§ 14. Простые вещества — металлы

Определения и обозначения

Простое вещество — металл — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента-металла. Металлы обычно проводят электрический ток, блестят и поддаются обработке. Это определение нужно, чтобы не путать вещество с химическим элементом.

Металлическая связь — притяжение положительно заряженных частиц металла к общим подвижным электронам. Электроны не принадлежат только одному атому, а удерживают сразу много частиц решётки. Так объясняются основные свойства металлических веществ.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение положительных частиц в твёрдом металле. Между ними перемещаются обобществлённые электроны. Представление о решётке помогает связать строение вещества с его наблюдаемыми свойствами.

Сплав — материал, состоящий из нескольких веществ, среди которых есть металлы. В отличие от чистого металла, сплав имеет несколько компонентов и особое соотношение их частиц. Поэтому его свойства можно изменять для конкретного применения.

Как это устроено

Большинство металлических элементов находится в левой и центральной части периодической таблицы. На внешнем энергетическом уровне их атомов обычно немного электронов, и они сравнительно легко отдают их. Поэтому атомы превращаются в положительные частицы, а металлические элементы проявляют восстановительные свойства.

Металлическая связь возникает, когда атомы отдают внешние электроны не отдельному соседу, а всему кристаллу. Оставшиеся положительные частицы притягиваются к общему электронному облаку. Такое притяжение удерживает частицы вместе, хотя электроны могут перемещаться по всему образцу.

В твёрдом металле положительные частицы занимают определённые места в кристаллической решётке. Обобществлённые электроны находятся между ними и не закреплены за конкретным атомом. Если приложить напряжение, электроны начинают двигаться направленно и переносят электрический заряд.

Та же подвижность электронов помогает быстро передавать энергию от нагретого участка металла к холодному. Поэтому металлы хорошо проводят не только электричество, но и тепло. Разные металлы проводят их неодинаково: это зависит от строения решётки и особенностей электронов.

При смещении слоёв частиц металлическая связь не исчезает полностью, поэтому металл можно деформировать без раскалывания. Так появляются ковкость, тягучесть и общая пластичность. Металлический блеск связан с тем, что свободные электроны взаимодействуют со светом и отражают его.

Физические свойства металлов и их объяснение

Сначала определите, какое свойство нужно объяснить, а затем найдите соответствующую особенность строения. Таблица показывает общую закономерность, но отдельные металлы могут различаться по прочности, температуре плавления и способности проводить ток. Для практики особенно полезно помнить исключение: ртуть при комнатной температуре жидкая.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Из списка веществ выберите простые вещества-металлы: железо, сера, кислород, медь. Нужно отличить металлы от неметаллов и убедиться, что речь идёт именно о простых веществах.

1. Проверяем состав каждого вещества: все названные вещества состоят из атомов одного химического элемента.
2. Сравниваем элементы с их положением и известными свойствами: железо и медь относятся к металлам.
3. Сера и кислород относятся к неметаллам, поэтому в ответ не входят.

Ответ: простые вещества-металлы — железо и медь. Сера и кислород являются простыми веществами-неметаллами.

Задача 2

Условие. Объясните, почему медь проводит электрический ток, используя представление о металлической связи. Требуется связать наблюдаемое свойство с движением частиц внутри вещества.

1. В твёрдой меди частицы занимают места в металлической кристаллической решётке.
2. Внешние электроны атомов обобществлены и могут перемещаться между положительными частицами.
3. Электрическое поле направляет движение этих электронов, поэтому они переносят заряд по проводнику.

Ответ: медь проводит ток благодаря подвижным обобществлённым электронам. Сами частицы решётки при этом не движутся по всему проводнику.

Задача 3

Условие. Сравните чистый металл и сплав по составу и объясните, зачем в изделиях вместо чистого металла часто используют сплав. Нужно определить не только различие состава, но и его практический смысл.

1. Чистый металл состоит из одного металлического вещества, а сплав — из нескольких компонентов, среди которых есть металлы.
2. Изменение состава влияет на расположение частиц и их взаимодействие в материале.
3. Подбирая компоненты, получают нужную прочность, твёрдость, устойчивость к нагреванию или коррозии.

Ответ: сплав используют, когда свойства чистого металла не подходят для изделия. Например, состав материала можно изменить так, чтобы он стал прочнее или дольше сохранялся.

Типичные ошибки

Ошибка: считать металл только химическим элементом. Так смешивают вид атомов и вещество, образованное этими атомами. Проверка: спросите себя, говорится ли о составе атомов или о свойствах образца.

Ошибка: думать, что ток переносят свободно движущиеся атомы металла. В твёрдой решётке частицы колеблются около своих мест, а направленно перемещаются главным образом электроны. Проверка: для электропроводности ищите подвижные заряженные частицы.

Ошибка: утверждать, что все металлы твёрдые. Большинство действительно твёрдые, но ртуть при комнатной температуре жидкая. Проверка: вспоминайте это исключение, когда речь идёт об агрегатном состоянии.

Ошибка: называть сплав чистым металлом с неизменным составом. Сплав содержит несколько компонентов, поэтому его свойства отличаются и зависят от состава. Проверка: определите, одно вещество входит в материал или несколько.

Связь с другими темами

Для понимания металлов нужны знания о строении атома, периодической таблице и различии между химическим элементом и простым веществом. Без этого трудно объяснить, почему атомы металлов легко отдают внешние электроны.

Металлическая связь расширяет представления о химической связи и строении веществ. Позже эти знания помогут сравнивать разные типы связи и свойства материалов.

Свойства металлов и сплавов связаны с их реакциями, применением в технике и быту. По составу и строению можно заранее предположить, для какого изделия подойдёт материал.

Что запомнить

• Большинство химических элементов — металлы.
• В твёрдом металле положительные частицы расположены в кристаллической решётке.
• Металлическая связь возникает благодаря притяжению положительных частиц к общим подвижным электронам.
• Подвижные электроны объясняют электропроводность и теплопроводность металлов.
• Металлам обычно свойственны блеск и пластичность.
• Ртуть — металл, который при комнатной температуре находится в жидком состоянии.
• Сплавы состоят из нескольких компонентов и часто обладают свойствами, подходящими для практического применения.