Кіріспе
Металдық байланыс – өткізгіш электрондардың (орынсыз электроннан тұратын электрон бұлты түрінде) және оң зарядталған металл иондары арасындағы электростатикалық тартым күшінен туындайтын химиялық байланыстың түрі. Оны оң зарядталған иондар (катиондар) құрылымындағы еркін электрондардың ортақ пайдалануы ретінде сипаттауға болады. Металлдың беріктігі, созылғыштығы, жылу және электр кедергісі мен өткізгіштігі, мөлдір еместігі және жылтырлығы сияқты физикалық қасиеттері металдық байланыс арқасында пайда болады. Металл, тіпті таза зат ретінде де, тек металдық байланысқа ғана емес, басқа химиялық байланыстарға да қабілетті. Мысалы, галлий элементі сұйық және қатты күйде атомдардың ковалентті байланысқан жұптарынан тұрады – бұл жұптар металдық байланыс арқылы байланысқан кристалл құрылымын құрайды. Тағы бір мысал – сынап ионы (Hg22+), ол металл-металл ковалентті байланысқа ие.
Metallic bonding is a type of chemical bonding that arises from the electrostatic attractive force between conduction electrons (in the form of an electron cloud of delocalized electrons) and positively charged metal ions. It may be described as the sharing of free electrons among a structure of positively charged ions (cations). Metallic bonding accounts for many physical properties of metals, such as strength, ductility, thermal and electrical resistivity and conductivity, opacity, and lustre. Metallic bonding is not the only type of chemical bonding a metal can exhibit, even as a pure substance. For example, elemental gallium consists of covalently bound pairs of atoms in both liquid and solid state—these pairs form a crystal structure with metallic bonding between them. Another example of a metal–metal covalent bond is the mercurous ion (Hg22+).
Тарих
Химия ғылымға айналғанда, элементтердің периодтық жүйесінің басым бөлігін металдар құрайтыны анық болды және қышқылдармен реакция кезінде түзілетін тұздарды сипаттауда үлкен жетістіктерге қол жеткізілді. Электрохимияның дамуымен металдардың көбінесе оң зарядталған иондар түрінде ерітіндіге өтетіні және металдардың тотығу реакциялары электрохимиялық қатарларында жақсы түсіндірілгені белгілі болды. Металдар оң иондар ретінде көрінеді, оларды теріс электрондардың мұхиты ұстап тұрады. Кванттық механиканың пайда болуымен бұл суретке еркін электрондық модель және оның одан әрі дамуы – дерлік еркін электрондық модель ресми түсіндірме берді. Екі модельде де электрондар қатты дененің құрылымы арқылы қозғалатын газ ретінде қарастырылады, олардың энергиясы негізінен изотропты, яғни ол импульс векторының бағытына емес, оның шамасының квадратына байланысты. Үш өлшемді k кеңістігінде ең жоғары толтырылған деңгейлердің (Ферми беті) жиынтығы шар болуы керек. Дерлік еркін модельде Бриллуэн аймақтарына ұқсас қораптар k кеңістігіне (иондық) құрылымнан туындаған периодтық потенциалмен қосылады, осылайша изотроптылықты сәл бұзады. Рентгендік дифракция және термиялық талдау кристалдық қатты денелердің, соның ішінде металдар мен олардың қорытпаларының құрылымын зерттеуге мүмкіндік берді, сондай-ақ фазалық диаграммалар жасалды. Осы жетістіктерге қарамастан, металдар аралық қосылыстар мен қорытпалардың мәні көбінесе құпия болып қалды және оларды зерттеу көбінесе эмпириялық сипатта болды. Химиктер