Pytanie:
Co sprawia, że ​​niektóre metale topią się w wyższej temperaturze?
F'x
2012-04-28 19:23:08 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Patrzę na temperaturę topnienia elementów metalowych i zauważam, że metale o wysokiej temperaturze topnienia są zgrupowane w lewym dolnym rogu $ \ mathrm {d } $ -block. Jeśli weźmiemy na przykład układ okresowy ze stanem fizycznym wskazanym w $ \ pu {2165 K} $ :

enter image description here

Widzę, że (poza borem i węglem) jedyne pierwiastki wciąż stałe w tej temperaturze tworzą dość dobrze zdefiniowany blok wokół wolframu (który topi się w $ \ pu {3695 K } $ ). Więc co sprawia, że ​​ta grupa metali topi się w tak wysokiej temperaturze?

Spójrz na węgiel i bor i pomyśl jeszcze raz.
@Georg przepraszam, ale nie uważam twojego komentarza za bardzo użyteczny… czy mógłbyś wyrazić się bardziej dosadnie? Wiem o węglu i borze i pytam o metale…
@F'x, Bardzo podoba mi się twoje pytanie. To trudne! Georg, też nie jestem do końca pewien twojego kierunku, ale bardzo ścisłe wiązanie kowalencyjne boru i węgla jest tak różne od metalicznego wiązania typowego dla wszystkich metali, że jestem prawie pewien, że kluczowy wgląd w to jest gdzie indziej. Zauważyłbym również, że gęstość atomowa (nie całkiem taka sama jak gęstość masy) prawdopodobnie odgrywa ważną rolę, ponieważ wyspa metali, którą wskazałeś, zawiera (myślę) niektóre z metali o największej gęstości w liczbie atomów na cm3. Czy to bardzo fajne narzędzie, którego używasz (?), Przypadkiem też to pokazuje?
@TerryBollinger dostępne jest narzędzie flash http://www.rsc.org/periodic-table
Czyste wiązanie metaliczne tworzy raczej miękkie i plastyczne rzeczy, takie jak sód lub miedź. Metale w tym centralnym obszarze (wolfram i ko) mają pewne miejscowe wiązania zmieszane z metalowymi! Pomyśl o strukturze typu W! Prawdziwy metal powinien mieć jakieś najbliższe opakowanie, nic więcej.
Dwa odpowiedzi:
#1
+31
Hauser
2012-05-11 04:21:35 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Niektóre czynniki zostały zasugerowane, ale pozwolę sobie uporządkować je według ważności i wspomnę o innych:

  • metale mają na ogół wysoką temperaturę topnienia, ponieważ metaliczne związki międzyatomowe wiązanie przez zdelokalizowane elektrony ( $ \ ce {Li} $ posiadające tylko kilka elektronów dla tego "morza elektronów") między atomami rdzenia jest całkiem skuteczne w tych czyste cząstki stałe w porównaniu z alternatywnymi typami wiązania (jonowe $ \ pu {6–20 eV / atom} $ energia wiązania, kowalencyjne 1-7, metaliczne 1-5, van -der-Waals znacznie niższy). Ponadto sieci jonowe, takie jak $ \ ce {NaCl} $ , mają wyższą sieć i energię wiązania, w przeciwieństwie do większości metali mają słabe wiązanie międzyatomowe o dużym zasięgu. Rozpadają się lub są łatwo rozpuszczalne, metale są plastyczne, ale nie pękają, morze elektronów jest przyczyną ich zdolności spawania.

  • Struktura kryształu i masa odgrywają gorszą rolę rolę między filtrowanymi pierwiastkami (wystarczy spojrzeć na strukturę krystaliczną tych pierwiastków), ponieważ wiązanie metaliczne nie jest kierunkowe w przeciwieństwie do wiązania kowalencyjnego (symetria orbitalna). Metale często mają w połowie wypełnione pasma $ \ mathrm {s} $ i $ \ mathrm {p} $ ( silniejsza zdelokalizacja niż $ \ mathrm {d} $ i $ \ mathrm {f} $ ) w Fermi -krawędź (co oznacza wysokie przewodnictwo), a zatem wiele zdelokalizowanych elektronów, które mogą przejść do niezajętych stanów energetycznych, dając największe morze elektronów z połową lub mniej pasm wypełnienia.

