Syllabus ref: 4.5
I dette afsnit undersøger vi de kræfter, der holder en metalstruktur sammen. Den metalliske binding.
- Delokalisering af elektroner
- Dannelse af ioner
- Den metalliske binding
- Det metalliske gitter
Delokalisering af elektroner
Metalatomer kan, i lighed med alle andre metaller bortset fra ædelgasserne, ikke eksistere ret længe i sig selv. Metalatomer aggregerer og tiltrækker hinanden i et forsøg på at stabilisere sig selv.
Metalatomer har meget få elektroner i den ydre skal (valenselektroner) og kan derfor ikke opnå en fuld ydre skal ved at få elektroner eller dele elektroner. De har en tendens til at miste elektroner og overføre dem til ikke-metalatomer. I mangel af ikke-metalatomer kan de imidlertid kun opnå stabilitet ved at dele alle elektronerne i den ydre skal i kæmpe delokaliserede orbitaler. Det er disse delokaliserede orbitalelektroner, der giver metaller deres unikke egenskaber.
top
Dannelse af ioner
Tabet af de ydre elektroner til en stor delokaliseret orbital efterlader metalatomerne som ioner. Disse ioner holdes derefter på plads af tiltrækningen fra den negative ladning i den delokaliserede orbital. Ionerne selv er arrangeret i et kæmpegitter (netværk).
Ladningen på ionerne afhænger af antallet af elektroner i den ydre skal. Metaller i gruppe 1 tilfører en elektron pr. atom til den delokaliserede orbital, og de dannede ioner har en 1+-ladning. Gruppe 2-atomer har ioner med en 2+ ladning.
Også overgangsmetaller mister elektroner, der danner ioner, men antallet af elektroner kan ikke forudsiges ud fra gruppetallet (da de ikke er anbragt i grupper). Generelt danner overgangsmetaller 2+-ioner.
top
Metalbindingen
Elektronernes hav er en negativ ladningssky, der tiltrækker alle de positive ioner. Det er lidt ligesom kugler, der sidder fast i blu-tack. Metalionerne ville frastøde hinanden uden elektronladningsskyen, men den elektrostatiske tiltrækningskraft mellem elektronerne og de positive ioner holder hele strukturen sammen.
Styrken af metalbindingen er en funktion af antallet af elektroner, som atomerne stiller til rådighed, og den deraf følgende ladning på metalionerne. Ionradius spiller også en rolle, da mindre ioner udøver en større tiltrækningskraft på den negative ladningssky.
- Tiltagende ionladning = stærkere metalbinding
- Faldende ionradius = stærkere metalbinding
Effekten af disse to faktorer kan ses ved at sammenligne smeltepunkterne (den temperatur, der er nødvendig for at overvinde kræfterne i metalstrukturen) ned gennem gruppe 1 og på tværs af tredje periode.
| Gruppe 1 metaller | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| Ionisk radius / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| Smeltepunkt / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
Det ses tydeligt, at når ionradius stiger, så falder smeltepunktet. Cæsium ville være flydende på en varm sommerdag.
| Periode 3 metaller | Na | Mg | Al | |
|---|---|---|---|---|
| Ionisk radius / nm | 0,098 | 0,065 | 0,065 | 0.045 |
| ionisk ladning | 1+ | 2+ | 3+ | |
| Smeltningspunkt / K | 371 | 371 | 922 | 936 |
Men magnesium har samme radius som lithium, er smeltepunktet langt højere, hvilket indikerer, at virkningen af en fordobling af ionladningen er langt mere betydelig.
Aluminium har et højere smeltepunkt end magnesium, selv om der ikke er en sådan forskel som mellem lithium og magnesium. Det menes, at den høje ladningstæthed af aluminium 3+-ionen trækker elektrontætheden tilbage på aluminiumionerne, hvilket effektivt mindsker deres ioniske ladning.
Aluminium er kendt for at gøre dette i sine forbindelser, hvilket giver dem en høj grad af kovalent karakter, så det forekommer rimeligt, at lignende virkninger gælder for metalbindingen.
top
Det metalliske gitter
Da metalionerne i et gitter af et metallisk grundstof alle har samme radius, kan de let pakke sig sammen som kugler i en spand.
Det mest almindelige arrangement kaldes hexagonal tæt pakning (HCP). Det er den mest effektive måde for kugler at pakke tæt sammen på.
Der findes to primære tæt pakningssystemer, afhængigt af, hvordan det tredje lag er placeret i forhold til de to andre. Disse to pakningssystemer kaldes ABA og ABC. Hvis ionerne i det tredje lag er direkte over ionerne i det første lag, kaldes det ABA. Hvis ionerne i det tredje lag sidder i “huller”, som ikke er direkte over nogen anden ion, kaldes pakningen ABC. Den bedste måde at visualisere dette på er ved hjælp af modeller.
top