Химия 9 класс: Металлы

Общая характеристика и физические свойства металлов

История человеческой цивилизации неразрывно связана с освоением металлов. Археологи выделяют целые эпохи в зависимости от того, какой материал доминировал в орудиях труда: медный век (около 4000–3000 лет до н.э.), бронзовый век (3000–1200 лет до н.э.) и железный век (с 1200 года до н.э.). Переход от каменных топоров к бронзовым мечам, а затем к стальным плугам кардинально менял экономику, сельское хозяйство и военное дело.

Сегодня из 118 известных науке химических элементов более 90 приходятся на металлы. Данный курс открывает двери в удивительный мир этих веществ, помогает понять их природу и законы, по которым они взаимодействуют с окружающим миром.

Положение в периодической системе и строение атома

Где именно прячутся эти элементы? Если посмотреть на Периодическую систему химических элементов, можно провести воображаемую диагональ от бора до астата. Почти все элементы, расположенные левее и ниже этой линии, а также все элементы побочных подгрупп — это металлы.

Главная особенность атомов металлов кроется в строении их внешнего энергетического уровня. Как правило, там находится от одного до трёх валентных электронов. По сравнению с неметаллами того же периода, атомы металлов имеют значительно бóльшие атомные радиусы. Из-за этого ядро слабее притягивает внешние электроны.

Следствием такого строения является низкая энергия ионизации — атомам металлов энергетически выгодно отдать свои внешние электроны, чтобы обрести устойчивую электронную конфигурацию ближайшего инертного газа.

Пример: атом натрия имеет 11 электронов, из которых только один находится на внешнем уровне. Натрий легко отдаёт этот единственный электрон. В результате образуется положительно заряженный ион натрия, электронная оболочка которого полностью совпадает с оболочкой стабильного газа неона (10 электронов). Эта способность отдавать электроны делает все металлы типичными восстановителями в химических реакциях.

Тайна прочности: металлическая связь

Почему кусок железа такой прочный, выдерживает колоссальные нагрузки в конструкциях мостов, а кристалл поваренной соли рассыпается от удара молотком? Ответ кроется во внутреннем строении вещества.

В твёрдом состоянии металлы образуют строго упорядоченную пространственную структуру — кристаллическую решётку. В узлах этой решётки находятся положительно заряженные ионы и небольшое количество нейтральных атомов. Те самые валентные электроны, которые атомы легко отдают, отрываются от своих ядер и начинают свободно перемещаться по всему объёму кристалла. Образуется так называемый электронный газ.

Именно металлическая химическая связь — электростатическое притяжение между положительными катионами в узлах решётки и свободно движущимися отрицательными электронами — обеспечивает целостность куска металла. Электроны выступают в роли своеобразного универсального клея, который не даёт положительным ионам оттолкнуться друг от друга.

> Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. > > Михаил Васильевич Ломоносов

Физические свойства металлов

Наличие свободного электронного газа — это универсальный ключ к пониманию всех общих физических свойств металлов. Разберём их подробнее.

Агрегатное состояние и цвет

При комнатной температуре все металлы являются твёрдыми веществами. Единственное исключение — ртуть. Её температура плавления составляет -38,8 °C, поэтому в обычных условиях она представляет собой тяжёлую подвижную жидкость.

Большинство металлов имеют серебристо-белый или серебристо-серый цвет. Исключениями являются медь, имеющая красновато-розовый оттенок, и золото, обладающее характерным жёлтым цветом.

Металлический блеск

Свободные электроны способны поглощать кванты падающего света и практически мгновенно излучать их обратно. Благодаря этому металлы отлично отражают световые лучи, что воспринимается человеческим глазом как характерный блеск. Самыми высокими отражательными способностями обладают серебро, алюминий и палладий.

Например, при производстве обычных бытовых зеркал на заднюю поверхность стекла наносят тончайший слой серебра или алюминия толщиной всего около 0,1–0,3 микрометра. Этого достаточно, чтобы отражать до 95% падающего видимого света.

