§ 37. Металлическая химическая связь

Особые взаимопревращающиеся частицы, образующие кристаллическую решётку металлов:

• 1. Динамическое состояние — атомы металлов имеют большой радиус и слабо удерживают 1–3 внешних электрона; легко отрывая их, они превращаются в положительные ионы ($M^0 - n\bar{e} \rightarrow M^{n+}$), а присоединяя свободно блуждающие электроны — вновь в нейтральные атомы ($M^{n+} + n\bar{e} \rightarrow M^0$).
• 2. Непрерывность процесса — схему $M^0 - n\bar{e} \rightleftarrows M^{n+}$ можно рассматривать как постоянный динамический обмен, благодаря которому все частицы в узлах решётки находятся в промежуточном состоянии ион-атомов.

Совокупность внешних (валентных) электронов, оторвавшихся от атомов металлов и свободно перемещающихся по всему объёму кристаллической решётки:

• 1. «Электронный газ» — электроны не принадлежат какому-то конкретному атому или иону, а являются общими для всего металлического слитка или изделия.
• 2. Связующий фактор — отрицательно заряженное электронное облако электростатически притягивает к себе положительно заряженные ион-атомы, цементируя решётку и предотвращая отталкивание одноимённых катионов.

Фундаментальный тип химической связи и пространственной структуры простых веществ-металлов и их сплавов:

• 1. Металлическая связь — связь между ион-атомами в металлах и сплавах, осуществляемая за счёт кулоновского притяжения свободно перемещающихся обобществлённых электронов.
• 2. Металлическая кристаллическая решётка — пространственный каркас, в узлах которого расположены ион-атомы, погружённые в плотную делокализованную электронную среду (например, объёмноцентрированная кубическая у натрия и железа, гранецентрированная у меди и золота, гексагональная у цинка и магния).

Комплекс характерных макроскопических свойств, обусловленных наличием подвижных обобществлённых электронов:

• 1. Электропроводность — направленное движение свободных электронов под действием внешней разности потенциалов (электрического поля) от отрицательного полюса к положительному (наибольшая — у $Ag, Cu, Au, Al$).
• 2. Теплопроводность — быстрая передача кинетической энергии тепловых колебаний свободных электронов и ионов по всему объёму металла при нагревании.
• 3. Пластичность (ковкость) — способность металлов изменять форму под механическим давлением без разрушения; слои ион-атомов смещаются (скользят) относительно друг друга, а «электронный клей» моментально перераспределяется, сохраняя целостность связи.
• 4. Металлический блеск и непрозрачность — результат практически полного отражения свободной электронной плотностью падающих световых волн видимого спектра.
• 5. Агрегатное состояние и твёрдость — все металлы при комнатной температуре твёрдые (за исключением жидкой ртути $Hg$, $t_{\text{пл}} = -38{,}8^\circ\text{C}$).

1. Черты сходства (что общего):

• Обобществление электронов: в основе обоих типов связи лежит образование общих электронов (обобществление валентных электронных облаков).
• Электростатическая природа: устойчивость структуры обеспечивается взаимным кулоновским притяжением положительно заряженных атомных ядер и отрицательно заряженных обобществлённых электронов.

2. Черты различия:

• Степень делокализации:
• Ковалентная связь: локализована; общая электронная пара принадлежит строго двум соседним взаимодействующим атомам (или небольшой группе атомов в сопряжённых системах).
• Металлическая связь: полностью делокализована; электроны принадлежат всему металлическому кристаллу в целом («электронный газ»).
• Направленность и насыщаемость:
• Ковалентная связь: направлена в пространстве (определяет геометрию молекул) и насыщаема (атом может образовать строго определённое число ковалентных связей, ограниченное числом валентных орбиталей).
• Металлическая связь: ненаправлена и ненасыщаема (каждый ион-атом стремится координировать вокруг себя максимальное число соседей — 8 или 12).
• Тип образуемых веществ:
• Ковалентная связь: характерна для неметаллов и их соединений (молекулярное или атомное строение).
• Металлическая связь: характерна исключительно для металлов и металлических сплавов.

1. Черты сходства (что общего):

• Наличие ионов: в узлах кристаллических решёток обоих типов находятся положительно заряженные ионы металлов.
• Ненаправленность и ненасыщаемость: обе связи обусловлены ненаправленными сферическими электростатическими силами, что приводит к плотным кристаллографическим упаковкам с высокими координационными числами.
• Сходство кристаллического строения: оба типа веществ образуют макроскопические кристаллические решётки с высокими температурами плавления у большинства представителей.

