Лекция 5. Металлы
1. Общая характеристика элементов-металлов
Из 114 элементов, известных в настоящее время, 96 являются металлами. Металлы и их соединения играют важную роль в минеральной и органической жизни Земли. Атомы и ионы металлов входят в состав важнейших соединений, участвующих в жизнедеятельности растений, животных и человека.
По своей химической природе металлы – это химические элементы, атомы которых отдают электроны с внешнего или предвнешнего энергетического уровней, образуя при этом положительно заряженные ионы.
Практически все металлы имеют сравнительно большие радиусы и малое, от 1 до 3, число электронов на внешнем энергетическом уровне, исключения составляют только германий, олово, свинец (4 электрона), сурьма, висмут (5 электронов) и полоний (6 электронов). Для атомов металлов характерны низкие значения электороотрицательности и восстановительные свойства.
1.1. Положение металлов в Периодической системе элементов д.И. Менделеева
В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева металлы располагаются ниже диагонали бериллий – астат. Элементы, расположенные вблизи диагонали, например, бериллий, алюминий, титан, германий, сурьма обладают двойственным характером и относятся к металлоидам. Металлы располагаются в начале периодов, к ним относятся s-элементы 1 и 2 групп, р-элементы 3 группы, все, кроме бора, 4 группы: германий, олово, свинец, 5 группы: сурьма, висмут, а также все d- и f- элементы.
1.2. Электронное строение элементов-металлов
По своему электронному строению металлы делятся на s-, p-, d- и f-металлы.
s-металлы расположены в 1 и 2 группах Периодической системы химических элементов, р-металлы – в 3, 4, 5, 6 группах. Все они, за исключением германия, олова, свинца, сурьмы, висмута и полония, на внешнем энергетическом уровне имеют 1–3 электрона.
Электронные конфигурации валентных электронов s- и р-металлов приведены в таблице:
|
ns1 |
ns2 |
ns2np1 |
ns2np2 |
ns2np3 |
ns2np4 |
|
Li |
Be |
|
|
|
|
|
Na |
Mg |
Al |
|
|
|
|
K |
Ca |
Ga |
Ge |
|
|
|
Rb |
Sr |
In |
Sn |
Sb |
|
|
Cs |
Ba |
Tl |
Pb |
Bi |
Po |
В группах s- и р-металлов число электронов на внешнем энергетическом уровне не изменяется, радиус атома увеличивается, электроотрицательность уменьшается, восстановительные свойства усиливаются, металлические свойства усиливаются.
Начиная с 4 периода, появляются вставные декады d-элементов, у которых заполняется предвнешний энергетический уровень. d-элементы расположены в 3–12 группах Периодической системы химических элементов, все они являются металлами, имеют большое количество валентных электронов, так как ими являются не только s-, но и d-электроны. Это свойство обеспечивает большое разнообразие степеней окисления и ярко выраженную склонность к комплексообразованию.
Электронные конфигурации валентных электронов d-металлов приведены в таблице:
|
(n-1)d1ns2 |
(n-1)d2ns2 |
(n-1)d3ns2 |
(n-1)d4ns2 |
(n-1)d5ns2 |
(n-1)d6ns2 |
(n-1)d7ns2 |
(n-1)d8ns2 |
(n-1)d9ns2 |
(n-1)d10ns2 |
|
Sc |
Ti |
V |
Cr |
Mn |
Fe |
Co |
Ni |
Cu |
Zn |
|
Y |
Zr |
Nb |
Mo |
Tc |
Ru |
Rh |
Pd |
Ag |
Cd |
|
La |
Hf |
Ta |
W |
Re |
Os |
Ir |
Pt |
Au |
Hg |
В группах d-металлов число электронов на внешнем энергетическом уровне не изменяется, радиус атома увеличивается, хотя в меньшей степени, чем у s- и р-металлов, восстановительные свойства чаще всего уменьшаются, устойчивость высшей степени окисления увеличивается.
Начиная с 6 периода, появляются семейства лантаноидов и актиноидов, которые включают по 14 f-элементов, у них заполняется третий с конца энергетический уровень. f-элементы расположены в 3 группе Периодической системы химических элементов, их электронная конфигурация
(n-2)f1-14(n-1)d0-1ns2. Все они являются металлами, проявляют очень схожие химические свойства.