§ 24. Физические свойства металлов

Определения и обозначения

Металлический блеск — способность поверхности металла отражать свет. Он характерен для металлов потому, что их подвижные электроны взаимодействуют со светом и переизлучают его. Это свойство помогает отличать чистую металлическую поверхность от многих неметаллических материалов.

Электропроводность — способность вещества проводить электрический ток. У металлов она обычно высокая: в них есть электроны, которые могут перемещаться по всему кристаллу. Благодаря этому металлы используют в проводах и электрических контактах.

Теплопроводность — способность вещества передавать тепло от более нагретого участка к менее нагретому. Металлы, как правило, хорошо проводят тепло, поэтому из них делают посуду, радиаторы и теплообменники. Разные металлы проводят тепло неодинаково.

Пластичность — способность металла изменять форму под нагрузкой без разрушения. Ковкость означает возможность раскатывать металл в листы, а тягучесть — вытягивать его в проволоку. Обе особенности нужны при обработке металлов давлением.

Как это устроено

В металлической кристаллической решётке положительно заряженные частицы удерживаются общими подвижными электронами. Эти электроны не принадлежат строго одному атому и могут перемещаться между частицами. Поэтому при подключении металла к источнику напряжения они получают направленное движение и переносят электрический заряд, что объясняет высокую электропроводность.

Те же электроны участвуют в передаче тепловой энергии. В нагретой области их движение становится более энергичным, после чего энергия передаётся соседним частицам и электронам. Так тепло быстро распространяется по металлическому телу, хотя конкретная теплопроводность зависит от вида металла и его состояния.

Свет, попадающий на металл, взаимодействует с его подвижными электронами. Электроны поглощают энергию световой волны и переизлучают её, поэтому поверхность отражает свет и кажется блестящей. На гладкой поверхности лучи отражаются более упорядоченно, а на шероховатой рассеиваются в разные стороны, поэтому блеск выглядит слабее.

Пластичность связана с тем, что слои частиц металлической решётки могут смещаться друг относительно друга. При этом связь не обрывается полностью: общие подвижные электроны продолжают удерживать частицы вместе. Поэтому металл деформируется, а не раскалывается, как многие кристаллические неметаллические вещества.

Физические свойства металлов и их проявления

Таблица помогает быстро сопоставить свойство, его наблюдаемое проявление и строение металла. Примеры показывают, что общая закономерность не означает полного равенства свойств у всех металлов.

Разбор задач

Почему медную проволоку используют для передачи электрического тока, а медную кастрюлю — для быстрого нагревания пищи?

Нужно определить, какие свойства меди объясняют оба применения. Речь идёт не об одном общем признаке, а об электропроводности проволоки и теплопроводности кастрюли. Свяжем каждое применение с движением подвижных электронов.

1. В медной проволоке электроны под действием электрического поля перемещаются направленно и переносят заряд.
2. Следовательно, медь обладает высокой электропроводностью, поэтому в проводнике теряется сравнительно мало энергии.
3. В стенках кастрюли электроны быстро передают энергию от нагретого дна к другим участкам металла.
4. Высокая теплопроводность помогает равномернее и быстрее передавать тепло пище.

Ответ: медную проволоку используют благодаря высокой электропроводности, а кастрюлю — благодаря хорошей теплопроводности меди. В обоих случаях полезную роль играют подвижные электроны.

Из золота можно изготовить тонкую фольгу и вытянуть проволоку. Какие физические свойства позволяют это сделать?

Нужно различить два способа изменения формы металла. Получение фольги связано с расплющиванием, а получение проволоки — с вытягиванием в длину. Оба процесса проходят без разрушения материала благодаря пластичности золота.

1. Золото можно раскатывать в очень тонкие листы, значит, оно обладает высокой ковкостью.
2. При изготовлении проволоки металл вытягивают, не разрывая его структуру.
3. Такая способность называется тягучестью и является другим проявлением пластичности.

Ответ: тонкую фольгу получают благодаря ковкости золота, а проволоку — благодаря его тягучести. Вместе эти свойства характеризуют высокую пластичность металла.

Ученик утверждает, что все металлы при комнатной температуре твёрдые и обладают высокой твёрдостью. Оцените утверждение и приведите подходящие контрпримеры.

В утверждении неправомерно объединены два разных признака: агрегатное состояние и твёрдость. Типичные свойства большинства металлов нельзя без исключений переносить на все вещества этой группы. Проверим каждую часть высказывания отдельным примером.

1. Ртуть при комнатной температуре находится в жидком состоянии, поэтому первая часть утверждения неверна.
2. Твёрдость означает сопротивление царапанию и деформации, а не просто твёрдое агрегатное состояние.
3. Натрий и калий — мягкие металлы, тогда как хром значительно твёрже.

Ответ: утверждение неверно. Ртуть опровергает его первую часть, а натрий и калий показывают, что твёрдые металлы не обязательно обладают высокой твёрдостью.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы одинаково хорошо проводят ток и тепло. Её допускают, перенося общее свойство на каждый металл без учёта различий. Проверяйте себя формулировкой «обычно высокая проводимость», а не «одинаковая у всех».

Ошибка: утверждать, что все металлы твёрдые при комнатной температуре. Причина — смешение наиболее распространённого состояния с правилом без исключений. Контрпримером служит ртуть, которая при этих условиях жидкая.

Ошибка: смешивать ковкость и тягучесть. Так происходит, если запомнить только общее слово «пластичность» и забыть направление деформации. Лист означает ковкость, а проволока — тягучесть.

Ошибка: объяснять пластичность разрушением металлической связи. На самом деле слои частиц смещаются, но связь сохраняется благодаря подвижным электронам. Если бы связь полностью разрушалась, металл ломался бы вместо изменения формы.

Связь с другими темами

Для понимания физических свойств металлов нужны знания о строении атома, металлической связи и кристаллической решётке. Именно строение объясняет наличие подвижных электронов и возможность смещения слоёв частиц.

Эти сведения пригодятся при изучении применения металлов и сплавов, коррозии, электрохимии и выбора материалов для техники. По свойствам можно объяснить, почему для конкретной детали выбирают медь, алюминий, сталь или другой материал.

Что запомнить

• Для металлов характерны металлический блеск, высокая электро- и теплопроводность.
• Пластичность металлов проявляется в ковкости и тягучести.
• Подвижные электроны участвуют в переносе электрического заряда и тепла.
• Смещение слоёв частиц в решётке объясняет пластичность металлов.
• Физические свойства металлов различаются от одного металла к другому.
• Ртуть — металл, жидкий при комнатной температуре.