§ 20. Металлы

Определения и обозначения

Металл — химический элемент, атомы которого обычно отдают внешние электроны и образуют положительные ионы. Большинство металлов расположено в левой и центральной частях периодической системы. Это определение связывает положение элемента с устройством его атома и помогает предсказать его поведение в реакциях.

Металлическая связь — связь между положительными ионами металла и общими для кристалла свободно перемещающимися электронами. Ионы притягиваются к этому электронному «облаку», которое не принадлежит одной конкретной паре атомов. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему кусок металла сохраняет целостность и одновременно проводит ток.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц металла, в узлах которого находятся положительные ионы или атомы, а между ними — обобществлённые электроны. Такое представление описывает строение твёрдого металла и показывает, как частицы удерживаются вместе. Оно помогает связать внутреннее устройство вещества с его наблюдаемыми свойствами.

Сплав — материал, состоящий из двух или более элементов, один из которых обычно металл, и обладающий металлическими свойствами. В сплаве частицы разных элементов изменяют строение и поведение материала по сравнению с чистым металлом. Это понятие важно для понимания того, как получают материалы с нужными характеристиками.

Как это устроено

У большинства металлов на внешнем электронном уровне сравнительно мало электронов, и атомам проще их отдать, чем принять недостающие до завершения уровня. Поэтому при химических превращениях металл часто превращается в положительный ион. В периодической системе такие элементы в основном занимают левую и центральную области, где находятся элементы с металлическими свойствами. Положение в таблице даёт ориентир, но не заменяет сравнение активности конкретных металлов.

В кристалле внешние электроны не закреплены за отдельными атомами и могут перемещаться между положительными частицами. Если к металлу приложить электрическое напряжение, движение электронов становится направленным и возникает ток. Электроны также быстро переносят энергию по веществу, поэтому металлы хорошо проводят тепло. Взаимодействие подвижных электронов со светом создаёт характерный блеск, а возможность смещения слоёв частиц без разрыва всей связи объясняет пластичность.

Общий тип связи не означает, что все металлы одинаково твёрдые, плотные или легкоплавкие. Эти свойства зависят от того, насколько прочно частицы удерживаются в решётке, как они упакованы и какова масса атомов. Поэтому некоторые металлы мягкие, а другие твёрдые; одни имеют небольшую плотность, а другие — большую. Различаются и температуры плавления: при нагревании нужно преодолеть притяжение частиц, сила которого у разных металлов неодинакова.

При взаимодействии с кислородом металлы образуют оксиды, но условия и скорость реакции зависят от их активности. Например, магний при горении реагирует энергично: 2Mg + O₂ → 2MgO. Активные металлы способны реагировать с водой с образованием гидроксида и водорода, тогда как многие другие при обычных условиях с холодной водой не реагируют. Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, обычно вытесняют его из разбавленных кислот; магний реагирует с соляной кислотой: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑.

В растворе соли более активный металл при подходящих условиях может вытеснить менее активный: частицы первого окисляются, а ионы второго восстанавливаются до простого вещества. Например, железо вытесняет медь из раствора сульфата меди(II): Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Если поместить туда железную пластинку, на ней появляется красноватый слой меди, а железо постепенно переходит в раствор. Сплавы получают, чтобы менять характеристики материала: введение других элементов может повысить твёрдость или прочность и изменить устойчивость к коррозии.

Общие свойства металлов и их объяснение

Пользуйся таблицей, чтобы связывать наблюдаемое свойство с устройством металла или условием реакции. Если речь идёт о химическом взаимодействии, сначала оцени активность металла и условия, а затем прогнозируй продукт. Таблица показывает общие закономерности, но не означает, что каждый металл проявляет все свойства одинаково.

Разбор задач

Задача 1

Укажите, какие из элементов Na, Mg, Al, S относятся к металлам, и объясните выбор по положению в периодической системе. Нужно определить положение каждого элемента и связать его с характерными свойствами атомов. Ориентируемся на то, что металлы в основном находятся в левой и центральной частях таблицы.

