Металлы — простые вещества

Определения и обозначения

Металл как простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента и обладающее типичными металлическими свойствами. Например, железо Fe и медь Cu — простые вещества, образованные атомами соответствующих элементов. Понятие помогает отличать вещество от химического элемента: элемент — это вид атомов, а металл — вещество, которое из них образовано.

Металлическая связь — притяжение между положительно заряженными частицами металла и обобществлёнными электронами, которые могут перемещаться по кристаллу. Такое притяжение удерживает частицы вместе, хотя электроны не принадлежат только одной паре атомов. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему металлический кристалл сохраняет целостность и одновременно обладает рядом характерных свойств.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение положительно заряженных частиц в узлах кристалла, между которыми находятся подвижные обобществлённые электроны. Узлы задают регулярное строение твёрдого металла, а электроны связывают его частицы. Такое представление помогает связать внутреннее строение металла с его поведением при нагревании, прохождении тока и деформации.

Металлический блеск — способность поверхности металла отражать падающий на неё свет. Свет отражается от поверхности, поэтому металл выглядит блестящим, особенно если она чистая и отполированная. Этот термин обозначает оптическое свойство, а не просто гладкость: ровная поверхность может быть тусклой, если плохо отражает свет.

Как это устроено

В металлическом кристалле положительно заряженные частицы занимают узлы решётки, а обобществлённые электроны находятся между ними и могут перемещаться. Притяжение электронов к положительным частицам действует во всём кристалле, а не только между двумя соседними атомами. Поэтому частицы остаются связанными, хотя часть электронов не закреплена возле какого-то одного атома. Такое коллективное притяжение и называют металлической связью.

Электрический ток в металле возникает, когда электрическое поле заставляет подвижные электроны двигаться направленно. Они переносят заряд через кристалл, тогда как сами частицы в узлах решётки не перемещаются по проводнику. Электроны также передают энергию от более нагретых участков к менее нагретым. Поэтому металлы обычно хорошо проводят не только электрический ток, но и тепло.

При ударе или прокатке слои частиц в решётке могут смещаться относительно друг друга. Во многих кристаллах такое смещение быстро нарушило бы связи и вызвало разрушение материала. В металле подвижные электроны по-прежнему притягивают положительные частицы после смещения слоёв. Благодаря сохранению связи металл может менять форму, не рассыпаясь: это свойство называют пластичностью.

Металлический блеск связан с отражением света поверхностью металла: часть падающего света возвращается к наблюдателю. Твёрдость и прочность зависят от того, насколько трудно сместить частицы и нарушить связи в конкретном кристалле. Плотность определяется массой частиц и тем, насколько плотно они расположены, а температура плавления связана с энергией, необходимой для разрушения упорядоченной структуры. Поэтому значения этих свойств у разных металлов неодинаковы.

Типичные свойства металлов не означают, что каждый металл ведёт себя одинаково. Ртуть при комнатной температуре жидкая, потому что её температура плавления ниже комнатной. Щелочные металлы сравнительно мягкие и имеют невысокие температуры плавления по сравнению со многими другими металлами. Эти исключения напоминают: свойства определяются составом и строением вещества, а не только принадлежностью к металлам.

Физические свойства металлов и их объяснение

Таблица помогает сопоставить наблюдаемое свойство металла с причиной, связанной с его строением. В последнем столбце приведены примеры и случаи, когда нельзя без оговорок переносить типичное свойство на все металлы. При решении задач сначала найдите свойство, а затем проверьте, какое объяснение подходит к описанной ситуации.

Разбор задач

Задача 1. Какие вещества являются металлами как простыми веществами?

Условие: укажите, какие из перечисленных веществ являются металлами как простыми веществами: Fe, O₂, Cu, S₈. Нужно определить, какие вещества образованы атомами металлических элементов. Необходимо также различать запись химического символа и формулу вещества.

1. Определяем элемент, образующий каждое вещество: Fe — железо, O₂ — кислород, Cu — медь, S₈ — сера.
2. Проверяем, какие из этих элементов относятся к металлам: железо и медь — металлы, кислород и сера — неметаллы.
3. Учитываем, что Fe и Cu обозначают простые вещества металлов, а O₂ и S₈ — простые вещества неметаллов.

