7. Металлы и неметаллы

Определения и обозначения

Металлы — химические элементы, простые вещества которых обычно обладают характерными металлическими свойствами. К ним относят, например, железо, натрий и медь. Большинство металлов при обычных условиях твёрдые, проводят тепло и электрический ток, имеют блеск и способны менять форму без разрушения. Это определение помогает узнавать типичные свойства веществ, но не отменяет исключений.

Неметаллы — химические элементы, простые вещества которых не проявляют полного набора металлических свойств. К ним относятся кислород, углерод и сера. Многие неметаллы плохо проводят электрический ток и при деформации ломаются, однако их агрегатные состояния и свойства различаются. Поэтому это понятие нужно не для перечисления одного общего признака, а для сравнения целой группы элементов.

Металлический блеск — способность поверхности многих металлов отражать свет так, что она выглядит блестящей. Такой признак заметен у чистых и хорошо подготовленных поверхностей, например у железа или меди. Но блеск не служит единственным способом распознать металл: поверхность может быть покрыта налётом, а блестеть могут и некоторые неметаллы. Для вывода учитывают другие свойства и положение элемента в таблице.

Пластичность — способность материала изменять форму без разрушения. Благодаря ей металл можно расплющить в лист; это проявление называют ковкостью. Если материал удаётся вытянуть в проволоку, говорят о его тягучести. Эти свойства объясняют, почему металлы подходят для изготовления деталей и проводов, тогда как многие твёрдые неметаллы при сгибании крошатся.

Как это устроено

Металлы и неметаллы — две большие группы химических элементов, а не просто два набора предметов с разным видом. К металлам относятся, например, железо, натрий и алюминий, к неметаллам — кислород, углерод и хлор. Такое деление обобщает сходства элементов и помогает предсказывать свойства их простых веществ. Но оно не означает, что каждый представитель группы во всём одинаков с остальными.

Положение элемента в периодической таблице связано с его принадлежностью к группе. Большинство металлов находится в левой и центральной частях таблицы, а неметаллы — в правой верхней области; водород расположен отдельно вверху и относится к неметаллам. Между этими областями есть переходная зона, где элементы проявляют промежуточные особенности. Поэтому положение в таблице даёт важную подсказку, а соседство с границей предупреждает, что простое правило может работать не полностью.

Большинство металлов при обычных условиях твёрдые и хорошо проводят тепло и ток благодаря особенностям строения вещества. В металлических веществах часть электронов может свободно перемещаться между атомами, поэтому электрический заряд переносится через образец, а энергия быстро передаётся от одной его части к другой. Взаимодействие частиц позволяет слоям смещаться, не разрушая материал сразу, что связано с пластичностью. Отражение света от поверхности проявляется как металлический блеск.

Если сравнить физические свойства групп, металлы обычно лучше проводят тепло и электрический ток, обладают блеском и пластичностью, а многие неметаллы — хрупкие и хуже проводят ток. Однако это не набор обязательных признаков для каждого вещества. Ртуть — жидкий металл, а графит, простое вещество углерода, проводит электрический ток; твёрдый углерод также показывает, что неметаллы не обязательно газы. Значит, свойства сравнивают с учётом исключений, а не превращают типичные признаки в безусловные правила.

Химический элемент и простое вещество — разные понятия. Элемент обозначает вид атомов, а простое вещество состоит из атомов только одного элемента; именно у вещества можно непосредственно наблюдать твёрдость, блеск или электропроводность. Например, углерод как элемент относится к неметаллам, а его простые вещества могут отличаться по строению и свойствам. Это различие нужно, чтобы не приписывать всем формам элемента одинаковые физические характеристики.

Сравнение металлов и неметаллов

Сначала сравните положение элементов в таблице, затем посмотрите на типичные свойства простых веществ. Строки помогают увидеть общие различия, но примеры-исключения не позволяют принимать эти различия за абсолютное правило.

Разбор задач

Распределите натрий, кислород и железо на металлы и неметаллы; укажите, по какому признаку сделан вывод.

1. Найдём каждый элемент в периодической таблице, потому что именно положение элемента связано с его принадлежностью к группе.
2. Натрий расположен в левой части таблицы, а железо — в её центральной части. Эти области заняты металлами, поэтому оба элемента относят к металлам.
3. Кислород находится в правой верхней области таблицы, где расположены неметаллы. Значит, его относят к неметаллам.

