13. Металевий звязок

Металевий звязок – це багатоцентровий хімічний звязок з дефіцитом електронів в твердому або рідкому стані. Його утворюють валентні електрони атомів металів.

Як і ковалентний звязок він утворюється за допомогою спільних електронів. У ковалентному звязку загальна електронна пара належить тільки двом сусіднім атомам, у металевому звязку загальні електрони належать всьому кристалу, тобто вони делокалізовані по всьому обєму кристала. Ця делокалізація є наслідком багатоцентровості.

Металевий звязок ненасичений і ненапрямленний. У чистому вигляді характерний тільки для лужних і лужно-земльних металів. Для перехідних металів у кристалах існують і металевий і ковалентний звязки, тобто частина валентних електронів належать всім атомам, а частина утворює звичайні ковалентні звязки.

Делокалізовані електрони утворюють, так званий “електронний газ”, який при накладенні зовнішного електричного поля спричиняє появу електричного струму, тобто набуває певного руху.

Делокалізовані електрони спричинюють гарну тепло- і електропровідність металів. При збільшенні температури ці показники зменшуються внаслідок збільшення невпорядкованості системи – розладу руху іонів в вузлах металевої решітки і руху електронів. При низьких температурах (в області абсолютного нуля) спостерігається надпровідність, тому що рух іонів зменшується і вони не заважають напрямленому руху електронів.

14. Види міжмолекулярної взаємодії

Міжмолекулярною взаємодією називається взаємодія між молекулами, що не супроводжується додатковим усуспільненням електронної густини, тобто утворенням нових зв'язків. Молекулярна взаємодія визначає відмінності реальних газів від ідеальних, існування рідин і молекулярних кристалів. Поняття про міжмолекулярну взаємодію вперше було введено голландським ученим И. Д. Ван-дер-Ваальсом, тому сили міжмолекулярної взаємодії часто називають ван-дер-ваальсовими.

Електричні властивості молекул

Дипольні моменти молекул звичайно мають порядок 4,8 Д.

Якщо полярну молекулу з сталим значенням дипольного моменту _ст помістити в електричне поле, відбувається деформація електронних хмар і відстань між центрами мас позитивних і негативних зарядів збільшується, тобто відбувається поляризація молекули. У результаті поляризації в молекулі виникає додатковий дипольний момент, який називається індукованим чи наведеним _інд.

 = _{ст +} _інд.

Величина індукованого дипольного моменту пропорційна напруженості поля Н (якщо вона не занадто велика):

_інд =Н.

Коефіцієнт пропорційності  у цьому рівнянні називається поляризовністю молекул. Поляризовність характеризує здатність електронних хмар деформуватися під впливом електричного поля. Поляризовність атомів збільшується зі зростанням атомного номера, розмірів атома. d-електронні хмари перехідних металів деформуються легше, ніж s- і р-хмари. Поляризовність молекул збільшується зі збільшенням числа електронів.

Основу міжмолекулярної взаємодії складають кулоновські сили, що виникають між електронами і ядрами молекул. Взаємодія залежить від відстані між молекулами r, їхньої взаємної орієнтації, будови й електричних властивостей (дипольного моменту, поляризовності й ін.). При досить великих відстанях, значно більших, ніж розміри молекул, можна виділити три типи взаємодії.

Диполь-днпольна (оріентаційна) взаємодія

При зближенні двох полярних молекул вони орієнтуються так, щоб енергія системи була мінімальною. Цій умові відповідає орієнтація, при якій позитивний кінець одної молекули знаходиться рядом з негативним кінцем іншої молекули. У газах і рідинах орієнтації полярних молекул перешкоджає тепловий рух. Енергія оріентаційної взаємодії між двома однаковими диполями дорівнює:

Е_ор = –

 – дипольний момент молекули; r – відстань між центрами диполів; k — стала Больцмана. Важливо відзначити, що ця енергія обернено пропорційна шостого ступеня r і абсолютній температурі.

Взаємодія диполь – індукований диполь (індукційна взаємодія)

Присутність полярної молекули поблизу інший, котра може бути полярною чи неполярною, має на другу молекулу поляризуючу дію і викликає появу в ній індукованого дипольного моменту, який має той же напрямок, що і постійний. Взаємодія постійного диполя однієї молекули з наведеним диполем другої знижує енергію системи на величину, яка називається енергією індукційної взаємодії Е_інд. При взаємодії полярної і неполярної молекул

Е_інд = –.

Таким чином, енергія індукційної взаємодії, так само як оріентаційного, зменшується пропорційно шостого ступеня відстані, але індукційна взаємодія не залежить від температури, тому що орієнтація наведеного диполя визначається тільки напрямком постійного диполя. Прикладами речовин, у яких має місце індукційна взаємодія, можуть служити гідрати С1₂8Н₂О, Хе5Н₂О. Сильно полярні молекули води индукують диполі в неполярних молекулах С1₂ і Хе, що веде до утворення слабких зв'язків.

Дисперсійна взаємодія (ефект Лондона)

Цей вид взаємодії має місце між неполярними молекулами. У чистому виді дисперсійна взаємодія виявляється в інертних газах, що при зниженні температури конденсуються. У неполярних молекулах розподіл електронної густини симетричний і дипольний момент відсутній, електронні хмари постійно коливаються біля ядер, утворюючи тимчасові чи миттєві диполі. Обидві молекули будуть мати дипольні моменти, спрямовані в одну сторону, і будуть притягуватися друг до друга. У наступний момент диполі в молекулах можуть бути спрямовані в протилежну сторону, і знову наведений у молекулі диполь стане таким, що між молекулами виникне притягання. Дипольні моменти виникають лише на мить, але сумарний ефект їхньої взаємодії — це постійно діючі сили притягання. У результаті дисперсійної взаємодії енергія системи знижується на величину;

Е_дисп = – ,

де h⁰/2 — енергія коливання атомів при 0 К. Величина Е_дисп залежить від поляризовності молекул.

Особливістю дисперсійної взаємодії є її загальність, тому що у всіх молекулах полярних і неполярних є електрони, що рухаються. Надзвичайно низькі температури конденсації і кристалізації інертних газів (для неону, наприклад, температура плавлення дорівнює –249 °С, а температура кипіння –246 °С) свідчать про слабкість цих сил. У цілому сили Ван-дер-ваальса в 100300 разів слабкіше сил, що зв'язують атоми в молекули.

Усі три види енергії взаємодії негативні, що означає зниження енергії системи в міру зближення молекул, тобто вказує на сили притягання між молекулами. З трьох названих найбільш сильною є диполь-дипольна взаємодія. Речовини, молекули яких полярні, звичайно мають більш високі температури плавлення, чим речовини, що складаються з неполярних молекул.

На дуже близьких відстанях між молекулами виникають сили відштовхування в результаті перекривання заповнених електронних оболонок.