Металевий зв’язок. Фізичні властивості
У періодичній системі більше 3/4 місць займають метали: вони знаходяться в I, II, III групах, в побічних підгрупах всіх груп. Крім того, металами є найбільш важкі елементи IV, V, VI і VII груп. Треба відзначити, однак, що багато метали мають амфотер-ними властивостями і іноді можуть поводитися як неметали.
Особливістю будови атомів металів є невелика кількість електронів на зовнішньому електронному шарі, що не перевищує трьох.
Атоми металів мають, як правило, великі атомні радіуси. У періодах найбільші атомні радіуси у лужних металів. Звідси їх найбільш висока хімічна активність, т. Е. Атоми металів легко віддають електрони, – є хорошими відновниками. Кращі відновники – метали I і II груп головних підгруп.
У з’єднаннях метали проявляють завжди позитивну ступінь окислення, зазвичай від +1 до +4.
У з’єднаннях з неметалами типові метали утворюють хімічний зв’язок іонного характеру. У вигляді простої речовини атоми металів пов’язані між собою так званої металевої зв’язком.
• Запишіть в зошит цей термін.
Металева зв’язок – особливий вид зв’язку, властивий виключно металам. Сутність її в тому, що від атомів металів постійно відриваються електрони, що переміщуються по всій масі шматка металу (рис. 70). Атоми металу, позбавлені електронів, перетворюються на позитивні іони, які прагнуть знову притягнути до себе вільно рухомі електрони. Одночасно інші атоми металу віддають електрони. Таким чином, усередині шматка металу постійно циркулює так званий електронний газ, який міцно пов’язує між собою всі атоми металу. Електрони виявляються як би усуспільненими одночасно всіма атомами металу. Такий особливий тип хімічного зв’язку між атомами металів обумовлює як фізичні, так і хімічні властивості металів.
■ 1.Чем пояснити малу електронегативність металів?
2. Як виникає металева зв’язок?
3. У чому відмінність металевої зв’язку від ковалентного? (Див. Відповідь)
Метали мають поруч подібних фізичних властивостей, що відрізняють їх від неметалів. Чим більше валентних електронів має метал, тим міцніше металевий зв’язок, тим міцніше кристалічна решітка, тим міцніше і твердіше метал, тим вище його температура плавлення і кипіння і т. Д. Нижче розглядаються особливості фізичних властивостей металів.
Всі вони володіють більш-менш яскраво вираженим блиском, який прийнято називати металевим. Металевий блиск характерний для шматка металу в цілому. У порошку метали темного кольору, за винятком магнію та алюмінію, які зберігають сріблясто-білий колір, у зв’язку з чим алюмінієвий пил використовується для виготовлення фарби «під срібло». Багато неметали володіють жирним або скляним блиском.
Колір металів досить одноманітний: він або сріблясто-білий (алюміній, срібло, нікель), або сріблясто-сірий (залізо, свинець). Тільки золото жовтого кольору, а мідь – червоного. Неметали мають досить різноманітну забарвлення: сірка – лимонно-жовта, бром – червоно-бурий, фосфор – червоний або білий, вуглець – чорний.
Таким чином, за кольором метали умовно ділять на чорні і кольорові. До чорних металів належать залізо та його сплави. Решта метали називаються кольоровими.
При звичайних умовах метали являють собою тверді речовини з кристалічною структурою. Серед неметалів зустрічаються як тверді (сірка, фосфор, вуглець), так і рідкі (бром) і газоподібні (водень, кисень, азот) речовини.
Всі метали, за винятком ртуті, – тверді речовини, тому температура плавлення їх вище нуля, тільки температура плавлення ртуті -39 °. Найбільш тугоплавким металом є вольфрам, температура плавлення якого +3370 °. Температура плавлення інших металів лежить в цих межах (рис. 71).
Температури плавлення неметалів значно нижче, ніж металів, наприклад кисню -219 °, водню -259,4 °, фтору -218 °, хлору -101 °, брому -5,7 °.
