§ 40. Простые вещества — металлы

Определения и обозначения

Металл — простое вещество, атомы которого связаны металлической связью. Для металлов характерны электропроводность и теплопроводность, металлический блеск, а у многих — ковкость и пластичность. Это понятие описывает вещество, например медь, а не отдельный атом химического элемента.

Металлическая связь — связь между положительно заряженными частицами металла и общими подвижными электронами. Электроны не принадлежат только одной паре атомов, а могут перемещаться по всему куску металла. Эта модель помогает объяснить сразу несколько свойств металлов.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом металле, между которыми перемещаются общие электроны. Частицы располагаются не хаотично, а образуют повторяющийся порядок. Представление о решётке помогает связать устройство вещества с его прочностью и способностью менять форму.

Сплав — материал из двух или нескольких элементов, хотя бы один из которых является металлом. В отличие от чистого металла, сплав имеет не один элементный состав, и его свойства могут быть другими. Это позволяет получать материалы, подходящие для конкретных изделий.

Как это устроено

Положение элемента-металла в Периодической системе связано со строением его атома: у металлов обычно немного электронов на внешнем уровне. Эти электроны удерживаются слабее, чем электроны внутренних уровней, поэтому атомы металлов сравнительно легко их отдают. В твёрдом веществе электроны не уходят все в один участок, а становятся общими для множества частиц. Так возникает основа металлической связи.

Положительно заряженные частицы металла и общие электроны притягиваются друг к другу. Это притяжение действует не только между двумя соседними атомами, а распространяется на множество частиц в веществе. Поэтому металлическую связь удобно представлять как положительные частицы в общем подвижном электронном облаке. Такое устройство удерживает металл вместе, но не закрепляет электроны за отдельными парами атомов.

В твёрдом металле частицы располагаются упорядоченно и образуют кристаллическую решётку. Между ними могут перемещаться общие валентные электроны, поэтому они способны переносить электрический заряд. Это и объясняет электропроводность: при подключении источника тока электроны начинают двигаться направленно. Передавая энергию от одной части вещества к другой, они также участвуют в теплопроводности.

Металлический блеск связан с взаимодействием подвижных электронов со светом: поверхность металла хорошо отражает свет. Ковкость и пластичность объясняются тем, что слои частиц решётки могут смещаться относительно друг друга. При таком смещении притяжение частиц к общим электронам сохраняется, поэтому металл не раскалывается сразу. Его можно раскатать в лист или вытянуть в проволоку.

Физические свойства зависят от вида металла и особенностей его строения, поэтому электропроводность, твёрдость и пластичность у разных металлов неодинаковы. При обычных условиях большинство металлов твёрдые: частицы удерживаются в упорядоченной решётке. Ртуть — исключение, она жидкая при комнатной температуре. Сочетая металл с другими элементами, получают сплавы; например, сталь на основе железа используют для инструментов и конструкций, потому что она обычно твёрже и прочнее чистого железа.

Общие физические свойства металлов и их связь со строением

Сопоставляй свойство с объяснением в третьем столбце: так можно увидеть, какие особенности строения дают наблюдаемый эффект. Последний столбец напоминает, что общее свойство не означает полного совпадения всех металлов. Например, агрегатное состояние имеет заметное исключение — ртуть.

Разбор задач

1. Железо, кислород, медь и сера

Условие: укажите, какие из этих веществ являются простыми веществами-металлами, и обоснуйте выбор. Нужно различить не только простые вещества, но и металлы: простое вещество состоит из атомов одного элемента, а металл образован элементом-металлом. Проверим каждый вариант по природе элемента.

1. Железо — простое вещество элемента-металла, поэтому относится к металлам.
2. Медь — тоже простое вещество элемента-металла; она обладает металлическими свойствами.
3. Кислород и сера — простые вещества неметаллов, поэтому к металлам не относятся.

Ответ: железо и медь. Блеск или отдельное внешнее свойство само по себе не заменяет проверку, к какому типу элементов относится вещество.

