§ 14. Простые вещества — металлы

Определения и обозначения

Простые вещества — металлы — это вещества, образованные атомами одного химического элемента и обладающие характерными металлическими свойствами. К ним относятся, например, железо и медь, а кислород и сера — простые вещества-неметаллы. Различать эти группы нужно, чтобы описывать свойства вещества, а не только название элемента.

Металлическая связь — связь, возникающая благодаря притяжению положительно заряженных частиц металла и обобществлённых электронов. Обобществлённые электроны не принадлежат только одному атому и могут перемещаться между частицами. Это понятие помогает объяснить, почему металл остаётся единым веществом и проводит ток.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом металле. В узлах решётки находятся положительные ионы, а между ними движутся общие электроны. Представление о решётке связывает внутреннее строение металла с его прочностью и физическими свойствами.

Сплав — материал, состоящий из нескольких элементов, среди которых хотя бы один является металлом. В отличие от чистого металла, сплав может включать атомы разных элементов и поэтому иметь другие свойства. Это позволяет получать материалы, подходящие для конкретных изделий и условий работы.

Как это устроено

У многих атомов металлов на внешнем электронном уровне сравнительно мало электронов, и они удерживаются ядром не так прочно, как внутренние. Поэтому атом может отдать внешние электроны и превратиться в положительный ион. Отданные электроны становятся общими для большого числа частиц и не перемещаются вместе с одним определённым атомом. Так особенности строения атома приводят к возникновению металлической связи.

В твёрдом металле положительные ионы расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку, а между ними находятся подвижные электроны. Притяжение между ионами и общими электронами удерживает частицы вместе, поэтому вещество не распадается на отдельные частицы. Связь не направлена строго от одного иона к одному соседу: она действует по всему кристаллу. Поэтому при сдвиге слоёв решётки притяжение не исчезает сразу.

В металле есть электроны, способные перемещаться через всё вещество. Когда металл соединяют с источником тока, электрическое поле вызывает их направленное движение, и возникает электрический ток. Ионы при этом остаются около своих мест в решётке, а не переносят заряд через провод. Подвижные электроны также передают энергию между частями металла, поэтому он обычно хорошо проводит тепло.

Многие металлы отражают свет, поэтому их поверхность выглядит блестящей. Это связано с тем, как свободные электроны взаимодействуют со светом и возвращают его от поверхности. Пластичность — способность менять форму без разрушения — объясняется тем, что слои частиц могут смещаться, а металлическая связь сохраняется. Поэтому металл можно прокатать в лист или вытянуть в проволоку, хотя конкретная степень пластичности у разных металлов неодинакова.

Физические свойства зависят от самого металла и строения его кристалла. Например, железо твёрдое, а натрий мягкий; алюминий намного легче свинца. Температуры плавления тоже различаются: ртуть плавится при низкой температуре и при обычных условиях жидкая, а вольфрам плавится лишь при очень сильном нагревании. Поэтому слово «металл» не означает, что все такие вещества одинаковы по твёрдости, плотности или поведению при нагревании.

Физические свойства металлов и их объяснение

В таблице можно найти связь между наблюдаемым свойством и объяснением через строение металла. Примеры показывают, что свойства не одинаковы у всех металлов. При выборе материала учитывают сразу несколько характеристик.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, какие из перечисленных простых веществ являются металлами: железо, кислород, медь, сера. Сначала важно определить, что требуется классифицировать именно простые вещества, а не смеси. Затем сравним каждое название с известными металлами и неметаллами.

1. Железо — простое вещество-металл.
2. Кислород и сера — простые вещества-неметаллы.
3. Медь — простое вещество-металл.

Ответ: металлами являются железо и медь. Кислород и сера относятся к неметаллам.

Задача 2. Почему медная проволока проводит электрический ток и может изгибаться, не рассыпаясь на отдельные частицы? Здесь нужно связать два свойства с двумя особенностями строения, не приписывая перенос заряда ионам. Подвижность электронов объясняет проводимость, а сохранение притяжения в решётке — способность менять форму.

1. В металлической решётке меди есть электроны, которые могут перемещаться по веществу.
2. При подключении проволоки к источнику тока их направленное движение переносит заряд.
3. При изгибе слои частиц сдвигаются, но притяжение положительных ионов к общим электронам сохраняется.

Ответ: медь проводит ток благодаря подвижным электронам, а изгибается без рассыпания благодаря металлической связи.

Задача 3. Объясните, почему для изготовления электрических проводов используют медь, а для деталей, которым нужны особые прочность или твёрдость, могут выбирать сплавы. Нужно сопоставить требование к изделию со свойством материала. Чистый металл подходит не для каждой задачи, поэтому учитывают состав и свойства сплава.

1. Для провода важна хорошая электропроводность; медь хорошо проводит ток и её можно вытянуть в проволоку.
2. Для детали может быть важнее прочность или твёрдость, чем состав одного элемента.
3. В сплаве сочетание металла с другими элементами может изменить свойства и сделать материал подходящим для такой детали.

Ответ: медь удобна для проводов благодаря проводимости и пластичности, а подходящий сплав выбирают для деталей, которым нужны особые механические свойства.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что металл — это только химический элемент. Элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — то, что образовано этими атомами; их названия могут совпадать. Путаница возникает потому, что в речи одно и то же слово часто используют для обоих понятий. Проверьте себя вопросом: речь идёт о виде атомов или о веществе с определёнными свойствами?

Ошибка: представлять металлическую связь как связь только между нейтральными атомами. Такое объяснение упускает положительные ионы и обобществлённые электроны, притяжение которых и удерживает металл. Ошибка возникает, если переносить на металл простую модель связи между отдельными атомами. Чтобы проверить ответ, назовите обе частицы, участвующие в металлической связи.

Ошибка: объяснять электропроводность перемещением ионов. В металлическом проводнике ионы остаются около узлов решётки, а заряд переносят подвижные электроны. Ионы могут казаться подходящими «носителями», если помнить, что они заряжены. Проверьте объяснение: частицы, переносящие ток по металлу, должны свободно двигаться через вещество.

Ошибка: считать все металлы одинаково твёрдыми, плотными и тугоплавкими. На деле эти свойства различаются: например, железо твёрже натрия, а алюминий менее плотный, чем свинец. Обобщение возникает из-за того, что у металлов есть общие характерные признаки. Проверяйте утверждение на конкретных примерах и не переносите свойство одного металла на все остальные.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и внешних электронах: они помогают объяснить образование положительных ионов. Понятия химического элемента и простого вещества позволяют правильно называть металл и отличать его от атома. Представления о кристаллических решётках и химической связи помогают понять устройство твёрдого металла. Эти знания пригодятся при изучении химических свойств металлов, коррозии и сплавов, а также при объяснении применения металлов в технике.

Что запомнить

• Металлы — простые вещества, образованные атомами одного химического элемента.
• Металлическая связь основана на притяжении положительных ионов к обобществлённым электронам.
• Подвижные электроны объясняют электропроводность и теплопроводность металлов.
• Металлический блеск и пластичность характерны для многих металлов.
• Физические свойства разных металлов неодинаковы.
• Сплавы могут обладать свойствами, отличными от свойств входящих в них чистых металлов.