Тема 7. Химия металлов

7.1. Общая характеристика металлов

Металлы выделяются среди других элементов периодической системы, прежде всего своими физическими свойствами:

1. Они являются особенно хорошими проводниками теплоты и электрического тока.

2. Они обладают металлическим блеском, т. е. хорошо отражают свет.

3. Они ковки и пластичны.

4. Они легко образуют сплавы.

Несмотря на проявление общих свойств, различие между металлами нередко оказывается весьма существенным. Например, вольфрам плавится при 3380˚С, а цезий – при 28,5˚С. Вместе с тем у металлов, расположенных рядом друг с другом в периодической системе, часто проявляется близость свойств, в том числе химических. Такие металлы принято объединять в специальные группы. Выделяют следующие группы металлов: щелочные (Li, Na, K, Rb, Cs), щелочноземельные (Be, Mg, Ca, Sr, Ba), переходные элементы (элементы IB – VIIIB групп), лантаноиды () и актиноиды (). Из числа переходных металлов в особую группу выделяют платиновы металлы (Ru,Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Все эти металлы являются s-, d- или f-элементами. К металлам относят также некоторые из р-элементов (Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi), которые расположены в нижней части групп периодической системы.

Физические и химические свойства металлов в значительной мере определяются особенностями электронного строения их атомов. На внешнем электронном уровне атомов металлов обычно три и менее электрона. Например:

Na 1s²2s²2p⁶3s¹,

Cu 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹,

Fe 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²,

Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹.

Высокая электропроводность металлов обусловлена подвижностью их валентных электронов. С позиций зонной теории металлов важным является то, что при малом числе валентных электронов в атомах металла зона проводимости не полностью заполнена электронами и создаются благоприятные условия для электронной проводимости. Электропроводность металлов понижается с повышением температуры.

Зонная теория объсняет причины различия свойств металлов, полупроводников и диэлектриков.

Поверхность металлов отражает свет. Особенностью металлов является отражение света под разными углами, в отличие от многих неметаллов (сера, иод), которые отражают свет под малыми углами. Отражение света металлами связано с поглощением энергии света «свободными» электронами, которые переходят за счет поглощенной энергии в возбужденное состояние и быстро возвращаются в исходное (основное) состояние, испуская энергию в виде света в окружающее пространство. Обычно металлы практически полностью сохраняют спектр световых волн при их отражении. Но некоторые металлы, например золото, поглощают световые волны некоторых частот в большей мере, чем другие, и поэтому приобретают цвет.

Ковкость (способность к расплющиванию) и пластичность (способность вытягиваться в проволоку и ленту) металлов прявляются в том, что их структура может деформироваться под действием внешних сил. Пластичность металлов уменьшается в ряду ... Золото можно прокатывать в листы, толщиной до 0,003 мм, которые используются для золочения.

Плотность металлов, как и других прстых веществ, находится в периодической зависимости от порядкового номера элемента.

К легким (г/см³) относятся s-металлы и алюминий, скандий и титан, минимальную плотность имеет литий (г/см³), к тяжелым относятся в основном d-металлы 5-7-го периодов. Максимальную плотность имеет осмий (г/см³). Температура плавления металлов также имеет периодическую зависимость от порядкового номера элемента. К лекгоплавким относятся в основном s- и p-элементы, а также d-элементы II группы. К тугоплавким (t_пл выше 1500⁰С) принадлежат, в основном, d-металлы IV-VIII групп. Минимальную температуру плавления имеет ртуть (), максимальную – вольфрам ().

Вследствие ненасыщенности и ненаправленности металлической связи для кристаллических решеток металлов характерна высокая плотность упаковки. Большинство металлов кристаллизуется с образованием гексагональных или кубических (гранецентрированных или объемно центрированных) решеток.

Самый твердый из металлов хром – режет стекло, а самые мягкие – калий, рубидий, цезий – легко режутся ножом.

Металлы отличаются также своим отношением к магнитным полям. По этому свойству они делятся на три группы :

• ферромагнитные металлы – способные намагничиваться под действием слабых магнитных полей (железо, кобальт, никель);

• парамагнитные металлы – проявляют слабую способность к намагничиванию (алюминий, титан и большая часть лантаноидов);

• диамагнитные металлы – не притягиваются к магниту и даже отталкиваются от него (висмут, олово, медь).

Пыль и пары некоторых металлов токсичны. Как известно, токсичность характеризуется предельно-допустимыми концентрациями веществ в рабочей зоне, ПДК (). К наиболее токсичным относятся металлы (ПДК -):Be (10^-3), Hg (10^-3), Pb (10^-2), Cd (10^-2), Ag (10^-2), Ni, Rh, Tl, In (10^-1).