Металлическая связь физические свойства металлов

Обновлено: 06.07.2024

1. Особенности строения атомов металлов. Положение металлов в ПС.

2. Строение простых веществ-металлов. Металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка.

3. Физические свойства металлов.

4. Химические свойства металлов.

5. Нахождение в природе и общие способы получения металлов.

6. Понятие про коррозию.

1. Внешний электронный уровень элементов, которые относят к металлам заполнен электронами менее чем наполовину (обычно 1-2). Обычно это s-электроны. К типичным металлам (т.е. проявляющим металлические свойства в максимальной степени) относят s-элементы (элементы 1 и 2 группы, главных подгрупп), т.е. те у которых только начинается заполнение нового слоя. Причем металлические свойства усиливаются с увеличением радиуса атомов (числа электронных слоев). К металлам относят также все d элементы (т.е. те у которых идет заполнение d-подуровня предпоследнего слоя), они расположены в побочных подгруппах во всех группах. d элементы называют переходными металлами, нетипичными. К металлам относятся и f- элементы (лантаноиды и актиноиды, которые располагают обычно отдельными строками внизу таблицы

2. Металлы имеют кристаллическое, т.е. упорядоченное строение. Часть атомов в кристаллической решетке ионизирована, т.е. потеряла электроны внешнего электронного слоя и свободные электроны равномерно распределены по всему кристаллу. Они присоединяются к ионам металла и те превращаются в атомы, а другие атомы металла в это время теряют свои электроны и превращаются в ионы. Т.е. происходит своеобразный обмен электронами. Валентные электроны находятся одновременно во владении всех атомов и ионов металла (т.е. притягиваются к ним) и называются «электронным газом. Такая связь между атомами в кристалле металла называется металлической. И кристаллическая решетка металлов тоже называется металлической. Металлы имеют немолекулярное строение. Металлическая связь нелокализована между определенными атомами.

3. Общие физические свойства металлов обусловлены сходством в строении кристаллической решетки и одинаковом типе химической связи.

Эта связь достаточно прочная, поэтому металлы при н.у. находятся в твердом агрегатном состоянии. Исключение – ртуть Hg с температурой плавления (-39

металлы легкоплавкие (менее 100 ) и другие щелочные металлы, магний, алюминий… Есть и тугоплавкие(более 100 ), а также хром, молибден, медь, титан, железо…

Металлическая кристаллическая решетка плотная и поэтому все металлы непрозрачные и отражают падающий свет (белый цвет, металлический блеск). Исключением являются золото и медь, которые поглощают часть спектра и имеют желтый цвет.

Все металлы могут проводить электрический ток. Это свойство обусловлено наличием подвижных электронов в кристаллической решетке. При обычных условиях самой высокой электропроводностью обладают металлы подгруппы меди: Ag, Cu, Au и алюминий. Эти металлы используются как проводники в электротехнике и радиоэлектронике. Высокое сопротивление имеют вольфрам, никель, хром. Из них изготавливают нагревательные элементы электроприборов.

Металлы проводят не только электрический ток, но и тепло. Металлы, хорошо проводящие электрический ток, имеют высокую теплопроводность. Это тоже связано с возможностью электронов перемещаться и переносить тепловую энергию.

Все металлы в той или другой степени пластичны (т.е. они необратимо деформируются при механических нагрузках), их можно ковать. Самым пластичным является золото, из него можно получить нить в 500 раз тоньше человеческого волоса, т.е. практически невидимую. Мягкими являются также и щелочные металлы. Очень твердыми металлами считаются хром и вольфрам. А сурьма при комнатной температуре настолько хрупкая, что ее можно растереть в порошок. Пластическая деформация объясняется тем, что у металлов не происходит разрыва химических связей в металлической кристаллической решетке, ионы и атомы просто смещаются относительно друг друга.

Все металлы не растворимы в воде, но растворяются друг в друге. Такие растворы называют сплавами.

По плотности металлы делят на легкие (меньше 5 г/см 3 ) и тяжелые. К легким металлам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, титан, алюминий. К тяжелым относятся цинк, железо, медь, ртуть, свинец, золото. Самым тяжелым является осмий (22,6 г/см 3 ).

4. Общие химические свойства металлов тоже определяются общими чертами в их строении. Все они завершают внешний электронный слой отдавая валентные электроны. Следовательно, в химических реакциях простые вещества - металлы всегда являются восстановителями.

Чем легче атомы отдают электроны, тем более сильным восстановителем является металл. Но надо помнить, что ионы металлов способны принимать электроны, т.е. проявлять окислительную способность. Причем чем легче атом теряет электроны, тем хуже принимает их соответствующий ион. Т.е. например, натрий активный восстановитель, но ион натрия окислительной активности не проявляет. Малоактивный атом меди неохотно теряет свои электроны, а ион меди является достаточно сильным окислителем.

