Металлы

Металлы (далее М) простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М в твердом состоянии имеют строение. В парообразном состоянии М одноатомны.

Перечисленные выше характерные свойства М обусловлены их электронным строением. М легко отдают внешние (валентные) электроны. В решетке М не все электроны связаны со своими Некоторая их часть (~ 1 на подвижна. Эти электроны могут более или менее свободно перемещаться по М Существование свободных электронов (электронов проводимости) в М объясняется зонной теорией (см. Твердое тело). М можно представить себе в виде остова из положительных ионов, погруженного в "электронный газ". Последний компенсирует силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывает их в твердое тело (металлическая связь).

Из известных (1974) 105 элементов 83 - М и лишь 22 - неметаллы. Если в длинном или "полудлинном" варианте периодической системы элементов провести прямую линию от бора до (табл. 1), то можно считать, что неметаллы расположены на этой линии и справа от нее, а М - слева.

Не следует, однако, абсолютизировать ни свойства, характерные для М, ни их отличия от неметаллов. Металлический блеск присущ только компактным металлическим образцам. Тончайшие листки и (толщиной 10^-4 мм) просвечивают голубовато-зеленым цветом. Мельчайшие порошки М часто имеют черный или черно-серый цвет. Некоторые металлы (, , ) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании.

Вся совокупность перечисленных выше свойств присуща типичным М (например, , , , ) при обычных условиях (атмосферном давлении, комнатной температуре). При очень высоких давлениях (~ 10⁵-10⁶ ам) свойства М могут существенно измениться, а неметаллы приобрести металлические свойства.

Многие простые вещества по одним свойствам можно отнести к М, по др. - к неметаллам. Особенно много такого рода "нарушений" имеет место вблизи границы, проведенной в табл. 1. Так, по внешнему виду - М, в отношении проявляет себя скорее как М (легче отдает электроны, чем принимает), а по величине и характеру электропроводности - полупроводник. имеет электросопротивление слишком большое для М, однако температурный коэффициент сопротивления у положительный и большой, как у М; по способности отдавать электроны также относится к М , и иногда называют полуметаллами. по внешнему виду - М, в отношении ему присущи свойства и М, и неметалла - наряду с положительной валентностью (точнее окислительным числом) проявляется и отрицательная (- 2).

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с М, поэтому в физической, технической и экономической литературе нередко к М относят также и сплавы.

Историческая справка. Термин "металл" произошел от греческого слова métallon (от metalléuo - выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл metalléia. В древности и в средние века считалось, что существует только 7 М: (см. Знаки химические). По алхимическим представлениям, М зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в и (см. Алхимия). Алхимики полагали, что М - вещества сложные, состоящие из "начала металличности" ( и "начала горючести" (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой М состоят из земли и "начала горючести" - флогистона. М В. Ломоносов насчитывал 6 М (, , , , , ) и определял М как "светлое тело, которое ковать можно". В конце 18 в. А. Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что М - простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 М (, , , , Со, , , , , , , , , , , , ). По мере развития методов исследования число известных М возрастало. В 1-й половине 19 в. были открыты спутники , получены путем электролиза некоторые щелочные и щелочноземельные М, положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные М при анализе минералов. В 1860-63 методом спектрального анализа были открыты , , , . Блестяще подтвердилось существование М, предсказанных Д. И. на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в конце 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных М, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с середины 20 в. были искусственно получены радиоактивные М, в частности трансурановые элементы.

В конце 19 - начале 20 вв. получила физико- основу металлургия - наука о производстве М из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств М и их сплавов в зависимости от состава и строения (см. Металловедение, Металлофизика).

свойства. В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов (табл. 1), различают М главных и побочных подгрупп. М главных подгрупп (подгруппы а) называют также непереходными. Эти М характеризуются тем, что в их происходит последовательное заполнение s- и р-электронных оболочек. В М побочных подгрупп (подгруппы б), называют переходными, происходит достраивание d- и f-оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы - лантаноиды и актиноиды. В подгруппы а входят 22 М: , , К, , , ( a); , , , , , ( a); , , , ( a); , , ( a); , ( a); ( а). В подгруппы б входят: 1) 33 переходных металла d-группы (, , ( б), , , ( б); , , , ( б); , , , Ku ( б); , , , элемент с Z = 105 ( б), , , ( б), , , ( б), , , , , , , 0s, lr, ( б)); 2) 28 М f-группы (14лантаноидов и 14 актиноидов).

Электронная структура некоторых d-элементов имеет ту особенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень. Это происходит при достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электронная структура валентных подуровней d-элементов, находящихся в одной подгруппе, не всегда одинакова. Например, и (подгруппа б) имеют внешнюю электронную структуру соответственно 3d⁵4s¹ и 4d⁵5s¹, тогда как у она 5d⁴6s². В (подгруппа б) два внешних электрона "перешли" на соседний валентный подуровень, и для наблюдается d¹⁰ вместо ожидаемого d⁸s².

М присущи многие общие свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром образование положительно заряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность (способность в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах); элементу присущи свойства М тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер).

