Металлическая связь. 
Общая химия

Особым видом химической связи, не похожим ни на ковалентную, ни на ионную связь, является металлическая связь. Само название показывает, что этот вид связи имеется в металлах — простых веществах большого числа химических элементов. Характерные свойства металлов являются следствием особой природы металлической связи. Важнейшие свойства металлов сводятся к следующему:

• — металлы имеют особый блеск при наличии белого, светло-серого, иногда желтого (золото) и розового (медь) цвета;
• — у металлов высокая электрическая проводимость, это одно из важных в техническом отношении свойств;
• — металлы проявляют высокую теплопроводность, связанную с подвижностью электронов;
• — среди металлов есть материалы (сплавы) с особо высокой прочностью; металлы, как правило, проявляют пластичность и редко раскалываются при ударе.

Металлическими свойствами обладают также сплавы металлов и даже некоторые типы сложных веществ.

Важнейшей предпосылкой образования металлической связи между атомами является дефицит валентных электронов. С этим связано усиление металлических свойств элементов при переходе в группах таблицы Менделеева сверху вниз. У тяжелых элементов внешние энергетические подуровни сближаются по энергии и становятся легко доступными для заселения электронами при поглощении небольшой дополнительной энергии. В результате оказывается, что лишь небольшая часть доступных орбиталей заселена электронами, что и требуется для проявления металлических свойств. Рассматривая изменение металличности по периоду, мы обнаруживаем, что металлические свойства проявляют литий и бериллий, с которых начинается 2-й период, и три первых элемента 3-го периода. Остальные элементы 2-го и 3-го периодов оказываются неметаллами, так как имеют недостаточное число свободных орбиталей.

В слитке металла имеется огромное число атомов, по порядку величины близкое к постоянной Авогадро, т. е. ~10²³. Внешние облака всех соседних атомов перекрываются. Для каждого атома число смежных атомов можно принять за 10—15. Эти атомы тоже имеют «соседей», и в конечном счете происходит перекрывание электронных облаков всех атомов. Похожий случай мы видели в структуре молекулы бутадиена, где единое электронное облако охватывало четыре атома. Легко понять, что цепь чередующихся (сопряженных) двойных связей можно было бы неограниченно удлинять, расширяя общее электронное облако. В металле такое расширение происходит не только вдоль цепочки атомов в одном измерении, но и в трех пространственных измерениях, что и приводит к возникновению металлической связи.

В куске металла возникает гигантский набор связывающих и разрыхляющих орбиталей, равный числу атомов, если взять простейший случай, когда каждый атом имеет одну заполняющуюся валентную орбиталь.

(5-элементы). По энергии орбитали в металле практически сливаются в единую 5-зону с небольшой шириной от самого нижнего до верхнего края зоны (рис. 6.27). У элементов группы I электронные пары заполняют лишь нижнюю половину зоны. При ничтожном изменении энергии электроны могут оказываться и в верхней половине зоны, что создает условия для их свободного перемещения по всему объему металла. Этими электронами и обусловлена электрическая проводимость.

Рис. 6.27. Орбитали 25 лития образуют зону проводимости:

заштрихована заселенная половина зоны У атомов элементов группы II таблицы Менделеева 5-подуровень заполнен электронами. В твердом металле электронные пары заполняют всю 5-зону. Кажется, что свободное перемещение электронов стало невозможным. Однако перекрывание валентных р-орбиталей атома, например 2р у бериллия, создает свободную /?-зону, которая частично накладывается на 5-зону (рис. 6.28). Фактически часть электронов 5-зоны переходит в р-зону, и обе зоны заполнены частично. Электрическая проводимость не исчезает, вещество остается металлом.

Рис. 6.28. В бериллии возникают две частично накладывающиеся зоны.

проводимости С точки зрения наличия в веществе электронных зон легко понять, что неметалл отличается от металла тем, что у него нижняя незаполненная зона энергетически достаточно удалена от верхней заполненной зоны. Это и препятствует возникновению электрической проводимости.