Metalno vezivanje

U kojem će se obliku nalaziti metali u prirodi ovisi o njihovim kemijskim svojstvima.

Bakar , srebro i zlato se u prirodi mogu naći u elementarnom stanju.
To je zbog njihove vrlo slabe reaktivnosti.
Alkalijske metale se u prirodi isključivo može naći u obliku spojeva i različitih metala.
Isto vrijedi za mnoge druge jako reaktivne metale.
Minerali su prirodni sastojci Zemljine kore.
Neki od minerala su važne sirovine za dobivanje metala.
Minerale iz kojih je dobivanje metala isplativo nazivamo rudama.

Slitine ili legure nastaju miješanjem dvaju ili više metala u rastaljenom stanju.
Mogu nastati miješanjem metala i nemetala (npr.ugljika).
Uporaba slitina ili legura je danas vrlo raširena.

Primjeri slitina su:

•  bronca (slitina bakra i kositra),
•  mjed (slitina bakra i cinka),
•  čelik (slitina željeza i ugljika, ili nikla ili mangana, silicija),
•  duraluminij (slitina aluminija s bakrom, magnezijem, manganom i silicijem),
•  magnalij (slitina aluminija s magnezijem) i druge.

Karakteristična svojstva metala

Od svih do danas poznatih elemenata otprilike 4/5 su metali.
Metali imaju neka slična svojstva, bez obzira na položaj u PSE-a.
Fizikalna svojstava metala su:

• AGREGACIJSKO STANJE– Svi su metali pri sobnoj temperaturi čvrste kristalne tvari osim žive koja je tekućina.
• BOJA – Većina je metala sive boje, srebrnog sjaja, osim bakra koji je crvenkaste i zlata žute boje. Sjajna površina metala reflektira svjetlost.
• KOVKOST – Mogu se kovati i izvlačiti u žice i tanke folije.
• VODLJIVOST -Dobri su vodiči struje i topline.
• GUSTOĆA

1. -Jedno od svojstava po kojima se metali mogu
   jako razlikovati je gustoća.
   Od svih metala litij ima najmanju gustoću, samo 0,534 g/cm³.
   Osmij najveću 22,59 g/cm³.

Metalni sjaj, električna i toplinska vodljivost su svojstva metala i posljedica su razlika u njihovoj strukturi.
Interakcije atoma u strukturi metala nazivamo metalnim vezivanjem.

Metalno vezivanje

Jedna od prvih teorija kojom se pokušalo objasniti
nastajanje metalne veze bila je
elektronska teorija na samom početku 20. stoljeća.
Ako je udaljenost između atoma metala dovoljno mala,
atomi će se pravilno razvrstati.
Svi valentni elektroni će činiti zajednički elektronski oblak.
Atome metala možemo zamisliti kao pozitivne metalne ione
u elektronskom oblaku valentnih elektrona.

Valentni se elektroni u metalu slobodno premještaju.
Gibaju se od iona do iona.
Veza koja povezuje ione (katione) metala
i elektrone elektronskog oblaka je metalna veza.
Zbog suprotnih naboja pozitivnih metalnih iona i negativnih elektrona
metalne veze su vrlo jake.
Razlog su vrlo visokih tališta i vrelišta kristala metala.

Već ste zaključili da su tališta i gustoće prijelaznih metala visoka.
Tališta i vrelišta metala su visoka
jer se jedinke metala povezuju jakom metalnom vezom.
U atomima prijelaznih metala broj
nesparenih elektrona u d-orbitalama raste od 1 do 5.
Nespareni elektroni povećavaju jakost metalne veze.
Veza je jača što je broj nesparenih elektrona u atomima metala veći.

Atomi cinka, kadmija žive imaju sve d-elektrone sparene.
Njihova su tališta i vrelišta relativno niska.
Atom žive veći od atoma cinka i kadmija.
Njegovi valentni elektroni u 6s orbitali su jako udaljeni od jezgre.
Privlačna sila između jezgre i valentnih elektrona vrlo slaba.
To je razlog da je živa jedini metal
koji je pri sobnoj temperaturi u tekućem agregacijskom stanju.

Teorija elektronskih vrpci

Tridesetak godina kasnije metalna se veza
tumači teorijom elektronskih vrpci.
U kristalima metala su atomi vrlo blizu jedan drugome.
Dolazi do preklapanja njihovih atomskih orbitala.
Na taj način nastaju molekulske orbitale
koje se protežu kroz cijeli kristal.

Kako je broj atoma u kristalu metala vrlo velik,
velik je i broj preklapanja istovrsnih orbitala.
To uzrokuje nastajanje energijskih pojaseva
koje nazivamo elektronske vrpce.
Preklapanjem orbitala popunjenih unutarnjih ljusaka
nastaju popunjene vrpce.
Preklapanjem orbitala u kojima se nalaze
valentni elektroni nastaje valentna vrpca.
Preklapanjem nepopunjenih, praznih orbitala nastaje vodljiva vrpca.

Kako nastaje metalna veza između atoma magnezija?

Elektronska konfiguracija atoma magnezija je:

Djelovanjem vanjskog električnog polja
elektroni prelaze iz valentne u vodljivu vrpcu.
Valentna vrpca je djelomično popunjena, a vodljiva vrpca je nepopunjena.
Na taj način elektroni u metalu provode struju.

Tvari u kojima se valentna i vodljiva vrpca ne preklapaju,
a energijski razmak između njih nije velik, nazivamo poluvodiči.
Poluvodiči nisu dobri vodiči električne struje.
Veliku uporabu kao poluvodiči imaju silicij i germanij.

Tvari s velikim energijskim razmakom
između valentne i vodljive vrpce su izolatori.
Izolatori ne provode struju i toplinu.
To je zato što je za prijelaz elektrona iz valentne u vodljivu vrpcu
potrebna izuzetno velika energija.
Neki od izolatora su guma, staklo, plastika i drugi.

Kako se poluvodičima može povećati vodljivost?

Vodljivost poluvodiča može se povećati porastom temperature.
Vodljivost silicija i germanija pri višim temperaturama je veća.
Naime, porastom temperature raste energija elektrona u valentnoj vrpci.
Na taj način elektron prelazi iz valentne u vodljivu vrpcu.
Mjesto u kristalu s kojeg je elektron otišao nazivamo šupljinom.
U tu šupljinu može ući elektron iz neke od susjednih veza.
Tada šupljina nastaje na nekom drugom mjestu.

Vodljivost poluvodiča može se povećati i
dodatkom malih količina nekih drugih atoma.
Takve poluvodiče nazivamo poluvodiči s nečistoćama.

Zamijeni li se atom silicija atomom fosfora,
tada taj elektron dodanog atoma prelazi iz valentne u vodljivu vrpcu.
Atom fosfora ima jedan valentni elektron više.
Na taj se način povećava električna vodljivost silicija.
Takvi poluvodiči nazivaju se poluvodiči n-tipa (n-negativno).