Schema generale per la formazione di un legame metallico. connessione metallica

Un legame metallico si verifica tra atomi di metallo. Una caratteristica degli atomi di metallo è un piccolo numero di elettroni nel livello di energia esterno, debolmente trattenuto dal nucleo, e un gran numero di orbitali atomici liberi con energie simili, quindi il legame metallico è insaturo.

Gli elettroni di valenza partecipano alla formazione di legami con 8 o 12 atomi contemporaneamente (a seconda del numero di coordinazione degli atomi di metallo). In queste condizioni, gli elettroni di valenza con una bassa energia di ionizzazione si muovono lungo gli orbitali disponibili di tutti gli atomi vicini, fornendo una connessione tra loro.

connessione metallica caratterizzato da una debole interazione degli elettroni comuni con i nuclei degli atomi collegati e dalla completa delocalizzazione di questi elettroni tra tutti gli atomi del cristallo, che assicura la stabilità di questo legame.

Schema di formazione di un legame metallico (M - metallo):

M 0 - ne M n +

I metalli hanno uno speciale reticolo cristallino, nei cui nodi ci sono atomi di metallo sia neutri che caricati positivamente, tra i quali gli elettroni socializzati ("gas di elettroni") si muovono liberamente (all'interno del cristallo). Il movimento degli elettroni comuni nei metalli viene effettuato lungo un insieme di orbitali molecolari che sono sorti a causa della fusione di un gran numero di orbitali liberi degli atomi collegati e che coprono molti nuclei atomici. Nel caso di un legame metallico, è impossibile parlare della sua direzionalità, poiché gli elettroni comuni sono uniformemente delocalizzati in tutto il cristallo.

Le caratteristiche strutturali dei metalli determinano le loro proprietà fisiche caratteristiche: durezza, duttilità, elevata conducibilità elettrica e termica, nonché una speciale lucentezza metallica.

Il legame metallico è caratteristico dei metalli non solo allo stato solido, ma anche allo stato liquido, cioè questa è una proprietà degli aggregati di atomi situati in stretta vicinanza l'uno all'altro. Nello stato gassoso, gli atomi di metallo sono interconnessi da uno o più legami covalenti in molecole, ad esempio Li 2 (Li–Li), Be 2 (Be = Be), Al 4 - ogni atomo di alluminio è collegato ad altri tre per formare una struttura tetraedrica:

4. Legame idrogeno

Un legame idrogeno è un tipo speciale di legame che è unico per gli atomi di idrogeno. Si verifica quando un atomo di idrogeno è legato a un atomo degli elementi più elettronegativi, principalmente fluoro, ossigeno e azoto. Considera la formazione di un legame idrogeno sull'esempio dell'acido fluoridrico. L'atomo di idrogeno elettronegativo ha un solo elettrone, grazie al quale può formare un legame covalente con l'atomo di fluoro. In questo caso, si forma una molecola di acido fluoridrico H-F, in cui la coppia di elettroni comune viene spostata sull'atomo di fluoro.

Come risultato di questa distribuzione della densità elettronica, la molecola di acido fluoridrico è un dipolo, il cui polo positivo è un atomo di idrogeno. A causa del fatto che la coppia di elettroni di legame viene spostata sull'atomo di fluoro, viene parzialmente rilasciata 1 S-l'orbitale dell'atomo di idrogeno e il suo nucleo è parzialmente esposto. In qualsiasi altro atomo, la carica positiva del nucleo dopo la rimozione degli elettroni di valenza è schermata da gusci di elettroni interni, che forniscono repulsione dei gusci di elettroni di altri atomi. L'atomo di idrogeno non ha tali gusci, il suo nucleo è una particella molto piccola (subatomica) caricata positivamente - un protone (il diametro di un protone è circa 10 5 volte più piccolo del diametro degli atomi e, a causa dell'assenza di elettroni in esso, è attratto dal guscio elettronico di altri atomi elettricamente neutri o carichi negativamente).

La forza del campo elettrico vicino all'atomo di idrogeno parzialmente "nudo" è così grande che può attrarre attivamente il polo negativo della molecola vicina. Poiché questo polo è l'atomo di fluoro, che ha tre coppie di elettroni non leganti, e S- l'orbitale dell'atomo di idrogeno è parzialmente vuoto, quindi si verifica un'interazione donatore-accettore tra l'atomo di idrogeno polarizzato positivamente di una molecola e l'atomo di fluoro polarizzato negativamente della molecola vicina.

