§ 23. Общие свойства металлов. Металлическая связь

Определения и обозначения

Металлы — химические элементы, атомы которых обычно имеют небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне и способны отдавать их. Внешние электроны удерживаются сравнительно слабо, поэтому атомы металлов легко превращаются в положительно заряженные частицы. Это объясняет химическую активность металлов и их способность образовывать особый тип связи.

Металлическая связь — связь между частицами металла, обусловленная притяжением положительно заряженных частиц и обобществлённых электронов. Электроны при этом не закреплены за одной конкретной парой атомов. Такое определение нужно, чтобы связать строение металла с его общими физическими свойствами.

Кристаллическая решётка металла — упорядоченное расположение частиц в твёрдом металле. В узлах решётки находятся положительно заряженные частицы, а пространство между ними заполнено общими электронами. Модель решётки позволяет представить, как устроен металл не на уровне отдельного атома, а как единый кристалл.

Обобществлённые электроны — электроны, не принадлежащие одному определённому атому и способные перемещаться по всему металлическому кристаллу. Их иногда называют свободными, хотя они не покидают кристалл самопроизвольно. Именно их подвижность нужна для объяснения проводимости, теплопроводности и взаимодействия металла со светом.

Как это устроено

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно находится немного электронов. Ядро и внутренние электроны удерживают внешние электроны не так прочно, как у многих неметаллов. Поэтому при сближении большого числа атомов внешние электроны легко становятся общими, а атомные остатки приобретают положительный заряд.

В твёрдом металле положительные частицы располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Между ними находится общее электронное облако, электроны которого могут переходить от одной области к другой. Притяжение положительных частиц к этому облаку удерживает решётку вместе и создаёт металлическую связь.

Металлическая связь не направлена между строго определёнными парами атомов. Каждый положительный узел притягивается ко многим общим электронам, а электроны взаимодействуют сразу со множеством частиц решётки. Поэтому при смещении одного слоя относительно другого связь не обрывается: меняется расположение частиц, но общее электронное облако продолжает их удерживать.

Подвижность электронов объясняет электрическую проводимость: в электрическом поле они получают направленное движение и переносят заряд. Те же электроны быстро передают энергию от нагретых участков к холодным, поэтому металлы хорошо проводят тепло. Способность электронов взаимодействовать со светом приводит к его отражению и появлению металлического блеска.

Пластичность металлов связана с тем, что их слои могут скользить, не разрушая металлическую связь. Частицы не обязаны сохранять прежних соседей, поскольку притяжение обеспечивается общими электронами во всём кристалле. Поэтому металл можно сгибать, ковать, вытягивать в проволоку и прокатывать в лист.

Прочность и температура плавления зависят от силы притяжения частиц решётки и электронного облака. Чем труднее нарушить упорядоченное строение, тем больше усилие нужно для деформации и тем больше нагрев требуется для плавления. Однако состав и строение разных металлов различаются, поэтому одинаковых значений у них нет.

Общие свойства металлов и их объяснение

В таблице сначала находят наблюдаемое свойство, затем смотрят, какое движение или взаимодействие частиц его вызывает. Одно свойство может зависеть от нескольких особенностей строения, поэтому объяснение показывает главную причину, а не полный перечень факторов. При сравнении металлов нужно учитывать, что сила связи и строение кристаллов у них различаются.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему металлы проводят электрический ток.

Условие. Нужно связать наблюдаемую электропроводность с моделью металлического кристалла. Следует определить, какие частицы в металле способны перемещаться. Затем нужно указать, что изменяется при подключении образца к источнику тока.

1. В решётке металла находятся положительные частицы и обобществлённые электроны.
2. Электроны не закреплены за одним атомом, поэтому могут перемещаться по кристаллу.
3. Электрическое поле придаёт их движению определённое направление, и они переносят заряд.

Ответ. Металлы проводят ток благодаря направленному перемещению обобществлённых электронов. Положительные частицы решётки в обычном проводнике не переносят заряд по образцу. Чем легче электроны перемещаются, тем выше проводимость металла.

