Металлы отличаются от неметаллов перечнем свойств, о которых ниже и пойдёт речь.
В настоящее время известно 118 химических элементов, из которых 92 являются металлами.
В короткой Периодической таблице металлы находятся в начале периодов, а также в побочных подгруппах. Все элементы побочных подгрупп являются металлами. Условной границей, отделяющей металлы от неметаллов, служит диагональ бор — астат, левее и ниже которой все элементы относятся к металлам. Элементы, находящиеся вблизи диагонали, имеют двойственную природу.
Строение кристаллической решётки металлов
Для металлов и их сплавов характерна металлическая кристаллическая решётка. Металлическая кристаллическая решетка — это структура, которая состоит из ионов и атомов металла, а между ними свободно передвигаются электроны.
Между атомами в составе кристаллической решётки возникает металлическая химическая связь.
Сравнивая энергию различных типов химических связей, можно сделать вывод о прочности металлической связи:
| для молекулярной связи | 103 Дж/моль |
| для ионной | 105–107 Дж/моль |
| для металлической | 105–106 Дж/моль |
Чем больше энергия, тем связь прочнее → металлическая является одной из самых прочных. Это обуславливает некоторые физические и химические свойства металлов.
Строение электронных оболочек металлов
У металлов сравнительно большие радиусы атомов. На внешнем электронном слое у большинства металлов находится небольшое число электронов (от 1 до 3). Их наружный слой далёк до завершения. Металлам характерны низкие значения электроотрицательности (<2 по шкале Поллинга). Валентные электроны металлов слабо связаны с ядром и легко покидают атом.
Для того, чтобы приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа (а все элементы к этому и стремятся), металлам необходимо отдать один или два электрона, в зависимости от периода, в котором находится металл:
Li: [He]2s¹ Ca: [Ar]3s² Al: [Ne]3s²3p¹ Mg: [Ne] 3s2 K: [Ar] 4s1 Fe: [Ar] 3d6 4s2 Zn: [Ar] 3d10 4s2
Внешний энергетический уровень металла обуславливает его окислительно-восстановительные свойства, как и то, какую степень окисления металл способен принимать. Например, Li ⁺¹ Ca⁺² Al⁺3
Физические свойства металлов
1. Отсутствие цвета и характерный металлический блеск. Это объясняется высокой подвижностью электронов, имеющих разную скорость и энергию → электроны способны поглощать всю линию спектра (не окрашены). При снятии возбуждения электрона происходит излучение света (блеск).
2. Металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью. Это хорошо объясняется высокой подвижностью электронов, находящихся в составе металлической кристаллической решётки.
3. Вследствие большой прочности металлической связи металлы обладают высокими температурами плавления и значительной твёрдостью. (В металлах с низкой валентностью прочность связи ниже → эти металлы легкоплавкие и мягкие. Например, литий.)
4. Пластичность. Благодаря особенностям кристаллической решётки металлы в результате механического воздействия способны не разрушаться, образуя порошок, а менять форму.
5. Магнетизм. Создается неравномерным распределением электронов в атомах некоторых металлических элементов. Неравномерное вращение и движение, вызванное этим неравномерным распределением электронов, перемещает заряд внутри атома вперед и назад, создавая магнитные диполи.
Химические свойства металлов
Благодаря тому, что металлам проще лишиться электронов на своём внешнем энергетическом слое, в реакциях металлы-простые вещества будут выступать исключительно в роли восстановителей.
В зависимости от активности, металлы традиционно подразделяют на три группы: Li, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al – активные металлы; Mn, Zn, Cr, Cd, Co, Ni, Pb – металлы средней активности; H2, Cu, Ag, Hg, Au, Pt – малоактивные металлы.