Электропроводность и теплопроводность

Если к куску металла приложить электрическое напряжение, хаотично движущиеся электроны мгновенно приобретут направленное движение — возникнет электрический ток. Точно так же электроны быстро переносят тепловую энергию от нагретой части металла к холодной, сталкиваясь с ионами кристаллической решётки и передавая им кинетическую энергию.

Рейтинг лучших проводников электричества выглядит так:

Серебро слишком дорого для массового использования, поэтому электрические провода в наших домах делают из меди или алюминия. Медный кабель сечением 2,5 квадратных миллиметра способен безопасно пропускать ток силой до 27 ампер. Этого достаточно для одновременной работы мощной стиральной машины, духового шкафа и микроволновой печи (суммарная мощность около 5,9 киловатт).

Для высоковольтных линий электропередач используют алюминий. Он проводит ток немного хуже меди, но зато его плотность почти в три раза меньше. Чтобы алюминиевые провода не обрывались под собственным весом и порывами ветра, внутрь кабеля помещают прочный стальной сердечник.

Пластичность и ковкость

Пластичность — это способность материала изменять свою форму под механическим воздействием без разрушения и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Если ударить молотком по кристаллу соли, произойдёт смещение слоёв, одноимённо заряженные ионы окажутся друг напротив друга, оттолкнутся — и кристалл расколется.

В металлах смещение слоёв положительных ионов не приводит к разрушению. Подвижный электронный газ мгновенно перераспределяется, экранирует заряды и продолжает удерживать слои вместе. Металл просто меняет форму.

Самый пластичный металл — золото. Из одного грамма золота можно вытянуть тончайшую невидимую глазу проволоку длиной более 2 километров. Также золото можно расковать в полупрозрачную фольгу (сусальное золото) толщиной всего 0,0001 миллиметра. Именно таким золотом покрывают купола храмов и статуи — на покрытие огромного купола может уйти всего несколько десятков граммов драгоценного металла.

Классификация и металлы-рекордсмены

Несмотря на общие черты, металлы сильно отличаются друг от друга по количественным характеристикам. В технике и металлургии их принято делить на чёрные металлы (железо и все его сплавы, такие как чугун и сталь) и цветные металлы (медь, алюминий, цинк, свинец и все остальные). На долю чёрных металлов приходится более 90% мирового объёма производства металлопродукции.

Также металлы классифицируют по плотности () и температуре плавления (): * Лёгкие металлы имеют плотность г/см³ (например, магний, алюминий). * Тяжёлые металлы имеют плотность г/см³ (например, свинец, золото). * Легкоплавкие металлы плавятся при температуре °C (олово, цинк). * Тугоплавкие металлы требуют для плавления температуру °C (железо, титан).

Рассмотрим таблицу с абсолютными рекордсменами среди металлов:

| Характеристика | Металл-рекордсмен | Значение | Практическое применение | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Самый тугоплавкий | Вольфрам | 3422 °C | Нити накаливания в лампах, сопла ракетных двигателей, сварочные электроды | | Самый легкоплавкий | Ртуть | -38,8 °C | Термометры, барометры, датчики наклона | | Самый лёгкий | Литий | 0,53 г/см³ | Литий-ионные аккумуляторы для смартфонов, ноутбуков и электромобилей | | Самый тяжёлый | Осмий | 22,59 г/см³ | Детали точных измерительных приборов, износостойкие перья дорогих авторучек |

Чтобы лучше понять разницу в плотности, приведём наглядный пример. Представьте себе идеальный кубик со стороной 10 сантиметров (объём 1 литр). Если сделать такой кубик из осмия, он будет весить 22,59 килограмма. Поднять такой небольшой предмет одной рукой будет крайне сложно для нетренированного человека. В то же время точно такой же кубик из лития весил бы всего 530 граммов. Более того, если бросить литиевый кубик в воду, он не утонет, а будет плавать на поверхности, так как его плотность почти в два раза меньше плотности воды (1 г/см³).

Сплавы: почему чистые металлы используются редко

В чистом виде металлы обладают множеством полезных свойств, но для современных инженерных задач их часто бывает недостаточно. Чистое железо слишком мягкое, чистый алюминий недостаточно прочен для строительства самолётов, а чистое золото легко царапается и деформируется.

