"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Металлы — элементы, атомы которых сравнительно легко отдают внешние электроны и превращаются в положительные ионы. По положению в Периодической системе можно определить число энергетических уровней, особенности электронной конфигурации и примерное число валентных электронов. Большинство металлов находится слева и в центре таблицы, а их металлические свойства обычно усиливаются сверху вниз и ослабевают слева направо в периоде.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металлы — химические элементы, атомы которых обычно легко отдают валентные электроны и образуют положительные ионы. Поэтому в соединениях металлы часто имеют положительную степень окисления. Это определение помогает связать положение элемента в таблице со способностью вступать в химические реакции.
Электронная оболочка атома — совокупность электронов, распределённых по энергетическим уровням вокруг ядра. Уровни можно представить как области с разной энергией электронов. По числу занятых уровней определяют период элемента и оценивают удалённость внешних электронов от ядра.
Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, участвующие в образовании химических связей. Именно они прежде всего определяют, будет ли атом отдавать, принимать или обобществлять электроны. Для металлов характерна сравнительно лёгкая отдача таких электронов.
Электронная конфигурация — распределение электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. Она записывается с учётом s-, p-, d- и f-подуровней. Конфигурация позволяет точнее определить блок элемента и объяснить особенности его химических свойств.
Металлы занимают левую и центральную части Периодической системы, а также нижнюю часть правой области. Условную границу между металлами и неметаллами проводят по диагонали от бора к астату, потому что при движении к правому верхнему углу атомы всё сильнее удерживают электроны. Элементы рядом с границей могут обладать промежуточными свойствами, поэтому диагональ не является абсолютно строгой линией.
Номер периода показывает число занятых энергетических уровней, потому что при переходе к следующему периоду начинается заполнение нового уровня. Например, у атомов третьего периода электроны находятся на трёх уровнях. Номер группы у элементов главных подгрупп связан с числом валентных электронов: у щелочных металлов один внешний электрон, у щёлочноземельных — два.
Атомы металлов обычно имеют небольшое число валентных электронов и сравнительно легко их отдают. После отдачи электронов образуется положительно заряженный ион, например Na → Na⁺ + e⁻. Отдача облегчается, если внешний уровень расположен далеко от ядра и экранирован внутренними электронами.
s-элементы расположены в левой части таблицы, а p-элементы — преимущественно в правой; d-элементы образуют центральную область. f-элементы вынесены в две строки внизу, чтобы таблица не стала слишком широкой. При движении слева направо в периоде заряд ядра увеличивается, поэтому притяжение внешних электронов обычно усиливается и металлические свойства ослабевают; сверху вниз уровней становится больше, поэтому металлический характер усиливается.
| Признак | s-элементы | d-элементы | p-элементы | f-элементы |
|---|---|---|---|---|
| Положение в Периодической системе | Левая часть таблицы | Центральная часть | Правая часть; металлы в основном внизу | Две вынесенные строки внизу |
| Число валентных электронов | Обычно 1–2 | Учитываются внешние s- и близкие d-электроны | У металлических p-элементов обычно 3–4 | Учитываются внешние s- и внутренние f-электроны |
| Какой подуровень заполняется | s-подуровень | d-подуровень | p-подуровень | f-подуровень |
| Примеры металлических элементов | Li, Na, Mg, Ca | Fe, Cu, Zn, Ag | Al, Sn, Pb, Bi | La, Ce, Nd, U |
| Особенности металлических свойств | Обычно легко отдают внешние электроны | Образуют ионы разных зарядов и соединения переменного состава | Металлический характер заметнее у элементов нижней части блока | Имеют сходные свойства и часто образуют устойчивые положительные ионы |
Сначала по таблице находят блок элемента и его положение, затем связывают это положение с электронным строением. Для s- и p-элементов число электронов внешнего уровня часто можно оценить по группе. Для d- и f-элементов нужно учитывать также заполнение внутренних или предвнешних подуровней.
