Рассказ учителя. Текст. Урок 7. Металлическая химическая связь

Ребята, сегодня мы с вами разгадаем одну из главных тайн металлов. Почему они такие, какие есть? Почему мы делаем из меди провода, а из алюминия — фольгу для запекания? Почему ложка, опущенная в горячий чай, так быстро нагревается? Всё это определяется особым типом связи — металлической. И начинается наша история с самого главного — с атома.

1. Особенности строения атомов металлов

Вспомните, где в Периодической системе расположены металлы? Правильно, слева и внизу. А что это значит для их атомов? У них на внешнем энергетическом уровне мало электронов — обычно один, два или три. И эти электроны находятся далеко от ядра, то есть слабо его «чувствуют».

Представьте себе атом натрия. У него 11 электронов: 2 на первом уровне, 8 на втором и всего один-единственный на внешнем, третьем уровне. Этот электрон одинок и очень слабо держится за своё ядро. Он — потенциальный беглец. И в этом суть природы металла: его атомы — это великодушные доноры, они всегда готовы отдать свои внешние электроны. Именно поэтому в реакциях они выступают восстановителями.

2. Механизм образования металлической связи

А теперь давайте подумаем, что происходит, когда такие «щедрые» атомы собираются вместе, чтобы образовать кусок металла, тот же самый натрий. Они подходят так близко, что их внешние уровни перекрываются. И что же делает тот самый внешний электрон? Он «сбегает» от своего атома!

Но куда он девается? Он не прибивается к соседу, как в ионной связи. Нет. Он становится свободным или, как говорят химики, обобществлённым.

Давайте представим себе кристалл металла не как набор атомов, а как упорядоченную решётку из положительных ионов. Эти ионы — то, что осталось от атомов после того, как они потеряли свои внешние электроны. А в пространстве между ними хаотично, как роя разгневанных пчёл, движутся эти самые обобществлённые электроны. Возникает образ «железобетонной конструкции», где роль бетона играют положительные ионы, а роль металлической арматуры, скрепляющей всё это, — электронный газ.

Так вот, металлическая связь — это и есть сила притяжения между положительными ионами металла и этим «морем» или «газом» из свободных электронов.

3. Кристаллическая решётка металлов

Это абстрактная модель? Вовсе нет! В твёрдом состоянии все металлы — это кристаллы. Их ионы упакованы в строго определённом порядке, образуя металлическую кристаллическую решётку. У одних металлов, как у меди или золота, она одна — кубическая гранецентрированная. У других, как у железа при комнатной температуре, — кубическая объёмно-центрированная. Но суть одна: в узлах решётки — катионы, а между ними — наш «электронный клей».

4. Обобществлённые электроны и свойства металлов

А теперь самое интересное — как это строение объясняет удивительные свойства металлов, которые мы видим каждый день?

• Электропроводность. Почему медь — идеальный материал для проводов? Вспомните наши свободные электроны. В обычных условиях они движутся хаотично. Но стоит только подключить к металлу источник тока, создать электрическое поле, как эти электроны дружно начинают дрейфовать в одном направлении. Возникает электрический ток! Это похоже на толпу людей, беспорядочно перемещающихся по площади. Если дать им команду идти на восток, они все одновременно начнут движение в нужном направлении. Именно поэтому металлы — проводники.

• Теплопроводность. Почему металлическая ручка кастрюли так быстро становится горячей? Если мы нагреваем один конец металлического стержня, ионы в этом месте начинают сильнее колебаться. Сталкиваясь с ними, свободные электроны «забирают» часть этой тепловой энергии и быстро переносят её по всему стержню, сталкиваясь с другими ионами и «делясь» энергией с ними. Происходит выравнивание температуры. Электроны работают как курьеры, разносящие тепло.

• Пластичность. Почему золото можно расплющить в тончайший лист, а из меди вытянуть проволоку? Потому что слои ионов в кристаллической решётке могут смещаться друг относительно друга без разрушения. Представьте, что вы сдвигаете один слой относительно другого. Связи между старыми соседями рвутся, но тут же образуются новые, потому что наше «электронное море» мгновенно перераспределяется и скрепляет новую конфигурацию. Это как если бы вы сдвигали друг относительно друга два листа, между которыми находится слой очень подвижного и липкого клея. Ионный кристалл, у которого связи жёсткие и направленные, при такой деформации просто расколется.

• Металлический блеск. Свободные электроны способны поглощать и сразу же переизлучать кванты света. Именно поэтому полированная металлическая поверхность так ярко блестит.

Так что, видите, все эти удивительные и такие полезные свойства — не магия, а прямое следствие того, что в мире металлов царит всеобщая электронная демократия, где электроны не принадлежат никому, но служат всем.

На этом наш урок окончен. До свидания, ребята! Надеюсь, теперь, глядя на обычную ложку или провод, вы увидите в них не просто кусок железа или меди, а удивительный мир ионов и свободных электронов.