Ионная и металлическая связь: Часть 1

Видео

Конспект

1. Ионная связь образуется между атомами с сильно отличающейся электроотрицательностью - обычно между металлами и неметаллами. В этом случае происходит не обобществление, а полный переход электронов от атома металла к атому неметалла. Например, при образовании поваренной соли атом натрия полностью отдаёт свой внешний электрон атому хлора. В результате образуются заряженные частицы - ионы: положительный Na^{+} и отрицательный Cl^{-} . Эти ионы удерживаются вместе сильными электростатическими силами притяжения. Ионные соединения обладают характерными свойствами: они твёрдые и хрупкие, имеют высокие температуры плавления, хорошо растворяются в воде и проводят электрический ток в растворах или расплавах. Типичные примеры - поваренная соль NaCl , мел CaCO_{3} , гипс CaSO_{4} .

2. Металлическая связь принципиально отличается как от ковалентной, так и от ионной. Она характерна для чистых металлов и их сплавов. В металлах внешние электроны слабо удерживаются ядрами атомов и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ионами, образуя так называемый "электронный газ". Именно эта особенность объясняет уникальные свойства металлов: они прекрасно проводят тепло и электричество (благодаря подвижным электронам), обладают ковкостью и пластичностью (ионы могут смещаться без разрушения структуры), имеют характерный металлический блеск (свободные электроны отражают свет). Разные металлы проявляют эти свойства в разной степени - например, медь исключительно хорошо проводит ток, золото очень пластично, а вольфрам чрезвычайно тугоплавок.

Интересно сравнить прочность этих типов связей. Ковалентные связи, особенно кратные (как тройная связь в N_{2} ), могут быть исключительно прочными (до 945 кДж/моль для N\equivN ). Ионные связи также весьма прочны (например, 788 кДж/моль для NaCl), но металлические связи обычно уступают им по прочности, что объясняет сравнительно низкую температуру плавления многих металлов. Однако в отличие от хрупких ионных кристаллов, которые разрушаются при смещении слоев, металлы благодаря "электронному газу" сохраняют целостность при деформации.

Пространственная организация этих связей также различна. Ковалентные соединения образуют отдельные молекулы ( H_{2} O, CO_{2} ) или атомные кристаллы (алмаз). Ионные вещества всегда образуют кристаллические решетки правильной геометрической формы (кубическая для NaCl). Металлы же формируют плотноупакованные структуры, где каждый атом окружен многими соседями (обычно 8 или 12), что обеспечивает их пластичность.

Эти различия в природе связей определяют и разницу в физических свойствах веществ. Ковалентные соединения могут быть газами \left(O_{2}\right) , жидкостями \left(H_{2} O\right) или твердыми веществами \left(SiO_{2}\right) с относительно низкими температурами плавления (кроме атомных кристаллов). Ионные соединения - всегда твердые кристаллы с высокими температурами плавления. Металлы, за исключением ртути, - тоже твердые вещества, но их температуры плавления варьируются в широких пределах: от -39^{\circ} C у ртути до 3422^{\circ} C у вольфрама.