Ответ: натрий и железо — металлы, кислород — неметалл. Вывод сделан по положению элементов в периодической таблице, а не по внешнему виду образцов.

Ученик утверждает, что все металлы твёрдые и все неметаллы — газы. Найдите ошибки и приведите контрпримеры.

1. Разобьём утверждение на две части: о состоянии металлов и о состоянии неметаллов. Слова «все» и «всегда» требуют проверить, есть ли хотя бы одно исключение.
2. Ртуть — металл, который при обычных условиях является жидкостью. Следовательно, неверно утверждать, что все металлы твёрдые.
3. Углерод и сера — твёрдые неметаллы, а бром — жидкий неметалл. Значит, неверно и утверждение, что все неметаллы являются газами.

Ответ: ошибочны обе части высказывания. Контрпримеры — жидкая ртуть, твёрдые углерод и сера, жидкий бром; при проверке обобщений ищите вещество, которое ему не соответствует.

Неизвестный образец проводит электрический ток, имеет блеск и легко вытягивается в проволоку. Предположите, к какой группе относится образец, и обоснуйте ответ, указав ограничения такого вывода.

1. Отметим три наблюдения: образец проводит ток, блестит и вытягивается в проволоку. Последнее свойство — тягучесть, одно из проявлений пластичности.
2. Сопоставим набор признаков с типичными свойствами групп. Вместе электропроводность, блеск и пластичность характерны для металлов, поэтому наиболее обоснованное предположение — образец металлический.
3. Ограничим вывод: по одному внешнему признаку группу надёжно не определяют, а отдельные свойства встречаются и у неметаллических веществ. Для уверенной классификации нужно выяснить состав образца и установить, какому элементу он соответствует в таблице.

Ответ: вероятнее всего, это металл, потому что наблюдается целый набор типичных металлических свойств. Однако свойства образца сами по себе не заменяют проверку его состава и положения соответствующего элемента в периодической таблице.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл при обычных условиях твёрдый. Так думают, потому что большинство знакомых металлов, например железо, действительно твёрдые. Проверка на исключение сразу показывает жидкую ртуть. Поэтому точнее говорить «почти все металлы», а не «все металлы».

Ошибка — утверждать, что все неметаллы являются газами. В памяти часто остаются знакомые газы: кислород и азот, но это только часть группы. Углерод и сера — твёрдые неметаллы, а бром — жидкий. Проверяйте обобщение примерами веществ в разных агрегатных состояниях.

Ошибка — отождествлять химический элемент и простое вещество. Путаница возникает потому, что в разговоре название элемента часто используют и для обозначения вещества. Элемент — вид атомов, а простое вещество — то, чьи свойства можно наблюдать; один элемент способен образовать разные простые вещества. Чтобы проверить себя, спросите: речь идёт об атомах или о конкретном веществе?

Ошибка — определять группу элемента только по блеску или другому одному признаку. Блестящая поверхность не всегда означает, что перед нами металл, а внешний вид может измениться из-за налёта. Учитывайте совокупность свойств образца и положение соответствующего элемента в таблице. Такой подход помогает избежать поспешного вывода по одному наблюдению.

Связь с другими темами

Перед изучением темы нужно уметь находить элементы в периодической таблице и различать химический элемент и простое вещество. Позже деление на металлы и неметаллы пригодится при изучении строения атома и химической связи: эти темы помогают объяснять, почему свойства веществ различаются. Оно также связано с закономерностями изменения свойств элементов в периодах и группах. Сравнение физических свойств помогает понять, почему для практических задач выбирают разные материалы.

Что запомнить

• Металлы и неметаллы — группы химических элементов, различающиеся характерными свойствами.
• Большинство металлов проводят тепло и электрический ток, обладают блеском и пластичностью.
• Неметаллы обычно хуже проводят тепло и электрический ток, но их свойства неодинаковы.
• Физические свойства помогают сравнивать простые вещества, но у каждого общего правила бывают исключения.
• Принадлежность элемента к металлам или неметаллам связана с его положением в периодической таблице.
• Нельзя смешивать понятия химического элемента и образованного им простого вещества.