Глава 10. общие свойства металлов

После усвоения материала Главы 10 студент должен:

Знать

• особенности электронного строения металлов, их положение в периодической системе, нахождение в природе, получение;

• сущность металлической связи;

• общие физические свойства металлов, особенности строения их кристаллической решетки;

• химические свойства металлов и их взаимосвязь с положением металла в периодической системе и электрохимическом ряду напряжений;

Уметь

• определять возможность и составлять уравнения реакций взаимодействия металлов с простыми и сложными веществами;

• проводить эксперимент по изучению химических свойств металлов (способности металлов взаимодействовать с водой, растворами кислот, щелочей и солей);

Владеть

• представлениями о металлической связи и особых свойствах металлов;

• навыками составления уравнений взаимодействия металлов с кислотами-окислителями;

• навыками проведения опытов по изучению химических свойств металлов.

Положение металлов в периодической системе

Металлы являются основным конструкционным материалом в машиностроении. Из всех известных в настоящее время элементов периодической системы Д.И. Менделеева около 80% – металлы. Это – s-элементы IA и IIА групп периодической системы элементов; р-элементы: Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi, Po; все d- и f-элементы.

Физические свойства металлов

Металлы обладают рядом общих физических свойств: непрозрачностью, металлическим блеском, высокими электрической проводимостью и теплопроводностью, пластичностью (поддаются ковке, штамповке, прокатке, волочению).

Индивидуальные физические свойства металлов позволяют подразделять их по плотности на тяжелые(Pb, Hg, Cu, Cd, Co, Os и др.) имеющие плотность свыше 5 г/см³ и легкие (Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi). По температуре плавления − на тугоплавкие (t_пл > 1000°С) (Nb, Mo, Ta, W, Re, Os и др.) и легкоплавкие (Hg, K, Cs, Ga, Cd, Sn, Pb, In, Tl). По магнитным свойствам на: а) диамагнетики – выталкиваются из магнитного поля (Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Zr); б) парамагнетики – втягиваются магнитным полем (Sc, Y, La, Ti, V, Cr, Mo); в) ферромагнетики – обладают высокой магнитной восприимчивостью и сами намагничиваются в магнитном поле (железо и его сплавы).

Металлическая связь

На внешнем энергетическом уровне металлы, как правило, содержат 1-2 слабо связанных с ядром электрона. Металлы характеризуются низкой энергией ионизации, т.е. электроны легко отрываются от атома, переходя в межатомное пространство и образуя электронный газ. Электроны могут захватываться ионами металла, которые становятся атомами. Связь в металле осуществляется за счет обмена электронами между ион-атомами.

В отличие от ковалентной связи, локализованной между ядрами, связываемых атомов, и направленной в пространстве относительно других связей под определенным углом, соответственно направлению валентных орбиталей, металлическая связь является делокализованной и ненаправленной, поскольку свободные электроны принадлежат всем атомам металла.

В соответствии с квантово-механическими представлениями, использованными в методе молекулярных орбиталей, при взаимодействии двух одинаковых атомов вместо двух энергетически равноценных атомных орбиталей образуются две молекулярные орбитали (МО) с разным уровнем энергии. МО с низким уровнем энергии – связывающая, МО с более высоким, чем у атомных орбиталей уровнем энергии – разрыхляющая. При взаимодействии трех атомов образуются три МО, принадлежащие в равной степени всем трем атомам (делокализованные), характеризующиеся различными значениями энергии. При последовательном увеличении числа взаимодействующих одинаковых атомов увеличивается число молекулярных орбиталей и число делокализованных электронов на них. Энергии орбиталей при этом будут достаточно близки, что обеспечивает переход электронов с одной орбитали на другую с минимальными затратами энергии. При перекрывании большого числа атомных орбиталей образуется практически непрерывная энергетическая зона. Вследствие делокализованности орбиталей электрон может перемещаться по кристаллу металла при самых малых энергетических воздействиях.

Электроны заполняют молекулярные орбитали в соответствии с принципом Паули и принципом наименьшей энергии. Совокупность занятых электронами орбиталей называется валентной зоной. Орбитали, оставшиеся незаполненными, образуют зону проводимости. Под действием электрического поля электроны могут переходить из валентной в зону проводимости. Этим обеспечивается высокая электропроводность металлов.

Резкой границы между валентной зоной и зоной проводимости нет, поэтому электроны с верхних орбиталей валентной зоны могут переходить на нижние орбитали зоны проводимости вследствие теплового движения. Способность электронов свободно передвигаться по кристаллу и переносить энергию от нагретой части металла в более холодную является причиной высокой теплопроводности.

Пластичность металлов так же объясняется особенностями металлической связи. При механическом воздействии слои ион-атомов в кристаллической решетке металла смещаются относительно друг друга. Но связь между атомами не разрушается, происходит только перераспределение электронного газа, связывающего атомы металла, деформация металла идет без разрушения.