§ 39. Общие свойства элементов-металлов

Определения и обозначения

Металлы — химические элементы, атомы которых обычно отдают электроны и образуют положительно заряженные ионы. Такие ионы называют катионами. Это определение помогает понять, как металлы участвуют в реакциях и почему они часто теряют электроны.

Металлическая связь — связь между положительными ионами металла и обобществлёнными электронами. Обобществлённые электроны не принадлежат одному определённому атому и могут перемещаться по металлу. Понятие этой связи нужно, чтобы объяснить общие свойства металлических веществ.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в металле, в узлах которого находятся положительные ионы, а между ними движутся обобществлённые электроны. Представление о решётке показывает, как устроено твёрдое металлическое вещество. Оно позволяет связать строение металла с его физическими свойствами.

Восстановительные свойства металлов — способность атомов металлов отдавать электроны другим частицам. Отдавая электроны, атом металла сам окисляется, а другая частица принимает их и восстанавливается. Это определение помогает определять роли веществ в окислительно-восстановительных реакциях.

Как это устроено

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно мало электронов. Ядро сравнительно слабо удерживает эти внешние электроны, поэтому их легче отдать, чем присоединить недостающие до завершённого уровня. После отдачи электронов атом превращается в положительный ион, а возможность такого превращения объясняет типичное поведение металлов в реакциях.

В кристалле внешние электроны связаны не с одним конкретным атомом, а становятся общими для множества частиц. Положительные ионы притягиваются к этому подвижному электронному облаку, и такое притяжение удерживает частицы вместе. Электроны при этом могут перемещаться по всему кристаллу, поэтому металлическая связь не похожа на ионную, где взаимодействуют разноимённо заряженные ионы.

Подвижные электроны переносят электрический заряд через металл, когда на него действует электрическое поле. Они также быстро передают энергию от более нагретых участков к менее нагретым, поэтому металлы проводят тепло. Если кристалл нагружать или ударять, его слои частиц могут сдвигаться, а притяжение электронного облака к ионам сохраняет связь между ними. Поэтому металл можно деформировать, не разрушая его сразу.

Когда атом металла отдаёт электроны другой частице, он теряет часть электронной оболочки и становится положительным ионом. Потеря электронов называется окислением, а принятие электронов — восстановлением. Значит, металл, отдающий электроны, является восстановителем: он помогает другой частице восстановиться, хотя сам при этом окисляется. Это правило позволяет находить участников реакции по изменению степеней окисления.

Металлы взаимодействуют с кислородом, водой, кислотами и растворами солей, но результат определяется не одним общим правилом. Разные металлы имеют разную активность: более активный металл может вытеснять менее активный из раствора его соли. Взаимодействие с водой и кислотами также зависит от положения металла в ряду активности, состава среды и условий. Поэтому перед составлением уравнения нужно установить, возможна ли реакция именно для данных веществ.

Общие свойства металлов и их объяснение

Используйте таблицу, чтобы связать наблюдаемое свойство с устройством металла или его поведением в реакции. Для физических свойств ищите объяснение в подвижности электронов и смещении слоёв, а для химических — в отдаче электронов и активности металла. Примеры показывают типичные случаи, но не означают, что все металлы ведут себя одинаково.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему медь проводит электрический ток и может быть вытянута в проволоку. Нужно связать каждое свойство с частицами металлической решётки. Обратите внимание: способность проводить ток и способность менять форму объясняются разными особенностями строения.

1. В меди есть обобществлённые электроны, способные перемещаться по кристаллу. Под действием электрического поля они направленно движутся и переносят заряд.
2. При вытягивании слои частиц меди смещаются относительно друг друга. Подвижные электроны продолжают притягивать положительные ионы, поэтому связь между слоями не исчезает сразу.

Ответ: медь проводит ток благодаря подвижным электронам, а вытягивается в проволоку благодаря смещению слоёв частиц без разрушения металлической связи.

Задача 2. Составьте электронный баланс и уравнение реакции цинка с раствором соляной кислоты. В продуктах должны оказаться соль цинка и газообразный водород. Сначала определите, кто отдаёт и кто принимает электроны, затем уравняйте число электронов.

1. Цинк переходит из степени окисления 0 в +2 и отдаёт два электрона: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺.
2. Два иона водорода принимают эти электроны и образуют молекулу водорода: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂. Число отданных и принятых электронов одинаково, поэтому баланс составлен.
3. Ион Zn²⁺ соединяется с двумя хлорид-ионами, образуя ZnCl₂. Уравнение реакции: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.

Ответ: электронный баланс: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺; 2H⁺ + 2e⁻ → H₂. Цинк — восстановитель, ионы водорода — окислитель.

Задача 3. В раствор сульфата меди(II) опустили железную пластинку. Определите, произойдёт ли реакция, составьте уравнение и укажите окислитель и восстановитель. Для решения сравните активности железа и меди, а затем проверьте перенос электронов.

1. Железо активнее меди и стоит в ряду активности перед ней, поэтому может вытеснить медь из раствора её соли.
2. Железо отдаёт два электрона: Fe⁰ − 2e⁻ → Fe²⁺. Ионы меди принимают их: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰.
3. Запишите и проверьте уравнение: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Число атомов каждого элемента и заряд ионов в составе солей соответствуют уравнению.

Ответ: реакция идёт. Уравнение: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu; железо — восстановитель, ионы Cu²⁺ — окислитель.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы при обычных условиях твёрдые. Обычно это обобщение запоминают по привычным примерам, но оно не подходит для каждого элемента. Ртуть при комнатной температуре жидкая. Проверяйте утверждение по конкретному металлу, а не переносите свойства большинства на все элементы.

Ошибка: путать металлическую связь с ионной. В обоих случаях говорят о заряженных частицах, поэтому их легко смешать, однако в металлической связи есть общие подвижные электроны. Ионная связь возникает между положительными и отрицательными ионами. Чтобы проверить себя, спросите, какие именно частицы удерживают вещество и могут ли электроны перемещаться по кристаллу.

Ошибка: называть металл окислителем в типичной реакции с неметаллом. Так бывает, если перепутать название роли с тем, какое вещество получает электроны. Металл обычно отдаёт электроны, сам окисляется и выступает восстановителем; окислителем является частица, принимающая электроны. Проверяйте роли по электронному балансу, а не только по названию реагента.

Ошибка: считать, что любой металл реагирует с водой или вытесняет водород из любой кислоты. Так думают, когда общее свойство металлов принимают за одинаковую реакционную способность всех элементов. Возможность реакции зависит от активности металла и условий, а взаимодействие с водой и кислотами может протекать по-разному. Перед составлением уравнения проверьте положение металла в ряду активности и состав реагентов.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства металлов, нужно знать строение атома и электронных оболочек, а также уметь объяснять образование положительных ионов. При разборе химических реакций пригодятся понятия степени окисления, окисления и восстановления: они позволяют установить, кто отдаёт и принимает электроны. Эти знания используются при изучении электрохимического ряда напряжений, коррозии металлов и способов их получения. Связь строения, активности и переноса электронов помогает объяснять процессы, а не только запоминать уравнения.

Что запомнить

• Атомы металлов обычно отдают электроны и образуют катионы.
• Металлическая связь основана на притяжении катионов и обобществлённых электронов.
• Подвижные электроны обеспечивают электропроводность и теплопроводность металлов.
• Смещение слоёв частиц объясняет ковкость и пластичность металлов.
• В типичных окислительно-восстановительных реакциях металл выступает восстановителем.
• Реакционная способность металлов различается и зависит от их положения в ряду активности.