§ 43. Металлы. Общая характеристика

Металлы. Общая характеристика

Металлы — это кристаллические простые вещества с металлической связью между плотно упакованными атомами.

В таблице периодической системы металлы расположены левее условной ступенчатой линии (см. рис. 61). К металлам относятся s-элементы (кроме H и He), часть p-элементов и все d- и f-элементы.

Особенности электронного строения атомов металлов

У атомов металлов число электронов на внешнем слое в основном составляет от 1 до 3. Исключением являются всего несколько металлов: Ge, Sn, Pb (4 электрона); Sb, Bi (5 электронов); Po (6 электронов). В периоде у атомов металлов больше радиус, чем у неметаллов, так как малы силы кулоновского взаимодействия электронов с ядром.

Напомним, что по структуре кристаллов и электрофизическим свойствам германий и одна из аллотропных модификаций олова являются полупроводниками.

Электронные конфигурации внешней электронной оболочки атомов s-элементов 2-го и 3-го периодов, а также p-элемента 3-го периода Al приведены в главе 2, таблице 6 и в Приложении 1. Атомы элементов IА- и IIА-групп 2–7-го периодов имеют электронную конфигурацию ns¹ и ns² соответственно. Металлы — это и p-элементы IIIА–VIА-групп 3–7-го периодов (Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi, Po); их электронные конфигурации ns²np¹, ns²np², ns²np³, ns²np⁴. 

В периодической системе в каждом периоде, начиная с 4-го и заканчивая 7-м, имеется по 10 d-элементов, у атомов которых с ростом порядкового номера последовательно заполняются пять d-орбиталей.

Обратим внимание, что энергия 3d-подуровня выше, чем 4s-подуровня. Поэтому d-электроны могут принимать участие в образовании химических связей, то есть атомы d-элементов имеют большее число валентных электронов по сравнению с атомами s- и p-элементов, относящихся к металлам.

Знакомые вам примеры d-элементов — Fe (элемент VIIIB-группы 4-го периода, формула электронной конфигурации 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d64s²), а также Cu (элемент IB-группы 4-го периода, формула электронной конфигурации 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d104s¹).

Начиная с 6-го периода в периодической системе появляются f-элементы, которые объединены в семейства по 14 элементов (за счёт сходных химических свойств) и носят особые названия лантаноидов и актиноидов.

При образовании металлической связи атомы металлов легко обобществляют свои валентные электроны. Электроны принадлежат не отдельным атомам, а являются общими для всех атомов и свободно перемещаются по всему кристаллу (см. гл. 3, рис. 26). Металлическая связь присуща металлам в жидком и твёрдом агрегатном состояниях.

Нахождение металлов в природе

На долю металлов приходится 25 % массы земной коры и 3–5 % массы тела человека. В земной коре самым распространённым металлом является алюминий (рис. 102).

Формы нахождения металлов в природе соотносятся с химической активностью их простых веществ. Наиболее активные металлы находятся в природе, как правило, в виде солей — хлоридов, сульфатов, карбонатов, фосфатов, силикатов (NaCl, KCl, MgSO₄ · 7H₂O, CaCO₃, Ca₃(PO₄)₂), алюмосиликатов. Металлы средней активности представлены в природе чаще всего оксидами и сульфидами (Fe₂O₃, Fe₃O₄, ZnS, CuFeS_2, PbS, Cr₂O₃). Металлы низкой активности (Сu, Ag, Au, Pt) встречаются в природе в свободном состоянии. Многие минералы имеют сложный состав и включают катионы двух-трёх разных металлов и анионы разных кислотных остатков неорганических кислот и гидроксильные группы (Приложение 2).

В крови человека обнаружено более 60 химических элементов-металлов. В организме человека присутствуют макроэлементы — калий, кальций, натрий, магний, а в меньших количествах микроэлементы — алюминий, железо, марганец, медь, цинк и другие.

Физические свойства металлов

Для металлов характерны высокие тепло- и электропроводность, пластичность (ковкость) и металлический блеск (§ 11, табл. 8). Отличительной чертой электропроводности металлов является её зависимость от температуры: с ростом температуры их электропроводность уменьшается. При этом она в 10¹⁴ раз и более превышает электропроводность диэлектриков. Наиболее высокой электро- и теплопроводностью обладают серебро, золото, медь и алюминий, самой низкой — ртуть и висмут (рис. 103).

