Metallanslutning

En metallisk bindning  är en kemisk bindning mellan atomer i en metallkristall, som uppstår på grund av överlappning (socialisering) av deras valenselektroner . En metallisk bindning beskrivs av många av de fysiska egenskaperna hos metaller såsom styrka , duktilitet , värmeledningsförmåga , elektrisk resistivitet och konduktivitet , opacitet och lyster [1] [2] [3] [4] .

Metallbindningsmekanism

Positiva metalljoner finns vid noderna av kristallgittret . Mellan dem, slumpmässigt, som gasmolekyler, rör sig ledningselektroner , som kommer från metallatomer under bildandet av joner. Dessa elektroner spelar rollen som "cement" och håller ihop de positiva jonerna; annars skulle gittret sönderfalla under inverkan av frånstötande krafter mellan jonerna. Samtidigt hålls elektroner också av joner inom kristallgittret och kan inte lämna det. När en metall formas eller sträcks kollapsar den inte eftersom jonerna i dess kristallstruktur ganska lätt förskjuts i förhållande till varandra [5] . Kommunikationskrafter är inte lokaliserade och inte riktade. I metaller uppträder i de flesta fall höga koordinationstal (till exempel 12 eller 8).

Så, alkalimetaller kristalliseras i ett kroppscentrerat kubiskt gitter, och varje positivt laddad alkalimetalljon har åtta närmaste grannar i kristallen - positivt laddade alkalimetalljoner (Fig. 1). Coulomb-avstötningen av lika-laddade partiklar (joner) kompenseras av den elektrostatiska attraktionen till elektronerna i anslutningslänkarna, som har formen av en förvrängd tillplattad oktaeder  - en fyrkantig bipyramid, vars höjd och kanterna på basen är lika med gitterkonstanten a w för en alkalimetallkristall (fig. 2).

Bindningselektronerna blir gemensamma för systemet med sex positiva alkalimetalljoner och håller de senare från Coulomb-repulsion.

Värdet på translationsgitterkonstanten aw för en alkalimetallkristall överstiger betydligt längden på den kovalenta bindningen av en alkalimetallmolekyl , därför är det allmänt accepterat att elektronerna i metallen är i ett fritt tillstånd:

Den matematiska konstruktionen förknippad med egenskaperna hos fria elektroner i en metall identifieras vanligtvis med " Fermi-ytan ", som bör betraktas som en geometrisk plats i k -utrymmet där elektroner finns, vilket ger metallens huvudsakliga egenskap - att leda elektrisk ström [8] . Således är den elektriska strömmen i metaller rörelsen av elektroner som plockas från omloppsradien i fältet av positivt laddade joner som finns vid noderna av metallkristallgittret . Utgången och inträdet av fria elektroner i kristallens anslutningslänk utförs genom punkterna "0", på samma avstånd från atomernas positiva joner (fig. 2).

Den fria rörligheten för elektroner i en metall bekräftades 1916 av Tolman och Stewarts erfarenhet av den kraftiga retardationen av en snabbt roterande trådspole - fria elektroner fortsatte att röra sig genom tröghet, vilket resulterade i att galvanometern registrerade en elektrisk ström puls . Den fria rörelsen av elektroner i en metall bestämmer metallens höga värmeledningsförmåga och metallers tendens till termionisk emission vid måttlig temperatur.

Oscillationen av jonerna i kristallgittret skapar motstånd mot elektronernas rörelse genom metallen, åtföljd av uppvärmning av metallen. För närvarande anses den viktigaste egenskapen hos metaller vara en positiv temperaturkoefficient för elektrisk ledningsförmåga , det vill säga en minskning av ledningsförmågan med ökande temperatur. Med sjunkande temperatur minskar det elektriska motståndet hos metaller, på grund av en minskning av oscillationerna av joner i kristallgittret. I processen att undersöka materiens egenskaper vid låga temperaturer upptäcker Kamerling-Onnes fenomenet supraledning . 1911 lyckades han upptäcka en minskning av det elektriska motståndet hos kvicksilver vid kokpunkten för flytande helium (4,2 K) till noll. 1913 tilldelades Kamerlingh-Onnes Nobelpriset i fysik med följande lydelse: "För studiet av ämnens egenskaper vid låga temperaturer, vilket ledde till produktion av flytande helium ".

