3. Физические свойства металлов
Металлы состоят из большого числа атомов, и необходимо отделить свойства, непосредственно связанные с химической связью между атомами, от свойств, которые обусловлены совокупностью атомов. Для проявления металлических свойств, требуется, чтобы объект, построенный из атомов, имел в поперечнике, по меньшей мере, 1 мкм. Частица такой величины содержит порядка 1012 атомов. Это число может колебаться в зависимости от типа атома. Накоплено большое количество эмпирических сведений, касающихся свойств металлов, однако по отмеченным выше причинам отобрать среди них достоверные данные достаточно сложно. Ниже главное внимание уделяется сравнению элементов между собой.
3.1. Плотность.
В таблице 7 (приложение) приведены данные по плотности. Плотность (р) металлов изменяется в очень широких пределах (рис. 18, рис. 19). Различают легкие металлы (р < 5 г/см3) и тяжелые. Самый легкий металл — литий (р = 0,53 г/см3), а самый тяжелый — осмий (р =22,5 г/см3). Легче воды всего три металла: литий, натрий и калий.
Характер изменения плотности металлов определяется совместным влиянием ряда факторов: симметрии кристаллической решетки, координационного числа и размеров атома. Основная масса атома сосредоточена в атомном ядре, и плотность металла определяется величиной атомной массы. С другой стороны, объем, занимаемый атомом, определяется размерами электронного облака и характером связи между атомами. Поэтому, проводя сравнение в вертикальном направлении в пределах одной подгруппы периодической таблицы, можно видеть, что, как и следовало ожидать, плотность возрастает. В периоде в направлении слева направо с ростом заряда ядра, например в четвертом периоде, радиус атомов от s - элементов к d - элементам, находящимся в центре периода, уменьшается. Поэтому максимум плотности приходится на металлы элементов центра периода. В шестом периоде плотность металлов еще более увеличивается за счет лантаноидного сжатия радиусов атомов элементов.
Рис. 18. Периодическое изменение плотности металлов от заряда ядра
Следует отметить и другие закономерности.
Плотность в подгруппах IA и IIА невелика, затем она возрастает в подгруппах IIБ, IIIA—IVA и достигает наибольших величин у переходных элементов.
В подгруппах IA и IIА обращает на себя внимание самая низкая плотность у 19K и 20Ca. Эту характерную особенность можно непосредственно связать с большими атомными радиусами этих элементов, которые в свою очередь обусловлены тем, что электронами застраиваются 4s - оболочки, тогда как Зd - оболочка остается незанятой.
У переходных элементов в рамках одного и того же периода на протяжении подгрупп IIIБ — IVБ наблюдается быстрое возрастание плотности, в то время как в группах VIIБ — VIIIБ она остается почти постоянной. Аналогично ситуации с атомными радиусами металлов можно полагать, что это — влияние происходящего заполнения d-орбиталей предвнешнего слоя наполовину и более.
Среди переходных элементов бросается в глаза особенно высокая плотность в подгруппах IVБ — VIIIБ, IБ шестого периода. У переходных элементов пятого и шестого периодов атомные радиусы металлов почти одинаковы, и существенную роль играет возрастание заряда ядра. У лантаноидов эту тенденцию проследить не удается. У 63Еu и 70Yb плотность мала, это согласуется со структурами 4f7 и 4f14 , т. е. наполовину и полностью заполненными f-подуровнями.
Рис. 19. Изменение плотности металлов в зависимости
от положения металла в периодической системе.
Плотность металла заметно меняется с температурой. Из-за увеличения амплитуды колебаний атомов при повышении температуры среднее равновесное расстояние между атомами увеличивается, а плотность, следовательно, уменьшается. Чем больше доля металлической связи и меньше доля ковалентной связи в металле, тем выше коэффициент термического расширения металла. Так, например, для Mg, Al, Zn коэффициент термического расширения в 2 — 4 раза больше, чем для Cr и Fe. Этот параметр важен при подборе пар металлов, эксплуатируемых в широком интервале температур: значения коэффициентов термического расширения должны быть, как можно ближе друг к другу.