Какие свойства металлов обусловливает металлическая связь

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.

Учебник для 11 класса

Естествознание

1. Назовите три исторические эпохи в развитии цивилизации, для которых было характерно производство орудий труда и оружия из соответствующих материалов.
2. Перечислите основные рудные (или металлические) месторождения в России.
3. Объясните, какие металлы называют благородными и почему, какую роль они играли в истории человечества с древнейших времён и до наших дней.
4. Приведите примеры литературных и музыкальных произведений, связанных сюжетно или по названию с металлами и сплавами.

Механизм образования металлической химической связи. Для атомов металлов характерны некоторые отличительные особенности строения. Первая: они, как правило, имеют 1—3 электрона на внешнем энергетическом уровне. Однако у атомов олова и свинца валентных электронов 4, у сурьмы и висмута — 5, а у полония — 6. Почему же эти элементы являются металлами? Ответ получим, зная о второй особенности строения атомов металлов — у них сравнительно большой радиус. Поэтому валентные электроны притягиваются к положительному ядру слабее и легко отрываются от атома.

Атом, от которого «ушли» электроны, превращается в ион. В результате этого в металлическом изделии или кусочке металла формируется совокупность свободных электронов, которые непрерывно перемещаются между ионами. При этом, притягиваясь к положительным ионам металла, электроны вновь превращают их в атомы, затем снова отрываются, превращая в ионы, и так бесконечно. Следовательно, в металлах происходит непрерывный процесс превращения «атом ион», его осуществляют валентные электроны, а частицы, из которых состоят металлы, так и называют — атом-ионы.

То же самое наблюдается и в металлических сплавах.

Эта связь определяет особое кристаллическое строение металлов и сплавов — металлическую кристаллическую решётку, в узлах которой расположены атом-ионы.

Наиболее характерные свойства металлов. Такие свойства металлов, как пластичность, ковкость, электро- и теплопроводность, металлический блеск, способность к образованию сплавов, обусловлены именно металлической кристаллической решёткой и металлической связью.

Пластичность — важнейшее свойство металлов, выражающееся в их способности деформироваться под воздействием механической нагрузки. Это свойство лежит в основе обработки металла давлением (ковка, прокатка и др.), протягивании его в проволоку и т. п.

Пластичность металла объясняется тем, что под внешним воздействием одни слои атом-ионов в кристаллах легко смещаются, как бы скользят относительно друг друга без разрыва связи между ними.

Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Недаром для своего знаменитого опыта, позволившего создать планетарную модель атома, Э. Резерфорд использовал именно золото, из которого была изготовлена фольга толщиной всего 0,003 мм. Такие же тонкие листочки фольги используются для золочения художественных изделий, например деревянной резьбы. Потрясает воображение сиянием золота декор залов Петергофского дворца (рис. 17) под Санкт-Петербургом и резной золочёный деревянный алтарь Успенского собора во Владимире.

Рис. 17. Золочёная резьба по дереву — основной элемент декора аудиенц-зала Большого Петергофского дворца. 1714—1755

Замечательные изделия из золота дошли до нас через тысячелетия (рис. 18).

Рис. 18. Так называемая золотая маска Агамемнона (XIV в. до н. э.), найденная Г. Шлиманом при раскопках в Микенах

Высокая электропроводность металлов объясняется наличием в них подвижных электронов, которые под действием электрического поля начинают двигаться направленно. Лучшими проводниками электрического тока являются золото, серебро и медь, немного уступает им алюминий. Однако в большинстве стран провода и кабели делают в основном не из меди, а из более дешёвого алюминия. Хуже всего электрический ток проводят марганец, свинец, ртуть, вольфрам и некоторые другие тугоплавкие металлы.

Теплопроводность металлов также объясняется высокой подвижностью электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами металлов, обмениваются с ними тепловой энергией. С повышением температуры эти колебания ионов с помощью электронов передаются другим ионам, и температура металла быстро выравнивается. О практическом значении этого свойства вы можете судить по равномерному нагреванию кухонной металлической посуды.

Гладкая поверхность металла или металлического изделия характеризуется металлическим блеском, который является результатом отражения световых лучей. Высокой световой отражательной способностью обладают ртуть (её раньше использовали для изготовления знаменитых венецианских зеркал), серебро, палладий и алюминий. Последние три металла в настоящее время используются при производстве зеркал, прожекторов и фар.

В порошкообразном виде металлы теряют блеск, приобретая чёрную или серую окраску, и только магний и алюминий сохраняют его. Поэтому из алюминиевой пыли делают краску серебрянку для декоративных покрытий.

Большинство металлов имеет серебристобелый цвет, золото и медь — соответственно жёлтый (червонный) или красно-жёлтый (медный) цвет (рис. 19).

Рис. 19. Самородки: а — золота; б — меди; в — серебра

Металлы также классифицируются в зависимости от своей плотности, температуры плавления и твёрдости. Все металлы при обычных условиях — твёрдые вещества. Исключение составляет жидкая ртуть. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (так, хром по твёрдости приближается к алмазу). Самые мягкие — щелочные металлы, натрий и калий, например, легко режутся ножом.

