Металлическая связь

Металлы представляют собой простые вещества, и можно было бы полагать, что связь в металлах должна быть ковалентной неполярной. В действительности же валентные электроны металлов, как элементов с малыми значениями электроотрицательности слабо связаны с ядром, и при соединении двух атомов не может образовываться достаточно прочная ковалентная связь. Лишь в парообразном состоянии существуют ковалентно построенные двухатомные молекулы металлов, например, Li₂, Nа₂, K_2, энергия связи, в которых в несколько раз меньше, чем, например, энергия связи в молекуле водорода.

В жидком же и твердом состоянии двухатомные молекулы в металлах отсутствуют. За счет чего же атомы металлов удерживаются между собой? Рассмотрим следующий тип связи – металлическую связь.

Предположения о природе металлической связи можно получить на основании двух отличий металлов от соединений с ковалентными и ионными связями. Во-первых, металлы отличаются от других веществ высокой электро- и теплопроводностью, и, во-вторых, являются в обычных условиях кристаллическими веществами с высокими координационными числами атомов (т.е. каждый атом окружен большим числом соседей, с ним связанных).

Из первого свойства следует, что по крайней мер, часть электронов может относительно свободно передвигаться по всему объему куска металла. Из второго свойства – что атомы не связаны друг с другом, так как валентных электронов в атомах металлов недостаточно для образования обычных ковалентных связей.

У атомов металлов имеется малое количество электронов и избыток свободных орбиталей. Следовательно, при сообщении небольшой энергии валентные электроны могут занимать не только “свои“, но и соседние орбитали, расположенные несколько выше по энергии и дальше от ядра. При сближении атомов в результате образования кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов перекрываются, вследствие чего электроны свободно перемещаются из орбитали одного атома в орбиталь другого, осуществляя связь между всеми атомами кристалла.

При этом атом металла превращается в положительно заряженный ион, но другой электрон, подходя к иону, может образовывать с ним на мгновение атом. Если рядом с ним в этот момент окажется другой атом. то между этими атомами на некоторое время может образовываться обычная ковалентная неполярнаная связь.

Таким образом, в кристалле металла между атомами возникает ковалентная неполярная связь, перемещающаяся по объему металла, а между ионами металла и электронами – ионная связь, т.е. связь в металлах представляет собой нечто промежуточное между ионной и ковалентной связью. Кристалл металла можно представить как сочетание атомов и ионов металла, в промежутках между которыми перемещаются электроны, получившие название “электронного газа“.

Следует отметить, что поведение этих электронов практически полностью подчиняется законам, выведенным для идеальных газов.

Таки образом, металлическая связь – это многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов, основанная на обобществлении внешних электронов атомов металлов в твердом и жидком состоянии.

Металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества и представляет собой не связь между отдельными частицами, а связь целых агрегатов частиц.

По мере увеличения числа валентных электронов прочность металлической связи увеличивается.

Следует отметить, что метод валентных связей не может интерпретировать полностью металлическую связь: в металлах наблюдается недостаток валентных электронов по сравнению с числом межатомных связей. Отсюда и интерметаллические соединения, как правило, не подчиняются законам классической ковалентности, а на основании положения в Периодической системе невозможно предсказать истинный состав интерметаллидов.