1. Металлическая связь

Ме­тал­ли­че­ская связь – это тип связи в ме­тал­лах и их спла­вах между ато­ма­ми или иона­ми ме­тал­лов и от­но­си­тель­но сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми (элек­трон­ным газом) в кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ке.

Ме­тал­лы – это  хи­ми­че­ские эле­мен­ты с низ­кой элек­тро­от­ри­ца­тель­но­стью, по­это­му они легко от­да­ют свои ва­лент­ные элек­тро­ны. Если рядом с эле­мен­том ме­тал­лом на­хо­дит­ся неме­талл, то элек­тро­ны от атома ме­тал­ла пе­ре­хо­дят к неме­тал­лу. Такой тип связи на­зы­ва­ет­ся ион­ный (рис. 1).

Рис. 1. Об­ра­зо­ва­ние ион­ной связи

В слу­чае про­стых ве­ществ ме­тал­лов или их спла­вов, си­ту­а­ция ме­ня­ет­ся.

При об­ра­зо­ва­нии мо­ле­кул элек­трон­ные ор­би­та­ли ме­тал­лов не оста­ют­ся неиз­мен­ны­ми. Они вза­и­мо­дей­ству­ют между собой, об­ра­зуя новую мо­ле­ку­ляр­ную ор­би­таль. В за­ви­си­мо­сти от со­ста­ва и стро­е­ния со­еди­не­ния, мо­ле­ку­ляр­ные ор­би­та­ли могут быть как близ­ки к со­во­куп­но­сти атом­ных ор­би­та­лей, так и зна­чи­тель­но от них от­ли­чать­ся. При вза­и­мо­дей­ствии элек­трон­ных ор­би­та­лей ато­мов ме­тал­ла об­ра­зу­ют­ся мо­ле­ку­ляр­ные ор­би­та­ли. Такие, что ва­лент­ные элек­тро­ны атома ме­тал­ла, могут сво­бод­но пе­ре­ме­щать­ся по этим мо­ле­ку­ляр­ным ор­би­та­лям. Не про­ис­хо­дит пол­ное раз­де­ле­ние, за­ря­да, т. е. ме­талл – это не со­во­куп­ность ка­ти­о­нов и пла­ва­ю­щих во­круг элек­тро­нов. Но это и не со­во­куп­ность ато­мов, ко­то­рые ино­гда пе­ре­хо­дят в ка­ти­он­ную форму и пе­ре­да­ют свой элек­трон дру­го­му ка­ти­о­ну. Ре­аль­ная си­ту­а­ция – это со­во­куп­ность двух этих край­них ва­ри­ан­тов.

Рис. 2 Пример воз­ни­кновения ме­тал­ли­че­ской связи

Сущ­ность об­ра­зо­ва­ния ме­тал­ли­че­ской связи со­сто­ит в сле­ду­ю­щем: атомы ме­тал­лов от­да­ют на­руж­ные элек­тро­ны, и неко­то­рые из них пре­вра­ща­ют­ся в по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные ионы. Ото­рвав­ши­е­ся от ато­мов элек­тро­ны от­но­си­тель­но сво­бод­но пе­ре­ме­ща­ют­ся между воз­ник­ши­ми по­ло­жи­тель­ны­ми иона­ми ме­тал­лов. Между этими ча­сти­ца­ми воз­ни­ка­ет ме­тал­ли­че­ская связь, т. е. элек­тро­ны как бы це­мен­ти­ру­ют по­ло­жи­тель­ные ионы в ме­тал­ли­че­ской ре­шет­ке (рис. 2).

2. Физические свойства металлов

На­ли­чие ме­тал­ли­че­ской связи обу­слав­ли­ва­ет фи­зи­че­ские свой­ства ме­тал­лов:

· Вы­со­кая пла­стич­ность

· Тепло и элек­тро­про­вод­ность

· Ме­тал­ли­че­ский блеск

Пла­стич­ность – это спо­соб­ность ма­те­ри­а­ла легко де­фор­ми­ро­вать­ся под дей­стви­ем ме­ха­ни­че­ской на­груз­ки. Ме­тал­ли­че­ская связь ре­а­ли­зу­ет­ся между всеми ато­ма­ми ме­тал­ла од­но­вре­мен­но, по­это­му при ме­ха­ни­че­ском воз­дей­ствии на ме­талл не раз­ры­ва­ют­ся кон­крет­ные связи, а толь­ко ме­ня­ет­ся по­ло­же­ние атома. Атомы ме­тал­ла, не свя­зан­ные жест­ки­ми свя­зя­ми между собой, могут как бы сколь­зить по слою элек­трон­но­го газа, как это про­ис­хо­дит при сколь­же­нии од­но­го стек­ла по дру­го­му с про­слой­кой воды между ними. Бла­го­да­ря этому ме­тал­лы можно легко де­фор­ми­ро­вать или рас­ка­ты­вать в тон­кую фоль­гу. Наи­бо­лее пла­стич­ные ме­тал­лы – чи­стое зо­ло­то, се­реб­ро и медь. Все эти ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в при­ро­де в са­мо­род­ном виде в той или иной сте­пе­ни чи­сто­ты. Рис. 3.