Ответ: металлы как простые вещества — Fe и Cu. O₂ и S₈ тоже являются простыми веществами, но образованы неметаллическими элементами. Значит, признак «простое вещество» сам по себе ещё не означает, что вещество является металлом.

Задача 2. Почему медь проводит ток, а кристаллический сахар — нет?

Условие: сравните электрическую проводимость меди и кристаллического сахара. Здесь важно не просто запомнить, что одно вещество проводит, а другое нет, а сопоставить их строение. Рассуждаем о том, какие частицы способны перемещаться внутри каждого вещества.

1. В меди есть обобществлённые электроны, которые перемещаются по металлическому кристаллу.
2. Электрическое поле вызывает их направленное движение; электроны переносят заряд, поэтому возникает ток.
3. Сахар состоит из молекул, расположенных в молекулярном кристалле; свободных подвижных электронов, как в металле, в нём нет.

Ответ: медь проводит ток благодаря подвижным электронам. В кристаллическом сахаре нет таких носителей заряда, поэтому он не проводит ток так, как металл. Сравнение показывает, что проводимость связана со строением вещества, а не только с его твёрдым состоянием.

Задача 3. Почему образец можно раскатать, и почему он сохраняет электропроводность?

Условие: металлический образец раскатывают в тонкую пластину, и после деформации он продолжает проводить электрический ток. В задаче наблюдаются два свойства: пластичность и электропроводность. Для каждого нужно указать свою причину, связанную с частицами металлического кристалла.

1. При прокатке слои частиц в решётке смещаются друг относительно друга, поэтому форма образца меняется.
2. Подвижные электроны продолжают притягивать положительные частицы и связывать их после смещения слоёв; кристалл не распадается сразу.
3. В деформированном металле сохраняются обобществлённые подвижные электроны, способные переносить заряд.

Ответ: металл раскатывается благодаря смещению слоёв частиц без немедленного разрушения металлической связи. Он сохраняет электропроводность, потому что электроны остаются подвижными и могут переносить заряд. Пластичность и проводимость имеют общую связь с металлическим строением, но объясняются разными проявлениями подвижности электронов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать металлический элемент и металл как простое вещество одним и тем же. Элемент — это вид атомов, а простое вещество образовано атомами одного элемента; эти понятия часто смешивают из-за одинаковых названий. Чтобы проверить себя, спросите: речь идёт о частицах определённого вида или о веществе, которое можно описать формулой и свойствами?

Ошибка: объяснять проводимость перемещением атомов металла. Так можно подумать, потому что ток часто представляют как движение вещества по проводу, однако частицы в узлах решётки не переносят заряд по всей длине проводника. Проверьте объяснение вопросом: какая частица действительно свободно перемещается в металлическом кристалле? Правильный ответ — подвижный электрон.

Ошибка: считать все металлы твёрдыми при комнатной температуре. Большинство металлов действительно твёрдые, поэтому это обобщение кажется естественным, но ртуть — исключение. Проверяйте слова «все» и «всегда»: для общих правил по свойствам веществ нужно помнить известные исключения и условия, например температуру.

Ошибка: полагать, что все металлы одинаково пластичны, твёрды и тугоплавки. Слово «металлы» обозначает большую группу веществ, а их свойства существенно различаются из-за состава и строения. Не переносите характеристику одного металла на остальные без проверки. Сравните конкретные вещества и уточните, идёт ли речь о типичном свойстве или об исключении.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны различие между химическим элементом и простым веществом, представление о строении атома и знакомство с кристаллическими решётками. Металлическая связь дополняет тему «Химическая связь»: её можно сопоставить с ионной и ковалентной связями по участникам и способу взаимодействия. Понимание строения металлов пригодится при изучении сплавов, электрохимии и коррозии. Оно также помогает объяснять, почему металлы широко используют в технике.

Что запомнить

• Металл как простое вещество образован атомами одного химического элемента.
• В металлической решётке положительные частицы связаны с обобществлёнными подвижными электронами.
• Подвижные электроны объясняют электрическую и тепловую проводимость металлов.
• Смещение слоёв частиц без разрушения связи объясняет пластичность.
• Большинство металлов при комнатной температуре твёрдые, но ртуть — жидкая.
• Физические свойства металлов различаются и зависят от природы вещества и его строения.