Пластичность (ковкость) металлов выражается в их способности изменять форму при давлении, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы (рис. 104). Пластичность металлов объясняется тем, что плотно уложенные слои атомов металла могут скользить относительно друг друга, не разрушая объединяющие их химические связи (см. § 16, рис. 39). По пластичности металлы подразделяют на высокопластичные (по убыванию) — Au, Ag, Pb, Cu, Fe, Ti, Sn, Al; пластичные — Mg, Zn, Mo, W; хрупкие — Cr, Mn, Sb.

По агрегатному состоянию при комнатной температуре все металлы, за исключением ртути, — твёрдые вещества с кристаллической структурой. Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от –39 °C (ртуть) до 3422 °C (вольфрам) (рис. 105).

По плотности металлы делят на тяжёлые и лёгкие. Примерами лёгких металлов служат калий (ρ = 0,9 г/см³), алюминий (ρ = 2,7 г/см³). К тяжёлым относятся металлы, расположенные в периодической системе за железом, например свинец, ртуть, золото. У тяжёлых металлов плотность больше 7,8 г/см³. Так, плотность золота составляет 19,3 г/см³.

Самые твёрдые металлы — вольфрам, хром, титан, молибден (рис. 106). Твёрдость хрома и вольфрама приближается к твёрдости корунда (Приложение 2). К мягким металлам относятся, например, натрий и калий. Их слитки можно разрезать ножом.

Полированная поверхность металлов обладает характерным металлическим блеском. Благодаря этому свойству тонкие слои серебра или алюминия на гладкой поверхности, например стекла, используют для изготовления зеркал.

Сплавы металлов, их состав, свойства, применение

В технике и в быту, как правило, используют не индивидуальные металлы, а их сплавы. Наиболее часто сплавы получают металлургическим путём, расплавляя механические смеси двух и более металлов или смеси металлов с неметаллами. Полученные расплавы выдерживают при определённой температуре для протекания взаимодействия компонентов, а затем кристаллизуют.

Под металлическими сплавами понимают материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом.

Свойства сплава зависят от природы и количественного соотношения компонентов, метода получения и обработки. Сопоставим такие свойства индивидуальных металлов и сплавов, как температура плавления, твёрдость и плотность.

Сплавы часто отличаются более низкими температурами плавления по сравнению с индивидуальными металлами. Например, чистый свинец плавится при температуре +327,5 °С, а чистое олово — при +232 °С. Сплав на основе олова, содержащий 36 % свинца, имеет температуру плавления +181 °С. Сплавы обычно твёрже чистого металла, их электро- и теплопроводность меньше. Многие сплавы известны человеку с древних времён. Первые металлические предметы, которые удалось найти археологам, были сделаны из бронзы — сплава, который дал название целой эпохе развития человечества. Плотность сплавов обычно имеет значение промежуточное между плотностями индивидуальных компонентов сплава.

Бронзами называют сплавы меди с другими металлами, например оловом, железом, алюминием и др., кроме цинка и никеля. Наиболее распространены оловянистые бронзы — сплавы Cu—Sn, в которых содержание олова достигает нескольких процентов, а иногда и выше. Сплав меди с цинком с разным содержанием цинка, иногда даже до 50 %, называют латунью. Благодаря устойчивости к механическому истиранию и высокой коррозионной стойкости бронзу и латунь применяют для изготовления деталей машин и приборов, различной фурнитуры, труб. Бронзу используют для литья скульптур и памятников. Нам всем знакомы бронзовые люстры и статуэтки, латунные краны, самовары, дверные ручки (рис. 107).

На данном этапе развития цивилизации наиболее широко применяемый металл — железо, но его не используют в чистом виде. Твёрдость чистого железа невелика. Кроме того, оно быстро окисляется на воздухе, особенно во влажной атмосфере, от чего изделия из него приходят в негодность. Поэтому используют сплавы железа, содержащие углерод и примеси других металлов. При содержании углерода более 2 % по массе — это чугуны, менее 2 % — стали.

