Энергия, длина и порядок связи в молекулах элементов I периода

Молекулярные параметры Молекулы и молекулярные ионы МО σ* σсв Eсв, кДж∙моль–1 Длина связи, r 0, нм 0,106 0,075 0,108 – Порядок связи 0,5 0,5

Чем выше порядок связи, тем, при прочих равных условиях, прочнее данная молекула, что подтверждается экспериментальными данными. Наличие на МО хотя бы одного неспаренного электрона придает частице парамагнитные свойства и заставляет ее втягиваться в магнитное поле. Если все электроны спарены, то частица обладает диамагнитными свойствами и магнитным полем выталкивается.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Атомы металлов отличаются от атомов других элементов тем, что имеют малые энергии ионизации и сравнительно слабо удерживают свои внешние электроны. Поэтому в кристаллической решетке металла большое количество электронов покидает свои атомы, превращая их в положительно заряженные ионы. «Обобществленные» электроны передвигаются в междоузлиях кристаллической решетки и за счет электростатических сил «цементируют» ионы металла. Такая связь называется металлической и существует не только в твердых кристаллах металлов, но и в расплавах и в аморфном состоянии.

Единая система электронов в металлических веществах называется «электронным газом». Металл можно представить в виде остова из положительных ионов, погруженного в электронный газ, который компенсирует силы взаимного отталкивания положительных ионов. В свою очередь, “электронный газ” может свободно двигаться через решетку, состоящую из ионов металла обеспечивая его высокую электропроводность, теплопроводность и ковкость . В кристаллах металлов атомы ионизированы не полностью, и часть валентных электронов остается связанной. В результате возможно появление частично ковалентных связей между соседними атомами. Вклады ионной и ковалентной составляющей обнаружены во многих металлах. Металлическая связь имеет признаки, характерные как для ковалентной, так и для ионной связи.

Рис. 4.9. Схематическое строение элементарной решетки металла

Электропроводность металлов уменьшается с ростом температуры. Это объясняется тем, что электроны в металле беспорядочно движутся, переходя от одного атома к другому. А положительно заряженные ионы лишь слегка колеблются около своего положения в кристаллической решетке. При нагревании металла колебания катионов усиливаются и электронам становится труднее продвигаться между ними, поэтому электрическое сопротивление металла увеличивается.

Наличие свободных электронов обусловливает высокую теплопроводность металлов и характерный металлический блеск. Их высокая пластичность и ковкость связаны с возможностью взаимного смещения катионов в металлической кристаллической решетке без разрыва химической связи.

Описываемая картина электростатического связывания ионов металла в решетке с помощью «электронного газа» слишком упрощена. В пользу этого свидетельствует следующее. Если бы ионы металлов были связаны только

делокализованными электронами, то все металлические системы были бы похожи: чем больше свободных электронов и меньше атомный радиус металла, тем в большей степени за счет электростатического притяжения фиксировались бы ионы металла в узлах решетки и тем прочнее должен бы быть металл. Но таких простых корреляций не наблюдается. Например, щелочные металлы легко теряют электроны, имеют высокую электропроводность, но они очень мягкие. Медь, серебро и золото также хорошо проводят электрический ток, но они на порядок тверже. Так, в гранецентрированной кубической решетке кристалла меди каждый атом окружен 12 другими атомами. Медь достаточно твердый металл, имеет высокую температуру плавления Т_пл = 1100 ^оС и плотность 8,9 г/см³.

В решетку типа «меди» кристаллизуются такие прочные и твердые металлы, как: γ-Fe, Ni, Rh, Pd, Ir, Pt, Аи. Однако такие металлы, как Мg, А1 и Рb, тоже имеют гранецентрированную кубическую решетку, но их, в отличие от меди, можно резать ножом, и они сильно отличаются по плотности и температурам плавления, например: Мg (ρ =1,74 г/см³, Т_пл = 700 ^оС); Рb (ρ =11,34 г/см³ , Т_пл = 327 ^оС).

Таким образом, количество свободных электронов и тип кристаллической решетки не являются определяющими при формировании механических и физических свойств металлов.

Для объяснения причин образования связей в металлах было предложено несколько теорий (теория резонансной связи Полинга, зонная теория, метод молекулярных орбиталей), каждая из которых внесла свой вклад в понимание вопроса и которые в той или иной мере дополняют друг друга.