Фізичні властивості металів

Той факт, що метали володіють рядом характерних фізичних особливостей пояснюється особливою будовою їхніх кристалічних ґраток, а саме наявністю в них вільних електронів (“електронного газу”).

За звичайних умов всі метали (крім ртуті) – тверді непрозорі речовини сірого кольору з специфічним металевим блиском, що пов'язано з взаємодією вільних електронів з падаючими на метал квантами світла. Деякі метали (магній, алюміній, свинець і ін.) покриваються на повітрі плівкою оксидів і втрачають блиск. При нагріванні до певної температури метали плавляться, а при подальшому нагріванні переходять в пароподібний стан.

Температури плавлення і кипіння певним чином пов’язані з розташуванням металу в періодичній системі. Розташовані на початку кожного періоду метали мають найнижчу температуру плавлення, але із збільшенням порядкового номеру металу в періоді температура плавлення зростає і досягає максимуму в підгрупі Cr. Далі температура плавлення понижується і досягає мінімуму в підгрупі Zn. Самий легкоплавкий метал – ртуть (tпл. = –39 єC, самий тугоплавкий метал – вольфрам (tпл. = 3390 єC). Метали з tпл. вище 1000 єC вважаються тугоплавкими (мідь, залізо, хром, титан, молібден), нижче – легкоплавкими (ртуть, натрій, магній, алюміній).

Електропровідність пояснюється можливістю спрямувати рух вільних електронів від негативного полюса до позитивного під впливом невеликої різниці потенціалів. Найкращий провідник – срібло; з усіх металів тільки германій є напівпровідником. В ряду Ag, Cu, Al, Fe зменшується. При нагріванні електропровідність зменшується, тому що з підвищенням температури підсилюються коливання атомів і іонів у вузлах кристалічних ґраток, що утрудняє спрямований рух "електронного газу".

Теплопровідність обумовлена високою рухливістю вільних електронів і коливальним рухом атомів, завдяки чому відбувається швидке вирівнювання температури по всій масі металу. Закономірність та ж. Найбільша теплопровідність – у бісмуту і ртуті.

Пластичність – це здатність металу під дією зовнішніх сил змінювати форму, яка зберігається і після припинення зовнішніх сил; саме тому метали можна витягувати в дріт, прокатувати в тонкі листки тощо. Пластичність обумовлена тим, що іони в кристалічній гратці можуть зміщуватися один відносно одного під дією зовнішніх факторів. В ряду – Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe пластичність зменшується.

Густина. Вона тим менша, чим менша атомна маса металу і чим більшим є радіус його атому (найлегший – літій (ρ = 0,53 г/см3); найважчий – осмій (ρ = 22,6 г/см3)). Метали, що мають ρ < 5 г/см3 вважаються "легкими металами". Типові легкі метали – лужні та лужноземельні, алюміній, магній; важкі – цинк, залізо, мідь свинець, ртуть, золото.

Твердість. Найтвердіший метал – хром (ріже скло); найм’якіші – калій, натрій, рубідій і цезій (ріжуться ножем).

Хімічні властивості металів

Характерною особливістю металів є те, що при утворенні сполук вони тільки віддають електрони (Me0 – nē  Men+), тобто проявляють тільки відновні властивості. Мірою міцності зв’язку електронів у атомі є величина енергії іонізації, або потенціал іонізації. Із збільшенням радіусу атома іонізаційний потенціал зменшується і навпаки. Найменше значення іонізаційного потенціалу мають лужні метали. Поняття про легкість віддавання електронів атомом елементу у хіміків корелюється з металічними властивостями. Так, термін “відновна здатність зростає” є аналогом терміну “металічні властивості посилюються”, і, навпаки, “відновна здатність спадає” означає послаблення металічних властивостей. Нижче представлений ряд, в якому метали розташовані в міру спадання їх відновної здатності:

Li K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pt Au

В цьому ряду кожен лівіше розташований метал є активнішим за метал, розташований правіше. Таким чином, найактивніші метали – лужні та лужноземельні метали, алюміній. Неактивними є метали побічної підгрупи першої групи, ртуть та платиноїди.

До загальних хімічних властивостей металів можна віднести наступні.

