§ 9. Физические свойства металлов

Определения и обозначения

Металлический блеск — характерный блеск поверхности металлов, связанный с отражением света. Даже небольшая полированная поверхность металла заметно отражает лучи и кажется сияющей. Это свойство используют как один из внешних признаков металлов, хотя налёт или шероховатость могут его ослабить.

Электропроводность — способность металла проводить электрический ток. В металле заряд переносят подвижные электроны, поэтому ток проходит через металлический проводник. Благодаря электропроводности металлы применяют в проводах, контактах и деталях электрических приборов.

Теплопроводность — способность металла передавать тепло. Нагретый участок отдаёт энергию соседним участкам, и температура по предмету выравнивается. Это свойство объясняет использование металлов в посуде, радиаторах и теплообменниках.

Пластичность — способность металла изменять форму под действием нагрузки без разрушения; она включает ковкость и тягучесть. Ковкий металл можно раскатывать в листы, а тягучий — вытягивать в проволоку. Пластичность важна при штамповке, прокатке и изготовлении тонких металлических деталей.

Как это устроено

В металлической кристаллической решётке положительные частицы расположены упорядоченно, а валентные электроны удерживаются не одним атомом, а могут перемещаться по всему кристаллу. Так возникает металлическая связь, то есть притяжение между частицами решётки и общими подвижными электронами. Когда к металлу подключают источник напряжения, электроны получают направленное движение и переносят заряд. Поэтому металл проводит электрический ток.

Эти же подвижные электроны участвуют в передаче тепловой энергии. Получив энергию на нагретом участке, они быстро перемещаются по кристаллу и передают её другим частицам. Дополнительно энергию распространяют колебания частиц решётки. Поэтому металлы обычно хорошо проводят тепло, хотя степень теплопроводности у разных металлов неодинакова.

Частицы в металлической решётке расположены слоями, а металлическая связь не направлена строго между двумя конкретными атомами. При внешней нагрузке один слой может сместиться относительно другого, но общие электроны продолжают удерживать частицы вместе. Кристалл не раскалывается сразу, а меняет форму. Так строение объясняет пластичность металлов.

Поверхность металла содержит подвижные электроны, которые взаимодействуют со светом и отражают его значительную часть. Поэтому чистые металлы обычно имеют характерный металлический блеск. Цвет и яркость различаются из-за особенностей электронного строения, состава, состояния поверхности и наличия примесей: золото желтоватое, медь красноватая, а серебро выглядит светлым и блестящим. Шероховатость, окисление и загрязнение делают блеск слабее.

Физические свойства металлов не одинаковы, потому что различаются размеры атомов, строение электронных оболочек и сила взаимодействия частиц в решётке. Большинство металлов при обычных условиях твёрдые, но ртуть остаётся жидкой. Щелочные металлы мягкие, некоторые металлы имеют малую плотность, например алюминий, а другие отличаются высокой плотностью. Температуры плавления тоже изменяются: одни металлы легкоплавкие, другие, например вольфрам, тугоплавки.

Физические свойства металлов и их проявления

При работе с таблицей сначала определите, какое свойство описано в условии, а затем найдите его проявление. В третьем столбце указаны примеры и случаи, показывающие, что общие признаки не означают полного равенства всех металлов.

Разбор задач

Задача 1. Провода из меди

Назовите физические свойства, благодаря которым медь используют для изготовления электрических проводов. Нужно связать свойства вещества не просто с названием изделия, а с его работой. Провод должен проводить ток и сохранять форму при изготовлении.

1. Определяем главное требование: по проводу должен проходить электрический ток, значит, нужна высокая электропроводность.
2. Учитываем производство: медь необходимо вытянуть в длинную тонкую форму, значит, важна тягучесть как проявление пластичности.
3. Проверяем результат: медный провод удобно использовать потому, что он хорошо проводит ток и может быть превращён в проволоку без разрушения.

