§ 19. Металлы — химические элементы и простые вещества

Определения и обозначения

Металлический элемент — химический элемент, атомы которого обычно имеют небольшое число электронов на внешнем уровне и способны отдавать их, образуя катионы, то есть положительно заряженные ионы. Это определение помогает отличать металлический характер элемента от свойств конкретного куска металла. Для распознавания такого характера учитывают строение атома и положение элемента в периодической системе. Так становится понятно, как элемент может вести себя в химических реакциях.

Металл как простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного металлического элемента и обладающее характерными физическими свойствами. Например, медь как простое вещество имеет блеск и проводит электрический ток. Это понятие описывает не отдельный атом, а материал, который можно наблюдать и исследовать. Разделение понятий нужно, чтобы не приписывать одному атому свойства целого куска вещества.

Металлическая связь — связь между положительно заряженными частицами металла и обобществлёнными электронами, которые свободно перемещаются по веществу. Обобществлёнными называют электроны, не закреплённые за одной конкретной парой атомов. Их притяжение к положительным частицам удерживает металлическое вещество вместе. Это понятие помогает объяснить, почему металлы отличаются от веществ с ковалентной или ионной связью.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц металла, между которыми движутся обобществлённые электроны. Частицы образуют повторяющуюся структуру, а подвижные электроны заполняют пространство между ними. Решётка показывает, как устроен металл внутри, а не только как он выглядит снаружи. Представление о ней позволяет связать микроскопическое строение с физическими свойствами вещества.

Как это устроено

При определении металлического характера элемента смотрят на его место в периодической системе и электронное строение атома. У большинства металлов на внешнем уровне сравнительно мало электронов, поэтому атомы могут отдать их, не разрушая устойчивую внутреннюю оболочку. Важна и сила притяжения внешних электронов ядром: если она относительно невелика, отрыв электронов легче. Поэтому положение элемента и строение атома вместе помогают предсказать его химическое поведение.

Отдавая внешние электроны, атом металла превращается в положительный ион, или катион. Такая склонность связана с тем, что внешние электроны удерживаются слабее внутренних, а образование катиона может приводить к более устойчивому электронному состоянию. В химических реакциях металлические элементы поэтому часто выступают как восстановители: отдавая электроны, они вызывают восстановление других частиц. Это не означает, что любой атом металла всегда теряет электроны; речь идёт о характерной способности, проявляющейся в подходящих условиях.

В металлическом веществе внешние электроны перестают быть «собственностью» отдельного атома и становятся общими для множества частиц. Положительно заряженные частицы располагаются в упорядоченной решётке, а обобществлённые электроны перемещаются между ними. Их притяжение удерживает частицы вместе и создаёт металлическую связь. Она коллективная: нельзя представить её только как отдельное соединение каждой пары соседних атомов.

Подвижные электроны помогают объяснить сразу несколько физических свойств металлов. Когда к металлу приложено электрическое поле, электроны приобретают направленное движение и переносят заряд, поэтому металл проводит ток. Они же быстро передают энергию между участками вещества, что способствует теплопроводности. Блеск связан с взаимодействием электронов с падающим светом, а ковкость и пластичность — с тем, что слои частиц могут смещаться без полного разрушения металлической связи.

Металлы не обладают совершенно одинаковыми свойствами, потому что различаются строением решётки и особенностями атомов. Эти различия влияют, например, на то, насколько легко смещаются слои частиц и как прочно они удерживаются в кристалле. Поэтому меняются твёрдость, пластичность и температура плавления. Не всякий металл при обычных условиях твёрдый: ртуть, например, жидкая, а температуры плавления металлов могут заметно различаться.

Металлы как химические элементы и простые вещества

Сначала определите, идёт ли речь об элементе и его атомах или о простом веществе и его свойствах. Затем сопоставьте электронное строение с металлической связью и решёткой: так можно связать причину с наблюдаемым свойством. Последние строки напоминают, что общие признаки не отменяют исключений и различий между отдельными металлами.

Разбор задач

Магний как металлический элемент

Условие. По положению магния в периодической системе и строению его атома объясните, почему магний относят к металлическим элементам. В задаче нужно связать сведения о внешнем электронном уровне с характерным химическим поведением. Перечислить только номер группы недостаточно: важно показать, как электронное строение связано со способностью отдавать электроны.

1. Определяем строение внешнего уровня: у атома магния два электрона на внешнем уровне.
2. Сопоставляем это с характером металлических элементов: сравнительно небольшое число внешних электронов обычно легче отдать, чем присоединить много электронов.
3. Делаем вывод о возможном превращении атома: при отдаче двух электронов образуется положительный ион Mg²⁺.