Окислителями металлов могут выступать разные вещества, но в природе и технике важнейшими считают газообразный кислород и ион водорода, который присутствует в воде и растворах кислот. Рассмотрите внимательно таблицу.

H₂

Восстановительная способность металлов в свободном состоянии

Взаимодействие с кислородом воздуха

Быстро окисляется при обычной температуре

Медленно окисляется при обычной температуре или при нагревании

Не окисляются

Взаимодействие с водой

При обычной температуре выделяется H₂ и образуется гидроксид

При нагревании выделяется водород, и образуются оксиды

Не вытесняют водород из воды

Взаимодействие с кислотами

Вытесняют водород из разбавленных кислот ( кроме HNO₃)

Не вытесняют водород из разбавленных кислот

Реагируют с HNO₃ и конц. H₂SO₄

Растворяются только в «царской водке»

Нахождение в природе

Только в соединениях

В соединениях и в свободном виде

Главным образом в свободном виде

Способы получения

Электролиз расплавов

Восстановление углём, СО, активными металлами, электролиз водных растворов

Окислительная способность ионов металлов

Al 3

H Hg

Окисление металлов: Zn + O₂ → ZnO

Взаимодействие активных металлов с водой: K + H₂O → KOH + H₂

Взаимодействие металлов с кислотами: Mn + HCl → MnCl₂+ H₂

Взаимодействие металлов с другими окислителями: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

5. Те металлы, которые могут окисляться ионами водорода из природной воды (обычно подкисленной взаимодействием с различными кислотными оксидами) или кислородом воздуха в свободном виде, т.е. в виде простого вещества в природе не могут существовать. Значит, в свободном состоянии обычно встречаются «благородные металлы» золото, серебро и платина. Некоторые малоактивные металлы тоже могут встречаться, но такие месторождения – редкие, и к настоящему времени хозяйственного значения не имеют. Но именно это было причиной, по которой первыми металлами известными человечеству были медь, ртуть, свинец, олово… Неблагородные металлы в природе встречаются в виде соединений. Для активных металлов это соли: хлориды, сульфаты, фосфаты, карбонаты. Причем, чем ниже растворимость этих соединений, тем больше вероятность их встретить. Менее активные металлы встречаются в виде оксидов или в виде сульфидов. Причем до железа – преимущественно оксиды, а после – преимущественно сульфиды.

Естественно, что и способы получения металлов тоже зависят от их активности. Получение благородных металлов обычно заключается в отделении их от пустой породы. Существует много методов для этого, они описаны в художественной и специальной литературе. Получение металлов из их соединений можно назвать одним словом: «восстановление». Т.е. химическая суть этих процессов – заставить ионы металла принять электроны. Что можно использовать как восстановитель? Какие вещества легко расстаются со своими электронами? Правильно, металлы! Значит активные металлы можно использовать для получения менее активных из их оксидов. Например:

Mg + SnO₂ → MgO + Sn

Такие способы получения металлов в зависимости от восстановителя называются магнийтермия, кальцийтермия, натрийтермия…

Хорошим восстановителем является и водород:

Но у этих восстановителей (и водорода и активных металлов) есть существенный недостаток – высокая стоимость. Ведь в природе они в свободном виде не встречаются, а их получение требует больших затрат. Поэтому такие восстановители используют только если это экономически обосновано, т.е. для получения редких и дорогих металлов. А металлы, которые надо получать в очень большом количестве (железо), восстанавливают более дешевыми восстановителем – углеродом. Его применяют в виде кокса, а ранее использовали древесный уголь.

А если металл находится в природе не в виде оксида, а в виде сульфида, то руду предварительно подвергают обжигу, а уже потом восстанавливают образовавшийся оксид. Например:

А как восстанавливают самые активные металлы? Где найти такой сильный восстановитель? Таким активным восстановителем будет электрический ток. Процесс называют электролизом. Оксид металла или его хлорид расплавляют и через расплав пропускают электрический ток. Например:

Металлическая связь. Свойства металлической связи

Металлическая связь — химическая связь, обусловленная наличием относительно свободных электронов. Характерна как для чистых металлов, так и их сплавов и интерметаллических соединений.

Механизм металлической связи

Во всех узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа движутся валентные электроны, отцепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены.

Поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8). Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. Если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталями первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орбиталь. Когда атомов много, возникает огромное число трехмерных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех направлениях. Вследствие многократного перекрывания орбиталей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов.

Характерные кристаллические решётки

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решёток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объемно центрированную решётку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba и др.

В кубической гранецентрированной решётке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решётку такого типа имеют металлы: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt,Rh, γ-Fe, Cu, α-Co и др.

В гексагональной решётке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca и др.

Другие свойства

Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей. Также важным свойством является металлическая ароматичность.

