§ 40. Простые вещества — металлы

Определения и обозначения

Металлы — простые вещества, атомы которых образуют металлическую кристаллическую структуру и проявляют характерные металлические свойства. Простое вещество состоит из атомов одного элемента, поэтому железо Fe — металл, а оксид железа — соединение. Это определение помогает не путать металл как вещество с атомом металла в составе сложного вещества.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение положительных ионов металла, между которыми перемещаются свободные электроны. Ионы занимают определённые места, а электроны не закреплены за одним ионом. Такое представление нужно, чтобы объяснить строение твёрдого металла.

Металлическая связь — связь между положительными ионами металла и обобществлёнными электронами, свободно перемещающимися по кристаллу. Электроны принадлежат не отдельной паре атомов, а всей структуре. Понятие объясняет, почему частицы металла удерживаются вместе даже при смещении слоёв.

Электронный газ — совокупность свободных электронов в металлической кристаллической решётке. Это не газ в обычном смысле, а образное название подвижных электронов. Оно помогает представить, как заряд и энергия могут переноситься внутри металла.

Как это устроено

У атомов металлов обычно немного электронов на внешнем энергетическом уровне, и эти электроны сравнительно легко становятся общими для многих атомов. После их обобществления частицы металла приобретают положительный заряд и располагаются упорядоченно. Притяжение между ними и подвижными электронами удерживает структуру, поэтому в узлах металлической решётки рассматривают положительные ионы. Чем именно устроена решётка конкретного металла, зависит от его строения.

Валентные электроны не остаются возле исходного атома, а распределяются по всему кристаллу. Так появляется металлическая связь: положительные ионы притягиваются к общим электронам, а электроны взаимодействуют со множеством ионов. Связь не направлена строго от одного атома к другому, поэтому перестройка расположения ионов не обязательно разрушает кристалл. Это отличает металлическую структуру от связи, локализованной между конкретными атомами.

Если к металлу подключить источник напряжения, свободные электроны начинают двигаться в определённом направлении. Они переносят электрический заряд, поэтому возникает ток. Нагретые участки металла передают энергию электронам; те перемещаются и передают её другим частицам кристалла. Поэтому металлы обычно хорошо проводят и электричество, и тепло.

При ударе или сжатии слои ионов могут смещаться друг относительно друга. Электронный газ при этом остаётся общим и продолжает притягивать положительные ионы, так что связь сохраняется. Поэтому многие металлы можно расплющивать, ковать и вытягивать в проволоку, не разрушая их на отдельные куски. Способность менять форму под давлением называют пластичностью, а способность расплющиваться при ударе — ковкостью.

Свободные электроны взаимодействуют со светом и способствуют его отражению от поверхности; поэтому многие металлы выглядят блестящими. Прочная упорядоченная решётка обычно сохраняется при обычных условиях, и потому большинство металлов твёрдые. Однако плотность, температура плавления и другие свойства зависят от вида металла и особенностей его частиц и решётки. Ртуть, например, при обычных условиях жидкая, так что твёрдое состояние нельзя считать обязательным признаком каждого металла.

Физические свойства металлов и их объяснение

Сопоставляйте свойство с тем, как оно проявляется, и с особенностью строения, которая его объясняет. Такое сравнение помогает увидеть, что разные наблюдаемые признаки связаны с металлической решёткой и подвижными электронами, но не означают, что все металлы одинаковы.

Разбор задач

Задача 1

Распределите простые вещества Fe, O₂, Cu, S, Al и Br₂ на металлы и неметаллы. Для металлов назовите общий признак строения. Сначала смотрим на формулы: символ одного элемента может обозначать простое вещество, а индекс показывает число атомов в молекуле. Затем определяем, является ли соответствующий элемент металлом или неметаллом.

1. Fe, Cu и Al — простые вещества металлов: железо, медь и алюминий.
2. O₂, S и Br₂ — простые вещества неметаллов: кислород, сера и бром.
3. Для Fe, Cu и Al общий признак строения — металлическая решётка с положительными ионами и подвижными обобществлёнными электронами.