көбінесе Дальтонның көп пропорциялы заңдарына сәйкес келмейтін нәрседен қашық болды, ал бұл мәселе басқа ғылым – металлургияның құзырында деп есептелді. Дерлік еркін электрондық модельді металлургиядағы кейбір зерттеушілер, әсіресе Хьюм-Ротери, белгілі бір құрамдағы металдар аралық қорытпалардың неге түзілетінін, ал басқаларының түзілмейтінін түсіндіру үшін ынтамен қолданды. Бастапқыда Хьюм-Ротеридің әрекеттері сәтті болды. Оның идеясы – Ферми шарларын Бриллуэн қораптарының ішіне электронды қосып, белгілі бір қораптың қашан толатынын анықтау болды. Бұл кейін байқалған қорытпалардың құрамының көптеген түрлерін болжады. Циклотрондық резонанс пайда болғаннан кейін және шардың пішіні анықталғаннан кейін, шардың Хьюм-Ротери сенгендей шар емес екені, мүмкін цезий жағдайында ғана анықталды. Бұл модельдің кейде дұрыс болжамдар сериясын беруге қабілетті екенін, бірақ оның негізгі болжамдарының дұрыс еместігін көрсетті. Бұл оқиға зерттеушілерді иондардың еркін электрондар теңізінде қозғалады деген болжамды қайта қарастыруға мәжбүр етті. Молекулалық орбитальдарға негізделген жолақтық құрылымды есептеулер және тығыздық функционалдық теориясы сияқты бірқатар кванттық-механикалық модельдер әзірленді. Бұл модельдер электрондарын бөлісетін бейтарап атомдардың атомдық орбитальдарынан немесе (тығыздық функционалдық теориясы жағдайында) жалпы электрондық тығыздықтан өзгеше болады. Дегенмен, еркін электрондық сурет металлургияға кіріспе курстарында басым болып қала береді. Электрондық жолақтық құрылым моделі металдарды және одан да көп жартылай өткізгіштерді зерттеудің маңызды бағыты болды. Электрондық күйлермен қатар, тербеліс күйлері де жолақтарды құрайтыны көрсетілді. Рудольф Пейерлс, мысалы, бір өлшемді металл атомдар қатарында – сутегідегідей – тізбекті жеке молекулаларға бөлетін сөзсіз тұрақсыздық болатынын көрсетті. Бұл металдық байланыстың ұжымдық тұрақтылығы мен жергілікті байланыстың қашан пайда болатыны туралы жалпы сұраққа қызығушылықты тудырды. Металл атомдарының кластерленуін зерттеуге көптеген зерттеулер жұмсалды. Металл байланысын сипаттауда жолақтық құрылым моделінің тиімділігіне қарамастан, ол көп денелік мәселенің бір электрондық жуықтамасы болып қала береді: жеке электронның энергиялық күйлері барлық басқа электрондар біртекті фонды құрағандай сипатталады. Мотт пен Хаббард сияқты зерттеушілер бір электрондық емдеудің күшті делокализацияланған s және p электрондары үшін орынды екенін түсіндірді, бірақ d электрондары үшін, тіпті f электрондары үшін де жақын маңдағы жеке электрондармен өзара әрекеттесу (және атомдық орын ауыстырулар) кең жолақтың пайда болуына әкелетін делокализацияланған өзара әрекеттесуден күшті болуы мүмкін. Бұл металдық байланысқа қатысатын жергілікті жұптаспаған электрондардан көшпелі электрондарға ауысуды жақсырақ түсіндірді.
Металлданған байланыстың сипаты
Екі құбылыстың үйлесімі металдық байланыстың пайда болуына себеп болады: электрондардың кеңістікте таралуы және кеңістікте тараған электрондар санынан әлдеқайда көп кеңістікте тараған энергия деңгейлерінің болуы. Екіншісін электрон жетіспеушілігі деп атауға болады.
2D-де
Графен – екі өлшемді металдық байланыстың мысалы. Оның металдық байланыстары бензол, нафталин, антрацен, овален сияқты заттардағы ароматикалық байланыстарға ұқсас.
