11. Химические свойства металлов

 

11.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

11.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

11.3. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

11.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

 

11.1. Общие положения

К металлам относят простые вещества, образованные атомами элементов, имеющих небольшое число (от 1 до 4) электронов на внешнем энергетическом уровне. Атомы металлов обладают тенденцией к отдаче электронов, поэтому для них характерна высокая восстановительная активность, определяющаяся низкими значениями энергии ионизации (E_и) валентных электронов атомов. Известно, что в пределах одного периода величина E_и возрастает с увеличением порядкового номера элемента, а в главных подгруппах - уменьшается. Такая тенденция изменения восстановительной активности атомов и объясняет тот факт, что элементы-металлы находятся в Периодической системе (длиннопериодный вариант) левее диагонали "бор - астат".

К металлам относят s-элементы (за исключением H и He), d- и f-элементы, а также p-элементы, расположенные левее и ниже указанной диагонали (т.е. более 80% элементов, входящих в ПС). При этом следует помнить, что деление элементов на металлы и неметаллы является условным (об этом свидетельствует наличие так называемых амфотерных элементов, которые группируются у отмеченной выше диагонали). Для них характерна малая электроотрицательность (ЭО) (в рамках шкалы ЭО по Полингу считают, что для атомов металлов величина ЭО меньше 2). Этим обусловлена способность атомов металлов образовывать центры только положительных зарядов в молекулах, элементарных и сложных ионах:

.

11.2. Физические свойства металлов

В простых веществах, образованных атомами элементов-металлов, доминирующим типом химической связи является металлическая. Металл рассматривают как плотно упакованную структуру из катионов, погруженных в “электронный газ” (газ Ферми) (более подробно см. главу “Химическая связь”). Наличие в металлах свободных электронов (электронного газа) определяет общие для всех металлов физические свойства: высокую электро- и теплопроводность, металлический блеск (как правило в компактном состоянии), преимущественно серый цвет (исключения - Cu, Au); легкую механическую деформируемость (пластичность) и ковкость; способность испускать электроны под действием высокочастотного облучения (фотоэффект) или высоких температур (термоэлектронная эмиссия); компактность кристаллических структур.

Наряду с общими свойствами каждый металл имеет и свои индивидуальные особенности. К ним относят: строение кристаллических решеток; для металлов характерны, в основном, три вида решеток: кубическая объемно-центрированная (координационное число 8, плотность упаковки или часть пространства в данном кубе, занятая шарообразными ионами, составляет 68%); кубическая гранецентрированная (координационное число 12 и плотность упаковки 74%) и гексагональная (координационное число 12 и плотность упаковки также 74%). (См. гл. “Химическая связь”).

Особенности кристаллических решеток металлического типа обусловливают характерные физические свойства металлов. Так, железо имеет четыре полиморфные модификации (рис.11.1).

Рис. 11.1. Полиморфные превращения железа.

До 770 C устойчиво a-железо с объемно-центрированной кубической решеткой и ферромагнитными свойствами. При 770 C  -Fe переходит в  -Fe; кристаллическая структура его существенно не изменяется, железо становится парамагнитным. При 910 C происходит полиморфное превращение, при котором кристалл из объемно-центрированной переходит в гранецентрированную кубическую структуру  -Fe: металл остается парамагнитным. При 1400 C происходит новый полиморфный переход: образуется  -Fe с объемно-центрированной кубической решеткой, которая существует вплоть до температуры плавления железа (1539 C).

Плотность металлов (). Она определяется типом кристаллической решетки металла и радиусом его атома. Чем больше радиус атома металла, тем меньше его плотность. Наименьшие объемы (следовательно, наибольшую плотность) имеют атомы, расположенные в середине периодов: - Co, Ni, Cu (4 период); Ru, Rh, Pd (5 период); Os, Ir, Pt (6 период). Условно металлы подразделяют на легкие -  < 5000 кг/м³ (5 г/см³) и тяжелые  > 5000 кг/м³ (5 г/см³). К легким металлам относят щелочные, щелочноземельные металлы, бериллий, магний, алюминий, скандий, иттрий и титан; к тяжелым - все остальные.

Температура плавления. Из всех известных металлов при стандартных условиях в жидком состоянии находится только ртуть (t = -39,2 С). Наиболее легкоплавкими из них являются Cs (28,5 C); Ga (29,78 C); и Rb (39 C).

В малых периодах температуры плавления металлов с увеличением порядкового номера элемента возрастают, что связано с увеличением плотности упаковки кристаллической решетки металла. В больших периодах по этой же причине температура плавления увеличивается до середины периода, а затем уменьшается. Следовательно, самые тугоплавкие металлы, например, вольфрам (t = 3422 °С) находятся в середине больших периодов.

Пластичность. Наличие свободных электронов в структуре металла допускает смещение ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки, без разрыва химической связи между ними. Благодаря этому металлы обладают способностью сохранять деформацию, изменять форму под воздействием механических нагрузок, не разрушаясь, прокатываться в листы и проволоку. Наиболее пластичные металлы: Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe и др.

Электро- и теплопроводность. Для металлов характерны высокие значения электро- и теплопроводности. Наибольшей электропроводностью обладают Ag, Cu, Au, Al, Fe и др.

Кроме перечисленных общих и индивидуальных физических свойств металлов, можно выделить и другие их характеристики: электромагнитные, оптические и механические.