У атомов металлов на внешнем уровне находится

Обновлено: 05.10.2024

Любой период Периодической системы Д. И. Менделеева заканчивается инертным (благородным) газом. Самым часто встречающимся из инертных (благородных) газов в земной атмосфере является аргон, который получилось выделить в чистом виде раньше других аналогов. Почему же гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон инертны? Потому, что у инертных газов на внешнем уровне, самом отдаленном от ядра, располагается восемь электронов (у гелия – два).

Восемь электронов на внешнем уровне – предельное количество для любого элемента Периодической системы Д. И. Менделеева, за исключением водорода и гелия. Это своего рода идеал прочности энергетического уровня. К нему пытаются приблизиться атомы всех остальных элементов Периодической системы Д. И. Менделеева.

Есть два пути, с помощью которых можно добиться такого положения: либо отдавать электроны с внешнего уровня (тогда внешний незавершенный уровень пропадает, а уровень перед ним, завершенный в прошлом периоде, становится на место внешнего), либо принимать недостающие электроны, и таким образом иметь те самые восемь электронов.

Атомы, у которых на внешнем уровне меньшее количество электронов, передают их атомам с большим количеством электронов. Очень просто отдать один электрон, который единственен на внешнем уровне, атомам элементов главной подгруппы I группы (IA группы). Сложнее отдавать два электрона, к примеру, атомам элементов главной подгруппы II группы (IIA группы). Еще более сложно отдавать три электрона на внешнем уровне атомам элементов III группы (IIIA группы).

Стремление к отдаче электронов с внешнего уровня есть у атомов элементов-металлов. А также, чем проще атомам элементов-металлов отдавать свои внешние электроны, тем значительнее проявляются у него металлические свойства. Следовательно, наиболее типичными металлами являются элементы главной подгруппы I группы (IA группы). И напротив, стремление принимать электроны, чтобы завершить внешний энергетический уровень, есть у атомов элементов-неметаллов. Вывод: металлические свойства химических элементов угасают в рамках периода с увеличением заряда атомного ядра, а, следовательно, и с увеличением количества внешних электронов.

Максимально типичные неметаллы – элементы главной подгруппы VII группы (VIIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. На их внешнем уровне располагаются семь электронов, то есть до устойчивого состояния атомов им недостает лишь одного электрона. Они очень просто их добавляют, проявляя при этом свойства неметаллов.

Как же поступают атомы элементов главной подгруппы IV группы (IVA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева? У них на внешнем уровне четыре электрона, и им, вроде как, нет разницы, отдать или добавить четыре электрона. Оказалось, что на возможность атомов отдавать или принимать электроны влияет не только количество внешних электронов, но и радиус атома. В рамках периода у атомов элементов количество энергетических уровней одинаково и оно не меняется, а вот как раз радиус уменьшается, потому что растет положительный заряд ядра (количество протонов в ядре). Таким образом, притяжение электронов к ядру становится сильнее, и радиус атома уменьшается, атом своего рода сжимается. Из-за этого становится сложнее отдавать электроны внешнего энергетического уровня и, наоборот, становится проще присоединить недостающие до заветной восьмерки электроны.

В рамках одной подгруппы радиус атома растет с увеличением заряда атомного ядра, потому что при постоянном количестве электронов на внешнем уровне (он совпадает с номером группы) растет количество энергетических уровней (оно совпадает с номером периода). По этой причине все проще отдавать внешние электроны.

В Периодической системе Д. И. Менделеева с увеличением порядкового номера свойства атомов химических элементов изменяются таким образом:

В рамках одной подгруппы (в главной подгруппе) металлические свойства повышаются, а неметаллические – понижаются в связи со следующими обстоятельствами:

растут заряды атомных ядер;
количество внешних электронов не меняется;
растет количество заполняемых уровней;
увеличивается радиус атома.

В рамках одного периода металлические свойства понижаются, а неметаллические – повышаются в связи со следующими причинами:

растут заряды атомных ядер;
растет количество внешних электронов;
количество заполняемых уровней не меняется;
уменьшается радиус атома.

