Մետաղական կապ

Մետաղական կապ, քիմիական կապի տեսակ է, որն առաջանում է հաղորդիչ էլեկտրոնների (դելոկալիզացված էլեկտրոնների էլեկտրոնային ամպի տեսքով) և դրական լիցքավորված մետաղական իոնների միջև էլեկտրաստատիկ գրավիչ ուժից։ Այն կարող է նկարագրվել որպես ազատ էլեկտրոնների բաշխում դրական լիցքավորված իոնների (կատիոնների) կառուցվածքի միջև։ Մետաղական կապը պարունակում է մետաղների բազմաթիվ ֆիզիկական հատկություններ, ինչպիսիք են ամրությունը, ճկունությունը, ջերմային և էլեկտրական դիմադրողականությունը և հաղորդունակությունը, անթափանցիկությունը և փայլը։

Մետաղական կապը ցուցադրող օրինակ: + ներկայացնում է կատիոններ, - ներկայացնում է ազատ լողացող էլեկտրոնները։

Մետաղական կապը քիմիական կապիմիակ տեսակը չէ, որը մետաղը կարող է դրսևորել, նույնիսկ որպես մաքուր նյութ։ Օրինակ՝ տարրական գալիումըբաղկացած է կովալենտային կապակցված ատոմներից և՛ հեղուկ, և՛ պինդ վիճակում. այս զույգերը բյուրեղային կառուցվածք են կազմում՝ մետաղական կապով։ Մետաղ-մետաղ կովալենտ կապի մեկ այլ օրինակ է սնդիկի իոնը (Hg₂²⁺)^[1][2][3][4]։

Պատմություն

Երբ քիմիան վերածվեց գիտության, պարզ դարձավ, որ մետաղները կազմում են տարրերի պարբերական աղյուսակի մեծ մասը, և մեծ առաջընթաց է գրանցվել այն աղերի նկարագրության մեջ, որոնք կարող են ձևավորվել թթուների հետ ռեակցիաներում։ Էլեկտրոքիմիայի գալուստով պարզ դարձավ, որ մետաղները սովորաբար մտնում են լուծույթ՝ որպես դրական լիցքավորված իոններ, և մետաղների օքսիդացման ռեակցիաները լավ հասկացվում են դրանց էլեկտրաքիմիական շարքերում։ Մետաղների պատկերը հայտնվեց որպես դրական իոններ, որոնք միասին պահվում են բացասական էլեկտրոնների գազի կողմից^[5]։

Քվանտային մեխանիկայի գալուստով այս նկարին տրվեց ավելի պաշտոնական մեկնաբանություն՝ ազատ էլեկտրոնի մոդելի և դրա հետագա ընդլայնման՝ գրեթե ազատ էլեկտրոնային մոդելի տեսքով։ Երկու մոդելներում էլ էլեկտրոնները դիտվում են որպես գազ, որը պտտվում է պինդ մարմնի կառուցվածքի միջով էներգիայով, որն ըստ էության իզոտրոպ է, քանի որ այն կախված է մեծության քառակուսուց, այլ ոչ թե իմպուլսի վեկտորի ուղղությունից։ Եռաչափ k-տարածության մեջ ամենաբարձր լցված մակարդակների կետերի բազմությունը (Ֆերմիի մակերեսը) պետք է լինի գնդիկ։ Գրեթե ազատ մոդելում տուփի նման Brillouin գոտիները ավելացվում են k-տարածությանը (իոնային) կառուցվածքից ստացված պարբերական պոտենցիալով, այդպիսով մեղմորեն կոտրելով իզոտրոպիան^[2]։

Ռենտգենյան դիֆրակցիայի և ջերմային վերլուծության հայտնվելը հնարավորություն տվեց ուսումնասիրել բյուրեղային պինդ մարմինների կառուցվածքը, ներառյալ մետաղները և դրանց համաձուլվածքները; մշակվել են փուլային դիագրամներ։ Չնայած այս ամբողջ առաջընթացին, միջմետաղական միացությունների և համաձուլվածքների բնույթը հիմնականում մնում էր առեղծված, և դրանց ուսումնասիրությունը հաճախ զուտ էմպիրիկ էր։ Քիմիկոսները հիմնականում հեռու էին մնում այն ամենից, ինչը թվում էր, թե չի հետևում Դալթոնի բազմաթիվ համամասնությունների օրենքներին. իսկ խնդիրը համարվում էր այլ գիտության՝ մետալուրգիայի տիրույթ։

