קשר מתכתי: תכונות, אופן היווצרותו ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

האג"ח מתכתי הוא זה שמחזיק את האטומים של יסודות מתכתיים יחד בחוזקה. היא קיימת במתכות ומגדירה את כל התכונות הפיזיקליות שלהם המאפיינות אותם כחומרים קשים, רקיקים, ניתנים לניתוח ומוליכים טובים של חום וחשמל.

מבין כל הקשרים הכימיים, הקשר המתכתי הוא היחיד בו האלקטרונים אינם ממוקמים אך ורק בין זוג אטומים, אלא ממוקמים בין מיליונים מהם במעין דבק או "ים של אלקטרונים" המחזיקים אותם זה בזה. או מגובש.

קשר מתכת נחושת

לדוגמה, נניח שנחושת המתכת. בנחושת, אטומי ה- Cu שלו מוותרים על אלקטרונים הערכיים שלהם ליצירת הקשר המתכתי. מעל הקשר הזה מיוצג כקטיוני Cu ²⁺ (עיגולים כחולים) מוקפים אלקטרונים (עיגולים צהובים). האלקטרונים אינם עדיין: הם נעים לאורך גביש הנחושת. עם זאת, במתכות איננו מדברים רשמית על קטיונים, אלא על אטומי מתכת ניטרליים.

הקשר המתכתי מאומת על ידי בחינת תכונות האלמנטים המתכתיים, כמו גם תכונות סגסוגותיהם. אלה משלבים סדרה של חומרים מבריקים, כסופים, קשוחים וקשים, שיש להם גם נקודות התכה ורתיחה גבוהות.

כיצד נוצר הקשר המתכתי?

קשר מתכתי באבץ

קשר המתכת נוצר רק בין קבוצה אחת או קבוצה של אטומי מתכת. על מנת שהאלקטרונים יתקדמו ברחבי הגביש המתכתי, צריך להיות "כביש מהיר" שהם יכולים לנסוע עליו. זה מתוכנן מחפיפה של כל האורביטלים האטומיים של האטומים השכנים.

לדוגמה, שקול שורה של אטומי אבץ, Zn ··· Zn ··· Zn ···. אטומים אלה חופפים את האורביטלים האטומיים שלהם וליצור אורביטלים מולקולריים. בתורו, האורביטלים המולקולריים האלה חופפים זה לזה עם אורביטלים אחרים של אטומי ה- Zn השכנים.

כל אטום אבץ תורם שני אלקטרונים לתרום לקשר המתכתי. בדרך זו, חפיפה או איחוד של האורביטלים המולקולריים, והאטומים שנתרמו על ידי אבץ, מקורם ב"כביש מהיר "שבאמצעותו ממוקמים האלקטרונים ברחבי הגביש כאילו היו דבק או ים של אלקטרונים, המכסים או רחצה את כל האטומים המתכתיים.

מאפייני הקשר המתכתי

מבנים

הקשר המתכתי מקורו במבנים קומפקטיים, בהם האטומים מאוחדים מקרוב, ללא מרחק רב המפריד ביניהם. בהתאם לסוג המבנה הספציפי, ישנם גבישים שונים, חלקם צפופים יותר מאחרים.

במבנים מתכתיים, לא מדברים על מולקולות, אלא על אטומים ניטרליים (או קטיונים, לפי פרספקטיבות אחרות). בחזרה לדוגמה של נחושת, בגבישים הקומפקטיים שלה אין מולקולות Cu ₂ , עם קשר קוולנטי Cu-Cu.

אִרְגוּן מִחָדָשׁ

לקישור המתכתי יש את המאפיין לארגן את עצמו מחדש. זה לא קורה עם הקשרים הקוואלנטיים והיוניים. אם קשר קוולנטי נשבר, הוא לא ייווצר מחדש כאילו לא קרה כלום. כמו כן, המטענים החשמליים על הקשר היוני אינם ניתנים לשינוי, אלא אם כן מתרחשת תגובה כימית.

שקול למשל את כספית המתכת כדי להסביר נקודה זו.

הקשר המתכתי בין שני אטומי כספית סמוכים, Hg ··· Hg, יכול להישבר ולהיווצר מחדש עם אטום שכנה אחר אם הגביש נתון לכוח חיצוני המעוות אותו.