Что же происходит после принятия или отдачи электронов атомами химических элементов? Вообразим, что «встретились» два атома: атом металла IA группы и атом неметалла VIIA группы. Атом металла имеет на своем внешнем энергетическом уровне один электрон, а атому неметалла, по счастливому стечению обстоятельств, как раз не хватает одного электрона до завершения внешнего уровня. Атом металла просто отдаст свой самый удаленный от ядра и почти не связанный с ним электрон атому неметалла, у которого есть место на его энергетическом уровне.

В таком случае атом металла, потерявший один отрицательный заряд, приобретет положительный заряд, а атом неметалла станет отрицательно заряженной частицей – ионом. Они вместе получат то, что хотели – заветную восьмерку на внешнем энергетическом уровне. Но что же будет после этого? Разноименно заряженные ионы, следуя закону притяжения противоположных зарядов, в этот же момент соединятся, то есть между ними появится химическая связь.

Химическую связь, которая образуется между ионами, называют ионной. Разберем образование этой химической связи на хорошо известном всем соединении поваренной соли (хлорида натрия):

Процесс преобразования атомов в ионы показан на схеме и рисунке:

К примеру, ионная связь появляется и при взаимодействии атомов кальция и кислорода:

Подобное преобразование атомов в ионы возникает в каждом случае взаимодействия атомов типичных металлов и типичных неметаллов.

В завершение разберем алгоритм (последовательность) мыслительного процесса при изображении схемы образования ионной связи, к примеру, между атомами кальция и хлора:

Хлор – представитель элементов главной подгруппы VII группы (VIIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева, неметалл. Атому хлора проще добавить один недостающий до восьмерки электрон, чем отдать свои семь электронов с внешнего уровня:

Для обозначения состава ионных соединений используют формульные единицы. Аналогичны для них молекулярные формулы. Цифры, которые показывают число атомов, молекул или формульных единиц, принято называть коэффициентами, в то время как цифры, обозначающие число атомов в молекуле или ионов в формульной единице, называют индексами.

Общие свойства металлов

Цель урока: сформировать понятие о металлах как группе элементов, вещества которых проявляют общие свойства, обусловленные сходством строения.

1) закрепить знания о положении металлов в периодической системе, характерных особенностях строения атомов больших и малых периодов;

2) познакомить с металлической связью, типами кристаллических решеток металлов и на основании этого выяснить причину особых физических свойств металлов;

3) познакомить со способностью металлов образовывать сплавы, рассмотреть свойства отдельных сплавов и их отличия от чистых металлов.

Развивающие: развить умения делать выводы о свойствах на основе строения, а также развитие способности анализировать и сравнивать.

Воспитательные: вызвать интерес у учащихся к огромной роли металлов в жизни человека и в развитии народного хозяйства.

Оборудование: образцы различных металлов и изделия из них.

- коллекция “металлы и сплавы”.

- компьютер, проектор, экран.

Основные понятия: окислитель, восстановитель, элемент, простое вещество, степень окисления, период, ряд, группа, подгруппа, типы химической связи, металлическая связь, кристаллические решетки металлов.

1. Организационный момент.

Сегодня на уроке ребята мы с вами начнем изучение нового материала, а именно рассмотрим положение металлов в периодической системе, рассмотрим особенности строения их атомов и кристаллических решеток, а также поговорим о физических свойствах металлов и рассмотрим понятие сплавы.

2. Краткая вступительная беседа о практической важности металлов в жизни человека. Огромное значение металлов в нашей жизни. Георг Агрикола (ученый 16 века) писал: Человек не может обойтись без металлов….если бы не металлы человек влачил бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей. Ломоносов также посвятил металлам вдохновенные строки: металлы подают укрепление и красоту важнейшим вещам, в обществе потребным. Ими защищаемся от нападения неприятеля, ими утверждаются корабли и силою их связаны. Металлы служат нам в уловлении земных и морских животных для пропитания нашего… и кратко сказать ни едино художество, ни едино ремесло простое употребление металлов миновать не может. Давайте же познакомимся с ними поближе и взглянем на периодическую систему Менделеева.

І. Положение металлов в периодической системе Менделеева.

На экране таблица размещения неметаллов в периодической системе химических элементов .

Получается, что металлов в периодической системе больше, чем неметаллов. С чем же это связано спросите вы у меня, и я отвечу, что это связано с особенностями строения атомов металлов.

