняя друг друга таким образом, элементы и образуют различные химические молекулы. Но что позволяет им удерживаться вместе? Почему существуют вещества такой прочности, разрушить которую неподвластно даже самым серьезным инструментам? А другие, наоборот, разрушаются от малейшего воздействия. Все это объясняется образованием различных типов химической связи между атомами в молекулах, формированием кристаллической решетки определенного строения.

Виды химических связей в соединениях

Всего можно выделить 4 основных типа химических связей.

1. Ковалентная неполярная. Образуется между двумя одинаковыми неметаллами за счет обобществления электронов, формирования общих электронных пар. В образовании ее принимают участие валентные неспаренные частицы. Примеры: галогены, кислород, водород, азот, сера, фосфор.
2. Ковалентная полярная. Образуется между двумя разными неметаллами либо между очень слабым по свойствам металлом и слабым по электроотрицательности неметаллом. В основе также общие электронные пары и перетягивание их к себе тем атомом, сродство к электрону которого выше. Примеры: NH_3, SiC, P₂O₅ и прочие.
3. Водородная связь. Самая нестойкая и слабая, формируется между сильно электроотрицательным атомом одной молекулы и положительным другой. Чаще всего это происходит при растворении веществ в воде (спирта, аммиака и так далее). Благодаря такой связи могут существовать макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, сложных углеводов и так далее.
4. Ионная связь. Формируется за счет сил электростатического притяжения разнозаряженных ионов металлов и неметаллов. Чем сильнее различие по данному показателю, тем ярче выражен именно ионный характер взаимодействия. Примеры соединений: бинарные соли, сложные соединения — основания, соли.
5. Металлическая связь, механизм образования которой, а также свойства, будут рассмотрены дальше. Формируется в металлах, их сплавах различного рода.

Существует такое понятие, как единство химической связи. В нем как раз и говорится о том, что нельзя каждую химическую связь рассматривать эталонно. Они все лишь условно обозначенные единицы. Ведь в основе всех взаимодействий лежит единый принцип — электронностатическое взаимодействие. Поэтому ионная, металлическая, ковалентная связь и водородная имеют единую химическую природу и являются лишь граничными случаями друг друга.

Металлы и их физические свойства

Металлы находятся в подавляющем большинстве среди всех химических элементов. Это объясняется их особыми свойствами. Значительная часть из них была получена человеком ядерными реакциями в лабораторных условиях, они являются радиоактивными с небольшим периодом полураспада.

Однако большинство — это природные элементы, которые формируют целые горные породы и руды, входят в состав большинства важных соединений. Именно из них люди научились отливать сплавы и изготавливать массу прекрасных и важных изделий. Это такие, как медь, железо, алюминий, серебро, золото, хром, марганец, никель, цинк, свинец и многие другие.

Для всех металлов можно выделить общие физические свойства, которые объясняет схема образования металлической связи. Какие же это свойства?

1. Ковкость и пластичность. Известно, что многие металлы можно прокатать даже до состояния фольги (золото, алюминий). Из других получают проволоку, металлические гибкие листы, изделия, способные деформироваться при физическом воздействии, но тут же восстанавливать форму после прекращения его. Именно эти качества металлов и называют ковкостью и пластичностью. Причина этой особенности — металлический тип связи. Ионы и электроны в кристалле скользят относительно друг друга без разрыва, что и позволяет сохранять целостность всей структуры.
2. Металлический блеск. Это также объясняет металлическая связь, механизм образования, характеристики ее и особенности. Так, не все частицы способны поглощать или отражать световые волны одинаковой длины. Атомы большинства металлов отражают коротковолновые лучи и приобретают практически одинаковую окраску серебристого, белого, бледно-голубоватого оттенка. Исключениями являются медь и золото, их окраска рыже-красная и желтая соответственно. Они способны отражать более длинноволновое излучение.
3. Тепло- и электропроводность. Данные свойства также объясняются строением кристаллической решетки и тем, что в ее образовании реализуется металлический тип связи. За счет «электронного газа», движущегося внутри кристалла, электрический ток и тепло мгновенно и равномерно распределяются между всеми атомами и ионами и проводятся через металл.
4. Твердое агрегатное состояние при обычных условиях. Здесь исключением является лишь ртуть. Все остальные металлы — это обязательно прочные, твердые соединения, равно как и их сплавы. Это также результат того, что в металлах присутствует металлическая связь. Механизм образования такого типа связывания частиц полностью подтверждает свойства.

Это основные физические характеристики для металлов, которые объясняет и определяет именно схема образования металлической связи. Актуален такой способ соединения атомов именно для элементов металлов, их сплавов. То есть для них в твердом и жидком состоянии.