Ответ: металлы — Fe, Cu, Al; неметаллы — O₂, S, Br₂. У металлов общий признак строения — металлическая кристаллическая решётка.

Задача 2

Объясните, почему медь используют для изготовления электрических проводов, а серу — нет. Нужно связать назначение материала не только с тем, металл это или неметалл, но и с переносом заряда. В твёрдой меди есть подвижные электроны, а в сере свободных носителей заряда, способных обеспечить такое проведение, нет.

1. В медной решётке электроны могут перемещаться по кристаллу.
2. При подключении к цепи их направленное движение создаёт электрический ток.
3. Сера не обладает металлическим строением и не проводит ток так, как медь.

Ответ: медь подходит для проводов благодаря высокой электропроводности, связанной со свободными электронами; сера для этой цели не подходит.

Задача 3

Сравните алюминий и железо как материалы для изделий по электропроводности, пластичности и обработке давлением. Оба вещества являются металлами, поэтому у них есть общие черты строения, но конкретные свойства не обязаны совпадать. При сравнении важно отделять общую причину свойства от того, насколько сильно оно выражено у каждого материала.

1. Оба металла проводят электрический ток, потому что в их решётках есть подвижные электроны. Их электропроводность различается, поэтому при выборе для провода учитывают требования к изделию.
2. Оба могут деформироваться без немедленного разрушения: при смещении слоёв ионов металлическая связь сохраняется. Это позволяет обрабатывать их давлением — например, прокатывать или штамповать.
3. Алюминий обычно легче железа, а конкретная пригодность металла зависит также от прочности и условий использования. Одного признака «это металл» недостаточно, чтобы выбрать материал.

Ответ: алюминий и железо проводят ток и допускают обработку давлением благодаря металлическому строению. Их свойства не одинаковы, поэтому для изделия материал выбирают с учётом требуемой прочности, массы и электропроводности.

Типичные ошибки

Ошибка: считать металлом любое вещество, содержащее атомы металла. Её допускают, смешивая название элемента с названием простого вещества, но, например, оксид железа содержит железо и кислород и является соединением. Проверка: выясните, состоит ли вещество только из атомов одного элемента.

Ошибка: представлять решётку состоящей только из нейтральных атомов. Такая упрощённая картинка не объясняет ни общие электроны, ни свойства металлов. Проверка: назовите отдельно частицы в узлах и подвижные электроны между ними.

Ошибка: объяснять электропроводность неподвижными ионами. Ионы решётки не переносят заряд по металлу так, как это делают электроны. Проверка: спросите себя, какие частицы способны свободно перемещаться и создавать направленный ток.

Ошибка: утверждать, что все металлы одинаковы и всегда твёрды при обычных условиях. Общее строение не отменяет различий свойств, а ртуть при обычных условиях жидкая. Проверка: используйте слова «обычно» и «большинство», когда речь идёт об общем свойстве, и помните об исключениях.

Связь с другими темами

Для понимания металлической связи нужны знания о строении атома, валентных электронах, периодической системе и различии простых и сложных веществ. Представление о строении металла помогает объяснять его реакции с кислородом, водой, кислотами и солями: свойства решётки и электронов связаны с химическим поведением вещества. Позже эти знания пригодятся при изучении электрохимии, сплавов, коррозии и получения металлов. Так строение вещества связывает физические свойства металла с его применением и химическими превращениями.

Что запомнить

• Металлы — простые вещества с металлической кристаллической решёткой.
• В узлах металлической решётки находятся положительные ионы.
• Валентные электроны в металле обобществлены и могут свободно перемещаться.
• Металлическая связь удерживает ионы и электронный газ в единой структуре.
• Свободные электроны объясняют электропроводность и теплопроводность металлов.
• Смещение слоёв ионов без разрушения связи объясняет пластичность и ковкость.
• Большинство металлов твёрды при обычных условиях, но существуют исключения.