Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 31. Загальна характеристика металічних елементів та металів

Пригадайте:

• особливості металічного зв'язку (за § 8);

• фізичні властивості речовин із металічними кристалічними ґратками (за § 10).

Особливості будови електронної оболонки атомів та місце в Періодичній системі

Зі 118 хімічних елементів, відомих на сьогодні, близько 100 елементів є металічними. У Періодичній системі вони розташовані від початку кожного періоду, а також у двох родинах f-елементів: Лантаноїди та Актиноїди (мал. 31.1).

Мал. 31.1. Металічні елементи в Періодичній системі

В атомів металічних елементів на зовнішньому енергетичному рівні міститься невелике число електронів:

• у s-елементів — один або два;

• у d-елементів — два (як виняток — один);

• у p-елементів по-різному: в елементів 3-5 періодів — по 3-4 електрони, в елементів 6-7 періодів значно більше, але через значне віддалення від ядра вони слабко притягаються до нього.

Атоми металічних елементів у хімічних взаємодіях лише віддають електрони та, як наслідок, набувають стійкої електронної конфігурації атомів найближчого інертного елемента.

Отже, метали в хімічних реакціях є виключно відновниками. У цьому полягає їх принципова відмінність від неметалів.

Для металічних елементів характерна невелика електронегативність — менша за 1,8. Найбільше металічні властивості виявлені в елементів IA групи Періодичної системи — лужних елементів. Їхні атоми настільки легко віддають валентні електрони, що в природі ці елементи перебувають виключно у вигляді сполук.

Поширеність металічних елементів у природі

Слово «метал» походить від грецького metallon, що означає «рудник» або «шахта». Дійсно, багато металічних елементів трапляються в природі у вигляді руд, що складаються з одного або декількох металовмісних мінералів. Мінерали й гірські породи, які містять сполуки металічних елементів і придатні для добування металів промисловим способом, називають рудами: залізна руда, алюмінієва, мідна, свинцева тощо.

Найпоширеніший у земній корі металічний елемент — Алюміній (7 %), він поступається лише двом неметалічним — Оксигену й Силіцію. Друге місце серед металічних елементів посідає Ферум (4 %), третє — Кальцій (3 %), потім Натрій, Калій і Магній (близько 2 %), Титан (0,6 %). Набагато менше в земній корі Хрому (0,01 %), Купруму (0,005 %), Урану, Стануму (близько 0,0002 %), Аргентуму (0,000007 %), Меркурію (0,000005 %), Ауруму (0,0000001 %). Усі радіоактивні металічні елементи (за винятком Урану й Торію) у природі наявні в незначних кількостях або взагалі не виявлені.

Загальні фізичні властивості металів

Для металів та їхніх сплавів характерні загальні властивості, які зумовлені наявністю в них металічного зв'язку.

• За кольором усі метали майже однакові: сріблясто-сірі, можуть бути дещо темнішими або світлішими. Усі мають металічний блиск (більшою чи меншою мірою). Деякі метали мають світло-блакитний відтінок. Лише трьом металам властиве характерне забарвлення: золото — жовте, мідь — червона, цезій — світло-жовтий (мал. 31.2).

Мал. 31.2. Цезій — один із трьох металів, що мають характерне забарвлення

• Температури плавлення металів варіюють у дуже широкому діапазоні (мал. 31.3). Найбільш легкоплавкий метал — ртуть — за кімнатної температури є рідиною. Галій плавиться від теплоти людського тіла (мал. 31.4). Із металів, що широко застосовуються в техніці, найбільш легкоплавкі — олово і свинець. Максимальну температуру плавлення має вольфрам. Метали, температура плавлення яких вища за 1000 °С, називають тугоплавкими.

Мал. 31.3. Температури плавлення деяких металів

Мал. 31.4. Температура плавлення галію така низька, що він плавиться від теплоти людського тіла

• Метали дуже різняться за густиною (мал. 31.5). Найменша густина в лужних металів: літію, натрію і калію. Літій навіть спливає на поверхню гасу, густина якого менша за густину води (мал. 31.6). Метали з густиною, меншою за 5 г/см3, називають легкими , а інші — важкими. До легких, крім лужних і лужноземельних металів, відносять магній, алюміній тощо. Найбільш важкими є прості речовини d-елементів 6 періоду, а також актиноїди. Наприклад, ртуть має густину 13,6 г/см3, тобто літрова банка, заповнена ртуттю, важить 13,6 кг! Найважчі метали в природі — осмій та іридій (густина близько 22,6 г/см3).

Мал. 31.5. Густини деяких металів

Мал. 31.6. У літію найменша серед усіх металів густина (0,53 г/см3), він плаває не лише на поверхні води (як інші лужні метали), а й на поверхні гасу (0,81 г/см3)

• Твердість речовини оцінюють за її здатністю залишати подряпини на іншій речовині. Найтвердіша речовина — алмаз — залишає слід на будь-яких поверхнях. Із металів за твердістю до алмаза найближчий хром — він дряпає скло (мал. 31.7). Найм'якіші — лужні метали, їх можна різати ножем. М'якими є також свинець, олово, цинк, срібло, золото.

Мал. 31.7. Твердість металів порівняно з твердістю алмазу

• Електро- та теплопровідність. Усі метали добре проводять електричний струм. Найбільша електропровідність у срібла, дещо менша — у міді й золота (мал. 31.8). Але срібло — це дорогий метал, його використовують лише для виготовлення високоточних приладів. У побуті застосовують переважно мідні дроти, вони мають значно кращі характеристики, ніж дроти, виготовлені з алюмінію.

Мал. 31.8. Відносна електропровідність металів

Під час проходження через метал електричного струму частина енергії перетворюється на теплову — метал нагрівається. Використання алюмінієвих дротів за високих навантажень на електричну мережу може призвести до їх розплавлення. Особливо небезпечними є місця контакту алюмінієвих і мідних дротів — вони нагріваються набагато швидше, що може спричинити пожежу.

Електропровідність металів залежить від числа вільних електронів у кристалі. Крім того, чим більше в металі вільних електронів, тим швидше відбувається вирівнювання температури в усьому кристалі, тобто тим більша його теплопровідність. Тому для багатьох металів близькими є відносні значення тепло- й електропровідності.

• Пластичність (ковкість). Багато металів пластичні, тобто можуть змінювати форму без руйнування, наприклад, розплющуватися від удару молотом. Найбільш пластичними є золото, срібло, мідь, олово. Їх можна розкатувати в тонку фольгу. Прокаткою можна одержати шари золота завтовшки декілька атомів. Саме такі золоті лусочки використав Резерфорд під час дослідження будови атома. Зовні вони нагадують напівпрозору зеленувату плівку, що пропускає світло.

Ще за часів Київської Русі найтоншу золоту фольгу (сухозлітне золото) застосовували для золочення виробів із деревини і кераміки. Тонким золотом прикрашали рукописні книги та ікони. Зі злитка золота масою лише 1 г можна витягнути дріт завдовжки майже 3 км або виготовити лист фольги площею 1 м2.

Ключова ідея

Властивості металів дуже відрізняються, але більшою чи меншою мірою їм притаманні тепло- та електропровідність, пластичність і металічний блиск.

Контрольні запитання

443. Які характерні особливості металічних елементів?

444. У якій частині Періодичної системи розміщені металічні елементи?

445. Схарактеризуйте поширеність металічних елементів у природі.

446. Схарактеризуйте загальні властивості металів. Чим вони зумовлені?

447. Наведіть приклади металів із високими і низькими значеннями тепло- й електропровідності.

448. Які метали називають тугоплавкими, легкими, важкими? Наведіть приклади.

Завдання для засвоєння матеріалу

449. Порівняйте електронні конфігурації атомів Берилію і Магнію.

450. Наведіть по одному прикладу: а) твердого тугоплавкого металу; б) м'якого тугоплавкого металу; в) м'якого легкоплавкого металу.

Комплексні завдання

451. Обчисліть довжину ребра куба масою 1 т, відлитого із заліза (густина заліза 7,87 г/см3).

452. Критична маса урану-235, за якої відбувається ядерний вибух, становить 0,8 кг. Який радіус R мала б уранова куля масою, що дорівнює критичній? Густина урану 19 г/см3, об'єм кулі обчислюють за формулою

Завдання з розвитку критичного мислення

453. Що станеться із золотою каблучкою, якщо залишити її в розчині ферум(ІІ) хлориду за кімнатної температури?

454. Порівняйте електронну будову атомів металічних, напівметалічних та неметалічних елементів. Поясніть, як електронна будова атомів елементів пов'язана з різним електричним опором простих речовин, які вони утворюють.

455. Що станеться з мідним браслетом, якщо він контактуватиме з розчином аргентум(І) нітрату декілька годин за кімнатної температури?

456. Металічні елементи А і В розташовані в одній групі Періодичної системи. Один з елементів розташований у другому періоді, а інший — у п'ятому. Густина простої речовини B більша за густину простої речовини А. Який з елементів розташований у другому періоді? Поясніть свою відповідь.