1. Взаємодія з простими речовинами-неметалами(Е) з утворенням відповідної бінарної сполуки згідно схеми  +   →  . Легкість взаємодії залежить від відновної здатності металу та окисної активності неметалу: чим значнішими вони є, тим легше відбувається взаємодія.

Реагент	Рівняння реакції	Продукт	Метали, що реагують
Кисень	2Mg+O2 2MgO 3Fe+2O2 Fe3O4 2Na+O2 Na2O2	Оксид або пероксид	Усі, крім золота, срібла та платинових металів
Сірка	Fe+S  FeS	Сульфід	Усі, крім золота і платини
Хлор	2Fe+3Cl2 2FeCl3 2Au+3Cl2 2AuCl3	Хлорид	Усі
Азот	6Na+N2 2Na3N	Нітрид	Лужні, лужноземельні, магній
Фосфор	3Ca+2P  Ca3P2	Фосфід	Майже всі
Вуглець	Са+2С  СаС2 4Al+3C  Al4C3 3Fe+C  Fe3C	Карбід	Майже всі
Кремній	2Ca+Si  Ca2Si	Силіцид	Майже всі
Водень	2Na+H2 2NaH	Гідрид	Майже всі

2. Взаємодія з кислотами

Взаємодія металів з кислотами-неокисниками (НkА) відбувається згідно схеми:  + НkА →  k(А)n + Н2, тобто ме витісняє Н і при цьому утворюється відповідна сіль металу та виділяється водень. В реакції цього типу вступають тільки метали, що розташовані в електрохімічному ряді напруг до H. Наприклад:

Mg+2HCl  MgCl₂ + H₂(Mg⁰ + 2H⁺ Mg²⁺+ H₂0)

6Na+2H₃PO₄  2Na₃PO₄+3H₂(6Na⁰ + 6H⁺ 6Na⁺ + 3H₂0)

Cu+HCl  (Cu в ряду активності стоїть справа від Н)

3. Взаємодія з водою відбувається по-різному в залежності від активності металу

Активні (лужні і лужноземельні метали, магній і алюміній після зняття оксидної плівки) витісняють водень і утворюють розчинні основи згідно схеми +НОН→ (ОН)n+Н₂. Наприклад:

2Na+2H₂O  2NaOH+H₂(2Na⁰ + 2HOH  2Na⁺ + 2OH^- + H₂0)

Ca+2H₂O  Ca(OH)₂+H₂(Ca0 + 2HOH  Ca²⁺ + 2OH^- + H₂0)

2Al+6H₂O  2Al(OH)₃+3H₂(2Al0 + 6HOH 2Al³⁺ + 6OH^- + 3H₂0)

Метали середньої активності при високій температурі утворюють оксид (оскільки утворена нерозчинна основа при цій температурі розкладається на оксид і водяну пару) і водень. Наприклад:

Zn+H₂O   ZnO+H₂

Неактивні (золото, срібло, платина) з водою чи водяною парою не реагують.

Взаємодію активних амфотерних металів з водними розчинами лугів можна розглядати як таку, що відбувається в дві стадії: спочатку Ме витісняє Н із Н₂О по загальній схемі, а потім утворений амфотерний гідроксид утворює сіль з лугом, наприклад:

2Al+6HOH 2Al(OH)₃ + 3H₂

2NaOH+2Al(OH)₃ 2Na[Al(OH)₄] .

2Al+2NaOH+6HOH  2Na[Al(OH)₄]+3H₂

4. Взаємодія з сполуками металів. Більш активний метал (Ме1) витісняє (відновлює) менш активний метал (Ме2) а) з його солі в розчині (при звичайній температурі) та б) з оксиду при нагріванні (металотермія) по схемі: Ме1+Ме2(An) Ме1(An) +Ме2. Приклади

а)Cu+HgCl₂  Hg+CuCl₂(Cu⁰ + Hg²⁺ Cu²⁺ + Hg0)

Fe+CuSO₄  Cu+FeSO₄(Fe⁰ + Cu²⁺ Cu⁰ + Fe²⁺)

окрім лужних та лужноземельних металів, оскільки вони взаємодіють з водою

б)Al+MnO₂   2Al₂O₃+3Mn