Men teorin om supraledning skapades senare. Det är baserat på konceptet med ett Cooper- elektronpar  - ett korrelerat tillstånd av bindningselektroner med motsatta spinn och momenta, och därför kan supraledning betraktas som superfluiditeten hos en elektrongas, bestående av Cooper - elektronpar, genom en jonkristall gitter. 1972 tilldelades författarna till BCS-teorin  - Bardeen , Cooper och Schrieffer Nobelpriset i fysik "för utvecklingen av teorin om supraledning, vanligtvis kallad BCS-teorin."

Karakteristiska kristallgitter

De flesta metaller bildar ett av följande mycket symmetriska, tätt packade gitter: kroppscentrerad kubisk, ansiktscentrerad kubisk och hexagonal .

I ett kroppscentrerat kubiskt gitter (bcc) är atomerna belägna i kubens hörn och en atom är belägen i mitten av kubens volym. Metaller har ett kubiskt kroppscentrerat gitter: K , Na , Li , β-Ti , β-Zr , Ta , W , V , α-Fe , Cr , Nb , Ba , etc.

I ett ansiktscentrerat kubiskt gitter (fcc) är atomer belägna i kubens hörn och i mitten av varje yta. Metaller har ett gitter av denna typ: α-Ca , Ce , α-Sr , Pb , Ni , Ag , Au , Pd , Pt , Rh , γ-Fe , Cu , α-Co , etc.

I ett hexagonalt gitter är atomer placerade vid hörnen och mitten av prismats hexagonala baser, och tre atomer är belägna i prismats mittplan. Metaller har en sådan packning av atomer: Mg , α-Ti , Cd , Re , Os , Ru , Zn , β-Co , Be , β-Ca , etc.

Andra egenskaper

Fritt rörliga elektroner orsakar hög elektrisk och termisk ledningsförmåga . Många metaller har hög hårdhet, såsom krom , molybden , tantal , volfram , etc. Ämnen med en metallisk bindning kombinerar ofta styrka med duktilitet, eftersom bindningar inte går sönder när atomer förskjuts i förhållande till varandra.

Metall smälter

Smältor förlorar inte egenskaperna hos kristallina metaller. Både termisk och elektrisk ledningsförmåga förblir hög. Ett exempel är kvicksilverkontakter, som till fullo utnyttjar den elektriska ledningsförmågan hos flytande kvicksilver.

Anteckningar

1. ↑ Metallisk bindning Arkiverad 25 juli 2017 på Wayback Machine . chemguide.co.uk
2. ↑ Metallstrukturer Arkiverade 24 april 2021 på Wayback Machine . chemguide.co.uk
3. ↑ Chemical Bonds Arkiverad 20 september 2015 på Wayback Machine . chemguide.co.uk
4. ↑ FYSIK 133 föreläsningsanteckningar Spring, 2004 Marion Campus . physics.ohio-state.edu
5. ↑ Metallisk  bindning . — artikel från Encyclopædia Britannica Online . Hämtad: 1 mars 2020.
6. ↑ Handbok för en kemist. - 2:a uppl., reviderad. och ytterligare - L.-M .: GNTI Chemical Literature, 1962. - T. 1. - S. 402-513. — 1072 sid.
7. ↑ Lidin R. A., Andreeva L. L., Molochko V. A. Handbook of inorganic chemistry. Konstanter av oorganiska ämnen .. - M . : Chemistry, 1987. - S. 132-136. — 320 s.
8. ↑ Zieman J. Elektroner i metaller (introduktion till teorin om Fermi-ytor)  // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1962. - T. 78 , nr. 2 . - S. 291 . - doi : 10.3367/UFNr.0078.196210c.0291 .

Ordböcker och uppslagsverk	Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 4169574-4