Рис. 3. Ме­тал­лы, встре­ча­ю­щи­е­ся в при­ро­де в са­мо­род­ном виде

Из них, осо­бен­но из зо­ло­та, из­го­тав­ли­ва­ют­ся раз­лич­ные укра­ше­ния. Бла­го­да­ря своей уди­ви­тель­ной пла­стич­но­сти, зо­ло­то при­ме­ня­ет­ся при от­дел­ке двор­цов. Из него можно рас­ка­тать фоль­гу тол­щи­ной всего 3^.10^-3 мм. Она на­зы­ва­ет­ся су­саль­ное зо­ло­то, на­но­сит­ся на гип­со­вые, леп­ные укра­ше­ния или дру­гие пред­ме­ты.

Теп­ло- и элек­тро­про­вод­ность. Лучше всего элек­три­че­ский ток про­во­дят медь, се­реб­ро, зо­ло­то и алю­ми­ний. Но так как зо­ло­то и се­реб­ро – до­ро­гие ме­тал­лы, то для из­го­тов­ле­ния ка­бе­лей ис­поль­зу­ют­ся более де­ше­вые медь и алю­ми­ний. Са­мы­ми пло­хи­ми элек­три­че­ски­ми про­вод­ни­ка­ми яв­ля­ют­ся мар­га­нец, сви­нец, ртуть и воль­фрам. У воль­фра­ма элек­три­че­ское со­про­тив­ле­ние столь ве­ли­ко, что при про­хож­де­нии элек­три­че­ско­го тока он на­чи­на­ет све­тить­ся. Это свой­ство ис­поль­зу­ет­ся при из­го­тов­ле­нии ламп на­ка­ли­ва­ния.

Тем­пе­ра­ту­ра тела – это мера энер­гии со­став­ля­ю­щих его ато­мов или мо­ле­кул. Элек­трон­ный газ ме­тал­ла может до­воль­но быст­ро пе­ре­да­вать из­бы­точ­ную энер­гию с од­но­го иона или атома к дру­го­му. Тем­пе­ра­ту­ра ме­тал­ла быст­ро вы­рав­ни­ва­ет­ся по всему объ­ё­му, даже если на­гре­ва­ние идет с одной сто­ро­ны. Это на­блю­да­ет­ся, на­при­мер, если опу­стить ме­тал­ли­че­скую ложку в чай.

Ме­тал­ли­че­ский блеск. Блеск – это спо­соб­ность тела от­ра­жать све­то­вые лучи. Вы­со­кой све­то­вой от­ра­жа­тель­ной спо­соб­но­стью об­ла­да­ют се­реб­ро, алю­ми­ний и пал­ла­дий. По­это­му имен­но эти ме­тал­лы на­но­сят тон­ким слоем на по­верх­ность стек­ла при из­го­тов­ле­нии фар, про­жек­то­ров и зер­кал.

Во­до­род­ная связь

Рас­смот­рим тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния и плав­ле­ния во­до­род­ных со­еди­не­ний халь­ко­ге­нов: кис­ло­ро­да, серы, се­ле­на и тел­лу­ра. Рис. 4.

Рис. 4 Рас­смот­рим тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния и плав­ле­ния во­до­род­ных со­еди­не­ний халь­ко­ге­нов: кис­ло­ро­да, серы, се­ле­на и тел­лу­ра

Если мыс­лен­но экс­тра­по­ли­ро­вать пря­мые тем­пе­ра­тур ки­пе­ния и плав­ле­ния во­до­род­ных со­еди­не­ний серы, се­ле­на и тел­лу­ра, то мы уви­дим, что тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния воды долж­на при­мер­но со­став­лять -100⁰С, а ки­пе­ния – при­мер­но -80⁰С. Про­ис­хо­дит это по­то­му, что между мо­ле­ку­ла­ми воды су­ще­ству­ет вза­и­мо­дей­ствие – во­до­род­ная связь, ко­то­рая объ­еди­ня­ет мо­ле­ку­лы воды в ас­со­ци­а­цию. Для раз­ру­ше­ния этих ас­со­ци­а­тов тре­бу­ет­ся до­пол­ни­тель­ная энер­гия.

3. Механизм образования водородной связи

Во­до­род­ная связь об­ра­зу­ет­ся между силь­но по­ля­ри­зо­ван­ным, об­ла­да­ю­щим зна­чи­тель­ной долей по­ло­жи­тель­но­го за­ря­да ато­мом во­до­ро­да и дру­гим ато­мом с очень вы­со­кой элек­тро­от­ри­ца­тель­но­стью: фто­ром, кис­ло­ро­дом или азо­том. При­ме­ры ве­ществ, спо­соб­ных об­ра­зо­вы­вать во­до­род­ную связь, при­ве­де­ны на рис. 5.