  • metale szlachetne, takie jak $ \ ce {Au, Ag} $ mają pełny $ \ mathrm {d } $ orbital, stąd niska reaktywność / elektroujemność i są często używane jako materiały kontaktowe (wysokie przewodnictwo ze względu na „bardzo płynne” morze elektronów składające się tylko z $ \ mathrm {s} $ - elektrony orbitalne. W przeciwieństwie do wolframu z zajętym w połowie lub mniej $ \ mathrm {d} $ -orbitale nie wykazują międzyatomowych $ \ mathrm {dd} $ łączenie przez zdelokalizowane $ \ mathrm {d} $ -elektronów, a co ważniejsze, pół wypełniony $ \ mathrm {d} $ -orbital wnosi 5 elektronów do pasma energii, podczas gdy $ \ mathrm {s} $ tylko 1, $ \ mathrm {p} $ tylko 3, morze elektronów jest większe wśród $ \ mathrm {d} $ -group.

  • „upakowanie” rdzeniowych atomów w siatce (odległość międzyatomowa) pomiędzy wysokim $ Z $ atomy (w porównaniu do np. $ \ ce {Li} $ ) są gęstsze (więcej protonów, silniejsze przyciąganie elektronów powłoki, mniejsze promień międzyatomowy), oznacza silniejsze wiązanie międzyatomowe przenoszone przez morze elektronów:

enter image description here

Tutaj widać, że w każdej serii ( $ \ ce {Li, \ Na, \ K} $ ) punkty topnienia rosną do maksimum, a następnie maleją wraz ze wzrostem liczby atomowej (brak niezajętych stanów energii dla zdelokalizowanej $ \ mathrm {d} $ -elektronów), większe morze elektronów jest tutaj silniejszym czynnikiem niż nieco gęstsze opakowanie.

  • Bor jako półmetal wykazuje wiązanie metaliczne i kowalencyjne, silnie ukierunkowane wiązanie kowalencyjne węgla i jest w stanie zbudować sieć wiązań w przeciwieństwie do innych pierwiastków niemetalicznych wykazujących kowalencyjne wiązanie wewnątrzcząsteczkowe, np. w cząsteczki dwuatomowe, ale nie silne wiązania międzycząsteczkowe w makrocząsteczkach z powodu braku niesparowanych elektronów.

Istnieją więc większe trendy w zakresie temperatur topnienia wyjaśniające wysokie temperatury topnienia $ \ mathrm {d} $ -metale, ale także kilka pomniejszych wyjątków od reguły, takich jak $ \ ce {Mn} $ .

W rzeczywistości „wykazuje wiązanie metaliczne i kowalencyjne” jest raczej niedokładnym opisem dla wysoce nietrywialnego wiązania w borze elementarnym.
#2
+6
Kevin
2012-04-29 00:06:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Myślę, że w grę wchodzą tu dwie właściwości: prędkość atomowa i stabilność struktury sieciowej.

Przypomnij sobie, że temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek, więc $ v \ propto \ sqrt {\ frac {T} {m}} $ lub aby osiągnąć tę samą prędkość, $ T \ propto m $. Tak więc w tej samej temperaturze dwa cięższe atomy będą przemieszczać się obok siebie wolniej niż dwie lżejsze cząsteczki, dając im więcej czasu na interakcję.

Przypomnijmy teraz, że w ciele stałym cząsteczki są utrzymywane w sieci przez siły międzycząsteczkowe, aw cieczy atomy mają wystarczająco dużo energii, że siły między nimi nie są już wystarczająco silne, aby utrzymać atomy w sieci . Zatem im większa stabilność atomów substancji w ich stałym, krystalicznym układzie, tym wyższa będzie jej temperatura topnienia. Dlaczego więc metale w tym obszarze miałyby zyskać większą stabilność w swoich stałych formach? Jestem prawie pewien, że odpowiedź ma związek z kompletnością orbitali i półorbitali. Nie jestem pewien szczegółów zdelokalizowanej chmury elektronów w metalach, ale myślę, że jest prawdopodobne, że pozwala tym metalom w jakiś sposób wypełnić lub opróżnić niekompletne orbitale.

Tak, są ciężkie, ale to tylko połowa sukcesu, prawda? Bo to nie wszystkie ciężkie atomy (rtęć jest ciężka i jest cieczą w warunkach otoczenia…)
Masa atomów odgrywa bardzo małą, jeśli w ogóle jakąkolwiek rolę, w przejściu od ciała stałego do cieczy. Tylko energia jest ważna, jeśli chodzi o zrywanie wiązań, a temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej, a nie prędkości.


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...