Syllabus ref: 4.5
W tym rozdziale badamy siły, które utrzymują strukturę metalu razem. Wiązanie metaliczne.
- Delokalizacja elektronów
- Powstawanie jonów
- Wiązanie metaliczne
- Sieć metaliczna
Delokalizacja elektronów
Atomy metali, podobnie jak wszystkie inne metale z wyjątkiem gazów szlachetnych, nie mogą istnieć bardzo długo samodzielnie. Atomy metalu łączą się i przyciągają wzajemnie, próbując się ustabilizować.
Atomy metali mają bardzo mało elektronów w zewnętrznej powłoce (elektrony walencyjne) i dlatego nie mogą osiągnąć pełnej powłoki zewnętrznej poprzez zdobywanie elektronów lub dzielenie się elektronami. Mają one tendencję do tracenia elektronów, przenosząc je na atomy niemetali. Jednakże, przy braku atomów niemetalu, jedynym sposobem na osiągnięcie stabilności jest współdzielenie wszystkich elektronów powłoki zewnętrznej w gigantycznych zdelokalizowanych orbitalach. To właśnie te zdelokalizowane elektrony orbitalne nadają metalom ich unikalne cechy.
top
Formacja jonów
Utrata zewnętrznych elektronów do dużego zdelokalizowanego orbitalu pozostawia atomy metali jako jony. Jony te są następnie utrzymywane w miejscu przez przyciąganie ujemnego ładunku w zdelokalizowanym orbitalu. Same jony są ułożone w gigantyczną siatkę (sieć).
Ładunek na jonach zależy od liczby elektronów powłoki zewnętrznej. Metale grupy 1 dostarczają po jednym elektronie na atom do orbitalu zdelokalizowanego i powstałe jony mają ładunek 1+. Atomy grupy 2 mają jony o ładunku 2+.
Metale przejściowe również tracą elektrony tworząc jony, ale liczba elektronów nie może być przewidziana na podstawie numeru grupy (ponieważ nie są one ułożone w grupy). Na ogół metale przejściowe tworzą jony 2+.
góra
Wiązanie metaliczne
Morze elektronów jest chmurą ładunków ujemnych, która przyciąga wszystkie jony dodatnie. To jest raczej jak marmurki wetknięte w blu-tack. Jony metali odpychałyby się bez chmury ładunków elektronowych, jednak siła elektrostatycznego przyciągania pomiędzy elektronami i jonami dodatnimi utrzymuje całą strukturę razem.
Siła wiązania metalicznego jest funkcją liczby elektronów dostarczonych przez atomy i wynikającego z tego ładunku na jonach metali. Promień jonowy również odgrywa rolę, ponieważ mniejsze jony wywierają większą siłę przyciągania na chmurę ładunków ujemnych.
- Zwiększający się ładunek jonowy = silniejsze wiązanie metaliczne
- Zmniejszający się promień jonowy = silniejsze wiązanie metaliczne
Wpływ tych dwóch czynników można zaobserwować porównując punkty topnienia (temperaturę potrzebną do pokonania sił w strukturze metalu) w dół grupy 1 i przez trzeci okres.
| metale grupy 1 | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| promień jonowy / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| temperatura topnienia / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
Jasno widać, że jak promień jonowy wzrasta, więc temperatura topnienia spada. Cez byłby cieczą w ciepły letni dzień.
| Period 3 metale | Na | Mg | Al |
|---|---|---|---|
| promień jonowy / nm | 0.098 | 0.065 | 0.045 |
| ładunek jonowy | 1+ | 2+ | 3+ |
| temperatura topnienia. / K | 371 | 922 | 936 |
Ale magnez ma podobny promień do litu, temperatura topnienia jest o wiele wyższa, co wskazuje, że efekt podwojenia ładunku jonowego jest o wiele bardziej znaczący.
Aluminium ma wyższą temperaturę topnienia niż magnez, choć nie ma takiej różnicy jak między litem i magnezem. Uważa się, że wysoka gęstość ładunku jonów aluminium 3+ przyciąga gęstość elektronów z powrotem na jony aluminium skutecznie zmniejszając ich ładunek jonowy.
Aluminium jest znane z tego, że robi to w swoich związkach, nadając im wysoki stopień charakteru kowalencyjnego, więc wydaje się rozsądne, że podobne efekty mają zastosowanie do wiązania metalicznego.
góra
Sieć metaliczna
Jako że jony metali w sieci elementu metalicznego mają ten sam promień, mogą łatwo upakować się razem jak kulki w wiadrze.
Najczęściej spotykany układ nazywa się heksagonalnym upakowaniem ścisłym (HCP). Jest to najbardziej efektywny sposób upakowania sfer blisko siebie.
Istnieją dwa główne systemy bliskiego upakowania, w zależności od tego, jak trzecia warstwa jest umieszczona w stosunku do dwóch pozostałych. Te dwa systemy pakowania są nazywane ABA i ABC. Jeśli jony trzeciej warstwy znajdują się bezpośrednio nad jonami pierwszej warstwy, nazywa się to ABA. Jeśli jony z trzeciej warstwy siedzą w „dziurach”, które nie znajdują się bezpośrednio nad żadnym innym jonem, to upakowanie nazywa się ABC. Najlepszym sposobem na zobrazowanie tego jest użycie modeli.
top
.