Металлы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объясняются особым типом химической связи, соединяющей атомы металлов между собой – металлической связью.

Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристаллов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море свободно движущихся между ними электронов.

Металлическая связь объясняет свойства металлов, в частности, их прочность. Под действием деформирующей силы решетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие от ионных кристаллов.

Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии распространится в “ электронном море” по всему образцу с большой скоростью.

Становится понятной и электрическая проводимость металлов. Если к концам металлического образца приложить разность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала: этот поток электронов, движущихся в одном направлении, и представляет собой всем знакомый электрический ток.

Металлическая химическая связь - характеристика, способы образования и свойства

Металлическая химическая связь характерна для металлов и их сплавов в кристаллическом состоянии. Образуется за счет обобществления валентных электронов. Для этого типа строения вещества не характерно образование направленных структурированных связей.

Следует отличать различные типы связи элементов кристаллов - металлическую, ионную и водородную, свойственную кристаллам льда.

Схема образования металлической связи на примерах

Механизм создания металлической связи предусматривает отрыв частично свободных электронов от атома с образованием катионов с положительным зарядом, формирующих “остов” кристаллической решетки и электронного облака. При этом металлический кристалл не приобретает положительного или отрицательного заряда.

Общий случай формирования связывания металлических атомов в химии, соответствующий данному выше определению:

здесь n - число электронов, участвующих в образовании связи, как правило, от 1 до 3.

В левой части уравнения - атом металла, отдающий электроны, в правой - образовавшийся в результате ион.

Формула показывает, что в кристалле постоянно происходит присоединение и отдача электронов.

Схемы формирования связи на примере атомов различной валентности:

K - e⁻ ⇆ K;
Cu - 2e⁻ ⇆ Cu;
Al - 3e⁻ ⇆ Al.

Отделяющиеся от атома электроны перемещаются на свободные валентные орбитали, которые обобществляются и позволяют всем электронам перемещаться в пределах кристалла. Отделение электронов выгодно атому с точки зрения энергетического баланса, так как позволяет сформировать электронно-стабильную оболочку.

Характерные кристаллические решетки

Металлические кристаллы подразделяются на 3 основных типа:

Объемно-центрированную кубическую решетку, в которой, помимо размещения атомов в четырех вершинах куба, один из них размещается в центре объемной фигуры. Такой тип организации твердого вещества характерен для ряда металлов, включая K, Na и Li, вольфрам, хром, ниобий и др.
Гранецентрированная кубическая решетка характеризуется расположением атомов в центре граней. Всего в ячейке задействовано 10 атомов, 4 в вершинах и 6 на гранях. Такая решетка встречается у меди, драгметаллов (серебра и золота) и металлов платиновой группы: Pd, Pt.
Гексагональное строение решетки предполагает размещение атомов в углах и внутри 6-гранной призмы. Ячейка состоит из 15 атомов и свойственна магнию, кальцию, осмию, бериллию и ряду других металлических элементов.

Общими свойствами всех решеток являются высокая симметрия и плотная упаковка составляющих их атомов. Некоторые элементы периодической таблицы формируют уникальную структуру, например, элементарная ячейка In имеет тетрагональное строение.

Для сплавов, являющихся химическими соединениями, также характерно образование кристаллов перечисленных видов, при этом атомы каждого металла занимают определенное место в структуре.

Например, в сплаве никеля и алюминия атомы Al размещаются по углам, а атом Ni - в центре ОЦК ячейки. Свойства сплава и его структура влияют на класс прочности изделия, изготовленного из этого материала.

Физические свойства металлической связи

Физические характеристики металлических кристаллов обусловлены способностью обобществленных электронов свободно перемещаться внутри кристалла.

Характеристики, отличающие подобные вещества:

хорошая электропроводность, благодаря наличию условно свободного электронного облака;

высокая проводимость тепла;

низкая реакционная способность или инертность;

пластичность - большинство металлов можно гнуть и ковать.

Высокий уровень организации вещества обусловливает металлический блеск. Следует иметь в виду, что повышение прочности при пластической деформации и легировании приводит к образованию частично ковалентной связи.

При деформации могут возникать области повышенной прочности и низкими пластическими свойствами, похожие на вещества с ковалентной связью (например, алмаз).

Сходства и отличия металлической химической связи от ионной

Помимо рассматриваемой, металлы могут образовывать другие виды связи, включая простую ионную.

Их общие черты:

участие металлов, при этом металлическая связь формируется исключительно атомами металла, а ионная образуется между металлическим и неметаллическим элементами;

металл высвобождает электроны и становится катионом;

соединения могут существовать в кристаллической форме.

Кристаллы с ионным характером соединения отличают следующие параметры:

В узлах размещаются как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Каркас металлической решетки формируют исключительно катионы.
Узлы удерживаются за счет электростатического взаимодействия.
При низких температурах кристаллические вещества, образованные за счет ионного взаимодействия, проявляют свойства диэлектриков (не проводят ток).
Переход электронов с атома металла происходит на орбиты атома неметалла.