3D-де
Металл кластерлеріндегі металл ароматикасы делокализацияның тағы бір мысалы болып табылады, бұл жолы көбінесе үш өлшемді құрылымдарда кездеседі. Металдар делокализация принципін шектен тыс деңгейге жеткізеді, сондықтан металдың кристалы барлық өткізгіш электрондардың үш өлшемде де еркін қозғалатын бір молекуласы деп айтуға болады. Бұл метал ішінде молекулаларды ажырату мүмкін емес екенін білдіреді, сондықтан металдық байланыс молекулалық да, молекулааралық та емес. "Молекулалық емес" термині осыған сәйкес келер. Металдық байланыс көбінесе полярлы емес, себебі тіпті қорытпаларда да байланысуға қатысатын атомдардың электронегативтіліктері арасында айырмашылық аз (ал таза элементтік металдарда мүлдем жоқ). Осылайша, металдық байланыс – коваленттік байланыстың өте жоғары делокализацияланған, ортақ түрі. Шын мәнінде, металдық байланыс – жаңа байланыс түрі емес. Ол байланыстың тек конденсатталған заттың бөлігінде – кристалдық қатты денеде, сұйықтықта немесе тіпті шыныда болатынын сипаттайды. Ал металдық булар көбінесе атомдық (мысалы, сынап – Hg) болады немесе кейде Na2 сияқты молекулаларды қамтиды, олар дәстүрлі ковалентті байланыс арқылы байланысқан. Сондықтан, жалғыз "металдық байланыс" туралы сөйлеу дұрыс емес. Делокализация s және p электрондары үшін ең күшті болады. Цезийдегі делокализация соншалықты күшті, электрондар цезий атомдарынан дерлік босап, тек металл бетімен шектелген газ құрайды. Сондықтан, цезий үшін теріс зарядталған электрондық газбен байланысқан Cs+ иондарының моделі өте дәл (бірақ толық емес). Басқа элементтерде электрондар аздап еркін, себебі олар металл атомдарының әсерін әлі де сезінеді, кейде өте күшті. Оларға күрделі кванттық-механикалық қарастыру (мысалы, тығыз байланыс) қажет, онда атомдар бейтарап деп есептеледі, бензолдағы көміртек атомдары сияқты. d және әсіресе f электрондары үшін делокализация мүлдем күшті емес, және осы себепті олар өз спинін сақтайтын жұпталмаған электрондар ретінде қалуға және осы металдарға қызықты магниттік қасиеттер беруге мүмкіндік береді.
Электрондық жетіспеушілік пен мобильділік
Металл атомдарының валенттік қабықтарында периодтары мен энергия деңгейлеріне қарағанда аз электрон болады. Олар электрон тапшылығын сезінетін элементтер, ал ортақ пайдалану бұл жағдайды өзгерте алмайды. Аталған электрондық энергия деңгейлерінен әлдеқайда көп бос энергия күйлері бар. Сондықтан, өткізгіштікке қатысты екі талап та орындалады: күшті делокализация және ішінара толтырылған энергия жолақтары. Осы себепті, мұндай электрондар бір энергия күйінен сәл өзгеше күйге оңай көше алады. Осылайша, олар тек электрондар теңізін құрайтын, құрылымды жайлайтын күйге ғана ие болмайды, сонымен қатар сыртқы электр өрісі қолданылғанда құрылым ішінде жылғалы алады, нәтижесінде электр өткізгіштігі пайда болады. Электр өрісі болмағанда, электрондар барлық бағытта теңдей қозғалады. Ал өріс пайда болғанда, кейбір электрондар күйін сәл өзгертіп, жаңа толқын векторын қабылдайды. Соның салдарынан, бір бағытта қозғалыс басқа бағытқа қарағанда басым болады және таза ток пайда болады. Электрондардың еркін жылғалымы металл атомдарына немесе олардың қабаттарына бір-бірінен сығалап жылжу қабілетін сыйлайды. Жергілікті деңгейде, байланыстар оңай үзіліп, деформациядан кейін жаңа байланыстармен алмастырылуы мүмкін. Бұл процесс металдардың ортақ металдық байланысына көп әсер етпейді, соның нәтижесінде металдарға тән пластикалық қасиеттері мен соғылуға оңай келуі қамтамасыз етіледі. Бұл әсіресе таза элементтерге қатысты. Ерітілген қоспалардың болуы әдетте оңай түзілетін жарықтарды тоқтатып, материалды қатайтуы мүмкін. Мысалы, алтын таза күйінде (24 карат) өте жұмсақ, сондықтан зергерлік бұйымдар жасауда қорытпалар қолданылады. Металдар әдетте жылуды да жақсы өткізеді, бірақ бұл құбылысқа өткізгіш электрондар толыққанды үлес қоспайды. Атомдардың ұжымдық (яғни, делокализацияланған) тербелістері, толқын түрінде қатты дене арқылы жүретін фонондар, одан да үлкен үлес қосады. Алайда, алмаз сияқты жылуды жақсы өткізетін зат электр өткізгіші емес. Бұл алмаста делокализацияның болмауынан туындамайды, тек көміртек электрондар тапшылығын сезінбейді. Электрон тапшылығы металдық және дәстүрлі ковалентті байланысты ажырату үшін маңызды. Осылайша, жоғарыда келтірілген тұжырымды былай түзетуге болады: Металдық байланыс – электрондар тапшылығын сезінетін ковалентті байланыстың жоғары делокализацияланған, ұжымдық түрі.
