اتصال المعادن: آلية التعليم. الرابطة الكيميائية المعدنية: أمثلة

جميع المواد الكيميائية المعروفة حالياتنقسم العناصر الموجودة في الجدول الدوري إلى مجموعتين كبيرتين: المعادن وغير المعدنية. من أجل أن لا يصبحوا مجرد عناصر ، بل مركبات ، مواد كيميائية ، للتفاعل مع بعضهم البعض ، يجب أن توجد كمواد بسيطة ومعقدة.

لهذا هو وحده الذي تحاول الإلكتروناتلقبول ، والبعض الآخر لإعطاء. تغذي بعضها البعض بهذه الطريقة ، تشكل العناصر جزيئات كيميائية مختلفة. ولكن ما الذي يسمح لهم بالبقاء معا؟ لماذا توجد مواد من هذه القوة لا يمكن تدميرها حتى بواسطة أخطر الأدوات؟ والآخرون ، على العكس من ذلك ، يتم تدميرهم بأقل تأثير. كل هذا يرجع إلى تكوين أنواع مختلفة من الروابط الكيميائية بين الذرات في الجزيئات ، وتشكيل شعرية بلورية لهيكل معين.

أنواع الروابط الكيميائية في المركبات

في المجموع ، هناك 4 أنواع رئيسية من الروابط الكيميائية.

1. التساهمية غير القطبية.يتم تشكيلها بين اثنين من المعادن غير متطابقة بسبب التنشئة الاجتماعية للإلكترونات ، وتشكيل أزواج الإلكترونية المشتركة. جزيئات التكافؤ غير الزوجية تشارك في تكوينها. أمثلة: الهالوجينات ، الأكسجين ، الهيدروجين ، النيتروجين ، الكبريت ، الفوسفور.
2. القطبية التساهمية.وهي تتشكل بين اثنين من المعادن غير المعدنية المختلفة أو بين معدن ضعيف للغاية في خواصه وضعف غير المعادن في الكهربية. ويستند أيضًا إلى أزواج الإلكترون الشائعة وسحبها نحوه تجاه الذرة ، وتكون تقارب الإلكترون أعلى. أمثلة: NH_3, SiC ، ص₂يا₅ و اخرين.
3. رابطة الهيدروجين. وهو الأكثر هشاشة وضعفًا ، ويتشكل بين ذرة كهرسلبية قوية لجزيء واحد وأخرى موجبة. يحدث هذا غالبًا عند إذابة المواد في الماء (الكحول والأمونيا وما إلى ذلك). بسبب هذا الارتباط ، يمكن أن توجد الجزيئات الكبيرة من البروتينات والأحماض النووية والكربوهيدرات المعقدة وما إلى ذلك.
4. الرابطة الأيونية. تشكلت بسبب قوى الجذب الإلكتروستاتيكي للأيونات المشحونة بشكل مختلف من المعادن واللافلزات. كلما كان الاختلاف أقوى في هذا المؤشر ، كانت الطبيعة الأيونية للتفاعل أكثر وضوحًا. أمثلة على المركبات: أملاح ثنائية ، مركبات معقدة - قواعد ، أملاح.
5. الرابطة المعدنية ، والتي سيتم النظر في آلية تكوينها ، وكذلك خصائصها. تتكون من معادن وسبائكها بمختلف أنواعها.

هناك شيء مثل وحدة المادة الكيميائيةالاتصالات. إنها تقول فقط أنه من المستحيل اعتبار كل رابطة كيميائية معيارًا. كلهم مجرد وحدات مخصصة تقليديا. في الواقع ، تستند جميع التفاعلات على مبدأ واحد - التفاعل الإلكترون الساكن. لذلك ، فإن الروابط الأيونية والمعدنية والتساهمية والهيدروجينية لها نفس الطبيعة الكيميائية وهي مجرد حالات حدودية لبعضها البعض.

المعادن وخصائصها الفيزيائية

المعادن بأغلبية ساحقة بينكل العناصر الكيميائية. هذا يرجع إلى خصائصهم الخاصة. تم الحصول على جزء كبير منها عن طريق التفاعلات النووية في ظروف المختبر ؛ فهي مشعة مع نصف عمر قصير.

