Question:
Qu'est-ce qui fait fondre certains métaux à une température plus élevée?
F'x
2012-04-28 19:23:08 UTC
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Je regarde la température de fusion des éléments métalliques et je remarque que les métaux à haute température de fusion sont tous regroupés dans un coin inférieur gauche du $ \ mathrm {d } $ -bloc. Si je prends par exemple le tableau périodique avec état physique indiqué à $ \ pu {2165 K} $ :

enter image description here

Je vois que (à part le bore et le carbone) les seuls éléments encore solides à cette température forment un bloc plutôt bien défini autour du tungstène (qui fond à $ \ pu {3695 K } $ ). Alors, qu'est-ce qui fait fondre ce groupe de métaux à une température aussi élevée?

Regardez Carbon and Boron et détrompez-vous.
@Georg désolé mais je ne trouve pas votre commentaire très utile… pourriez-vous être plus explicite? Je connais le carbone et le bore, et je pose des questions sur les métaux…
@F'x, J'aime beaucoup votre question. C'est dur! Georg, je ne suis pas tout à fait sûr de votre direction non plus, mais la liaison covalente très étroite du bore et du carbone est si différente de la liaison métallique typique de tous les métaux que je suis à peu près sûr que la clé de celle-ci se trouve ailleurs. J'observerais également que la densité atomique (pas tout à fait la même chose que la densité de masse) joue probablement un rôle important, car l'île de métaux que vous avez signalée contient (je pense) certains des métaux les plus denses en atomes par cm3. Est-ce que cet outil très cool que vous utilisez (?) Le montre par hasard?
@TerryBollinger il existe un outil flash http://www.rsc.org/periodic-table
Une liaison métallique pure rend les choses plutôt molles et malléables comme le sodium ou le cuivre. Les métaux de cette zone centrale (tungstène et co) ont des liaisons localisées mélangées à des liaisons métalliques! Pensez à la structure W-Type! Un vrai métal devrait avoir un emballage le plus proche, rien d'autre.
Deux réponses:
#1
+31
Hauser
2012-05-11 04:21:35 UTC
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Certains facteurs ont été suggérés, mais permettez-moi de les mettre par ordre d'importance et d'en mentionner d'autres:

  • les métaux ont généralement un point de fusion élevé, car interatomique métallique la liaison par des électrons délocalisés ( $ \ ce {Li} $ n'ayant que quelques électrons pour cette "mer d'électrons") entre les atomes du cœur est assez efficace dans ces solides d'éléments purs comparés à d'autres types de liaisons (énergie de liaison ionique $ \ pu {6-20 eV / atom} $ , covalente 1-7, métallique 1-5, van -der-Waals beaucoup plus bas). De plus, les réseaux ioniques comme $ \ ce {NaCl} $ ont un réseau et une énergie de liaison plus élevés, ils ont une faible liaison interatomique à longue distance, contrairement à la plupart des métaux. Ils se séparent ou sont facilement solubles, les métaux sont malléables mais ne se cassent pas, la mer d'électrons est la raison de leur capacité de soudage.

  • la structure cristalline et la masse jouent un jeu inférieur rôle parmi vos éléments filtrés (il suffit de rechercher la structure cristalline de ces éléments), car la liaison métallique n'est pas directionnelle contrairement à la liaison covalente (symétrie orbitale). Les métaux ont souvent des bandes $ \ mathrm {s} $ et $ \ mathrm {p} $ remplies à moitié ( plus fort délocalisé que $ \ mathrm {d} $ et $ \ mathrm {f} $ ) au Fermi -edge (ce qui signifie une conductivité élevée) et donc de nombreux électrons délocalisés qui peuvent se déplacer dans des états d'énergie inoccupés donnant la plus grande mer d'électrons avec des bandes de remplissage de moitié ou moins.