Металл радиусы
Металл радиусы – металл құрылымындағы екі жақын металл ионы арасындағы қашықтықтың жартысы ретінде анықталады. Бұл радиус атомның сипаттамасына және оның қоршаған ортасына, атап айтқанда, координациялық санға (CN) тәуелді, ал ол өз кезегінде температура мен қолданылатын қысымға байланысты. Атомдардың мөлшерінің кезеңдік өзгерістерін салыстырғанда, атом радиустарын 12 координациялы болған жағдайдағы мәндерге түрлендіретін Голдшмидт түзетуін қолдану жиі қажет болады. Металл радиусы ең жоғары координациялық сан үшін ең үлкен болғандықтан, төмен тығыздықпен координацияланған жағдайларды түзету үшін 0 < x < 1 шартымен x еселеуі қолданылады. Атап айтқанда, CN = 4 болғанда, x = 0,88; CN = 6 болғанда, x = 0,96; және CN = 8 болғанда, x = 0,97. Бұл түзету жоғарыда көрсетілген сандық мәндерді алған Виктор Голдшмидт есімімен аталады. Радиустар жалпы кезеңдік тенденцияларды сақтайды: олар тиімді ядролық зарядтың артуына байланысты кезең бойы азаяды, бұл валентті электрондардың санының артуымен толықтырылмайды; бірақ радиустар негізгі квант санының артуына байланысты топ бойынша өседі. 4d және 5d элементтері арасында лантаноидтар жиырылуы байқалады – нашар қорғайтын f орбитальдарының болуына байланысты радиус топ бойынша өте аз өседі.
Байланыстың беріктігі
Металдардағы атомдардың арасындағы тартым күші зор. Оны жеңу үшін көп энергия қажет. Сондықтан металдардың көпшілігінің қайнау температурасы жоғары, мысалы, вольфрамның (5828 К) қайнау температурасы ерекше жоғары. Бірақ, мырыш тобының элементтері: Zn, Cd және Hg – ерекше жағдайды құрайды. Олардың электрондық конфигурациялары ns2 түрінде аяқталады, бұл гелий сияқты инертті газдардың конфигурациясына ұқсас, және периодтық жүйеде төмен қарай жылған сайын, бос np орбитальдарына дейінгі энергия айырмасы артатындықтан, осы ұқсастық күшейе түседі. Сондықтан бұл металдар салыстырмалы түрде тез буланады және жоғары вакуумды жүйелерде қолданылмайды. Әйтпесе, металдық байланыс өте күшті болуы мүмкін, тіпті галлий сияқты балқыған металдарда да. Галлий бөлме температурасынан сәл жоғары температурада қолдың жылуынан балқыса да, оның қайнау температурасы мысқа шамалы ғана төмен. Осылайша, балқыған галлийдің күшті металдық байланысының арқасында булануға төзімді сұйықтық екендігі анықталады. Сұйық күйдегі металдардың мықты байланысы металдық байланыстың энергиясы байланыс бағытына көп тәуелді емес екенін көрсетеді; мұндай бағыттылықтың болмауы электронның деликализациясының тікелей салдары болып табылады және ковалентті байланыстың бағытталған сипатына қарағанда жақсы түсіндіріледі. Металдық байланыстың энергиясы металл атомын қоршап тұрған электрондардың санына негізделген, бұл кіріктірілген атом моделінде жақсы көрініс тапқан. Бұл әдетте металдардың FCC, BCC және HCP сияқты салыстырмалы түрде қарапайым, тығыз кристалдық құрылымдарды қабылдауына әкеледі. Егер салқындату жылдамдығы жеткілікті жоғары болса және қорытпаның құрамы сәйкес келсе, металдық байланыс аморфты құрылымдары бар шыныларда да пайда болуы мүмкін. Биохимияның көп бөлігі металл иондары мен биомолекулалардың әлсіз өзара әрекеттесуі арқасында жүзеге асады. Мұндай өзара әрекеттесулер мен оларға байланысты конформациялық өзгерістерлер қос поляризациялық интерферометрия көмегімен өлшенген.