Условие: определить, являются ли элементы Na, Si и Fe металлами, и указать их положение в Периодической системе. Используем условную границу между металлами и неметаллами и определяем блок каждого элемента. Важно не путать положение элемента с числом валентных электронов.
Ответ: Na — металл, 3-й период, 1-я группа, s-блок; Si — неметалл, 3-й период, 14-я группа, p-блок; Fe — металл, 4-й период, 8-я группа, d-блок.
Условие: записать распределение электронов по уровням для Mg и Ca, определить число валентных электронов и объяснить их металлический характер. У магния 12 электронов, у кальция 20, поскольку порядковый номер нейтрального атома равен числу электронов. Распределение по уровням показывает, как далеко от ядра находятся внешние электроны.
Ответ: Mg — 2, 8, 2, два валентных электрона; Ca — 2, 8, 8, 2, два валентных электрона. Оба элемента — металлы 2-й группы, причём при движении вниз группы отдача электронов облегчается.
Условие: элемент имеет распределение электронов по уровням 2, 8, 14, 2. Требуется определить его порядковый номер, период, группу, блок и металлический характер. Решение начинается с подсчёта всех электронов, а не только электронов внешнего уровня.
Ответ: элемент — Fe, порядковый номер 26, 4-й период, 8-я группа, d-блок, металл.
Считать металлами все элементы левее диагонали — ошибка, потому что граница условна, а водород и пограничные элементы требуют отдельной проверки. Себя можно проверить по положению элемента и его известным свойствам, а не только по стороне таблицы.
Определять период по числу электронов нельзя: период показывает число занятых энергетических уровней. Например, распределение 2, 8, 1 означает три уровня и 3-й период, хотя внешних электронов только один.
Число электронов на внешнем уровне не равно общему числу электронов атома. Чтобы не ошибиться, сначала складывают электроны всех уровней, а затем отдельно называют число внешних.
Металлические свойства не усиливаются слева направо в периоде. Наоборот, из-за увеличения притяжения электронов ядром они обычно ослабевают слева направо и усиливаются сверху вниз, поэтому направление изменения нужно проверять по стрелкам в таблице.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, ядре, электронной оболочке, энергетических уровнях, периодах и группах Периодической системы. Эти сведения объясняют, почему внешний уровень определяет химическое поведение элемента.
Дальше тема пригодится при изучении металлических свойств, типов химической связи и образования ионных соединений. Положение элемента также помогает предсказывать изменение свойств в периодах и группах.
Почему водород находится в первой группе, но не является типичным металлом?
У водорода один электрон на первом энергетическом уровне, поэтому его помещают в первую группу. Однако атом водорода не обладает типичными металлическими свойствами и обычно принимает участие в образовании ковалентных связей или образует положительный ион.
Как по Периодической системе определить, является ли элемент металлом?
Нужно посмотреть на положение элемента относительно условной границы от бора к астату. Слева и в центре таблицы находятся главным образом металлы, но элементы около границы могут иметь промежуточные свойства, поэтому положение следует сопоставлять с известными свойствами элемента.
Почему номер периода показывает число энергетических уровней?
Номер периода совпадает с наибольшим главным энергетическим уровнем, на котором находятся электроны атома. Поэтому в первом периоде занят один уровень, во втором — два, в третьем — три и так далее.
Почему металлические свойства усиливаются сверху вниз в группе?
При движении вниз увеличивается число энергетических уровней, а внешние электроны удаляются от ядра и слабее им притягиваются. Поэтому атомам легче отдавать валентные электроны, что усиливает металлический характер.
Как определить число валентных электронов у переходного элемента?
У переходных d-элементов учитывают не только электроны внешнего уровня, но и электроны незаполненного или частично заполненного d-подуровня предвнешнего уровня. Поэтому их число валентных электронов нельзя надёжно определить только по номеру группы.
§ 8. Положение металлов в Периодической системе Д. И. Менделеева и строение их атомов
