Місце елементів-металів у Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва та особливості будови їх атомів. Металічний хімічний зв'язок. Загальні фізичні властивості металів
Метали мають величезне значення в розвитку людської цивілізації. З давніх-давен людству відомі золото, срібло, мідь та залізо. Сучасна металургія отримує для потреб техніки більше 60 металів та на їх основі понад 5000 сплавів.
Розглянемо положення елементів-металів у Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва. До металічних елементів відносяться елементи головних підгруп І та ІІ груп (крім Гідрогена), всі елементи побічних підгруп та елементи головних підгруп III – VII груп, що знаходяться під діаголлю Бор-Астат. Згідно будови атомів це s-елементи (крім Гідрогену), всі d- nf f-елементи та p-елементи, що розташовуються над діагоналлю Бор-Астат.
Атоми елементів-металів на зовнішньому енергетичному рівні містять невелику кількість електронів — від одного до трьох, зрідка — чотири. Намагаючись набути стійкої електронної конфігурації інертних газів, металічні елементи легко віддають електрони, утворюючи катіони. Чим менше електронів міститься на зовнішньому енергетичному рівні і чим більший радіус атома, тим легше атом металічного елемента перетворюється на відповідний катіон. За цієї причини в періодах при збільшенні заряду атомного ядра, металічні властивості послаблюються, а в групах — посилюються.
В даний час відомі 105 хімічних елементів, більшість з них – метали. Останні вельми поширені в природі і зустрічаються у вигляді різних сполук в надрах землі, водах річок, озер, морів, океанів, складі тіл тваринних, рослин і навіть в атмосфері.
По своїх властивостях метали різко відрізняються від неметалів. Вперше цю відмінність металів і неметалів визначив М. В. Ломоносов. «Метали, - писав він, - тіла тверді, ковкі блискучі».
Зараховувавши той або інший елемент до розряду металів, ми маємо на увазі наявність у нього певного комплексу властивостей:
1. Щільна кристалічна структура.2. Характерний металевий блиск.3. Висока теплопровідність і електрична провідність.4. Зменшення електричної провідності із зростанням температури.5. Низькі значення потенціалу іонізації, тобто здатність легко віддавати електрони.
6. Ковкість і пластичність.
7. Здатність утворювати сплави.
Всі метали і сплави, вживані в даний час в техніці, можна розділити на дві основні групи. До першої з них відносять чорні метали - залізо і всі його сплави, в яких воно складає основну частину. Цими сплавами є чавуни і стали. В техніці часто використовують так звані леговані сталі. До них відносяться сталі, що містять хром, нікель, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт, титан і інші метали. Іноді в леговані сталі входять 5-6 різних металів. Методом легування одержують різні цінні сталі, володіючі в
одних випадках підвищеною міцністю, в інших - високою опірністю до стирання, в третіх - корозійною стійкістю, тобто здатністю не руйнуватися під дією зовнішнього середовища.
До другої групи відносять кольорові метали і їх сплави. Вони отримали таку назву тому що мають різне забарвлення. Наприклад, мідь світло-червона, нікель, олово, срібло – білі, свинець – голубувато-білий, золото – жовте. Із сплавів в практиці знайшли велике застосування: бронза - сплав міді з оловом і іншими металами, латунь – сплав міді з цинком, бабіт – сплав олова з сурмою і міддю і ін.
Цей розподіл на чорні і кольорові метали умовний. Разом з чорними і кольоровими металами виділяють ще групу благородних металів: срібло, золото, платину, рутеній і деякі інші. Вони названі так тому що практично не окислюються на повітрі навіть при підвищеній но не окислюються на повітрі навіть при підвищеній температурі і не руйнуються при дії на них розчинів кислот і лугів.
II. Фізичні властивості металів.
Метали є речовинами немолекулярної будови. Оскільки атоми елементів-металів здатні віддавати електрони з зовнішнього енергетичного рівня, то у вузлах кристалічної ґратки металів містяться позитивні йони і деяка частина нейтральних атомів. Між ними хаотично пересуваються відносно вільні електрони, які стають спільними для всієї кристалічної ґратки. Таку кристалічну ґратку називають металічною. Усуспільнені (делокалізовані) електрони, вільно пересуваючись, компенсують сили електростатичного відштовхування між позитивно зарядженими йонами і, таким чином, забезпечують хімічний зв’язок в кристалі металу. Зв’язок, який здійснюють відносно вільні електрони між катіонами металів кристалічної ґратки називають металічним.
Фізичні властивості металів зумовлені особливостями їх будови. За звичайних умов усі метали (за винятком ртуті) є твердими кристалічними речовинами. Температури плавлення металів значно відрізняються: цезій можна розплавити у долоні, а температура плавлення вольфраму +3410 °С.
Більшість металів, за винятком золота та міді, мають сріблясто-білий або сріблясто-сірий колір. Усі метали мають характерний металевий блиск, який пояснюється наявністю в них вільних електронів. У вигляді порошку метали втрачають блиск (крім магнію і алюмінію) і набувають чорного або темно-сірого кольору.
Усі метали — добрі провідники електричного струму. Це пояснюється наявністю вільних електронів, які під впливом навіть невеликої різниці потенціалів починають пересуватися в певному напрямку. Найкращими провідниками електричного струму є срібло, мідь, золото, алюміній і залізо. Метали мають високу теплопровідність, яка також пояснюється високою рухливістю електронів.
Більшість металів пластичні. Їх можна кувати, витягати в дріт, прокочувати в тонкі листи. При цьому відбувається зсув атомів та йонів кристалічної ґратки, але зв’язки між ними не розриваються завдяки руху відносно вільних електронів. Пластичність зменшується в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe. Золото можна прокатати в тонку фольгу товщиною до 0,003 мм .
Метали відрізняються своєю твердістю. Найбільш твердим є хром, яким можна різати скло. Найбільш м’якими є натрій і калій, які легко ріжуться ножем. Також метали різняться своєю густиною. Найлегшим з металів є літій, а найважчим — осмій.
Дуже важливою властивістю металів є їх порівняно легка механічна деформується. Метали пластичні, вони добре куються, витягуються в дріт, прокочуються в листи і т.п.
По густині метали умовно підрозділяються на дві великі групи: легкі метали, густина яких не більше 5 г/см3, і важкі метали - всі інші.