Ерігіштігі және қосылыстар түзілуі
Металдар суда немесе органикалық еріткіштерде, олармен реакцияға түспесе, ерімейді. Әдетте, бұл металл атомдарын олардың еркін электрондарынан айырып, металл байланысын жоятын тотығу реакциясы болып табылады. Дегенмен, металдар бір-бірінде оңай ери алады, металл байланысының сипатын сақтай отырып. Мысалы, алтын тіпті бөлме температурасында да сынапта оңай ериді. Қатты металдарда да ерігіштік жоғары болуы мүмкін. Егер екі металдың кристалдық құрылымы бірдей болса, күміс пен алтын қорытпасы – электрум сияқты, толық қатты ерігіштік болуы мүмкін. Бірақ кейде екі металл екі бастапқы металлдың құрылымынан өзгеше құрылымы бар қорытпаларды құрайды. Мұндай материалдарды металл қосылыстары деп атауға болады. Алайда, металл байланысы бар материалдар көбінесе молекулалық емес болғандықтан, Дальтонның толық пропорциялар заңы қолданылмайды және көбінесе стехиометриялық қатынастардың кең ауқымына қол жеткізуге болады. Мұндай жағдайларда "таза зат" немесе "еріткіш" сияқты түсініктерден бас тартып, оның орнына фазалар туралы айту дұрыс. Мұндай фазаларды зерттеу дәстүрлі түрде химияға қарағанда металлургияның ғылымы болды, бірақ екі сала да бір-бірімен тығыз байланысты.
Жергіліктілендіру және кластерлеу: байланыстан байланысқа дейін
Күрделі қосылыстардағы металдық байланыс міндетті түрде барлық құрамдас элементтерді бірдей қамтиды деуге болмайды. Бір немесе бірнеше элементтер мүлдем қатыспауы мүмкін. Оларды айналасында ағып жатқан өткізгіш электрондармен – арал немесе үлкен тастың айналасындағы өзен сияқты көзге елестете беруге болады. Қай элементтердің қатысатынын анықтауға болады, мысалы, рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) спектріндегі негізгі деңгейлерді қарастыру арқылы. Егер элемент қатысса, оның шыңдары бұрыштанады. Кейбір металл аралық материалдар, мысалы, молекулаларды еске түсіретін металл кластерлерін көрсетеді, және мұндай қосылыстар металлургиядан гөрі химия саласына жатады. Кластерлердің пайда болуын электрон жетіспейтін байланыстарды «жинақтау» (орналастыру) арқылы, оларды жергіліктірек байланыс түріне айналдыру жолы деп қарастыруға болады. Сутек – осы конденсация түрінің ең айқын мысалы. Жоғары қысымда ол металлға айналады. Юпитер планетасының ядросы металдық байланыс пен гравитациялық қысымның әсерінен бірге ұсталып тұрған болуы мүмкін. Алайда, төмен қысымда байланыс толығымен орнықты ковалентті байланысқа айналады. Орналасу соншалықты толық, нәтижесінде (көбінесе таныс) H2 газы түзіледі. Борон сияқты элемент үшін де ұқсас аргумент қолданылады. Көміртекке қарағанда электрондары жетіспесе де, ол металл түзбейді. Оның орнына, онда B12 икосаэдрлі кластерлері басым болатын бірнеше күрделі құрылымдар бар. Заряд тығыздығы толқындары осымен байланысты құбылыс. Бұл құбылыстар атомдардың бір-біріне жақындауына немесе алыстауына байланысты, оларды материалдың электрондық және тербеліс күйлері (яғни фонондар) арасындағы байланыс ретінде қарастыруға болады. Электрондар мен фонондардың өзара әрекеттесуі төмен температурада өте ерекше нәтижеге – суперөткізгіштікке алып келеді деп есептеледі. Электрондарды жергілікті байланыстарда жұптап, заряд тасымалдаушылардың қозғалуын шектеудің орнына, Купер жұптары түзіледі, олардың қозғалуына ешқандай кедергі келтірмейді.
