Глава IV. Металлы и их соединения. § 28. Общая характеристика металлов — с. 149
§ 28. Проверьте свои знания.
3. Какую связь называют металлической?
Как происходит её образование в простых веществах — металлах?
Металлическая связь — это химическая связь между атомами и катионами металлов в металлах и сплавах, осуществляемая обобществлёнными электронами, которые свободно перемещаются по всему кристаллу.
Образование связи: атомы металлов легко отдают валентные электроны (M⁰ − ne⁻ → Mⁿ⁺) и превращаются в катионы. Освободившиеся электроны не закрепляются за конкретными атомами, а становятся общими для всего кристалла («электронный газ»). Часть катионов при этом снова присоединяет электроны и превращается в атомы, поэтому в узлах решётки находятся и атомы, и катионы. Притяжение между катионами и свободными электронами скрепляет кристалл. Например, в натрии: Na⁰ − 1ē ⇄ Na⁺.
Образование связи: атомы металлов легко отдают валентные электроны (M⁰ − ne⁻ → Mⁿ⁺) и превращаются в катионы. Освободившиеся электроны не закрепляются за конкретными атомами, а становятся общими для всего кристалла («электронный газ»). Часть катионов при этом снова присоединяет электроны и превращается в атомы, поэтому в узлах решётки находятся и атомы, и катионы. Притяжение между катионами и свободными электронами скрепляет кристалл. Например, в натрии: Na⁰ − 1ē ⇄ Na⁺.
§ 28. Проверьте свои знания.
4. Как устроена кристаллическая решётка металлов?
В узлах металлической кристаллической решётки расположены катионы металлов или атомы металлов. Между ними свободно перемещаются по всему кристаллу валентные электроны («электронный газ»), которые притягивают катионы и скрепляют решётку, как «каркас». Связь между частицами — металлическая, она ненаправленная и ненасыщенная, поэтому частицы упакованы плотно, а слои решётки могут смещаться друг относительно друга, не разрушая кристалл.
§ 28. Проверьте свои знания.
5. Какие физические свойства обусловлены общим для всех металлов типом кристаллической решётки?
Назовите области применения металлов, основанные на указанных вами физических свойствах.
Общие физические свойства обусловлены наличием свободных электронов и слоистой плотной упаковкой катионов:
1) электропроводность: при наложении разности потенциалов электроны движутся направленно от «−» к «+». Применение: провода и кабели (медь, алюминий — линии электропередачи), электрические контакты из серебра и золота в космической и военной технике;
2) теплопроводность: быстрые электроны переносят теплоту по всему изделию. Применение: радиаторы отопления, посуда, теплообменники;
3) металлический блеск (отражающая способность): свободные электроны отражают свет. Применение: зеркала (серебро), декоративные покрытия никелем и хромом;
4) пластичность (ковкость): слои решётки скользят, не разрушаясь. Применение: проволока, прокат, листы, трубы, фольга (золотая, алюминиевая), гвозди, ювелирные изделия;
5) плохая проводимость вольфрама вместе с высокой температурой плавления (3420 °C) используется в нитях накаливания ламп.
1) электропроводность: при наложении разности потенциалов электроны движутся направленно от «−» к «+». Применение: провода и кабели (медь, алюминий — линии электропередачи), электрические контакты из серебра и золота в космической и военной технике;
2) теплопроводность: быстрые электроны переносят теплоту по всему изделию. Применение: радиаторы отопления, посуда, теплообменники;
3) металлический блеск (отражающая способность): свободные электроны отражают свет. Применение: зеркала (серебро), декоративные покрытия никелем и хромом;
4) пластичность (ковкость): слои решётки скользят, не разрушаясь. Применение: проволока, прокат, листы, трубы, фольга (золотая, алюминиевая), гвозди, ювелирные изделия;
5) плохая проводимость вольфрама вместе с высокой температурой плавления (3420 °C) используется в нитях накаливания ламп.
§ 28. Примените свои знания.
6. Сравните металлическую кристаллическую решётку с ионной, атомной и молекулярной кристаллическими решётками.
Сравнение четырёх типов кристаллических решёток (таблица на рисунке).
Металлическая решётка: в узлах атомы и катионы металлов, скреплённые свободными электронами; отсюда электро- и теплопроводность, пластичность, блеск.
Ионная решётка: в узлах катионы и анионы, связь ионная; вещества твёрдые, хрупкие, тугоплавкие, проводят ток только в расплаве и растворе.
Атомная решётка: в узлах атомы, связанные прочными ковалентными связями; вещества очень твёрдые и тугоплавкие (алмаз, кремний).
Молекулярная решётка: в узлах молекулы, между которыми слабые силы притяжения; вещества легкоплавкие, летучие, мягкие (иод, лёд).
Общее: у металлов, в отличие от остальных, есть подвижные электроны во всём кристалле, поэтому только они хорошо проводят ток в твёрдом состоянии и пластичны.