כך, הקשר מארגן מחדש בזמן שהזכוכית עוברת עיוות. זה נותן למתכות את המאפיינים של להיות חומרים רקיעיים וניתנים לעיצוב. אחרת הם ישברו כמו חתיכות זכוכית או קרמיקה, גם כשהם חמים.

מוליכות תרמיות וחשמליות

המאפיין שיש לקשר המתכתי של מיקום האלקטרונים שלו מעניק גם למתכות את היכולת להוביל חום וחשמל. הסיבה לכך היא מכיוון שמאז האלקטרונים ממוקמים ומתקדמים לכל מקום, הם למעשה מעבירים תנודות אטומיות כאילו מדובר בגל. תנודות אלה מתורגמות לחום.

לעומת זאת, כאשר אלקטרונים זזים, נותרו חללים ריקים שאחרים יכולים לתפוס, ובכך יש מקום פנוי אלקטרוני דרכו יותר אלקטרונים יכולים "לרוץ" ובכך מקורם של זרם חשמלי.

באופן עקרוני, מבלי להתייחס לתיאוריות הפיזיות שמאחורי התופעה, זהו ההסבר הכללי למוליכות החשמלית של מתכות.

ברק מתכתי

אלקטרונים ממוקדים וניידים יכולים גם ליצור אינטראקציה עם פוטונים ולדחות אותם באור גלוי. בהתאם לצפיפות ומשטח המתכת, הוא יכול להציג גוונים שונים של אפור או כסף, או אפילו נוצצים זוהרים. המקרים החריגים ביותר הם אלה של נחושת, כספית וזהב, הסופגים פוטונים בעלי תדרים מסוימים.

הסרת אלקטרונים

כדי להבין את הקשר המתכתי יש צורך להבין מה הכוונה במיקום מחדש של אלקטרונים. אי אפשר לקבוע היכן האלקטרונים נמצאים. עם זאת, ניתן להעריך באיזה אזור בחלל הם עשויים להימצא. בקשר קוולנטי AB, זוג האלקטרונים מופץ בחלל המפריד בין האטומים A ו- B; אז הם אומרים שהם ממוקמים בין A ל B.

בקשר מתכתי AB, עם זאת, לא ניתן לומר שאלקטרונים מתנהגים באותו אופן כמו בקשר קוולנטי AB. הם אינם ממוקמים בין שני אטומים ספציפיים של A ו- B, אלא מפוזרים או מכוונים לחלקים אחרים של המוצק, שם יש גם דחוסים, כלומר קשורים זה לזה, אטומים של A ו- B.

כאשר זה נכון, אומרים שהאלקטרונים של הקשר המתכתי ממוקמים מחדש: הם נוסעים לכל כיוון שיש אטומים של A ו- B, כפי שמוצג בתמונה הראשונה עם אטומי הנחושת והאלקטרונים שלהם.

לפיכך, בקשר המתכתי אנו מדברים על סילוק מחדש של האלקטרונים הללו, ומאפיין זה אחראי לרבים מהתכונות שיש למתכות. התיאוריה של ים האלקטרונים מבוססת גם היא.

דוגמאות לקשרים מתכתיים

כמה חוליות מתכת נפוצות בחיי היומיום הם כדלקמן:

- אלמנטים מטאליים

אָבָץ

קשר מתכתי באבץ

באבץ, מתכת מעבר, האטומים שלה קשורים על ידי הקשר המתכתי.

זהב (Au)

זהב טהור, כמו סגסוגות של חומר זה עם נחושת וכסף, משמשים כיום בתכשיטים משובחים.

נחושת (Cu)

מתכת זו נמצאת בשימוש נרחב ביישומי חשמל, בזכות תכונות הולכת החשמל המצוינות שלה.

כסף (אג)

בהתחשב בתכונותיה, מתכת זו נמצאת בשימוש נרחב הן ביישומי תכשיטים נאים והן בתחום התעשייתי.

ניקל (ני)

במצבו הטהור הוא משמש בדרך כלל לייצור מטבעות, סוללות, יציקה או חלקי מתכת שונים.