Рис. 5 При­ме­ры ве­ществ, спо­соб­ных об­ра­зо­вы­вать во­до­род­ную связь

Рас­смот­рим об­ра­зо­ва­ние во­до­род­ных свя­зей между мо­ле­ку­ла­ми воды. Во­до­род­ная связь изоб­ра­жа­ет­ся тремя точ­ка­ми. Воз­ник­но­ве­ние во­до­род­ной связи обу­слов­ле­но уни­каль­ной осо­бен­но­стью атома во­до­ро­да. Т. к. атом во­до­ро­да со­дер­жит толь­ко один элек­трон, то при от­тя­ги­ва­нии общей элек­трон­ной пары дру­гим ато­мом, ого­ля­ет­ся ядро атома во­до­ро­да, по­ло­жи­тель­ный заряд ко­то­ро­го дей­ству­ет на элек­тро­от­ри­ца­тель­ные эле­мен­ты в мо­ле­ку­лах ве­ществ.

Срав­ним свой­ства эти­ло­во­го спир­та и ди­ме­ти­ло­во­го эфира. Ис­хо­дя из стро­е­ния этих ве­ществ, сле­ду­ет, что эти­ло­вый спирт может об­ра­зо­вы­вать меж­мо­ле­ку­ляр­ные во­до­род­ные связи. Это обу­слов­ле­но на­ли­чи­ем гид­рок­со­груп­пы. Ди­ме­ти­ло­вый эфир меж­мо­ле­ку­ляр­ных во­до­род­ных свя­зей об­ра­зо­вы­вать не может.

Со­по­ста­вим их свой­ства в таб­ли­це 1.

Табл. 1

Т _кип., Т _пл, рас­тво­ри­мость в воде выше у эти­ло­во­го спир­та. Это общая за­ко­но­мер­ность для ве­ществ, между мо­ле­ку­ла­ми ко­то­рых об­ра­зу­ет­ся во­до­род­ная связь. Эти ве­ще­ства ха­рак­те­ри­зу­ют­ся более вы­со­кой Т _кип.,Т _пл, рас­тво­ри­мо­стью в воде и более низ­кой ле­ту­че­стью.

Фи­зи­че­ские свой­ства со­еди­не­ний за­ви­сят также и от мо­ле­ку­ляр­ной массы ве­ще­ства. По­это­му про­во­дить срав­не­ние фи­зи­че­ских свойств ве­ществ с во­до­род­ны­ми свя­зя­ми, пра­во­мер­но толь­ко для ве­ществ с близ­ки­ми мо­ле­ку­ляр­ны­ми мас­са­ми.

Энер­гия одной во­до­род­ной связи при­мер­но в 10 раз мень­ше энер­гии ко­ва­лент­ной связи. Если в ор­га­ни­че­ских мо­ле­ку­лах слож­но­го со­ста­ва име­ет­ся несколь­ко функ­ци­о­наль­ных групп, спо­соб­ных к об­ра­зо­ва­нию во­до­род­ной связи, то в них могут об­ра­зо­вы­вать­ся внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ные во­до­род­ные связи (белки, ДНК, ами­но­кис­ло­ты, ор­то­нит­ро­фе­нол и др.). За счет во­до­род­ной связи об­ра­зу­ет­ся вто­рич­ная струк­ту­ра бел­ков, двой­ная спи­раль ДНК.

4. Ван-дер-Ваальсовые силы

Ван-дер-Ва­аль­со­вая связь.

Вспом­ним бла­го­род­ные газы. Со­еди­не­ния гелия до сих пор не по­лу­че­ны. Он не спо­со­бен об­ра­зо­вы­вать обыч­ные хи­ми­че­ские связи.

При силь­но от­ри­ца­тель­ных тем­пе­ра­ту­рах можно по­лу­чить жид­кий и даже твер­дый гелий. В жид­ком со­сто­я­нии атомы гелия удер­жи­ва­ют­ся при по­мо­щи сил элек­тро­ста­ти­че­ско­го при­тя­же­ния. Су­ще­ству­ет три ва­ри­ан­та этих сил:

· ори­ен­та­ци­он­ные силы. Это вза­и­мо­дей­ствие между двумя ди­по­ля­ми (НСl)

· ин­дук­ци­он­ное при­тя­же­ние. Это при­тя­же­ние ди­по­ля и непо­ляр­ной мо­ле­ку­лы.

· дис­пер­си­он­ное при­тя­же­ние. Это вза­и­мо­дей­ствие между двумя непо­ляр­ны­ми мо­ле­ку­ла­ми (He). Воз­ни­ка­ет за счет нерав­но­мер­но­сти дви­же­ния элек­тро­нов во­круг ядра.

Под­ве­де­ние итога

Были рас­смот­ре­ны три типа хи­ми­че­ской связи: ме­тал­ли­че­ская, во­до­род­ная и Ван-дер-Ва­аль­со­вая. Объ­яс­ня­лась за­ви­си­мость фи­зи­че­ских и хи­ми­че­ских свойств от раз­ных типов хи­ми­че­ских свя­зей в ве­ще­стве.