§ 18. Общая характеристика металлов и их соединений

Определения и обозначения

Металл — химический элемент, атомы которого обычно отдают внешние электроны и образуют положительные ионы. Большинство металлов расположено в левой и центральной частях периодической системы. Это определение помогает связать положение элемента с тем, как он ведёт себя в реакциях.

Металлическая связь — притяжение положительных ионов металла к обобществлённым электронам, общим для множества частиц. Электроны не закреплены между отдельными парами атомов, поэтому связь не направлена в конкретную сторону. Такая модель нужна, чтобы объяснить свойства металлов как единого кристалла.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение положительных ионов в узлах и электронов, свободно движущихся между ними. Узлы задают порядок строения твёрдого металла, а электроны связывают его части. Представление о решётке позволяет объяснять физические свойства и строение вещества.

Сплав — материал из нескольких элементов, по крайней мере один из которых является металлом. В отличие от чистого металла, сплав имеет смешанный состав, а его свойства зависят от доли компонентов и строения. Это понятие необходимо, чтобы отличать материал, например сталь, от отдельного химического элемента, железа.

Как это устроено

Металлические свойства связаны с положением элемента в периодической системе и строением внешнего электронного слоя. У атомов большинства металлов внешних электронов немного, а удерживаются они сравнительно слабо. Поэтому атомам энергетически выгодно отдать эти электроны и получить устойчивое состояние, образовав катионы. Чем легче происходит отдача, тем заметнее металлические и восстановительные свойства элемента.

В кристалле металла электроны не принадлежат одному атому: они перемещаются через весь объём и удерживают положительные ионы вместе. При приложении напряжения часть электронов начинает двигаться направленно — так возникает электрический ток. Быстрое перемещение электронов и передача ими энергии от одной части кристалла к другой объясняют хорошую теплопроводность. Поэтому металлическая связь, в отличие от связи между отдельными атомами, обеспечивает свойства всего образца.

Слои ионов в решётке могут смещаться при ударе или давлении, а электронное облако продолжает притягивать их и не даёт кристаллу сразу распасться. Этим объясняются ковкость — способность менять форму ударами — и пластичность, то есть способность деформироваться без разрушения. Свободные электроны взаимодействуют со светом и отражают его, поэтому поверхность металлов обычно блестит. У разных металлов выраженность этих свойств неодинакова.

В химических реакциях металл обычно отдаёт электроны, то есть выступает восстановителем, а сам окисляется. Сравнить, насколько легко металлы отдают электроны, помогает ряд активности: чем левее расположен металл, тем он, как правило, активнее. Более активный металл способен вытеснить менее активный из раствора его соли; водород в ряду служит ориентиром для реакций с разбавленными кислотами. Ряд даёт прогноз, но условия и пассивация поверхности тоже могут влиять на результат.

Кислород при взаимодействии с металлом обычно образует оксид, но состав и скорость реакции зависят от активности элемента и условий. Активные металлы реагируют с водой с образованием гидроксида и водорода, а менее активные могут не реагировать с холодной водой. Металлы до водорода в ряду обычно выделяют H₂ из разбавленных неокисляющих кислот; с растворами солей более активный металл может вытеснить менее активный. Оксиды и гидроксиды активных металлов чаще основные, тогда как соединения некоторых металлов, например алюминия и цинка, амфотерны и реагируют как с кислотами, так и со щелочами.

Общие свойства металлов и характерные свойства их соединений

Сначала определите, о какой характеристике идёт речь, затем сопоставьте проявление с объясняющей его закономерностью. В последнем столбце приведены примеры, а не универсальные правила для всех металлов. При прогнозе реакции дополнительно учитывайте условия и положение металла в ряду активности.

Разбор задач

Задача 1. Составить уравнение реакции натрия с водой и указать продукты.

1. Натрий — очень активный металл, поэтому при взаимодействии с водой образуются гидроксид натрия и водород.
2. Записываем схему: Na + H₂O → NaOH + H₂. В молекуле водорода два атома, значит, ставим коэффициент 2 перед Na и H₂O.
3. Чтобы уравнять натрий и кислород, ставим 2 перед NaOH. Проверка показывает, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.
4. Электроны отдаёт натрий, поэтому он восстановитель. Вода принимает электроны и выступает окислителем.

Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂; продукты — гидроксид натрия и водород.

Задача 2. Вытеснит ли железо медь из раствора сульфата меди(II)?

1. Сравниваем положения металлов в ряду активности: железо находится выше меди, следовательно, оно активнее.
2. Более активное железо может вытеснить медь из раствора её соли. Ион SO₄²⁻ остаётся частью растворимой соли железа(II).
3. Составляем и проверяем уравнение: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Число атомов и заряд ионных частей согласованы.

Ответ: железо вытеснит медь; образуются сульфат железа(II) и медь.

Задача 3. Записать реакции алюминия с кислородом, кислотой и раствором щёлочи и объяснить свойства его соединений.

1. С кислородом алюминий образует оксид: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
2. С соляной кислотой металл образует соль и водород: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Это уравнение описывает реакцию при отсутствии защитной плёнки, мешающей контакту реагентов.
3. В водном растворе щёлочи алюминий реагирует с водой с выделением водорода; записываем: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.
4. Оксид Al₂O₃ и гидроксид Al(OH)₃ амфотерны: они реагируют и с кислотами, и со щелочами. Поэтому реакции самого металла в разных средах сопровождаются образованием разных соединений алюминия.

Ответ: уравнения приведены выше; оксид и гидроксид алюминия проявляют амфотерные свойства.

Типичные ошибки

Неверно считать, что все металлы при обычных условиях твёрдые. Такую мысль легко принять за правило, потому что большинство знакомых металлов — твёрдые вещества. Однако ртуть при комнатной температуре жидкая, поэтому проверяйте утверждение по конкретному элементу и условиям.

Не каждый металл реагирует с водой или кислотой. Ошибка возникает, если общую схему реакции принимают за обязательную для всех металлов. Сверьте металл с рядом активности и уточните, какая именно кислота и температура указаны: от условий зависят возможность реакции и продукты.

Металлическую связь не следует путать с ионной. В металле нет отдельных пар противоположно заряженных ионов, хотя положительные ионы действительно присутствуют. Проверьте модель: обобществлённые электроны относятся ко всему кристаллу и удерживают множество ионов.

Нельзя утверждать, что все оксиды и гидроксиды металлов только основные. Это обобщение не учитывает амфотерные соединения, в частности Al₂O₃, Al(OH)₃, ZnO и Zn(OH)₂. Чтобы проверить характер вещества, выясните, реагирует ли оно не только с кислотой, но и со щёлочью.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях и положении элементов в периодической системе: они помогают объяснить отдачу электронов. При решении задач также понадобятся степени окисления, составление формул и расстановка коэффициентов. Закономерности активности металлов пригодятся при изучении коррозии и способов получения металлов, а металлическая связь — при разборе электролиза. Представления об оксидах и гидроксидах помогают изучать свойства отдельных металлов и их соединений.

Что запомнить

• Большинство металлов расположено в левой и центральной частях периодической системы.
• В химических реакциях атомы металлов обычно отдают электроны и выступают восстановителями.
• Подвижные обобществлённые электроны объясняют электропроводность и теплопроводность металлов.
• Пластичность металлов связана с особенностями металлической связи и строения решётки.
• Активность металла помогает предсказать возможность его реакций с водой, кислотами и растворами солей.
• Оксиды и гидроксиды металлов могут иметь основные или амфотерные свойства.
• Сплавы часто отличаются от чистых металлов прочностью, твёрдостью и устойчивостью к коррозии.