Металлический тип химической связи

В чем же ее особенность? Все дело в том, что такая связь формируется не за счет разнозаряженных ионов и их электростатического притяжения и не за счет разности в электроотрицательности и наличия свободных электронных пар. То есть ионная, металлическая, ковалентная связь имеют несколько разную природу и отличительные черты связываемых частиц.

Всем металлам присущи такие характеристики, как:

• малое количество электронов на внешнем энергетическом уровне (кроме некоторых исключений, у которых их может быть 6,7 и 8);
• большой атомный радиус;
• низкая энергия ионизации.

Все это способствует легкому отделению внешних неспаренных электронов от ядра. При этом свободных орбиталей у атома остается очень много. Схема образования металлической связи как раз и будет показывать перекрывание многочисленных орбитальных ячеек разных атомов между собой, которые в результате и формируют общее внутрикристаллическое пространство. В него подаются электроны от каждого атома, которые начинают свободно блуждать по разным частям решетки. Периодически каждый из них присоединяется к иону в узле кристалла и превращает его в атом, затем снова отсоединяется, формируя ион.

Таким образом, металлическая связь — это связь между атомами, ионами и свободными электронами в общем кристалле металла. Электронное облако, свободно перемещающееся внутри структуры, называют «электронным газом». Именно им объясняется большинство физических свойств металлов и их сплавов.

Как конкретно реализует себя металлическая химическая связь? Примеры можно привести разные. Попробуем рассмотреть на кусочке лития. Даже если взять его размером с горошину, атомов там будут тысячи. Вот и представим себе, что каждый из этих тысяч атомов отдает свой валентный единственный электрон в общее кристаллическое пространство. При этом, зная электронное строения данного элемента, можно увидеть количество пустующих орбиталей. У лития их будет 3 (р-орбитали второго энергетического уровня). По три у каждого атома из десятков тысяч — это и есть общее пространство внутри кристалла, в котором «электронный газ» свободно перемещается.

Вещество с металлической связью всегда прочное. Ведь электронный газ не позволяет кристаллу рушиться, а лишь смещает слои и тут же восстанавливает. Оно блестит, обладает определенной плотностью (чаще всего высокой), плавкостью, ковкостью и пластичностью.

Где еще реализуется металлическая связь? Примеры веществ:

• металлы в виде простых структур;
• все сплавы металлов друг с другом;
• все металлы и их сплавы в жидком и твердом состоянии.

Конкретных примеров можно привести просто неимоверное количество, ведь металлов в периодической системе более 80!

Металлическая связь: механизм образования

Если рассматривать его в общем виде, то основные моменты мы уже обозначили выше. Наличие свободных атомных орбиталей и электронов, легко отрывающихся от ядра вследствие малой энергии ионизации, — вот главные условия для формирования данного типа связи. Таким образом, получается, что она реализуется между следующими частицами:

• атомами в узлах кристаллической решетки;
• свободными электронами, которые были у металла валентными;
• ионами в узлах кристаллической решетки.

В итоге — металлическая связь. Механизм образования в общем виде выражается следующей записью: Ме⁰ — e^— ↔ Меⁿ⁺. Из схемы очевидно, какие частицы присутствуют в кристалле металла.

Сами кристаллы могут иметь разную форму. Это зависит от конкретного вещества, с которым мы имеем дело.

Типы кристаллов металлов

Данная структура металла или его сплава характеризуется очень плотной упаковкой частиц. Ее обеспечивают ионы в узлах кристалла. Сами по себе решетки могут быть разных геометрических форм в пространстве.

1. Объемноцентрическая кубическая решетка — щелочные металлы.
2. Гексагональная компактная структура — все щелочноземельные, кроме бария.
3. Гранецентрическая кубическая — алюминий, медь, цинк, многие переходные металлы.
4. Ромбоэдрическая структура — у ртути.
5. Тетрагональная — индий.

Чем тяжелее металл и чем ниже он располагается в периодической системе, тем сложнее его упаковка и пространственная организация кристалла. При этом металлическая химическая связь, примеры которой можно привести для каждого существующего металла, является определяющей при построении кристалла. Сплавы имеют очень разнообразные организации в пространстве, некоторые из них до сих пор еще не до конца изучены.

Характеристики связи: ненаправленность

Ковалентная и металлическая связь имеют одну очень ярко выраженную отличительную черту. В отличие от первой, металлическая связь не является направленной. Что это значит? То есть электронное облако внутри кристалла движется совершенно свободно в его пределах в разных направлениях, каждый из электронов способен присоединяться к абсолютно любому иону в узлах структуры. То есть взаимодействие осуществляется по разным направлениям. Отсюда и говорят о том, что металлическая связь — ненаправленная.

Механизм ковалентной связи подразумевает образование общих электронных пар, то есть облаков перекрывания атомов. Причем происходит оно строго по определенной линии, соединяющей их центры. Поэтому говорят о направленности такой связи.

