§ 20. Металлы

Определения и обозначения

Металл — химический элемент, атомы которого способны отдавать валентные электроны и образовывать положительно заряженные ионы. Валентные электроны находятся на внешнем уровне и слабее удерживаются ядром. Это определение помогает объяснить восстановительные свойства металлов и их положение в периодической системе.

Металлическая связь — связь между положительными ионами металла и обобществлёнными делокализованными электронами. Такие электроны не закреплены за одной парой атомов, а перемещаются по всему кристаллу. Поэтому металлическая связь объясняет проведение электричества и тепла.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц металла, в узлах которого находятся атомы или ионы, окружённые общими электронами. Слои частиц могут смещаться, не разрушая связь полностью. Поэтому металлы обычно пластичны и ковки.

Сплав — материал, состоящий из металла и одного или нескольких других элементов, сохраняющий металлические свойства. Добавки изменяют расстояния между частицами и характер их взаимодействия. Благодаря этому получают материалы с нужными прочностью, твёрдостью или устойчивостью к коррозии.

Как это устроено

Металлы расположены преимущественно слева и в нижней части периодической системы, потому что их атомы имеют небольшое число валентных электронов и сравнительно большие радиусы. В периоде слева направо эффективный заряд ядра возрастает, поэтому электроны удерживаются сильнее и металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз радиус атома увеличивается, внешний электрон удаляется от ядра и отдаётся легче. Поэтому металлический характер элементов обычно усиливается вниз группы и влево по периоду.

В кристалле атомы металла сближаются, а их валентные электроны становятся общими для большого числа частиц. Положительные ионы удерживаются этим электронным окружением, но отдельные слои могут смещаться. При подключении источника тока делокализованные электроны направленно перемещаются, поэтому металл проводит электричество. Те же подвижные электроны быстро передают энергию от нагретых участков к холодным, объясняя теплопроводность, а отражение света электронной системой создаёт металлический блеск.

Металлы обычно выступают восстановителями, потому что отдают электроны и сами повышают степень окисления. В ряду напряжений активность уменьшается от наиболее сильных восстановителей к благородным металлам. Чем левее расположен металл, тем легче он окисляется и тем энергичнее реагирует с окислителями. Однако реальная скорость реакции зависит также от температуры, концентрации, площади поверхности и защитных плёнок.

С неметаллами металлы часто образуют бинарные соединения: с кислородом — оксиды, с серой — сульфиды, с галогенами — галогениды. В таких реакциях металл обычно отдаёт электроны, а неметалл принимает их, поэтому степень окисления металла становится положительной. С водой активные металлы могут образовывать щёлочь и водород, а с кислотами — соль и водород, если металл стоит до водорода. В растворе соли более активный металл способен восстановить и вытеснить менее активный, но пассивация оксидной плёнкой иногда препятствует реакции.

Строение, свойства и химическое поведение металлов

Таблица связывает наблюдаемое свойство с особенностями строения или условием реакции. При решении задач сначала определяйте положение металла в ряду активности, затем проверяйте состав реагентов и возможные продукты. Для реакций в растворах дополнительно учитывайте растворимость и наличие защитной плёнки.

Разбор задач

Задача 1

Условие: запишите уравнение реакции натрия с водой и определите окислитель и восстановитель. Натрий — активный металл, поэтому он легко отдаёт внешний электрон. Вода в этой реакции принимает электроны и превращается в водород.

1. Записываем схему реакции: Na + H₂O → NaOH + H₂.
2. Уравниваем атомы и ставим коэффициенты: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
3. Определяем степени окисления: Na⁰ → Na⁺¹, водород в воде H⁺¹ → H₂⁰.
4. Натрий окисляется, то есть отдаёт электроны, поэтому он восстановитель. Вода принимает электроны и является окислителем.

Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂; восстановитель — Na, окислитель — H₂O.

Задача 2

Условие: выясните, реагирует ли железо с раствором сульфата меди(II). Железо расположено в ряду активности левее меди, значит, оно легче отдаёт электроны. Следовательно, железо может восстановить ионы Cu²⁺ до металлической меди.

1. Составляем продукты обмена металлами: Fe вытесняет Cu, а сульфат-ион соединяется с железом.
2. Записываем уравнение: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
3. Проверяем степени окисления: Fe⁰ → Fe²⁺, Cu²⁺ → Cu⁰. Электроны переходят от железа к меди, поэтому реакция является окислительно-восстановительной.

Ответ: реакция произойдёт: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

Задача 3

Условие: какую массу алюминия нужно растворить в избытке соляной кислоты, чтобы получить 6,72 л водорода при нормальных условиях? Кислота взята в избытке, поэтому расчёт ведём по количеству алюминия. Сначала переводим объём газа в количество вещества, затем используем коэффициенты уравнения.

1. Уравнение реакции: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂.
2. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, поэтому n(H₂) = 6,72 л / 22,4 л/моль = 0,30 моль.
3. По уравнению 2 моль Al дают 3 моль H₂: n(Al) = 0,30 · 2 / 3 = 0,20 моль.
4. Масса алюминия: m(Al) = n · M = 0,20 моль · 27 г/моль = 5,4 г.

Ответ: потребуется 5,4 г алюминия.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы одинаково реагируют с водой и кислотами. Её допускают, когда запоминают только общий тип реакции и не учитывают ряд напряжений, температуру и пассивацию. Проверьте себя: определите положение металла и уточните, не покрыт ли он защитной плёнкой.

Ошибка: записывать формулы оксидов и солей без учёта зарядов и степеней окисления. Причина — попытка подобрать индексы по памяти вместо проверки электронейтральности соединения. Сумма положительных и отрицательных зарядов в формуле должна быть равна нулю.

Ошибка: путать металлическую связь с ионной. В ионном соединении противоположно заряженные ионы удерживаются электростатически, а в металле валентные электроны обобществлены всем кристаллом. Проверьте описание: наличие подвижных общих электронов указывает на металлическую связь.

Ошибка: считать реакцию с раствором соли возможной только по расположению символов в формуле. Нужно сравнить металлы в ряду активности, учесть растворимость продуктов и возможную пассивацию. Если более активный металл закрыт плёнкой или продукт не образуется в растворе, ожидаемая реакция может не идти.

Связь с другими темами

Для понимания металлов нужны знания о строении атома, периодическом законе, валентных электронах, степенях окисления и окислительно-восстановительных реакциях. Они объясняют, почему атомы металлов отдают электроны и как составляются формулы соединений.

Тема опирается на электролитическую диссоциацию, свойства кислот и солей, а также правила уравнивания химических уравнений. Без этих понятий трудно разобрать реакции металлов в растворах.

Полученные знания понадобятся при изучении электрохимии, коррозии, металлургии и сплавов. Они помогают объяснить работу источников тока и практический выбор материалов для техники и строительства.

Что запомнить

• Металлы легко отдают валентные электроны и обычно являются восстановителями.
• Металлическая связь основана на взаимодействии положительных ионов с обобществлёнными электронами.
• Металлическая решётка объясняет электропроводность, теплопроводность и пластичность металлов.
• Активность металлов сравнивают по ряду напряжений.
• Более активный металл может вытеснять менее активный металл из раствора его соли.
• При взаимодействии металлов с кислотами часто выделяется водород, но не все металлы реагируют с неокисляющими кислотами.
• Сплавы позволяют изменять прочность, твёрдость, устойчивость к коррозии и другие свойства металлов.