Pertanto, come risultato dell'interazione elettrostatica congiunta e donatore-accettore, si forma un secondo legame aggiuntivo con la partecipazione di un atomo di idrogeno. Ecco cos'è legame idrogeno, …H–F H–F…

Differisce da covalente in energia e lunghezza. I legami idrogeno sono più lunghi e meno forti dei legami covalenti. L'energia di un legame idrogeno è 8–40 kJ/mol e quella di un legame covalente è 80–400 kJ/mol. Nell'acido fluoridrico solido, la lunghezza del legame covalente H–F è 95 pm, la lunghezza del legame idrogeno FH è 156 pm. A causa del legame idrogeno tra le molecole HF, i cristalli di fluoruro di idrogeno solido sono costituiti da infinite catene piatte a zigzag, poiché il sistema a tre atomi formato dal legame idrogeno è solitamente lineare.

I legami idrogeno tra le molecole HF sono parzialmente conservati in liquido e anche in acido fluoridrico gassoso.

Il legame idrogeno è scritto condizionatamente come tre punti ed è rappresentato come segue:

dove X, Y sono atomi F, O, N, Cl, S.

L'energia e la lunghezza di un legame idrogeno sono determinate dal momento di dipolo del legame H – X e dalla dimensione dell'atomo Y. La lunghezza del legame idrogeno diminuisce e la sua energia aumenta con un aumento della differenza tra l'elettronegatività di gli atomi X e Y (e, di conseguenza, il momento di dipolo del legame H–X) e con una diminuzione della dimensione dell'atomo Y.

I legami idrogeno si formano anche tra molecole in cui sono presenti legami O–H (ad esempio, acqua H 2 O, acido perclorico HClO 4, acido nitrico HNO 3, acidi carbossilici RCOOH, fenolo C 6 H 5 OH, alcoli ROH) e N –H (ad es. ammoniaca NH 3 , acido tiocianico HNCS, ammidi organiche RCONH 2 e ammine RNH 2 e R 2 NH).

Le sostanze le cui molecole sono collegate da legami idrogeno differiscono nelle loro proprietà da sostanze simili a loro nella struttura delle molecole, ma che non formano legami idrogeno. I punti di fusione e di ebollizione degli idruri degli elementi del gruppo IVA, in cui non ci sono legami idrogeno, diminuiscono gradualmente con una diminuzione del numero del periodo (Fig. 15).Gli idruri degli elementi dei gruppi VA-VIIA mostrano una violazione di questa dipendenza. Tre sostanze le cui molecole sono collegate da legami idrogeno (ammoniaca NH 3 , acqua H 2 O e acido fluoridrico HF) hanno punti di fusione e di ebollizione molto più elevati rispetto alle loro controparti (Fig. 15). Inoltre, queste sostanze hanno intervalli di temperatura più ampi di esistenza allo stato liquido, calori di fusione ed evaporazione più elevati.

Il legame idrogeno svolge un ruolo importante nei processi di dissoluzione e cristallizzazione delle sostanze, nonché nella formazione di idrati cristallini.

I legami idrogeno possono formarsi non solo tra le molecole (legame idrogeno intermolecolare, MVS) , come negli esempi discussi sopra, ma anche tra atomi della stessa molecola (legame idrogeno intramolecolare, VVS) . Ad esempio, a causa dei legami idrogeno intramolecolari tra gli atomi di idrogeno dei gruppi amminici e gli atomi di ossigeno dei gruppi carbonilici, le catene polipeptidiche che formano le molecole proteiche hanno una forma elicoidale.

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I legami idrogeno svolgono un ruolo enorme nei processi di riduplicazione e biosintesi delle proteine. I due filamenti della doppia elica del DNA (acido desossiribonucleico) sono tenuti insieme da legami a idrogeno. Nel processo di riduplicazione, questi legami vengono rotti. Durante la trascrizione, si verifica anche la sintesi dell'RNA (acido ribonucleico) utilizzando il DNA come modello a causa della presenza di legami idrogeno. Entrambi i processi sono possibili perché i legami idrogeno si formano e si rompono facilmente.

Riso. 15. Punti di fusione ( un) e bollente ( b) idruri di elementi dei gruppi IVА-VIIA.

Lo scopo della lezione

Descrivi un legame chimico metallico.

Impara a scrivere la formazione di un legame metallico.

Familiarizzare con le proprietà fisiche dei metalli.

Impara a distinguere chiaramente tra le specie legami chimici .

