Wiązanie metaliczne

Wiesz już, że dwa atomy niemetalu mogą połączyć się i przy pomocy wiązania o odpowiedniej krotności uwspólnić potrzebną im ilość elektronów. Działa to na zasadzie antagonizmu - próby kradzieży, zabrania elektronu dla siebie. Jest tak dlatego, że niemetale posiadają dużą wartość elektroujemności i dążą do uzyskania oktetu na drodze przyłączania elektronów.

Metale, które jak powiedzieliśmy cechuje elektrododatniość będą wykazywały tendencję do pozbywania się nielicznych elektronów walencyjnych. W sytuacji, kiedy wiele atomów oddaje elektrony, a żaden niemetal ich nie przyjmuje powstaje chmura wolnych elektronów. Atomy pozbawione elektronów walencyjnych tworzą w ten sposób dodatnio naładowane zręby atomowe. Niechciane elektrony stają się niczyje i przemieszczają się dookoła zrębów. Zręby atomowe to jądra i elektrony na tzw. zamkniętych powłokach, czyli niewalencyjnych.

W tym momencie często przytacza się model kawałka metalu. Więc i ja tak zrobię. Prezentuję trójwymiarowy wycinek i płaski przekrój na Ryc. 5.

Ryc. 5 Model budowy wewnętrznej metalu (3D i 2D).

Zauważ, że gdy metal tworzy kationy dwudodatnie, to elektronów, które przemieszczają się w próbce jest dwa razy więcej niż zrębów. W glinie, który tworzy jony Al³⁺ od każdego atomu odłączają się 3 elektrony. Automatycznie elektronów jest wtedy 3 razy więcej niż zębów atomowych. Elektron zawsze posiada ładunek −1 wyrażony w jednostkach ładunku elementarnego (e).

Wiązanie metaliczne - ogólna nazwa dla wszelkich wiązań chemicznych występujących bezpośrednio między atomami metali.

Wiązania między atomami metalu, jeśli występują w izolowanej formie (np. w związkach metaloorganicznych) są w zasadzie typowymi wiązaniami kowalencyjnymi, wyróżniają się jednak w stosunku do analogicznych wiązań między niemetalami dwiema istotnymi cechami:

• ulegają one łatwiejszej polaryzacji pod wpływem np. pola elektrycznego ze względu na to, że ogólnie w metalach elektrony walencyjne są słabiej związane z jądrami atomów niż w niemetalach

• nawet jeśli formalnie są wiązaniami pojedynczymi, ze względu na występowanie w metalach dużej liczby walencyjnych orbitali d zachodzi zjawisko ich nakładania się, co powoduje że wiązania te nabierają często charakteru częściowo wielokrotnego.

Cechy te powodują, że w kryształach metali powstają pasma zdelokalizowanych elektronów, które mogą swobodnie się przemieszczać pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego, dzięki czemu metale są dobrymi przewodnikami elektrycznymi. Ubocznym skutkiem tej delokalizacji jest też istnienie w metalach trójwymiarowej sieci silnych wiązań, co warunkuje dużą wytrzymałość mechaniczną metali, wysokie temperatury topnienia, kowalność, duży współczynnik rozszerzalności cieplnej i inne cechy charakterystyczne dla metali.

WIĄZANIE METALICZNE - powstanie wiązania metalicznego polega na przekształceniu atomów tego samego metalu lub atomów różnych metali w zbiór kationów i swobodnie poruszających się między nimi elektronów.
Wiązanie metaliczne może istnieć w stanie stałym lub ciekłym.
W stanie stałym węzły sieci krystalicznej metalu lub stopu są obsadzone przez kationy wykonujące wyłącznie ruchy oscylacyjne wokół węzła, natomiast zdelokalizowane elektrony poruszają się swobodnie w obrębie całego kryształu, podobnie jak drobiny substancji w stanie gazowym. Z tego względu mówi się o gazie elektronowym (chmurze elektronowej) wiązania metalicznego.
Kationy stanowiące rdzenie atomowe utrzymują się w swoich położeniach dzięki przyciądaniu elektrostatycznemu elektronów.

Właściwości metali wiążą się z istniejącym wiązaniem metalicznym:
dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne można uzasadnić ruchliwością elektronów należących do dazu elektronowego;
połysk metaliczny wynika stąd, że pod wpływem światła widzialnego, elektrony znajdujące się na powierzchni kryształu wykonują drgania o częstotliwości promieniowania padającego. Promienie odbite mają taką samą częstotliwość jak promienie padające, co postrzegamy jako charakterystyczny połysk metalu;
plastyczność - ciągliwość, kowalność metali, tłumaczy się brakiem w krysztale kierunków uprzywilejowanych, a więc można przesuwać płaszczyzny sieciowe i powodować pęknięcia metali.

