Metalliline side – määratlus, omadused ja juhtivus

Metalliline side on side, kus paljude eraldunud elektronide jagamine paljudega positiivsete ioonidega loob tugeva, kolmemõõtmelise kristallstruktuuri. Delokaliseerunud elektronide pilv — sageli kirjeldatud kui elektronide "meri" — toimib osaliselt kui "liim", mis hoiab positiivseid metallioone koos. See on oluliselt erinev nii ioonsete sidemete kui ka kovalentsete sidemete loogikast ning annab metallidele iseloomulikke füüsikalisi omadusi.

Valentselektronide roll ja energia

Metallidel on sageli madal ionisatsioonienergia, mistõttu nende väliskihis olevad elektronid ei ole tugevalt seotud üksiku aatomiga ja võivad delokaliseeruda kogu tahke aine ulatuses. Metalli aatomite välised energiatasemed (aatomiorbitaalid) kattuvad ja ühinevad, mille tulemuseks on pidev energiabandide süsteem. Selle tõttu ei ole kõik valentselektronid kinnitatud üksikutele lähimatele naaberaatomitele, vaid kuuluvad ühise elektronide süsteemi.

Omadused, mida metalliline side põhjustab

Metallsidemed annavad metallidele mitmeid iseloomulikke tunnuseid:

Elektrijuhtivus: delokaliseerunud elektronid liiguvad suhteliselt vabalt, mis võimaldab tekkida elektrivoolul ja annab metallidele kõrge elektrijuhtivuse.
Soojajuhtivus: vabad elektronid kannavad soojusenergiat efektiivselt läbi struktuuri, mistõttu paljud metallid juhivad soojust hästi (soojus- ja elektrijuhtivus on tihti seotud).
Mehaanilised omadused: tugev tõmbejõud elektronide ja positiivsete ioonide vahel annab metallidele sageli kõrge tugevuse. Samal ajal võimaldab elektronide delokaliseerumine aatomite libisemist ilma sidemeid murdmata, mis annab metallidele plastilisuse ja (sageli) suure venivuse — samast terminist on originaalis ka teine link plastilisus, mis rõhutab selle omaduse tähtsust.
Läige: delokaliseerunud elektronid neelavad ja kiirgavad valgust efektiivselt, põhjustades paljude metallide iseloomuliku läike.

Juhtivus ja selle piirangud

Kuna elektronid võivad liikuda kogu kristallis, on metallil teatav elektrijuhtivus. Juhtivus sõltub otseselt elektronide kontsentratsioonist ja nende liikumise takistusest (hajumine fononite, defektide ja lisandite poolt). Seetõttu mõjutavad temperatuur, puhtus ja mikrostruktuur metalli osooniliselt: kõrge temperatuur suurendab elektronide hajumist ja seetõttu suureneb takistus (vähendab juhtivust). On ka mittemetallseid aineid, mis juhivad elektrit — näiteks grafiit, kus on samuti delokaliseerunud elektronid, ning ioonühendid, mis juhivad ainult siis, kui on sulas või lahuses, kuna siis liiguvad laengukandjatena ioonid.

Erandid ja erijuhtumid

Kuigi metalliline side esineb paljudel metallidel, ei ole see universaalne kõikide metalliliste ühendite puhul. Näiteks elavhõbeda ioonid (Hg2+)
₂) võivad moodustada kovalentseid metall‑metall sidemeid, mis erinevad traditsioonilisest delokaliseerunud elektronide mehhanismist. Samuti sõltuvad paljud omadused sulamite (nt Sulam) koostisest: sulamid kombineerivad eri metallide omadusi ja võivad olla tugevamad, kõvemad või korrosioonikindlamad kui puhtad metallid.

Põhimõtted kvantmehaanilisest vaatenurgast

Metallilise sideme mõistmiseks on kasulik vaadata energia‑ ja elektronide jaotust bänditeooria kaudu: eraldi aatomiorbitaalidest tekivad moodustamisel molekul‑ või kristallibandid, kus osaliselt täidetud valentsid lubavad elektronidel liikuda. See selgitab palju metalli optilisi ja elektrilisi omadusi ning miks mõned metallid on paremad juhtijad (nt hõbe, vask) kui teised (nt ränidioksiidid, mis on pooljuhid või isoleerijad vastavalt bändide konfiguratsioonile).

Rakendused ja kokkuvõte

Metalliline side on aluseks paljudele tehnoloogiatele: juhtmete ja elektrikomponentide tootmine, soojusvahetid, mehaanilised konstruktsioonid, ehted ja peegeldavad pinnad. Selle varasema kirjeldused — delokaliseerunud elektronide „meri“, madal ionisatsioonienergia ja kattuvad aatomiorbitaalid — aitavad mõista, miks metallid omavad iseloomulikke omadusi nagu elektrijuhtivus, soojusjuhtivus, läige ja plastilisus. Sulamid (Sulam) võimaldavad neid omadusi reguleerida vastavalt vajadusele ja luua uusi materjale igapäevaseks ning tehnikaliseks kasutamiseks.

Metallsidemeid leidub sellistes metallides nagu tsink.

Seotud leheküljed

Küsimused ja vastused

K: Mis on metalliline side?

V: Metalliline side on paljude eraldunud elektronide jagamine paljude positiivsete ioonide vahel, kus elektronid toimivad "liimina", andes ainele kindla struktuuri. See erineb kovalentsest või ioonsest sidemest.

K: Miks on metallidel madal ionisatsioonienergia?

V: Metallidel on madal ionisatsioonienergia, sest nende valentselektronid võivad olla delokaliseeritud üle kogu metallide, mis tähendab, et nad ei ole seotud konkreetse metalli tuumaga ja võivad vabalt liikuda kogu kristallstruktuuri ulatuses, moodustades elektronide "mere".

K: Kuidas põhjustab metalliside teatavaid omadusi metallides?

V: Metallsidemed põhjustavad paljusid metallide omadusi, näiteks tugevust, plastilisust, plastilisust, läiget, soojuse ja elektri juhtimist. See on tingitud sellest, et elektronid liiguvad vabalt, mis võimaldab elektrijuhtivust ja kiiret energia ülekandmist nende kaudu, tekitades elektrivoolu.

K: Millist tüüpi sidemeid ei ole kõigil metallidel?

V: Mitte kõigil metallidel ei ole metallilisi sidemeid; näiteks elavhõbeda ioonid (Hg2+2) moodustavad kovalentseid metall-metall sidemeid.

K: Mis on sulam?

V: Sulam on metallide lahus, millel on sageli sarnased omadused nagu puhtal metallidel, näiteks on see läikiv.

K: Kuidas juhib grafiit elektrit, kuigi ta ei ole metall?

V: Grafiit juhib elektrit, kuigi ta ei ole metall, sest nagu mõned teised mittemetallid, on ka grafiidil vabu elektrone, mis võimaldavad elektrijuhtivust.

K: Kas peale grafiidi on ka teisi mittemetalle, mis suudavad elektrit juhtida?

V: Jah, ka mõnedel ioonilistel ühenditel, mis on sulatatud või vees lahustunud, on vabalt liikuvaid ioone, mis võimaldavad ka neil elektrit juhtida.