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно находится от 1 до 3-4 электронов. С 4-го периода начинается заполнение предвнешнего d – подуровня, начиная со скандия (Sc), при этом на внешнем уровне остается 2 электрона, реже 1, если наблюдается провал электрона .

Значит, делаем вывод, что свойства металлов у этих элементов присутствуют. Такая же закономерность наблюдается и у атомов 6 периода. Таким образом, все элементы побочной подгруппы это металлы, причем четный ряд в больших периодах – металлы, а нечетный ряд – неметаллы.

Особенностью строения атомов металлов является небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (от одного до трех). Следовательно, атомы металлов в отличие от атомов неметаллов легко отдают наружные электроны, т.е. являются сильными восстановителями, они проявляют только положительные степени окисления от +1 до +3. Давайте посмотрим, как изменяются свойства металлов в периодах и группах. Итак, в группе сверху вниз R атома увеличивается, следовательно, способность притягивать электроны меньше, а металлические свойства усиливаются. В периоде R атома уменьшается, следовательно, способность притягивать к себе электроны выше и металлические свойства ослабевают. Таким образом, наибольшие металлические свойства выражены у щелочных металлов, у которых радиус наибольший. Как вы думаете, почему у неметаллов больше различия в свойствах, чем у металлов?

ІІ. Нахождение металлов в природе.

На экране таблица. Металлы содержатся в ядре Земли и в земной коре, в воде рек, озер, океанов, в организмах животных и растений. Самым распространенным металлом в земной коре является AI, за ним следует Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti. Содержимое остальных металлов незначительно. Так, например, в земной коре хрома Cr всего лишь 0,3%; Ni – 0,2%, Cu – 0,01%. Металлы встречаются как в свободном виде, как и в виде соединений. В свободном виде существуют химически малоактивные металлы (Cu, Ag, Au, Pt). Это так называемые самородные металлы, которые встречаются в виде отдельных кусков, зерен, вкраплений в горные породы. Но в основном металлы встречаются в виде солей (NaCI, Na NO₃, CaCO₃), а металлы средней активности в виде оксидов и сульфидов .

ІІІ. Металлы – простые вещества. Металлическая связь. Кристаллическое строение атомов.

Металлов в природе больше оттого, что у них у всех одинаковое строение кристаллической решетки и один тип химической связи. Это и придает им ряд общих свойств. Это отличает металлы от неметаллов, которым присуще больше различие свойств, чем их общность. В виде простого вещества атомы металлов связаны между собой, так называемой металлической связью. У металлов, особенно щелочных, валентные электроны связаны с атомами слабо и при отрыве затрачивается сравнительно немного энергии. При этом возникают ионы, имеющие устойчивый электронный слой из 8 электронов. Поэтому металлы как в твердом, таки в жидком состоянии существуют в виде ионов, между которыми в хаотичном движении находятся электроны, получившие условное название электронного газа. Ионы при столкновении с электронами на некоторое время превращаются в атомы. Таким образом, твердый металл представляет собой каркас из положительных ионов, атомов, погруженных в море подвижных электронов .

Металлическая связь – это химическая связь, образующаяся в результате электростатического притяжения между ионами и обобществленными электронами, принадлежащим не отдельным атомам, а всему кристаллу в целом.

А теперь давайте вспомним, какие виды химической связи вам уже известны. В чем суть ковалентной и ионной связи, рисуем электронные формулы молекул хлора и хлороводорода. Подведем итоги: что общего и в чем отличие металлической связи от ковалентной?

Сходство: валентные электроны находятся во взаимном пользовании атомов.

Различие: металлическая связь не является локализованной, электроны связывают не пару атомов, а принадлежат одновременно всем атомам данного металлического тела. На экране схема по различным типам связи (на дискете).

Кубическая объемно-центрированная решетка. Атомы металла находятся в вершинах и центре куба. Каждый атом окружен восьмью атомами. Такую решетку имеют: Na, K, Li, Ba, Cr, Mo, W, V .
Кубическая гранецентрированная. Атомы металла расположены по вершинам и граням куба: Ca, Cu, Sr, Ag, Fe, Co, Al, Au, Pt, Sb, Ni, Pb .
Гексагональная (шестиугольная) плотно упакованная решетка. Она встречается у Zn, Mg, Be, Ti, Cd .

В зависимости от типа решетки атомы занимают в ней больше или меньше места. Например, в кубической объемно-центрированной решетки атомы занимают 68% пространства, а в кубической гранецентрированной 74 %. На экране схемы кристаллических решеток. Некоторые металлы Fe, Sn могут существовать в разных кристаллических решетках в зависимости от условий (явлений полиморфизма).

ІV. Физические свойства металлов.

Металлическая связь и особенности кристаллического строения обуславливают особые физические свойства металлов.

1. Агрегатное состояние. Все металлы твердые вещества, за исключением ртути и франция. А как вы думаете, почему так? Если не могут ответить сразу, на вопрос можно предложить ответить дома, используя дополнительную литературу.

В ртути присутствует некоторое количество молекул Hg с ковалентными связями, между собой они связаны слабыми вандерваальсовыми силами.

2. Металлический блеск. Электроны, заполняющие межатомное пространство, отражают лучи видимого спектра. Это вызывает непрозрачность и блеск металла. Как вы думаете, у какого элемента эта способность наибольшая и где она применяется?

В наибольшей степени эта способность проявляется у серебра и индия, поэтому эти металлы нашли применение при изготовлении зеркал. Металлы имеют блеск только в компактной форме, а в мелкораздробленном виде все металлы, кроме Mg u Al, черного или серого цвета. У немногих неметаллов (Si, I, Se, Te) также имеется некоторый блеск, напоминающий металлический, что связано с наличием некоторого количества электронов.

3. Цвет. Большинство металлов, почти полностью отражая лучи видимого спектра, приобретают серебристо – белый (Ni, Al) или серебристо – серый оттенки (Fe, Pb). Как вы думаете, почему золото желтое, а медь красная? Медь, золото, висмут, поглощают больше зеленые и голубые лучи светового спектра, а потому приобретают соответственно розово – красный, желтый и розовый цвет.

4. Тепло и электропроводность. Случай: пошли всем классом в поход и взяли с собой алюминиевую посуду, чтоб не разбилась, налили в нее чай и решили посидеть у костра, а удержать ее голыми руками не удается. Почему? Быстро нагрелась, как объяснить? Для металлов характерна большая теплопроводность. Свободные электроны, находящиеся в постоянном движении, все время сталкиваются с колеблющимися ионами, обмениваются с ними энергией. Следствием чего является быстрое выравнивание температуры по всей массе тела.

Электропроводность объясняется присутствием в металлах свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов приобретают направленное движение от отрицательного к положительному полюсу. Электрическая проводимость и теплопроводность неодинакова: Как вы думаете, у какого из известных вам металлов электропроводность самая высокая? В ряду Hg, Pb, Fe, Zn, Mg, Al, Au, Cu, Ag она увеличивается.

Электропроводность зависит от температуры: с повышением температуры она понижается. Это объясняется тем, что при повышении температуры колебательное движение ионов, атомов усиливается, и это мешает направленному движению электронов. При температуре абсолютного нуля сопротивление металлов исчезает. Это явление называется сверхпроводимостью. У некоторых неметаллов, относящихся к полупроводникам, электропроводимость с повышением температуры увеличивается, т.к. увеличивается количество свободных электронов вследствие разрыва ковалентных связей. Например, при нагревании бора от комнатной температуры до 800° С его эл. проводимость увеличивается в 2 млн. раз. При снижении температуры, нарушенные ковалентные связи восстанавливаются и, следовательно, количество свободных электронов уменьшается. При низких температурах неметаллы не проводят электрического тока, т.к. у них отсутствуют свободные электроны. В этом коренное отличие между физическими свойствами металлов и неметаллов.

5. Пластичность и ковкость.

Пластичность – это способность тела легко изменять форму под действием внешних сил и сохранять полученную форму, кода эти силы перестают действовать. Пластичность сводится к сдвигу атомно-ионных слоев в решетке металлов относительно друг друга. Поскольку слои связаны между собой электронным газом, то при сдвиге связь не рвется и кристалл не разрушается. Ребята, как вы думаете, какой наиболее пластичный металл?

Наибольшей пластичностью обладает золото. Из него можно раскатать фольгу толщиной 0,001 мм, что в 500 раз тоньше человеческого волоса.