1. Na, Mg и Al расположены в левой части периодической системы и относятся к металлам.
2. S находится в правой части таблицы и является неметаллом.
3. Атомы Na, Mg и Al обычно отдают внешние электроны, образуя положительные ионы; атом серы проявляет неметаллические свойства.

Ответ: металлы — Na, Mg и Al; S — неметалл. Положение элементов помогает объяснить этот выбор через характер отдачи электронов.

Задача 2

Запишите уравнения реакций магния с кислородом и разбавленной соляной кислотой, назовите продукты. В первом случае металл соединяется с кислородом, поэтому ожидается образование оксида. Во втором случае магний вытесняет водород из кислоты, образуя соль и газообразный водород.

1. Для реакции с кислородом записываем Mg + O₂ → MgO и уравниваем число атомов: 2Mg + O₂ → 2MgO.
2. Для реакции с кислотой записываем Mg + HCl → MgCl₂ + H₂. Чтобы уравнять хлор и водород, ставим коэффициент 2 перед HCl: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑.
3. Проверяем: в каждом уравнении число атомов каждого элемента одинаково слева и справа.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO — образуется оксид магния; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑ — образуются хлорид магния и водород.

Задача 3

Железную пластинку поместили в раствор сульфата меди(II). Определите, произойдёт ли реакция, запишите уравнение и объясните наблюдаемые изменения. Сравниваем активность железа и меди: железо активнее меди. Значит, оно может вытеснить медь из раствора её соли.

1. Железо окисляется до ионов Fe²⁺, а ионы Cu²⁺ восстанавливаются до металлической меди.
2. Записываем уравнение: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
3. По уравнению предсказываем, что железо перейдёт в раствор, а медь выделится на пластинке.

Ответ: реакция произойдёт. На железной пластинке образуется красноватый слой меди, а раствор сульфата меди(II) постепенно превращается в раствор сульфата железа(II).

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все металлы твёрдые при обычных условиях. Так думают, потому что большинство знакомых металлов, например железо и алюминий, действительно твёрдые. Однако ртуть при комнатной температуре жидкая. Проверяй утверждение по примерам и помни, что агрегатное состояние не определяет, металл перед тобой или нет.

Металлическую связь иногда смешивают с ионной, потому что в обоих описаниях встречаются положительные ионы. Но в металлической решётке электроны обобществлены и могут перемещаться, а в ионном соединении частицы удерживаются электростатическим притяжением катионов и анионов. Чтобы проверить себя, спроси, есть ли в модели общие подвижные электроны. Если они есть, речь идёт о металлической связи.

Неверно утверждать, что любой металл реагирует с водой или кислотой. Реакционная способность зависит от природы металла, состава вещества и условий реакции, поэтому наблюдение с одним металлом нельзя переносить на все остальные. Перед записью реакции оцени активность металла и учти условия, например разбавлена ли кислота. Если данных для вывода нет, не делай его безоговорочно.

Ещё одна ошибка — считать, что металл вытесняет из раствора соли любой другой металл. Реакция возможна, если помещённый металл активнее металла в составе соли, и условия не препятствуют взаимодействию. Ошибку проверяют сравнением активности участников, а не только их положением в уравнении. Например, железо вытесняет медь из CuSO₄, но менее активный металл не вытеснит более активный.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в свойствах металлов, нужно знать строение атома, электронные оболочки и расположение элементов в периодической системе: это помогает понять, почему атомы отдают электроны. При составлении уравнений реакций пригодятся понятия окисления и восстановления, а также умение расставлять коэффициенты. Эти знания понадобятся при изучении получения металлов, коррозии и электрохимического ряда напряжений. Представление о составе и свойствах сплавов помогает объяснять их применение в технике и быту.

Что запомнить

• Большинство металлов расположено в левой и центральной частях периодической системы.
• Атомы металлов обычно отдают электроны и превращаются в положительные ионы.
• Металлическая связь включает общие подвижные электроны.
• Подвижность электронов объясняет электропроводность и теплопроводность металлов.
• Металлы различаются по химической активности.
• Более активный металл при подходящих условиях может вытеснить менее активный из раствора его соли.
• Сплавы часто обладают свойствами, отличными от свойств чистых металлов.