12. Простые вещества — металлы

Определения и обозначения

Простые вещества — металлы — вещества, состоящие из атомов металлических химических элементов и обладающие характерными физическими свойствами. Обычно металлы проводят электрический ток и тепло, имеют блеск и пластичны, тогда как многие неметаллы таких свойств не проявляют. Это определение помогает отличать простое вещество от химического элемента, то есть вида атомов.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом металле. В её узлах находятся положительно заряженные частицы, а между ними движутся общие электроны. Представление о решётке помогает понять, как устроено твёрдое вещество и почему его свойства отличаются от свойств отдельных атомов.

Металлическая связь — притяжение положительно заряженных частиц металла к общим подвижным электронам. Электроны связывают между собой множество частиц решётки, а не только одну пару соседних атомов. Это понятие объясняет, почему металл сохраняет целостность и при смещении его слоёв.

Электронный газ — название для электронов, которые свободно перемещаются между частицами металла. Это не отдельное газообразное вещество, а образное описание подвижных электронов внутри твёрдого металла. Термин нужен, чтобы объяснить перенос электрического заряда и энергии.

Как это устроено

У атомов большинства металлов на внешнем энергетическом уровне сравнительно мало электронов, и они удерживаются не так прочно, как внутренние. Поэтому атомам энергетически выгодно отдавать внешние электроны, которые становятся общими для всего куска металла. Оставшиеся частицы имеют положительный заряд и располагаются упорядоченно, образуя основу металлической решётки. Такое устройство отличается от модели, где каждый атом связан только с одним определённым соседом.

Отданные электроны не покидают металл, а свободно перемещаются между положительно заряженными частицами. Частицы притягивают эти электроны, а электроны одновременно притягиваются ко многим частицам решётки. Такое взаимное притяжение и называют металлической связью. Она удерживает структуру металла как единое целое, хотя электроны в ней не закреплены за отдельными атомами.

Подвижность электронов помогает металлу проводить электрический ток. Когда к металлу подключают источник тока, электрическое поле направляет движение электронов, и заряд переносится через материал. Электроны также передают энергию от более нагретых участков к менее нагретым, поэтому металлы обычно хорошо проводят тепло. Чем легче переносится заряд и энергия, тем заметнее эти свойства в практическом использовании металла.

Металлический блеск возникает потому, что поверхность металла отражает падающий на неё свет. Пластичность — способность менять форму, не рассыпаясь, — связана с тем, что слои частиц решётки могут смещаться. При таком смещении подвижные электроны продолжают притягивать положительные частицы, поэтому связь между ними сохраняется. Благодаря этому металл можно прокатывать в листы, ковать или вытягивать в проволоку.

Обычно металлы при обычных условиях являются твёрдыми веществами, но это не обязательный признак: ртуть при комнатной температуре жидкая. Среди металлов есть мягкие, которые легко резать или деформировать, и твёрдые, которым сложнее изменить форму. Температуры плавления тоже различаются: у одних металлов они высокие, у других сравнительно низкие. Поэтому металл определяют не по одному признаку, а по сочетанию свойств и строению.

Характерные физические свойства простых веществ — металлов

Таблица показывает типичные свойства, а не перечень обязательных признаков для каждого металла. При сравнении веществ учитывай сразу несколько характеристик и не забывай об исключениях. Блеск или твёрдое состояние сами по себе не позволяют безошибочно определить металл.

Разбор задач

Задача: из веществ медь, сера и алюминий выберите металлы и назовите по одному характерному физическому свойству каждого. Нужно классифицировать именно простые вещества, а не предметы, сделанные из них. Сравним известные свойства веществ с характерными признаками металлов.

1. Сера — неметалл, поэтому в список металлов её не включаем.
2. Медь и алюминий относятся к металлам: оба вещества проводят электрический ток.
3. Для каждого выбранного вещества называем по одному свойству, не подменяя его химическим признаком.

Ответ: металлы — медь и алюминий. Характерное свойство меди — высокая электрическая проводимость, алюминия — пластичность. Эти свойства относятся к веществам, а не к названиям химических элементов сами по себе.

Задача: медную проволоку используют для изготовления электрических проводов. Какое свойство меди делает это возможным и как оно связано со строением металла? Вопрос касается не только практического применения, но и его причины. Проследим связь от частиц металла к переносу заряда.

1. В меди имеются общие электроны, способные перемещаться между положительно заряженными частицами решётки.
2. Под действием электрического поля электроны приобретают направленное движение и переносят заряд.
3. Следовательно, медь применяют в проводах из-за высокой электрической проводимости, связанной с подвижностью электронов.

Ответ: медь хорошо проводит электрический ток. В металлической решётке её электроны могут перемещаться, поэтому заряд переносится через проволоку. Если бы электроны были прочно закреплены возле отдельных атомов, такая проводимость была бы невозможна.

Задача: один образец — твёрдый блестящий металл, другой — жидкая при комнатной температуре ртуть. Почему оба вещества относят к металлам и какое свойство ртути является исключением? Нельзя считать твёрдость обязательным условием принадлежности к металлам. Сопоставим характерные свойства с известным исключением.

1. Твёрдый образец проявляет характерные для металлов признаки, например блеск и металлическую проводимость.
2. Ртуть также является металлом по своему составу и металлическому типу связи.
3. При обычных условиях она жидкая, хотя большинство металлов в тех же условиях твёрдые.

Ответ: оба образца — металлы, но ртуть представляет исключение по агрегатному состоянию. Её жидкое состояние при комнатной температуре не отменяет принадлежности к металлам. Значит, состояние вещества — характерный, но не обязательный признак.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл при обычных условиях твёрдый. Так думают, потому что большинство знакомых металлических предметов сделано из твёрдых веществ. Однако ртуть при обычных условиях жидкая. Проверь себя: отличай типичное свойство от обязательного и вспоминай известные исключения.

Ошибка — считать металлический блеск достаточным доказательством, что перед тобой металл. Блеск заметен не только у металлов, поэтому одного внешнего вида недостаточно. Нужно учитывать другие свойства, например электрическую проводимость и пластичность. Для самопроверки спроси себя, есть ли у вещества другие характерные признаки.

Ошибка — путать металл как простое вещество с химическим элементом. Элементом называют вид атомов, а простым веществом — вещество, образованное атомами одного элемента. Слова близки, потому что связаны с одними и теми же атомами, но обозначают разные понятия. Проверь себя: речь идёт об атомах или о веществе с его свойствами?

Ошибка — представлять металлическую связь как связь только между двумя соседними атомами. Такое представление переносит на металл привычную картину отдельных пар связанных частиц. В действительности общие подвижные электроны притягиваются сразу ко многим положительным частицам решётки. Проверка простая: если в объяснении нет общих электронов, описание металлической связи неполное.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно различать химический элемент и простое вещество: первый обозначает вид атомов, второе — вещество из этих атомов. Также полезно знать, что в атоме есть электроны и что внешние электроны называют валентными. Эти знания помогают объяснить, почему внешние электроны металлов могут стать общими.

Представление о металлической решётке пригодится при изучении химических свойств металлов и других типов химической связи. Связь строения с проводимостью и пластичностью помогает понять, почему металлы широко используют в технике. Позже эти знания позволят объяснять не только свойства вещества, но и его применение.

Что запомнить

• Металлы — простые вещества с характерными физическими свойствами и металлическим типом связи.
• В металлической решётке положительно заряженные частицы взаимодействуют с общими подвижными электронами.
• Подвижные электроны объясняют высокую электрическую и тепловую проводимость металлов.
• Металлическая связь и строение решётки связаны с пластичностью металлов.
• Для многих металлов характерен металлический блеск.
• Ртуть — металл, жидкий при обычных условиях.