Ответ: медь выбирают за хорошую электропроводность и пластичность, особенно тягучесть. Её можно вытягивать в проволоку и использовать для передачи электрического тока.

Задача 2. Алюминий и железо

Сравните алюминий и железо по плотности и объясните, какой металл удобнее выбрать для конструкции, где важна малая масса. Плотность показывает, насколько велика масса одинаковых объёмов веществ. Для выбора нужно сравнить не только названия металлов, но и требование к конструкции.

1. Берём одинаковые объёмы алюминия и железа, чтобы сравнение было честным.
2. Устанавливаем, что плотность алюминия меньше плотности железа, поэтому такой же объём алюминиевой детали будет иметь меньшую массу.
3. Связываем свойство с задачей: если конструкция должна быть лёгкой, выгоднее использовать алюминий или алюминиевый сплав, если остальные требования выполнены.

Ответ: алюминий менее плотный, чем железо. Поэтому для конструкции, где особенно важна малая масса, обычно удобнее выбрать алюминий.

Задача 3. Описание неизвестного металла

Неизвестный металл имеет серебристый блеск, хорошо проводит ток и тепло, легко раскатывается в листы. Требуется назвать подходящие физические свойства и связать их со строением металла. Одного внешнего признака недостаточно для точного определения вещества, поэтому анализируем всё описание.

1. Серебристый блеск указывает на металлический блеск — отражение света поверхностью.
2. Хорошая проводимость тока связана с подвижными электронами, а хорошая теплопроводность — с быстрой передачей энергии электронами и частицами решётки.
3. Способность раскатываться в листы означает ковкость, то есть проявление пластичности; при нагрузке слои решётки смещаются, сохраняя металлическую связь.

Ответ: в описании названы металлический блеск, электропроводность, теплопроводность и ковкость. Их общая причина — строение металлической решётки, наличие подвижных электронов и возможность смещения слоёв частиц.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы при обычных условиях твёрдые. Так думают из-за преобладания твёрдых металлов в быту, но ртуть является жидкой. Проверяйте утверждение словами «большинство металлов», а не «все металлы».

Ошибка: утверждать, что все металлы одинаково хорошо проводят ток и тепло. Общая способность проводить не означает одинаковую степень проводимости: свойства зависят от конкретного металла. Сверяйте вывод с примерами и не переносите признак одного вещества на все остальные.

Ошибка: путать ковкость с твёрдостью. Ковкость описывает способность деформироваться и превращаться в лист, а твёрдость — сопротивление царапанию или вдавливанию. Чтобы проверить себя, спросите: речь идёт о получении новой формы или о сопротивлении повреждению?

Ошибка: считать, что при смещении слоёв металлическая решётка сразу разрушается. В действительности слои могут перемещаться, пока металлическая связь сохраняется. Если металл можно прокатать или вытянуть, это подтверждает его пластичность, а не мгновенное разрушение решётки.

Связь с другими темами

Для понимания свойств металлов нужны знания о строении атома, валентных электронах, металлической кристаллической решётке и металлической связи. Эти представления объясняют проводимость и пластичность, а не только позволяют запомнить признаки.

Физические свойства помогают объяснить применение металлов и сплавов в технике и быту. Электропроводность важна для проводов, теплопроводность — для посуды и радиаторов, а пластичность — для изготовления листов и деталей.

Далее физические признаки помогут отличать металлы, но не определят их химическую активность. Реакции металлов зависят от электронного строения и положения элемента, поэтому одинаковый блеск не означает одинаковое химическое поведение.

Что запомнить

• Большинство металлов при обычных условиях — твёрдые вещества; исключение — ртуть.
• Для металлов характерен металлический блеск.
• Металлы проводят электрический ток и тепло, но степень проводимости у них различается.
• Пластичность металлов проявляется в ковкости и тягучести.
• Физические свойства металлов зависят от их строения и различаются у разных представителей.
• Плотность, твёрдость и температура плавления у металлов неодинаковы.