Back to chapter

9.14:

קישור במתכות

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Bonding in Metals

Languages

Share

קשר מתכתי הוא קשר בין שני אטומי מתכת. בהשוואה לאל-מתכתות, למתכות יש אנרגיות יינון נמוכות, ולכן הן יכולות לאבד בקלות אלקטרוני ערכיות. לכן לקשר מתכתי יש תכונות ייחודיות, בניגוד לקשרים יוניים וקוולנטיים.קשרים מתכתיים ורוב התכונות שלהם ניתנים להסבר באמצעות המודל הפשוט של ים האלקטרונים. חשבו על המתכת אשלגן. בשל אנרגיית היינון הנמוכה שלה, כל אטום אשלגן יכול לאבד בקלות את אלקטרון הערכיות שלו ולהפוך לקטיון.קטיוני האשלגן הללו נשארים יחד בצפיפות בגלל המשיכה שלהם לים האלקטרונים בעל המטען השלילי. האלקטרונים הללו אינם מוגבלים לאף יון יחיד, אלא מחולקים בצורה שווה ודי חופשיים לנוע בתוך המתכת. מודל ים האלקטרונים מסביר כמה תכונות חשובות של מתכת.לדוגמה, כשהפרש פואנציאלים מוחל על כבל מתכתי, כגון כבל נחושת, האלקטרונים בעלי המטען השלילי נעים בחופשיות לעבר הקצה החיובי של הכבל ויוצרים זרם חשמלי. לכן, רוב המתכות הן מוליכות מעולות של חשמל. בניגוד לכך, תרכובות יוניות אינן מוליכות חשמל בצורתן המוצקה, אך יכולות להוליך חשמל כשהן מומסות במים.זאת, משום בקשר יוני גבישי, אלקטרונים עוברים מהמתכת ללא-מתכת אך נשארים ביון אחד. אך כשהם מומסים במים, הקטיונים והאניונים נפרדים ויכולים לנוע כשהם נתונים להבדל פוטנציאלי, מה שיוצר זרם חשמלי. מתכות הן גם מוליכות חום מעולות.לפי המודל של ים האלקטרונים, כשחום מוחל על קצה אחד של מתכת, האלקטרונים נעים בחופשיות ומפזרים במהירות את החום ברחבי המתכת. ניתן גם לרקוע מתכות בקלות ליריעות בשל גמישותן, או לכבלים בשל יכולתן לספוג לחץ מבלי להיקרע. כיוון שאין קשרים ממוקמים במתכות, אטומי המתכת יכולים לגלוש מעבר לאטומים אחרים, מה שמאפשר שינוי צורה בקלות.אלקטרונים יכולים לזרום לתוך הצורה החדשה ולהסתגל לשינוי.

9.14:

קישור במתכות

Metallic bonds are formed between two metal atoms. A simplified model to describe metallic bonding has been developed by Paul Drüde called the “Electron Sea Model”. 

Electron Sea Model

Most metal atoms do not possess enough valence electrons to enter into an ionic or covalent bonding. However, the valence electrons in metal atoms are loosely held due to their low electronegativity or attraction with the nucleus. The ionization energy of metal atoms (energy required to remove an electron from the atom) is low, facilitating the easy removal of valence electrons from the parent atom. The atom forms a positively charged metal ion, while the free outer electrons exist as negatively charged delocalized electron clouds. These electrons can be shared by multiple neighboring metal-cations through a strong, attractive force between these negatively and positively charged species. Such an attractive force between the negatively charged electrons and metal cations is called metallic bonds, holding the atoms together. This electron sea model accounts for most physical properties of metals such as conductance to heat and electricity, high melting and boiling points, malleability, and ductility.

Metallic Solids

The electron sea model accounts for several metallic properties, including high thermal and electrical conductivity, metallic luster, ductility, and malleability. The delocalized electrons can conduct both electricity and heat from one end of the metal to another with low resistance. The metallic bond is not between two specific metal atoms, but between metal ions and many delocalized electrons, allowing metals to deform under pressure and heat without shattering or breaking. Different metals, such as iron, mercury, or copper, differ in their physical properties, reflecting the difference in metallic bond strength among the metals.

Metallic solids such as crystals of copper, aluminum, and iron are formed by metal atoms: all exhibit high thermal and electrical conductivity, metallic luster, and malleability. Many are very hard and quite strong. Because of their malleability (the ability to deform under pressure or hammering), they do not shatter and, therefore, make useful construction materials. The melting points of the metals vary widely. Mercury is a liquid at room temperature, and the alkali metals melt below 200 °C. Several post-transition metals also have low melting points, whereas the transition metals melt at temperatures above 1000 °C. These differences reflect differences in the strength of metallic bonding among the metals.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.5: The Solid State of Matter.