Металлическая связь

Металлическая связь представляет собой особый тип межатомного взаимодействия, характерный для металлов и сплавов. В отличие от ионной или ковалентной связей, здесь основную роль играет коллективизация валентных электронов. Атомы в металлическом кристалле теряют часть своих внешних электронов, которые переходят в общее «электронное облако». Эти электроны не принадлежат конкретным атомам, а перемещаются свободно по всему кристаллу, образуя так называемый «электронный газ». Положительные ионы (или атомные остовы) удерживаются в пространстве благодаря электростатическому притяжению со стороны этого газообразного электронного фона.

Таким образом, металлическая связь характеризуется:

высокой делокализацией электронов,
коллективным характером взаимодействия,
отсутствием строгой направленности в отличие от ковалентных связей,
большой устойчивостью при больших числах атомов.

Электронная модель металлической связи

Важнейшей теоретической основой описания металлической связи является зонная теория твёрдого тела. При формировании металлического кристалла энергетические уровни отдельных атомов перекрываются, образуя энергетические зоны. Валентные электроны распределяются в так называемой зоне проводимости, что обеспечивает высокую подвижность электронов и объясняет электропроводность металлов.

Особое значение имеет перекрывание валентной зоны и зоны проводимости. В металлах эти зоны частично совпадают или разделены очень малым энергетическим зазором. Поэтому при приложении электрического поля электроны легко переходят в возбужденные состояния, что приводит к свободному переносу заряда.

Коллективизация электронов

Каждый атом металла, вступая в кристаллическую решётку, «отдаёт» один или несколько своих внешних электронов в общее пользование. Количество этих электронов определяется положением элемента в периодической системе и числом его валентных электронов. Например, щелочные металлы выделяют по одному электрону, а алюминий – три.

Коллективизация обеспечивает прочность кристалла. Чем больше электронов участвует в образовании электронного газа, тем выше прочность металлической связи. Так, у щёлочных металлов связь сравнительно слабая, а у переходных металлов – значительно прочнее.

Особенности металлической связи

Ненаправленность – атомные остовы удерживаются благодаря общему электронному облаку, поэтому отсутствует жёсткая геометрия связей, как в ковалентных кристаллах. Это объясняет пластичность металлов.
Делокализация – электроны распределены по всему объёму кристалла, что обуславливает высокую теплопроводность и электропроводность.
Коллективный характер – связь определяется поведением всей совокупности электронов, а не индивидуальными взаимодействиями атомов.
Сильная корреляция свойств – прочность, упругость, теплопроводность и электропроводность напрямую связаны с электронным строением металлов.

Энергетические характеристики

Энергия металлической связи определяется балансом двух процессов:

притяжение положительных ионов к электронному газу,
отталкивание между одноимёнными ионами.

В равновесном состоянии достигается минимальная энергия кристалла. Для характеристики прочности металлической связи используют величину энергии кристаллической решётки, а также теплоту испарения металла.

Энергия металлической связи обычно меньше, чем у ковалентной, но выше, чем у ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Например, для натрия она составляет порядка 1 эВ на атом, а для вольфрама – около 8 эВ.

Влияние металлической связи на свойства

Электропроводность – наличие свободных электронов делает металлы хорошими проводниками электричества. Сопротивление при этом зависит от дефектов решётки, температуры и примесей.
Теплопроводность – свободные электроны эффективно переносят тепловую энергию.
Пластичность и ковкость – ненаправленный характер связи позволяет атомным слоям смещаться без разрушения кристалла.
Металлический блеск – взаимодействие с электромагнитными волнами приводит к отражению света, что связано с электронной структурой.
Механическая прочность – сила связи зависит от числа валентных электронов, плотности упаковки и наличия дефектов.

Сравнение с другими типами связей

В отличие от ионной связи, где электроны локализованы у одного из атомов, в металлической связи электроны полностью делокализованы.
В отличие от ковалентной связи, где существует чёткая направленность, металлическая связь не имеет фиксированной геометрии.
Металлическая связь более устойчива, чем молекулярные взаимодействия (ван-дер-ваальсовы силы).

Особенности в сплавах

В сплавах металлическая связь усложняется за счёт присутствия атомов разных элементов. Электронный газ становится неоднородным, меняется распределение плотности электронов и, как следствие, механические и электрические свойства.

В твердых растворах замещения атомы примеси замещают узлы решётки, сохраняя общий характер металлической связи.
В твердых растворах внедрения мелкие атомы занимают промежутки между атомными остовами, что может усиливать или ослаблять связь.
В интерметаллидах металлическая связь частично сочетается с ионной или ковалентной, формируя уникальные свойства.

Температурные эффекты

С повышением температуры амплитуда колебаний атомных остовов увеличивается, что приводит к снижению прочности металлической связи. Это проявляется в уменьшении электропроводности, росте сопротивления, снижении модуля упругости. При высоких температурах связь ослабевает настолько, что происходит плавление металла.

Характер плавления напрямую связан с прочностью металлической связи: у щелочных металлов температуры плавления низкие, у тугоплавких переходных металлов – чрезвычайно высокие.