Գրեթե անվճար էլեկտրոնների մոդելը եռանդով ընդունվեց մետալուրգիայի որոշ հետազոտողների կողմից, հատկապես՝ Հյում-Ռոթերիի կողմից, փորձելով բացատրել, թե ինչու են ձևավորվում որոշակի բաղադրությամբ միջմետաղային համաձուլվածքներ, իսկ մյուսները՝ ոչ։ Սկզբում Հյում-Ռոթերիի փորձերը բավականին հաջող էին։ Նրա գաղափարն էր ավելացնել էլեկտրոններ՝ ուռեցնելու գնդաձև Ֆերմի-փուչիկը Բրիլուեն-արկղերի շարքի ներսում և որոշել, թե երբ է որոշակի տուփը լցված։ Սա կանխատեսում էր համաձուլվածքների բավականին մեծ քանակություն, որոնք հետագայում նկատվեցին։ Հենց որ ցիկլոտրոնային ռեզոնանսը հասանելի դարձավ և հնարավոր եղավ որոշել փուչիկի ձևը, պարզվեց, որ օդապարիկը գնդաձև չէ, ինչպես կարծում էին Հյում-Ռոթերին, բացառությամբ, հնարավոր է, ցեզիումիդեպքի։ Սա բացահայտեց, թե ինչպես մոդելը երբեմն կարող է տալ ճիշտ կանխատեսումների մի ամբողջ շարք, բայց դեռևս սխալ է իր հիմնական ենթադրություններում։

Գրեթե ազատ էլեկտրոնների անկումը ստիպեց հետազոտողներին փոփոխել այն ենթադրությունը, որ իոնները հոսում են ազատ էլեկտրոնների գազում (որը անվանում են էլեկտրոնային գազ կամ ֆերմի-գազ)։ Մշակվել են մի շարք քվանտային մեխանիկական մոդելներ, ինչպիսիք են մոլեկուլային օրբիտալների վրա հիմնված ժապավենային կառուցվածքի հաշվարկները և խտության ֆունկցիոնալ տեսությունը։ Այս մոդելները կա՛մ հեռանում են չեզոք ատոմների ատոմային ուղեծրերից, որոնք կիսում են իրենց էլեկտրոնները, կա՛մ (խտության ֆունկցիոնալ տեսության դեպքում) հեռանում են էլեկտրոնի ընդհանուր խտությունից։ Ազատ էլեկտրոնների պատկերը, այնուամենայնիվ, գերիշխող է մնացել։

Էլեկտրոնային ժապավենի կառուցվածքի մոդելը դարձավ մետաղների և նույնիսկ ավելի շատ կիսահաղորդիչների ուսումնասիրության հիմնական կենտրոնը։ Էլեկտրոնային վիճակների հետ միասին թրթռման վիճակները նույնպես ցույց են տվել, որ ձևավորում են շերտեր։ Ռուդոլֆ Պայերլսըցույց տվեց, որ մետաղական ատոմների միաչափ շարքի դեպքում, օրինակ՝ ջրածինը, անխուսափելի անկայունությունը կարող է կոտրել այդպիսի շղթան առանձին մոլեկուլների։ Սա հետաքրքրություն առաջացրեց ընդհանուր հարցի նկատմամբ. ե՞րբ է կոլեկտիվ մետաղական կապը կայուն, և ե՞րբ է տեղայնացված կապը տեղի կունենա։ Շատ հետազոտություններ են կատարվել մետաղների ատոմների կլաստերավորման ուսումնասիրության վրա։

Որքան էլ որ շղթայի կառուցվածքի մոդելն ապացուցված է մետաղական կապը նկարագրելիս, այն շարունակում է մնալ բազմաթիվ մարմինների խնդրի մեկ էլեկտրոնային մոտարկում. առանձին էլեկտրոնի էներգետիկ վիճակները նկարագրվում են այնպես, կարծես բոլոր մյուս էլեկտրոնները կազմում են միատարր ֆոն։ Հետազոտողները, ինչպիսիք են Մոթը և Հաբարդը, հասկացան, որ մեկ էլեկտրոնային բուժումը, հավանաբար, տեղին է խիստ տեղայնացված s- և p- էլեկտրոնների համար; բայց d- էլեկտրոնների և նույնիսկ ավելի շատ f- էլեկտրոնների համար փոխազդեցությունը մոտակա առանձին էլեկտրոնների հետ (և ատոմային տեղաշարժերը) կարող է ավելի ուժեղ դառնալ, քան տեղայնացված փոխազդեցությունը, որը հանգեցնում է լայն շերտերի։ Սա ավելի լավ բացատրություն տվեց տեղայնացված չզույգված էլեկտրոններից դեպի մետաղական կապով շրջող էլեկտրոնների անցումը։

Տես նաև

• Կովալենտ կապ
• Քիմիական կապ
• Մետաղ