Ковкость – это способность не рассыпаться при ударе. Чем же объясняется ковкость многих металлов (щелочные, золото, медь). И почему некоторые металлы (сурьма, висмут) очень хрупкие? Самые хрупкие металлы находятся в V, VІ, VІІ гр. периодической системы. У атомов этих элементов от 5 до 7 свободных электронов (кроме наружных валентных электронов в электронный газ поступают электроны предвнешнего слоя). Такое большое число электронов сильнее связывает отдельные слои ионов и препятствует их свободному скольжению, пластичность металлов уменьшается.

6. Несмотря на одинаковый вид связи, различные металлы обладают характерными для каждого из них свойствами: температурой плавления, плотностью, твердостью. Эти свойства обусловлены строением атомов, зарядностью, размерами ион-атомов в кристаллической решетке, а также плотностью их упаковки. Давайте вспомним, как изменяется атомная масса и радиус в таблице?

Плотность металлов определяется атомной массой и размерами атома (радиус). Чем больше атомная масса и меньше радиус, тем плотнее металл. Поскольку атомная масса возрастает в периодической системе сверху вниз, а радиусы атомов уменьшаются при движении по ряду в больших периодах, наиболее плотными должны быть металлы побочных подгрупп І и VІІ гр. Действительно к наиболее тяжелым относятся золото, платина, осмий, а к наиболее легким – литий, калий, натрий. Можно сравнить щелочной металл Na и металл побочной группы хром. Металлы имеют один и тот же тип кристаллической решетки (кубическая объемно-центрированная), в наружном слое находится по 1 электрону, но натрий и хром имеют различные атомные массы, радиус, и заряды ионов. В отличие от натрия у хрома в образовании металлической связи, принимают участие еще 5 d - электронов предвнешнего уровня. В связи с этим свойства, указанных металлов резко различны. Na – мягок, легкоплавок, плотность его невелика, Cr – тверд, плотен, имеет высокую температуру плавления. Наименьшую плотность имеют щелочные металлы, например, р лития 0,53 г/см 3 , а наиболее плотными являются металлы VІІІ гр. Плотность осмия 22,6 г/см 3 . Металлы, плотность которых меньше пяти, называются легкими, а больше пяти – тяжелыми .

Металлы обладают различной твердостью. По степени твердости металлы сравнивают с алмазом, твердость которого принята за 10. Наиболее твердым является хром, а наиболее мягкими – щелочные металлы (легко режутся ножом) .

Сильно отличаются металлы и по температуре плавления. Самый легкоплавкий металл – ртуть (температура плавления – 38,8°С, самый тугоплавкий – вольфрам (3380°С). Металлы, плавящиеся при температуре выше 1000°С, называются тугоплавкими, ниже – легкоплавкими .

Чем же объясняется большое различие в плотности, твердости и температуре плавления? Установлено, что чем выше концентрация свободных электронов, тем ярче выражены перечисленные свойства.

В промышленности сложилось разделение металлов на черные и цветные. К черным относятся железо и его сплавы. К цветным: Cu, Zn, Pb, Sn. Особую группу цветных металлов составляют благородные металлы: серебро, золото, рутений, платина, палладий. Эти металлы не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии многих химических веществ. Таким образом, мы рассмотрели основные физические свойства металлов.

С самых древних времен человечество имеет дело не с чистыми металлами, а с их сплавами, обладающими часто такими свойствами, которые не имеют образующие их металлы. Как вы думаете почему? Например, Fe, Al, сравнительно мягкие, а их сплавы с металлами обладают достаточной твердостью. Получение сплавов основано на способности расплавленных металлов растворяться друг в друге, при этом почти всегда они свободно перемешиваются и образуют жидкие системы. При охлаждении расплавленные смеси затвердевают, образуются металлические сплавы с нужными свойствами: легкоплавкие, жаростойкие, кислотостойкие. Сплавы различают по составу и строению. Характер взаимодействия в сплаве зависит от их положения в периодической системе. Составные части могут образовывать либо твердый раствор, либо механическую смесь, либо химическое соединение. Твердые растворы: образуются между металлами одной группы или металлами, радиусы атомов которых мало различаются по размерам (Au-Ag, Ag-Cu, Cu-Ni, Fe-Mn). Чем дальше отстоят элементы друг от друга в таблице, тем меньше их взаимная растворимость, в этом случае образуется механические смеси. Такие смеси неоднородны. Расплавленные металлы при смешивании взаимодействуют друг с другом, образуя химические соединения, называемые интерметаллическими. Эти соединения не прочны, и в них не соблюдается стехиометрическое соотношение компонентов (CaAl₅, AlCu₃).