2. Черты различия:

• Природа связывающих сил:
• Ионная связь: возникает за счёт кулоновского притяжения противоположно заряженных ионов — катионов металла ($M^{n+}$) и анионов неметалла ($X^{m-}$). Отрицательный заряд локализован на анионах.
• Металлическая связь: возникает за счёт притяжения одинаково заряженных положительных ион-атомов к подвижному «газу» обобществлённых электронов. Отрицательных ионов в решётке металлов нет.
• Механические и электрические свойства:
• Ионные кристаллы: хрупкие (при сдвиге слоёв одноимённые ионы оказываются рядом, происходит резкое электростатическое отталкивание и раскалывание кристалла); в твёрдом состоянии не проводят электрический ток (диэлектрики), проводят только в расплавах и растворах.
• Металлы: пластичные и ковкие (слои скользят без разрушения связи); обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью в твёрдом агрегатном состоянии благодаря подвижным электронам.

Определение типа химической связи для каждого вещества:

• а) $\mathbf{Ca}$ (кальций):
• Тип связи: металлическая.
• Обоснование: Кальций — простое вещество, типичный металл (элемент IIA-группы). Атомы кальция отдают по 2 валентных электрона в общее пользование, формируя металлическую решётку из ион-атомов $Ca^{2+}$ и свободного электронного газа:

$$Ca^0 - 2\bar{e} \rightleftarrows Ca^{2+}$$

• б) $\mathbf{CaCl_2}$ (хлорид кальция):
• Тип связи: ионная.
• Обоснование: Соединение типичного щелочноземельного металла ($Ca$) с типичным неметаллом галогеном ($Cl$). Разность электроотрицательностей велика ($\Delta ЭО = 3{,}16 - 1{,}00 = 2{,}16 > 1{,}7$). Атом кальция полностью отдаёт 2 электрона двум атомам хлора с образованием противоположно заряженных ионов:

$$Ca^{2+} + 2Cl^- \longrightarrow CaCl_2$$

• в) $\mathbf{Cl_2}$ (хлор):
• Тип связи: ковалентная неполярная.
• Обоснование: Простое вещество-неметалл, двухатомная молекула образована одинаковыми атомами хлора с равной электроотрицательностью ($\Delta ЭО = 0$). Связь образуется за счёт одной общей электронной пары, расположенной строго симметрично между ядрами:

$$Cl \colon Cl \quad (Cl - Cl)$$

• г) $\mathbf{HCl}$ (хлороводород):
• Тип связи: ковалентная полярная.
• Обоснование: Сложное вещество, образованное двумя разными неметаллами с различной электроотрицательностью ($ЭО(Cl) = 3{,}16$, $ЭО(H) = 2{,}20$; $\Delta ЭО = 0{,}96$). Общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора:

$$H^{\delta+} \longrightarrow Cl^{\delta-}$$

Отношение к утверждению: полностью поддерживаю и считаю научно доказанным.

Научно-физическое обоснование единства природы химических связей:

• Электромагнитная основа:

Все виды химической связи (ковалентная полярная и неполярная, ионная, металлическая) имеют общую физическую природу — электростатическое (кулоновское) взаимодействие положительно заряженных атомных ядер и отрицательно заряженных электронов.

• Непрерывность переходов между типами связи:

В природе не существует абсолютных, непроходимых границ между видами химической связи. Один тип связи плавно переходит в другой при изменении разности электроотрицательностей ($\Delta ЭО$):

• $\Delta ЭО = 0$ — ковалентная неполярная связь (общая электронная пара находится строго посередине, например $Cl_2$);
• При возрастании $\Delta ЭО$ электронная плотность всё сильнее смещается к одному из атомов — возникает ковалентная полярная связь ($HCl, H_2O$);
• При предельно большой разности электроотрицательностей ($\Delta ЭО > 1{,}7$) смещение становится практически полным — ковалентная связь вырождается в ионную связь ($NaCl, CaCl_2$). Таким образом, ионная связь — это крайний предельный случай полярной ковалентной связи.
• Металлическая связь как обобществление:

Металлическая связь представляет собой многоцентровое обобществление валентных электронов сразу всем ансамблем атомов. При испарении металлов (в газовой фазе) атомы металлов соединяются в двухатомные молекулы (например, пары натрия $Na_2$ или лития $Li_2$), в которых связь становится классической ковалентной.

• Вывод:

Деление химических связей на типы (ковалентная, ионная, металлическая) является условной классификацией, принятой химиками для удобства систематизации веществ. В реальности все они подчиняются фундаментальным законам квантовой механики и электродинамики.