ومع ذلك ، فإن معظم العناصر الطبيعيةالتي تشكل الصخور والخامات الكاملة ، هي جزء من أهم المركبات. لقد تعلم الناس منهم كيفية صب السبائك وصنع الكثير من المنتجات الجميلة والمهمة. هذه هي النحاس والحديد والألمنيوم والفضة والذهب والكروم والمنغنيز والنيكل والزنك والرصاص وغيرها الكثير.

بالنسبة لجميع المعادن ، يمكن تمييز الخصائص الفيزيائية العامة ، والتي يتم شرحها من خلال مخطط تكوين رابطة معدنية. ما هي هذه الخصائص؟

1. ليونة و ليونة. من المعروف أنه يمكن دحرجة العديد من المعادن حتى في حالة رقائق (الذهب والألمنيوم). من منتجات أخرى ، يتم الحصول على الأسلاك ، والألواح المعدنية المرنة ، والمنتجات التي يمكن أن تتشوه تحت تأثير مادي ، ولكنها تستعيد شكلها فورًا بعد إيقافها. تسمى هذه الصفات من المعادن الليونة والليونة. سبب هذه الميزة هو نوع الاتصال المعدني. الأيونات والإلكترونات في شريحة بلورية بالنسبة لبعضها البعض دون أن تنكسر ، مما يسمح بالحفاظ على سلامة الهيكل بأكمله.
2. بريق معدني. يشرح هذا أيضًا الرابطة المعدنية وآلية التكوين وخصائصها وميزاتها. وبالتالي ، ليست كل الجسيمات قادرة على امتصاص أو عكس موجات الضوء من نفس الطول. تعكس ذرات معظم المعادن أشعة الموجة القصيرة وتكتسب اللون نفسه تقريبًا من الفضة والأبيض والظل المزرق الباهت. الاستثناءات هي النحاس والذهب ، ألوانهما حمراء ضاربة إلى الحمرة والأصفر ، على التوالي. فهي قادرة على عكس إشعاع ذو موجات أطول.
3. التوصيل الحراري والكهربائي. يتم تفسير هذه الخصائص أيضًا من خلال بنية الشبكة البلورية وحقيقة أن نوعًا معدنيًا من الرابطة يتحقق في تكوينها. بسبب انتقال "غاز الإلكترون" داخل البلورة ، يتم توزيع التيار الكهربائي والحرارة على الفور وبشكل متساوٍ بين جميع الذرات والأيونات ويتم حملهما عبر المعدن.
4. الحالة الصلبة للتجميع في ظل الظروف العادية. الاستثناء الوحيد هنا هو الزئبق. جميع المعادن الأخرى بالضرورة مركبات قوية وصلبة ، وكذلك سبائكها. كما أنه نتيجة لوجود رابطة معدنية في المعادن. تؤكد آلية تكوين هذا النوع من ربط الجسيمات تمامًا الخصائص.

هذه هي الخصائص الفيزيائية الأساسية لالمعادن ، والتي يتم شرحها وتحديدها من خلال مخطط تكوين رابطة معدنية. هذه الطريقة في ربط الذرات مناسبة تحديدًا للعناصر المعدنية وسبائكها. هذا هو ، بالنسبة لهم في الحالة الصلبة والسائلة.

النوع المعدني للرابطة الكيميائية

ما هي خصوصيتها؟ النقطة المهمة هي أن مثل هذه الرابطة لا تتشكل بسبب الأيونات المشحونة بشكل مختلف وجاذبيتها الكهروستاتيكية وليس بسبب الاختلاف في الكهربية ووجود أزواج إلكترونية حرة. أي أن الروابط الأيونية والمعدنية والتساهمية لها طبيعة مختلفة قليلاً وخصائص مميزة للجسيمات المترابطة.

جميع المعادن لها خصائص مثل:

• عدد قليل من الإلكترونات على مستوى الطاقة الخارجية (باستثناء بعض الاستثناءات التي قد تحتوي على 6 و 7 و 8) ؛
• نصف قطر ذري كبير
• طاقة تأين منخفضة.

