Металдық байланыс

Менделеев кестесінің әрбір периодының басында тұрған металдар ерекше денелер тобын құрайды. Металдық байланыстың пайда болуын иондық және коваленттік байланыстар тұрғысынан түсіндіру мүмкін емес. Шын мәнінде иондық байланыс металл және галоидтар атомдары арасында, яғни қосымша электрон қосып немесе беріп жібере алатын атомдар арасында пайда болады. Мұндай байланыс металдардың біртекті атомдары арасында бола алмайды. Екінші жағынан, металл атомдарының көршілес атомдармен валенттік байланыс жасауға қажетті электрондары жоқ. Мысалы, мыс атомының бір ғана валенттік электроны бар және бір атоммен валенттік байланыс жасай алады. Мыстың кристалдық торында әрбір атом он екі көршілес атомдармен қоршалған, ол олармен күштік байланыста болуы керек. Бұл, металдарда ерекше байланыс күштерінің бар екендігін көрсетеді, оны металдық байланыс деп атайды. Осы күштің табиғатын қарастырайық.

1.8 -сурет

Металл атомындағы сыртқы валенттік электрондар ядромен нашар байланысқан. Сұйық және қатты күйде атомдардың бір-біріне жақын орналасатыны соншалық, валенттік электрондар өздерінің атомдарын тастап, кристалдық тор ішінде емін-еркін қозғалып жүреді. Сонымен, металдың кристалдық торында теріс зарядтың біртекті таралуы байқалады. Ол тікелей тәжірибелер барысында дәлелденген.

Мысал ретінде 1.8-суретте рентгенографиялық әдіспен алынған алюминийдің кристалл торлары түйіндері арасындағы электрондық тығыздықтың тәжірибелік таралу қисығы көрсетілген. Түйіндер арасындағы кеңістіктің басым бөлігінде электрондық тығыздық тұрақты түрде сақталады. Тек қана түйіндерде ол алюминий атомының ішкі бұлтшалары есебінен күрт артады.

Металл торларындағы байланыс оң иондардың электрондық газбен өзара әсерлесуі нәтижесінде пайда болады. Олардың арасында тұрған электрондар оларды өздеріне тартып, аттас зарядталған иондар арасындағы тебіліс күштерін теңестіруге тырысады. Иондар арасындағы ара қашықтық азайған сайын электрондық газдың тығыздығы артады, соның нәтижесінде иондарды тартушы күш те артады. Екінші жағынан, иондар арасындағы ара қашықтық азайған сайын, иондарды бір-бірінен алыстатуға тырысатын тебіліс күштері артады. Тартылыс күші мен тебіліс күштері тепе-теңдікте болатын ара қашықтыққа жеткенде тор орнықты болады.

Көріп тұрғанымыздай, металдық байланыс пен валенттік байланыс арасында ұқсастық бар, себебі екеуінің де негізі сыртқы валенттік электрондардың бірігуінде жатыр. Бірақ та, валенттік байланыста көршілес атомдар болып табылатын атомдар жұбы электрондары бірігеді, бұл электрондар үнемі атомдар арасында, ал металдық байланыс кезінде кристалдың барлық атомдарындағы электрондар бірігеді және олар тор ішінде еркін қозғалып жүреді.

Сутектік байланыс

Сутектік байланыс сутек атомы өте теріс электрлік атоммен, мысалы оттегі, фтор, азот, хлор және т.б. атомдармен байланысқан кезде пайда болады. Осындай атом электрондарды тартып алады да, теріс зарядталады, ал электроны кетіп қалған атом оң зарядталады. Сутектік байланыс зарядтардың электростатикалық тартылуына негізделген.

1.9 –сурет

Мысал ретінде, су молекулалары арасындағы сутектік байланысты алайық (1.9 –сурет). Судың бір молекуласындағы оттек атомдары мен басқа молекуласындағы сутек атомдары арасында орныққан байланысын кішкене диполь ретінде алуға болады ( оттегінің заряды, ал - сутегінің заряды). Осы зарядтар арасындағы тартылыс сутектік байланыстың пайда болуына алып келеді, ол 1.9-суретте нүктелермен кескіңделген. Тартылыстың болуына сутегі атомы өлшемінің аздығы себеп болады, ол өзіне теріс электрлік атомның жақындауына жағдай тудырады.

Сонымен қатар, бұл ара қашықтық тең, бұл су молекуласының өзіндегі коваленттік байланыс ұзындығы -дан да көп үлкен, ол -ге тең. Бұл заңды да, себебі коваленттік байланыс энергиясы сутектік байланыс энергиясынан бірнеше дәрежеге жоғары. Су үшін ол .

Сутектік байланыс сұйық молекулаларының (су, қышқыл, спирт және т.б.) тұтқырлығын арттырады, қайнау нүктесін жоғарлатады, қыздырған кезде көлемнің аномальды өзгеруін және т.б. тудырады. Осыған мысал ретінде, кәдімгі суды алуға болады. Егер су молекулалары арасында сутектік байланыс болмаса, ол қалыпты қысымда -де емес, ал қайнар еді, тығыздығы бір дәрежеге төмен болар еді. Суды -ден жоғары температурада қыздырғанда сутектік байланыстар бұзылады, су молекулалары бір-бірінен жеткілікті дәрежеде алыстайды ( ). Осындай құрылым (структура) бұзылса, ол судың тығыздығының артуына алып келуі керек. Екінші жағынан, температура жоғарлағанда молекулалардың жылулық қозғалыс қарқындылықтары артып, ол термиялық ұлғаюға ұшырайды және су тығыздығы кемиді. Тәжірибелер көрсеткендей, температураның интервалында сутектік байланыстардың бұзылуы салдарынан судың тығыздығы артады. -ден жоғары температурада судың термиялық ұлғаюы болады. Сондықтан, ары қарай қыздырғанда басқа барлық (қалыпты) сұйықтар сияқты судың тығыздығы кемиді.