Ответ. Магний относят к металлическим элементам, потому что его атом имеет два электрона на внешнем уровне и способен отдавать их. При этом атом превращается в катион Mg²⁺. В ответе речь идёт о химическом элементе и строении его атома, а не о физических свойствах металлического магния.

Проводимость меди

Условие. Объясните, почему медь проводит электрический ток и хорошо проводит тепло, используя представления о строении металлического вещества. Здесь нужно назвать частицу, которая переносит заряд, и объяснить, как передаётся энергия. Не следует объяснять ток перемещением положительных ионов по металлическому кристаллу.

1. В металлической меди внешние электроны обобществлены и способны перемещаться между частицами.
2. При действии электрического поля электроны движутся направленно и переносят заряд, поэтому возникает электрический ток.
3. Подвижные электроны взаимодействуют с частицами вещества и передают энергию от более нагретых участков к менее нагретым.

Ответ. Медь проводит электричество благодаря движению обобществлённых электронов. Эти же подвижные электроны помогают переносить тепловую энергию по металлу. Оба свойства объясняются металлическим строением вещества, хотя переносится в одном случае электрический заряд, а в другом — энергия.

Натрий и алюминий: элемент и вещество

Условие. Сравните натрий и алюминий как химические элементы и простые вещества: укажите, что относится к строению атомов, а что — к свойствам веществ, и объясните различия. Важно не смешивать химическую характеристику элемента с внешними свойствами металла. Для сравнения используем число внешних электронов и металлическое строение простых веществ.

1. Как элементы натрий и алюминий различаются строением атомов: у натрия один электрон на внешнем уровне, у алюминия — три.
2. Оба атома способны отдавать внешние электроны и образовывать положительные ионы; это характеристика их химических свойств.
3. Как простые вещества натрий и алюминий представляют собой металлы, но их физические свойства не обязаны совпадать: они зависят от строения вещества и особенностей атомов.

Ответ. Число внешних электронов и способность образовывать катионы относятся к натрию и алюминию как химическим элементам. Проводимость, блеск, твёрдость и пластичность характеризуют натрий и алюминий как простые вещества. Их металлический характер общий, но конкретные физические свойства различаются из-за особенностей строения атомов и кристаллических решёток.

Типичные ошибки

Ошибка — считать слова «металл» и «металлический элемент» полностью взаимозаменяемыми. Её допускают, потому что в повседневной речи словом «металл» обычно называют материал, но в химии важно различать элемент и образованное им вещество. Проверьте себя вопросом: речь идёт о строении атома или о свойствах материала? Если об атоме — уместно говорить о металлическом элементе, если о проводимости и блеске — о металле как простом веществе.

Ошибка — представлять атомы в металлическом кристалле соединёнными попарно, как отдельными мостиками. Такое представление привычно по моделям других типов связи, но металлическая связь коллективна: обобществлённые электроны относятся к множеству частиц. Проверьте себя, спросив, могут ли эти электроны перемещаться по всему веществу. Если модель закрепляет каждый электрон за одной парой атомов, она не описывает металлическую связь.

Ошибка — объяснять электропроводность движением положительных ионов по металлу. Ионы образуют упорядоченную решётку, а перенос заряда прежде всего обеспечивают подвижные электроны. Путаница возникает из-за того, что при химических реакциях часто говорят об ионах и их перемещении в растворах. Для проверки проследите, какие частицы свободно движутся внутри металлического кристалла: это электроны, а не положительные частицы решётки.

Ошибка — утверждать, что все металлы при обычных условиях твёрдые и имеют одинаковые свойства. Многие металлы действительно твёрдые, поэтому обобщение кажется очевидным, но ртуть при обычных условиях жидкая, а температуры плавления и другие характеристики различаются. Проверьте утверждение на конкретных примерах и не превращайте общий признак в правило без исключений. Свойства зависят от особенностей атомов и строения решётки.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической системе: по ним можно судить о внешних электронах и характере элемента. Металлическая связь и кристаллическая решётка помогают объяснять физические свойства металлов и сравнивать их с веществами других типов строения. Способность металлических атомов отдавать электроны пригодится при изучении окислительно-восстановительных реакций и химических свойств металлов. Таким образом, строение атома связывает периодическую систему, свойства вещества и его поведение в реакциях.

Что запомнить

• Металлы как химические элементы и металлы как простые вещества — разные понятия.
• Атомы металлов обычно способны отдавать внешние электроны.
• В металлическом веществе внешние электроны обобществлены и могут перемещаться.
• Металлическая связь действует между множеством частиц кристалла.
• Подвижные электроны помогают объяснить электропроводность и теплопроводность металлов.
• Блеск, ковкость и пластичность характерны для многих, но не обязательно для всех металлов.
• Физические свойства конкретного металла зависят от особенностей его строения.