§ 47. Элементы-металлы. Особенности строения их атомов. Положение металлов в периодической системе Д.И. Менделеева

Определения и обозначения

Элемент-металл — химический элемент, атомы которого обычно отдают электроны и образуют положительные ионы. Например, атом натрия может отдать один электрон. Это понятие описывает свойства атомов элемента, а не только внешний вид простого вещества.

Металлические свойства — способность атомов элемента отдавать внешние электроны; в периодической системе они усиливаются вниз и влево. Чем легче атом теряет электроны, тем заметнее проявляются эти свойства. Понятие помогает сравнивать элементы и предсказывать направление изменения их свойств.

Внешние электроны — электроны внешнего энергетического уровня, участвующие в образовании химических связей. Они находятся дальше других электронов от ядра и часто определяют поведение атома в реакции. Поэтому их число и способность покидать атом важны для понимания химических свойств.

Положение металлов в периодической системе — размещение элементов-металлов преимущественно в левой, нижней и центральной частях таблицы. Это расположение связано с особенностями строения атомов, хотя граница между металлами и неметаллами не всегда проходит строго. По месту элемента можно сделать предварительный вывод о его свойствах.

Как это устроено

У многих металлов на внешнем энергетическом уровне находится небольшое число электронов — обычно от одного до трёх. Ядро удерживает внешние электроны слабее, чем электроны внутренних уровней: они дальше от него и испытывают влияние электронов, расположенных ближе к ядру. Поэтому отдать несколько внешних электронов часто энергетически легче, чем присоединить много новых.

Когда атом металла отдаёт электроны, число положительных зарядов в ядре становится больше числа оставшихся электронов. Атом превращается в положительно заряженный ион — катион. Например, Na → Na⁺ + e⁻: натрий отдаёт один электрон и получает заряд +1. Образование катионов объясняет, почему металлы способны участвовать в ионных связях и образовывать многие соединения.

В периодической системе металлы находятся в начале периодов, в побочных подгруппах и в нижней части главных подгрупп. В начале периода атомы обычно имеют мало внешних электронов, которые можно отдать. Переходные металлы занимают центральную часть больших периодов: у них заполняется d-подуровень предпоследнего энергетического уровня, поэтому их строение сложнее, чем у металлов главных подгрупп.

В главной подгруппе при движении сверху вниз металлические свойства усиливаются. У атомов становится больше энергетических уровней, а внешний уровень располагается дальше от ядра; притяжение внешних электронов ослабевает, и они легче отдаются. В периоде слева направо металлические свойства, напротив, ослабевают: заряд ядра растёт, а число уровней остаётся прежним, поэтому ядро сильнее притягивает внешние электроны.

Положение элемента помогает связать его место в таблице со строением атома. Номер периода показывает число занятых энергетических уровней; у элементов главных подгрупп номер группы обычно связан с числом внешних электронов. Вместе эти сведения позволяют предположить, сколько электронов атом может отдать. Для переходных металлов такой вывод только по номеру группы делать нельзя: в реакциях могут участвовать электроны d-подуровня и внешнего уровня.

Положение и особенности строения атомов элементов-металлов

Сначала найди в таблице положение элемента и определи, относится ли он к главной подгруппе или к переходным металлам. Затем сравни число внешних электронов и особенности заполняемого подуровня. Таблица помогает сделать вывод о свойствах, но для переходных элементов число электронов, участвующих в реакции, нельзя определять только по номеру группы.

Разбор задач

1. Элемент с электронной формулой 2, 8, 1

Определи, является ли элемент металлом, назови его период и группу, а также число внешних электронов. Числа в электронной формуле показывают, сколько электронов находится на каждом энергетическом уровне. Нужно связать распределение электронов с положением элемента и его свойствами.

1. В записи три числа: атом имеет три занятых энергетических уровня. Значит, элемент находится в третьем периоде.
2. На внешнем, третьем уровне находится один электрон. Для элемента главной подгруппы это соответствует первой группе.
3. Один внешний электрон сравнительно легко отдать. Элемент относится к металлам; такая конфигурация соответствует натрию, который образует катион Na⁺.