קדמיום (Cd)

זהו חומר רעיל מאוד ומשמש לייצור סוללות.

פלטינה (Pt)

הוא משמש בתכשיטים משובחים (סגסוגות עם זהב), וייצור מכשירי מדידה במעבדה ושתלים דנטליים.

טיטניום (Ti)

מתכת זו משמשת בדרך כלל בהנדסה, כמו גם בייצור שתלים אוסטאוסינתטיים, יישומים תעשייתיים ותכשיטים.

עופרת (Pb)

חומר זה משמש לייצור מוליכים חשמליים, ליתר דיוק לייצור הז'קט החיצוני של כבלי טלפון ותקשורת.

- תרכובות מתכתיות

פלדה נפוצה

התגובה של ברזל עם פחמן מייצרת פלדה נפוצה, חומר עמיד הרבה יותר בפני לחץ מכני בהשוואה לברזל.

פלדת אל - חלד

ניתן למצוא וריאציה על החומר לעיל על ידי שילוב פלדה נפוצה עם מתכות מעבר כמו כרום וניקל.

בְּרוֹנזָה

הוא מיוצר על ידי שילוב של נחושת עם פח, בשיעור משוער של 88% ו- ​​12%, בהתאמה. הוא משמש לייצור מטבעות, כלים וקישוטים ציבוריים.

סגסוגות מרקורי

סגסוגות שונות של כספית עם מתכות מעבר אחרות, כגון כסף, נחושת ואבץ, מייצרות את האמלגמים המשמשים ברפואת שיניים.

סגסוגת פלטינה כרום

סוג זה של סגסוגת נמצא בשימוש נרחב לייצור סכיני גילוח.

פילטרה

סגסוגת זו של פח, אנטימון, מעטפה וביסמוט משמשת בדרך כלל לייצור כלי בית.

פליז

הוא נוצר על ידי שילוב של נחושת עם אבץ, בשיעור של 67% ו -33%, בהתאמה. הוא משמש בייצור פריטי חומרה.

ים של תורת האלקטרונים

ייצוג פשוט של ים של אלקטרונים. מקור: מוסקיד

התמונה לעיל ממחישה את המושג ים של אלקטרונים. על פי התיאוריה של ים האלקטרונים, אטומי המתכת משילים את האלקטרונים בערכיהם (מטענים שליליים) כדי להפוך ליונים אטומיים (מטענים חיוביים). האלקטרונים המשוחררים הופכים לחלק מים בו הם ממוקמים עבור כל סנטימטר של הגביש המתכתי.

עם זאת, אין פירוש הדבר כי מתכת מורכבת מיונים; האטומים שלו הם למעשה ניטרליים. איננו מדברים על יוני Hg ⁺ בכספית נוזלית, אלא על אטומי Hg ניטרליים.

דרך נוספת להמחיש את ים האלקטרונים היא על ידי הנחת הניטרליות של האטומים. לפיכך, למרות שהם מעניקים לאלקטרונים שלהם להגדיר את הקשר המתכתי השומר עליהם בצורה מלוכדת היטב, הם גם מקבלים מיד אלקטרונים אחרים מאזורים אחרים של הגביש, כך שהם לעולם לא משיגים מטען חיובי.

תיאוריה זו מסבירה מדוע מתכות הן משיכות, ניתנות לעיגול, וכיצד ניתן לסדר מחדש את הקשרים כדי לאפשר עיוות של גביש מבלי להישבר. יש מי שקורא לים האלקטרונים הזה "מלט אלקטרוני", מכיוון שהוא מסוגל לנוע, אך בתנאים רגילים, הוא מתמצק ושומר על האטומים המתכתיים ויציבים.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
3. ויקיפדיה. (2020). מליטה מתכית. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (4 באפריל 2016). קשר מתכתי. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
5. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (29 בינואר 2020). קשר מתכתי: הגדרה, מאפיינים ודוגמאות. התאושש מ: thoughtco.com
6. ג'ים קלארק. (29 בספטמבר 2019). מליטה מתכתי. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
7. מרי אלן אליס. (2020). מהו קשר מתכתי? - הגדרה, מאפיינים ודוגמאות. לימוד. התאושש מ: study.com