Характерный пример кристалла с ионной связью - поваренная соль, решетка которой сформирована из ионов Na⁺ и Cl⁻. Такие кристаллические вещества не обладают пластичностью и блеском.

Металлы. Металлическая связь. Химические свойства металлов.

МЕТАЛЛЫ (от греч. metallon-первоначально, шахта, копи), в-ва, обладающие в обычных условиях характерными, металлическими, свойствами-высокими электрич. проводимостью и теплопроводностью, отрицат. температурным коэф. электрич. проводимости, способностью хорошо отражать световые волны (блеск), пластичностью. К металлам относятся как собственно металлы (простые в-ва), так и их сплавы, металлические соединения, в т.ч. интерметаллиды. Иногда металлами наз. все в-ва, обладающие теми или иными металлич. св-вами, напр. т. наз. "синтетические" металлы (см. Интеркалаты), металлы органические.

Ранее характерными признаками металлов считались блеск, пластичность и ковкость - "светлое тело, которое ковать можно" (М. В. Ломоносов). Но металлич. блеском обладают и нек-рые неметаллы, напр. иод. Известны хрупкие металлы, хотя мн. из них в результате тщательной очистки получены в пластичном состоянии. В настоящее время важнейшим признаком металлов признается отрицат. температурный коэф. электрич. проводимости, т.е. понижение электрич. проводимости с ростом т-ры. Из 109 элементов в периодич. системе 86 относят к металлам. Граница между металлами и неметаллами в периодич. таблице (в ее длинном варианте) проводится по диагонали от В до At. О нек-рых элементах, напр. Ge, Sb, нет единого мнения, все же правильнее считать Ge неметаллом, т.к. он обладает полупроводниковыми св-вами, a Sb-металлом, хотя по физ. св-вам сурьма -полуметалл.

Олово существует как в металлической (b-Sn), в полупроводниковой (a-Sn) модификации. С др. стороны, у Ge, Si, P и нек-рых др. неметаллов при высоких давлениях обнаружены модификации с металлич. проводимостью. Можно предположить, что при достаточно высоких давлениях все в-ва могут приобретать металлич. св-ва. Поэтому вопрос об отнесении того или иного элемента к металлам или неметаллам следует, по-видимому, решать на основании рассмотрения не только физ. св-в простого в-ва, но и его хим. св-в. Иногда для элементов, лежащих на границе между металлами и неметаллами, применяют термин "полуметаллы", хотя этот термин в химии теперь не рекомендуется.

В металлах существует металлическая связь, характеризующаяся тем, что кристаллич. решетка образована положит. ионами, тогда как валентные электроны делокализованы по всему пространству решетки. Металлы можно представить в виде остова из положит. ионов, погруженного в "электронный газ", к-рый компенсирует силы взаимного отталкивания положит. ионов. Энергия этих делокализованных электронов-электронов проводимости - отвечает зоне проводимости. Согласно зонной теории, у металлов отсутствует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости (см. Твердое тело).

В кристаллах металлов атомы ионизированы лишь частично и часть валентных электронов остается связанной, в результате возможно появление частично ковалентных связей между соседними атомами. Прочность связи в кристаллич. структуре металлов характеризуется энтальпией атомизации, к-рая меняется от 61,4 кДж/молъ у Hg до 850 кДж/моль у W. Макс. энтальпия атомизации характерна для металлов рядов Nb-Ru и Hf-Ir. Относящиеся к ним металлы отличаются макс. т-рами плавления и высокой мех. прочностью.

Классификация металлов.Все металлы делятся на четыре группы (см. форзац): s-металлы (все s-элементы, кроме Н и Не), р-металлы (элементы гр. IIIа, кроме В, а также Sn, Рb, Sb, Bi, Ро), d-металлы и f-металлы, к-рые объединяются под назв. "переходных" (см. Переходные элементы). Металлы первых двух групп иногда наз. "простыми". Из этих групп выделяются нек-рые более узкие группы: из s-металлов- щелочные металлы и щелочноземельные элементы, из d-металлов- платиновые металлы. Группа редкоземельных элементов включает как d-, так и f-металлы (подгруппа Sc и лантаноиды).

Существует также, хотя и не общепринятая, техн. классификация металлов. В известной мере она перекликается с геохимическими классификациями элементов. Обычно выделяют след. группы: черные металлы (Fe); тяжелые цветные металлы - Сu, Pb, Zn, Ni и Sn (к этой группе примыкают т.наз. малые, или младшие, металлы - Со, Sb, Bi, Hg, Cd, нек-рые из них иногда относят к редким металлам); легкие металлы (с плотностью менее 5 г/см 3 )-Аl, Mg, Ca и т.д.; драгоценные металлы-Au, Ag и платиновые металлы; легирующие (или ферросплавные) металлы - Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и др.; редкие металлы (см. Редкие элементы), разбиваемые в свою очередь на неск. групп; радиоактивные металлы-U, Th, Pu и др.