  • les métaux nobles comme $ \ ce {Au, Ag} $ ont un $ \ mathrm {d complet } $ orbitales, donc faible réactivité / électronégativité et sont souvent utilisées comme matériaux de contact (conductivité élevée en raison d'une mer d'électrons "très fluide" constituée uniquement de $ \ mathrm {s} $ -électrons orbitaux. Contrairement au tungstène avec des $ \ mathrm {d} $ orbitaux à moitié ou moins occupés, ils ne montrent aucun $ \ mathrm {dd} $ liaison par des électrons délocalisés $ \ mathrm {d} $ , et plus important encore, un demi $ \ mathrm {d} $ -orbital rempli apporte 5 électrons à la bande d'énergie, tandis qu'un $ \ mathrm {s} $ seulement 1, $ \ mathrm {p} $ seulement 3, la mer d'électrons est plus grande parmi les $ \ mathrm {d} $ -group.

  • Le "conditionnement" des atomes du cœur dans le réseau (distance interatomique) parmi les $ Z $ atomes (comparé à eg $ \ ce {Li} $ ) est plus dense (plus de protons, plus forte attraction des électrons de la coquille, plus petit rayon interatomique), signifie une liaison interatomique plus forte transmise par la mer d'électrons:

enter image description here

Vous pouvez voir ici que dans chaque série ( $ \ ce {Li, \ Na, \ K} $ ) les points de fusion augmentent jusqu'à un maximum puis diminuent avec l'augmentation du nombre atomique (manque d'états d'énergie inoccupés pour la classe $ \ mathrm {d} $ -electrons), une plus grande mer d'électrons étant ici un facteur plus fort qu'un packaging un peu plus dense.

  • Le bore en tant que semi-métal présente une liaison métallique et covalente, une liaison covalente directionnelle forte au carbone et est capable de construire un réseau de liaisons contrairement à d'autres éléments non métalliques présentant une liaison intramoléculaire covalente, par exemple , en molécules diatomiques mais pas de liaison intermoléculaire forte dans les macromolécules en raison du manque d'électrons non appariés.

Il y a donc des tendances plus importantes pour les points de fusion expliquant les points de fusion élevés de $ \ mathrm {d} $ -metals, mais aussi quelques exceptions mineures à la règle comme $ \ ce {Mn} $ .

En fait, «montre une liaison métallique et covalente» est une description plutôt inexacte d'une liaison hautement non triviale dans le bore élémentaire.
#2
+6
Kevin
2012-04-29 00:06:21 UTC
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Je pense qu'il y a deux propriétés en jeu ici: la vitesse atomique et la stabilité de la structure du réseau.

Rappelons que la température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des molécules, donc $ v \ propto \ sqrt {\ frac {T} {m}} $, ou pour atteindre la même vitesse, $ T \ propto m $. Ainsi, à la même température, deux atomes plus lourds se déplaceront plus lentement l'un de l'autre que deux molécules plus légères, ce qui leur donnera plus de temps pour interagir.

Maintenant, rappelez-vous que dans un solide, les molécules sont maintenues dans un réseau par des forces intermoléculaires, et dans un liquide, les atomes ont suffisamment d'énergie pour que les forces entre eux ne soient plus assez fortes pour maintenir les atomes dans un réseau . Ainsi, plus les atomes d'une substance gagneront en stabilité en étant dans leur arrangement solide et cristallin, plus son point de fusion sera élevé. Maintenant, pourquoi les métaux dans cette zone gagneraient-ils plus de stabilité sous leurs formes solides? Je suis à peu près sûr que la réponse a à voir avec l'exhaustivité des orbitales et des demi-orbitales. Je ne suis pas sûr des détails du nuage d'électrons délocalisé dans les métaux, mais je pense qu'il est probable que cela permette à ces métaux de remplir ou de vider d'une manière ou d'une autre leurs orbitales incomplètes.

Oui, ils sont lourds, mais ce n'est que la moitié de l'histoire, non? Parce que ce ne sont pas tous les atomes lourds (le mercure est lourd, et c'est un liquide dans les conditions ambiantes ...)
Le poids des atomes joue très peu ou pas de rôle dans les transitions du solide au liquide. Seule l'énergie est importante pour la rupture des liaisons et la température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne et non de la vitesse.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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