Задача 2. Почему металлический образец можно раскатать в тонкий лист, тогда как кристалл с направленной связью при смещении слоёв может разрушиться?

Условие. Нужно сравнить металлическую связь с направленной связью, которая действует между определёнными частицами. При прокатке слои кристалла смещаются. Важно выяснить, сохраняется ли взаимодействие после такого смещения.

1. Металлическая связь создаётся общими электронами, притягивающими множество положительных частиц.
2. При сдвиге слоёв частицы меняют соседей, но электронное облако продолжает их удерживать.
3. В направленной связи нарушается конкретное расположение частиц, поэтому связь может оборваться и кристалл разрушится.

Ответ. Металл пластичен, потому что его ненаправленная связь сохраняется при смещении слоёв. Поэтому образец можно раскатывать и ковать без мгновенного раскалывания. Для кристалла с направленными связями такой сдвиг может нарушить нужное расположение частиц.

Задача 3. Для металла указаны высокая электропроводность, теплопроводность и способность к пластической деформации. Объясните все три свойства, используя единую модель строения.

Условие. Нужно не давать три независимых объяснения, а использовать одну модель металлической решётки. В ней положительные частицы окружены общими подвижными электронами. Из этой модели надо вывести перенос заряда, энергии и возможность изменения формы.

1. Направленное движение электронов переносит электрический заряд, поэтому металл проводит ток.
2. Перемещение электронов между нагретыми и холодными участками переносит энергию, поэтому металл проводит тепло.
3. При смещении слоёв общие электроны сохраняют притяжение частиц, поэтому металл деформируется пластически.

Ответ. Все три свойства объясняются металлической решёткой с подвижными обобществлёнными электронами. Электропроводность связана с переносом заряда, теплопроводность — с переносом энергии. Пластичность обусловлена сохранением металлической связи при смещении частиц.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что каждый обобществлённый электрон принадлежит только одному атому. Так думают из-за привычной модели отдельных атомов, но в металле электроны перемещаются по всему кристаллу. Проверка: спросите себя, может ли один и тот же электрон участвовать во взаимодействии с несколькими частицами.

Ошибка 2. Представлять металлическую связь как связь между отдельными соседними атомами. Такая схема похожа на описание ковалентной связи, где важны конкретные пары атомов. Проверка: вспомните, что металлическая связь ненаправленна и охватывает кристалл в целом.

Ошибка 3. Объяснять электропроводность движением положительных частиц решётки. Узлы решётки колеблются около своих положений, но основной перенос заряда выполняют подвижные электроны. Проверка: в ответе обязательно назовите электроны и их направленное движение в электрическом поле.

Ошибка 4. Утверждать, что все металлы твёрдые и имеют одинаковые свойства. Большинство металлов твёрдые при обычных условиях, однако ртуть жидкая, а значения прочности и температуры плавления различаются. Проверка: отделяйте общее свойство группы от возможных исключений и индивидуальных характеристик.

Связь с другими темами

Для понимания металлической связи нужны знания о строении атома, энергетических уровнях и валентных электронах. Именно положение внешних электронов помогает объяснить, почему атомы металлов способны их отдавать. Без этой основы трудно понять происхождение общего электронного облака.

Металлическую связь полезно сравнивать с ионной и ковалентной. В ионной связи важны притяжение противоположно заряженных ионов, а в ковалентной — общие электронные пары между определёнными атомами. В металлах электроны общие для множества частиц и сохраняют подвижность.

Представление о металлической связи пригодится при изучении свойств металлов и сплавов. Оно помогает объяснять, почему из металлов делают провода, детали, листы и инструменты. Также эта модель связывает строение вещества с выбором материала для практического применения.

Что запомнить

• Внешние электроны в металлах могут быть общими для множества атомов.
• Металлическая связь удерживает вместе частицы всего кристалла.
• Перемещение обобществлённых электронов обеспечивает электропроводность металлов.
• Подвижные электроны участвуют в переносе тепловой энергии.
• Ненаправленность металлической связи помогает объяснить пластичность металлов.
• Металлический блеск связан с взаимодействием свободных электронов со светом.
• Физические свойства разных металлов неодинаковы.