Металлы характеризуются высокой электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью и блеском, что напрямую связано с их электронной структурой. В кристаллах металлов валентные электроны образуют общую электронную “пару” или облако, подвижное по всему объему решётки. Такой механизм удержания атомов в металле называют металлической связью.
Ключевыми особенностями металлической связи являются:
Металлическая связь проявляется в различных свойствах металлов. Электропроводность и теплопроводность объясняются подвижностью электронов, а блеск — способностью электронного облака отражать световые волны.
Металлы образуют упорядоченные кристаллические решётки, где атомы располагаются на узлах. Основные типы решёток:
Координационное число (число ближайших соседей) влияет на механические свойства: чем выше координационное число, тем прочнее металл. Плотность упаковки определяет теплопроводность и электропроводность, так как электронное облако более равномерно распределено.
Пластичность и ковкость обеспечиваются подвижностью атомных слоев. При деформации атомы смещаются, а делокализованные электроны удерживают систему целой.
Теплопроводность и электропроводность связаны с возможностью электронов переносить энергию и заряд. Чем больше число подвижных электронов на единицу объёма, тем выше проводимость.
Металлический блеск возникает за счёт отражения света поверхностью, где свободные электроны взаимодействуют с электромагнитными волнами, создавая зеркальный эффект.
Температурная зависимость свойств проявляется в расширении кристаллической решётки и уменьшении проводимости при нагревании. С увеличением температуры электронное облако сталкивается с колеблющимися ионами, затрудняя движение электронов.
Высокая теплота плавления металлов объясняется энергией металлической связи. Чем сильнее делокализованные электроны удерживают положительные ионы, тем выше температура плавления.
Прочность металлов определяется как характером решётки, так и числом валентных электронов, участвующих в формировании общего электронного облака. Лёгкие металлы с малым числом валентных электронов имеют меньшую прочность и температуру плавления, чем тяжелые и переходные металлы с большим числом свободных электронов.
Некоторые металлы проявляют аллотропию — способность существовать в нескольких кристаллических модификациях. Например, железо имеет:
Смена модификаций сопровождается изменением плотности, твердости и магнитных свойств. Структурные изменения обусловлены перекристаллизацией и перестройкой электронного облака, влияющей на металлическую связь.
Добавление примесей изменяет свойства металлов через твердые растворы или образование интерметаллидов. Примеси могут:
В сплавах сохраняется металлическая связь, но распределение электронного облака становится неоднородным, что отражается на макроскопических свойствах материала.
Металлы обладают различной магнитной восприимчивостью, зависящей от электронной конфигурации. Парамагнитные и ферромагнитные металлы имеют неспаренные электроны, взаимодействующие с внешним магнитным полем.
Электронная плотность определяет работу выхода электронов, что важно для процессов термоэлектронной эмиссии, катализа и электрохимических явлений.
Металлическая связь и электронное облако обеспечивают универсальность металлов в применении: от конструкционных материалов до проводников и магнитных устройств.