Благодаря хорошим литейным качествам, прочности, малому коэффициенту трения и многим другим полезным качествам чугун используют для изготовления деталей арматуры, оснований станков, подшипников, котлов и многих других изделий машино-, тракторо- и станкостроения. Сталь в сравнении с чугуном более пластична, прочнее, твёрже, легче обрабатывается механически. Некоторые её сорта, содержащие примеси Cr, Ni, Mo, Ti, более коррозионностойкие. Сплавы железа с никелем, хромом и другими металлами (до нескольких процентов), содержащие менее 2 % углерода, незаменимы при изготовлении строительных конструкций, деталей машин, рельсов, режущего инструмента, арматуры (рис. 107).

Дюралюминий — сплав алюминия (94 %) с медью, магнием и марганцем — основной конструкционный материал в авиации, космонавтике, производстве скоростных поездов, автомобилей и других областях промышленности, для которых принципиальную роль играет минимальная масса конструкции. Этот сплав отличается не только лёгкостью, но и прочностью (см. рис. 107).

Сплав вольфрама с кобальтом и углеродом (победит) по твёрдости близок к алмазу. Из него изготавливают сверхпрочные инструменты для металлообработки и бурения горных пород, свёрл по бетону.

Чистое золото — мягкий металл, поэтому в ювелирных изделиях используют его более твёрдые сплавы, например, с медью, никелем. Добавление в золото других металлов изменяет не только его механические свойства, но и цвет. Например, при содержании палладия более 10 % золото окрашивается в белый цвет с лёгким телесным оттенком. 

Вопросы, задания, задачи

1. Перечислите и объясните: а) общие физические свойства металлов; б) важнейшие физические отличия сплавов от индивидуальных металлов.
2. Приведите электронные конфигурации атомов, сравните радиусы атомов: а) натрия и лития; б) магния и аргона.
3. Объясните, почему при сильном морозе за металлическую дверную ручку, в отличие от деревянной, голой рукой браться не рекомендуется.
4. Определите степени окисления атомов металлов в соединениях: MgS, NaNO₃, FeO, Fe₂O₃, Cr₂O₃, CrO₃.
5. Расположите символы металлов в порядке возрастания радиуса их атомов: Mg, Na, Li, Fr, Ba.
6. Используя данные рисунков 103 и 106, объясните, какие металлы можно применять: а) для резки алюминия, магния, олова, натрия; б) в качестве электропроводки или для изготовления электрических контактов.
7. Исключите лишнее и обоснуйте свой выбор: 
   а) 1s²2s²2p⁵; б) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴; в) 1s²2s²2p⁶3s²3p¹; г) 1s²2s²2p⁶.
8. Монета массой 3,9 г имеет объём 0,5 см³. Из какого металла (сплава) она изготовлена? Для ответа используйте данные таблицы. 

   Металлы(сплавы)	Плотность, г/см3	Металлы (сплавы)	Плотность, г/см3
   Алюминий	2,7	Медь	8,96
   Сталь	7,6–7,9	Серебро	10,5
   Бронза	8,7–9,0	Золото	19,3
   Никель	8,9	Платина	21,5

9. Магний — один из важнейших биогенных элементов. Его содержание в организме человека составляет около 0,05 %. Определите массу магния и число его атомов в организме человека массой 60 кг.
10. Определите металл, массовая доля которого в его оксиде состава Ме₂О₃ равна 68,42 %. 

*Самоконтроль

1. В земной коре существуют только в виде соединений:

• а) Ag;
• б) Cu;
• в) Na;
• г) Zn.

2. Наиболее характерными свойствами металлов считают:

• а) хрупкость;
• б) пластичность;
• в) высокую электропроводность;
• г) металлический блеск.

3. Число металлов больше числа неметаллов в группе, если электронная конфигурация атомов элементов в ней:

• а) ns¹;
• б) ns²nр¹;
• в) ns²nр³;
• г) ns².

4. Правильными являются утверждения:

• а) бронза и латунь — сплавы на основе меди;
• б) твёрдость сплавов обычно выше, чем твёрдость образующих их чистых металлов;
• в) сплавы всегда имеют более высокие температуры плавления, чем образующие их металлы;
• г) содержание углерода в сталях выше, чем в чугунах.

5. Массовая доля цинка в латуни — 45 %. Для получения 20 кг латуни без примесей требуется:

• а) 9 кг Zn;
• б) 11 кг Fe;
• в) 9 кг Sn;
• г) 11 кг Cu.