كل هذا يساهم في سهولة الفصل الخارجيإلكترونات غير مقترنة من النواة. في هذه الحالة ، تحتوي الذرة على الكثير من المدارات الحرة. سيظهر مخطط تكوين رابطة معدنية فقط تداخل العديد من الخلايا المدارية من ذرات مختلفة مع بعضها البعض ، والتي ، نتيجة لذلك ، تشكل مساحة مشتركة داخل البلورات. يتم إدخال الإلكترونات من كل ذرة فيه ، والتي تبدأ بالتجول بحرية في أجزاء مختلفة من الشبكة. بشكل دوري ، يرتبط كل منهم بأيون في موقع بلوري ويحوله إلى ذرة ، ثم ينفصل مرة أخرى ، مكونًا أيونًا.

لذا فإن الرابطة المعدنية هي الرابطةبين الذرات والأيونات والإلكترونات الحرة في بلورة معدنية عادية. تسمى السحابة الإلكترونية التي تتحرك بحرية داخل هيكل "غاز الإلكترون". يشرحون معظم الخصائص الفيزيائية للمعادن وسبائكها.

كيف ملموس المعدنرابطة كيميائية؟ هناك أمثلة مختلفة. دعونا نحاول التفكير في قطعة من الليثيوم. حتى لو أخذتها بحجم حبة البازلاء ، سيكون هناك آلاف الذرات. فلنتخيل أن كل من هذه الآلاف من الذرات تتبرع بإلكترون التكافؤ الوحيد إلى الفضاء البلوري المشترك. علاوة على ذلك ، من خلال معرفة الهيكل الإلكتروني لعنصر معين ، يمكنك رؤية عدد المدارات الفارغة. سيكون لليثيوم 3 منهم (مدارات p من مستوى الطاقة الثاني). ثلاثة لكل ذرة من عشرات الآلاف - هذا هو الفضاء المشترك داخل البلورة ، حيث يتحرك "غاز الإلكترون" بحرية.

المادة التي تحتوي على رابطة معدنية تكون دائمًا قوية. بعد كل شيء ، لا يسمح غاز الإلكترون للبلورة بالانهيار ، ولكنه يزيح الطبقات فقط ويعيدها على الفور. يلمع ، وله كثافة معينة (غالبًا عالية) ، وقابلية للانصهار ، وقابلية للتأقلم ، وليونة.

في أي مكان آخر يتحقق السندات المعدنية؟ أمثلة على المواد:

• المعادن في شكل هياكل بسيطة ؛
• جميع السبائك المعدنية مع بعضها البعض ؛
• جميع المعادن وسبائكها في الحالة السائلة والصلبة.

هناك عدد لا يُصدق من الأمثلة المحددة ، لأن هناك أكثر من 80 معدنًا في النظام الدوري!

الرابطة المعدنية: آلية التشكيل

إذا اعتبرناها بشكل عام ، فإن الرئيسيلحظات أشرنا إليها بالفعل أعلاه. إن وجود مدارات وإلكترونات ذرية حرة ، يمكن فصلها بسهولة عن النواة بسبب طاقة التأين المنخفضة ، هي الشروط الرئيسية لتكوين هذا النوع من الروابط. وهكذا يتبين أنه يتحقق بين الجسيمات التالية:

• ذرات في عقد الشبكة البلورية ؛
• الإلكترونات الحرة ، والتي كانت تكافؤًا في المعدن ؛
• أيونات في مواقع الشبكة البلورية.

والنتيجة رابطة معدنية. يتم التعبير عن آلية التكوين بشكل عام بالرمز التالي: Me⁰ - هـ^- ↔ أنا^{ن +}... يتضح من الرسم التخطيطي أي الجسيمات موجودة في البلورة المعدنية.

يمكن أن يكون للبلورات نفسها أشكال مختلفة. يعتمد ذلك على المادة المحددة التي نتعامل معها.

أنواع البلورات المعدنية

هذا الهيكل من المعدن أو سبائكهتتميز بتعبئة كثيفة للغاية من الجزيئات. يتم توفيره بواسطة الأيونات الموجودة في العقد البلورية. يمكن أن تكون المشابك نفسها ذات أشكال هندسية مختلفة في الفضاء.

1. مكعبات شعرية مركزية الجسم - معادن قلوية.
2. هيكل مضغوط سداسي - كل الأرض القلوية باستثناء الباريوم.
3. مكعب محوره الوجه - الألومنيوم والنحاس والزنك والعديد من المعادن الانتقالية.
4. تم العثور على الهيكل المعين في الزئبق.
5. رباعي الزوايا - الإنديوم.