По плотности металлы делят на лёгкие (плотность меньше 5 г/см3) и тяжёлые (плотность больше 5 г/см3). К лёгким относят щелочные, щёлочноземельные металлы и алюминий, из металлов побочных подгрупп — скандий, иттрий и титан. Эти металлы благодаря легкоплавкости и тугоплавкости всё шире применяют в различных областях техники.

Самый лёгкий металл — литий, плотность которого 0,53 г/см3, самый тяжёлый — осмий с плотностью 22,6 г/см3.

Лёгкие металлы обычно легкоплавки (галлий может плавиться уже на ладони руки), а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшая температура плавления — у вольфрама (+3422 °С). Это его свойство (так же как и огромное электрическое сопротивление) используют для изготовления ламп накаливания. Однако сейчас в Российской Федерации, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы — галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, но заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома и иода). Люминесцентные лампы — это хорошо знакомые вам лампы дневного света, имеющие один существенный недостаток: они содержат ртуть, а потому нуждаются в соблюдении особых правил утилизации на специальных пунктах приёма. Светодиодные лампы самые экономичные и самые долговечные (срок их работы — до 100 тыс. ч).

Металлические сплавы и области их применения. Металлическая химическая связь и металлическая кристаллическая решётка характерны не только для чистых металлов, но и для их сплавов. Это отличает металлические сплавы от неметаллических, как искусственных (стекла, керамики, фарфора, фаянса), так и природных (гнейсов, базальтов, гранитов и т. д.).

Ещё в глубокой древности люди заметили, что сплавы обладают другими, нередко более полезными свойствами, чем входящие в их состав чистые металлы. Поэтому металлы в чистом виде используются редко. Например, у первого полученного человеком сплава — бронзы — прочность выше, чем у её составляющих — меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа. Чистый алюминий — очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди, никеля, называемый дюралюминием, в 4 раза прочнее алюминия и используется в самолётостроении (рис. 20), а потому образно называется «крылатым» металлом.

Рис. 20. Один из самых больших пассажирских самолётов «Конкорд» — 20 тонн дюралюминия

Кроме большей прочности сплавы обладают и лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддаётся литью, а оловянная бронза имеет прекрасные литейные качества — из неё отливают художественные изделия, памятники, которые требуют тонкой проработки деталей (рис. 21).

Рис. 21. Э. Фальконе. Медный всадник — памятник Петру I в Санкт-Петербурге. 1768—1770

Чугун — сплав железа с углеродом — также великолепный литейный материал (рис. 22).

Рис. 22. Чугунная решётка Летнего сада в Санкт-Петербурге, вы полненная по проекту архитекторов Ю. Фельтена, И. Фока и П. Егорова. 1771—1784

Кроме высоких механических качеств, сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Например, нержавеющая сталь — сплав на основе железа — обладает высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и высокой жаропрочностью.

Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов и сплавов (рис. 23).

Рис. 23. Эйфелева башня в Париже, названная в честь своего конструктора Густава Эйфеля. 1887—1889

На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать устойчивые к коррозии, сверхтвёрдые и тугоплавкие сплавы, применение которых значительно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплава вольфрама и рения делают детали, выдерживающие температуру до +3000 °С (рис. 24). В медицине используют хирургические инструменты и имплантаты из сплавов тантала и платины.

Рис. 24. Космическая техника, при создании которой используются современные сплавы

В следующем параграфе познакомимся с молекулярно-кинетической теорией, рассмотрим различные агрегатные состояния вещества и взаимные переходы из одного состояния в другое.

Теперь вы знаете

• механизм образования металлической химической связи
• наиболее характерные свойства металлов
• металлические сплавы и области их применения

Теперь вы можете

• объяснить, что такое металлическая химическая связь и как она возникает
• назвать самые пластичные металлы, металлы с самой плохой электропроводностью, самый лёгкий и самый тяжёлый металл, металл с самой высокой температурой плавления
• дать сравнительную характеристику физических свойств металлов и сплавов
• перечислить те отрасли современной промышленности, где находят широкое применение металлические сплавы

Выполните задания

1. Назовите некоторые отличительные особенности, характерные для строения атомов металлов.
2. Дайте определение металлической связи, объясните, что из себя представляют атом-ионы и какую роль они играют в механизме образования химической связи.
3. Объясните, как особенности строения металлов — простых веществ сказываются на их физических свойствах, перечислите основные свойства металлов.
4. Охарактеризуйте тяжёлые и лёгкие металлы, легкоплавкие и тугоплавкие, назовите основные области их применения.
5. Приведите примеры наиболее выдающихся произведений искусства из металлов и сплавов.

Темы для рефератов

1. Типы металлических кристаллических решёток.
2. История возникновения и развития зеркального производства.
3. «Крылатый» металл и история мировой авиации.
4. История металлических денег в России.
5. Драгоценные металлы и сплавы в истории мирового искусства.
6. Роль современных сплавов в науке, технике, медицине, быту.