§ 39. Общие свойства элементов-металлов

Определения и обозначения

Металлическая связь — притяжение между положительными ионами металла и обобществлёнными электронами, которые могут перемещаться между ними. Электроны удерживают ионы вместе, хотя не принадлежат одной конкретной паре атомов. Это понятие помогает объяснить, почему металл сохраняет целостность и обладает характерными физическими свойствами.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц, характерное для твёрдого металла: в её узлах находятся положительные ионы, а между ними — обобществлённые электроны. Частицы расположены не беспорядочно, а образуют повторяющуюся структуру. Представление о решётке позволяет связать устройство металла с его свойствами.

Восстановитель — частица, которая отдаёт электроны другому веществу. Атом металла при отдаче электронов превращается в положительный ион, то есть сам окисляется, а партнёр по реакции принимает электроны и восстанавливается. Поэтому простые вещества-металлы обычно называют восстановителями.

Ряд активности металлов — расположение металлов в порядке убывания их способности вступать в химические реакции. Чем левее находится металл в обычном ряду активности, тем легче он отдаёт электроны и тем чаще может вытеснить другой металл из раствора его соли. Ряд нужен, чтобы сравнивать металлы и заранее оценивать возможность реакции замещения.

Как это устроено

В металле часть электронов внешнего слоя не закреплена за отдельными атомами и свободно перемещается по решётке. Эти электроны переносят заряд при действии электрического поля, поэтому металлы проводят электрический ток. Они же быстро передают энергию от нагретых участков к холодным, что объясняет теплопроводность. Пластичность связана с тем, что слои ионов могут смещаться, а притяжение к общим электронам не даёт решётке сразу рассыпаться; блеск возникает из-за взаимодействия поверхности с падающим светом.

У многих атомов металлов на внешнем уровне мало электронов, поэтому отдать их обычно проще, чем присоединить большое количество недостающих электронов. При потере электронов возникают катионы — положительные ионы, а металл в составе простого вещества проявляет восстановительные свойства. Например, в реакции с кислородом металл отдаёт электроны, а кислород принимает их; продуктом становится оксид. Разные металлы реагируют неодинаково: одни быстро окисляются, другие — медленно, а условия, например нагревание и доступ кислорода, влияют на ход реакции.

С водой характер реакции зависит от положения металла в ряду активности и от температуры. Активные металлы могут вытеснять из воды водород, при этом часто образуются гидроксид металла и водород; менее активные металлы с холодной водой не реагируют. Кислоты тоже реагируют не со всеми металлами одинаково: металлы до водорода обычно способны вытеснять его из разбавленных неокисляющих кислот, но поверхность металла и свойства кислоты могут изменить результат. Поэтому перед записью реакции учитывают не только формулу реагентов, но и условия.

В растворе соли металл может вытеснить другой металл, если он активнее. Например, железо отдаёт электроны и переходит в раствор в виде ионов, а ионы меди принимают электроны и превращаются в металлическую медь. Менее активный металл не может вытеснить более активный: его атомам невыгодно отдавать электроны вместо атомов активного металла. Ряд активности помогает предсказать направление такой реакции, но вывод относится к подходящим условиям и именно к растворам солей.

Общие свойства металлов и условия их проявления

Используйте таблицу, чтобы отличать физические свойства металлов от химических реакций и видеть, от каких условий они зависят. Для прогноза реакции сначала проверьте активность металла, затем учтите состав среды и температуру. Примеры показывают типичные случаи, а не обещают одинаковое поведение всех металлов.

Разбор задач

1. Физические свойства меди

Условие. Назовите два физических свойства меди и укажите, какое из них связано с её применением в электрических проводах.

1. Назовём свойства, которые можно наблюдать, не превращая медь в другое вещество: она проводит электрический ток и тепло, имеет металлический блеск и пластична. Это физические, а не химические свойства.
2. Сопоставим свойства с назначением провода: электрический ток должен проходить по материалу с небольшим сопротивлением. Поэтому для применения в проводах особенно важна электропроводность, а пластичность помогает изготовить проволоку.

Ответ. Медь проводит электрический ток и тепло, обладает блеском и пластичностью. С использованием меди в электрических проводах связана её высокая электропроводность.

2. Реакция магния с кислородом

Условие. Составьте уравнение реакции магния с кислородом и укажите, какой элемент окисляется.

1. При взаимодействии образуется оксид магния, формула которого MgO. Запишем схему: Mg + O₂ → MgO.
2. В молекуле кислорода два атома, поэтому поставим коэффициент 2 перед MgO, а затем уравняем магний коэффициентом 2. Получаем: 2Mg + O₂ → 2MgO.
3. Магний отдаёт электроны и переходит в соединении в ионы Mg²⁺. Отдача электронов означает окисление, следовательно, окисляется магний.

Ответ. 2Mg + O₂ → 2MgO. Окисляется магний.

3. Железо и раствор сульфата меди(II)

Условие. Определите, пойдёт ли реакция между железом и раствором сульфата меди(II), и составьте уравнение, если реакция возможна.

1. В формуле соли CuSO₄ металл — медь, а свободный металл — железо. Сравним их по ряду активности: железо расположено выше меди и активнее неё.
2. Более активный металл может вытеснить менее активный из раствора его соли. Значит, железо переходит в раствор, а медь выделяется как простое вещество.
3. Составим уравнение: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Число атомов каждого элемента и группы SO₄ по обе стороны одинаково, поэтому коэффициенты равны единице.

Ответ. Реакция возможна: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы одинаково реагируют с водой и кислотами. Её допускают, потому что общее правило о свойствах металлов принимают за описание каждого отдельного металла. Проверяйте положение металла в ряду активности и уточняйте условия: холодная вода, разбавленная кислота, температура и состав среды могут менять результат.

Ошибка: путать металлическую связь с ионной. В металле общие подвижные электроны притягивают множество положительных ионов решётки, а не только отдельные пары противоположно заряженных частиц. Для проверки представьте, что электроны перемещаются по всему кристаллу: это также объясняет электропроводность металла.

Ошибка: утверждать, что любой металл вытесняет другой из раствора соли. Такое правило неверно, потому что менее активный металл обычно не отдаёт электроны и не вытесняет более активный. Сначала сравните металлы в ряду активности и убедитесь, что речь идёт о растворе соли, а не о другом типе реакции.

Ошибка: записывать реакцию любого металла с кислотой без проверки условий. Металлы после водорода обычно не вытесняют его из разбавленных неокисляющих кислот, а окислительные кислоты ведут себя иначе. Перед составлением уравнения определите тип кислоты и положение металла относительно водорода.

Связь с другими темами

Чтобы понять образование катионов, вспомните строение атома и распределение электронов по оболочкам: эти знания помогают объяснить, почему атом металла отдаёт внешние электроны. Для темы также нужны понятия окисления и восстановления, а при составлении уравнений — умение расставлять коэффициенты. Знание активности металлов пригодится при изучении коррозии, получения металлов из соединений и электрохимических процессов, где перемещение электронов играет ключевую роль.

Что запомнить

• Металлическая связь основана на притяжении положительных ионов к обобществлённым электронам.
• Свободные электроны помогают объяснить электропроводность и теплопроводность металлов.
• Атомы металлов обычно отдают электроны и образуют катионы.
• В химических реакциях металлы обычно выступают восстановителями.
• Активность металлов различается и отражена в ряду активности.
• Более активный металл может вытеснить менее активный из раствора его соли.