ГЛАВА ВТОРАЯ. Металлы

Определения и обозначения

Металл — химический элемент, атомы которого обычно способны отдавать электроны и образовывать положительные ионы. Это определение помогает понять, почему металлы проявляют сходные химические свойства, хотя отличаются друг от друга.

Металлическая связь — связь в металле, возникающая благодаря притяжению положительных частиц решётки к общим подвижным электронам. Она нужна для объяснения того, почему металл остаётся единым веществом и проводит электрический ток.

Ряд активности металлов — расположение металлов в порядке убывания их способности вступать в реакции. С его помощью определяют, может ли один металл вытеснить другой из раствора соли и будет ли металл реагировать с кислотой с выделением водорода.

Me — условное обозначение металла, а Meⁿ⁺ — его положительного иона с зарядом n+. Запись нужна для краткого описания отдачи электронов: Me − ne⁻ → Meⁿ⁺; число отданных электронов зависит от образующегося иона.

Как это устроено

В металлическом кристалле частицы расположены упорядоченно, но электроны внешнего слоя не принадлежат только одному атому. Они перемещаются между многими частицами и удерживают положительные ионы вместе. Поэтому металлическая связь не направлена строго между двумя атомами: слои частиц могут смещаться, не разрушая сразу всё вещество.

Подвижность электронов объясняет, почему металлы проводят электрический ток и хорошо передают тепло. При подключении к источнику тока электроны начинают направленно перемещаться, перенося заряд. Тепловая энергия также быстро передаётся через движущиеся электроны и взаимодействующие частицы решётки.

Металлический блеск связан с взаимодействием поверхности с падающим светом: подвижные электроны отражают значительную его часть. Ковкость и пластичность возникают потому, что при ударе или растяжении слои частиц могут смещаться, а общие электроны продолжают удерживать их вместе. Однако эти свойства выражены у разных металлов неодинаково: например, ртуть при обычных условиях жидкая, а некоторые металлы твёрдые и хрупкие.

Химическое поведение металла зависит от того, насколько легко его атомы отдают электроны. Чем легче происходит отдача, тем активнее металл в типичных реакциях. В таблице Менделеева металлические свойства в целом усиливаются при движении к левому краю периода и вниз по группе, потому что внешние электроны всё слабее удерживаются ядром.

При взаимодействии с кислородом металл обычно образует оксид: металл отдаёт электроны, а кислород их принимает. В реакции с водой активные металлы могут образовать гидроксид и водород, но условия и продукты зависят от конкретного металла. Разбавленные кислоты вытесняют водород не всеми металлами: для этого металл должен стоять в ряду активности до водорода.

Физические свойства металлов

Сравнивайте свойства не по одному признаку, а сразу по нескольким: внешний вид, агрегатное состояние, плотность, твёрдость, пластичность и способность проводить ток. Таблица показывает общие закономерности, а не свойства каждого металла без исключения. Если нужно объяснить свойство, связывайте его с металлическим строением.

Разбор задач

Задача. Магний сгорел в кислороде, и образовалось 8 г оксида магния. Определите массу вступившего в реакцию магния. Уравнение реакции: 2Mg + O₂ → 2MgO. В условии не сказано, что кислород был в недостатке, поэтому считаем, что реакция завершилась и весь образовавшийся оксид — MgO.

1. Записываем уравнение реакции и проверяем коэффициенты: слева и справа по два атома магния и по два атома кислорода. Коэффициенты показывают, что количество вещества Mg и MgO соотносится как 2:2, то есть как 1:1. Значит, для образования одного моля MgO нужен один моль Mg.

2. Находим молярную массу оксида магния: M(MgO) = 24 + 16 = 40 г/моль. Тогда количество вещества оксида равно n(MgO) = m/M = 8/40 = 0,2 моль. Здесь использована формула n = m/M, где m — масса, а M — молярная масса.

3. По уравнению реакции n(Mg) = n(MgO) = 0,2 моль. Молярная масса магния равна 24 г/моль, поэтому масса магния составляет m(Mg) = nM = 0,2 · 24 = 4,8 г. Такой порядок действий позволяет сначала установить соотношение веществ, а затем перейти к массе.

Ответ: в реакцию вступило 4,8 г магния. Проверка здравого смысла: масса оксида больше массы магния, потому что к нему присоединился кислород. Если бы ответ оказался больше 8 г, это указывало бы на ошибку в расчёте или единицах.

Типичные ошибки

Путать металл как элемент и металл как простое вещество. Элемент — это вид атомов, а простое вещество состоит только из атомов этого элемента. Ошибка возникает из-за одинакового названия, но проверить себя можно по формулировке: в реакции участвует вещество, а в таблице Менделеева указан элемент.

Считать, что любой металл реагирует с любой кислотой. Ученик может запомнить общий пример и распространить его на все случаи. Однако водород из разбавленной кислоты вытесняют металлы, стоящие до него в ряду активности; перед ответом проверьте положение металла в этом ряду.

Не уравнивать уравнение реакции перед расчётом. Тогда соотношение количеств веществ получается неверным, даже если арифметика выполнена аккуратно. Сначала сосчитайте атомы каждого элемента слева и справа и поставьте коэффициенты, а затем используйте их как отношение количества веществ.

Объявлять все свойства металлов абсолютно одинаковыми. Большинство металлов твёрдые при комнатной температуре, но ртуть — исключение; различаются также плотность и твёрдость. Проверяйте, говорится ли об общей закономерности или о конкретном металле, и не превращайте типичное свойство в универсальное правило.

Связь с другими темами

Тема металлов связана с периодической таблицей: положение элемента помогает судить о строении его атома и способности отдавать электроны. Эти представления нужны при изучении окислительно-восстановительных реакций, где одни частицы отдают электроны, а другие принимают их.

Расчёты по уравнениям реакций опираются на понятия моля, молярной массы и закона сохранения массы. Ряд активности дополняет знания о растворах и кислотах: он позволяет предсказать, пойдёт ли реакция замещения. Физические свойства металлов объясняют их применение в материалах, проводах и конструкциях.

Что запомнить

• Атомы металлов обычно отдают электроны и образуют положительные ионы.
• Металлическая связь и подвижные электроны объясняют многие общие физические свойства металлов.
• Металлы различаются по активности; предсказывать реакции помогает ряд активности.
• Перед расчётами по уравнению реакции нужно уравнять его и использовать коэффициенты.