Programmet: 4.5
I det här avsnittet undersöker vi de krafter som håller ihop en metallstruktur. Den metalliska bindningen.
- Delokalisering av elektroner
- Bildning av joner
- Metallbindningen
- Metallgitteret
Delokalisering av elektroner
Metallatomer kan, i likhet med alla andra metaller förutom ädelgaserna, inte existera särskilt länge på egen hand. Metallatomer aggregerar och attraherar varandra i ett försök att stabilisera sig själva.
Metallatomer har mycket få elektroner i det yttre skalet (valenselektroner) och kan därför inte uppnå ett fullt yttre skal genom att vinna elektroner eller dela elektroner. De tenderar att förlora elektroner och överföra dem till icke-metallatomer. I avsaknad av icke-metalliska atomer är det enda sättet för dem att uppnå stabilitet att dela alla elektroner i det yttre skalet i jättelika delokaliserade banoritaler. Det är dessa delokaliserade orbitalelektroner som ger metallerna deras unika egenskaper.
top
Formning av joner
Förlorar man de yttre elektronerna till en stor delokaliserad orbital kvarstår metallatomerna som joner. Dessa joner hålls sedan på plats av attraktionen från den negativa laddningen i den delokaliserade orbitalet. Jonerna i sig är ordnade i ett jättelikt gitter (nätverk).
Laddningen på jonerna beror på antalet elektroner i det yttre skalet. Metaller i grupp 1 ger en elektron per atom till den delokaliserade orbitalen och de joner som bildas har en 1+-laddning. Atomer i grupp 2 har joner med en 2+ laddning.
Övergångsmetaller förlorar också elektroner som bildar joner, men antalet elektroner kan inte förutsägas utifrån gruppnumret (eftersom de inte är ordnade i grupper). Generellt bildar övergångsmetaller 2+ joner.
top
Metallbindningen
Elektronernas hav är ett negativt laddningsmoln som drar till sig alla positiva joner. Det är ungefär som kulor som sitter fast i blu-tack. Metalljonerna skulle stöta bort varandra utan elektronernas laddningsmoln, men den elektrostatiska attraktionskraften mellan elektronerna och de positiva jonerna håller ihop hela strukturen.
Styrkan i metallbindningen är en funktion av antalet elektroner som tillhandahålls av atomerna och den därav följande laddningen på metalljonerna. Jonradien spelar också en roll, eftersom mindre joner utövar en större attraktionskraft på det negativa laddningsmolnet.
- Stigande jonladdning = starkare metallisk bindning
- Minskande jonradie = starkare metallisk bindning
Effekten av dessa två faktorer kan ses genom att jämföra smältpunkterna (temperaturen som krävs för att övervinna krafterna inom metallstrukturen) nedåt i grupp 1 och över hela den tredje perioden.
| Grupp 1 metaller | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| Ionradie / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| Smältpunkt / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
Det framgår tydligt att smältpunkten sjunker när jonradien ökar. Cesium skulle vara en vätska en varm sommardag.
| Period 3 metaller | Na | Mg | Al |
|---|---|---|---|
| Ionisk radie / nm | 0,098 | 0,065 | 0.045 |
| jonladdning | 1+ | 2+ | 3+ |
| smältpunkt / K | 371 | 922 | 936 |
Men magnesium har en liknande radie som litium, är smältpunkten mycket högre, vilket tyder på att effekten av att fördubbla jonladdningen är mycket större.
Aluminium har en högre smältpunkt än magnesium även om skillnaden inte är lika stor som mellan litium och magnesium. Man tror att den höga laddningstätheten hos aluminium 3+-jonen drar tillbaka elektrontätheten till aluminiumjonerna, vilket effektivt minskar deras joniska laddning.
Aluminium är känt för att göra detta i sina föreningar, vilket ger dem en hög grad av kovalent karaktär, så det verkar rimligt att liknande effekter gäller för metallbindningen.
top
Metallgitteret
Då metalljonerna i ett metalliskt grundämnes gitter alla har samma radie kan de lätt packa ihop sig som kulor i en hink.
Det vanligaste arrangemanget kallas hexagonal close packing (HCP). Det är det mest effektiva sättet för sfärer att packa tätt ihop.
Det finns två huvudsakliga nära packningssystem, beroende på hur det tredje lagret är placerat i förhållande till de andra två. Dessa två packningssystem kallas ABA och ABC. Om jonerna i det tredje lagret ligger direkt ovanför jonerna i det första lagret kallas det ABA. Om jonerna i det tredje lagret sitter i ”hål” som inte är direkt ovanför någon annan jon kallas packningen ABC. Det bästa sättet att visualisera detta är att använda modeller.
topp