Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Попель

§ 23. Металічні елементи. Метали

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • виокремити розміщення металічних елементів у періодичній системі;
  • скласти уявлення про поширеність цих елементів у природі;
  • пригадати особливості електронної будови атомів і йонів металічних елементів;
  • отримати нову інформацію про фізичні властивості металів;
  • з’ясувати склад і властивості деяких сплавів.

Металічні елементи, їх поширеність у природі. Металічних елементів існує значно більше, ніж неметалічних. До них належать усі d- і f-елементи, а також s-елементи (крім Гідрогену і Гелію) та кілька p-елементів. У довгому варіанті періодичної системи металічні елементи займають ліву і центральну частини1:

1 Германій, Стибій і Полоній, що розміщені біля діагональної ламаної лінії, за деякими характеристиками схожі на металічні елементи, а за іншими — на неметалічні.

Найбільше металічних елементів містить літосфера. Найпоширенішим серед них є Алюміній (мал. 56). Елементи, від яких походять активні метали, містяться переважно в хлоридних, карбонатних, сульфатних і силікатних мінералах, інші — в оксидних і сульфідних мінералах. Дуже рідко трапляються самородні мідь, срібло, золото, платина (мал. 57).

Мал. 56. Атомні частки найпоширеніших металічних елементів у літосфері

Мал. 57. Природні речовини, утворені металічними елементами

У гідросфері також багато металічних елементів, але у значно менших кількостях. У воді морів і океанів переважає Натрій, а у прісній воді — Кальцій.

Металічні елементи містяться і в живих організмах. Натрій і Калій входять до складу усіх клітин, Магній є у хлорофілі, а Ферум — у гемоглобіні. Сполуки Кальцію становлять неорганічну основу кісток, зубів, яєчної шкаралупи, черепашок.

Атоми і йони металічних елементів. В атомі будь-якого металічного елемента на зовнішньому енергетичному рівні перебуває невелика кількість електронів (як правило, від одного до трьох). Такий атом може віддавати ці електрони й перетворюватися на позитивно заряджений йон (катіон):

М - nе- = Мn+.

Запишіть схему утворення йона Кальцію з атома, використавши електронні формули частинок.

Здатність атомів металічних елементів втрачати електрони зростає зі збільшенням радіусів атомів: у періоді — справа наліво, а в групі — згори донизу. Типові металічні елементи розміщені в лівому нижньому куті періодичної системи. Серед них — Цезій; його атом найлегше втрачає електрон.

Прості катіони металічних елементів містяться в основних і амфотерних оксидах, основах, солях. Значення зарядів таких йонів для елементів головних підгруп І—III груп збігаються з номерами груп періодичної системи: Na+, Mg2+, Аl3+. Подібної закономірності для елементів побічних підгруп немає. Наприклад, елемент І групи Купрум утворює катіони Сu+ і Сu2+, а елемент VIII групи Ферум — катіони Fe2+ і Fe3+.

Атоми деяких металічних елементів можуть утворювати ковалентні зв'язки з атомами неметалічних елементів. Результатом цього є існування складних аніонів (наприклад, MnO-4) або молекул (CrO3).

Метали. Металічні елементи утворюють прості речовини — метали. За звичайних умов вони перебувають у твердому стані (крім ртуті) і є кристалічними речовинами.

Фізичні властивості. Метали схожі за зовнішнім виглядом (мал. 58). Металевий блиск, електропровідність, пластичність — властивості металів, зумовлені металічним зв’язком і наявністю в них делокалізованих електронів (§ 7). Найвищу електро- і теплопровідність мають срібло, мідь, золото, алюміній. Найпластичнішим металом є золото.

Мал. 58. Найважливіші метали

Температури плавлення більшості металів перевищують 1000 °С. Метали, які плавляться за нижчої температури (наприклад, свинець, олово, цинк, алюміній), називають легкоплавкими. Найтугоплавкіший метал — вольфрам (т. пл. 3420 °С). Найнижчу температуру плавлення має ртуть (-38,9 °С).

Значення густини металів перебувають у широкому інтервалі — від 0,534 (літій) до 22,5 г/см3 (осмій).

Метали різняться й за твердістю. Найтвердішим є хром; ним можна різати скло. Найм’якші метали — натрій, калій, свинець.

Колір металів звичайно білий або сірий. Золото і цезій мають жовтий колір, а мідь — червоний.

