Металлическая связь металлическая кристаллическая решетка физические свойства металлов

Металлическая связь. Свойства металлической связи

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.

Источник

Физические свойства металлов

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 238.

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 238.

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.

Читайте также:  Сварочная присадочная проволока для сварки металла ацетиленом

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.

Источник

Металлическая химическая связь — характеристика, способы образования и свойства

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:

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.
Читайте также:  Коэффициент теплопроводности материала металл

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.

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.

Источник

Металлическая связь металлическая кристаллическая решетка физические свойства металлов

Ключевые слова конспекта: Металлическая химическая связь: ион-атомы и электронный газ. Физические свойства металлов и их применение на основе этих свойств. Чёрные и цветные металлы. Сплавы.

Подавляющее число химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева относятся к металлам:

  • все s-элементы, кроме водорода и гелия;
  • все d-элементы;
  • p-элементы IIIА-группы, кроме бора;
  • некоторые p-элементы IVA- (олово и свинец) и VA- (сурьма и висмут) групп, а также p-элемент VIIА-группы — полоний.

Анализ положения металлов в периодической системе и учёт особенностей строения их атомов позволяет сделать следующие выводы: атомы этих элементов содержат небольшое число электронов на внешнем слое (1—3), имеют сравнительно большой радиус атома и много свободных орбиталей, которые могут легко перекрываться. Поэтому валентные электроны свободно перемещаются от одних атомов, превращая их в ионы, к другим, связывая их.

В простых веществах-металлах осуществляется бесконечный процесс превращения атомов в ионы и обратно, который можно отразить с помощью схемы:

Эти же процессы происходят и в металлических сплавах.

Связь в металлах и сплавах между ион–атомами, осуществляемая совокупностью валентных электронов, называется металлической связью .

Металлическая связь определяет и особое кристаллическое строение металлов и сплавов — металлическую кристаллическую решётку, в узлах которой расположены ион–атомы. Обобществлённые подвижные электроны не принадлежат какому–то определённому атому и способны перемещаться по всему объёму металла. В отсутствие в нём электрического поля эти электроны хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решётки. В 1900 г. немецкий физик Пауль Друде предложил называть совокупность этих электронов электронным газом. Этот электронный газ прочно соединяет, как бы склеивает ионный остов металла. При механических нагрузках или нагреве газ не допускает разрыва металлической решётки, связывая положительные ионы. Поэтому при обработке металлов изменение их формы происходит без разрушения кристаллической решётки, так как её слои легко скользят один по другому.

Металлы электропроводны, потому что под действием электрического поля валентные электроны начинают направленное движение — возникает электрический ток. Металлы — это проводники первого рода, в отличие от растворов электролитов, которые относятся к проводникам второго рода.

Читайте также:  Температура начала рекристаллизации для чистых металлов

Мы вряд ли представляем себе жизнь без электричества, которое поступает в каждый дом, в каждую квартиру по сети электрических проводов своеобразной кровеносной системе современной технической цивилизации. Лучше всего проводят электрический ток серебро, медь, золото, алюминий. Серебро и золото — дорогие металлы. Медь также недешёвый металл. Поэтому кабели линий электропередачи (ЛЭП) делают главным образом из алюминия.

Кстати, прочная опора линии электропередачи тоже металлическая. Прочность — одно из основных свойств большинства металлов, позволяющее использовать их в качестве конструкционных материалов. Один из наиболее прочных и в то же время лёгких металлов — титан. Этот металл и сплавы на его основе — незаменимые конструкционные материалы в самолётостроении и космической технике.

Все металлы теплопроводны. Это свойство, как и нетоксичность некоторых металлов, лежит в основе их применения для производства кухонной посуды: кастрюль, сковородок, противней. Батареи центрального отопления должны быстро нагреваться поступающей в них водой и эффективно отдавать теплоту окружающему воздуху, поэтому их тоже изготавливают из металла.

Самыми теплопроводными металлами являются те, которые хорошо проводят электрический ток: серебро, медь, золото, алюминий.

Металлы обладают металлическим блеском. Блестят они потому, что отражают лучи света, а не пропускают их, как стекло, и не поглощают, как сажа. Окраска большинства металлов серебристо–белая, так как они в равной степени отражают все лучи видимой части спектра. Золото и медь частично поглощают коротковолновое излучение, поэтому обладают окраской от жёлтой до красно–коричневой. Самые блестящие металлы — ртуть, палладий, серебро и алюминий, поэтому отражатели прожекторов, автомобильных фар и фонарей покрывают тонким слоем палладия, алюминия или хрома. Почти все измельчённые в порошок металлы, кроме магния и алюминия, теряют блеск и превращаются в серые или чёрные порошки.

Пластичность металлов в сочетании с блеском делают их незаменимым материалом для художников. Самым пластичным по праву считается золото. Из одного грамма этого металла можно вытянуть нить длиной 2 км или раскатать фольгу толщиной 0,00008 мм. Такой тонкий листочек даже в руки взять невозможно: он сразу прилипнет к коже. Это свойство находит своё применение: тонкими золотыми листочками покрывают купола церквей, скульптуры, деревянную резьбу.

Современная техника и промышленность нуждаются в металлических материалах с самыми разнообразными и трудно сочетаемыми свойствами, которых нет у чистых металлов. На помощь технологам приходят сплавы.

Сплавы — это металлические материалы, получаемые из расплавов двух или более веществ, одно из которых — металл.

Например, из железосодержащих руд выплавляют чугун — сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет от 2 до 4%. Чугун — хрупкий материал, изделия из которого получают не ковкой, а литьём, как из пластмасс. Из чугуна изготавливают различные массивные конструкции: корпуса станков, турбин, детали двигателей, ограждения. Настоящее произведение искусства — ограды мостов и решётки парков Санкт–Петербурга.

Если из чугуна удалить излишек углерода и довести его содержание до 1—2%, получится сталь. В отличие от чугуна, она пластична, ковка, имеет гладкую блестящую поверхность. Сталь можно прокатать в тонкий лист или железнодорожный рельс, вытянуть в проволоку, согнуть уголком.

Для придания стали специфических свойств в неё добавляют другие металлы — так называемые легирующие добавки. Используя их, выплавляют сотни разных сортов стали. Нержавеющая сталь содержит хром и никель. В жаропрочную сталь добавляют вольфрам. Молибден придаёт стали твёрдость. Алюминий добавляют в сталь, идущую на изготовление кузовов автомобилей.

Железо и сплавы на его основе называют чёрными металлами, а соответствующую отрасль промышленности — чёрной металлургией. Все остальные металлы и сплавы называют цветными.

Сплав меди с оловом, бронза, обладает хорошими литейными свойствами. Из неё отливают не только колокола и художественные изделия, но и подшипники, вентили, клапаны и детали машин.

Сплав меди с цинком называют латунью. Она прочнее меди, устойчива к атмосферной коррозии. Из латуни изготавливают трубки, шестерни, армейские знаки отличия, химическое оборудование.

Нарядные столовые приборы, посуду, недорогие украшения изготавливают из мельхиора — сплава меди с никелем. Несмотря на то, что никеля в этом сплаве всего 20%, мельхиор лишён медного цвета и по внешнему виду напоминает серебро.

Сплав алюминия с медью, магнием и марганцем называют дуралюмин (дюраль) и используют в самолёто-, судо- и машиностроении.

Конспект урока по химии «Металлическая химическая связь». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 11 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector