§ 24. У металлов много общих свойств

Определения и обозначения

Металлическая кристаллическая решётка — расположение атомов и ионов металла в узлах, между которыми движутся обобществлённые электроны. Иными словами, частицы не просто стоят рядом: их окружает общий электронный «газ». Такая модель помогает объяснить общие свойства металлов.

Металлическая связь — связь положительных ионов металла с общими свободно перемещающимися электронами. Электроны притягиваются к ионам и удерживают частички вещества вместе. Это понятие показывает, почему решётка сохраняется даже при смещении её слоёв.

Электропроводность металлов — способность проводить электрический ток благодаря движению свободных электронов. Если к металлу приложить напряжение, электроны начинают перемещаться направленно. Понятие нужно, чтобы объяснить использование металлов в проводах и контактах.

Пластичность металлов — способность изменять форму без разрушения; она включает ковкость и тягучесть. Ковкий металл можно расплющить в лист, а тягучий — вытянуть в проволоку. Это свойство важно при изготовлении деталей и изделий нужной формы.

Как это устроено

У разных металлов есть общие физические свойства, потому что в их решётках имеются положительные ионы и общие подвижные электроны. Эти электроны не принадлежат только одному атому и могут перемещаться по веществу. Металлическая связь удерживает частицы вместе, но допускает такое движение. Поэтому у металлов есть сходные признаки, хотя отдельные свойства выражены неодинаково.

Свободные электроны перемещаются по металлу и переносят электрический заряд, поэтому металл проводит ток. Они также быстро передают энергию от более нагретых участков к холодным — так возникает хорошая теплопроводность. При нагревании частицы решётки колеблются сильнее и мешают движению электронов. Поэтому электропроводность металла обычно снижается с ростом температуры.

Падающий на металл свет взаимодействует со свободными электронами. Электроны поглощают энергию световой волны и переизлучают её, поэтому поверхность хорошо отражает свет и выглядит блестящей. Отражение объясняет именно блеск, а не обязательно цвет: разные металлы могут иметь разную окраску. Например, блеск есть и у серебра, и у меди, но цвет у них различается.

Когда металл сгибают, прокатывают или вытягивают, слои частиц решётки могут смещаться относительно друг друга. При этом общие электроны продолжают притягивать положительные ионы, так что металлическая связь не исчезает. Поэтому металл меняет форму, но не рассыпается на отдельные частицы. Способность расплющиваться называют ковкостью, а вытягиваться в проволоку — тягучестью.

Металлы различаются по плотности, твёрдости и температуре плавления, потому что отличаются строением атомов и решёток, а также прочностью связи между частицами. Например, более плотный металл имеет большую массу при одинаковом объёме, но это не означает, что он обязательно самый твёрдый. Именно сочетание свойств определяет, где металл будет полезен. Поэтому при выборе материала учитывают не только общий признак «это металл», но и конкретные характеристики.

Общие физические свойства металлов и их объяснение

Таблица связывает наблюдаемое свойство с устройством металла и его практическим применением. Сначала определите, какое качество требуется изделию, затем найдите подходящую причину в строении и пример использования. Учтите, что выраженность общего свойства у разных металлов может отличаться.

Разбор задач

Медь и пластиковая изоляция

Задача: объяснить, почему медные провода проводят электрический ток, а пластиковая изоляция — нет. Сравним строение материалов, а не только их внешний вид. Для ответа нужно найти, какие частицы могут переносить заряд внутри каждого вещества.

1. В меди есть свободные электроны, не закреплённые за одним атомом.
2. При подключении к источнику тока электрическое поле заставляет эти электроны двигаться направленно, поэтому по проводу идёт ток.
3. В пластике нет таких свободных носителей заряда, способных перемещаться по материалу; его электроны связаны с атомами или молекулами.

Ответ: медь проводит ток благодаря подвижным электронам, а пластик служит изоляцией, потому что не имеет таких носителей заряда.

Фольга и проволока из алюминия

Задача: объяснить, почему из алюминия можно изготовлять фольгу и проволоку, не разрушая вещество. Здесь нужно связать изменение формы с устройством металлической решётки. Проверьте, исчезает ли притяжение между частицами во время деформации.

1. В решётке алюминия положительные ионы связаны с общими электронами.
2. При прокатке в тонкий лист или вытягивании в проволоку слои частиц смещаются.
3. Электроны продолжают удерживать ионы, поэтому решётка не распадается, а металл сохраняет целостность.

Ответ: алюминий пластичен; способность становиться тонким листом — ковкость, а вытягиваться в проволоку — тягучесть.

Металл для радиатора, провода и фольги

Задача: выбрать металл для радиатора, электрического провода и кухонной фольги. Одного названия «металл» недостаточно: у каждого изделия своя главная задача. Сопоставим требуемое качество с физическим свойством и учтём массу материала.

1. Для радиатора нужен металл с хорошей теплопроводностью, чтобы тепло переходило от горячей части к окружающему воздуху; подходит, например, алюминий.
2. Для провода важны высокая электропроводность и возможность вытянуть металл в проволоку; для этого широко используют медь.
3. Для фольги нужны ковкость и малая масса; алюминий можно прокатать в тонкий лист, который удобно применять на кухне.

Ответ: для радиатора можно выбрать алюминий, для провода — медь, для фольги — алюминий. Выбор основан на назначении изделия, а не на предположении, что все металлы одинаковы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все металлы одинаково хорошо проводят ток и тепло. Часто так думают, потому что эти качества называют общими свойствами металлов, но общность не означает одинаковую степень проявления. Сравните конкретные материалы и их характеристики: проводимость у них различается.

Ошибка — объяснять пластичность тем, что атомы просто легко раздвигаются. Такое объяснение не показывает, почему металл при деформации остаётся целым; причина в смещении слоёв при сохранении металлической связи. Проверка проста: в объяснении должны быть и смещение слоёв, и удерживающее действие общих электронов.

Ошибка — путать металлический блеск с цветом металла. Их смешивают, потому что оба свойства видны на поверхности, однако блеск связан с отражением света свободными электронами, а цвет у металлов бывает разным. Спросите себя, объясняет ли ответ отражение света или только оттенок поверхности.

Ошибка — утверждать, что все металлы твёрдые при комнатной температуре. Так заключают по большинству знакомых примеров, но ртуть при этой температуре жидкая. Чтобы проверить обобщение, ищите исключения и помните: слово «обычно» не означает «всегда».

Связь с другими темами

Для понимания металлической связи нужны знания о строении атома, валентных электронах, ионах, кристаллических решётках и электрическом токе. Эти представления помогают перейти от физических свойств к химическим: строение металлов важно при изучении их реакций, электрохимического ряда напряжений и коррозии. Коррозией называют разрушение металла под действием окружающей среды. Связь между свойствами и строением также помогает выбирать материалы для техники и быта.

Что запомнить

• Общие свойства металлов обусловлены металлической связью и наличием свободных электронов.
• Свободные электроны обеспечивают электропроводность металлов.
• Перенос энергии свободными электронами объясняет хорошую теплопроводность.
• Взаимодействие свободных электронов со светом создаёт металлический блеск.
• Смещение слоёв частиц без разрушения связи объясняет ковкость и тягучесть.
• Свойства разных металлов проявляются неодинаково и зависят от их строения.
• Физические свойства определяют области применения металлов.