Syllabus ref: 4.5
Ebben a részben a fémszerkezetet összetartó erőket vizsgáljuk. A fémes kötés.
- Elektronok delokalizációja
- Ionok kialakulása
- A fémes kötés
- A fémrács
Elektronok delokalizációja
A fématomok, a nemesgázok kivételével minden más fémhez hasonlóan, nem tudnak sokáig önmagukban létezni. A fématomok összeadódnak és vonzzák egymást, így próbálják stabilizálni magukat.
A fématomoknak nagyon kevés elektronjuk van a külső héjukban (valenciaelektronok), ezért nem tudják elektronok felvételével vagy elektronok megosztásával elérni a teljes külső héjat. Hajlamosak elektronokat veszíteni, átadva azokat a nemfém atomoknak. Nemfém atomok hiányában azonban csak úgy érhetnek el stabilitást, ha az összes külső héjelektronjukat megosztják egymással óriási delokalizált pályákon. Ezek a delokalizált pályájú elektronok adják a fémek egyedi tulajdonságait.
top
Ionok kialakulása
A külső elektronok nagy delokalizált pályára történő elvesztése miatt a fématomok ionokká válnak. Ezeket az ionokat aztán a delokalizált orbitálisban lévő negatív töltés vonzása tartja a helyén. Maguk az ionok egy óriási rácsba (hálózatba) rendeződnek.
Az ionok töltése a külső héjelektronok számától függ. Az 1. csoportba tartozó fémek atomonként egy-egy elektront adnak a delokalizált orbitálhoz, és a képződő ionok 1+ töltéssel rendelkeznek. A 2. csoportba tartozó atomok ionjai 2+ töltéssel rendelkeznek.
Az átmeneti fémek is veszítenek elektronokat, ionokat képezve, de az elektronok száma nem jósolható meg a csoportszámból (mivel nem csoportokba rendeződnek). Általában az átmeneti fémek 2+ ionokat képeznek.
top
A fémes kötés
Az elektrontenger egy negatív töltésfelhő, amely vonzza az összes pozitív iont. Inkább olyan, mint a kékes ragasztóba ragadt üveggolyók. A fémionok az elektrontöltés-felhő nélkül taszítanák egymást, azonban az elektronok és a pozitív ionok közötti elektrosztatikus vonzóerő összetartja az egész szerkezetet.
A fémes kötés erőssége az atomok által biztosított elektronok számának és a fémionok ebből következő töltésének függvénye. Az ionrádiusz is szerepet játszik, mivel a kisebb ionok nagyobb vonzóerőt gyakorolnak a negatív töltésfelhőre.
- Növekvő iontöltés = erősebb fémes kötés
- csökkenő ionrádiusz = erősebb fémes kötés
A két tényező hatását az olvadáspontok (a fémszerkezeten belüli erők legyőzéséhez szükséges hőmérséklet) összehasonlításával láthatjuk az 1. csoportban és a harmadik periódusban.
| 1. csoport fémek | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| ionos sugár / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| olvadáspont / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
Egyértelműen látható, hogy az ionrádiusz növekedésével csökken az olvadáspont. A cézium egy meleg nyári napon folyékony lenne.
| Periódus 3 fémek | Na | Mg | Al |
|---|---|---|---|
| ionos sugár / nm | 0,098 | 0,065 | 0.045 |
| ionos töltés | 1+ | 2+ | 3+ |
| olvadáspont. / K | 371 | 922 | 936 |
Bár a magnéziumnak a lítiumhoz hasonló sugara van, olvadáspontja jóval magasabb, ami azt jelzi, hogy az iontöltés megduplázásának hatása sokkal jelentősebb.
Az alumínium olvadáspontja magasabb, mint a magnéziumé, bár nem olyan nagy a különbség, mint a lítium és a magnézium között. Úgy gondolják, hogy az alumínium 3+ ion nagy töltéssűrűsége visszahúzza az elektronsűrűséget az alumíniumionokra, hatékonyan csökkentve azok iontöltését.
Az alumíniumról ismert, hogy ezt teszi vegyületeiben, így azok nagyfokú kovalens jelleget kapnak, így ésszerűnek tűnik, hogy hasonló hatások érvényesülnek a fémes kötésben is.
top
A fémrács
Mivel a fémionok egy fémelem rácsában mind azonos sugarúak, könnyen össze tudnak pakolni, mint golyók a vödörben.
A leggyakoribb elrendeződést hexagonális szoros csomagolásnak (hexagonal close packing, HCP) nevezik. Ez a leghatékonyabb módja annak, hogy a gömbök szorosan egymás mellé pakolódjanak.
Két fő szoros pakolási rendszer létezik, attól függően, hogy a harmadik réteg hogyan helyezkedik el a másik kettőhöz képest. Ezt a két csomagolási rendszert ABA-nak és ABC-nek nevezik. Ha a harmadik réteg ionjai közvetlenül az első réteg ionjai fölött vannak, akkor ABA-nak nevezzük. Ha a harmadik réteg ionjai olyan “lyukakban” ülnek, amelyek nem közvetlenül más ionok felett helyezkednek el, akkor a csomagolást ABC-nek nevezzük. Ezt legjobban modellek segítségével lehet szemléltetni.
top