В периодической системе элементов (табл. 1) в пределах каждого периода, начиная со 2-го, с увеличением номера электроотрицательность возрастает от 2 до 7, начиная со щелочного металла и кончая галогеном (переход от М к неметаллам). В пределах подгрупп (а и б) с увеличением номера электроотрицательность в общем уменьшается, хотя и не всегда последовательно. В семействах и актиноидов она сохраняется примерно на одном уровне.

Если расположить М в последовательности увеличения их нормальных потенциалов, получим т. н. ряд напряжений или ряд активностей (табл. 2 и 3). Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу - от щелочных и щелочноземельных М к и - электроположительный характер членов ряда уменьшается. М от по вытесняют ₂ из ₂ на холоду, а от по - при нагревании. Все М, стоящие в ряду выше ₂, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании). М, стоящие ниже ₂, растворяются только в кислотах (таких, как концентрированная ₂₄ при нагревании или ₃), а , - только в царской водке ( нерастворим и в ней).

М от по легко реагируют с ₂ на холоду; последующие члены ряда соединяются с ₂ только при нагревании, а lr, , в прямое взаимодействие с ₂ не вступают.

Окислы М от по (табл. 2) и от по (табл. 3) трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на М и ₂ уже при слабом нагревании. О прочности соединений М с (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей (табл. 1): чем она больше, тем прочнее соединение.

Табл. 2. - Нормальные электродные потенциалы непереходных металлов

Система	Нормальный потенциал при 25 °С, в	Система	Нормальный потенциал при 25 °, в	Система	Нормальный потенциал при 25 °С, в
Û ⁺ + е	-3,0245	Û ²⁺ + 2е	-2,375	Û ²⁺ + 2e	-0,140
Û ⁺ + e	-3,020	Û ²⁺ + 2e	-1,69	Û ²⁺ + 2e	-0,126
Û ⁺ + e	-2,990	Û ³⁺ + 3e	-1,67	Ha Û 2⁺ + 2e	0
К Û ⁺ + e	-2,925	Û ³⁺ + 3e	-0,52	Û ³⁺ + 3e	+0,20
Û ²⁺ + 2е	-2,92	Û ²⁺ + 2e	-0,45	Û ³⁺ + 3e	+0,23
Û ²⁺ + 2e	-2,90	Û ln³⁺+ 3e	-0,34	Û ³⁺ + 3e	+0,56
Û ²⁺ + 2e	-2,89	Û ⁺+ е	-0,338	Û ²⁺ + 2е	+0,65
Û ²⁺ + 2e	-2,87	Û ln²⁺ + 2e	-0,25	Û ³⁺ + 3e	+0,71
Û ⁺ + е	-2,714			Û ⁴⁺ + 4е	+0,80

Табл. 3. - Нормальные электродные потенциалы переходных металлов

Система	Потенциал при 25 °С, в	Система	Потенциал при 25 °, в	Система	Потенциал при 25 °, e
Û ³⁺ + 3e	-2,60	Û ³⁺ + 3е	-0,74	Û ²⁺ + 2e	+0,45
Û ³⁺ + 3e	-2,52	Û ²⁺ + 2e	-0,44	Û ³⁺ + 3e	+0,47
Û ³⁺ + 3e	-2,37	Û ²⁺ + 2e	-0,402	Û ⁺+ e	+0,522
Û ³⁺ + 3e	-2,08	Û ³⁺ + 3e	-0,3	Û ²⁺ + 2e	+0,60
Û ⁴⁺ + 4е	-1,70	Û ²⁺+ 2e	-0,277	Û ⁶⁺ + 6e	+0,68
Û ³⁺ + 3е	-1,63	Û ²⁺ + 2е	-0,25	Û ³⁺ + 3e	+0,70
Û ⁴⁺ + 4е	-1,56	Те Û ²⁺ + 2e	-0,24	0s Û ²⁺ + 2e	+0,70
Û ²⁺ + 2e	-1,18	Û ³⁺ + 3е	-0,20	Û ⁺ + + с	+0,779
Û ²⁺+ 2e	-1,18	₂ Û 2⁺ + 2e	0,000	Û ²⁺ + 2e	+0,83
Û ³⁺ + 3e	-1,10	Û ³⁺ + 3e	+0,036	Û ²⁺ + 2e	+0,854
Û ³⁺+3e	-0,87	Û ³⁺ + 3e	+0,11	lr Û lr³⁺ + 3e	+1,0
Û ²⁺ + 2e	-0,86	Û ²⁺ + 2e	+0,346	Û ²⁺ + 2e	+1,2
Û Zi³⁺ + 2e	-0,761	Û ³⁺ + 3e	+0,40	Û ³⁺ + 3e	+1,5
				Û ⁺ + e	+1,7

Валентности (точнее, окислительные числа) непереходных М равны: +1 для подгруппы а; +2 для a; +1 и +3 для a; +2 и +4 для a; +2, +3 и +5 для a; - 2, +2, +4, +6 для a. У переходных М наблюдается еще большее разнообразие окислительных чисел: +1, +2, +3 для подгруппы б, +2 для б; +3 для б; +2, +3, +4 для б; +2, +3, +4, +5 для б; +2, +3, +4, +5, +6 для б, +2, +3, +4, +5, +6, +7 для б, от +2 до +8 в б. В семейств

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.