§ 39. Характеристика металлов

Определения и обозначения

Металлы — простые вещества, атомы которых в химических реакциях обычно отдают электроны и образуют положительно заряженные ионы, или катионы. Это определение связывает строение атома с химическими свойствами металлов. По нему можно объяснить восстановительные свойства и образование соединений.

Металлическая связь — связь между положительными ионами металла и обобществлёнными электронами, свободно перемещающимися по всему кристаллу. Электроны не принадлежат одной паре атомов, как в некоторых других связях. Такое представление объясняет прочность металла и его способность проводить ток.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом металле. В её узлах находятся атомы или положительные ионы, а между ними движутся обобществлённые электроны. Эта модель нужна, чтобы связать внутреннее строение металла с его физическими свойствами.

Ряд активности металлов — расположение металлов в порядке убывания их способности отдавать электроны и вступать в реакции. Чем выше металл расположен в ряду, тем обычно активнее он реагирует и тем сильнее является восстановителем. Ряд используют для прогноза реакций замещения и взаимодействия с кислотами.

Как это устроено

На внешнем энергетическом уровне у атомов большинства металлов немного электронов, поэтому они сравнительно легко их отдают. После отдачи атом превращается в положительно заряженный ион, потому что положительных зарядов в ядре становится больше, чем оставшихся электронов. Так объясняется образование катионов и типичная восстановительная способность металлов.

В металлической решётке валентные электроны становятся общими для множества атомов и ионов. Положительные частицы притягиваются к этому общему электронному облаку, поэтому кристалл удерживается как единое целое. Именно такое строение отличает металлическую связь от связи отдельных молекул.

Обобществлённые электроны могут перемещаться по всему кристаллу, а не остаются около одного атома. При подключении к источнику тока их направленное движение переносит электрический заряд. Те же подвижные частицы и взаимодействия между ними быстро передают энергию от нагретых участков к холодным, поэтому металлы хорошо проводят тепло.

Слои частиц металлической решётки способны смещаться относительно друг друга. При этом общее электронное облако продолжает притягивать положительные частицы, и связь не разрушается сразу. Поэтому металл можно раскатывать в листы и вытягивать в проволоку, то есть он пластичен и ковок.

Свободные электроны взаимодействуют со светом и отражают его, поэтому поверхность металла обычно блестит. Оттенок и сила блеска зависят от строения вещества и от того, какие участки светового спектра отражаются. Физические свойства также неодинаковы: различаются плотность, твёрдость, температура плавления и проводимость, причём на них влияют состав и условия.

Химическая активность металла связана с лёгкостью отдачи электронов. Активный металл обычно легче превращается в катион, сильнее проявляет восстановительные свойства и занимает более высокое положение в ряду активности. Поэтому по ряду можно сравнивать способность металлов вступать в реакции, хотя окончательный результат зависит от реагентов и условий.

С кислородом, водой, кислотами и растворами солей металлы реагируют неодинаково. Возможность реакции определяется активностью металла, свойствами второго вещества, температурой и другими условиями. При взаимодействии с кислотами особенно важно положение металла относительно водорода: не каждый металл вытесняет его, а некоторые реакции осложняются защитной плёнкой.

Физические свойства металлов и их объяснение

Сначала по таблице определяют, какое свойство нужно объяснить, затем связывают его с подвижностью электронов или строением решётки. Отдельно проверяют исключения и условия, при которых проводилось сравнение. Нельзя переносить свойство одного металла на все остальные без оговорок.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Укажите, какие частицы находятся в узлах металлической кристаллической решётки и что располагается между ними. Нужно описать не отдельную молекулу, а строение всего твёрдого металла. Ответ должен показать роль металлической связи.

1. Вспомним модель решётки: в её узлах располагаются атомы или положительные ионы металла. Эти частицы образуют упорядоченный каркас кристалла.
2. Определим, что находится между узлами. Валентные электроны обобществлены и могут перемещаться по всему кристаллу.
3. Свяжем частицы: положительные ионы притягиваются к общим электронам. Поэтому решётка сохраняется как единая структура.

Ответ. В узлах металлической решётки находятся атомы или положительные ионы металла. Между ними располагаются обобществлённые электроны, свободно перемещающиеся по кристаллу. Именно их притяжение к положительным частицам создаёт металлическую связь.

Задача 2

Условие. Объясните, почему металлы обычно проводят электрический ток и тепло лучше неметаллов. Нужно назвать общую причину, а не просто указать на хорошую проводимость. Сравнение относится к обычным условиям и допускает исключения.

1. Найдём частицу, которая может переносить заряд. В металле это обобществлённый электрон, способный перемещаться по всей решётке.
2. Рассмотрим ток: направленное движение электронов переносит электрический заряд. В неметаллах таких свободных носителей обычно значительно меньше.
3. Рассмотрим нагрев: подвижные электроны и частицы решётки передают энергию соседним участкам. Поэтому тепло быстро распространяется по металлическому образцу.

Ответ. Металлы хорошо проводят электричество благодаря свободному перемещению обобществлённых электронов. Эти же электроны помогают передавать тепловую энергию. У неметаллов свободных носителей заряда обычно меньше, поэтому их проводимость чаще ниже.

Задача 3

Условие. Сравните натрий и медь по положению в ряду активности и определите, вытеснит ли натрий медь из раствора её соли. Натрий расположен выше меди и химически активнее. Но нужно учесть, что речь идёт о водном растворе.

1. По ряду активности натрий легче отдаёт электроны, чем медь. В сухой системе это указывало бы на возможность вытеснения меди менее активным металлом.
2. Проверим условие реакции. Натрий активно реагирует с водой, образуя щёлочь и водород, поэтому до взаимодействия с ионами меди он расходуется в другой реакции.
3. Сделаем вывод для водного раствора соли меди. Натрий нельзя просто опустить в такой раствор и ожидать обычного вытеснения меди.

Ответ. Натрий выше меди в ряду активности и в принципе способен восстанавливать ионы меди. Однако в водном растворе сначала реагирует вода, поэтому натрий не вытесняет медь обычным способом. При прогнозе реакции всегда учитывают не только ряд активности, но и среду.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы твёрдые при комнатной температуре. Так думают из-за преобладания твёрдых металлов среди известных веществ. Проверка простая: вспомните исключение — ртуть при комнатной температуре жидкая.

Ошибка: называть металлическую связь притяжением только между положительными ионами. Одинаково заряженные частицы сами по себе не удерживали бы кристалл. Проверьте ответ: в нём обязательно должны быть положительные частицы и обобществлённые электроны.

Ошибка: объяснять пластичность разрывом металлических связей при смещении слоёв. Если бы связи полностью разрушались, металл рассыпался бы. Верное объяснение состоит в том, что слои смещаются, а притяжение к общим электронам сохраняется.

Ошибка: считать, что любой металл вытесняет водород из любой кислоты или другой металл из раствора соли. Реакцию проверяют по ряду активности, свойствам реагентов и условиям. Отдельно учитывают воду, защитные плёнки и особенности конкретной кислоты.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и внешних электронах. Они помогают объяснить, почему атомы металлов отдают электроны и образуют катионы. Также важно различать химический элемент и простое вещество.

Тема опирается на знания о химической связи и кристаллических решётках. Позже эти представления пригодятся при изучении свойств и получения металлов, коррозии и электрохимических процессов. Строение решётки связывает микромир частиц с наблюдаемыми свойствами вещества.

Ряд активности связывает строение атомов с химическими реакциями. С его помощью предсказывают реакции замещения и сравнивают восстановительные свойства металлов. Это облегчает изучение получения металлов и работы химических источников тока.

Что запомнить

• Атомы металлов в химических реакциях обычно отдают электроны и образуют катионы.
• Металлическая связь возникает благодаря притяжению положительных частиц решётки к обобществлённым электронам.
• Свободные электроны обеспечивают металлическую электропроводность и теплопроводность.
• Смещение слоёв частиц без разрушения связи объясняет пластичность металлов.
• Физические свойства металлов различаются; у общих закономерностей есть исключения.
• Ряд активности позволяет сравнивать химическую активность металлов и прогнозировать некоторые реакции.