Метали, розділ «хімік»

Хімічні елементи, що утворюють у вільному стані прості речовини з металевим зв'язком (див. Хімічний зв'язок). З 110 відомих хімічних елементів (див. Періодична система хімічних елементів) 88 - метали і тільки 22 - неметали.

Такі метали, як золото, срібло і мідь, відомі людині з доісторичних часів. У стародавні і середні віки вважали, що існує тільки 7 металів (золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо і ртуть). М. В. Ломоносов визначав метал як «світле тіло, яке кувати можна» і відносив до металам золото, срібло, мідь, олово, залізо і свинець. А. Лавуазьє в «Початковому курсі хімії» (1789) згадував уже 17 металів. На початку XIX ст. послідувало відкриття платинових металів, потім лужних, лужноземельних і ряду інших.

Тріумфом періодичного закону було відкриття металів, передбачених на його основі Д. І. Менделєєвим, - галію, скандію і германію. В середині XX ст. за допомогою ядерних реакцій були отримані трансуранові елементи - не існують в природі радіоактивні метали.

Сучасна металургія отримує понад 60 металів і на їх основі понад 5000 сплавів.

В основі структури металів лежить кристалічна решітка з позитивних іонів, занурена в щільний газ рухливих електронів. Ці електрони компенсують сили електричного відштовхування між позитивними іонами і тим самим пов'язують їх в тверді тіла.

Такий тип хімічного зв'язку називають металевої зв'язком. Вона зумовила найважливіші фізичні властивості металів: пластичність, електропровідність, теплопровідність, металевий блиск.

Пластичність - це здатність металів змінювати форму при ударі, прокочуватися в тонкі листи і витягуватися в дріт. При цьому відбувається зміщення атомів і іонів кристалічної решітки, однак зв'язку між ними не розриваються, так як відповідно переміщаються і електрони, що утворюють зв'язок. Пластичність металів зменшується в ряду Au, Ag, Сі, Sn, Pb, Zn, Fe. Золото, наприклад, можна прокатувати в листи завтовшки до 0,003 мм, які використовують для золочення.

Висока електропровідність металів пояснюється присутністю вільних електронів, які під впливом навіть невеликої різниці потенціалів переміщаються від негативного полюса до позитивного. З підвищенням температури коливання іонів і атомів металів посилюються, що ускладнює рух електронів і тим самим призводить до зменшення електропровідності. При низьких же температурах коливальний рух іонів і атомів, навпаки, сильно зменшується, і електропровідність зростає. Поблизу абсолютного нуля електричний опір у металів практично відсутня. Кращий провідник електрики - срібло, за ним йдуть мідь, золото, алюміній, залізо. Також змінюється і теплопровідність металів, яка викликана як високою рухливістю вільних електронів, так і коливальним рухом іонів, завдяки чому відбувається швидке вирівнювання температури в масі металу. Металевий блиск теж пов'язаний з наявністю вільних електронів.

З інших фізичних властивостей металів найбільший практичний інтерес представляють щільність, температура плавлення і твердість. Найлегший з металів - літій (щільність 0,53 г / см3), найважчий - осмій (22,6 г / см3). Метали з щільністю менше 5 г / см3 називаються легкими, інші - важкими. Температури плавлення металів різняться дуже сильно: цезій і галій можна розплавити теплом долонь, а температура плавлення вольфраму + 3410 ° С. При звичайних умовах єдиний рідкий метал - ртуть. У пароподібному стані все метали одноатомни, їх кристалічна решітка руйнується.

Метали розрізняються по твердості. Найтвердіший з них - хром - ріже скло, а самі м'які - калій, рубідій і цезій - легко ріжуться ножем. Міцність, температура плавлення і твердість залежать від міцності металевої зв'язку. Вона особливо велика у важких металів.

У техніці сплави на основі заліза, т. Е. Чавун, сталь, а гакже саме залізо називають чорними металами, всі інші метали називаються кольоровими. Існують і інші класифікації металів (див. Періодична система хімічних елементів).

Хімічні властивості металів визначаються слабкої зв'язком валентних електронів з ядром атома. Атоми порівняно легко віддають їх, перетворюючись при цьому в позитивно заряджені іони. Тому метали є хорошими восстановителями. У цьому їх головна і найбільш загальне хімічне властивість.

Очевидно, як відновники метали повинні вступати в реакції з різними окислювачами, серед яких можуть бути прості речовини (неметали), кислоти, солі менш активних металів і деякі інші речовини. Сполуки металів з киснем називаються оксидами, з галогенами галогенидами, з сірою - сульфідами, з азотом -нітрідамі, з фосфором - фосфід, з вуглецем - боридами, з воднем - гідридами і т. Д. Багато з цих сполук знайшли важливе застосування в техніці.

При взаємодії металів з кислотами окислювачем є іон водню Н +. який приймає електрон від атома металу:

Mg + 2H + = Mg 2+ + H2

Метали, що стоять в ряду стандартних електродних потенціалів (ряду напруг) лівіше водню, зазвичай витісняють (відновлюють) водень з розбавлених кислот типу НСl або H2SO4, а метали, що стоять правіше водню, його витісняють.

Взаємодія металів з водними розчинами солей менш активних металів можна ілюструвати прикладом:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Сu

В цьому випадку відбувається відрив електронів від атомів активнішого металу - цинку і приєднання їх іонами менш активного Си2 +. Керуючись поруч стандартних електродних потенціалів, можна сказати, що метал витісняє (відновлює) з розчинів їх солей багато такі за ним метали.

Активні метали (лужні і лужноземельні) взаємодіють і з водою, яка в цьому випадку виступає в ролі окислювача.

Метали, гідроксиди, які амфотерни (див. Амфотерность), як правило, взаємодіють з розчинами і кислот, і лугів.

Метали можуть утворювати хімічні сполуки між собою. Такі сполуки зазвичай утворюють типові метали з металами, що володіють слабкими металевими властивостями, наприклад певні сполуки натрію зі свинцем:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

З'єднання одних металів з іншими носять під назвою интерметаллидов, інтерметалевих з'єднань, або металлідов.

Розглянуті властивості металів, пов'язані з віддачею електронів в хімічних реакціях, називають металевими. У різного ступеня ними володіють все хімічні елементи. Про металевих властивості судять, зіставляючи електронегативності елементів. Ця величина, виражена в умовних одиницях, характеризує здатність атома в молекулі притягати електрони. Відносні значення електро-неґативностей елементів наведені в таблиці. Чим менше електронний торгівельний, тим сильніше виражені металеві властивості елементів.