FÉMKÖTÉS: TULAJDONSÁGAI, KIALAKULÁSÁNAK MÓDJA ÉS PÉLDÁK - KÉMIA - 2026

A fémkötés az, amely szorosan összetartja a fém elemek atomjait. Ez a fémekben jelen van, és meghatározza azok fizikai tulajdonságait, amelyek kemény, elasztikus, alakítható és jó hő- és elektromos vezetőként jellemzik őket.

Az összes kémiai kötés közül a fémkötés az egyetlen, amelyben az elektronok nem kizárólag egy atompár között helyezkednek el, hanem egymillióik között egyfajta ragasztóban vagy "elektronok tengelyében" vannak elhelyezve, amely szorosan összetartja őket. vagy kohéziós.

Rézfém kötés

Tegyük fel például, hogy a fémréz. Rézben Cu-atomjai feladják valencia elektronjaikat, hogy fémkötést képezzenek. Ez a kötés fölött Cu2 ⁺ kationok (kék körök) vannak, amelyeket elektronok vesznek körül (sárga körök). Az elektronok még mindig nincsenek: az egész rézkristályon mozognak. A fémekben azonban formálisan nem kationokról, hanem semleges fématomokról beszélünk.

A fémkötést a fém elemek és ötvözeteik tulajdonságainak vizsgálatával ellenőrizhetjük. Ezekbe beleépülnek a fényes, ezüst, kemény, kemény anyagok sorozatai, amelyeknek magas olvadási és forráspontja is van.

Hogyan alakul ki a fémkötés?

Fémkötés cinkben

A fémkötés csak egy fématom készlet vagy csoport között alakul ki. Annak érdekében, hogy az elektronok a fémkristályokon át tudják mozogni, egy "autópályára" van szükségük, amelyen tovább tudnak haladni. Ezt a szomszédos atomok összes atompályájának átfedése alapján tervezték.

Vegyünk például egy sor cink-atomot, Zn ··· Zn ··· Zn ···. Ezek az atomok átfedik a valencia atomi pályájukat, hogy molekuláris pályákat hozzanak létre. Ezek a molekuláris pályák viszont átfedésben vannak a szomszédos Zn-atomok többi pályájával.

Mindegyik cinkatom két elektronhoz hozzájárul, hogy hozzájáruljon a fémkötéshez. Ilyen módon a molekuláris pályák átfedése vagy egyesülése, valamint a cink által adományozott atomok egy „autópályáról” származnak, amelyen keresztül az elektronok a kristály egész területén áthelyeződnek, mintha ragasztó vagy elektron-tenger lenne, amely lefedi vagy fürdés az összes fématommal.

A fémkötés tulajdonságai

struktúrák

A fémkötés kompakt struktúrákat eredményez, amelyekben az atomok szorosan egyesülnek, anélkül, hogy nagy távolságra lenne választani őket. A fajlagos szerkezet típusától függően különböző kristályok vannak, néhányuk sűrűbb, mint mások.

A fémszerkezetekben nem a molekulákról, hanem a semleges atomokról (vagy kationokról, más perspektívák szerint) beszélünk. Visszatérve a példa a réz, annak tömörített kristályok nincsenek Cu ₂ molekulákat, egy Cu-Cu kovalens kötés.

Átszervezés

A fémkötés tulajdonsága, hogy átszervezzék magát. Ez nem történik meg a kovalens és ionos kötésekkel. Ha egy kovalens kötés megszakad, akkor nem alakul ki úgy, mintha semmi sem történt volna. Az ionkötés elektromos töltései sem változnak, kivéve, ha kémiai reakció zajlik.

Fontolja meg például a fémhiganyt, hogy magyarázza ezt a pontot.

A két szomszédos higanyatom, a Hg ··· Hg fémkötése megszakad és újra képződhet egy másik szomszédos atommal, ha a kristályt külső erő hatja rá, amely deformálja.

Így a kötés átalakul, miközben az üveg deformálódik. Ez a fémek számára rugalmasságot és alakíthatóságot biztosít. Ellenkező esetben üveg- vagy kerámiadarabokként törnek, még forró állapotban is.

Hő- és elektromos vezetőképesség

A fémkötésnek az a tulajdonsága, hogy az elektronja áthelyeződik, szintén lehetővé teszi a fémek számára, hogy hőt és elektromosságot vezessenek. Ennek oka az, hogy mivel az elektronok delokalizálódtak és mindenütt mozognak, hatékonyan továbbítják az atomi rezgéseket, mintha egy hullám lenne. Ezek a rezgések hőre fordulnak.

Másrészt, amikor az elektronok mozognak, üres helyek maradnak hátra, amelyeket mások elfoglalhatnak, így egy elektronikus üresedés van, amelyen keresztül több elektron képes „futni”, és így áramot generálni.

Elvileg, anélkül, hogy foglalkoznánk a jelenség mögött álló fizikai elméletekkel, ez a fémek elektromos vezetőképességének általános magyarázata.

Fémes csillogás

A delokalizált és mozgatható elektronok kölcsönhatásba léphetnek a fotonokkal, és látható fényben elutasíthatják azokat. A fém sűrűségétől és felületétől függően különböző szürke vagy ezüst árnyalatokat, vagy akár irizáló szikrákat is mutathat. A legkülönlegesebb esetek a réz, a higany és az arany, amelyek bizonyos frekvenciájú fotonokat vesznek fel.

Elektron delokalizáció

A fémkötés megértéséhez meg kell érteni, hogy mit értünk az elektronok elhelyezésében. Lehetetlen meghatározni, hogy hol vannak az elektronok. Meg lehet becsülni azonban, hogy melyik térrészben találhatók valószínűleg. Az AB kovalens kötésben az elektronpárok eloszlanak az A és B atomokat elválasztó térben; akkor azt mondják, hogy A és B között helyezkednek el.

Egy AB fémkötésben azonban nem mondhatjuk, hogy az elektronok ugyanúgy viselkednek, mint egy AB kovalens kötésben. Nem az A és B két specifikus atomja között helyezkednek el, hanem diffundálódnak vagy a szilárd anyag más részeire irányulnak, ahol vannak tömörítve is, vagyis szorosan kötve vannak A és B atomjai.

Ha ez így van, akkor a fémkötés elektronjait delokalizálják: bármilyen irányba haladnak, ahol vannak A és B atomjai, amint az az első képen látható a réz atomokkal és elektronukkal.

Ezért a fémkötésben ezeknek az elektronoknak a delokalizációjáról beszélünk, és ez a jellemző felelős a fémek sok tulajdonságáért. Az elektronok tengere elmélete ezen is alapul.

Példák fémes kötésekre

A mindennapi életben általánosan használt fém összeköttetések a következők:

- Fém elemek

Cink

Fémkötés cinkben

A cinkben, amely egy átmeneti fém, atomjait a fémkötés köti össze.

Arany (Au)

A tiszta aranyat, mint az anyag réz és ezüst ötvözeteit, jelenleg is nagyon használják a finom ékszerekben.

Réz (Cu)

Ezt a fémet kiváló villamos vezető tulajdonságainak köszönhetően széles körben használják elektromos alkalmazásokban.

Ezüst (Ag)

Tulajdonságai miatt ezt a fémet széles körben használják mind a finom ékszeripari alkalmazásokban, mind az ipari területeken.

Nikkel (Ni)

Tiszta állapotában általában érmék, elemek, öntödék vagy különféle fém alkatrészek gyártására használják.

Kadmium (Cd)

Nagyon mérgező anyag, és az elemek gyártásánál használják.

Platinum (Pt)

Finom ékszerekben (aranyötvözetek), valamint laboratóriumi mérőműszerek és fogászati ​​implantátumok gyártására használják.

Titán (Ti)

Ezt a fémet általában a mérnöki munkákban, valamint az osteosynthetic implantátumok, az ipari alkalmazások és az ékszerek gyártásában használják.

Ólom (Pb)

Ezt az anyagot elektromos vezetékek gyártásánál használják, pontosabban telefon- és telekommunikációs kábelek külső burkolatának előállításához.

- Fémvegyületek

Közönséges acél

A vas és a szén reakciója közönséges acélt eredményez, amely anyag sokkal jobban ellenáll a mechanikai igénybevételnek, mint a vas.

Rozsdamentes acél

A fenti anyag variációja megtalálható a közönséges acél és az átmeneti fémek, például króm és nikkel kombinálásával.

Bronz

Réz és ón kombinálásával állítják elő, körülbelül 88%, illetve 12%. Érmék, szerszámok és nyilvános dísztárgyak készítésére használják.

Higanyötvözetek

Különböző higanyötvözetek és más átmeneti fémek, például ezüst, réz és cink képezik a fogászatban használt amalgámokat.

Króm platina ötvözet

Az ilyen típusú ötvözetet széles körben használják borotvapengék előállítására.

Pieltre

Ezt az ón, antimon, boríték és bizmut ötvözetét általában háztartási edények készítésére használják.

Sárgaréz

Réz és cink kombinációjával állítják elő, 67%, illetve 33% arányban. Hardver cikkek gyártásához használják.

Az elektronok elmélete

Az elektronok tengelyének egyszerű ábrázolása. Forrás: Muskid

A fenti kép az elektronok tengere fogalmát szemlélteti. Az elektronok tengere elmélete szerint a fématomok valencia elektronjaikat (negatív töltéseiket) atomionokká (pozitív töltésekké) bontják le. A felszabadult elektronok egy olyan tenger részévé válnak, amelyben a fémkristály minden hüvelykjére elhelyezik őket.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy egy fém ionokból áll; atomjai valójában semlegesek. Nem a folyékony higanyban lévő Hg ⁺ -ionokról, hanem a semleges Hg-atomokról beszélünk.

Az elektronok tengerének megjelenítésének másik módja az atomok semlegességének feltételezése. Tehát, bár az elektronok segítségével meghatározzák a szorosan kohézióban tartó fémkötést, azonnal kapnak más elektronokat a kristály más régióiból is, így soha nem szereznek pozitív töltést.

Ez az elmélet megmagyarázza, hogy a fémek miért hajlamosak, temperönthetők, és hogyan lehet a kötéseket átrendezni, hogy lehetővé tegyék a kristályok deformációját törés nélkül. Vannak, akik ezt az elektron-tengert "elektronikus cementnek" hívják, mivel képes mozgatni, de normál körülmények között megszilárdul és szilárd és rögzített fématomokat tart.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
2. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2020). Fémes kötés. Helyreállítva: en.wikipedia.org
4. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2016. április 4.). Fémes kötés. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2020. január 29.). Fémes kötés: meghatározás, tulajdonságok és példák. Helyreállítva: gondolat.com
6. Jim Clark. (2019. szeptember 29.). Fémes ragasztás. Kémia LibreTexts. Helyreállítva: chem.libretexts.org
7. Mary Ellen Ellis. (2020). Mi az a fémes kötvény? - Meghatározás, tulajdonságok és példák. Tanulmány. Helyreállítva: study.com