Металічний зв'язок

Загальні властивості металів зумовлені тим фактором, що їх атоми мають на зовнішньому енергетичному рівні незначну кількість електронів (1–3) в порівнянні з кількістю вакантних місць (орбіталей). Це дозволяє електронам у металі вільно переміщуватися, переходячи з однієї орбіталі на іншу; такі рухливі електрони називаються усуспільненими (такими, що ніби належать усім атомам одночасно) або "електронним газом". Тому метал можна розглядати як структуру, що складається з атомів металу, розміщених у вузлах кристалічної решітки, які утримуються за рахунок усуспільнених електронів. Отже, металічний зв'язок зумовлений утворенням електронами усіх атомів речовини єдиної рухливої електронної хмари. Металічний зв'язок є нелокалізованим, тобто таким, що не має певної просторової направленості: у ньому беруть участь усі атоми кристалу металу.

Відповідно до методу молекулярних орбіталей при взаємодії двох атомів дві валентні атомні орбіталі утворюють дві молекулярні орбіталі (зв’язуючу і антизв’язуючу), яким відповідають два енергетичні рівні. Якщо шматок металу, наприклад, натрію, містить N його атомів, то вони утворюють N нових молекулярних орбіталей (N/2 зв’язуючих і N/2 антизв’язуючих) і відповідно N дуже близьких за енергією енергетичних рівнів (рис.1)

Рис.1. Схема утворення енергетичних зон при збільшенні числа внутрішніх атомів.

Ці N енергетичних рівнів, згідно з принципом Паулі заповнені зовнішніми 3s-електронами і утворюють неперервну енергетичну зону. Неперервність енергетичної зони полягає в тому, що різниця в енергії двох сусідніх енергетичних рівнів зони складає приблизно 1,610^–41 Дж. Отже, енергетична зона – це сукупність багатьох близьких за енергією енергетичних рівнів. Тому перехід електрону з нижчого енергетичного рівня зони на вищий здійснюється дуже легко. Оскільки кожна зв’язуюча молекулярна орбіталь містить два електрони, то N валентних електронів N атомів металу займуть N/2 нижчих енергетично вигідних рівнів зони (рис.2), утворюючи так звану валентну зону (1). Вище за валентну зону міситься сукупність вільних енергетичних рівнів, що називаються зоною провідності (2). Слід зазначити, що між валентною зоною і зоною провідності немає чіткої межі. Ці зони контактують між собою і навіть перекриваються, завдяки чому електрони з нижніх енергетичних рівнів валентної зони легко переходять на вищі рівні зони провідності, які є вакантними. Це зумовлює високу електропровідність металів. У нагрітому металі електрони валентної зони частково займають енергетичні рівні зони провідності, і тому при нагріванні електропровідність металів зменшується. Якщо атоми металу на ns-підрівні мають два електрони (наприклад, берилій, магній, кальцій), і, отже, всі енергетичні рівні молекулярних -орбіталей будуть заповнені, то неперервну незаповнену електронами енергетичну зону можуть утворювати p-орбіталі атомів зовнішнього енергетичного рівня. Енергетичні зони, утворені s-і p-орбіталями атомів, частково перекриваються. Тому такий метал також має високу електропровідність.

В ізоляторах і напівпровідниках між валентною зоною і зоною провідності є енергетичний розрив (енергетична щілина) Е, який називається забороненою зоною. Це своєрідний енергетичний бар’єр, який треба подолати електрону, щоб із валентної зони потрапити в зону провідності. Так, для напівпровідників Е = 1,610^–18–4,810^–19 Дж, а для ізоляторів Е  4,810^–19 Дж. При низьких температурах напівпровідники поводять себе як ізолятори, тому що в цьому випадку енергія електронів невисока і вони не можуть подолати енергетичний бар’єр, який дорівнює ширині забороненої зони. Проте, при нагріванні або опроміненні напівпровідника електрони з енергетичних рівнів валентної зони починають переходити в зону провідності, завдяки чому електропровідність напівпровідників різко зростає. На рис.2 приведена схема розміщення енергетичних зон в металах, ізоляторах та напівпровідниках.

а б в

Рис.2. Схема розміщення енергетичних зон у металах (а), напівпровідниках (б) та ізоляторах (в).