كلما كان المعدن أثقل وكان أسفلهالنظام الدوري ، كلما زادت صعوبة تغليفه وتنظيمه المكاني للبلور. في هذه الحالة ، تكون الرابطة الكيميائية المعدنية ، التي يمكن الاستشهاد بأمثلة منها لكل معدن موجود ، حاسمة في بناء البلورة. تمتلك السبائك منظمة متنوعة للغاية في الفضاء ، وبعضها لا يزال غير مفهوم تمامًا.

خصائص الاتصال: غير اتجاهي

الروابط التساهمية والمعدنية لها واحدسمة مميزة واضحة للغاية. على عكس الأول ، فإن الرابطة المعدنية ليست اتجاهية. ماذا يعنى ذلك؟ أي أن سحابة الإلكترون داخل البلورة تتحرك بحرية تامة ضمن حدودها في اتجاهات مختلفة ، كل إلكترون قادر على الارتباط بأي أيون في عقد الهيكل. أي أن التفاعل يتم في اتجاهات مختلفة. ومن ثم يقال أن الرابطة المعدنية غير اتجاهية.

تشير آلية الرابطة التساهميةتشكيل أزواج الإلكترونات الشائعة ، أي سحب الذرات المتداخلة. علاوة على ذلك ، يتم بشكل صارم على طول خط معين يربط بين مراكزهم. لذلك ، يتحدثون عن اتجاه مثل هذا الاتصال.

التشبع

هذه الخاصية تعكس قدرة الذراتللتفاعل المحدود أو غير المحدود مع الآخرين. لذا ، فإن الروابط التساهمية والمعدنية ، في هذا الصدد ، متناقضة مرة أخرى.

الأول هو التشبع.تحتوي الذرات التي تشارك في تكوينها على عدد محدد بدقة من الإلكترونات الخارجية التكافؤية التي تشارك بشكل مباشر في تكوين المركب. أكثر مما لديها ، لن تحتوي على إلكترونات. لذلك ، فإن عدد الروابط المتكونة محدود بالتكافؤ. ومن هنا تشبع الاتصال. بسبب هذه الخاصية ، فإن معظم المركبات لها تركيبة كيميائية ثابتة.

من ناحية أخرى ، فإن الروابط المعدنية والهيدروجينيةغير مشبع. ويرجع ذلك إلى وجود العديد من الإلكترونات والمدارات الحرة داخل البلورة. تلعب الأيونات أيضًا دورًا في مواقع الشبكة البلورية ، حيث يمكن أن يصبح كل منها ذرة ومرة ​​أخرى أيونًا في أي وقت.

السمة الأخرى للرابطة المعدنية هيإلغاء تحديد موقع السحابة الإلكترونية الداخلية. يتجلى في قدرة عدد صغير من الإلكترونات المشتركة على ربط العديد من النوى الذرية للمعادن. وهذا يعني أن الكثافة تبدو غير محددة وموزعة بالتساوي بين جميع روابط البلورة.

أمثلة على تكوين الروابط في المعادن

ضع في اعتبارك بعض الخيارات المحددة التي توضح كيفية تكوين الرابطة المعدنية. أمثلة على المواد هي كما يلي:

• الزنك؛
• الألومنيوم.
• البوتاسيوم.
• الكروم.

تكوين رابطة معدنية بين ذرات الزنك: Zn⁰ - 2 هـ^- ↔ زنك²⁺... تحتوي ذرة الزنك على أربعة مستويات للطاقة. المدارات الحرة ، بناءً على الهيكل الإلكتروني ، لها 15 - 3 على المدار p و 5 على 4 d و 7 على 4f. الهيكل الإلكتروني على النحو التالي: 1s²ثانيتان²2 ص⁶3 ثانية²3 ص⁶4 ثانية²3D¹⁰4 ص⁰4 د⁰4f⁰ ، يوجد 30 إلكترونًا في الذرة.أي أن جسيمين سالبين من التكافؤ الحر يمكنهما التحرك داخل 15 مدارا واسعا وغير مشغول. وهكذا مع كل ذرة. نتيجة لذلك - مساحة مشتركة ضخمة ، تتكون من مدارات فارغة ، وعدد صغير من الإلكترونات ، تربط الهيكل بأكمله معًا.

