Строение физические и химические свойства металлов
Обновлено: 19.09.2024
Всем металлам присущи металлический блеск (однако In и Ag отражают свет лучше других металлов), твердость (самый твердый металл – Cr, самые мягкие металлы – щелочные), пластичность (в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe наблюдается уменьшение пластичности), ковкость, плотность (самый легкий металл – Li, самый тяжелый – Os), тепло – и электропроводность, которые уменьшаются в ряду Ag, Cu, Au, Al, W, Fe.
В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип > 1000 С) и легкоплавкие (Tкип < 1000 С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.
Физические свойства металлов IА группы
Металлы, расположенные в IA группе, называют щелочными. Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).
В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.
Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.
Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки
Физические свойства металлов IIА группы
Металлы, расположенные в IIA группе, называют щелочноземельными. В свободном состоянии Be – металл серо-стального цвета, обладающий плотной гексагональной кристаллической решеткой, достаточно твердый и хрупкий. На воздухе Be покрывается оксидной пленкой, что придает ему матовый оттенок и снижает его химическую активность.
Магний в виде простого вещества представляет собой белый металл, который, также, как и Be, при нахождении на воздухе приобретает матовый оттенок за счет образующейся оксидной пленки. Mg мягче и пластичнее бериллия. Кристаллическая решетка Mg – гексагональная.
Ca, Ba и Sr в свободном виде – серебристо-белые металлы. При нахождении на воздухе мгновенно покрываются желтоватой пленкой, которая представляет собой продукты их взаимодействия с составными частями воздуха. Кальций – достаточно твердый металл, Ba и Sr – мягче.
Ca и Sr имею кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку, барий – кубическую объемоцентрированную кристаллическую решетку.
Все щелочноземельные металлы характеризуются наличием металлического типа химической связи, что обуславливает их высокую тепло- и электропроводность. Температуры кипения и плавления щелочноземельных металлов выше, чем щелочных металлов.
Физические свойства металлов IIIА группы
Металлы, находящиеся в IIIA группе – Al, Ga, In, Tl – в свободном виде представляют собой металлы серебристого цвета с характерным металлическим блеском, обладающие высокими значениями тепло- и электропроводности. За счет образования оксидной пленки при пребывании на воздухе Tl темнеет.
При переходе от Al к Tl, т.е. с ростом заряда ядра атома химического элемента, происходит уменьшение температур кипения и плавления простых веществ.
Физические свойства металлов IVА группы
Металлы, находящиеся в IVA группе – Ge, Sn, Pb. В свободном виде Ge представляет собой металл серебристо-белого цвета, Pb – металл сине-серого цвета. Для олова характерно явление аллотропии, так, различают белое и серое олово, различающиеся строением кристаллической решетки (тетрагональная у белого олова и кубическая у серого).
Физические свойства металлов IVВ группы
В эту группу входят Ti, Zr и Hf, которые в свободном состоянии и в виде слитков представляют собой металлы серебристо-белого цвета, характеризующиеся ковкостью и пластичностью, хотя присутствие примесей, даже незначительное резко изменяет их характеристики – твердые и хрупкие. Для этих металлов характерна гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка, низкие температуры плавления (тугоплавкие металлы) и кипения, а также невысокая электропроводность.
Физические свойства металлов VВ группы
Ванадий, ниобий и тантал – представители металлов VВ группы. В свободном виде V, Nb, Ta – металлs бледно-серого («стального») цвета. Для ванадия характерны: твердость, пластичность, высокая плотность, легкость, высокая температура плавления. Твердость, ковкость и тугоплавкость – основные характеристики Nb и Ta.
Физические свойства металлов VIВ группы
Для металлов VIB группы характерны высокая электропроводность и твердость, они являются парамагнетиками и в свободном виде представляют собой светло-серые металлы. При переходе от Cr к W, т.е. с увеличением заряда ядра атома химического элемента, значения температур плавления и кипения, а также плотности увеличиваются. Cr, Mо и W обладают объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой.
Физические свойства металлов VIIВ группы
Металлы, входящие в VIIВ группу – Mn, Tc и Re – в свободном виде – серебристо-белые металлы, для них, как и для металлов VIВ группы с увеличением заряда ядра атома химического элемента характерно увеличение значений температур плавления и кипения, а также плотности. Для технеция и рения характерна плотная гексагональная кристаллическая решетка. Tc – хрупкий металл, Re – более пластичен.
Для марганца характерно несколько модификаций, в зависимости от структуры кристаллической решетки: сложная кубическая – α-марганец, примитивная кубическая – β- марганец, гранецетрированная кубическая – γ- марганец, объемно-центрированная кубическая – δ- марганец.
Физические свойства металлов VIIIВ группы
Металлы, входящие в состав VIII группы – Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt – условно разделяют на 2 подгруппы: элементы подгруппы железа (Fe, Co, Ni) и элементы подгруппы платины (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt).
Железо – металл серебристо-белого цвета, кобальт и никель – металлы серовато-белого цвета. Для железа характерны 4 модификации, для кобальта – две, для никеля – одна, в зависимости от структуры кристаллической решетки и температуры, до которой нагревают эти металлы.