Поэтому в промышленности чаще всего используют сплавы — макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более химических элементов, в которых преобладают металлические свойства.

Добавление даже небольшого количества примесей кардинально меняет физические свойства исходного материала: * Сталь (сплав железа с углеродом, где углерода менее 2,14%) в десятки раз прочнее чистого железа. * Дюралюминий (сплав алюминия с медью, магнием и марганцем) сохраняет лёгкость алюминия, но приобретает прочность, сопоставимую со сталью. Именно из него делают корпуса современных авиалайнеров. * Ювелирное золото 585-й пробы содержит 58,5% чистого золота, а остальное — это медь и серебро. Эти добавки делают украшения твёрдыми и устойчивыми к повседневному износу.

Итоги

* Бóльшая часть химических элементов во Вселенной — это металлы. В Периодической системе они располагаются преимущественно в левой нижней части и в побочных подгруппах. * Атомы металлов имеют мало электронов на внешнем уровне и легко их отдают, выступая в роли восстановителей. * Уникальные физические свойства (блеск, тепло- и электропроводность, пластичность) объясняются наличием металлической химической связи и свободного электронного газа в кристаллической решётке. * Металлы обладают широким диапазоном физических характеристик: от жидкой ртути до сверхтвёрдого и тугоплавкого вольфрама, что определяет их повсеместное использование в промышленности в виде сплавов.

Общие химические свойства металлов и ряд активности

В предыдущей статье мы выяснили, что уникальные физические свойства металлов — их ослепительный блеск, пластичность и способность проводить электрический ток — объясняются наличием «электронного газа». Свободные электроны непрерывно перемещаются внутри кристаллической решётки. Но что произойдет, если кусок металла столкнется с другим химическим веществом?

Поскольку атомы металлов имеют на внешнем энергетическом уровне всего от одного до трех электронов и слабо удерживают их из-за большого атомного радиуса, в химических реакциях они стремятся эти электроны отдать. Именно поэтому абсолютно все металлы в свободном состоянии выступают исключительно в роли восстановителей. Однако делают они это с совершенно разной интенсивностью. Золотое кольцо может веками лежать на дне океана без изменений, тогда как кусочек натрия при контакте с водой мгновенно воспламеняется.

Ряд активности металлов

Чтобы упорядочить знания о химическом поведении металлов, выдающийся русский физикохимик Николай Николаевич Бекетов провел сотни экспериментов по вытеснению одних элементов другими.

> Опыты над химическими явлениями суть единственные надежные руководители к познанию истины. > > Николай Николаевич Бекетов

Результатом его трудов стал электрохимический ряд напряжений металлов (или ряд активности). В упрощенном виде для школьного курса он выглядит так:

где — литий, — калий, — барий, — кальций, — натрий, — магний, — алюминий, — марганец, — цинк, — хром, — железо, — никель, — олово, — свинец, — водород, — медь, — ртуть, — серебро, — платина, — золото.

Главное правило этого ряда: чем левее расположен металл, тем выше его химическая активность и тем легче он отдает свои электроны. Водород помещен в этот ряд условно — он служит своеобразным водоразделом, границей, по которой металлы делят на три большие группы.

| Группа металлов | Положение в ряду | Характерные представители | Особенности поведения | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Активные | От лития до алюминия | Натрий, кальций, магний | Бурно реагируют с водой при обычных условиях, легко окисляются на воздухе | | Средней активности | От марганца до свинца | Цинк, железо, олово | Реагируют с водой только при сильном нагревании, медленно окисляются | | Малоактивные (благородные) | После водорода | Медь, серебро, золото | Не вытесняют водород из кислот, практически не окисляются на воздухе |

Рассмотрим подробнее, как эти группы ведут себя при встрече с различными классами химических веществ.

Взаимодействие с неметаллами

Неметаллы (кислород, галогены, сера) являются типичными окислителями — они забирают электроны у металлов.

Реакция с кислородом

Почти все металлы, кроме самых благородных (золото, платина), реагируют с кислородом, образуя оксиды.

Например, если поджечь магниевую ленту, она сгорит ослепительно белым пламенем с выделением огромного количества теплоты (температура достигает °C):

где — атом магния, — молекула кислорода, — оксид магния.

