"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Металлы — элементы, атомы которых обычно легко отдают электроны и превращаются в положительные ионы. Их положение в Периодической системе связано со строением внешнего электронного слоя. Металлическая связь и особая кристаллическая решётка объясняют электропроводность, теплопроводность, блеск, ковкость и пластичность. В реакциях металлы чаще всего являются восстановителями, но их активность зависит от природы вещества и условий.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металлы — химические элементы, атомы которых обычно отдают электроны и образуют положительные ионы, или катионы. Для них характерны металлический блеск, высокая электро- и теплопроводность, ковкость и пластичность. Это определение помогает связать наблюдаемые свойства вещества со строением его атомов.
Металлическая связь — связь между положительными ионами и обобществлёнными электронами в металле. Такие электроны принадлежат не одной паре атомов, а всему кристаллу и могут перемещаться. Поэтому понятие связи нужно для объяснения проводимости и способности металлов деформироваться.
Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом металле. В её узлах находятся положительные ионы металла, а между узлами движутся обобществлённые электроны. Такая модель показывает, почему частицы сохраняют порядок, но отдельные слои могут смещаться.
Восстановительные свойства металлов — способность атомов металла отдавать электроны и восстанавливать другие вещества. Сам металл при этом окисляется и превращается в катион. Это понятие позволяет определить роль металла в окислительно-восстановительной реакции.
В Периодической системе металлы занимают левую и центральную части, а неметаллы в основном расположены справа. У атомов металлов на внешнем уровне обычно один-три электрона, которые сравнительно слабо удерживаются ядром. Поэтому им легче отдать внешние электроны и образовать устойчивые катионы, чем принять недостающие электроны.
Металлическая связь создаётся благодаря притяжению катионов к общему электронному облаку. Электроны не закреплены между двумя конкретными атомами, поэтому могут перемещаться внутри кристалла. Движение этих электронов переносит электрический заряд, а их перемещение и взаимодействие с ионами обеспечивают передачу тепловой энергии.
Свет, попадающий на поверхность металла, взаимодействует со свободными электронами и отражается, поэтому металл имеет характерный блеск. При смещении слоёв ионов металлическая связь не исчезает: электроны перераспределяются и продолжают удерживать частицы. Поэтому металлы можно ковать и прокатывать, придавая им новую форму, не разрушая вещество.
В реакции металл обычно отдаёт валентные электроны и превращается в катион. Получающий электроны участник восстанавливается, поэтому металл является восстановителем. С неметаллами образуются соединения, например оксиды; с водой и кислотами некоторые металлы выделяют водород, а более активные металлы могут вытеснять менее активные из растворов солей.
Реакционная способность зависит от природы металла, его положения в ряду активности, температуры, концентрации веществ и состояния поверхности. Одни металлы реагируют с холодной водой, другие — только с паром или кислотами, а некоторые почти не вступают в такие реакции. Различия используют на практике: алюминий применяют благодаря защитной плёнке, медь — в проводах, железо — в конструкциях, а активные металлы — для получения других элементов.
Таблица связывает наблюдаемое свойство с устройством металла или типичной реакцией. При анализе вещества сначала определяйте, физическое это свойство или химическое, а затем ищите его причину в строении решётки и активности металла.
| Свойство | Как проявляется | Объяснение или пример |
|---|---|---|
| Электропроводность | Проводит электрический ток | Обобществлённые электроны направленно движутся под действием электрического поля. |
| Теплопроводность | Быстро передаёт тепло | Свободные электроны и колебания решётки переносят энергию по кристаллу. |
| Металлический блеск | Поверхность отражает свет | Свободные электроны взаимодействуют со светом и отражают его. |
| Ковкость и пластичность | Можно ковать, прокатывать и вытягивать | Слои ионов смещаются, а металлическая связь сохраняется. |
| Взаимодействие с кислородом | Образуются оксиды | Например, 2Mg + O2 → 2MgO; активность металлов различна. |
| Взаимодействие с водой и кислотами | Иногда выделяется водород | Активные металлы реагируют с водой, а металл до водорода в ряду активности — с кислотой. |
| Взаимодействие с растворами солей | Один металл вытесняет другой | Реакция идёт, если свободный металл активнее металла в соли: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu. |
У элемента на внешней оболочке два электрона. Нужно предсказать поведение его атомов в типичных реакциях. Для этого связываем строение внешнего уровня с образованием иона и ролью вещества в окислительно-восстановительном процессе.
Ответ: ожидается образование катиона X2+ и восстановительные свойства. Конкретная активность зависит от самого элемента и условий реакции.
Нужно составить уравнение реакции магния с кислородом и определить участников передачи электронов. Магний — металл, поэтому он отдаёт электроны, а кислород принимает их.
Ответ: 2Mg + O2 → 2MgO. Восстановитель — Mg, окислитель — O2; магний отдаёт электроны, кислород их принимает.
Железную пластинку опустили в раствор сульфата меди(II). Нужно сравнить активность железа и меди и установить, возможна ли реакция замещения. В ряду активности железо расположено выше меди, значит, оно легче отдаёт электроны.
Ответ: реакция произойдёт. На пластинке появится красноватый налёт меди, а раствор может приобрести зеленоватую окраску из-за образования сульфата железа(II).
Ошибка: считать, что каждый металл при любых условиях реагирует с водой. Её допускают, потому что обобщают свойства самых активных металлов на все остальные. Проверяйте металл по ряду активности и учитывайте температуру и состояние воды.
Ошибка: называть металлическую связь связью только между положительными ионами. Так забывают о главной части модели — обобществлённых электронах. При проверке ответа обязательно называйте и катионы, и общий электронный газ.
Ошибка: путать восстановитель с окислителем. Металл, который отдаёт электроны, является восстановителем, хотя сам окисляется. Удобно сначала найти направление перехода электронов.
Ошибка: считать, что любой металл вытесняет любой другой из раствора соли. Реакция замещения возможна только при большей активности свободного металла. Сравните оба металла по ряду активности до записи уравнения.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и положении элементов в Периодической системе. Также необходимо различать окисление, восстановление и передачу электронов. Эти сведения понадобятся при изучении ряда напряжений, коррозии, получения металлов и областей их применения.
Почему металлы проводят электрический ток?
В металле есть обобществлённые электроны, которые могут перемещаться по кристаллической решётке. Под действием электрического поля они направленно движутся и создают электрический ток.
Почему атомы металлов обычно отдают электроны?
У атомов металлов на внешнем уровне обычно немного электронов, а радиус атома сравнительно велик. Поэтому ядро удерживает внешние электроны слабее, и атому энергетически выгоднее отдать их, чем присоединять недостающие.
Чем металлическая связь отличается от ионной?
Металлическая связь возникает между положительными ионами и общими для всего кристалла электронами. В ионной связи противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, а электроны обычно переходят от одного атома к другому.
Почему металлы обладают ковкостью и пластичностью?
Слои частиц в металлической решётке могут смещаться, не разрушая связь полностью. Поэтому металл можно расковывать в листы и вытягивать в проволоку.
Любой ли металл вытесняет другой металл из раствора его соли?
Нет, реакция возможна, если свободный металл активнее металла, входящего в состав соли. Например, железо вытесняет медь из раствора сульфата меди(II), а медь железо из его соли не вытесняет.
§ 28. Общая характеристика металлов