Таким образом, способность металлов в расплавленном состоянии не только механически смешиваться, но и образовывать между собой различные соединения – одна из причин, объясняющая, почему сплавы по физическим свойствам так резко отличаются от свойств, составляющих их металлов. Так, например, сплав, состоящий из одной части свинца и двух частей олова, плавится при температуре 180°С, тогда как свинец плавится при 328°С, а олово при 231°С. У бронзы прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа. Помимо большой прочности многие сплавы обладают большой коррозийной стойкостью и твердостью. Также компонентами сплавов могут быть и неметаллы. Например, в состав чугуна входят C, Si, P, S. Помимо понятия сплав вы должны отличать понятие сталь. Различают два вида стали: углеродистая (Fe+ C, S, P, Si) и легированная (Fe, C+ Cr, Ni, W, Mo). Минус углеродистой в том, что она подвергается коррозии, поэтому стали получать легированную, нержавеющую и устойчивую к действию кислот.

Латунь – сплав меди и цинка. Мельхиор – сплав, содержащий около 80% меди и 20% никеля. Дюралюминий – сплав на основе алюминия, содержащей медь, магний, марганец и никель.

1. Общая характеристика элементов металлов

Из \(118\) известных на данный момент химических элементов \(96\) образуют простые вещества с металлическими свойствами, поэтому их называют металлическими элементами .

Металлические химические элементы в природе могут встречаться как в виде простых веществ, так и в виде соединений. То, в каком виде встречаются металлические элементы в природе, зависит от химической активности образуемых ими металлов.

Металлические элементы, образующие химически активные металлы ( Li–Mg ), в природе чаще всего встречаются в виде солей (хлоридов, фторидов, сульфатов, фосфатов и других).

Соли, образуемые этими металлами, являются главной составной частью распространённых в земной коре минералов и горных пород.

В растворённом виде соли натрия, кальция и магния содержатся в природных водах. Кроме того, соли активных металлов — важная составная часть живых организмов. Например, фосфат кальция Ca 3 ( P O 4 ) 2 является главной минеральной составной частью костной ткани.

Металлические химические элементы, образующие металлы средней активности ( Al–Pb ), в природе чаще всего встречаются в виде оксидов и сульфидов.

Металлические элементы, образующие химически неактивные металлы ( Cu–Au ), в природе чаще всего встречаются в виде простых веществ.


Рис. \(7\). Самородное золото Au	Рис. \(8\). Самородное серебро Ag	Рис. \(9\). Самородная платина Pt

Исключение составляют медь и ртуть, которые в природе встречаются также в виде химических соединений.

В Периодической системе химических элементов металлы занимают левый нижний угол и находятся в главных (А) и побочных (Б) группах.

Рис. \(13\). Положение металлов в Периодической системе. Знаки металлических химических элементов расположены ниже ломаной линии B — Si — As — Te

В электронной оболочке атомов металлов на внешнем энергетическом уровне, как правило, содержится от \(1\) до \(3\) электронов. Исключение составляют только металлы \(IV\)А, \(V\)А и \(VI\)А группы, у которых на наружном энергетическом уровне находятся соответственно четыре, пять или шесть электронов.

В атомах металлов главных подгрупп валентные электроны располагаются на внешнем энергетическом уровне, а у металлов побочных подгрупп — ещё и на предвнешнем энергетическом уровне.

Радиусы атомов металлов больше, чем у атомов неметаллов того же периода. В силу отдалённости положительно заряженного ядра атомы металлов слабо удерживают свои валентные электроны.

Рис. \(14\). Характер изменения радиусов атомов химических элементов в периодах и в группах. Радиусы атомов металлов существенно больше, чем радиусы атомов неметаллов, находящихся в том же периоде

Главное отличительное свойство металлов — это их сравнительно невысокая электроотрицательность (ЭО) по сравнению с неметаллами.