Model budowy wewnętrznej metalu:

WIĄZANIE SIŁAMI VAN DER WAALSA - (wiązanie międzycząsteczkowe) odbywa się za pomocą sił przyciągających atomy gazów szlachetnych i rzeczywistych. W danej chwili atom gazu szlachetnego może mieć po jednej stronie powłoki elektronowej nadmiar, zaś po stronie przeciwnej niedobór elektronów, a więc staje się w tym momencie chwilowym dipolem. Ruch elektronów w jednym atomie oddziałuje także na ruch i rozmieszczenie elektronów w zewnętrznej powłoce elektronowej drugiego atomu, w skutek czego oba atomy indukują się elektrycznie i tworzą tzw. dipol indukowany. Siły oddziaływujące między tymi otoczeniami decydują o wiązaniu międzycząsteczkowym, które jest na ogół słabsze od innych rodzajów wiązań. Substancje o wiązaniu silami van der Waalsa to przede wszystkim skroplone gazy szlachetne i zestalone dwuatomowe cząsteczki H, N, O a także chlorowców. Siły te wiążą także łańcuchy lub pierścienie w kryształach S, Se, Te, a także kryształy niepolarne. Kryształy molekularne o wiązaniu międzycząsteczkowym są przeźroczyste, często zabarwione i nie przewodzą prądu elektrycznego.

WIĄZANIE METALICZNE - jego istotą jest gaz elektronowy, utworzony w skutek oderwania się od atomów metali części lub wszystkich elektronów walencyjnych. Oderwane elektrony swobodne w postaci gazu elektronowego stanowią własność wszystkich atomów i poruszają się w całej objętości metalu. Atomy po utracie elektronów walencyjnych stają się jonami dodatnimi - rdzeniami atomowymi. Wykazują one w stanie stałym prawidłową budowę krystaliczną, zajmując pozycje węzłowe w sieci przestrzennej metalu. Wokół rdzeni atomowych krąży gaz elektronowy o ujemnym ładunku elektrycznym, który w wyniku elektrostatycznego oddziaływania z dodatnio naładowanymi jonami rdzeni atomowych stanowi o wiązaniu pom. atomami metali. Możliwość swobodnego przemieszczania się elektronów od jednego atomu do drugiego wynika z bezpośredniego sąsiedztwa rdzeni atomowych w strukturze krystalicznej, stykających się z sobą zewnętrznymi powłokami elektronowymi. Wiązanie metaliczne nie wykazuje charakteru kierunkowego i tym różni się od innych wiązań.

siły van der Waalsa - mają charakter elektrostatyczny i w zasadzie odnoszą się do oddziaływań między niepolarnymi cząsteczkami typu CH4 czy Cl2, lub pomiędzy nie wiążącymi się atomami gazów szlachetnych. Siły te powstają na skutek wzajemnego oddziaływania jąder i elektronów w cząsteczkach. W wyniku nieustannego ruchu elektronów i oscylacji jąder atomowych, dokonuje się czasowa polaryzacja ładunków i powstają indukowane chwilowe dipole. Polaryzowalność poszczególnych atomów lub cząsteczek jest proporcjonalna do ich masy. Siły van der Waalsa są słabe jeżeli chodzi o małe cząsteczki, jednak w przypadku większych cząsteczek mogą one być silniejsze nawet od wiązań chemicznych (dzieje się tak na przykład w tworzywach sztucznych czy smarach). Ma to również wpływ na temperatury wrzenia substancji. Obserwuje się zwykle znaczne wartości temperatur wrzenia dla cząsteczek o dużych rozmiarach, natomiast małe wartości temperatur wrzenia dla cząsteczek mniejszych. Oddziaływania te zależą także od kształtu cząsteczki, co powoduje różnice w temperaturach wrzenia w przypadku związków organicznych. Na przykład cząsteczka o wzorze C₅H₁₂ w zależności od tego czy posiada strukturę liniową czy rozgałęziona ma różne temperatury wrzenia. Cząsteczka posiadająca strukturę liniową ma wyższą temperaturę wrzenia niż cząsteczka o strukturze rozgałęzionej. Jest to związane z tym, że oddziaływania van der Waalsa są silniejsze w przypadku bardziej zbliżonych do siebie cząsteczek o strukturze liniowej. Siły van der Waalsa są uniwersalne i występują one we wszystkich cząsteczkach, niezależnie od ich rozmiaru czy kształtu.

---