Электропроводность и теплопроводность металлов — Справочник химика 21
Металлы образуются из атомов электроположительных элементов. В сплавах определенные места в решетке могут быть заняты либо атомами отдельного компонента, либо различными видами атомов. Высокая электропроводность и теплопроводность металлов обусловлены движением свободных электронов через пространственную решетку. [c.583] Электропроводность и теплопроводность металлов [c.218]
Электропроводность и теплопроводность металлов объясняются подвижностью электронов неполностью заполненных зон, обусловленной тем, что в этих зонах к уровням, занятым электронами, вплотную примыкают свободные уровни, на которые могут переходить (возбуждаться) электроны. [c.91]
Предположение о том, что электроны в металле свободно перемещаются и в отсутствие электрического поля, подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, обнаруживается универсальная связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Теплопроводность металлов значительно выше, чем теплопроводность изоляторов найдено, что отношение электропроводности и теплопроводности, по крайней мере при средних температурах, является универсальной функцией температуры и не зависит от природы металла (закон Видемана — Франца). Это указывает на общность механизма обоих процессов перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется за счет движения свободных электронов следовательно, свободные электроны в металле имеются и в отсутствие электрического поля. Факт существования в металлах свободно перемещающихся электронов подтверждается также явлением термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми металлами). Следует отметить, что распределение скоростей электронов в металле, как показывает опыт, является максвелловым. Таким образом, наличие в металлах электронного газа можно считать экспериментально подтвержденным. Предположив, что электронный газ в металле обладает свойствами классического идеального газа, Друде дал теоретическое истолкование наблюдаемой на опыте зависимости между теплопроводностью и электропроводностью. Был объяснен ряд термоэлектрических явлений. Правда, возникли расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями теплоемкости металлов. Согласно классическому закону равнораспределения энергии электронный газ должен давать вклад в теплоемкость металла, равный 3/2 Я а а 1 моль свободных электронов (если металл одновалентный, это вклад на 1 моль вещества). Однако экспериментально установлено, что вклад электронов в теплоемкость практически равен нулю. Это противоречие нашло объяснение наос- [c.183]
Табл. 2 показывает также, что электропроводность и теплопроводность металлов не слишком сильно (не более, чем в 2,5 раза) меняются при плавлении. Подобные же результаты были получены [9] для Fe, Со и Ni, у которых отношения Ятв/иж составляют соответственно 1,07, 1,11 и 1,14. Мало изменяются при плавлении и магнитные восприимчивости N1 и Со (9].
[c.14]
Чрезвычайно высокие по сравнению с другими типами кристаллов значения электропроводности и теплопроводности металлов указывают на высокую подвижность и большую свободу электронов в их пространственной структуре. С точки зрения строения атомов типич- [c.79]
В металле число атомных орбиталей, участвующих в образовании отдельной молекулярной орбитали, чрезвычайно велико, поскольку каждая атомная орбиталь перекрывается сразу с несколькими другими. Поэтому число возникающих молекулярных орбиталей тоже оказывается очень большим. На рис. 22.20 схематически показано, что происходит при увеличении числа атомных орбиталей, перекрыванием которых создаются молекулярные орбитали. Разность энергий между самой высокой и самой низкой по энергии молекулярными орбиталями не превышает величины, характерной для обычной ковалентной связи, но число молекулярных орбиталей с энергиями, попадающими в этот диапазон, оказывается очень большим. Таким образом, взаимодействие всех валентных орбиталей атомов металла с валентными орбиталями соседних атомов приводит к образованию огромного числа чрезвычайно близко расположенных друг к другу по энергии молекулярных орбиталей, делокализованных по всей кристаллической решетке металла. Различия в энергии между отдельными орбиталями атомов металла настолько незначительны, что для всех практических целей можно считать, будто соответствующие уровни энергии образуют непрерывную зону разрешенных энергетических состояний, как показано на рис. 22.20. Валентные электроны металла неполностью заполняют эту зону. Можно упрощенно представить себе энергетическую зону металла как сосуд, частично наполненный электронами. Такое неполное заселение разрешенных уровней энергии электронами как раз и обусловливает характерные свойства металлов. Электронам, заселяющим орбитали самых верхних заполненных уровней, требуется очень небольшая избыточная энергия, чтобы возбудиться и перейти на орбитали более высоких незанятых уровней. При наличии любого источника возбуждения, как, например, внешнее электрическое поле или приток тепловой энергии, электроны возбуждаются и переходят на прежде незанятые энергетические уровни и таким образом могут свободно перемещаться по всей кристаллической решетке, что и обусловливает высокие электропроводность и теплопроводность металла. [c.361]
Металлы характеризуются специфическим блеском, высокой электропроводностью, теплопроводностью и пластичностью. В то же время пары металлов — такие же диэлектрики, как и инертные газы, и отличаются от последних сравнительно малой энергией ионизации. Большая электропроводность и теплопроводность металлов, их термоэлектронная эмиссия обусловливается наличием свободных электронов. Считают, что при сближении атомов в процессе формирования металла происходит делокализация валентных электронов. Металл рассматривается как система правильно расположенных в пространстве положительных ионов и перемещающихся среди них делокализованных электронов. Эти электроны компенсируют силы отталкивания между ионами и связывают их в единую кристаллическую решетку.
Какие физические свойства металлов обуславливает металлическая связь
Положение металлов в периодической системе
В перечне простых веществ, составленном великим французским химиком Лавуазье в 1789 г. присутствует 17 металлов, в первом варианте периодической таблицы Д.И. Менделеева (1869) – их уже 47. Из 114 химических элементов 92 являются металлами. В традиционном варианте Периодической системе элементы-металлы расположены в начале периодов, а также в побочных подгруппах. Условной границей, отделяющей металлы от неметаллов, служит прямая, проведенная от бора до астата в длинном варианте периодической таблицы. Металлы оказываются левее и ниже этой прямой, неметаллы – правее и выше, а элементы, находящиеся вблизи прямой имеют двойственную природу, иногда их называют металлоидами. В Периодической системе, утвержденной ИЮПАК, металлы расположены в 1-12 группах.
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
Атомы металлов на внешнем уровне содержат не более четырех электронов, как правило, от одного до трех. Отдавая эти электроны, они приобретают устойчивую оболочку ближайшего инертного газа:
$Ca^0 hspace{10pt}-2bar{e}rightarrow Ca^{+2}$
$overbrace{1s^22s^22p^63s^23p^64s^2}hspace{10pt}-2bar{e}rightarrowoverbrace{1s^22s^22p^63s^2 3p^6}$
Таким образом, металлы в химических реакциях являются восстановителями – они приобретают положительную степень окисления. В этом заключается их принципиальное отличие от элементов-неметаллов.
Определение
Способность атома элемента смещать на себя электроны химической связи называют электроотрицательностью.
Вследствие низких значений электроотрицательности металлы легче отдают электроны, чем притягивают их, и, следовательно проявляют восстановительные свойства.
Слова «металл» и «неметалл» применимы не только к химическим элементам, но и к простым веществам. Например, говоря, что простое вещество является металлом, мы подразумеваем не только что оно состоит из атомов элемента-металла, но и определенную общность физических (металлический блеск, пластичность) и химических (восстановитель) свойств. Металлические свойства простых веществ убывают при движении по периоду слева направо, а по группе — снизу вверх. В наибольшей степени металлические свойства выражены у элементов главной подгруппы I группы Периодической системы – щелочных металлов. Их атомы настолько легко отдают валентный электрон, что в природе эти элементы встречаются исключительно в виде соединений.
Кристаллическая решетка и металлическая связь
Металлы имеют металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой расположены отдельные атомы. Они слабо удерживают валентные электроны, которые по этой причине свободно перемещаются по всему объему металла, формируя единое электронное облако и в равной степени притягиваются всеми атомами. Такая связь называется металлической.
Общие свойства металлов – пластичность, способность отражать свет, тепло- и электропроводность – объясняются особенностями их строения. При сильном надавливании кусок металла изменяет форму – часть атомов смещается, но не рассыпается: общее электронное облако прочно удерживает все атомы вместе. В электрическом поле свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, такое упорядоченное движение электронов называют электрическим током.
Чем больше в металле свободных электронов и чем сильнее колебания атомов, находящихся в узлах решетки, тем быстрее происходит выравнивание температуры во всем куске металла, то есть тем больше его теплопроводность. Поэтому относительные значения тепло- и электропроводности для многих металлов близки.
Физические свойства металлов
Агрегатное состояние и температуры плавления. Температуры плавления металлов меняются в очень широких пределах. Самый легкоплавкий из металлов – ртуть – при комнатной температуре является жидкостью. Металл галлий плавится от теплоты человеческого тела. Из металлов широко применяемых в технике, наиболее легкоплавкие – олово и свинец. Наибольшую температуру плавления имеет вольфрам, из которого изготавливают нити накаливания лампочек. Металлы с температурой плавления выше $1000^oC$ принято называть тугоплавкими.
ртуть галлий вольфрам
Окраска. Среди металлов немногие обладают характерной окраской. «Золото через свой изрядно желтый цвет и блещущую светлость от прочих металлов отлично», – писал Михаил Васильевич Ломоносов. Медь имеет розово-красный цвет, серебро и платина – белый, щелочной металл цезий – бледно-желтый. Для описания цвета других металлов трудно подобрать слова. Все они кажутся нам серыми с тем или иным едва заметным оттенком.