Выделяют α- (объемно-центрированная кристаллическая решетка, характерны ферромагнитные свойства, T
Различают α- (гексагональная кристаллическая решетка, T427 C). Для кобальта характерны, ковкость и тягучесть.
Для никеля характерна кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка. В отличие от железа и кобальта, магнитные свойства никеля значительно ниже.
Элементы подгруппы платины, в зависимости от значений их плотности, разделяют на легкие (Ru, Rh, Pd) и тяжелые (Os, Ir, Pt), для них характерны серовато-белый цвет, тугоплавкость, твердость, хрупкость и высокая плотность.
Металлы
К металлам относится большая часть элементов периодической системы – 82 химических элементов. Какими свойствами они обладают, и чем отличаются от неметаллов?
Общая характеристика
Металлами называют группу элементов, в виде простых веществ, которые обладают металлическими свойствами (пластичность, ковкость, блеск, электронная проводимость и т. д.)
Основное отличие элементов-металлов – они обладают только восстановительными свойствами, а в реакциях могут только окисляться. В соединениях они могут иметь только положительные степени окисления как в элементарных положительно заряженных ионах, так и в сложных ионах, где они образуют положительные центры.
Рис. 1. Список металлов.
Как правило, на внешнем уровне элементов металлов находится небольшое число электронов (1-3), значения электроотрицательности невысокие. К металлам относятся все s-элементы (кроме водорода и гелия), d- и f-элементы, а также p-элементы под чертой бор-астат. Для типичных металлов характерен большой размер атомов, что способствует легкости отдачи валентных электронов. Образующиеся положительные ионы устойчивы, так как имеют завершенную внешнюю электронную оболочку.
Физические и химические свойства
Все металлы, кроме ртути, при нормальных условиях в виде простых веществ находятся в твердом агрегатном состоянии и образуют металлическую кристаллическую решетку.
Рис. 2. Металлы в таблице Д.И. Менделеева.
Таблица «Металлы»
В следующей таблицы представлены группы основных металлов:
| Группа металлов | Металл |
| Щелочные | литий, натрий, калий и т.д. |
| Щелочноземельные | кальций, стронций, барий и т.д. |
| Переходные | уран, титан, железо, платина и т.д. |
| постпереходные | алюминий, свинец, олово и т.д. |
| Тугоплавкие | молибден, вольфрам |
| Цветные | медь, титан, магний и т.д. |
| Благородные | золото, серебро и т.д. |
Металлы пластичны и ковки, особенно если на внешнем электронном уровне атомов по одному электрону: слои атомов перемещаются относительно друг друга без разрушения кристаллической решетки (щелочные металлы, медь, серебро, золото). В атомах непластичных хрупких металлов хрома и марганца – большое число валентных электронов.
Плотность, твердость, температура плавления металлов изменяются в широком диапазоне и зависят от атомной массы, строения атома и геометрии кристаллической решетки. Самый легкий металл – литий (плотность 0,53 г/см 3 ), самый тяжелый – осмий (плотность 22,5 г/см 3 ). Металлы с плотностью больше 5 г/см 3 относят к тяжелым, меньше 5 г/см 3 – к легким металлам.
Самая низкая температура плавления у ртути (-39 градусов по Цельсию), самый тугоплавкий металл – вольфрам (температура плавления 3410 градусов по Цельсию.) Энергия атомизации вольфрама составляет 836 кДж/моль, а температура кипения его 5930 градусов.
Металлы вступают в реакцию как с простыми, так и со сложными веществами. Как типичные восстановители металлы реагируют почти со всеми неметаллами-окислителями (кислород, сера, азот и т. д.):
Также металлы реагируют с такими сложными веществами, как оксиды и гидроксиды, разбавленные растворы кислот, с растворенными в воде щелочами.
В пределах одного и того же периода металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются; в пределах одной и той же группы (в главной подгруппе) металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают
Рис. 3. Металлы главных подгрупп.
Нахождение металлов и способы их получения
Самый распространенный на земле элемент-металл – алюминий. За ним следуют железо, кальций, натрий.
Некоторые металлы встречаются в природе в самородном состоянии (золото, ртуть, платина), но в основном они находятся в природе в виде оксидов и солей.
Получение металлов происходит с помощью металлургии (получение из руд), пирометаллургии (получение с помощью реакции восстановления при высокой температуре), гидрометаллургии (извлечение из руд в виде растворимых соединений), электрометаллургии (получение металлов электролизом расплавов и растворов их соединений).
Что мы узнали?
Металлы – вещества, которые обладают высокой электро- и теплопроводностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском. В данной статье по химии 9 класса рассматриваются их физические и химические свойства, формулы класса металлов, а также способы получения.
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
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.
Физические и химические свойства металлов
Металлы (от лат. «metallum» — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Металлы широко распространены в природе и могут встречаться в различном виде: в самородном состоянии (Ag, Au, Rt, Cu), в виде оксидов (Fe3O4, Fe2O3, (NaK)2O×AlO3), солей (KCl, BaSO4, Ca3(PO4)2), а также сопутствуют различным минералам (Cd – цинковые руды, Nb, Tl – оловянные и т.д.).