Металлическая решётка: в узлах атомы и катионы металлов, скреплённые свободными электронами; отсюда электро- и теплопроводность, пластичность, блеск.
Ионная решётка: в узлах катионы и анионы, связь ионная; вещества твёрдые, хрупкие, тугоплавкие, проводят ток только в расплаве и растворе.
Атомная решётка: в узлах атомы, связанные прочными ковалентными связями; вещества очень твёрдые и тугоплавкие (алмаз, кремний).
Молекулярная решётка: в узлах молекулы, между которыми слабые силы притяжения; вещества легкоплавкие, летучие, мягкие (иод, лёд).
Общее: у металлов, в отличие от остальных, есть подвижные электроны во всём кристалле, поэтому только они хорошо проводят ток в твёрдом состоянии и пластичны.
§ 28. Примените свои знания.
7. Определите атомные номера и названия элементов по следующим данным: а) расположен в пятом периоде, IIA-группе; б) имеет 23 электрона в электронной оболочке; в) заряд ядра атома равен +29; г) в ядре его изотопа ⁶⁵Э содержится 35 нейтронов; д) электронная оболочка атома состоит из трёх электронных слоёв, на внешнем слое расположен один электрон.
а) Пятый период, IIA-группа: стронций Sr, атомный номер 38 (5 слоёв, 2 электрона на внешнем слое).
б) В электронной оболочке нейтрального атома 23 электрона, значит, порядковый номер равен 23 — ванадий
V.
в) Заряд ядра +29 означает 29 протонов, порядковый номер 29 — медь Cu.
г) Число протонов Z = A − N = 65 − 35 = 30, порядковый номер 30 — цинк Zn (изотоп ⁶⁵Zn).
д) Три электронных слоя — третий период, один электрон на внешнем слое — IA-группа: натрий Na, номер 11 (распределение электронов 2, 8, 1).
б) В электронной оболочке нейтрального атома 23 электрона, значит, порядковый номер равен 23 — ванадий
V.
в) Заряд ядра +29 означает 29 протонов, порядковый номер 29 — медь Cu.
г) Число протонов Z = A − N = 65 − 35 = 30, порядковый номер 30 — цинк Zn (изотоп ⁶⁵Zn).
д) Три электронных слоя — третий период, один электрон на внешнем слое — IA-группа: натрий Na, номер 11 (распределение электронов 2, 8, 1).
§ 28. Примените свои знания.
8. Какие свойства металлов использованы в образных выражениях «железный характер», «свинцовый кулак», «золотой характер», «серебряный дождь», «медный волос»?
1) «Железный характер» — прочность и твёрдость железа: непреклонный, стойкий, несгибаемый характер.
2) «Свинцовый кулак» — большая плотность и тяжесть свинца (ρ ≈ 11,3 г/см³): тяжёлый, сокрушительный удар.
3) «Золотой характер» — химическая стойкость и ценность золота: золото не окисляется и не тускнеет, поэтому такой характер ценный, надёжный, не портится со временем; кроме того, золото очень мягкое и пластичное, что соответствует мягкому, уступчивому нраву.
4) «Серебряный дождь» — серебристо-белый цвет и металлический блеск (отражающая способность) серебра: капли дождя блестят, как серебро.
5) «Медный волос» — красноватый (медно-красный) цвет меди с характерным блеском: рыжие волосы с красноватым отливом.
2) «Свинцовый кулак» — большая плотность и тяжесть свинца (ρ ≈ 11,3 г/см³): тяжёлый, сокрушительный удар.
3) «Золотой характер» — химическая стойкость и ценность золота: золото не окисляется и не тускнеет, поэтому такой характер ценный, надёжный, не портится со временем; кроме того, золото очень мягкое и пластичное, что соответствует мягкому, уступчивому нраву.
4) «Серебряный дождь» — серебристо-белый цвет и металлический блеск (отражающая способность) серебра: капли дождя блестят, как серебро.
5) «Медный волос» — красноватый (медно-красный) цвет меди с характерным блеском: рыжие волосы с красноватым отливом.
§ 28. Используйте дополнительную информацию.
9. Подготовьте сообщение по одной из тем:
1) «Элементы-металлы в организме человека и их биологическая роль»;
2) «Металлы в технике».
1) «Элементы-металлы в организме человека и их биологическая роль»;
2) «Металлы в технике».
Тема 1. «Элементы-металлы в организме человека и их биологическая роль».
Металлы входят в состав организма в виде ионов и комплексных соединений. Натрий и калий создают разность потенциалов на мембранах клеток, поддерживают водно-солевой баланс и обеспечивают передачу нервных импульсов (натрий-калиевый насос). Кальций (около 1,5 % массы тела) — основа костей и зубов, нужен для свёртывания крови и сокращения мышц. Магний активирует ферменты, участвует в работе нервной системы и сердца, входит в состав хлорофилла у растений. Железо входит в гемоглобин, переносящий кислород, и в миоглобин; его недостаток вызывает анемию. Цинк входит в состав многих ферментов, нужен для иммунитета и роста; медь — для кроветворения и работы ферментов дыхания; кобальт — в составе витамина B₁₂; марганец и молибден — кофакторы ферментов. Недостаток и избыток металлов вредны: ртуть, свинец, кадмий — токсичные металлы. Источники: молочные продукты, мясо, печень, овощи, орехи.
Тема 2. «Металлы в технике».
Железо и его сплавы (чугун, сталь) — главный конструкционный материал: станки, машины, мосты, рельсы, трубы. Алюминий и дюралюминий лёгкие и прочные, их используют в авиации, ракетостроении, электропроводах высоковольтных линий. Медь — отличный проводник, из неё делают провода и кабели, а бронза (сплав меди и олова) и латунь (медь и цинк) идут на детали машин и арматуру. Титан и его сплавы лёгкие, прочные и коррозионно стойкие: самолёты, корабли, медицинские импланты. Вольфрам с температурой плавления 3420 °C применяют для нитей ламп и электродов. Золото, серебро, платина и палладий нужны в электронике (контакты), ювелирном деле и катализаторах. Хром и никель используют для защитных и декоративных покрытий и для легированных сталей, свинец — в аккумуляторах, ртуть — в приборах, литий — в аккумуляторах. Выбор металла определяется плотностью, прочностью, электропроводностью, стойкостью к коррозии и стоимостью.
Металлы входят в состав организма в виде ионов и комплексных соединений. Натрий и калий создают разность потенциалов на мембранах клеток, поддерживают водно-солевой баланс и обеспечивают передачу нервных импульсов (натрий-калиевый насос). Кальций (около 1,5 % массы тела) — основа костей и зубов, нужен для свёртывания крови и сокращения мышц. Магний активирует ферменты, участвует в работе нервной системы и сердца, входит в состав хлорофилла у растений. Железо входит в гемоглобин, переносящий кислород, и в миоглобин; его недостаток вызывает анемию. Цинк входит в состав многих ферментов, нужен для иммунитета и роста; медь — для кроветворения и работы ферментов дыхания; кобальт — в составе витамина B₁₂; марганец и молибден — кофакторы ферментов. Недостаток и избыток металлов вредны: ртуть, свинец, кадмий — токсичные металлы. Источники: молочные продукты, мясо, печень, овощи, орехи.
Тема 2. «Металлы в технике».
Железо и его сплавы (чугун, сталь) — главный конструкционный материал: станки, машины, мосты, рельсы, трубы. Алюминий и дюралюминий лёгкие и прочные, их используют в авиации, ракетостроении, электропроводах высоковольтных линий. Медь — отличный проводник, из неё делают провода и кабели, а бронза (сплав меди и олова) и латунь (медь и цинк) идут на детали машин и арматуру. Титан и его сплавы лёгкие, прочные и коррозионно стойкие: самолёты, корабли, медицинские импланты. Вольфрам с температурой плавления 3420 °C применяют для нитей ламп и электродов. Золото, серебро, платина и палладий нужны в электронике (контакты), ювелирном деле и катализаторах. Хром и никель используют для защитных и декоративных покрытий и для легированных сталей, свинец — в аккумуляторах, ртуть — в приборах, литий — в аккумуляторах. Выбор металла определяется плотностью, прочностью, электропроводностью, стойкостью к коррозии и стоимостью.
§ 29. Вопрос в начале параграфа. Особенности строения атомов металлов объясняют тот факт, что металлы проявляют только восстановительные свойства, т. е. отдают валентные электроны. Какие вещества выступают в этом случае в роли окислителей?
Металлы отдают электроны (M⁰ − nē → Mⁿ⁺), поэтому в реакциях с ними окислителями выступают вещества, которые электроны принимают:
1) простые вещества-неметаллы: кислород, галогены, сера, азот (4Li + O₂ = 2Li₂O; 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃);
2) вода (за счёт водорода со степенью окисления +1): 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑;
3) кислоты: катионы водорода H⁺ в растворах кислот (Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑), а в концентрированной серной и азотной кислотах — сера (+6) и азот (+5) кислотных остатков;
4) катионы менее активных металлов в растворах солей (Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu);
5) оксиды менее активных металлов (алюминотермия: 2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr).
1) простые вещества-неметаллы: кислород, галогены, сера, азот (4Li + O₂ = 2Li₂O; 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃);
2) вода (за счёт водорода со степенью окисления +1): 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑;
3) кислоты: катионы водорода H⁺ в растворах кислот (Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑), а в концентрированной серной и азотной кислотах — сера (+6) и азот (+5) кислотных остатков;
4) катионы менее активных металлов в растворах солей (Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu);
5) оксиды менее активных металлов (алюминотермия: 2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr).