Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

Розділ III. Металічні елементи та їхні сполуки

Тема 1. Загальні відомості про металічні елементи та метали

§ 60. 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. 60.1).

В атомів металічних елементів на зовнішньому енергетичному рівні міститься невелика кількість 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 три-чотири 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 і, як наслідок, набувають стійкої електронної конфігурації атомів найближчого інертного елемента.

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

Для металічних елементів характерна невелика електронегативність — менша за 1,8. Найсильніші металічні властивості виявляють елементи ІА групи Періодичної системи — лужні елементи. Їхні атоми настільки легко віддають валентні електрони, що в природі ці елементи перебувають лише у вигляді сполук.

Поширеність металічних елементів у природі

Слово «метал» походить від грецького metallon, що означає «рудник» або «шахта». Дійсно, багато металічних елементів трапляється 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 %). Інших елементів набагато менше. 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. 60.2).

Мал. 60.2. Цезій — один із трьох металів, що мають характерне забарвлення

Температури плавлення металів варіюють у дуже широкому діапазоні (мал. 60.3). Найбільш легкоплавкий метал — ртуть — за кімнатної температури є рідиною. Галій плавиться від теплоти людського тіла (мал. 60.4). Із металів, які 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. 60.3. Температури плавлення деяких металів

Мал. 60.4. Температура плавлення галію така низька, що він плавиться від теплоти людського тіла

Метали дуже різняться за густиною (мал. 60.5). Найменша густина в лужних металів: літію, натрію і калію. Літій навіть спливає на поверхню гасу, густина якого менша за густину води (мал. 60.6). Метали із 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. Так, 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. 60.5. Густини деяких металів

Мал. 60.6. 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. 60.7). Найм’якіші — лужні метали, їх можна різати ножем. М’якими є також свинець, олово, цинк, срібло, золото.

Мал. 60.7. Твердість металів порівняно з твердістю алмазу

Електро- та теплопровідність металів. Усі метали добре проводять електричний струм. Найбільша електропровідність у срібла, дещо менша в міді і золота (мал. 60.8). 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 з алюмінію.

Мал. 60.8. 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 кількості 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 розкатати 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 з 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 сильно різняться, але в більшій чи меншій мірі їм притаманні тепло- та електропровідність, пластичність, металічний блиск.

Цікавий факт

• У давнину людям були відомі сім металів: золото, срібло, ртуть, мідь, олово, залізо, свинець. Вони або траплялися в природі в самородному вигляді, або їх було легко добути зі сполук, наприклад, у разі потрапляння у вогонь.

• У переліку простих речовин, який 1789 року склав А. Лавуазьє, було 17 металів. У першому варіанті таблиці Д. І. Менделєєва (1869) їх було вже 47.

Запитання та завдання

357. Які характерні особливості властиві металічним елементам?

358. Схарактеризуйте загальні фізичні властивості металів. Чим вони зумовлені?

359. Схарактеризуйте поширеність металічних елементів у природі.

360. Які метали називають тугоплавкими, легкоплавкими, легкими, важкими? Наведіть приклади.

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