Оптикалық қасиеттері
Қозғалмалы заряд тасымалдаушылардың мұхитының болуы металдардың оптикалық қасиеттеріне зор әсер етеді, оны электрондарды әдеттегі ковалентті байланыстарға қатысатын жеке электрондардың күйлерін қарастырудың орнына, электрондарды ұжым ретінде қарастыру арқылы ғана түсінуге болады. Жарық электр және магнит өрісінің үйлесімінен тұрады. Электр өрісі металл байланысына қатысатын электрондардан серпімді жауапты қозғай алады. Нәтижесінде фотондар металға терең енбейді және көбінесе кері шағылысады, бірақ кейбіреулері сіңірілуі мүмкін. Бұл көрінетін спектрдегі барлық фотондар үшін ортақ, сондықтан металдар көбінесе күміс ақ немесе сұр түсті болып келеді, металл жылтырауының ерекше көкжиекті шағылысымен. Шағылысу мен сіңіру арасындағы тепе-теңдік металдың ақ немесе сұр түсті болуын анықтайды, бірақ беткі тозу жылтырлықты жасыра алады. Жоғары өткізгіштігі бар күміс – ең ақ металдардың бірі. Қызғылт мыс пен сары алтын ерекше жағдайларға жатады. Олардың түсі металл электрондары жарық жиілігінің белгілі бір шегіне дейін ғана оңай жауап бере алатындығымен байланысты: плазмондық жиілік. Плазмондық жиілікте еркін электрон газының жиілікке тәуелді диэлектрлік тұрақтысы терістен (шағылыстыратын) оңға (өткізетін) өтеді; одан жоғары жиілікті фотондар беттен шағылыспайды және металдың түсіне әсер етпейді. Индий-мырыш оксиді (ITO) сияқты кейбір материалдар металл өткізгіштер (немесе дегенерацияланған жартылай өткізгіштер) болып табылады, олар үшін бұл шек инфрақызыл аймақта орналасқан, сондықтан олар көрінетін аймақта мөлдір, ал инфрақызыл аймақта жақсы шағылыстырады. Күміс үшін шекті жиілік алыс ультракөк түсті аймақта, ал мыс пен алтын үшін ол көрінетін аймаққа жақын. Осы екі металдың түсі осымен түсіндіріледі. Металдың бетінде плазмондар деп аталатын резонанстық эффекттер пайда болуы мүмкін. Олар – өткізгіш электрондардың ұжымдық тербелісі, электрондық мұхиттағы толқын сияқты. Бірақ фотондар жеткілікті энергияға ие болса да, олар толқынды қозғау үшін жеткілікті импульсқа ие болмайды. Сондықтан плазмонды металлдың көлемді бөлігінде қоздыру қиын. Сондықтан алтын мен мыс жылтыр металдар сияқты көрінеді, бірақ олардың түсі сәл ерекше. Алайда, колоидты алтында металл байланысы өте кішкентай бөлшекке ғана шектеледі, бұл плазмонның тербеліс толқынының "құлап кетуіне" кедері келтірмейді. Импульсті таңдау ережесі бұзылады және плазмондық резонанс жасыл түсте өте күшті сіңіруге әкеледі, нәтижесінде қызғылт-қызыл түс пайда болады. Мұндай түстер бояулар мен басқа да заттардағы қарапайым сіңірулерге қарағанда әлдеқайда күшті, себебі олар жеке электрондар мен олардың энергиялық деңгейлеріне байланысты.