Условие задачи
Что общего между ионной и металлической связями и чем они отличаются?
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи с использованием понятий химии, связанных с химическими связями.
1. Определения и характеристики
• Ионная связь:
— Образуется в результате полного переноса одного или нескольких электронов от одного атома (образующего катионы) к другому (образующего анионы).
— Связь между положительно и отрицательно заряженными ионами удерживается за счёт кулоновского (электростатического) притяжения.
— В твёрдом состоянии ионные соединения образуют кристаллическую решётку с упорядоченной упаковкой и фиксированными положениями ионов.
• Металлическая связь:
— Характеризуется наличием системы «общее морское облако» делокализованных электронов, свободно перемещающихся между положительно заряженными металлическими ядрами (катионами).
— Делокализация позволяет атомам в металле поддерживать связь друг с другом, создавая прочную, но пластичную структуру.
— Именно благодаря мобильности делокализованных электронов металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью, а также высокой пластичностью и ковкостью.
2. Что общего между ионной и металлической связями
• Оба типа связей основаны на электростатическом взаимодействии между положительно заряженными частями (ионами или металлическими ядрами) и отрицательно заряженными (в ионах – анионами, а в металлах – делокализованными электронами).
• В обоих случаях притяжение частиц приводит к образованию твёрдой прочной связующей системы между атомами, что обуславливает высокую энергию связи и стабильность образованных веществ.
• Оба механизма можно рассматривать с точки зрения коллективного взаимодействия, где многие атомы (ионы) участвуют в формировании связующей конструкции.
3. Основные отличия
• Распределение электронов:
— В ионной связи электроны принадлежат по сути атомам: они полностью «отдаются» одним атомом и «принимаются» другим, образуя локализованные ионы, обладающие фиксированными зарядом и положениями в кристаллической решётке.
— В металлической связи электроны делокализованы, они практически не принадлежат отдельным атомам, а свободно перемещаются в «электронном облаке», что приводит к характерным свойствам металлов (электропроводность, блеск, пластичность).
• Направленность взаимодействий:
— Ионная связь является сравнительно направленной: взаимодействие происходит между конкретными парами ионов, что даёт определённую жёсткость кристаллической структуры и часто приводит к хрупкости твёрдых ионных соединений.
— Металлическая связь имеет недирективный характер, так как делокализованные электроны распределены по всему объёму металла, что обеспечивает возможность сдвига атомов относительно друг друга без разрушения связей (пластичность).
• Тип образования вещества:
— Ионные соединения зачастую имеют высокие температуры плавления и растворяются в воде или других полярных растворителях за счёт сильного электростатического взаимодействия, но в твёрдом состоянии не проводят ток (так как ионы фиксированы).
— Металлы обладают высокой электропроводностью даже в твёрдом состоянии благодаря свободно движущимся электронам, а их свойства (например, ковкость) объясняются недирективностью металлической связи.
Таким образом, общее между ионной и металлической связями состоит в том, что в обоих случаях связь обусловлена электростатическим притяжением между положительными центрами (ионами или металлическими ядрами) и отрицательной «областью», созданной электронами. Главное отличие заключается в распределении электронов: в ионных соединениях электроны локализованы и закреплены за конкретными атомами, тогда как в металлах они делокализованы, что приводит к определённым физико-химическим свойствам каждого типа вещества.