§ 43. Металлы. Общая характеристика
Сайт: | Профильное обучение |
Курс: | Химия. 11 класс |
Книга: | § 43. Металлы. Общая характеристика |
Напечатано:: | Гость |
Дата: | Суббота, 27 Июль 2024, 03:09 |
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.
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5882/mod_book/chapter/18081/%D0%B2%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BB%D0%B8%D1%86%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BA.jpeg)
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
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5882/mod_book/chapter/18082/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%20102.%20%D0%A0%D0%B0%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%91%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2--%D0%B2%20%D0%B7%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%BE%D0%B9%20%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B5.png?time=1618375801422)
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, CuFeS2, 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).
![#](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5882/mod_book/chapter/18083/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%20103.%20%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE-%20%D0%B8%20%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2.jpg)
![#](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5882/mod_book/chapter/18083/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%20104.%20%D0%9A%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B0%20%D0%BA%D0%B0%D0%BA%20%D0%B4%D0%B5%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F%20%D0%B5%D0%B3%D0%BE%20%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8.jpg)
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.
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5882/mod_book/chapter/18083/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%20105.%20%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B%20%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2.jpg)
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5882/mod_book/chapter/18083/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%20106.%20%D0%9E%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%82%D0%B2%D1%91%D1%80%D0%B4%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2%20%D0%BF%D0%BE%20%D1%88%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B5%20%D0%9C%D0%BE%D0%BE%D1%81%D0%B0.jpg)
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).
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5882/mod_book/chapter/18084/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%20107.%20%D0%98%D0%B7%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%8F%20%D0%B8%D0%B7%20%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B2%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2.png)
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).
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5882/mod_book/chapter/18084/%D1%81%D0%BE%D0%B2%D0%B0.jpeg)
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.
Металлы — это кристаллические вещества с металлической связью между плотно упакованными атомами.
Для металлов характерны высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность (ковкость) и металлический блеск.
Металлические сплавы — это материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом.
Вопросы, задания, задачи
- Перечислите и объясните: а) общие физические свойства металлов; б) важнейшие физические отличия сплавов от индивидуальных металлов.
- Приведите электронные конфигурации атомов, сравните радиусы атомов: а) натрия и лития; б) магния и аргона.
- Объясните, почему при сильном морозе за металлическую дверную ручку, в отличие от деревянной, голой рукой браться не рекомендуется.
- Определите степени окисления атомов металлов в соединениях: MgS, NaNO3, FeO, Fe2O3, Cr2O3, CrO3.
- Расположите символы металлов в порядке возрастания радиуса их атомов: Mg, Na, Li, Fr, Ba.
- 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.
- Исключите лишнее и обоснуйте свой выбор:
а) 1s22s22p5; б) 1s22s22p63s23p4; в) 1s22s22p63s23p1; г) 1s22s22p6. - 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 - 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.
- 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.