Syllabus ref: 4.5
In dit deel onderzoeken we de krachten die een metaalstructuur bijeenhouden. De metaalbinding.
- Delokalisatie van elektronen
- Vorming van ionen
- De metaalbinding
- Het metaalrooster
Delokalisatie van elektronen
Metaalatomen kunnen, net als alle andere metalen behalve de edelgassen, niet erg lang op zichzelf bestaan. Metaalatomen aggregeren en trekken elkaar aan in een poging zich te stabiliseren.
Metaalatomen hebben zeer weinig elektronen in de buitenste schil (valentie-elektronen) en kunnen dus geen volle buitenste schil krijgen door elektronen te winnen of te delen. Zij hebben de neiging elektronen te verliezen, die zij overdragen aan niet-metaalatomen. Bij afwezigheid van niet-metaalatomen kunnen zij echter alleen stabiliteit bereiken door alle elektronen in de buitenste schil te delen in reusachtige gedelokaliseerde banen. Het zijn deze gedelokaliseerde baanelektronen die metalen hun unieke eigenschappen geven.
top
Vorming van ionen
Als de buitenste elektronen aan een grote gedelokaliseerde baan worden onttrokken, blijven de metaalatomen over als ionen. Deze ionen worden dan op hun plaats gehouden door de aantrekkingskracht van de negatieve lading in de gedelokaliseerde orbitaal. De ionen zelf zijn gerangschikt in een reusachtig rooster (netwerk).
De lading van de ionen hangt af van het aantal buitenste schil elektronen. Groep 1 metalen leveren één elektron per atoom aan de gedelokaliseerde orbitaal en de gevormde ionen hebben een 1+ lading. Groep 2 atomen hebben ionen met een 2+ lading.
Overgangsmetalen verliezen ook elektronen en vormen ionen, maar het aantal elektronen kan niet worden voorspeld uit het groepsnummer (omdat ze niet in groepen zijn gerangschikt). Over het algemeen vormen overgangsmetalen 2+ ionen.
boven
De metaalbinding
De elektronenzee is een negatieve ladingswolk die alle positieve ionen aantrekt. Het is net als knikkers die vastzitten in blu-tack. De metaalionen zouden elkaar afstoten zonder de elektronenwolk, maar de elektrostatische aantrekkingskracht tussen de elektronen en de positieve ionen houdt de hele structuur bijeen.
De sterkte van de metaalbinding is een functie van het aantal elektronen dat door de atomen wordt geleverd en de daaruit voortvloeiende lading van de metaalionen. Ook de ionstraal speelt een rol, omdat kleinere ionen een grotere aantrekkingskracht uitoefenen op de negatieve ladingswolk.
- Verhoogde ionische lading = sterkere metaalbinding
- Verlaagde ionstraal = sterkere metaalbinding
Het effect van deze twee factoren kan worden gezien door de smeltpunten (de temperatuur die nodig is om de krachten binnen de metaalstructuur te overwinnen) in groep 1 en in de derde periode te vergelijken.
| Groep 1 metalen | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| ionische straal / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| smeltpunt / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
Het is duidelijk te zien dat naarmate de ionstraal toeneemt ook het smeltpunt daalt. Caesium zou op een warme zomerdag een vloeistof zijn.
| Periode 3 metalen | Na | Mg | Al |
|---|---|---|---|
| ionstraal / nm | 0,098 | 0,065 | 0.045 |
| ionische lading | 1+ | 2+ | 3+ |
| smeltpunt / K | 371 | 922 | 936 |
Hoewel magnesium een vergelijkbare radius heeft als lithium, ligt het smeltpunt veel hoger, wat aangeeft dat het effect van de verdubbeling van de ionische lading veel groter is.
Aluminium heeft een hoger smeltpunt dan magnesium, hoewel niet zo’n groot verschil als tussen lithium en magnesium. Men denkt dat de hoge ladingsdichtheid van het aluminium 3+ ion de elektronendichtheid op de aluminiumionen terugtrekt waardoor hun ionische lading effectief afneemt.
Aluminium is bekend om dit te doen in zijn verbindingen, waardoor ze een hoge mate van covalent karakter krijgen, dus het lijkt redelijk dat soortgelijke effecten van toepassing zijn op de metaalbinding.
top
Het metaalrooster
Als de metaalionen in een rooster van een metaalelement allemaal dezelfde straal hebben, kunnen ze gemakkelijk samenklonteren als knikkers in een emmer.
De meest voorkomende ordening wordt hexagonale dichte verpakking (HCP) genoemd. Het is de meest efficiënte manier voor bollen om dicht op elkaar te pakken.
Er zijn twee belangrijke dichte pakkingssystemen, afhankelijk van hoe de derde laag is geplaatst ten opzichte van de andere twee. Deze twee pakkingssystemen worden ABA en ABC genoemd. Als de ionen van de derde laag zich direct boven die van de eerste laag bevinden, spreekt men van ABA. Als de ionen van de derde laag in “gaten” zitten die niet direct boven een ander ion liggen, wordt de verpakking ABC genoemd. De beste manier om dit te visualiseren is met behulp van modellen.
boven