§ 15. Металлы и неметаллы

Определения и обозначения

Металлы — химические элементы и образованные ими простые вещества. Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, а простое вещество состоит только из атомов одного элемента. Такое различие нужно, чтобы не путать, например, элемент железо с простым веществом железом.

Неметаллы — химические элементы и образованные ими простые вещества, которым свойственны неметаллические свойства. К ним относятся, например, кислород, сера, хлор и углерод. Понятие помогает объединить элементы, атомы которых обычно сильнее притягивают электроны.

Металлические свойства — способность атомов относительно легко отдавать валентные электроны, то есть электроны внешнего уровня, а также проявлять типичные физические свойства металлов. К ним относят блеск, электропроводность, теплопроводность, ковкость и пластичность. По этим признакам металл можно распознать и как элемент, и как простое вещество.

Неметаллические свойства — способность атомов притягивать или принимать электроны и проявлять типичные свойства неметаллов. Такие атомы часто участвуют в образовании отрицательных ионов или общих электронных пар. Определение связывает строение атома с поведением вещества в реакциях и его физическими признаками.

Как это устроено

Положение элемента в Периодической системе связано со строением его атома и поэтому помогает предсказать свойства. Металлы находятся преимущественно в левой и центральной частях таблицы, а неметаллы — в правой верхней части. Между ними расположены элементы с промежуточными признаками, поэтому граница не выглядит абсолютно прямой.

У атомов металлов на внешнем уровне обычно мало электронов, и они сравнительно слабо удерживаются ядром. Отдать такие электроны энергетически легче, чем принять недостающие до устойчивого уровня. У неметаллов внешняя оболочка чаще почти заполнена, поэтому их атомы сильнее притягивают электроны и нередко принимают их.

Общие физические свойства металлов объясняются их строением. В металлическом веществе положительно заряженные частицы окружены электронами, которые могут перемещаться, поэтому металл проводит ток и тепло. Связь между частицами сохраняется при смещении слоёв, благодаря чему металлы можно ковать и вытягивать в проволоку.

Неметаллы гораздо разнообразнее металлов по внешнему виду и агрегатному состоянию. При обычных условиях среди них есть газы, например кислород, жидкость — бром, и твёрдые вещества — сера или углерод. Свободных подвижных электронов в них обычно мало, поэтому они плохо проводят электрический ток, хотя известны исключения.

Свойства элементов изменяются постепенно, а не скачком на одной строго определённой границе. В периодах слева направо металлические свойства обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются. В группах сверху вниз атомы легче отдают внешние электроны, поэтому металлический характер обычно возрастает.

Сравнение металлов и неметаллов

Сначала по таблице определяют положение элемента, затем проверяют строение внешнего уровня и типичные физические свойства простого вещества. Один признак может иметь исключения, поэтому надёжнее использовать их совокупность. Также нужно уточнять, говорится ли об элементе или о веществе.

Разбор задач

Задача 1

Нужно распределить элементы Na, Mg, S и Cl на металлы и неметаллы. Используем их положение в Периодической системе, а не только названия или внешний вид веществ. Натрий и магний находятся слева, а сера и хлор — справа.

1. Na расположен в первой группе и третьем периоде, в левой части таблицы, поэтому это металл.
2. Mg находится во второй группе и также относится к металлам.
3. S и Cl расположены в правой части третьего периода, значит, это неметаллы.

Ответ: металлы — Na и Mg; неметаллы — S и Cl. Такое распределение согласуется с их строением: натрий и магний легче отдают внешние электроны, а сера и хлор сильнее их притягивают.

Задача 2

Сравним строение атомов магния и кислорода и определим, какой атом легче отдаёт электроны, а какой принимает. У магния заряд ядра +12 и распределение электронов по уровням 2, 8, 2. У кислорода заряд ядра +8 и распределение 2, 6.

1. У Mg на внешнем уровне два электрона, поэтому ему проще отдать их и получить устойчивый предыдущий уровень.
2. У O на внешнем уровне шесть электронов, поэтому до заполнения оболочки ему не хватает двух.
3. Следовательно, магний проявляет металлические свойства, а кислород — неметаллические.

Ответ: легче отдаёт электроны атом магния, а атом кислорода легче их принимает. В реакции это может привести к образованию ионов Mg²⁺ и O²⁻.

Задача 3

По описанию нужно определить тип простого вещества: оно твёрдое, блестит, хорошо проводит электрический ток и поддаётся ковке. Ни один признак отдельно не является абсолютным доказательством, поэтому рассматриваем их вместе. Все перечисленные свойства образуют характерный набор металлических свойств.

1. Блеск указывает на металлический характер поверхности.
2. Хорошая электропроводность связана с наличием подвижных электронов.
3. Ковкость означает, что вещество можно деформировать без разрушения, что также типично для металлов.

Ответ: описанное вещество является металлом. Его твёрдое состояние не противоречит выводу, но само по себе не было бы достаточным признаком.

Типичные ошибки

Ошибка: считать металлами только твёрдые вещества. Так думают из-за распространённого опыта с железом и медью, но ртуть при обычных условиях жидкая. Проверка: вспомнить, что агрегатное состояние не определяет принадлежность элемента.

Ошибка: путать химический элемент и простое вещество. Например, кислородом называют и элемент, и вещество O₂, хотя это разные понятия. Проверка: спросить себя, говорится ли о виде атомов или о конкретном веществе.

Ошибка: определять металл или неметалл по одному свойству, например по электропроводности. Исключения и разные формы простых веществ могут привести к неверному выводу. Проверка: сопоставить положение элемента, строение атома и несколько физических признаков.

Ошибка: считать все неметаллы плохими проводниками и твёрдыми веществами. Среди них есть газы и жидкость, а графит проводит электрический ток. Проверка: учитывать разнообразие неметаллов и не превращать общее свойство в правило без исключений.

Связь с другими темами

Для темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках, внешнем электронном слое и устройстве Периодической системы. Эти сведения объясняют, почему атомы по-разному изменяют число электронов.

Различие металлов и неметаллов помогает понять образование ионной и ковалентной связей, а также свойства оксидов, кислот, оснований и солей. Оно пригодится при составлении формул веществ и уравнений реакций.

Способность атомов отдавать или принимать электроны связана с окислительно-восстановительными процессами. Поэтому классификация металлов и неметаллов нужна для объяснения того, кто в реакции окисляется, а кто восстанавливается.

Что запомнить

• Металлы и неметаллы — два основных типа химических элементов.
• Металлы расположены преимущественно в левой и центральной частях Периодической системы, неметаллы — в правой части.
• Атомы металлов обычно легче отдают внешние электроны.
• Атомы неметаллов обычно сильнее притягивают или принимают электроны.
• Для металлов характерны блеск, электропроводность, теплопроводность, ковкость и пластичность.
• Неметаллы отличаются большим разнообразием физических свойств и агрегатных состояний.
• При классификации нужно различать химический элемент и простое вещество.