УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15/2003

§ 4.12. Металлическая связь

Почему ремонтировать электропроводку, находящуюся под напряжением, можно только с применением отвертки с пластмассовой ручкой? Почему металлы проводят электрический ток, а пластмасса, керамика, стекло и другие материалы его не проводят? Это объясняется наличием в металлах особой связи, которую называют металлической. Прочитайте то, что написано ниже о металлической связи, с которой вы довольно хорошо знакомы по предыдущим курсам физики и химии.

Высокая электропроводимость веществ обусловлена, как говорили раньше, «не привязанными к атомам», нелокализованными электронами. Обычно это относится к металлам, которым можно дать такое самое простое определение: вещества, обладающие высокими электропроводностью (электропроводимостью) и теплопроводностью, а также ковкостью, «металлическим блеском» и другими свойствами. При обычных условиях металлы – твердые вещества. Но существуют исключения: ртуть при комнатной температуре – жидкость, однако относится к металлам; графит – кристаллическое вещество с высокой электропроводностью, но к металлам не принадлежит. Учтите, металл – не отдельный атом элемента, а кусок вещества. Мы привыкли называть металлами блестящие, твердые, не горящие на воздухе, тонущие в воде предметы. Но все эти признаки имеют исключения.
Металлы как элементы (простые вещества) расположены в основном в левой и нижней частях периодической таблицы элементов Д.И.Менделеева. Деление элементов на металлы и неметаллы также очень условно, и часто вещества, находящиеся на границе этих областей периодической таблицы, бывает трудно отнести к тому или иному классу веществ.
Кристаллическая решетка металлов состоит из прочно связанных между собой атомов. Согласно самой старой и простой теории строения металлов, атомы последних легко отдают электроны в межатомное пространство, где «свободные» электроны ведут себя как газовые частицы. Таким образом, в узлах кристаллической решетки металла главным образом находятся ионы. Свободно перемещающимися в межатомном пространстве электронами и обусловлена электропроводность металлов.
Подобные представления о природе металла – очень упрощенные и не объясняют многих его свойств. Например, повышение температуры металла вызывает снижение его электропроводности (это объясняют усилением колебательных движений атомов и ионов, что препятствует движению электронов).
Трудно предположить наличие совершенно свободных электронов в кристаллическом металле. Правильнее говорить, что даже при незначительном напряжении электроны отрываются от атомов и перемещаются в электрическом поле.
Очень приближенное представление о химических связях в металлах следующее. Частицы кристаллической решетки металла связаны между собой двумя типами связей: первый – перекрывание электронных облаков с образованием прочных ковалентных связей, обусловливающих твердость и высокую температуру плавления; второй – создание теми же электронными облаками единого во всем кристалле электронного облака, которое при наложении внешнего электрического поля легко (почти свободно) перемещается вдоль заданного полем направления в металле. Почти свободные электроны, как мы упоминали, называются нелокализованными (делокализованными). Связь между частицами в металле называется металлической.
Изоляторы отличаются от металлов тем, что для обеспечения проводимости следует приложить очень высокое напряжение. Полупроводники при низких напряжениях электрический ток не проводят, но при некоторых более высоких напряжениях становятся электропроводными. Характерной особенностью полупроводников является зависимость их электропроводности от температуры: возрастание при повышении температуры, а не понижение, как у металлов. (Вы замечали, что в жаркую погоду транзисторные приемники плохо работают?)

Список новых и забытых понятий и слов

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Как изменяется электропроводность металлов в группе магний – кальций – стронций – барий? Объясните причины.

2. Что экономически выгоднее использовать в качестве проводов для передачи электроэнергии – медь или алюминий? Объясните почему.

3. Переведите на русский язык.

The nature of the majority of chemicals can be described in terms of ionic or covalent bonds. The situation in metals requires, however, the postulation of a special type of metallic bond.
Metals have very distinctive properties and to account for them, particularly for the electrical conductivity, the idea of a special metallic bond is necessary. The general picture of the state of affairs in crystal of a metal is that atoms of the metal are packed in regular array within the crystal and that the atoms are surrounded by electrons which are relatively mobile. The cause of the mobility of the electrons is interpreted in terms of the band model of electronic energy levels in metallic crystals.
Electrical conductivity is associated, then, with either partially filled bands or with the overlapping of an unfilled band with a full one. It might be expected that increase in temperature would cause more electrons to be promoted into conducting bands with a consequent increase in conductivity or decrease in resistance. In general, however, the conductivity of a metal decreases with increase in temperature, i.e. the resistance increases. This is because increasing temperature produces increased thermal vibration within a metal crystal. This upsets the regularity within the crystal and interferes with the ease of movement of electrons through the crystal. It is rather like comparing movement through the ranks of battalion of soldiers on parade with that through a London crowd. Similarly, the introduction of an impurity may upset the regular array and so cause decreased conductivity or increased resistance. The resistance of copper, for example, is greatly increased by even traces of impurities.

* * *

В заключение сделаем краткий обзор типов химической связи и закрепим пройденный материал.
Изучив химические связи, вы поняли, что в веществе одновременно может осуществляться не один тип связи, а несколько. Чаще всего вещество характеризуют по тому типу связи, который преобладает. Внимательно изучите приведенную ниже обобщающую таблицу.

• Используя таблицу, расскажите о связях: С–Н в молекуле метана СН₄, между атомами углерода в молекулах этана С₂Н₆, этилена С₂Н₄ и ацетилена С₂Н₂.
• Подробно и научно обсудите структуры молекул этана, этилена и ацетилена, тип связи между атомами углерода (одинарная, двойная, тройная, а также -связь, -связь).

Углы между связями Н–С–С в молекулах этана, этилена и ацетилена приблизительно равны:

Угол Н–С–Н в молекулах этана и этилена составляет соответственно ~109° и ~120°. Нарисуйте модели этих молекул.

Для закрепления материала переведите на русский язык.

The nature of chemical bond, the formation of molecules from atoms, and the structure of the molecules themselves are among the most important problems of chemistry, and have long attracted attention. However, as long as the complex structure of the atom remained unknown and the atom was considered to be indivisible, it was impossible to have a correct approach to these problems. In the course of the XIX century extremely valuable experimental material had been accumulated and important generalizations had been made, but their physical meaning became apparent only in our time. The concept of chemical equivalent was established and valence was introduced as a formal numerical characteristic of the ability of the atoms of one element to combine with a definite number of atoms of another element.
The study of electrolysis (in the first half of the XIX century) led to the hypothesis of electrical nature of valence forces and to the establishment of their difference in sign. It was natural to assign a negative charge and hence negative valence in the compound to the elements (oxygen or chlorine) which in electrolysis are discharged at the anode, and, on the contrary, a positive charge and positive valence to the elements (hydrogen, metals) which are discharged at the cathode. It was tried persistently to apply these ideas to all compounds. However, this approach was for the most part unsuccessful in the case of organic compounds.

Таблица