Раздел 3. Металлы

Определения и обозначения

Металлы — химические элементы, атомы которых обычно отдают электроны и образуют положительно заряженные ионы, или катионы. В Периодической системе большинство металлов находится слева и в центре; исключения и пограничные элементы рассматривают отдельно. Такое положение помогает предварительно определить, будет ли элемент проявлять металлические свойства. Например, Na и Fe — металлы, а S и Cl — неметаллы.

Металлическая связь — притяжение между положительными ионами металла и обобществлёнными электронами, которые могут перемещаться по всему куску вещества. Электроны не принадлежат одной определённой паре атомов, поэтому связь сохраняется, даже когда слои частиц смещаются. Это понятие нужно, чтобы объяснить общие свойства металлов. Например, их способность проводить ток связана с подвижностью электронов.

Ряд активности металлов — расположение металлов в порядке убывания их химической активности. Сравнив места двух металлов в ряду, можно предсказать направление многих реакций замещения. Стоящий выше металл обычно вытесняет стоящий ниже из раствора его соли. Ряд также помогает оценить, может ли металл вытеснять водород из кислоты.

Сплав — материал из нескольких элементов, один или несколько из которых являются металлами. В отличие от чистого металла, сплав обычно представляет собой смесь, состав которой можно менять. Атомы разных элементов влияют на строение и свойства материала. Поэтому сплавы подбирают, когда чистый металл недостаточно прочен, твёрд или устойчив к коррозии.

Как это устроено

В металлах внешние электроны сравнительно легко отделяются от отдельных атомов и становятся общими для множества частиц. Так возникают положительные ионы в узлах структуры и подвижные электроны между ними. При приложении напряжения электроны начинают двигаться направленно, поэтому металл проводит электрический ток. Те же подвижные частицы быстро передают энергию по веществу, обеспечивая теплопроводность.

Металл можно ковать и прокатывать, потому что слои его частиц способны смещаться, не разрушая притяжение между ионами и общими электронами. Металлическая связь не направлена строго между двумя атомами, поэтому после сдвига она сохраняется. Свет, взаимодействуя с электронами у поверхности, отражается, и металл приобретает характерный блеск. Эти свойства различаются у разных металлов, но вместе помогают узнать их типичное поведение.

Когда атом металла отдаёт электроны, он превращается в положительный ион, а принятые частицы получает другое вещество. Поэтому в химической реакции металл чаще всего является восстановителем: он отдаёт электроны и сам окисляется. Например, при реакции магния с хлором магний отдаёт два электрона, а атом хлора их принимает. Способность отдавать электроны связана с электронной оболочкой атома, но выражена у металлов неодинаково.

С кислородом многие металлы образуют оксиды, однако скорость и условия реакции зависят от металла: одни реагируют быстро, другим нужны нагревание или особые условия. С водой активные металлы могут образовать гидроксид и водород, а некоторые металлы реагируют с водяным паром при нагревании. Кислоты могут давать с металлами соль и водород, если металл достаточно активен и кислота подходит для такой реакции. Раствор соли позволяет проверить, вытеснит ли один металл другой; возможность зависит от активности и условий, в том числе от растворимости продуктов.

Ряд активности нужен для сравнения металлов перед записью реакции замещения. Если свободный металл стоит выше металла в составе соли, он обычно вытесняет его из раствора; если ниже — реакция обычно не идёт. Аналогично металл, стоящий до водорода, может вытеснить его из разбавленной неокисляющей кислоты, тогда как металл после водорода обычно этого не делает. Проверка по ряду — первый шаг прогноза, но затем нужно учесть свойства конкретных веществ и условия.

Сплавы создают, соединяя металлы между собой или добавляя к металлу другие элементы. Частицы добавки изменяют расположение атомов и затрудняют их сдвиг, поэтому материал может стать твёрже или прочнее. Другой состав способен повысить устойчивость к коррозии либо изменить температуру плавления. Так получают материалы с нужным сочетанием свойств, а не просто повторяют свойства исходных чистых металлов.

Химические свойства металлов и условия протекания реакций

Сначала определите, какой тип реакции возможен, затем проверьте активность металла и условия. Записанная схема ещё не гарантирует, что реакция пойдёт: сравните реагенты с ограничениями в таблице. После этого составьте формулы продуктов и расставьте коэффициенты.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, какие из веществ Na, S, Fe, Cl₂, Al являются металлами. Обоснуйте выбор по Периодической системе. Обратите внимание, что Cl₂ — формула простого вещества хлора, а положение элемента определяют по символу Cl.

1. Найдём элементы в таблице: Na — натрий, Fe — железо, Al — алюминий, S — сера, Cl — хлор.
2. Сопоставим положение и тип элементов: натрий и алюминий находятся в левой части таблицы, железо — в её центральной части; это металлы. Сера и хлор — неметаллы.
3. Отделим простое вещество от обозначения элемента: Cl₂ состоит из атомов хлора, но от этого хлор не становится металлом.

Ответ: металлы — Na, Fe и Al; S и Cl₂ — неметаллы.

Задача 2. Составьте уравнения реакций магния с кислородом и соляной кислотой, расставьте коэффициенты и назовите продукты. В первом случае применяем схему «металл + кислород → оксид». Во втором случае магний стоит до водорода в ряду активности и может вытеснить его из соляной кислоты.

1. Запишем продукты реакции с кислородом: MgO. Схема Mg + O₂ → MgO; чтобы уравнять кислород, ставим коэффициент 2 перед MgO, затем 2 перед Mg.
2. Получаем 2Mg + O₂ → 2MgO. Продукт — оксид магния.
3. Для кислоты запишем соль MgCl₂ и водород H₂: Mg + HCl → MgCl₂ + H₂. Для двух атомов хлора ставим 2 перед HCl.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO — образуется оксид магния; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂ — образуются хлорид магния и водород.

Задача 3. Определите, вытеснит ли железо медь из раствора сульфата меди(II). Если реакция возможна, составьте уравнение и укажите, какие частицы окисляются и восстанавливаются. Сначала сравним положение железа и меди в ряду активности, затем запишем продукты и проследим изменение электронов.

1. Железо стоит выше меди, поэтому оно активнее и может вытеснить медь из её соли. Продуктами будут сульфат железа(II) и металлическая медь.
2. Запишем и проверим уравнение: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Число атомов каждого элемента одинаково с обеих сторон, коэффициенты равны единице.
3. Железо отдаёт два электрона: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻, значит, оно окисляется. Ион меди принимает электроны: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, значит, он восстанавливается.

Ответ: реакция возможна: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Окисляется железо, восстанавливаются ионы Cu²⁺.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл реагирует с водой или кислотой. Её допускают, потому что знакомятся с общими схемами реакций и принимают их за правило без исключений. На деле реакция зависит от активности металла, состава реагента и температуры. Проверьте, указаны ли условия, и сравните металл с водородом в ряду, если речь идёт о кислоте.

Металл как простое вещество и металл как химический элемент — не одно и то же понятие. Элемент — вид атомов, а простое вещество состоит из атомов одного элемента; элемент может входить и в состав соединений. Путаница возникает, когда символ элемента автоматически принимают за обозначение металла в любом веществе. Для проверки выясните, о чём говорится: об элементе, простом веществе или составе соединения.

Нельзя записывать реакцию замещения, не проверив ряд активности. Иногда кажется, что более знакомый или тяжёлый металл должен вытеснить другой, но направление определяет химическая активность. Менее активный металл обычно не вытесняет более активный из раствора его соли. До записи продуктов сравните места металлов в ряду и проверьте условия реакции.

Ошибка — считать сплав химическим соединением с неизменным составом. Сплав обычно является смесью, поэтому соотношение компонентов может меняться, а свойства зависят от состава. Путаница возникает из-за того, что сплав выглядит однородным и имеет собственное название. Проверьте, фиксирована ли формула: для большинства сплавов её нет, в отличие от химического соединения.

Связь с другими темами

Для понимания металлов нужны знания о строении атома и электронных оболочках: они помогают объяснить, почему атомы отдают электроны. Периодический закон и устройство таблицы позволяют определить положение элемента и его типичные свойства. Навыки составления формул и уравнений нужны, чтобы записывать продукты и расставлять коэффициенты; степени окисления помогают проследить перенос электронов. Эти знания пригодятся при изучении коррозии, электролиза, получения металлов и выбора материалов для практических задач.

Что запомнить

• Атомы металлов обычно отдают электроны и образуют катионы.
• Металлическая связь помогает объяснить общие физические свойства металлов.
• В реакциях металлы чаще всего выступают восстановителями.
• Ряд активности помогает предсказать реакции замещения.
• Металл, стоящий в ряду активности выше, может вытеснить менее активный металл из раствора его соли.
• Сплавы сочетают свойства компонентов и часто превосходят чистые металлы по практической пригодности.