Металлическая связь: электроны в общественной собственности

Особая связь

Не всегда электроны плотно связаны с атомом и образуют либо нейтральные атомы, либо ионы. Есть и еще одна форма существования электронов – в металлической связи. Она сильно отличается от других видов, и поэтому железо, к примеру, имеет очень специфические физические свойства. Одно из свойств, которое обеспечивает металлическая химическая связь – способность отлично проводить электричество. Если бы люди не узнали этого качества, техническая цивилизация бы просто не существовала.

Как в соли

Металлическая связь – это особое состояние атомов, при котором существуют электростатические силы, электроны проводимости, образующие своеобразное облако, и положительные ионы. При этом электроны относительно свободны и принадлежат в равной степени всем атомам в решетке металла. Это свойство чем-то похоже на свойства расплавленных солей, но далеко не полностью, то есть такое сравнение хоть и имеет право на существование, но является довольно упрощенным. Квантомеханическое рассмотрение данного вопроса говорит о том, что электроны так распределяют свою плотность, что атомы физически остаются нейтральными, но при этом маленькие отрицательные частицы сохраняют относительную мобильность.

Объясняет многое

Металлическая связь отвечает за такие свойства металлов, как пластичность, прочность, тягучесть, непрозрачность, способность гладкой поверхности отражать свет. Но самое главное свойство, очень важное для людей – быть очень теплопроводными и электропроводными. Электрическая проводимость достигается благодаря способности электронов быть мобильными, обеспечивая движение электрического тока.

Разнообразие

Металлическая связь – не единственно возможная для металлов. Например, чистый галлий образует ковалентные связи между атомами. И эти пары находятся в узлах кристаллической решетки, а вокруг – да, электроны проводимости, которые тоже делают возможным образование металлического облака. Вообще, единственное число в слове «связь» не совсем корректно, потому что электроны в облаке – совместная собственность всех атомов. Идеальное коллективное хозяйство, где никто не обижен.

Тугоплавкость

В структуре металлической решетки атомы связаны очень большими силами. Именно поэтому очень сложно расплавить металл, и есть вещества-чемпионы по температуре плавления, например, вольфрам, требующий для изменения агрегатного состояния огромной температуры. При этом есть одно любопытное исключение – металлы группы цинка: сам цинк, кадмий и ртуть. Такое свойство связано с тем, что их последние оболочки заполнены, как у благородных газов, и металлическая связь у них не вполне полноценная. Так что в вакууме их из-за этих свойств стараются не использовать.

Все же не ионы

Итак, свойства типичных металлов обеспечены особенностями их существования в форме решетки с мобильными электронами, формирующими нечто вроде облака, оставляющего располагающиеся в узлах решетки атомы нейтральными. Хотя традиционно узлы называют ионами, они не являются таковыми с позиций более точного квантово-механического подхода.