Fém csatlakozás

A fémes kötés  egy fémkristály atomjai közötti kémiai kötés , amely vegyértékelektronjaik átfedése (szocializációja) következtében jön létre . A fémes kötést a fémek számos fizikai tulajdonsága írja le, mint például a szilárdság , a hajlékonyság , a hővezető képesség , az elektromos ellenállás és vezetőképesség , az átlátszatlanság és a fényesség [1] [2] [3] [4] .

Fém kötés mechanizmus

A pozitív fémionok a kristályrács csomópontjain helyezkednek el . Közöttük véletlenszerűen, mint a gázmolekulák, vezetési elektronok mozognak , amelyek az ionok képződése során fématomokból származnak. Ezek az elektronok a "cement" szerepét töltik be, összetartva a pozitív ionokat; különben a rács szétesne az ionok közötti taszító erők hatására. Ugyanakkor az elektronokat ionok is tartják a kristályrácson belül, és nem tudnak elhagyni azt. Amikor egy fémet formálnak vagy nyújtanak, nem esik össze, mert a kristályszerkezetében lévő ionok meglehetősen könnyen elmozdulnak egymáshoz képest [5] . A kommunikációs erők nem lokalizáltak és nem irányítottak. A fémeknél a legtöbb esetben magas koordinációs számok jelennek meg (például 12 vagy 8).

Tehát az alkálifémek testközpontú köbös rácsban kristályosodnak, és minden pozitív töltésű alkálifémionnak nyolc legközelebbi szomszédja van a kristályban - pozitív töltésű alkálifémionok (1. ábra). A hasonló töltésű részecskék (ionok) Coulomb taszítását kompenzálja az elektrosztatikus vonzás az összekötő láncszemek elektronjaihoz, amelyek torzított lapított oktaéder alakúak  - egy négyzet alakú bipiramis, amelynek magassága és az alap szélei egyenlő egy alkálifém kristály a w rácsállandójával (2. ábra).

A kötőelektronok közössé válnak a hat pozitív alkálifém ion rendszerében, és ez utóbbiakat megóvják a Coulomb taszítástól.

Egy alkálifém kristály a w transzlációs rácsállandójának értéke jelentősen meghaladja az alkálifém molekula kovalens kötésének hosszát , ezért általánosan elfogadott, hogy a fémben lévő elektronok szabad állapotban vannak:

A fémben lévő szabad elektronok tulajdonságaival kapcsolatos matematikai konstrukciót általában a " Fermi-felülettel " azonosítják, amelyet a k -tér geometriai helyének kell tekinteni, ahol az elektronok tartózkodnak, biztosítva a fém fő tulajdonságát - a vezetőképességet. elektromos áram [8] . Így a fémekben az elektromos áram a pálya sugaráról leszívott elektronok mozgása a fémkristályrács csomópontjain elhelyezkedő pozitív töltésű ionok terén . A szabad elektronok ki- és belépése a kristály összekötő láncszemébe az atomok pozitív ionjaitól egyenlő távolságra lévő "0" pontokon keresztül történik (2. ábra).

Az elektronok szabad mozgását a fémben 1916-ban Tolman és Stewart tapasztalatai egy gyorsan forgó huzaltekercs éles lelassításával igazolták – a szabad elektronok tehetetlenségi úton tovább mozogtak, aminek következtében a galvanométer elektromos áramot regisztrált. pulzus . Az elektronok szabad mozgása a fémben meghatározza a fém magas hővezető képességét és a fémek hajlamát a mérsékelt hőmérsékleten fellépő termikus emisszióra .

A kristályrács ionjainak oszcillációja ellenállást hoz létre az elektronok fémen keresztüli mozgásával szemben, amelyet a fém felmelegedése kísér. Jelenleg a fémek legfontosabb jellemzője az elektromos vezetőképesség pozitív hőmérsékleti együtthatója , vagyis a vezetőképesség csökkenése a hőmérséklet emelkedésével. A hőmérséklet csökkenésével a fémek elektromos ellenállása csökken, a kristályrácsban lévő ionok rezgésének csökkenése miatt. Az anyag tulajdonságainak alacsony hőmérsékleten való vizsgálata során Kamerling-Onnes felfedezi a szupravezetés jelenségét . 1911- ben sikerült kimutatnia a higany elektromos ellenállásának csökkenését a folyékony hélium forráspontján (4,2 K) nullára. 1913 - ban Kamerlingh-Onnes fizikai Nobel-díjat kapott a következő szöveggel: "Az anyagok tulajdonságainak alacsony hőmérsékleten történő tanulmányozásáért, amely folyékony hélium előállításához vezetett ".

A szupravezetés elmélete azonban később született meg. A Cooper- elektronpár koncepcióján alapul, amely egymással ellentétes spinekkel és momentumokkal  kötött elektronok korrelált állapota , és ezért a szupravezetés egy Cooper -elektronpárokból álló elektrongáz szuperfolyékonyságának tekinthető egy ionkristályon keresztül. rács. 1972- ben a BCS-elmélet szerzői  - Bardeen , Cooper és Schrieffer fizikai Nobel -díjat kapott "a szupravezetés elméletének kidolgozásáért, amelyet általában BCS-elméletnek neveznek".

Jellegzetes kristályrácsok

A legtöbb fém a következő erősen szimmetrikus, szorosan egymásra épülő rácsok egyikét alkotja: testközéppontú köbös , arcközpontú köbös és hatszögletű .

Egy testközpontú kockarácsban (bcc) az atomok a kocka csúcsaiban, egy atom pedig a kocka térfogatának közepén helyezkednek el. A fémeknek köbös testközpontú rácsuk van: K , Na , Li , β-Ti , β-Zr , Ta , W , V , α-Fe , Cr , Nb , Ba stb.

Az arcközpontú kockarácsban (fcc) az atomok a kocka csúcsaiban és az egyes lapok közepén helyezkednek el. A fémeknek ilyen típusú rácsuk van: α-Ca , Ce , α-Sr , Pb , Ni , Ag , Au , Pd , Pt , Rh , γ-Fe , Cu , α-Co stb.

A hatszögletű rácsban az atomok a prizma hatszögletű alapjainak csúcsaiban és középpontjában, három atom pedig a prizma középső síkjában található. A fémek ilyen atomcsomaggal rendelkeznek: Mg , α-Ti , Cd , Re , Os , Ru , Zn , β-Co , Be , β-Ca stb.

Egyéb tulajdonságok

A szabadon mozgó elektronok magas elektromos és hővezető képességet okoznak . Sok fémnek nagy a keménysége, például a krómnak , molibdénnek , tantálnak , volfrámnak stb. A fémes kötéssel rendelkező anyagok gyakran egyesítik a szilárdságot a hajlékonysággal, mivel amikor az atomok egymáshoz képest elmozdulnak, a kötések nem szakadnak meg.

Fém megolvad

Az olvadékok nem veszítik el a kristályos fémek tulajdonságait. Mind a hő-, mind az elektromos vezetőképesség magas marad. Példa erre a higanyérintkezők, amelyek teljes mértékben kihasználják a folyékony higany elektromos vezetőképességét.

Jegyzetek

1. ↑ Metallic bonding Archivált : 2017. július 25. a Wayback Machine -nél . chemguide.co.uk
2. ↑ Fémszerkezetek archiválva 2021. április 24-én a Wayback Machine -nál . chemguide.co.uk
3. ↑ Chemical Bonds archiválva : 2015. szeptember 20. a Wayback Machine -nál . chemguide.co.uk
4. ↑ FIZIKA 133 Előadásjegyzetek tavasz, 2004 Marion Campus . fizika.ohio-state.edu
5. ↑ Fémes  kötés . — az Encyclopædia Britannica Online cikke . Letöltve: 2020. március 1.
6. ↑ Egy vegyész kézikönyve. - 2. kiadás, átdolgozva. és további - L.-M .: GNTI Kémiai Irodalom, 1962. - T. 1. - S. 402-513. — 1072 p.
7. ↑ Lidin R. A., Andreeva L. L., Molochko V. A. A szervetlen kémia kézikönyve. Szervetlen anyagok állandói .. - M . : Kémia, 1987. - S. 132-136. — 320 s.
8. ↑ Zieman J. Elektronok a fémekben (Bevezetés a Fermi-felületek elméletébe)  // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1962. - T. 78 , sz. 2 . - S. 291 . - doi : 10.3367/UFNr.0078.196210c.0291 .

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4169574-4