2. Почему медь проводит ток и вытягивается в проволоку?

Условие: объясните оба свойства меди с помощью представления о её строении. Здесь нужны две разные особенности металлического строения: подвижность общих электронов и возможность смещения слоёв частиц решётки. Проследим, как каждая из них связана с результатом.

1. В металлической меди есть общие подвижные электроны, которые могут переносить заряд.
2. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться направленно, поэтому медь проводит ток.
3. При вытягивании проволоки слои частиц решётки смещаются, но металлическое притяжение сохраняется.

Ответ: медь проводит ток благодаря подвижным электронам, а вытягивается в проволоку благодаря пластичности металлической решётки. Это не одно и то же свойство: за каждое отвечает своя сторона строения металла.

3. Железо и сталь

Условие: сравните чистое железо и сталь по составу и ожидаемым свойствам, объясните выбор стали для инструментов. Сначала определим, какое из веществ является сплавом, затем свяжем состав с его применением. Так рассуждение опирается не только на название материала, но и на его устройство.

1. Чистое железо состоит из атомов одного элемента — железа.
2. Сталь — сплав на основе железа с другими элементами, прежде всего с углеродом.
3. Другой состав изменяет свойства материала; сталь часто твёрже и прочнее чистого железа, поэтому лучше подходит для многих инструментов.

Ответ: железо — чистый металл, сталь — сплав. Сталь выбирают для инструментов, когда нужны повышенные твёрдость и прочность; конкретные свойства зависят от состава сплава.

Типичные ошибки

Ошибка — считать металлом любое вещество с металлическим блеском. Её допускают, когда внешний признак принимают за достаточное доказательство, хотя блеск сам по себе не определяет химическую природу вещества. Проверяй, образовано ли простое вещество элементом-металлом и обладает ли оно характерными свойствами металлов.

Ошибка — путать металл как простое вещество с атомом металла как химическим элементом. Это разные понятия: элемент обозначает вид атомов, а металл — вещество, состоящее из таких атомов. Чтобы проверить себя, спроси, идёт ли речь об отдельном атоме или о материале, который можно наблюдать и использовать.

Ошибка — представлять металлическую связь как связь только между соседними атомами. Такое объяснение не учитывает, что валентные электроны становятся общими и подвижными во всём металле. Проверка простая: если модель не объясняет перемещение заряда, в ней пропущена важная особенность металлической связи.

Ошибка — утверждать, что все металлы твёрдые и одинаково проводят ток. Обобщение возникает из знакомых примеров вроде железа и меди, но металлы различаются по физическим свойствам, а ртуть при обычных условиях жидкая. Проверяй утверждение на конкретном металле и помни, что общие свойства не означают одинаковые значения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и валентных электронах: они помогают объяснить, почему атомы металлов отдают электроны. Положение элементов в Периодической системе помогает отличать металлы от неметаллов. Эти понятия связывают свойства вещества с устройством его атомов.

Металлическая связь и кристаллическая решётка дополняют представления о химических связях и строении кристаллических веществ. Сравнение разных типов связи помогает понять, почему материалы отличаются по свойствам. Идея упорядоченного расположения частиц пригодится при изучении твёрдых веществ.

Знания о металлах и сплавах потребуются при изучении их химических реакций и коррозии — разрушения металлов под действием окружающей среды. Они также помогают объяснять практическое применение материалов: для изделия выбирают вещество с нужными свойствами. Так строение связывается и с химией, и с повседневной техникой.

Что запомнить

• Металлы — простые вещества, образованные атомами элементов-металлов.
• В металлической связи участвуют общие подвижные электроны.
• Металлическая связь объясняет электропроводность и теплопроводность металлов.
• Слои частиц в металлической решётке могут смещаться, поэтому многие металлы ковкие и пластичные.
• Большинство металлов твёрдые при обычных условиях; исключение — ртуть.
• Сплав содержит несколько элементов и может отличаться по свойствам от чистых металлов.