Ответ: металл натрий, третий период, первая группа, один внешний электрон.

2. Сравнение натрия и магния, магния и кальция

Сравни металлические свойства натрия и магния, а затем магния и кальция. Натрий и магний находятся в одном периоде, а магний и кальций — в одной главной подгруппе. Поэтому для каждой пары нужно применить свою закономерность изменения свойств.

1. Натрий расположен левее магния в третьем периоде. Слева направо металлические свойства ослабевают, следовательно, натрий проявляет их сильнее магния.
2. Кальций находится ниже магния во второй группе. Сверху вниз металлические свойства усиливаются, поэтому кальций проявляет их сильнее магния.

Ответ: натрий более металличен, чем магний; кальций более металличен, чем магний.

3. Элемент с порядковым номером 26

Определи положение элемента, особенности строения его атома и объясни, почему он может образовывать положительные степени окисления, различающиеся числом. Порядковый номер равен заряду ядра, а в нейтральном атоме — и числу электронов. Этот элемент — железо, переходный металл.

1. У железа 26 электронов. Его электронная конфигурация: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²; четыре занятых уровня означают, что железо находится в четвёртом периоде.
2. Железо расположено в центральной части таблицы, среди переходных металлов. При образовании соединений могут участвовать электроны 4s-уровня и 3d-подуровня предпоследнего уровня.
3. В разных реакциях и соединениях участвует разное число электронов. Поэтому железо образует, например, ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ и проявляет несколько положительных степеней окисления.

Ответ: железо — переходный металл четвёртого периода; участие электронов разных уровней помогает объяснить его переменные степени окисления.

Типичные ошибки

Ошибка: считать металлами все элементы слева от условной границы. Так думают, потому что большинство элементов в этой части таблицы действительно металлы. Но водород — неметалл, а элементы у границы могут обладать промежуточными свойствами; проверяй не только место элемента, но и его тип.

Ошибка: определять число внешних электронов переходного металла только по номеру группы. Это кажется удобным, но у переходных элементов заполняется d-подуровень предпоследнего уровня, и в реакции могут участвовать электроны нескольких уровней. Проверяй электронную конфигурацию и не переноси правило для главных подгрупп на все элементы.

Ошибка: путать элемент-металл с простым веществом металлом. Элемент — это вид атомов, а простое вещество состоит из множества таких атомов; смешение возникает потому, что одним названием часто обозначают и элемент, и вещество. Проверяй смысл: речь об атомах и их электронном строении или о веществе и его свойствах.

Ошибка: считать, что металлические свойства усиливаются в любом направлении по таблице. Это происходит из-за запоминания одного направления без учёта периода и группы. В периоде слева направо свойства ослабевают, а в главной подгруппе сверху вниз усиливаются; перед сравнением всегда определи, как расположены элементы.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атома, энергетических уровнях и подуровнях, электронных конфигурациях, периодах и группах. Они позволяют объяснить, почему атомы металлов отдают электроны и как образуются катионы. Эти представления помогают понимать свойства простых веществ и характер химических связей.

Далее знания о металлах пригодятся при изучении электрохимического ряда напряжений, реакций металлов, сплавов и коррозии. Строение атома помогает связать способность отдавать электроны с поведением металла в химических реакциях.

Что запомнить

• Атомы металлов обычно легко отдают внешние электроны.
• При отдаче электронов атом металла превращается в положительный ион — катион.
• Металлы расположены преимущественно в левой, нижней и центральной частях периодической системы.
• В периоде металлические свойства ослабевают слева направо.
• В главной подгруппе металлические свойства усиливаются сверху вниз.
• У металлов главных подгрупп обычно от одного до трёх внешних электронов.
• Переходные металлы отличаются участием d-подуровня и часто проявляют переменные степени окисления.