WikiSysop: Bot: Automatski unos stranica

2021-10-01T01:01:25Z

Bot: Automatski unos stranica

Nova stranica

[[Datoteka:Struktura elektronskih vrpca.jpg|mini|desno|Struktura elektronskih vrpci kod metala, poluvodiča i izolatora.|258x258px]]
[[Datoteka:Poluvodic 01.png|desno|mini|300px|Valentni pojasevi [[poluvodič]]a pokazuju potpuno popunjen valentni pojas i prazan vodljivi pojas. Fermijev nivo leži unutar zabranjenog pojasa.]]
[[Datoteka:Metalna veza.jpg|mini|desno|300px|Model metalne veze.]]
[[Datoteka:Hexagonal lattice.svg|mini|desno|300px|Heksagonska rešetka.]]
[[Datoteka:Bohr atom model English.svg|mini|desno|300px|[[Bohrov model atoma]] prikazuje elektronski nivo elektrona s njegovom energijom, koja se označuje s brojem ''n''.]]

'''Metalna veza''' je [[Kemijska veza|veza]] između [[atom]]a [[metal]]a. Osnovna privlačna [[sila]] koja djeluje između atoma metala uzrokovana je uzajamnim djelovanjem metalnih [[ion]]a i zajedničkog [[elektron]]skog oblaka. Svi atomi su postali pozitivni ioni koje čvrsto veže jedan oblak delokaliziranih elektrona. Metalna veza nije usmjerena u prostoru.<ref>"Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.</ref>

==Teorija elektronskih vrpci==
Preklapanjem orbitala metalnih iona koji se nalaze međusobno vrlo blizu nastaju [[molekula|molekulske]] orbitale koje nazivamo vrpce ili zone. Razlikuje se valentna i vodljiva vrpca. U '''valentnoj vrpci''' nalaze se [[Kovalentni radijus|valentni]] elektroni. [[Valencija (kemija)|Valentna]] vrpca sadrži [[Bohrov model atoma|energetske nivoe]] koji su popunjeni elektronima. Iznad nje se prostire vrpca bez elektrona – '''vodljiva vrpca'''. Vodljiva vrpca sadrži prazne energijske nivoe. Oni omogućuju elektronima da pod utjecajem vanjskog [[Električno polje|električnog polja]] poprime veći sadržaj [[energija|energije]] i da putuju kroz [[kristal]], pa metal provodi [[električna struja|električnu struju]]. U metalima su valentna i vodljiva vrpca tako blizu (preklapaju se) da elektroni bez zapreke prelaze iz jedne u drugu.

Potrebna je zanemarivo mala energija za prijelaz elektrona iz valentne u vodljivu vrpcu. Udaljenost između valentne i vodljive vrpce nije kod svih elemenata jednaka. Kod metala su valentna i vodljiva vrpca vrlo blizu, pa energetska barijera (''ΔE'') za prijelaz elektrona gotovo i ne postoji. Povećanjem udaljenosti među vrpcama raste energetska barijera, pa je za prijelaz elektrona potrebna veća energija.<ref>[http://www.pmfst.hr/~vilibic/praktikum/fp4_p2.pdf] "Poluvodiči", Fakultet PMZOP, Split, www.pmfst.hr, 2011.</ref>

Tvari koje slabo provode električnu struju su [[poluvodič]]i (npr. [[silicij]], [[germanij]]). Porastom [[temperatura|temperature]] poneki elektron iz veze dobiva dovoljno energije za savladavanje energetske barijere i prelazi u vodljivu vrpcu. Osim o temperaturi vodljivost poluvodiča ovisi i o nazočnosti male količine drugih atoma u strukturi. Takve poluvodiče nazivamo poluvodiči sa nečistoćama. Poluvodiči imaju veliku važnost u [[elektronika|elektronici]] jer se rabe za proizvodnju elektroničkih elemenata ([[Dioda|diode]], [[tranzistor]]i i sl.).

Tvari kod kojih postoji velika energetska barijera između valentne i vodljive vrpce nazivamo [[izolator]]i. Izolatori ne provode [[elektricitet]]. Tipična izolatorska svojstva imaju [[staklo]], [[plastika]] i [[guma]].

===Električna vodljivost i ostala svojstva metala===
Metalna svojstva (sposobnost reflektiranja svjetlosti, dobra [[Električna vodljivost|električna]] i [[toplinska vodljivost]], sposobnost plastičnog oblikovanja, a katkad i [[feromagnetizam]]) potječu od metalne veze, s pozitivnim metalnim [[ion]]ima između kojih se slobodno gibaju valentni elektroni i stvaraju elektronski oblak. Ako se električni napon dovede krajevima [[Električni vodič|metalne žice]], slobodni valentni elektroni se počnu gibati u određenom smjeru brzinom od oko 0,0001 [[Metar u sekundi|m/s]], i time nastaje tok [[električna struja|električne struje]]. [[Električna vodljivost]] je dana s dvije veličine: gustoćom slobodnih elektrona i njihovom pokretljivošću.<ref>[http://www.riteh.uniri.hr/zav_katd_sluz/zm/pdf/nastava/materijali_I/skripta/skripta-lekcija_11%28mtrI%29.pdf] "Materijali I", Izv. prof. dr. sc. Loreta Pomenić, www.riteh.uniri.hr, 2011.</ref>

Slobodno strujanje tzv. "delokaliziranih" elektrona "štiti" pozitivno nabijene jezgre iona od djelovanja međusobnih odbojnih [[Coulombov zakon|elektrostatskih sila]], a metalna veza nema karakter usmjerenosti. Pored toga, slobodni elektroni drže poput "ljepila" [[Coulombov zakon|Coulombovim silama]] na okupu jezgre iona ispunjavajući prostor unutar [[Kristalna rešetka|kristalne rešetke]] metalnih iona.

Karakterističan sjaj metala posljedica je međudjelovanja delokaliziranih elektrona s upadnim [[svjetlost|svjetlom]]. Kovkost metala proizlazi iz neusmjerenosti metalne veze, što znači da se ona može lako raskidati na jednom i stvarati na drugom mjestu. Metali tvore gusto pakirane [[Kristali metala|kristalne strukture]] zbog [[Simetrija|simetričnosti]] pozitivnih jezgri iona i težnji za što stabilnijim energetskim stanjem. Energije veze i temperature taljenja za pojedine metale mogu jako razlikovati. Tako je npr. energija veze za [[živa|živu]] 68 [[Džul|kJ]]/[[Mol (mjerna jedinica)|mol]], a za [[volfram]] 850 kJ/mol, dok odgovarajuće [[Talište|temperature taljenja]] iznose -39 i 3410 [[Celzijev stupanj|ºC]].

==Osnove elektronske teorije metala==
Za temperature koje nisu preniske vrijedi Franz – Wiedemannov zakon (1853.), koji ukazuje na povezanost [[Električna vodljivost|električne]] i [[toplinska vodljivost|toplinske vodljivosti]] kod metala, što znači da nosioci električnog naboja ([[elektron]]i) uzrokuju i [[prijenos topline]]. Iz temperaturne ovisnosti električne vodljivosti slijedi da ioni rešetke ne mogu biti nosioci naboja u smislu njegovog prijenosa. Ostaju samo lako pokretljivi elektroni, koji utječu i na mnoga druga svojstva metala (npr. na Peltierov i Hallov efekt, termopotencijal itd.). Vodljivi elektroni utječu i na [[optika|optička]] svojstva metala kao što su sjaj i [[Refrakcija|indeks loma]].<ref>[http://www.periodni.com/enig/kemijska_veza_teorija_valentne_veze.html] "Kemijska veza: Teorija valentne veze", dr. sc Slobodan Brinić, Kemijsko-tehnološki fakultet u Splitu, www.periodni.com, 2011.</ref>

Koncem 19. stoljeća Drude i [[Hendrik Antoon Lorentz|Lorentz]] smatraju da električna vodljivost metala ovisi o prisutnosti slobodnih elektrona koji se kreću cijelom njihovom unutrašnjošću. Njihova se zamisao, u bitnom, kasnije pokazala kao ispravna. Znamo, međutim, da elektroni mogu napustiti površinu metala samo pri visokim [[temperatura]]ma, reda tisuću i više stupnjeva [[Kelvin]]a, putem svojevrsnog “isparavanja”. To je bit elektronske emisije iz zagrijanih tijela. Slobodni elektroni su dakle vezani za ukupnost atoma u metalu, a ne za pojedinačne atome. Drugim riječima elektroni unutar metala zajednički su jezgrama (pozitivnim ionima) na sličan način kao u molekuli [[vodik]]a. Ali za razliku od ovog primjera, u kojem su samo dvije jezgre i dva elektrona, metal (kapljevit ili čvrst) sadrži ogroman broj [[Atomska jezgra|jezgara]] (ili točnije pozitivnih iona) i ''n'' puta veći broj valentnih elektrona (''n'' = valencija, odn. [[Električni naboj|nabojni]] broj ), koji se tijekom kondenzacije para metala oslobode i “neometano” kreću u prostornim granicama metala.

===Gibanje slobodnih elektrona u metalu===
S gledišta elektronske teorije metala metalno tijelo, čvrsto ili kapljevito, sastoji se od pozitivnih iona "uronjenih" u sredinu slobodnih elektrona tzv. “elektronski plin”. Slobodni elektroni struje između pozitivnih iona, koji su nastali oslobađanjem valentnih elektrona, prema određenim zakonitostima. Oni također međusobno privlače i povezuju pozitivne ione zbog djelovanja [[Coulombov zakon|Coulombovih sila]].<ref>[http://www.simet.unizg.hr/nastava/predavanja/Fizikalna%20metalurgija%20I.pdf/view] "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.</ref>

[[Električna vodljivost]] metala kao posljedica oslobađanja valentnih elektrona i metalna veza, koju osiguravaju ti isti slobodni elektroni, dvije su strane medalje.

Kod pojedinačnih atoma, općenito gledajući, vezivanje elektrona na [[kation]]ski ostatak tim je labavije, što je manji broj elektrona u vanjskoj ljusci. Ako je u vanjskoj ljusci samo jedan elektron, kao kod [[litij]]a ([[natrij]]a itd.), njega privlači pozitivni ostatak atoma jednak jedinici. Privlačna sila je u tom slučaju malena. Ako su u vanjskoj ljusci dva elektrona ([[berilij]], [[magnezij]] itd.) pozitivni ioni imaju dvostruki naboj. Svaki od elektrona tada privlači jezgri dvostruko veća sila od one koja privlači jedini elektron u jednovalentnom atomu (pod [[Valencija (kemija)|valencijom]] se ovdje i dalje podrazumijeva nabojni broj). U trovalentnom atomu ([[aluminij]] itd.) su tri vanjska elektrona, pa je naboj kationskog ostatka tada tri puta veći nego u jednovalentnom atomu. Prirodno je dakle, da se s povećanjem broja elektrona (uz istovremeno povećanje naboja pozitivnog iona) privlačna sila “jezgre” prema elektronima povećava i polumjer orbitale smanjuje, što uzrokuje povećanje čvrstoće veze.

Tipični metal je jednovalentan. Njegov atom sadrži samo jedan elektron u vanjskoj ljusci. S porastom broja elektrona u vanjskoj ljusci povećava se i čvrstoća veze elektrona s “jezgrom". Uslijed približavanja atoma otežavaju se uvjeti za oslobađanje elektrona, jer se promjeri vanjskih elektronskih ljuski smanjuju. Slikovito rečeno, metal se sastoji od pozitivnih iona koji “plivaju” u negativno nabijenoj kapljevini (“plinu”) slobodnih elektrona. Taj “elektronski plin” ne popunjava samo prostore između atoma, već djelomično prodire i unutar samih atoma. To temeljno načelo u znatnoj mjeri određuje i kristalnu građu čvrstog metala. Međusobno privlačenje pozitivnih iona posredstvom “elektronskog plina” ekvivalentno je vanjskom [[tlak]]u. U takvim uvjetima najpogodniji je kompaktan [[Kristali metala|raspored atoma]] kubični plošno-centrirani ili heksagonski.

Elektroni u metalu ne miruju, već se gibaju po [[Kvantna elektrodinamika|kvantnim zakonitostima]] prelazeći s atoma na atom. [[Brzina]] tog gibanja nije ni u kakvoj vezi s temperaturom, jer se ono zbiva i na temperaturi apsolutne nule, gdje prestaju sva druga termička gibanja. U odsutnosti vanjskog električnog polja, elektroni se gibaju nasumce poput čestica kod toplinskog gibanja ([[Brownovo gibanje]]), što je ujedno i jedina sličnost tih dvaju gibanja. Brzina čestica kod toplinskog gibanja ovisi o temperaturi, dok brzina gibanja slobodnih elektrona u metalu nema ničeg zajedničkog s temperaturom; to se očituje time da toplinsko gibanje prestaje pri temperaturi apsolutne nule, dok se gibanje slobodnih elektrona ne zaustavlja, kao što se ne može zaustaviti ni gibanje elektrona u individualnom atomu ili molekuli.

[[Kinetička energija]] elektrona u metalu je oko sto puta veća od kinetičke energije molekula običnog plina (npr. [[kisik]]a, [[dušik]]a itd.) kod iste temperature. Jasno je, da uz takve odnose temperatura ne može bitno utjecati na kinetičku energiju gibanja elektrona. Ovisnost energije gibanja elektrona o temperature počinje se očitovati tek negdje pri temperaturama sto puta višim od sobne.<ref>[http://instrukcije-kemija.blogspot.com/2011/01/instrukcije-iz-kemije-metalna-veza.html] "Metalna veza", instrukcije-kemija.blogspot.com, 2011.</ref>

==Izvori==
{{izvori}}

[[Kategorija:Metalurgija]]
[[Kategorija:Kemijske veze]]
[[Kategorija:Kemijska svojstva]]

Metalna veza - Povijest promjena

WikiSysop: Bot: Automatski unos stranica