Obiettivi della lezione

Scopri come interagiscono atomi di metallo

Determina in che modo un legame metallico influisce sulle proprietà delle sostanze da esso formate

Termini di base:

Elettronegatività - una proprietà chimica di un atomo, che è una caratteristica quantitativa della capacità di un atomo in una molecola di attrarre a sé coppie di elettroni comuni.
legame chimico - il fenomeno dell'interazione degli atomi, dovuto alla sovrapposizione di nubi di elettroni di atomi interagenti.
connessione metallica - questo è un legame nei metalli tra atomi e ioni, formato a causa della socializzazione degli elettroni.
legame covalente - legame chimico, formato dalla sovrapposizione di una coppia di elettroni di valenza. Gli elettroni che forniscono il legame sono chiamati una coppia di elettroni condivisi. Ci sono 2 tipi: polari e non polari.
Legame ionico - un legame chimico che si forma tra atomi di non metalli, in cui una coppia di elettroni comune passa a un atomo con una maggiore elettronegatività. Di conseguenza, gli atomi sono attratti come corpi con carica opposta.
legame idrogeno - un legame chimico tra un atomo elettronegativo e un atomo di idrogeno H legato covalentemente ad un altro atomo elettronegativo. N, O o F possono agire come atomi elettronegativi.I legami idrogeno possono essere intermolecolari o intramolecolari.
DURANTE LE LEZIONI

legame chimico metallico

Identificare gli elementi che sono nella "coda" sbagliata. Perché?
Ca Fe P K Al Mg Na
Quali elementi dal tavolo Mendeleev chiamati metalli?
Oggi scopriremo quali proprietà hanno i metalli e come dipendono dal legame che si forma tra gli ioni metallici.
Innanzitutto, ricordiamo le posizioni dei metalli nel sistema periodico?
I metalli, come tutti sappiamo, di solito non esistono sotto forma di atomi isolati, ma sotto forma di pezzo, lingotto o prodotto metallico. Scopriamo cosa raccoglie gli atomi di metallo in un volume integrale.

Nell'esempio vediamo un pezzo d'oro. E a proposito, l'oro è un metallo unico. Forgiando oro puro, puoi realizzare una lamina con uno spessore di 0,002 mm! tale il foglio più piccolo di lamina è quasi trasparente e ha una sfumatura verde al lume. Di conseguenza, da un lingotto d'oro delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, puoi ottenere una lamina sottile che coprirà l'area del campo da tennis.
In termini chimici, tutti i metalli sono caratterizzati dalla facilità di emettere elettroni di valenza e, di conseguenza, dalla formazione di ioni carichi positivamente e mostrano solo un'ossidazione positiva. Ecco perché i metalli allo stato libero sono agenti riducenti. Una caratteristica comune degli atomi di metallo è la loro grande dimensione rispetto ai non metalli. Gli elettroni esterni si trovano a grandi distanze dal nucleo e quindi sono ad esso debolmente legati, quindi si staccano facilmente.
Gli atomi di un numero maggiore di metalli a livello esterno hanno un piccolo numero di elettroni - 1,2,3. Questi elettroni si staccano facilmente e gli atomi di metallo diventano ioni.
Me0 – n ē ⇆ Uomini+
atomi di metallo - elettroni esterni. orbite ⇆ ioni metallici

Pertanto, gli elettroni distaccati possono spostarsi da uno ione all'altro, cioè diventano liberi e, per così dire, collegandoli in un unico insieme.Pertanto, risulta che tutti gli elettroni distaccati sono comuni, poiché è impossibile capire quale elettrone appartiene a quale degli atomi di metallo.
Gli elettroni possono combinarsi con i cationi, quindi si formano temporaneamente atomi, dai quali gli elettroni vengono poi strappati via. Questo processo è continuo e senza sosta. Si scopre che nella maggior parte degli atomi di metallo vengono continuamente convertiti in ioni e viceversa. In questo caso, un piccolo numero di elettroni comuni lega un gran numero di atomi e ioni metallici. Ma è importante che il numero di elettroni nel metallo sia uguale alla carica totale degli ioni positivi, cioè risulta che, in generale, il metallo rimane elettricamente neutro.
Tale processo è presentato come un modello: gli ioni metallici sono in una nuvola di elettroni. Una tale nuvola di elettroni è chiamata "gas di elettroni".

Qui, ad esempio, in questa immagine vediamo come gli elettroni si muovono tra gli ioni immobili all'interno del reticolo cristallino del metallo.

Riso. 2. Movimento degli elettroni

Per capire meglio cos'è il gas elettronico e come si comporta nelle reazioni chimiche dei diversi metalli, guardiamo un video interessante. (l'oro è indicato solo come colore in questo video!)

Ora possiamo scrivere la definizione: un legame metallico è un legame nei metalli tra atomi e ioni, formato a causa della socializzazione degli elettroni.

Confrontiamo tutti i tipi di connessioni che conosciamo e fissiamoli per distinguerli meglio, per questo guarderemo un video.

Un legame metallico si verifica non solo nei metalli puri, ma è anche caratteristico di miscele di metalli diversi, leghe in diversi stati di aggregazione.
Il legame metallico è importante e determina le proprietà di base dei metalli
- conducibilità elettrica - movimento casuale di elettroni nel volume del metallo. Ma con una piccola differenza di potenziale, in modo che gli elettroni si muovano in modo ordinato. I metalli con la migliore conduttività sono Ag, Cu, Au, Al.
- plasticità
I legami tra gli strati metallici sono poco significativi, questo permette di spostare gli strati sotto carico (deformare il metallo senza romperlo). Migliori metalli deformabili (morbidi) Au, Ag, Cu.
- lucentezza metallica
Il gas elettronico riflette quasi tutti i raggi luminosi. Questo è il motivo per cui i metalli puri hanno una lucentezza così forte e sono spesso grigi o bianchi. Metalli che sono i migliori riflettori Ag, Cu, Al, Pd, Hg

Compiti a casa

Esercizio 1
Scegli formule di sostanze che hanno
a) legame polare covalente: Cl2, KCl, NH3, O2, MgO, CCl4, SO2;
b) con legame ionico: HCl, KBr, P4, H2S, Na2O, CO2, CaS.
Esercizio 2
Elimina l'eccesso:
a) CuCl2, Al, MgS
b) N2, HCl, O2
c) Ca, CO2, Fe
d) MgCl2, NH3, H2

Il sodio metallico, il litio metallico e altri metalli alcalini cambiano il colore della fiamma. Il litio metallico e i suoi sali danno al fuoco un colore rosso, il sodio metallico e i sali di sodio gialli, il metallo di potassio e i suoi sali viola, e anche il rubidio e il cesio viola, ma più chiaro.

Riso. 4. Un pezzo di litio metallico

Riso. 5. Colorare la fiamma con i metalli

Litio (Li). Il litio metallico, come il sodio metallico, è un metallo alcalino. Entrambi si sciolgono in acqua. Il sodio si dissolve in acqua per formare idrossido di sodio, un acido molto forte. Quando i metalli alcalini vengono disciolti in acqua, viene rilasciato molto calore e gas (idrogeno). Si consiglia di non toccare tali metalli con le mani, poiché potresti scottarti.

Bibliografia

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2. F. A. Derkach "Chimica", - manuale scientifico e metodologico. - Kiev, 2008.
3. L. B. Tsvetkova "Chimica inorganica" - 2a edizione, corretta e integrata. – Leopoli, 2006.
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5. Glinka NL Chimica generale. - 27 ed. / Sotto. ed. VA Rabinovich. - L.: Chimica, 2008. - 704 pagine.

Modificato e inviato da Lisnyak A.V.

Ha lavorato sulla lezione:

Tukhta VA

Lisnyak AV

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È estremamente raro che le sostanze chimiche siano costituite da atomi individuali e non correlati di elementi chimici. In condizioni normali, solo un piccolo numero di gas chiamati gas nobili ha una tale struttura: elio, neon, argon, krypton, xeno e radon. Molto spesso, le sostanze chimiche non sono costituite da atomi disparati, ma dalle loro combinazioni in vari gruppi. Tali combinazioni di atomi possono includere diverse unità, centinaia, migliaia o anche più atomi. Viene chiamata la forza che mantiene questi atomi in tali raggruppamenti legame chimico.

In altre parole, possiamo dire che un legame chimico è un'interazione che assicura il legame dei singoli atomi in strutture più complesse (molecole, ioni, radicali, cristalli, ecc.).

Il motivo della formazione di un legame chimico è che l'energia di strutture più complesse è inferiore all'energia totale dei singoli atomi che la formano.

Quindi, in particolare, se una molecola XY si forma durante l'interazione degli atomi X e Y, ciò significa che l'energia interna delle molecole di questa sostanza è inferiore all'energia interna dei singoli atomi da cui si è formata:

E(XY)< E(X) + E(Y)

Per questo motivo, quando si formano legami chimici tra i singoli atomi, viene rilasciata energia.

Nella formazione di legami chimici, vengono chiamati gli elettroni dello strato di elettroni esterno con l'energia di legame più bassa con il nucleo valenza. Ad esempio, nel boro, questi sono elettroni del 2° livello di energia: 2 elettroni per 2 S- orbitali e 1 per 2 p-orbitali:

Quando si forma un legame chimico, ogni atomo tende ad ottenere una configurazione elettronica di atomi di gas nobili, cioè in modo che nel suo strato di elettroni esterno ci siano 8 elettroni (2 per elementi del primo periodo). Questo fenomeno è chiamato regola dell'ottetto.

È possibile che gli atomi raggiungano la configurazione elettronica di un gas nobile se inizialmente singoli atomi condividono alcuni dei loro elettroni di valenza con altri atomi. In questo caso si formano coppie di elettroni comuni.

A seconda del grado di socializzazione degli elettroni si possono distinguere legami covalenti, ionici e metallici.

legame covalente

Un legame covalente si verifica più spesso tra atomi di elementi non metallici. Se gli atomi dei non metalli che formano un legame covalente appartengono a diversi elementi chimici, tale legame è chiamato legame polare covalente. La ragione di questo nome risiede nel fatto che atomi di elementi diversi hanno anche una diversa capacità di attrarre a sé una coppia di elettroni comune. Ovviamente, questo porta a uno spostamento della coppia di elettroni comune verso uno degli atomi, a seguito del quale si forma su di esso una parziale carica negativa. A sua volta, sull'altro atomo si forma una carica positiva parziale. Ad esempio, in una molecola di acido cloridrico, la coppia di elettroni viene spostata dall'atomo di idrogeno all'atomo di cloro:

Esempi di sostanze con legame polare covalente:

СCl 4 , H 2 S, CO 2 , NH 3 , SiO 2 ecc.

Un legame covalente non polare si forma tra atomi non metallici dello stesso elemento chimico. Poiché gli atomi sono identici, la loro capacità di attirare elettroni condivisi è la stessa. A questo proposito, non si osserva alcuno spostamento della coppia di elettroni:

Il meccanismo di cui sopra per la formazione di un legame covalente, quando entrambi gli atomi forniscono elettroni per la formazione di coppie di elettroni comuni, è chiamato scambio.

Esiste anche un meccanismo donatore-accettore.

Quando un legame covalente è formato dal meccanismo donatore-accettore, si forma una coppia di elettroni comune a causa dell'orbitale pieno di un atomo (con due elettroni) e dell'orbitale vuoto di un altro atomo. Un atomo che fornisce una coppia di elettroni non condivisa è chiamato donatore e un atomo con un orbitale libero è chiamato accettore. I donatori di coppie di elettroni sono atomi che hanno elettroni accoppiati, ad esempio N, O, P, S.

Ad esempio, secondo il meccanismo donatore-accettore, il quarto legame covalente N-H si forma nel catione ammonio NH 4 +:

Oltre alla polarità, i legami covalenti sono caratterizzati anche dall'energia. L'energia di legame è l'energia minima richiesta per rompere un legame tra atomi.

L'energia di legame diminuisce con l'aumentare dei raggi degli atomi legati. Poiché sappiamo che i raggi atomici aumentano lungo i sottogruppi, possiamo, ad esempio, concludere che la forza del legame alogeno-idrogeno aumenta nella serie:

CIAO< HBr < HCl < HF

Inoltre, l'energia del legame dipende dalla sua molteplicità: maggiore è la molteplicità del legame, maggiore è la sua energia. La molteplicità del legame è il numero di coppie di elettroni comuni tra due atomi.

Legame ionico

Un legame ionico può essere considerato come il caso limite di un legame polare covalente. Se in un legame covalente-polare la coppia di elettroni comune viene parzialmente spostata su una delle coppie di atomi, in quello ionico viene quasi completamente "ceduta" a uno degli atomi. L'atomo che ha donato uno o più elettroni acquisisce una carica positiva e diventa catione, e l'atomo che ne ha prelevato gli elettroni acquisisce una carica negativa e diventa anione.

Pertanto, un legame ionico è un legame formato a causa dell'attrazione elettrostatica dei cationi sugli anioni.

La formazione di questo tipo di legame è caratteristica dell'interazione di atomi di metalli tipici e tipici non metalli.

Ad esempio, fluoruro di potassio. Un catione di potassio si ottiene come risultato del distacco di un elettrone da un atomo neutro e si forma uno ione fluoro attaccando un elettrone a un atomo di fluoro:

Tra gli ioni risultanti sorge una forza di attrazione elettrostatica, a seguito della quale si forma un composto ionico.