Залізо, кобальт і нікель є феромагнетиками — речовинами, які здатні намагнічуватися в зовнішньому магнітному полі і зберігати такий стан.

Застосування. Найважливішими для практики металами є залізо, алюміній, мідь, цинк. Вони набули широкого використання завдяки стійкості до природних умов і поширеності природної сировини, з якої їх добувають. Золото, срібло, платина — дорогоцінні метали. З них виготовляють ювелірні вироби, прикраси, іноді карбують монети (мал. 59). Ці метали також застосовують у хімічній промисловості, приладобудуванні, електронній техніці.

Мал. 59. Срібна монета

Сплави металів. Значно частіше за метали використовують їх сплави (табл. 9). Кожний сплав є однорідною сумішшю (твердим розчином), яку виготовляють шляхом сумісного сплавляння металів із подальшим охолодженням.

Таблиця 9

Деякі металічні сплави

Назва

Склад (масові частки, %)

Назва

Склад (масові частки, %)

Нержавіюча сталь (звичайна)

Fe — 74;

Сr — 18;

Ni — 8

Дуралюмін

Аl — 71—90;

Cu — до 13;

Zn, Si, Mg — решта

Бронза (звичайна)

Cu — 70—96;

Sn — решта

Ніхром

Ni — 77—85;

Cr — 15—20;

Al — решта

Латунь

Cu — 54—90;

Zn — решта

Мельхіор

Cu — 70—80;

Ni — решта


За фізичними властивостями сплави відрізняються від металів, що входять до їх складу. Вони мають, як правило, нижчі температури плавлення порівняно з відповідними металами, а також інші твердість і густину. Однак сплавам, як і чистим металам, властиві металевий блиск, висока електропровідність.

У хімічних реакціях сплави зазвичай поводяться як суміші металів.

Учені добувають і досліджують сплави з метою покращення властивостей металів. Так, звичайне залізо швидко ржавіє, а сплави цього металу із хромом і нікелем дуже стійкі у природних умовах. Для виготовлення ювелірних прикрас використовують не чисті дорогоцінні метали, а їх твердіші сплави з міддю і сріблом. За допомогою припою — сплаву олова зі свинцем — легше паяти (т. пл. припою 180 °С), ніж чистими металами — оловом (т. пл. 232 °С) чи свинцем (т. пл. 327 °С).

Сплави металів використовують у хімічній та харчовій промисловості, літако- і машинобудуванні, техніці, будівництві, монументальному мистецтві, побуті (мал. 60).

Мал. 60. Використання сплавів: а — обладнання з нержавіючої сталі; б — монумент із бронзи1; в — вироби з латуні; г — столовий набір із мельхіору

1 Композиція «Планета Альфреда Нобеля», м. Дніпро.

ВИСНОВКИ

До металічних елементів належать усі d- та f-елементи, s-елементи (крім Гідрогену і Гелію) та кілька р-елементів.

Металічні елементи поширені у природі.

Атоми металічних елементів можуть втрачати електрони й перетворюватися на катіони. Така їхня здатність зростає зі збільшенням радіусів атомів.

Металічні елементи утворюють прості речовини — метали. Завдяки наявності металічного зв’язку метали проводять електричний струм, мають характерний блиск, більшість із них є пластичними.

Метали та металічні сплави широко використовують у різних галузях.

  • 174. Яких елементів — металічних чи неметалічних — більше у 3-му періоді, 4-му періоді?
  • 175. Назвіть групу періодичної системи, в якій розміщені лише металічні елементи.
  • 176. Запишіть електронні формули атома і йона Берилію.
  • 177. Які фізичні властивості є типовими для металів? Поясніть, чому метали проводять електричний струм.
  • 178. Чому найчастіше використовують не самі метали, а їх сплави?
  • 179. За матеріалами з інтернету або інших джерел інформації підготуйте повідомлення про метал або сплав з особливими властивостями та його застосування.
  • 180. Зразок спеціальної бронзи має такі масові частки металів (у відсотках): Сu — 85, Sn — 9, Zn — 6. Атомів якого елемента у бронзі найменша кількість? Скільки атомів Купруму припадає у сплаві на кожні 10 атомів цього елемента?
  • 181. Порошок силуміну (сплав алюмінію із силіцієм) масою 5 г із масовою часткою силіцію 14 % спалили в надлишку кисню. Обчисліть масові частки оксидів у добутій суміші сполук.