Насыщаемость

Данная характеристика отражает способность атомов к ограниченному или неограниченному взаимодействию с другими. Так, ковалентная и металлическая связь по этому показателю опять же являются противоположностями.

Первая является насыщаемой. Атомы, принимающие участие в ее образовании, имеют строго определенное количество валентных внешних электронов, принимающих непосредственное участие в образовании соединения. Больше, чем есть, у него электронов не будет. Поэтому и количество формируемых связей ограничено валентностью. Отсюда насыщаемость связи. Благодаря данной характеристике большинство соединений имеет постоянный химический состав.

Металлическая и водородная связи, напротив, ненасыщаемые. Это объясняется наличием многочисленных свободных электронов и орбиталей внутри кристалла. Также роль играют ионы в узлах кристаллической решетки, каждый из которых может стать атомом и снова ионом в любой момент времени.

Еще одна характеристика металлической связи — делокализация внутреннего электронного облака. Она проявляется в способности небольшого количества общих электронов связывать между собой множество атомных ядер металлов. То есть плотность как бы делокализуется, распределяется равномерно между всеми звеньями кристалла.

Примеры образования связи в металлах

Рассмотрим несколько конкретных вариантов, которые иллюстрируют, как образуется металлическая связь. Примеры веществ следующие:

• цинк;
• алюминий;
• калий;
• хром.

Образование металлической связи между атомами цинка: Zn⁰ — 2e^— ↔ Zn²⁺. Атом цинка имеет четыре энергетических уровня. Свободных орбиталей, исходя из электронного строения, у него 15 — 3 на р-орбитали, 5 на 4 d и 7 на 4f. Электронное строение следующее: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁰4d⁰4f⁰ , всего в атоме 30 электронов. То есть две свободные валентные отрицательные частицы способны перемещаться в пределах 15 просторных и никем не занятых орбиталей. И так у каждого атома. В итоге — огромное общее пространство, состоящее из пустующих орбиталей, и небольшое количество электронов, связывающих всю структуру воедино.

Металлическая связь между атомами алюминия: AL⁰ — e^— ↔ AL³⁺ . Тринадцать электронов атома алюминия располагаются на трех энергетических уровнях, которых им явно хватает с избытком. Электронное строение: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹3d⁰. Свободных орбиталей — 7 штук. Очевидно, что электронное облако будет небольшим по сравнению с общим внутренним свободным пространством в кристалле.

Металлическая связь хрома. Данный элемент особый по своему электронному строению. Ведь для стабилизации системы происходит провал электрона с 4s на 3d орбиталь: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵4p⁰4d⁰4f⁰. Всего 24 электрона, из которых валентных получается шесть. Именно они уходят в общее электронное пространство на образование химической связи. Свободных орбиталей 15, то есть все равно намного больше, чем требуется для заполнения. Поэтому хром — также типичный пример металла с соответствующей связью в молекуле.

Одним из самых активных металлов, реагирующих даже с обычной водой с возгоранием, является калий. Чем объясняются такие свойства? Опять же во многом — металлическим типом связи. Электронов у этого элемента всего 19, но вот располагаются они аж на 4 энергетических уровнях. То есть на 30 орбиталях разных подуровней. Электронное строение: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁰4p⁰4d⁰4f⁰. Всего два валентных электрона, с очень низкой энергией ионизации. Свободно отрываются и уходят в общее электронное пространство. Орбиталей для перемещения на один атом 22 штуки, то есть очень обширное свободное пространство для «электронного газа».

Сходство и различие с другими видами связей

В целом данный вопрос уже рассматривался выше. Можно только обобщить и сделать вывод. Главными отличительными от всех других типов связи чертами именно металлических кристаллов являются:

• несколько видов частиц, принимающих участие в процессе связывания (атомы, ионы или атом-ионы, электроны);
• различное пространственное геометрическое строение кристаллов.

С водородной и ионной связью металлическую объединяет ненасыщаемость и ненаправленность. С ковалентной полярной — сильное электростатическое притяжение между частицами. Отдельно с ионной — тип частиц в узлах кристаллической решетки (ионы). С ковалентной неполярной — атомы в узлах кристалла.

Типы связей в металлах разного агрегатного состояния

Как мы уже отмечали выше, металлическая химическая связь, примеры которой приведены в статье, образуется в двух агрегатных состояниях металлов и их сплавов: твердом и жидком.

Возникает вопрос: какой тип связи в парах металлов? Ответ: ковалентная полярная и неполярная. Как и во всех соединениях, находящихся в виде газа. То есть при длительном нагревании металла и перевода его из твердого состояния в жидкое связи не рвутся и кристаллическая структура сохраняется. Однако когда речь заходит о переводе жидкости в парообразное состояние, кристалл разрушается и металлическая связь преобразуется в ковалентную.