Метали володіють різною твердістю, яку зіставляють з твердістю алмазу. Показник твердості металу визначають спеціальним приладом – твердоміром. При цьому в масу металу вдавлюють сталева кулька або, у разі більшої твердості металу алмазний конус. За силою тиску і глибині утворилася лунки визначають твердість металу.
Найбільш твердим металом є хром. М’які метали – натрій, калій – легко ріжуться ножем. Твердість окремих металів за загальноприйнятою десятибальною шкалою, твердості представлена на рис. 72.
Метали в більшій чи меншій мірі володіють пластичністю (ковкістю). У неметалів це властивість відсутня. Найбільш ковким металом є золото. З нього можна викувати золоту фольгу товщиною 0,0001 мм – в 500 разів тонші людської волосини. У той же час сурма вельми крихка; її можна навіть розтерти в ступці в порошок.
Пластичністю називають здатність до сильної деформації без порушення механічної міцності. Пластичність металів використовується при їх прокатці, коли величезні розпечені металеві болванки пропускають між обтискними валами, готуючи з них листи, при волочінні, коли з них витягають дріт, при пресуванні, штампуванню, коли під дією тиску нагрітого металу надають певну форму, яку він зберігає при охолодженні. Пластичність залежить від структури кристалічної решітки металів.
Всі метали нерозчинні у воді, але зате розчинні один в одному в розплавах. Твердий розчин одного металу в іншому називається сплавом.
За щільністю метали поділяються на важкі і легкі. Важкими вважають ті, щільність яких більше 3 г / см3 (рис. 73). Найважчим металом є осмій. Найбільш легкі метали – літій, натрій, калій.- мають щільність навіть менше одиниці. Велике застосування в промисловості отримали легкі метали – магній і алюміній.
Метали характеризуються високою електро- і теплопровідністю (рис. 74), тоді як неметали мають ці властивості в слабкому ступені. Найбільшою електро- та теплопровідністю володіє срібло, на другому місці стоїть мідь. Досить високі ці властивості в алюмінію.
Слід зазначити, що метали мають високу електропровідність мають і високу теплопровідність.
Метали проявляють магнітні властивості. Якщо при зіткненні з магнітом метал притягається до нього і після цього сам стає магнітом, то ми говоримо, що метал намагнічується. Добре намагнічуються залізо, кобальт, нікель та їх сплави. Такі метали і сплави називають феромагнітними. Неметали магнітними властивостями не володіють.
1. Утворення металічного зв’язку
Ці властивості металів обумовлені наявністю у них особливого виду хімічного зв’язку — металічного зв’язку .
Особливість атомів металічних елементів — невелике число електронів на зовнішньому рівні і порівняно великі радіуси . Тому атоми металічних елементів на відміну від атомів неметалічних елементів легко віддають зовнішні електрони і перетворюються на позитивні йони:
Електрони, що відірвалися від атомів, переміщаються від одного йона до іншого. Сполучаючись з йонами, електрони тимчасово перетворюють їх на атоми:
Потім електрони знову відриваються і приєднуються до інших йонів і так далі.
Ці процеси відбуваються нескінченно, що можна виразити загальною схемою:
Між електронами і позитивними йонами виникає електростатична взаємодія. Негативні електрони утримують шари позитивних йонів.
Металічний зв’язок — це зв’язок між позитивними йонами і атомами металічних елементів за допомогою узагальнених електронів.
Завдяки вільним електронам метали добре проводять тепло і електричний струм, мають характерний блиск і ковкість.
Число зовнішніх електронів у атомів металічних елементів є різним. Воно дорівнює номеру групи Періодичної системи, в якій міститься металічний елемент. Так, у атомів лужних металів є один електрон, який здатний відриватися від атома, а в атомів Алюмінію таких електронів — три:
Металічний зв’язок є характерним для чистих металів і для сумішей різних металів — сплавів (бронза, сталь, чавун, латунь, тощо), якщо вони знаходяться у твердому або рідкому стані.