Syllabus ref: 4.5
Tässä jaksossa tarkastelemme voimia, jotka pitävät metallirakenteen kasassa. Metallinen sidos.
- Elektronien delokalisaatio
- Ionien muodostuminen
- Metallisidos
- Metalliristikko
Elektronien delokalisaatio
Metalliatomit eivät voi kaikkien muiden metallien tavoin, jalokaasuja lukuun ottamatta, säilyä kovinkaan kauaa yksinään. Metalliatomit yhdistyvät ja vetävät toisiaan puoleensa yrittäessään vakauttaa itseään.
Metalliatomeilla on hyvin vähän elektroneja ulommalla kuorella (valenssielektronit), joten ne eivät voi saavuttaa täyttä ulompaa kuorta hankkimalla elektroneja tai jakamalla elektroneja. Niillä on taipumus menettää elektroneja siirtämällä niitä ei-metalliatomeille. Koska ei-metalliatomeja ei kuitenkaan ole, ainoa tapa, jolla ne voivat saavuttaa stabiilisuuden, on jakaa kaikki ulkokuoren elektronit jättimäisissä delokalisoiduissa orbitaaleissa. Juuri nämä delokalisoidut orbitaalielektronit antavat metalleille niiden ainutlaatuiset ominaisuudet.
top
Ionien muodostuminen
Ulkoelektronien menettäminen suuriin delokalisoituihin orbitaaleihin jättää metalliatomit ioneiksi. Näitä ioneja pitää sitten paikallaan delokalisoituneen orbitaalin negatiivisen varauksen vetovoima. Itse ionit ovat järjestäytyneet jättimäiseen ristikkoon (verkostoon).
Ionien varaus riippuu ulkokuoren elektronien lukumäärästä. Ryhmän 1 metallit antavat yhden elektronin per atomi delokalisoituneeseen orbitaaliin ja muodostuvilla ioneilla on 1+ varaus. Ryhmän 2 atomeilla on ioneja, joilla on 2+ varaus.
Transitiometallit menettävät myös elektroneja muodostaen ioneja, mutta elektronien lukumäärää ei voi ennustaa ryhmänumeron perusteella (koska ne eivät ole järjestäytyneet ryhmiin). Yleensä siirtymämetallit muodostavat 2+ -ioneja.
top
Metallisidos
Elektronimeri on negatiivinen varauspilvi, joka vetää puoleensa kaikki positiiviset ionit. Se on pikemminkin kuin sinitarraan juuttuneet marmorikuulat. Metalli-ionit hylkisivät toisiaan ilman elektronivarauspilveä, mutta elektronien ja positiivisten ionien välinen sähköstaattinen vetovoima pitää kuitenkin koko rakenteen kasassa.
Metallisidoksen vahvuus riippuu atomien tarjoamien elektronien määrästä ja siitä johtuvasta metalli-ionien varauksesta. Myös ionisäteellä on merkitystä, sillä pienemmät ionit harjoittavat suurempaa vetovoimaa negatiiviseen varauspilveen.
- Lisääntyvä ionivaraus = vahvempi metallinen sidos
- Lisääntyvä ionisäde = vahvempi metallinen sidos
Näiden kahden tekijän vaikutuksen näkee vertailemalla sulamispisteitä (lämpötilaa, joka tarvitaan, jotta metallin rakenteen sisäiset voimat saadaan voitetuksi) alaspäin 1. ryhmässä ja koko kolmannessa periodissa.
| Ryhmän 1 metallit | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| ionisäde / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| sulamispiste / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
On selvästi havaittavissa, että ionisäteen kasvaessa sulamispiste laskee. Cesium olisi lämpimänä kesäpäivänä nestemäinen.
| Periodin 3 metallit | Na | Mg | Al |
|---|---|---|---|
| ionisäde / nm | 0,098 | 0,065 | 0.045 |
| ionivaraus | 1+ | 2+ | 3+ |
| sulamispiste. / K | 371 | 922 | 936 |
Vaikka magnesiumilla on samanlainen säde kuin litiumilla, sulamispiste on paljon korkeampi, mikä osoittaa, että ionivarauksen kaksinkertaistumisen vaikutus on paljon merkittävämpi.
Alumiinilla on korkeampi sulamispiste kuin magnesiumilla, joskaan ei niin suuri ero kuin litiumin ja magnesiumin välillä. On ajateltu, että alumiinin 3+ -ionin suuri varaustiheys vetää elektronitiheyden takaisin alumiini-ioneihin, mikä pienentää tehokkaasti niiden ionivarausta.
Alumiinin tiedetään tekevän näin yhdisteissään, mikä antaa niille suuren kovalenttisen luonteen, joten vaikuttaa kohtuulliselta, että samankaltaiset vaikutukset pätevät myös metallisiin sidoksiin.
alkuun
Metalliristikot
Koska metallisen alkuaineen ristikoiden metalli-ionit ovat kaikki saman säteen omaavia, ne pakkautuvat helposti toisiinsa kuin marmorikuulat ämpärissä.
Yleisintä järjestelyä kutsutaan kuusikulmaiseksi tiiviiksi pakkaukseksi (hexagonal close packing, HCP). Se on tehokkain tapa, jolla pallot pakkautuvat tiiviisti toisiinsa.
Se on kaksi pääasiallista tiivispakkausjärjestelmää riippuen siitä, miten kolmas kerros on sijoitettu kahteen muuhun verrattuna. Näitä kahta pakkausjärjestelmää kutsutaan nimillä ABA ja ABC. Jos kolmannen kerroksen ionit ovat suoraan ensimmäisen kerroksen ionien yläpuolella, sitä kutsutaan ABA:ksi. Jos kolmannen kerroksen ionit sijaitsevat ”rei’issä”, jotka eivät ole suoraan minkään muun ionin yläpuolella, pakkausta kutsutaan ABC:ksi. Paras tapa havainnollistaa tämä on käyttää malleja.
top