Durante la formazione di un legame chimico, gli elettroni dell'atomo di sodio sono passati all'atomo di cloro e si sono formati ioni con carica opposta, che hanno un livello di energia esterna completo.

È stato stabilito che gli elettroni non si staccano completamente dall'atomo di metallo, ma si spostano solo verso l'atomo di cloro, come in un legame covalente.

La maggior parte dei composti binari che contengono atomi di metallo sono ionici. Ad esempio ossidi, alogenuri, solfuri, nitruri.

Un legame ionico si verifica anche tra cationi semplici e anioni semplici (F -, Cl -, S 2-), nonché tra cationi semplici e anioni complessi (NO 3 -, SO 4 2-, PO 4 3-, OH -) . Pertanto, i composti ionici includono sali e basi (Na 2 SO 4, Cu (NO 3) 2, (NH 4) 2 SO 4), Ca (OH) 2, NaOH).

connessione metallica

Questo tipo di legame si forma nei metalli.

Gli atomi di tutti i metalli hanno elettroni sullo strato di elettroni esterno che hanno una bassa energia di legame con il nucleo atomico. Per la maggior parte dei metalli, la perdita di elettroni esterni è energeticamente favorevole.

A causa di un'interazione così debole con il nucleo, questi elettroni nei metalli sono molto mobili e il seguente processo si verifica continuamente in ciascun cristallo di metallo:

M 0 - ne - \u003d M n +, dove M 0 è un atomo di metallo neutro e M n + catione dello stesso metallo. La figura seguente mostra un'illustrazione dei processi in corso.

Cioè, gli elettroni "si precipitano" lungo il cristallo di metallo, staccandosi da un atomo di metallo, formando un catione da esso, unendosi a un altro catione, formando un atomo neutro. Questo fenomeno era chiamato "vento elettronico" e l'insieme di elettroni liberi nel cristallo di un atomo non metallico era chiamato "gas di elettroni". Questo tipo di interazione tra atomi di metallo è chiamato legame metallico.

legame idrogeno

Se un atomo di idrogeno in una sostanza è legato a un elemento con un'elevata elettronegatività (azoto, ossigeno o fluoro), la sostanza è caratterizzata dal fenomeno del legame idrogeno.

Poiché un atomo di idrogeno è legato a un atomo elettronegativo, si forma una carica positiva parziale sull'atomo di idrogeno e una carica negativa parziale si forma sull'atomo elettronegativo. A questo proposito, l'attrazione elettrostatica diventa possibile tra l'atomo di idrogeno parzialmente caricato positivamente di una molecola e l'atomo elettronegativo di un'altra. Ad esempio, il legame idrogeno si osserva per le molecole d'acqua:

È il legame idrogeno che spiega il punto di fusione anormalmente alto dell'acqua. Oltre all'acqua, si formano forti legami idrogeno anche in sostanze come acido fluoridrico, ammoniaca, acidi contenenti ossigeno, fenoli, alcoli, ammine.

Un legame metallico è un legame chimico dovuto alla presenza di elettroni relativamente liberi. È tipico sia per i metalli puri che per le loro leghe e per i composti intermetallici.

Meccanismo di legame metallico

In tutti i nodi del reticolo cristallino sono presenti ioni metallici positivi. Tra di loro in modo casuale, come le molecole di gas, gli elettroni di valenza si muovono, sganciati dagli atomi durante la formazione degli ioni. Questi elettroni svolgono il ruolo di cemento, tenendo insieme gli ioni positivi; in caso contrario, il reticolo si disintegrerebbe sotto l'azione di forze repulsive tra gli ioni. Allo stesso tempo, anche gli elettroni sono trattenuti dagli ioni all'interno del reticolo cristallino e non possono lasciarlo. Le forze di comunicazione non sono localizzate e non dirette.

Pertanto, nella maggior parte dei casi, compaiono numeri di coordinazione elevati (ad esempio, 12 o 8). Quando due atomi di metallo si avvicinano, i loro orbitali del guscio esterno si sovrappongono per formare orbitali molecolari. Se esce un terzo atomo, il suo orbitale si sovrappone a quelli dei primi due atomi, risultando in un altro orbitale molecolare. Quando ci sono molti atomi, c'è un numero enorme di orbitali molecolari tridimensionali, che si estendono in tutte le direzioni. A causa della sovrapposizione multipla degli orbitali, gli elettroni di valenza di ciascun atomo sono influenzati da molti atomi.

Reticoli cristallini caratteristici

La maggior parte dei metalli forma uno dei seguenti reticoli altamente simmetrici e compatti: cubico centrato sul corpo, cubico centrato sulla faccia ed esagonale.

In un reticolo cubico centrato sul corpo (bcc), gli atomi si trovano ai vertici del cubo e un atomo si trova al centro del volume del cubo. I metalli hanno un reticolo cubico centrato sul corpo: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba, ecc.

In un reticolo cubico a facce centrate (fcc), gli atomi si trovano ai vertici del cubo e al centro di ciascuna faccia. I metalli di questo tipo hanno un reticolo: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, γ-Fe, Cu, α-Co, ecc.

In un reticolo esagonale, gli atomi si trovano ai vertici e al centro delle basi esagonali del prisma e tre atomi si trovano nel piano medio del prisma. I metalli hanno un tale imballaggio di atomi: Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca, ecc.

Altre proprietà

Gli elettroni che si muovono liberamente causano un'elevata conduttività elettrica e termica. Le sostanze con un legame metallico spesso combinano forza e duttilità, poiché quando gli atomi sono spostati l'uno rispetto all'altro, i legami non si rompono. Un'altra proprietà importante è l'aromaticità metallica.

I metalli conducono bene il calore e l'elettricità, sono abbastanza forti, possono essere deformati senza rompersi. Alcuni metalli sono malleabili (possono essere forgiati), altri sono malleabili (possono essere trafilati in filo). Queste proprietà uniche sono spiegate da un tipo speciale di legame chimico che collega gli atomi di metallo tra loro: un legame metallico.

I metalli allo stato solido esistono sotto forma di cristalli di ioni positivi, come se "galleggiassero" in un mare di elettroni che si muovessero liberamente tra di loro.

Il legame metallico spiega le proprietà dei metalli, in particolare la loro forza. Sotto l'azione di una forza deformante, il reticolo metallico può cambiare forma senza rompersi, a differenza dei cristalli ionici.

L'elevata conduttività termica dei metalli è spiegata dal fatto che se si riscalda un pezzo di metallo su un lato, l'energia cinetica degli elettroni aumenterà. Questo aumento di energia si propagherà nel "mare elettronico" in tutto il campione a grande velocità.

Anche la conduttività elettrica dei metalli diventa chiara. Se viene applicata una differenza di potenziale alle estremità di un campione di metallo, la nuvola di elettroni delocalizzati si sposterà nella direzione del potenziale positivo: questo flusso di elettroni che si muovono nella stessa direzione è la corrente elettrica familiare.

Nello stato monoatomico in condizioni normali si trovano solo gas nobili. Gli elementi rimanenti non esistono sotto forma di individuo, in quanto hanno la capacità di interagire tra loro o con altri atomi. In questo caso si formano particelle più complesse.

In contatto con

Un insieme di atomi può formare le seguenti particelle:

molecole;
ioni molecolari;
i radicali liberi.

Tipi di interazione chimica

L'interazione tra atomi è chiamata legame chimico. La base sono le forze elettrostatiche (forze di interazione delle cariche elettriche) che agiscono tra gli atomi, i portatori di queste forze sono il nucleo di un atomo e gli elettroni.

Gli elettroni situati a livello di energia esterna svolgono il ruolo principale nella formazione di legami chimici tra gli atomi. Sono i più lontani dal nucleo e, di conseguenza, gli sono associati meno saldamente. Sono chiamati elettroni di valenza.

Le particelle interagiscono tra loro in vari modi, il che porta alla formazione di molecole (e sostanze) di diverse strutture. Esistono i seguenti tipi di legami chimici:

ionico;
covalente;
van der Waals;
metallo.

Parlando di diversi tipi di interazione chimica tra atomi, vale la pena ricordare che tutti i tipi sono ugualmente basati sull'interazione elettrostatica delle particelle.

legame chimico metallico

Come si può vedere dalla posizione dei metalli nella tavola degli elementi chimici, essi, per la maggior parte, hanno un piccolo numero di elettroni di valenza. Gli elettroni sono legati ai loro nuclei piuttosto debolmente e si staccano facilmente da essi. Di conseguenza, si formano ioni metallici carichi positivamente ed elettroni liberi.

Questi elettroni, che si muovono liberamente nel reticolo cristallino, sono chiamati "gas di elettroni".

La figura mostra schematicamente la struttura di una sostanza metallica.

Cioè, nel volume del metallo, gli atomi si trasformano costantemente in ioni (sono chiamati atomi-ioni) e viceversa, gli ioni ricevono costantemente elettroni dal "gas di elettroni".

Il meccanismo di formazione di un legame metallico può essere scritto come una formula:

atomo M 0 - ne ↔ ione M n+

Pertanto, i metalli sono ioni positivi, che si trovano nel reticolo cristallino in determinate posizioni, ed elettroni, che possono muoversi abbastanza liberamente tra gli atomi-ioni.

La griglia cristallina rappresenta lo "scheletro", il nucleo della materia, e gli elettroni si muovono tra i suoi nodi. Le forme dei reticoli cristallini dei metalli possono essere diverse, ad esempio:

il reticolo cubico volume-centrico è caratteristico dei metalli alcalini;
il reticolo cubico centrato sulla faccia ha, ad esempio, zinco, alluminio, rame e altri elementi di transizione;
la forma esagonale è tipica degli elementi alcalino terrosi (un'eccezione è il bario);
struttura tetragonale - in indio;
romboedrico - in mercurio.

Un esempio di reticolo cristallino metallico è mostrato nell'immagine sottostante..

Differenze da altri tipi

Un legame metallico differisce da un legame covalente in termini di forza. L'energia dei legami metallici è minore rispetto a quelli covalenti di 3-4 volte e meno energia di legame ionico.

Nel caso di un legame metallico non si può parlare di direzionalità, il legame covalente è strettamente diretto nello spazio.

Anche una caratteristica come la saturazione non è tipica per l'interazione tra atomi di metallo. Sebbene i legami covalenti siano saturabili, ovvero il numero di atomi con cui può verificarsi un'interazione è strettamente limitato dal numero di elettroni di valenza.

Diagramma ed esempi di comunicazione

Il processo che si verifica nel metallo può essere scritto usando la formula:

K - e<->K+

Al-3e<->Al 3+

Na-e<->Na+

Zn - 2e<->Zn2+

Fe-3e<->Fe3+

Se descriviamo più in dettaglio il legame metallico, come si forma questo tipo di legame, è necessario considerare la struttura dei livelli energetici esterni dell'elemento.

Un esempio è il sodio. L'unico elettrone di valenza 3s presente al livello esterno può muoversi liberamente lungo gli orbitali liberi del terzo livello di energia. Quando gli atomi di sodio si avvicinano, gli orbitali si sovrappongono. Ora tutti gli elettroni possono muoversi tra gli atomi-ioni all'interno di tutti gli orbitali interbloccati.

Lo zinco ha 2 elettroni di valenza fino a 15 orbitali liberi nel quarto livello di energia. Quando gli atomi interagiscono, questi orbitali liberi si sovrapporranno, come se socializzassero gli elettroni che si muovono lungo di essi.

Gli atomi di cromo hanno 6 elettroni di valenza e tutti parteciperanno alla formazione di un gas di elettroni e legheranno gli ioni dell'atomo.

Un tipo speciale di interazione, caratteristico degli atomi di metallo, determina una serie di proprietà che li uniscono e distinguono i metalli dalle altre sostanze. Esempi di tali proprietà sono gli alti punti di fusione, gli alti punti di ebollizione, la malleabilità, la capacità di riflettere la luce, l'elevata conduttività elettrica e termica.

Gli alti punti di fusione e di ebollizione sono spiegati dal fatto che i cationi metallici sono fortemente legati dal gas di elettroni. Allo stesso tempo, viene tracciata una regolarità per cui la forza di legame aumenta con l'aumento del numero di elettroni di valenza. Ad esempio, il rubidio e il potassio sono sostanze a basso punto di fusione (punti di fusione rispettivamente di 39 e 63 gradi Celsius), rispetto, ad esempio, al cromo (1615 gradi Celsius).

L'uniformità della distribuzione degli elettroni di valenza in un cristallo spiega, ad esempio, una proprietà dei metalli come la plasticità: lo spostamento di ioni e atomi in qualsiasi direzione senza distruggere l'interazione tra loro.

Il libero movimento degli elettroni negli orbitali atomici spiega anche la conduttività elettrica dei metalli. Gas elettronico quando si applica una differenza potenziali va dal movimento caotico al movimento diretto.

Nell'industria spesso non vengono utilizzati metalli puri, ma le loro miscele, dette leghe. In una lega, le proprietà di un componente di solito completano con successo le proprietà di un altro.

Il tipo metallico di interazione è caratteristico sia dei metalli puri che delle loro miscele: leghe allo stato solido e liquido. Tuttavia, se il metallo viene trasferito allo stato gassoso, il legame tra i suoi atomi sarà covalente. Il metallo sotto forma di vapore è costituito da singole molecole (uno o due atomiche).