Википедија

Metalna veza

Metalna veza se uspostavlja između metala. Metali se po hemijskim i fizičkim osobinama razlikuju od jedinjenja sa jonskom i kovalentnom vezom (imaju visoku termičku i električnu provodnost).[1][2][3][4] Može se zaključiti da imaju lako pokretljive elektrone i kristalnu rešetku koja se lako deformiše, što ukazuje na činjenicu da je u metalima prisutan drugi tip hemijske veze, koji se naziva metalna veza.[5][6][7]

Valentni pojasevi poluprovodnika pokazuju potpuno popunjen valentni pojas i prazan provodnički pojas. Fermijev nivo leži unutar zabranjenog pojasa.
Model metalne veze.
Heksagonska rešetka.
Borov model atoma prikazuje elektronski nivo elektrona s njegovom energijom, koja se označuje s brojem n.
Prikaz metalne veze

Pojednostavljeni model opisuje metalnu rešetku na način da su pozitivni joni unutar rešetke okruženi oblakom elektrona, koji se kreću preko cijele rešetke. Posljedica delokalizacije elektrona je dobra termička i električna provodljivost. Metalna veza nastaje elektrostatičkim privlačenjem elektropozitivnih jona u kristalnoj rešetki, i elektronegativnih elektrona. Metalna veza se može zamisliti kao kristalna rešetka uronjena u elektronski oblak. Ta struktura koju nazivamo elektronski oblak naziva se model elektronskog gasa. Taj naziv je dobila po tome što se slobodni elektroni koji se nalaze između protona kreću, tako da podsećaju na kretanje molekula gasa.

Teorija elektronskih traka uredi

Preklapanjem orbitala metalnih jona koji se nalaze međusobno vrlo blizu nastaju molekulske orbitale koje se nazivaju trake ili zone. Razlikuje se valentna i provodljiva traka. U valentnoj traci nalaze se valentni elektroni. Valentna traka sadrži energetske nivoe koji su popunjeni elektronima. Iznad nje se prostire traka bez elektrona – provodljiva traka. Provodljiva traka sadrži prazne energijske nivoe. Oni omogućuju elektronima da pod uticajem spoljnog električnog polja poprime veći sadržaj energije i da putuju kroz kristal, pa metal provodi električnu struju. U metalima su valentna i provodljiva traka tako blizu (preklapaju se) da elektroni bez prepreke prelaze iz jedne u drugu.

Potrebna je zanemarivo mala energija za prelaz elektrona iz valentne u provodljivu traku. Udaljenost između valentne i provodljive trake nije kod svih elemenata jednak. Kod metala su valentna i provodljiva traka vrlo blizu, te energetska barijera (ΔE) za prelaz elektrona gotovo i ne postoji. Povećanjem udaljenosti među trakama raste energetska barijera, te je za prelaz elektrona potrebna veća energija.[8]

Materije koje slabo provode električnu struju su poluprovodnici (npr. silicijum, germanijum). Porastom temperature poneki elektron iz veze dobija dovoljno energije za savladavanje energetske barijere i prelazi u provodljivu traku. Osim od temperature provodljivost poluprovodnika zavisi i od prisusteva male količine drugih atoma u strukturi. Takvi poluprovodnici se nazivaju poluprovodnici sa nečistoćama. Poluprovodnici imaju veliku važnost u elektronici, jer se koriste za proizvodnju elektroničkih elemenata (diode, tranzistori i sl.).

Materije kod kojih postoji velika energetska barijera između valentne i provodljive trake nazivaju se izolatori. Izolatori ne provode elektricitet. Tipična izolatorska svojstva imaju staklo, plastika i guma.

Električna provodljivost i ostala svojstva metala uredi

Metalna svojstva (sposobnost reflektovanja svetlosti, dobra električna i toplotna provodljivost, sposobnost plastičnog oblikovanja, a katkad i feromagnetizam) potiču od metalne veze, s pozitivnim metalnim jonima između kojih se slobodno kreću valentni elektroni i stvaraju elektronski oblaci. Ako se električni napon dovede krajevima metalne žice, slobodni valentni elektroni se počnu kretati u određenom smeru brzinom od oko 0,0001 m/s, i time nastaje tok električne struje. Električna provodljivost je data s dve veličine: gustinom slobodnih elektrona i njihovom pokretljivošću.[9]

Slobodno strujanje tzv. „delokaliziranih” elektrona „štiti” pozitivno nabijena jezgra jona od delovanja međusobnih odbojnih elektrostatičkih sila, a metalna veza nema karakter usmerenosti. Pored toga, slobodni elektroni drže poput „lepka” Kulonovim silama na okupu jezgra jona ispunjavajući prostor unutar kristalne rešetke metalnih jona.