Железо на воздухе окисляется медленно, покрываясь рыхлым слоем ржавчины. Но если железные опилки внести в колбу с чистым кислородом, они сгорят, разбрасывая яркие искры.

Реакция с галогенами

Галогены (хлор, фтор, бром, йод) — очень агрессивные элементы. При встрече с ними металлы образуют соли — галогениды.

Если кусочек натрия поместить в атмосферу желто-зеленого газа хлора, произойдет бурная реакция с образованием белого порошка — обычной поваренной соли:

где — атом натрия, — молекула хлора, — хлорид натрия.

Реакция с серой

При нагревании смеси металлических опилок и порошка серы образуются сульфиды.

где — атом железа, — атом серы, — сульфид железа(II).

Если смешать граммов железных опилок и грамма серы, а затем нагреть смесь, реакция пойдет с выделением тепла, и масса раскалится докрасна, превратившись в твердый черный кусок сульфида железа массой граммов.

Взаимодействие с водой

Отношение металлов к воде строго подчиняется их положению в ряду активности.

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) реагируют с водой уже при комнатной температуре. В результате образуется растворимое основание (щелочь) и выделяется газ водород.

где — атом натрия, — молекула воды, — гидроксид натрия, — молекула водорода.

Кусочек натрия массой всего граммов при попадании в воду начнет стремительно бегать по поверхности, шипеть и плавиться от выделяющегося тепла, выделив при этом около литра водорода. Часто этот водород самовоспламеняется.

Металлы средней активности реагируют с водой только в раскаленном состоянии и только с водяным паром. При этом образуется не гидроксид, а оксид металла:

где — атом цинка, — молекула воды (пар), — оксид цинка, — молекула водорода.

Малоактивные металлы (стоящие после водорода) с водой не реагируют ни при каких условиях. Именно поэтому медные трубы веками служат в системах водоснабжения, не разрушаясь изнутри.

Взаимодействие с кислотами

Кислоты — это сложные вещества, содержащие атомы водорода. Здесь правило ряда активности работает максимально наглядно: металлы, стоящие в ряду до водорода, вытесняют его из растворов кислот.

Если бросить кусочек цинка в пробирку с соляной кислотой, жидкость мгновенно «закипит» от множества выделяющихся пузырьков газа:

где — атом цинка, — молекула соляной кислоты, — хлорид цинка (растворимая соль), — молекула водорода.

Если же в ту же кислоту опустить серебряную монету, не произойдет абсолютно ничего. Серебро стоит в ряду активности правее водорода, а значит, оно слабее и не может «отобрать» у него место в соединении.

Примечание: азотная кислота и концентрированная серная кислота реагируют с металлами по особым правилам, водород при этом не выделяется. Эти сложные окислительно-восстановительные процессы подробно изучаются в старших классах.

Взаимодействие с растворами солей

Металлы способны соревноваться друг с другом за место в химическом соединении. Правило здесь простое: более активный металл (стоящий левее) вытесняет менее активный металл (стоящий правее) из раствора его соли.

Классический школьный опыт — погружение обычного железного гвоздя в ярко-синий раствор сульфата меди. Железо находится в ряду активности левее меди, поэтому оно начинает отдавать свои электроны ионам меди.

где — атом железа, — сульфат меди(II), — сульфат железа(II), — атом меди.

Спустя несколько минут синий цвет раствора начнет бледнеть (так как образуется бледно-зеленый сульфат железа), а сам гвоздь покроется рыхлым красноватым налетом — это выделяется чистая металлическая медь.

Если же мы попытаемся провести обратный эксперимент и опустим медную проволоку в раствор сульфата железа, реакция не пойдет. Медь слабее железа и не способна вытеснить его из соли.

Итоги

* В химических реакциях все металлы выступают в роли восстановителей — они отдают свои валентные электроны. * Химическая активность металлов неодинакова и описывается электрохимическим рядом напряжений Бекетова: активность падает слева направо. * Металлы, стоящие в ряду левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот, а самые активные — даже из обычной воды при комнатной температуре. * Более активный металл всегда вытесняет менее активный из раствора его соли.