Чем активнее металл, тем проще он будет отдавать электроны → будет проявлять более сильные восстановительные свойства и первым взаимодействовать с окислителем.
| Активный металл | легко отдает электроны | сильные восстановительные свойства | взаимодействует с окислителями охотнее |
| Неактивный металл | тяжело отдает электроны | слабые восстановительные свойства | взаимодействует с окислителем менее охотно |
Взаимодействие металлов с
- простыми веществами-неметаллами
- водой
- растворами кислот
- с кислотами-окислителями
- солями
- щелочами
с простыми веществами-неметаллами
Металлы вступают в ОВР с простыми веществами-неметаллами, образуя бинарные соединения, в которых металл имеет положительную степень окисления, а неметалл — отрицательную.
2Na + Cl2 → 2NaCl
2Mg + O2 → 2MgO
Zn + S → ZnS
Вступают в реакцию: O2 (кроме благородных Me), Hal2, N2, S, P, C и др.
Li — единственный реагирует с азотом без нагревания с обр Li3N
Во взаимодействии щелочных металлов с кислородом есть особенность: все они, кроме лития, образуют пероксиды и надпероксиды.
4Li + O2 → 2Li2O (оксид)
2Na + O2 → Na2O2 (пероксид)
K + O2 → KO2 (надпероксид)
с водой
C жидкой водой взаимодействуют активные металлы. Результатом этой ОВР является образование щелочей.
2Na + H2O → 2NaOH + H2
Cu + H2O ↛
Металлы правее водорода (не активные) не вступают в реакцию с водой.
с растворами кислот
Те металлы, которые стоят в ряду активности левее водорода, способны вытеснять его, образуя с кислотным остатком соль.
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
3Fe + 4H3PO4 → Fe3(PO4)4 + 6H2
Hg + H3PO4 ↛
Кислоты HNO3 и H2SO4 являются сильными окислителями за счет кислотного остатка и с металлами будут реагировать специфичнее (например, окислять неактивные металлы).
с кислотами-окислителями
H2SO4(конц)
В разбавленном виде серная кислота является окислителем за счёт протона.
Продукты восстановления серной кислоты зависят от активности металла, с которым она реагирует.
H2SO4(конц)
+ активный Me (Li-Zn) → Соль + H2S⁻² + H2O
+ металл средней активности (Cd-Pb) → Соль + S⁰ + H2O
+ неактивный металл (после H2 и Fe) → Соль + S⁺⁴O2 + H2O
Более подробно о реакциях металлов с серной кислотой можно прочитать в статье.
HNO3
И разбавленные, и концентрированные растворы азотной кислоты являются окислителями за счёт атома N⁺⁵
Концентрированная азотная кислота даёт один продукт, для разбавленной тенденция образования продуктов реакции аналогична серной кислоте.
HNO3(конц) + Me(независимо от активности) → Соль + NO2 + H2O
HNO3(разб)
+ активный Me (Li-Zn) → Соль + N2⁰ + H2O
+ металл средней активности (Fe-Pb) → Соль + N2⁺¹O + H2O
+ неактивный металл (после H2 и Fe) → Соль + N⁺²O + H2O
HNO3(оч разб) + активный Me (Li-Zn) → Соль + N⁻³H4NO3 + H2O
Более подробно о реакциях металлов с азотной кислотой можно прочитать в статье.
с солями
Металлы способны вступать в реакцию с солями, вытесняя менее активный металл и образуя с кислотным остатком новую соль.
Ca + ZnCl2 → CaCl2 + Zn
K + CuI → KI + Cu
Fe + Mg(NO3)2 ↛
с щелочами
Особенностью амфотерных металлов (Be, Al, Zn и др) является их способность взаимодействовать как с кислотами, так и с щелочами с образованием комплексов.
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Be + 2NaOH + 2H2O → Na2[Be(OH)4] + H2
Zn + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2
При нагревании комплексы не образуются.
2Al + 2NaOH + 2H2O → 3H2 + 2NaAlO2 (алюминат натрия)
Be + 2KOH → H2 + 2NaAlO2 (бериллат калия)
Zn + 2KOH → 2H2 + K2ZnO2 (цинкат калия)