Кристаллическая структура.Большинство металлов кристаллизуется в одном из трех структурных типов (см. Металлические кристаллы), а именно-в кубич. и гексагoн. плот-нейших упаковках (см. Плотная упаковка)или в объем-ноцентрированной кубич. решетке. В плотнейших упаковках каждый атом на равных расстояниях имеет 12 ближайших соседей. В объемноцентрированной кубич. решетке у каждого атома 8 равноудаленных соседей, еще 6 соседей расположены на большем (на 15%) расстоянии. Поэтому ко-ординац. число в этой структуре считают равным 14 (8 + 6). Межатомные расстояния в кристаллич. структуре металлов характеризуются металлич. радиусом (см. Атомные радиусы).

При обычных условиях щелочные металлы, а также Ва, Ra, элементы подгрупп V и Сr кристаллизуются в объемно-центрированной кубич. решетке типа a-Fe. Плотнейшая кубич. упаковка (гранецентрированная кубич. решетка) типа Си характерна для Al, Ni, металлов подгруппы Сu, платиновых металлов (кроме Ru и Os) и т. д. В гексагoн. плотнейшей упаковке типа Mg кристаллизуются Be, Са, Sr, Zn, Cd, Co, Ru, Os, элементы подгрупп Ti и Sc, мн. РЗЭ. Более сложными являются структуры разл. модификаций Мn, Ра, U, трансурановых элементов.

Многие металлы претерпевают при изменении т-ры или давления полиморфные превращения. Металлы, к-рые при низких т-рах образуют плотнейшие упаковки, напр. Са, La, Zr,часто имеют высокотемпературные модификации с объемноцентрированной кубич. структурой.

При плавлении металлы сохраняют свои электрич., тепловые и оптич. св-ва. Вблизи т-ры плавления в жидких металлах наблюдается примерно такой же ближний порядок, как и в кристаллических металлах. С повышением т-ры ближний порядок нарушается вплоть до полного разупорядочения.

Физические свойства.Физ. св-ва металлов меняются в очень широких пределах. Так, т-ра плавления изменяется от - 38,87 °С (Hg) до 3380 °С (W), плотность - от 0,531 г/см 3 (Li) до 22,5 г/см 3 (Os). Уд. электрич. сопротивление р при 25 °С имеет значения от 1,63 (Ag) до 140 (Мn) мкОм . см. Сопротивление движению электронов (рассеяние электронов) возникает вследствие нарушения кристаллич. решетки из-за теплового движения атомов, а также дефектов (вакансий, дислокаций, примесных атомов). Мерой его является длина своб. пробега электрона. При комнатной т-ре она равна ~ 10 -6 см у металлов обычной чистоты и ~ 10 -2 см у высокочистых. Температурный коэф. р (в интервале 0-100°С) меняется в пределах 1,0 . 10 -3 (Hg)-9,0 . 10 -3 К -1 (Be). При гелиевых т-рах (4,2 К) р практически не зависит от т-ры (r_ост). Его измерение используют для характеристики чистоты и совершенства кристаллов металла. Чем больше отношение r₂₇₃/r_4,2, тем чище металл. В монокристаллах высокой чистоты оно достигает 10 4 -10 5 . Нек-рые металлы при низких т-рах становятся сверхпроводниками, при этом критич. т-ра у чистых металлов от сотых долей до 9 К.

У металлов наблюдается термоэлектронная эмиссия (способность испускать электроны при высокой т-ре). Эмиссия электронов возникает также под действием электромагн. излучения в видимой и УФ областях спектра (фотоэлектронная эмиссия), внеш. электрич. поля высокой напряженности (туннельная, или автоэлектронная, эмиссия), при бомбардировке пов-сти металлов электронами (вторичная электронная эмиссия) или ионами (ионно-электронная эмиссия), при взаимод. пов-сти металла с плазмой (взрывная электронная эмиссия). Перепад т-ры вызывает в металлах появление электрич. тока (термоэдс).

Теплопроводность металлов обусловлена в осн. движением электронов, поэтому уд. коэф. теплопроводности ( /(s•Т) = L = 2,45•10 -8 Вт•Ом/К 2 (закон Видемана-Франца). Уд. коэф. теплопроводности металлов имеет значения от 425 (для Ag) до 8,41 (для Bi) Вт/(м-К).

Температурный коэф. линейного расширения металлов в интервале 0-100°С имеет значения от 4,57 . 10 -6 (для Os) до 10 -4 K -1 (для Sr). Согласно эмпирич. правилу Грюнайзена, относит. увеличение объема металла в интервале от О К до т-ры плавления приблизительно равно 0,06. Поэтому температурный коэф. объемного расширения у тугоплавких металлов меньше, чем у легкоплавких.

У большинства металлов магн. восприимчивость по абс. величине сравнительно мала (~ 10 -9 ) и слабо зависит от т-ры. Среди металлов есть диамагнетики, напр. Bi (

Излучения оптич. диапазона почти полностью отражаются пов-стью металлов, вследствие чего они непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском (порошки мн. металлов матовые). Нек-рые металлы, например Аu в виде тонкой фольги, просвечивают. Отраженный от поверхности металлов плоскополяризованный свет становится эллиптически поляризованным.

Для использования металлов в качестве конструкц. материалов важнейшее значение имеет сочетание мех. св-в - пластичности и вязкости с значит. прочностью, твердостью и упругостью. Эти св-ва зависят не только от состава (чистоты металла), но и от совершенства кристаллич. решетки (наличия дефектов) и структуры, определяемых предварительной термич. и мех. обработкой образца.

Мех. св-ва реальных металлов определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокаций, т. к. перемещение дислокаций по плоскостям кристаллич. решетки с наиб. плотной упаковкой является осн. механизмом пластич. деформации металлов. Взаимод. дислокаций с др. дефектами увеличивает сопротивление пластич. деформации. В процессе деформации число дислокаций растет, соотв. растет и сопротивление деформации (деформац. упрочнение, или наклеп). Напряженное состояние и наклеп после деформации ликвидируются при отжиге. Рост напряжений в местах "сгущения" дислокаций вызывает зарождение трещин - очагов разрушения. Важнейшая характеристика мех. св-в металлов-модуль упругости Е (модуль Юнга). Предел текучести, т. е. сопротивление пластич. деформации, 10 -3 -10 -4 Е.

Химические свойства.Металлы обладают низкими значениями первого потенциала ионизации и сродства к электрону. Вследствие этого в хим. р-циях они выступают как доноры электронов (восстановители), а в соед. и их р-рах образуют положительно заряженные ионы (в большинстве случаев аквакатионы). Электроотрицательности атомов металлов ниже электроотрицательностей атомов неметаллов. Металлы могут входить в состав сложных анионов, напр. МnО - ₄, или ацидокомплексов, напр. [Fe(CN)₆] 4- , однако в них атомы металлов всегда являются центрами положит. заряда. Только для нек-рых металлов, находящихся на границе с неметаллами, таких, как Sn, Po, Sb и т.п., известны соед., напр. гидриды, в к-рых металлы имеют формально отрицат. степень окисления. Но во всех этих соед. хим. связь ковалентная.

Способность металлов к окислению меняется в очень широких пределах. Большинство металлов окисляется кислородом воздуха уже при обычной т-ре, однако скорость и механизм р-ции очень сильно зависят от природы металлов. В большинстве случаев при этом образуются оксиды, а у щелочных металлов, кроме Li,-пepоксиды. Устойчивость металлов на воздухе определяется св-вами образующегося оксида, в частности отношением молярных объемов V_окс/V_M.. Если V_окс/V_М > 1, на металлах образуется защитная пленка, предохраняющая металлы от дальнейшего окисления. Такая пленка характерна, напр., для Al, Ti, Сr, к-рые устойчивы на воздухе, хотя и обладают высокой активностью. Металлы, для к-рых это отношение меньше 1 (напр., щелочные), на воздухе неустойчивы.

С N₂ реагирует ряд металлов, напр. Li при обычной т-ре , a Mg, Zr, Hf, Ti-при нагревании. Мн. металлы активно взаимод. с Н₂, галогенами, халькогенами. Все металлы, чьи стандартные электродные потенциалы отрицательнее, чем —0,413 В, окисляются водой с выделением Н₂. Щелочные и щел.-зем. металлы реагируют с водой при обычных т-рах, а такие металлы, как Zn или Fe, реагируют с водяным паром при высоких т-рах. С р-рами щелочей взаимод. металлы, образующие р-римые анионные гидроксокомплексы (Be, Zn, Al, Ga, Sn).

Большинство металлов окисляется теми или иными к-тами. Металлы, имеющие отрицат. стандартные электродные потенциалы, т.е. стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, окисляются ионами Н + и растворяются поэтому при действии неокисляющих к-т (соляная или разб. H₂SO₄), если не образуются нер-римые продукты. Р-ции способствует образование анионных комплексов. Азотная к-та, даже разбавленная, окисляет мн. металлы. При этом, если ионы металлов устойчивы в низших степенях окисления, образуются ка-тионные комплексы, если в высших, как в случае, напр., Re,-анионные (ReO - ₄ ). Нек-рые металлы реагируют с разб. HNO₃ и H₂SO₄ с образованием катионных комплексов и пас-сивируются в конц. р-рах этих к-т. Для растворения малоактивных металлв, напр. Аu или Pt, используют смеси, содержащие окислитель и поставщик лигандов для образования р-римых комплексов, таких, как, напр., царская водка или смесь HNO₃ с HF.