Среди металлов присутствуют s-, p-, d- и f-элементы. Так, s- элементы – это металлы I и II групп Периодической системы (ns 1 , ns 2 ), р- элементы – металлы, расположенные в группах III – VI (ns 2 np 1-4 ). Металлы d-элементы имеют большее число валентных электронов по сравнению с металлами s- и p-элементами. Общая электронная конфигурация валентных электронов металлов d-элементов – (n-1)d 1-10 ns 2 . Начиная с 6 периода появляются металлы f-элементы, которые объединены в семейства по 14 элементов (за счет сходных химических свойств) и носят особые названия лантаноидов и актиноидов. Общая электронная конфигурация валентных электронов металлов f-элементов – (n-2)f 1-14 (n-1)d 0-1 ns 2 .
Химические свойства металлов
Металлы способны реагировать с простыми веществами, такими как кислород (реакция горения), галогены, азот, сера, водород, фосфором и углеродом:
2Na + Cl2 = 2NaCl (хлорид натрия)
2K +S = K2S (сульфид калия)
2Na + H2 = NaH (гидрид натрия)
3Ca + 2P = Ca3P2 (фосфид кальция)
Металлы взаимодействуют друг с другом, образуя интерметаллические соединения:
Щелочные и некоторые щелочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba) взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов:
В ОВР металлы являются восстановителями – отдают валентные электроны и превращаются в катионы. Восстановительная способность металла — его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов. Так, чем левее в ряду напряжений стоит металл, тем более сильные восстановительные свойства он проявляет.
Металлы, стоящие в ряду активности до водорода способны реагировать с кислотами:
Получение металлов
Щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий получают электролизом расплавов солей или оксидов этих элементов:
Тяжелые металлы получают восстановлением из руд при высоких температурах и в присутствии катализатора (пирометаллургия) (1) или восстановлением из солей в растворе (гидрометаллургия) (2):
Cu2O + C = 2Cu + CO (1)
Некоторые металлы получают термическим разложением их неустойчивых соединений:
Примеры решения задач
| Задание | При взаимодействии 6,0 г металла с водой выделилось 3,36 л водорода (н.у.). Определите этот металл, если он в своих соединениях двухвалентен. |
| Решение | Т.к. металл двухвалентен, его реакция с водой будет описываться уравнением, которое в общем виде будет выглядеть следующим образом: |
Согласно написанному выше уравнению, количества вещества металла и выделяющегося в ходе реакции водорода будут равны:
Строение атомов металлов и их особенности
Если провести в Периодической таблице Д.И. Менделеева символическую линию из верхнего левого угла в нижний правый угол, то все элементы, находящиеся ниже этой линии, будут металлами.
Металлы можно охарактеризовать при помощи нескольких свойств, которые будут общими для всех элементов. К таким характеристикам следует отнести высокую электрическую проводимость и теплопроводность, пластичность, благодаря которой металлы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке или вытягиванию в проволоку, металлический блеск и непрозрачность.
В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип> 1000 o С) и легкоплавкие (Tкип< 1000 o С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.
Электронное строение металлов и их особенности
Атомы металлов, также как, и неметаллов состоят из положительно заряженного ядра внутри которого находятся протоны и нейтроны, а по орбитам вокруг него движутся электроны. Однако, по сравнению с неметаллами, атомные радиусы металлов намного больше. Это связано с тем, что валентные электроны атомов металлов (электроны внешнего энергетического уровня) расположены на значительном удалении от ядра и, как следствие, связаны с ним слабее. По этой причине металлы характеризуются низкими потенциалами ионизации и легко отдают электроны (являются восстановителями в ОВР) при образовании химической связи.
Все металлы за исключением ртути представляют собой твердые вещества с атомной кристаллической решеткой. Рассмотрим строение металлов в кристаллическом состоянии. В атомах металлов имеются «свободные» электроны (электронный газ), которые могут перемещаться по кристаллу даже под действием слабых электрических полей, что обусловливает высокую электропроводимость металлов.
| Задание | При взаимодействии 6,0 г металла с водой выделилось 3,36 л водорода (н.у.). Определите этот металл, если он в своих соединениях двухвалентен. |
| Решение | Запишем уравнение реакции растворения металла в воде. Поскольку металл двухвалентен, его реакция с водой будет описываться уравнением следующего вида: |
Согласно уравнению реакции:
N (Ме) =n (Н2) = 3,36/22,4 = 0,15 моль.
Найдем относительную атомную массу металла:
Ar(Ме) = m / n= 6,0/0,15 = 40 г/моль
Следовательно, этот металл — кальций.
| Задание | При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси. |
| Решение | Известно, что медь не растворяется в соляной кислоте, поскольку стоит в ряду активности металлов после водорода, т.е. выделение водорода происходит только в результате взаимодействия хлороводородной кислоты с железом. |
Запишем уравнение реакции:
Найдем количество вещества водорода:
Согласно уравнению реакции n(H2) : n(Fe) = 1:1, т.е.n(H2) = n(Fe) = 0,25 моль. Тогда масса железа будет равна (молярная масса – 56 г/моль):
Читайте также: