ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

Розділ 3. ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК

§ 3.5. Металічний зв’язок

Атоми більшості металів на зовнішньому енергетичному рівні містять невелике число електронів. Так, по одному електрону містять 16 елементів, по два — 58, по три — 4 елементи і жодного — тільки Pd. Атоми елементів Ge, Sn і Pb мають на зовнішньому рівні по 4 електрони, Sb і Ві — по 5, Ро — 6, але ці елементи не є характерними металами.

Елементи метали утворюють прості речовини — метали. За звичайних умов це кристалічні речовини (крім ртуті). На рис. 3.14 зображено кристалічну решітку натрію. Як бачимо, кожний атом натрію оточений вісьмома сусідніми. На прикладі натрію розглянемо

природу хімічного зв’язку в металах.

В атома натрію, як і в інших металів, є надлишок валентних орбіталей і нестача електронів. Так, валентний електрон (3s¹) може займати одну з дев’яти вільних орбіталей — 3s (одна), 3р (три) і 3d (п’ять). Під час зближення атомів внаслідок утворення кристалічної решітки валентні орбіталі сусідніх атомів перекриваються, в результаті чого електрони вільно переміщуються з однієї орбіталі на іншу, здійснюючи зв’язок між усіма атомами кристала металу. Такий тип хімічного зв’язку називається металічним зв’язком. Металічний зв’язок утворюють елементи, атоми яких на зовнішньому рівні мають мало валентних електронів порівняно із загальним числом зовнішніх енергетично близьких орбіталей, а валентні електрони внаслідок невеликої енергії іонізації слабко утримуються в атомі. Хімічний зв’язок у металічних кристалах сильно делокалізований, тобто електрони, що здійснюють зв’язок, узагальнені (“електронний газ”) і переміщуються по всьому шматку металу, який в цілому електронейтральний.

Рис. 3.14. Кристалічна решітка натрію

Металічний зв’язок характерний для металів у твердому і рідкому станах. Це властивість агрегатів атомів, розміщених в безпосередній близькості один від одного. Однак у пароподібному стані атоми металів, як і всіх речовин, сполучені між собою ковалентними зв’язками. Пара металів складається з окремих молекул (одно- і двохатомних). Міцність зв’язку в кристалі більша, ніж у молекулі металу, а тому процес утворення металічного кристала відбувається з виділенням енергії.

Металічний зв’язок дещо подібний до ковалентного, оскільки і в його основі лежить усуспільнення валентних електронів. Однак електрони, які здійснюють ковалентний зв’язок, перебувають поблизу сполучених атомів і міцно з ними зв’язані. Електрони ж, які здійснюють металічний зв’язок, вільно переміщуються по всьому кристалу і належать усім його атомам. Саме тому кристали з ковалентним зв’язком крихкі, а з металічним — пластичні, тобто вони змінюють форму під час удару, прокатування в тонкі листи і витягуються в дріт.

Металічним зв’язком пояснюються фізичні властивості металів (див. § 12.2).