Karakterističan sjaj metala posledica je međudelovanja delokaliziranih elektrona s upadnim svetlom. Kovkost metala proizlazi iz neusmerenosti metalne veze, što znači da se ona može lako raskidati odjednom i stvarati na drugom mestu. Metali čine gusto pakovane kristalne strukture zbog simetričnosti pozitivnih jezgara jona i težnji za što stabilnijim energetskim stanjem. Energije veze i temperature topljenja za pojedine metale mogu se jako razlikovati. Tako je npr. energija veze za živu 68 kJ/mol, a za volfram 850 kJ/mol, dok odgovarajuće temperature topljenja iznose -39 i 3410 °C.

Osnove elektronske teorije metala uredi

Za temperature koje nisu preniske vredi Franc–Videmanov zakon (1853), koji ukazuje na povezanost električne i toplotne provodljivosti kod metala, što znači da nosioci električnog naboja (elektroni) uzrokuju i prenos toplote. Iz temperaturne zavisnosti električne provodljivosti sledi da joni rešetke ne mogu biti nosioci naboja u smislu njegovog prenosa. Ostaju samo lako pokretljivi elektroni, koji utiču i na mnoga druga svojstva metala (npr. na Peltirov i Halov efekt, termopotencijal itd). Provodljivi elektroni utiču i na optička svojstva metala kao što su sjaj i indeks loma.[10]

Krajem 19. veka Drud i Lorenc su smatrali da električna provodljivost metala zavisi od prisutnosti slobodnih elektrona koji se kreću celom njihovom unutrašnjošću. Njihova se zamisao, u bitnom, kasnije pokazala kao ispravna. Poznato je, međutim, da elektroni mogu napustiti površinu metala samo pri visokim temperaturama, reda hiljadu i više stepeni Kelvina, putem svojevrsnog „isparavanja”. To je bit elektronske emisije iz zagrejanih tela. Slobodni elektroni su vezani za ukupnost atoma u metalu, a ne za pojedinačne atome. Drugim rečima elektroni unutar metala zajednički su jezgrama (pozitivnim jonima) na sličan način kao u molekuli vodonika. Ali za razliku od ovog primera, u kojem su samo dva jezgra i dva elektrona, metal (tečan ili čvrst) sadrži ogroman broj jezgara (ili tačnije pozitivnih jona) i n puta veći broj valentnih elektrona (n = valencija, odn. nabojni broj ), koji se tokom kondenzacije para metala oslobode i „neometano” kreću u prostornim granicama metala.

Kretanje slobodnih elektrona u metalu uredi

S gledišta elektronske teorije metala, metalno telo, čvrsto ili tečno, sastoji se od pozitivnih jona „uronjenih” u sredinu slobodnih elektrona tzv. „elektronski gas”. Slobodni elektroni struje između pozitivnih jona, koji su nastali oslobađanjem valentnih elektrona, prema određenim zakonitostima. Oni takođe međusobno privlače i povezuju pozitivne jone zbog delovanja Kulonovih sila.[11]

Električna provodljivost metala kao posledica oslobađanja valentnih elektrona i metalna veza, koju osiguravaju ti isti slobodni elektroni, dve su strane medalje.

Kod pojedinačnih atoma, generalno gledajući, vezivanje elektrona na katjonski ostatak tim je labavije, što je manji broj elektrona u spoljnoj ljusci. Ako je u spoljnoj ljusci samo jedan elektron, kao kod litijuma (natrijuma itd), njega privlači pozitivni ostatak atoma jednak jedinici. Privlačna sila je u tom slučaju mala. Ako su u spoljnoj ljusci dva elektrona (berilijum, magnezijum itd) pozitivni joni imaju dvostruki naboj. Svaki od elektrona tada privlači jezgru dvostruko veća sila od one koja privlači jedini elektron u jednovalentnom atomu (pod valencijom se ovde i dalje podrazumeva nabojni broj). U trovalentnom atomu (aluminijum itd) su tri spoljna elektrona, te je naboj katjonskog ostatka tada tri puta veći nego u jednovalentnom atomu. Prirodno je dakle, da se s povećanjem broja elektrona (uz istovremeno povećanje naboja pozitivnog jona) privlačna sila „jezgra” prema elektronima povećava i poluprečnik orbitale smanjuje, što uzrokuje povećanje čvrstoće veze.

Tipični metal je jednovalentan. Njegov atom sadrži samo jedan elektron u spoljnoj ljusci. S porastom broja elektrona u spoljnoj ljusci povećava se i čvrstoća veze elektrona s „jezgrom”. Usled približavanja atoma otežavaju se uslovi za oslobađanje elektrona, jer se radijusi spoljnih elektronskih ljuski smanjuju. Slikovito rečeno, metal se sastoji od pozitivnih jona koji „plivaju” u negativno naelektrisanom rastvoru („plinu”) slobodnih elektrona. Taj „elektronski plin” ne popunjava samo prostore između atoma, već delomično prodire i unutar samih atoma. To temeljno načelo u znatnoj meri određuje i kristalnu građu čvrstog metala. Međusobno privlačenje pozitivnih jona posredstvom „elektronskog plina” ekvivalentno je spoljnom pritisku. U takvim uslovima najpogodniji je kompaktan raspored atoma kubno površinski-centrirani ili heksagonski.

Elektroni u metalu ne miruju, već se kreću po kvantnim zakonitostima prelazeći s atoma na atom. Brzina tog kretanja nije ni u kakvoj vezi s temperaturom, jer se ono događa i na temperaturi apsolutne nule, gde prestaju sva druga termička kretganja. U odsustvu spoljnog električnog polja, elektroni se kreću nasumce poput čestica kod toplotnog kretanja (Braunovo kretanje), što je ujedno i jedina sličnost ta dva kretanja. Brzina čestica kod toplotnog kretanja zavisi od temperature, dok brzina kretanja slobodnih elektrona u metalu nema ničeg zajedničkog s temperaturom; to se očituje time da toplotno kretanje prestaje pri temperaturi apsolutne nule, dok se kretanje slobodnih elektrona ne zaustavlja, kao što se ne može zaustaviti ni kretanje elektrona u individualnom atomu ili molekulu.

Kinetička energija elektrona u metalu je oko sto puta veća od kinetičke energije molekula običnog plina (npr. kiseonika, azota itd) kod iste temperature. Jasno je, da uz takve odnose temperatura ne može bitno uticati na kinetičku energiju kretanja elektrona. Zavisnost energije kretanja elektrona od temperature počinje se očitovati tek negde pri temperaturama sto puta višim od sobne.[12]

Vidi još uredi

Reference uredi

  1. ^ Metallic bonding. chemguide.co.uk
  2. ^ Metal structures. chemguide.co.uk
  3. ^ Chemical Bonds. chemguide.co.uk
  4. ^ PHYSICS 133 Lecture Notes Spring, 2004 Marion Campus. physics.ohio-state.edu
  5. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  6. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  7. ^ "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
  8. ^ [1] Arhivirano na sajtu Wayback Machine (9. јун 2007) "Poluvodiči", Fakultet PMZOP, Split, www.pmfst.hr, 2011.
  9. ^ [2] Архивирано на сајту Wayback Machine (5. новембар 2010) "Materijali I", Izv. prof. dr. sc. Loreta Pomenić, www.riteh.uniri.hr, 2011.
  10. ^ [3] "Kemijska veza: Teorija valentne veze", dr. sc Slobodan Brinić, Kemijsko-tehnološki fakultet u Splitu, www.periodni.com, 2011.
  11. ^ [4] Архивирано на сајту Wayback Machine (4. јул 2014) "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.
  12. ^ [5] "Metalna veza", instrukcije-kemija.blogspot.com, 2011.

Литература uredi

  • Maksic, Zvonimir (1990). „The Concept of the Chemical Bond in Solids”. Theoretical Models of Chemical Bonding. New York: Springer-Verlag. стр. 417—452. ISBN 0-387-51553-4. 
  • Mori-Sánchez, Paula; A. Martín Pendás; Víctor Luaña (2002). „A Classification of Covalent, Ionic, and Metallic Solids Based on the Electron Density”. Journal of the American Chemical Society. American Chemical Society. 124 (49): 14721—14723. PMID 12465984. doi:10.1021/ja027708t. 
  • Lenglet, M. (2004). „Iono-Covalent Character of the Metal–Oxygen Bonds in Oxides: A Comparison of Experimental and Theoretical Data”. Active and Passive Electronic Components. 27: 1—60. doi:10.1080/0882751031000116142  . 
  • Belashchenko, D.K; Ostrovski, O.I (2001). „Molecular dynamics simulation of oxides with ionic–covalent bonds”. Thermochimica Acta. 372 (1–2): 143—152. doi:10.1016/S0040-6031(01)00452-X. 
  • Nguyenmanh, D; Vitek, V; Horsfield, A (2007). „Environmental dependence of bonding: A challenge for modelling of intermetallics and fusion materials”. Progress in Materials Science. 52 (2–3): 255. doi:10.1016/j.pmatsci.2006.10.010. 
  • Li, Xi; Kuznetsov, Aleksey E.; Zhang, Hai-Feng; Boldyrev, Alexander I.; Wang, Lai-Sheng (2001). „Observation of All-Metal Aromatic Molecules”. Science. 291 (5505): 859—861. PMID 11157162. doi:10.1126/science.291.5505.859. 
  • Huang, Xin; Zhai, Hua-Jin; Kiran, Boggavarapu; Wang, Lai-Sheng (2005). „Observation of d-Orbital Aromaticity”. Angewandte Chemie International Edition. 44 (44): 7251—7254. PMID 16229039. doi:10.1002/anie.200502678. 
  • Khatua, Snehadrinarayan; Roy, Debesh R.; Chattaraj, Pratim K.; Bhattacharjee, Manish (2007). „Synthesis and structure of 1-D Na6cluster chain with short Na–Na distance: Organic like aromaticity in inorganic metal cluster”. Chem. Commun. (2): 135—137. PMID 17180224. S2CID 26760628. arXiv:physics/0608219  . doi:10.1039/b611693k. 

Спољашње везе uredi

 
Метална веза на Викимедијиној остави.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Метална_веза&oldid=27556277”