الرابطة المعدنية بين ذرات الألومنيوم: AL⁰ - هـ^- ↔ AL³⁺ ... توجد الإلكترونات الثلاثة عشر لذرة الألمنيوم على ثلاثة مستويات للطاقة ، والتي من الواضح أنها كافية لها بوفرة. الهيكل الإلكتروني: 1 ثانية²ثانيتان²2 ص⁶3 ثانية²3 ص¹3D⁰... المدارات الحرة - 7 قطع. من الواضح أن سحابة الإلكترون ستكون صغيرة مقارنة بإجمالي المساحة الداخلية الخالية في البلورة.

رابطة معدن الكروم. هذا العنصر خاص في هيكله الإلكتروني. في الواقع ، لتحقيق الاستقرار في النظام ، ينخفض ​​الإلكترون من 4 ثوانٍ إلى مدار ثلاثي الأبعاد: 1 ثانية²ثانيتان²2 ص⁶3 ثانية²3 ص⁶4 ثانية¹3D⁵4 ص⁰4 د⁰4f⁰... ما مجموعه 24 إلكترونا ، منها التكافؤاتضح ستة. هم الذين يذهبون إلى الفضاء الإلكتروني المشترك لتشكيل رابطة كيميائية. هناك 15 مدارا حرا ، والتي لا تزال أكثر بكثير مما هو مطلوب لملئها. لذلك ، يعتبر الكروم أيضًا مثالًا نموذجيًا لمعدن له رابطة مقابلة في الجزيء.

من أكثر المعادن نشاطًا التي تتفاعلحتى مع الماء العادي بالنار ، البوتاسيوم. ما الذي يفسر هذه الخصائص؟ مرة أخرى ، من نواح كثيرة ، إنه نوع معدني من الاتصال. يحتوي هذا العنصر على 19 إلكترونًا فقط ، لكنها تقع عند 4 مستويات طاقة. أي في 30 مدارًا من مستويات فرعية مختلفة. الهيكل الإلكتروني: 1 ثانية²ثانيتان²2 ص⁶3 ثانية²3 ص⁶4 ثانية¹3D⁰4 ص⁰4 د⁰4f⁰... فقط إلكترونان تكافؤ ، مع انخفاض شديدطاقة التأين. تعال بحرية وادخل إلى مساحة إلكترونية مشتركة. هناك 22 مدارًا لتحريك ذرة واحدة ، أي مساحة خالية كبيرة جدًا لـ "غاز الإلكترون".

أوجه التشابه والاختلاف مع أنواع العلاقات الأخرى

بشكل عام ، تم بالفعل مناقشة هذه المسألة أعلاه. يمكن للمرء فقط التعميم واستخلاص النتيجة. السمات المميزة الرئيسية للبلورات المعدنية من جميع أنواع الاتصالات الأخرى هي:

• عدة أنواع من الجسيمات التي تشارك في عملية الترابط (الذرات ، الأيونات أو الأيونات الذرية ، الإلكترونات) ؛
• بنية هندسية مكانية مختلفة من البلورات.

الهيدروجين والمعدن الأيونييجمع بين التشبع وعدم الاتجاه. مع القطب التساهمي ، جاذبية كهربائية قوية بين الجسيمات. بشكل منفصل عن الأيونية - نوع الجسيمات في عقد الشبكة البلورية (الأيونات). مع ذرات تساهمية غير قطبية في عقد البلورة.

أنواع الروابط في معادن حالات التجميع المختلفة

كما أشرنا أعلاه ، فإن الرابطة الكيميائية المعدنية ، التي ترد أمثلة عليها في المقالة ، تتكون في حالتين من تجميع المعادن وسبائكها: صلبة وسائلة.

استخراج أو تكوين السؤال:ما هو نوع الرابطة في أبخرة المعادن؟ الجواب: التساهمية القطبية وغير القطبية. كما هو الحال مع جميع المركبات على شكل غاز. أي أنه مع التسخين المطول للمعدن وتحويله من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ، لا تنكسر الروابط ويتم الحفاظ على التركيب البلوري. ومع ذلك ، عندما يتعلق الأمر بنقل السائل إلى حالة بخار ، يتم تدمير البلورة ويتم تحويل الرابطة المعدنية إلى رابطة تساهمية.