Рис. \(15\). Величины относительных электроотрицательностей (ОЭО) некоторых химических элементов (по Л. Полингу). ОЭО металлических химических элементов уступает соответствующей величине неметаллических химических элементов

Атомы металлов, вступая в химические реакции, способны только отдавать электроны, то есть окисляться, следовательно, в ходе превращений могут проявлять себя в качестве восстановителей .

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 (T_кип> 1000 o С) и легкоплавкие (T_кип< 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.

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 .

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	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:

A_r(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):

Положение металлов в ПС, особенности строения их атомов, физические свойства

Данный видеоурок состоит из двух частей. В первой части ученик Вася рассказывает о положении металлов в Периодической системе и особенностях строения их атомов. А во второй части ученик Ваня рассказывает о физических свойствах металлов, признаках деления их на лёгкие и тяжёлые, легкоплавкие и тугоплавкие, на чёрные и цветные. В конце урока учитель обобщает всё изложенное.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Положение металлов в ПС, особенности строения их атомов, физические свойства"

Положение металлов в Периодической системе, особенности строения их атомов, физические свойства.

Большинство химических элементов в Периодической системе относится к металлам, они располагаются по диагонали от бора к астату. К металлам относятся девяноста два химических элемента.

Каждый период (кроме первого) начинается металлом. Так, металлы IA группы называются щелочными металлами. К ним относятся: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Своё название они получили благодаря соответствующим гидроксидам, которые называются щелочами, т.е. растворимыми в воде основаниями. Щелочные металлы имеют на внешнем энергетическом уровне только один электрон, который они легко отдают, при этом проявляют восстановительные свойства.

Ме 0 – ē → Ме +

Причём восстановительные свойства в этой группе увеличиваются от лития к францию, как и радиусы атомов, поэтому растёт и способность к отдаче внешнего электрона. Химическая активность щелочных металлов по группе сверху вниз тоже увеличивается.

Металлы IIA группы также являются типичными металлами и сильными восстановителями, так как в реакциях они отдают два своих электрона.

Ме 0 – 2ē → Ме 2+

Кальций, стронций и барий называют щелочноземельными элементами, потому что их оксиды, которые раньше называли «землями» при растворении в воде образуют щёлочи.

К металлам относятся и элементы IIIA группы кроме бора. У этих металлов на внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые они отдают и превращаются в ионы.

Ме 0 – 3ē → Ме 3+

В IVA группе к металлам относятся германий, олово, свинец, в VA группе металлами являются сурьма и висмут, в VIA группе – полоний, а в VIIA и VIIIA группе все элементы являются неметаллами.

Элементы побочных подгрупп все являются металлами. Их отличительной особенностью является то, что на внешнем уровне у них обычно содержится один или два электрона, остальные валентные электроны располагаются на предвнешнем слое. К металлам относятся и лантаниды, и актиниды, которые обычно располагаются ниже основной таблицы.

· у металлов сравнительно большие радиусы атомов

· их внешние электроны значительно удалены от ядра и слабо с ним связаны

· Атомы металлов содержат на внешнем уровне от одного до трех электронов

· легко отдают электроны, превращаясь при этом в положительные ионы

· являются восстановителями

· Металлы не могут присоединять электроны.

Однако деление элементов на металлы и неметаллы условно.

Например, аллотропные модификации олова: так серое, или α-олово – неметалл, а белое, или β-олово – металл.

Такая модификация углерода, как алмаз – это неметалл, а графит имеет некоторые характерные свойства металлов.

Такие металлы, как цинк, хром, алюминий и другие – типичные металлы, но образуют оксиды и гидроксиды амфотерного характера. А теллур и йод – типичные неметаллы, но обладают некоторыми свойствами, характерными для металлов.

Физические свойства металлов.

Для металлов характерна металлическая химическая связь. В узлах кристаллической решётки располагаются атомы и положительные ионы металлов, которые связаны благодаря обобществлению внешних электронов, которые принадлежат всему кристаллу.

Для всех металлов характерно твёрдое агрегатное состояние, исключение составляет ртуть – она жидкая.

