3.4. Металлическая связь

Существенные сведения о природе химической связи в металлах можно получить на основании двух характерных для них особенностей по сравнению с ковалентными и ионными соединениями. Металлы, во-первых, отличаются от других веществ высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, во-вторых, в обычных условиях являются кристаллическими веществами (за исключением ртути) с высокими координационными числами атомов (см. рис. 3.34).

Из первого характерного свойства металла следует, что, по крайней мере, часть электронов может передвигаться по всему объему куска металла. Из второго свойства металлов следует, что их атомы не связаны друг с другом локализованными двухэлектронными связями. Число валентных электронов атома металла недостаточно для образования подобных связей со всеми его соседями. Металлическая связь – связь, возникающая между атомами в металле при полной делокализации (при полном обобществлении) внешних валентных электронов.

Например, литий кристаллизуется в кубической объемно-центрированной решетке, и каждый атом имеет в кристалле по восемь ближайших соседних атомов (рис. 3.35). Для образования двухэлектронных связей в подобной структуре атом лития должен был бы предоставить восемь электронов, что конечно, невозможно, так как он имеет лишь один валентный электрон (1s²2s¹). Природу химической связи и характерные особенности металлов можно объяснить на примере лития следующим образом. Каждый атом представляет на связь четыре валентные орбитали и всего лишь один валентный электрон. Значит, в кристалле металла число электронов незначительно меньше числа орбиталей. Поэтому электро-ны могут переходить из одной орбитали в другую.

Рис. 3.35. Взаимная координация

Атомов в кристалле лития

Тем самым электроны принимают участие в образовании связи между всеми атомами кристалла металла. К тому же атомы металлов характеризуются невысокой энергией ионизации – валентные электроны слабо удерживаются в атоме, т.е. легко перемещаются по всему кристаллу. Возможность перемещения электронов по кристаллу определяет электрическую проводимость металла.

Таким образом, в отличие от ковалентных и ионных соединений в металлах небольшое число электронов одновременно связывает большое число атомных ядер, а сами электроны могут перемещаться в металле. Иначе говоря, в металлах имеет место сильно делокализованная химическая связь. Согласно одной из теорий, металл можно рассматривать как плотно упакованную структуру из положительно заряженных ионов, связанных друг с другом коллективизированными электронами (электронным газом).

Вследствие нелокализованности металлической связи для ее описания лучше всего подходит метод молекулярных орбиталей (ММО). По методу МО все валентные электроны обобществлены и находятся в поле всех атомов лития, и осуществляют между ними химическую связь. В общем случае из n атомных орбиталей образуется n молекулярных орбиталей (n АО  n МО (n/2 МО_связ + n/2 МО_разр)).

На рис. 3.36 показана схема образования энергетической зоны по ММО Так как между соседними молекулярными орбиталями разность энергий составляет величину 10^-22…10^-23 эВ, то электроны могут свободно перемещаться с одной МО на другую МО.