О взаимод, металлов со средой, ведущем к разрушению металлов, см. в ст. Коррозия металлов.

Важная характеристика металлич. элементов-их способность образовывать основные оксиды и соотв. гидроксиды. У металлов главных подгрупп периодич. системы основность оксидов и гидроксидов растет сверху вниз, в побочных подгруппах (кроме I - III) - обратная зависимость. По периодам и рядам с ростом порядкового номера элемента основность убывает. У металлов, имеющих неск. степеней окисления, как d- и f-металлы, с ростом степени окисления основность оксидов уменьшается и высшие оксиды имеют кислотный характер.

Получение металлов.Извлечение металлов из прир. сырья и др. источников - область металлургии. Можно отметить двоякий характер технологии металлов. Технология железа, тяжелых цветных металлов, а также малых металлов и большинства рассеянных элементов (халькофильных элементов) имеет "металлур-гич." характер. Это означает, что конечный продукт получают без предварит. выделения к.-л. чистого соединения, что обусловлено сравнит. легкостью восстановления до металлов как пирометаллургич. (см. Пирометаллургия), так и гидроме-таллургич. (электролиз р-ров, цементация и т.п.; см. Гидрометаллургия)путем.

Иной характер имеет технология легких, а также редких металлы (литофильных элементов). Это связано с трудностями их получения в своб. состоянии. Для этих металлов технология разбивается четко на два этапа - получение чистого соед., напр. Аl₂О₃, и получение металла из этого соединения. Сами металлы в произ-ве их соед. обычно не используют. Поэтому можно сказать, что технология этих металлов имеет более "химический" характер.

Способность металлов к взаимному растворению с образованием при кристаллизации твердых растворов и интерметал-лидов, разнообразным фазовым превращениям дает возможность получения большого числа сплавов, отличающихся разл. структурой и самыми разнообразными сочетаниями св-в. В совр. технике применяют св. 30 000 разл. сплавов - легкоплавких и тугоплавких, очень твердых и пластичных, с большой и малой электрич. проводимостью, ферромагнитных и др. В сплавах ныне используют практически все известные металлы (кроме искусственно полученных трансплутониевых элементов). Мера использования в значит. степени определяется доступностью металла-содержанием в земной коре, а также степенью концентрирования в месторождениях и трудностью получения. Использование сплавов (бронзовый век) было одним из важнейших этапов становления человеческой цивилизации. И в настоящее время сплавы-важнейшие конструкционные материалы. В последние годы наблюдается тенденция нек-рого снижения роли железа и увеличение использования легких металлов (Al, Mg) и наиб. доступных редких металлов (Ti, Nb, Zr).

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, хим. связь, обусловленная взаимод. электронного газа (валентные электроны) в металлах с остовом положительно заряженных ионов кристаллич. решетки. Идеальная модель металлической связи отвечает образованию частично заполненных валентными электронами металла зон энергетич. уровней (см. Твердое тело), наз. зонами проводимости. При сближении атомов, образующих металл, атомные орбитали валентных электронов переходят в орбитали, делокализованные по кристаллич. решетке аналогично делокализованным p-орбиталям сопряженных соединений. Количественно описать металлическая связь можно только в рамках квантовой механики, качественно образование металлической связи можно понять исходя из представлений о ковалентной связи.

При сближении двух атомов металла, напр. Li, образуется ковалентная связь, при этом происходит расщепление каждого энергетич. уровня валентного электрона на два. Когда N атомов Li образуют кристаллич. решетку, перекрывание электронных облаков соседних атомов приводит к тому, что каждый энергетич. уровень валентного электрона расщепляется на N уровней, расстояния между к-рыми из-за большой величины N настолько малы, что их совокупность может считаться практически непрерывной зоной энергетич. уровней, имеющей конечную ширину. Поскольку каждый атом участвует в образовании большего числа связей, чем, напр., в двухатомной молекуле при том же числе валентных электронов, то минимум энергии системы (или максимум энергии связи) достигается при расстояниях больших, чем в случае двухцентровой связи в молекуле. Межатомные расстояния в металлах заметно больше, чем в соед. с ковалентной связью (металлич. радиус атомов всегда больше ковалентного радиуса), а координац. число (число ближайших соседей) в кристаллич. решетках металлов обычно 8 или больше 8. Для наиб. часто встречающихся кристаллич. структур координац. числа равны 8 (объемноцентрир. кубич.), 12 (гранецентрир. кубическая и гексаген. плотно-упакованная). Расчеты параметров металлич. решеток с использованием ковалентных радиусов дают заниженные результаты. Так, расстояние между атомами Li в молекуле Li₂ (ковалентная связь) равно 0,267 нм, в металле Li-0,304 нм. Каждый атом Li в металле имеет 8 ближайших соседей, а на расстоянии, в 2 до 2,9 . 10 -19 Дж для кристаллич. Li.

Во мн. металлах металлическая связь между атомами включает вклады ионной или ковалентной составляющей. Особенности металлической связи у каждого металла м. б. связаны, напр., с электростатич. отталкиванием ионов друг от друга с учетом распределения электрич. зарядовое них, с вкладом в образование связи электронов внутр. незаполненных оболочек переходных металлов, с корреляцией движения электронов в электронном газе и нек-рыми др. причинами.

Металлическая связь характерна не только для металлов и их сплавов, но и для металлических соединений (см. также Интерметал-лиды), она сохраняется не только в твердых кристаллах, но и в расплавах и в аморфном состоянии.

Физические свойства металлов

Физические свойства металлов отличают их от неметаллов. Все металлы, кроме ртути, – твёрдые кристаллические вещества, являющиеся восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях.

Положение в таблице Менделеева

Металлы занимают I-II группы и побочные подгруппы III-VIII групп. Металлические свойства, т.е. способность отдавать валентные электроны или окисляться, увеличиваются сверху вниз по мере увеличения количества энергетических уровней. Слева направо металлические свойства ослабевают, поэтому наиболее активные металлы находятся в I-II группах, главных подгруппах. Это щелочные и щелочноземельные металлы.

Определить степень активности металлов можно по электрохимическому ряду напряжений. Металлы, стоящие до водорода, наиболее активны. После водорода стоят слабоактивные металлы, не вступающие в реакцию с большинством веществ.

Строение

Вне зависимости от активности все металлы имеют общее строение. Атомы в простом металле расположены не хаотично, как в аморфных веществах, а упорядоченно – в виде кристаллической решётки. Удерживает атомы в одном положении металлическая связь.

Такой вид связи осуществляется за счёт положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической ячейки (единицы решётки), и отрицательно заряженных свободных электронов, которые образуют так называемый электронный газ. Электроны отделились от атомов, превратив их в ионы, и стали перемещаться в решётке хаотично, скрепляя ионы вместе. Без электронов решётка бы распалась за счёт отторжения одинаково заряженных ионов.

Различают три типа кристаллической решётки. Кубическая объемно-центрированная состоит из 9 ионов и характерна хрому, железу, вольфраму. Кубическая гранецентрированная включает 14 ионов и свойственная свинцу, алюминию, серебру. Из 17 ионов состоит гексагональная плотноупакованная решётка цинка, титана, магния.

Свойства

Строение кристаллической решётки определяет основные физические и химические свойства металлов. Металлы блестят, плавятся, проводят тепло и электричество. Промышленность и металлургия нашли применение физическим свойствам металлов в изготовлении деталей, фольги, корпусов машин, зеркал, бытовой и промышленной химии. Особенности металлов и их использование представлены в таблице физических свойств металлов.

Свойства

Особенности

Примеры

Применение

Способность отражать солнечный свет

Наиболее блестящими металлами являются Hg, Ag, Pd

Лёгкие – имеют плотность меньше 5 г/см 3

Na, K, Ba, Mg, Al. Самый лёгкий металл – литий с плотностью 0,533 г/см 3

Изготовление облицовки, деталей самолётов

Тяжёлые – имеют плотность больше 5 г/см 3

Sn, Fe, Zn, Au, Pb, Hg. Самый тяжёлый – осмий с плотностью 22,5 г/см 3

Использование в сплавах

Способность изменять форму без разрушений (можно раскатать в тонкую фольгу)

Наиболее пластичные – Au, Cu, Ag. Хрупкие – Zn, Sn, Bi, Mn

Формовка, сгибание труб, изготовление проволоки

Мягкие – режутся ножом

Изготовление мыла, стекла, удобрений

Твёрдые – сравнимы по твёрдости с алмазом

Самый твёрдый – хром, режет стекло

Изготовление несущих конструкций

Легкоплавкие – температура плавления ниже 1000°С

Hg (38,9°С), Ga (29,78°С), Cs (28,5°С), Zn (419,5°C)

Производство радиотехники, жести

Тугоплавкие – температура плавления выше 1000°С

Cr (1890°С), Mo (2620°С), V (1900°С). Наиболее тугоплавкий – вольфрам (3420°С)

Изготовление ламп накаливания

Способность передавать тепло другим телам

Лучше всего проводят ток и тепло Ag, Cu, Au, Al

Приготовление пищи в металлической посуде

Способность проводить электрический ток за счёт свободных электронов

Передача электричества по проводам

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.

Читайте также: