Вопрос о том, имеют ли щелочные металлы молекулярное строение, является одним из частых заблуждений в изучении химии․ Ответ на него однозначный: нет, щелочные металлы не имеют молекулярного строения․
Чтобы понять, почему это так, необходимо разобраться в том, что представляет собой кристаллическая решетка, какие типы решеток существуют и как именно устроены металлы на атомарном уровне․
Что такое кристаллическая решетка?
Все твердые тела по своей природе делятся на аморфные и кристаллические․ Металлы и сплавы, несмотря на все их разнообразие, имеют одну общую черту — это кристаллические тела․ Они обладают определенным типом кристаллической решетки․
Кристаллическая решетка, это упорядоченное расположение частиц (атомов, ионов или молекул), которое повторяется в трех измерениях и образует правильную структуру․
Важно! Не путайте два понятия: кристаллическая решетка и химическая связь․ Это разные, хотя и взаимосвязанные вещи․
Четыре основных типа кристаллических решеток
В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах решетки и какой вид связи их удерживает, в химии выделяют четыре основных типа:
- Ионная — в узлах находятся ионы․ Характерна для солей, оксидов и некоторых гидроксидов․ Ионной решеткой обладают также щелочи․
- Атомная — в узлах находятся атомы, соединенные прочными ковалентными связями․
- Молекулярная — в узлах находятся молекулы, между которыми действуют слабые силы притяжения, а внутри молекул — ковалентные связи․
- Металлическая — в узлах находятся малоподвижные положительно заряженные ионы, между которыми движутся свободные электроны (так называемый «электронный газ»)․
Какое строение имеют щелочные металлы?
Щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций) — это типичные представители металлов․ Следовательно, они обладают металлической кристаллической решеткой, а не молекулярной․
Из-за диффузии отдельные атомы могут покидать свои места в узлах кристаллической решетки, однако при этом упорядоченность кристаллического строения в целом не нарушается․ В узлах решетки щелочных металлов располагаются положительные ионы, а между ними беспорядочно движутся обобществленные электроны, которые отдали атомы при образовании химической связи․
Именно металлический тип связи и соответствующая кристаллическая решетка обуславливают комплекс физических свойств щелочных металлов:
- Характерный металлический блеск
- Высокая электропроводность
- Хорошая теплопроводность
- Высокая пластичность
Типы кристаллических решеток металлов
Металлические материалы могут иметь разные геометрические формы кристаллических решеток․ Характерными признаками любой решетки являются параметр решетки, координационное число и плотность упаковки атомов․ Для большинства металлов, включая щелочные, характерны следующие типы:
Объемно-центрированная кубическая (ОЦК)
Атомы расположены в углах куба и один атом находится в центре куба (он принадлежит только одной ячейке)․ Период решетки равен а, координационное число К=8, базис решетки равен 2․ Данный тип решетки имеют металлы K, Na, Li, а также Ta, W, Mo, Feα, Cr, Nb и другие․ Как видим, щелочные металлы (Na, K, Li) имеют именно ОЦК-решетку․
Гранецентрированная кубическая (ГЦК)
Атомы находятся в углах куба и в центре каждой его грани․ ГЦК-решетки имеют алюминий, медь, никель и другие металлы․ Этот тип решетки обладает большей плотностью упаковки․
Гексагональная плотноупакованная (ГПУ / ГК)
Основание решетки — шестиугольник, атомы расположены в его углах, один в центре и три атома внутри призмы․
Почему щелочные металлы нельзя назвать молекулярными?
Если бы щелочные металлы имели молекулярное строение, они бы вели себя совершенно иначе․ Вещества с молекулярной кристаллической решеткой обычно:
- Являются хрупкими и не обладают пластичностью;
- Не проводят электрический ток (или проводят, но только в растворенном или расплавленном виде, как в случае с некоторыми оксидами);
- Имеют низкие температуры плавления и кипения․
Щелочные металлы, напротив, отлично проводят ток (благодаря электронному газу), легко режутся ножом (обладают пластичностью) и не состоят из отдельных молекул в твердом состоянии․ Весь кусок натрия или калия — это единая макроскопическая кристаллическая структура (металлическая решетка)․
Утверждение о том, что щелочные металлы имеют молекулярное строение — это миф․ Они обладают металлической кристаллической решеткой (в частности, объемно-центрированной кубической), в узлах которой находятся катионы металлов, скрепленные свободными электронами․ Именно это строение делает их настоящими металлами, наделяя всеми характерными физическими свойствами․