Для большинства металлов характерен белый или серый цвет, только золото окрашено в желтый цвет, а медь в желто-красный.

Au Cu

Во-первых, для металлов характерна пластичность, которая проявляется в их ковкости, то есть они способны изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия. Из-за этого, металлы способны расплющиваться от удара или вытягиваться в проволоку. Эти свойства используют кузнецы. При этом слои смещаются относительно друг друга, но связь сохраняется благодаря «свободным» электронам.

Наиболее пластичными являются золото, серебро, медь. Например, из золота можно изготовить «золотую фольгу» толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий.

Второе свойство металлов – это электропроводность. Оно обусловлено присутствием в их кристаллических решётках подвижных электронов, которые направленно перемещаются по действием электрического поля.

При нагревании колебательные движения ионов в кристалле усиливаются, что затрудняет направленное движение электронов и ведёт к снижению электрической проводимости. А вот при охлаждении, электропроводность металлов усиливается, и близи абсолютного нуля переходят в сверхпроводимость. Наибольшую электропроводность имеют серебро и медь, а наименьшую – марганец, свинец, ртуть и вольфрам.

Наличие свободных электронов в металлах объясняет и такое их свойство, как электро- и теплопроводность. Лучшими проводниками электрического тока являются: серебро, медь, золото, алюминий.

Третье физическое свойство металлов – это теплопроводность, это свойство тоже связано с высокой подвижностью свободных электронов.

Четвёртое свойство – металлический блеск связано с отражение световых лучей. Металлы обладают металлическим блеском. Свет поглощается поверхностью металла, и электроны начинают испускать свое излучение, которое мы воспринимаем как металлический блеск. Палладий, ртуть, серебро и медь лучше других отражают свет.

В порошкообразном состоянии большинство металлов теряет блеск, приобретая серую или чёрную окраску, но только алюминий и магний сохраняют блеск в порошке. Из алюминия, серебра и палладия изготавливают зеркала, в том числе и те, которые используются в прожекторах.

Самые твёрдые металлы – это металлы побочной подгруппы VIA группы. Например, хром по твёрдости напоминает алмаз. Наиболее твёрдыми ещё являются титан и молибден. Самые мягкие – щелочные металлы, например, натрий и калий легко режутся ножом.

По плотности различают легкие металлы, у которых плотность меньше 5 г/см 3 . К таким относятся щелочные и щелочноземельные металлы и алюминий. Из переходных металлов к ним относятся скандий, иттрий и титан. Они имеют большое значение в технике благодаря своей лёгкости и тугоплавкости.

Тяжелыми считаются металлы, у которых плотность больше 5 г/см 3 . Самым тяжелым является осмий, а самым лёгким – литий.

По температуре плавления металлы делятся на легкоплавкие, у которых эта температура меньше 1000 0 С, и тугоплавкие, у которых она больше 1000 0 С. Самым легкоплавким металлом является ртуть, а самым тугоплавким – вольфрам, из которого изготавливают нити накаливания для ламп. Кроме того, в конструкцию лампы входит ещё восемь металлов.

Лёгкие металлы, как правило, являются легкоплавкими, например, галлий может плавиться уже на ладони руки, а тяжёлые металлы, напротив, являются тугоплавкими.

Ряд государств, приняло решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы, например, галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа – это тоже лампа накаливания с вольфрамовой нитью, заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома или йода).

Люминесцентные лампы – это лампы дневного света, но они содержат ртуть, поэтому нуждаются в особом способе утилизации.

Светодиодные лампы – самые экономичные и долговечные (срок работы до 100 тыс. ч), но и самые дорогие из ламп.

В технике металлы делятся на чёрные – это железо и его сплавы и цветные – это все остальные.

Золото, серебро и платину, и некоторые другие металлы относят к драгоценным металлам.

Таким образом, следует запомнить, что большинство элементов в Периодической системе относятся к металлам, для металлов характерна металлическая кристаллическая решётка и металлическая химическая связь, которая обуславливает такие физические свойства металлов, как твёрдость, металлический блеск, ковкость и пластичность, тепло и – электропроводность. У металлов на внешнем энергетическом уровне от 1 до 3 электронов, поэтому они отдают свои электроны и проявляют восстановительные свойства.

Читайте также: