WIĄZANIE METALICZNE: WŁAŚCIWOŚCI, SPOSÓB FORMOWANIA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Wiązanie metaliczne jest tym, który posiada atomy metalowych elementów ciasno. Występuje w metalach i określa wszystkie ich właściwości fizyczne, które charakteryzują je jako twarde, plastyczne, kowalne materiały oraz dobre przewodniki ciepła i elektryczności.

Spośród wszystkich wiązań chemicznych, jedyne wiązanie metaliczne polega na tym, że elektrony nie są zlokalizowane wyłącznie między parą atomów, ale są zdelokalizowane między milionami w rodzaju kleju lub „morza elektronów”, które trzymają je ściśle razem. lub spójny.

Spoiwo miedziane

Na przykład przypuśćmy, że metalowa miedź. W miedzi jej atomy Cu oddają swoje elektrony walencyjne, tworząc wiązanie metaliczne. Powyżej to wiązanie jest przedstawione jako kationy Cu ²⁺ (niebieskie kółka) otoczone elektronami (żółte kółka). Elektrony nie stoją nieruchomo: poruszają się po krysztale miedzi. Jednak w metalach formalnie nie mówimy o kationach, ale o neutralnych atomach metali.

Wiązanie metaliczne jest weryfikowane poprzez badanie właściwości pierwiastków metalicznych, a także ich stopów. Obejmują one serię błyszczących, srebrnych, wytrzymałych, twardych materiałów, które mają również wysokie temperatury topnienia i wrzenia.

Jak powstaje wiązanie metaliczne?

Spoiwo metaliczne cynkowe

Wiązanie metalu powstaje tylko między jednym zestawem lub grupą atomów metalu. Aby elektrony mogły przemieszczać się w całym metalicznym krysztale, musi istnieć „autostrada”, po której mogą się poruszać. Jest to zaprojektowane na podstawie nakładania się wszystkich orbitali atomowych sąsiednich atomów.

Na przykład, rozważ rząd atomów cynku, Zn ˇˇˇ Znˇˇˇ Znˇˇˇ. Atomy te nakładają się na swoje orbitale walencyjne, tworząc orbitale molekularne. Z kolei te orbitale molekularne zachodzą na inne orbitale sąsiadujących atomów Zn.

Każdy atom cynku dostarcza dwa elektrony, które przyczyniają się do powstania wiązania metalicznego. W ten sposób nakładanie się lub połączenie orbitali molekularnych i atomów przekazanych przez cynk tworzy „autostradę”, po której elektrony są zdelokalizowane w całym krysztale, jakby były klejem lub morzem elektronów, pokrywając lub kąpiąc wszystkie atomy metalu.

Właściwości spoiwa metalicznego

Struktury

Wiązanie metaliczne tworzy zwarte struktury, w których atomy są ściśle zjednoczone, bez dużej odległości, która je dzieli. W zależności od rodzaju określonej struktury istnieją różne kryształy, niektóre bardziej gęste niż inne.

W strukturach metalicznych nie mówi się o cząsteczkach, ale o neutralnych atomach (lub kationach, z innych perspektyw). Wracając do przykładu miedzi, w jej zagęszczonych kryształach nie ma cząsteczek Cu ₂ z wiązaniem kowalencyjnym Cu-Cu.

Reorganizacja

Wiązanie metaliczne ma właściwość samoreorganizacji. Nie dzieje się tak w przypadku wiązań kowalencyjnych i jonowych. Jeśli wiązanie kowalencyjne zerwie się, nie utworzy się ponownie, jak gdyby nic się nie stało. Ponadto ładunki elektryczne na wiązaniu jonowym są niezmienne, chyba że zachodzi reakcja chemiczna.

Rozważmy na przykład metal rtęci, aby wyjaśnić ten punkt.

Metaliczne wiązanie między dwoma sąsiednimi atomami rtęci, Hg ··· Hg, może pęknąć i ponownie utworzyć się z innym sąsiednim atomem, jeśli kryształ zostanie poddany działaniu zewnętrznej siły, która go odkształca.

W ten sposób wiązanie ulega reorganizacji, podczas gdy szkło ulega deformacji. Dzięki temu metale mają właściwości plastyczne i kowalne. W przeciwnym razie pękną jak kawałki szkła lub ceramiki, nawet gdy są gorące.

Przewodnictwo cieplne i elektryczne

Właściwość metalicznego wiązania polegająca na zdelokalizowaniu elektronów daje również metalom zdolność przewodzenia ciepła i elektryczności. Dzieje się tak dlatego, że ponieważ elektrony są zdelokalizowane i poruszają się wszędzie, skutecznie przenoszą drgania atomowe, jakby to była fala. Te wibracje zamieniają się w ciepło.

Z drugiej strony, kiedy poruszają się elektrony, pozostają puste przestrzenie, które mogą zajmować inni, co daje w ten sposób pustkę elektronową, przez którą więcej elektronów może „przepłynąć” i w ten sposób wytworzyć prąd elektryczny.

W zasadzie, bez zajmowania się teoriami fizycznymi stojącymi za tym zjawiskiem, jest to ogólne wyjaśnienie przewodnictwa elektrycznego metali.

Metaliczny połysk

Zdelokalizowane i ruchome elektrony mogą również wchodzić w interakcje z fotonami w świetle widzialnym i odrzucać je. W zależności od gęstości i powierzchni metalu może wykazywać różne odcienie szarości lub srebra, a nawet mieniące się iskierki. Najbardziej wyjątkowe są przypadki miedzi, rtęci i złota, które pochłaniają fotony o określonych częstotliwościach.

Delokalizacja elektronów

Aby zrozumieć wiązanie metaliczne, konieczne jest zrozumienie, co oznacza delokalizacja elektronów. Niemożliwe jest określenie, gdzie znajdują się elektrony. Można jednak oszacować, w jakim rejonie przestrzeni mogą się one znajdować. W wiązaniu kowalencyjnym AB para elektronów jest rozłożona w przestrzeni oddzielającej atomy A i B; mówi się wtedy, że znajdują się pomiędzy A i B.

Nie można jednak powiedzieć, że w przypadku wiązania metalicznego AB elektrony zachowują się w taki sam sposób, jak w przypadku wiązania kowalencyjnego AB. Nie znajdują się one między dwoma określonymi atomami A i B, ale są rozpraszane lub kierowane do innych części ciała stałego, gdzie również są zbite, to znaczy ściśle związane, atomy A i B.

Kiedy tak jest, mówi się, że elektrony wiązania metalicznego są zdelokalizowane: przemieszczają się w dowolnym kierunku, w którym znajdują się atomy A i B, jak pokazano na pierwszym obrazie z atomami miedzi i ich elektronami.

Dlatego w wiązaniu metalicznym mówimy o delokalizacji tych elektronów, a ta cecha jest odpowiedzialna za wiele właściwości, które mają metale. Na nim również opiera się teoria morza elektronów.

Przykłady wiązań metalicznych

Niektóre powszechnie używane metalowe ogniwa w życiu codziennym są następujące:

- Elementy metalowe

Cynk

Spoiwo metaliczne cynkowe

W cynku, metalu przejściowym, jego atomy są połączone wiązaniem metalowym.

Złoto (Au)

Czyste złoto, podobnie jak stopy tego materiału z miedzią i srebrem, jest obecnie szeroko stosowane w szlachetnej biżuterii.

Miedź (Cu)

Metal ten jest szeroko stosowany w zastosowaniach elektrycznych dzięki doskonałym właściwościom przewodzenia prądu.

Srebro (Ag)

Ze względu na swoje właściwości metal ten jest szeroko stosowany zarówno w biżuterii, jak i w przemyśle.

Nikiel (Ni)

W stanie czystym jest zwykle używany do produkcji monet, baterii, odlewni lub różnych części metalowych.

Kadm (Cd)

Jest to bardzo toksyczny materiał i jest używany do produkcji baterii.

Platyna (Pt)

Znajduje zastosowanie w biżuterii szlachetnej (stopy ze złotem) oraz do produkcji laboratoryjnych instrumentów pomiarowych i implantów dentystycznych.

Tytan (Ti)

Metal ten jest powszechnie używany w inżynierii, a także w produkcji implantów osteosyntetycznych, zastosowaniach przemysłowych i biżuterii.

Ołów (Pb)

Materiał ten jest używany do produkcji przewodów elektrycznych, a dokładniej do produkcji płaszcza zewnętrznego kabli telefonicznych i telekomunikacyjnych.

- Związki metali

Stal zwykła

Reakcja żelaza z węglem prowadzi do powstania zwykłej stali, materiału znacznie bardziej odpornego na naprężenia mechaniczne w porównaniu z żelazem.

Stal nierdzewna

Odmianę powyższego materiału można znaleźć poprzez połączenie zwykłej stali z metalami przejściowymi, takimi jak chrom i nikiel.

Brązowy

Powstaje poprzez połączenie miedzi z cyną w proporcjach odpowiednio 88% i 12%. Jest używany do wyrobu monet, narzędzi i ozdób publicznych.

Stopy rtęci

Różne stopy rtęci z innymi metalami przejściowymi, takimi jak srebro, miedź i cynk, wytwarzają amalgamaty stosowane w stomatologii.

Stop chromowo-platynowy

Ten rodzaj stopu jest szeroko stosowany do produkcji żyletek.

Pieltre

Ten stop cyny, antymonu, koperty i bizmutu jest powszechnie używany do produkcji przyborów kuchennych.

Mosiądz

Powstaje w wyniku połączenia miedzi z cynkiem w proporcji odpowiednio 67% i 33%. Służy do produkcji elementów metalowych.

Teoria Morza Elektronów

Prosta reprezentacja morza elektronów. Źródło: Muskid

Powyższy obrazek ilustruje koncepcję morza elektronów. Zgodnie z teorią morza elektronów, atomy metali zrzucają swoje elektrony walencyjne (ładunki ujemne), aby stać się jonami atomowymi (ładunki dodatnie). Uwolnione elektrony stają się częścią morza, w którym są zdelokalizowane dla każdego cala metalicznego kryształu.

Nie oznacza to jednak, że metal składa się z jonów; jego atomy są w rzeczywistości neutralne. Nie mówimy o jonach Hg ⁺ w ciekłej rtęci, ale o neutralnych atomach Hg.

Innym sposobem wizualizacji morza elektronów jest założenie neutralności atomów. Tak więc, chociaż nadają swoim elektronom zdefiniowanie wiązania metalicznego, które utrzymuje ich ścisłą spójność, natychmiast otrzymują również inne elektrony z innych regionów kryształu, dzięki czemu nigdy nie uzyskają ładunku dodatniego.

Teoria ta wyjaśnia, dlaczego metale są plastyczne i kowalne i jak można zmienić układ wiązań, aby umożliwić odkształcenie kryształu bez pękania. Niektórzy nazywają to morze elektronów „elektronowym cementem”, ponieważ jest ono zdolne do poruszania się, ale w normalnych warunkach zestala się i utrzymuje metaliczne atomy w stanie zwartym i nieruchomym.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2020). Klejenie metaliczne. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (4 kwietnia 2016). Wiązanie metaliczne. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (29 stycznia 2020). Wiązanie metaliczne: definicja, właściwości i przykłady. Odzyskany z: thinkco.com
6. Jim Clark. (29 września 2019). Klejenie metaliczne. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
7. Mary Ellen Ellis. (2020). Co to jest metaliczna więź? - Definicja, właściwości i przykłady. Badanie. Odzyskany z: study.com