Розташування неметалів в таблиці Менделєєва

Б пробільша частина відомих хімічних елементів утворює прості речовини метали.

До металів належать всі елементи побічних (Б) підгруп, а також елементи головних підгруп, розташовані нижче діагоналі «берилій - астат» (Рис. 1). Крім того, хімічні елементи метали утворюють групи лантаноїдів і актиноїдів.

Мал. 1. Розташування металів серед елементів підгруп А (виділені синім)

У порівнянні з атомами неметалів, атоми металів мають б прольшие розміри і меншу кількість зовнішніх електронів, зазвичай воно дорівнює 1-2. Отже, зовнішні електрони атомів металів слабо пов'язані з ядром, метали їх легко віддають, проявляючи в хімічних реакціях відновні властивості.

Розглянемо закономірності зміни деяких властивостей металів в групах і періодах.

У періодахз збільшенням заряду ядра радіус атомів зменшується. Ядра атомів все сильніше притягують зовнішні електрони, тому зростає електронегативність атомів, металеві властивості зменшуються. Мал. 2.

Мал. 2. Зміна металевих властивостей в періодах

У головних підгрупах зверху вниз в атомах металів зростає число електронних шарів, отже, збільшується радіус атомів. Тоді зовнішні електрони будуть слабкіше притягатися до ядра, тому спостерігається зменшення електронегативності атомів і збільшення металевих властивостей. Мал. 3.

Мал. 3. Зміна металевих властивостей в підгрупах

Перераховані закономірності характерні і для елементів побічних підгруп, за рідкісним винятком.

Атоми елементів металів схильні до віддачі електронів. У хімічних реакціях метали проявляють себе тільки як відновники, вони віддають електрони і підвищують свою ступінь окислення.

Приймати електрони від атомів металів можуть атоми, складові прості речовини неметали, а також атоми, що входять до складу складних речовин, Які здатні знизити свою ступінь окислення. наприклад:

2Na 0 + S 0 \u003d Na +1 2 S -2

Zn 0 + 2H +1 Cl \u003d Zn +2 Cl 2 + H 0 2

Не всі метали мають однакову хімічну активність. Деякі метали при звичайних умовах практично не вступають в хімічні реакції, Їх називають благородними металами. До благородних металів відносяться: золото, срібло, платина, осмій, іридій, паладій, рутеній, родій.

Благородні метали дуже мало поширені в природі і зустрічаються майже завжди в самородному стані (Рис. 4). Незважаючи на високу стійкість до корозії-окислення, ці метали все ж утворюють оксиди та інші хімічні сполуки, Наприклад, всім відомі солі хлориди і нітрати срібла.

Мал. 4. Самородок золота

Підбиття підсумку уроку

На цьому уроці ви розглянули положення хімічних елементів металів в періодичної системі, а також особливості будови атомів цих елементів, що визначають властивості простих і складних речовин. Ви дізналися, чому хімічних елементів металів значно більше, ніж неметалів.

Список літератури

1. Оржековскій П.А. Хімія: 9-й клас: навч для загальноосвітніх. уста. / П.А. Оржековскій, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. - М .: Астрель, 2013. (§28)
2. Рудзитис Г.Є. Хімія: неоргані. хімія. Орган. хімія: навч. для 9 кл. / Г.Є. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М .: Просвещение, ВАТ «Московські підручники», 2009. (§34)
3. Хомченко І.Д. Збірник завдань і вправ з хімії для середньої школи. - М .: РІА «Нова хвиля»: Видавець Умеренков, 2008. (с. 86-87)
4. Енциклопедія для дітей. Том 17. Хімія / Глав. ред. В.А. Володін, вед. науч. ред. І. Леенсон. - М .: Аванта +, 2003.

1. Єдина колекція цифрових освітніх ресурсів (відеоопити по темі) ().
2. Електронна версія журналу «Хімія і життя» ().

Домашнє завдання

1. с. 195-196 №№ 7, А1-А4 з підручника П.А. Оржековского «Хімія: 9-й клас» / П.А. Оржековскій, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. - М .: Астрель, 2013.
2. Якими властивостями (окислювальними відновними) може володіти іон Fe 3+? Відповідь проиллюстрируйте рівняннями реакцій.
3. Порівняйте радіус атомів, електронний торгівельний і відновні властивості натрію і магнію.

метали

Метали і їх сплави повсюдно використовуються для виготовлення конструкцій машин, обладнання, інструменту і т. Д. Не дивлячись на широке коло штучно створених матеріалів (кераміки, клеїв), метали служать основним конструкційним матеріалом і в доступному для огляду майбутньому, як і раніше будуть домінувати. Сучасна металургія отримує понад 60 металів і на їх основі понад 5000 сплавів.

У природі метали зустрічаються як в чистому вигляді, так і в рудах, оксиди і солі. У чистому вигляді зустрічаються хімічно стійкі елементи (Pt, Au, Ag, Cu). Маса найбільшого самородка міді становить 420 т, срібла - 13,5 т, золота - 112 кг.

Такі метали, як золото, срібло і мідь, відомі людині з доісторичних часів. У стародавні і середні віки вважали, що існує тільки 7 металів (золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо і ртуть). М. В. Ломоносов визначав метал як "світле тіло, яке кувати можна" і відносив до металам золото, срібло, мідь, олово, залізо і свинець "А. Лавуазьє в" Початковому курсі хімії "(1 789) згадував уже 17 металів. На початку XIX ст. послідувало відкриття платинових металів, а потім лужних, лужноземельних і ряду інших. Тріумфом періодичного закону було відкриття металів, передбачених на його основі Д. І. Менделєєвим, - галію, скандію і германію. В середині XX ст. за допомогою ядерних реакцій були отримані трансуранові елементи - не існують в природі радіоактивні метали.

Положення металів в ПСХЕ

Якщо в таблиці хімічних елементів Д. І. Менделєєва провести діагональ від берилію до астату, то зліва внизу по діагоналі будуть перебувати елементи- метали (До них же відносяться елементи побічних підгруп), а справа вгорі - елементи- неметали. Елементи, розташовані поблизу діагоналі ( Be , Al , Ti , Ge , Nb , Sb і ін.), мають двоїстим характером, Іноді їх називають напівметал. З 111 відкритих елементів, представлених в Періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва, 76 є металами; Si, Ge, As, Se, Te - проміжними між металами і неметалами.

До елементів - металів відносяться s - елементи I і II груп, все d- і f - елементи, а також p- елементи головних підгруп: III (крім бору), IV ( Ge , Sn , Pb ), V ( Sb , Bi ) І VI ( Po ). Найбільш типові елементи - метали розташовані на початку періодів (починаючи з другого). Всі елементи, розташовані лівіше уявної лінії, проведеної від бору до астату (від № 5 до № 85) відносяться до металів, а правіше - в основному, до неметалів. Ця межа недостатньо чітко виражена, тому що серед елементів, розташованих поблизу кордону, знаходяться і напівметали.

Кристалічна будова металів

Загальна властивість металів і сплавів - їх кристалічну будову, що характеризується певним закономірним розташуванням атомів в просторі. Для опису атомно-кристалічної структури використовують поняття кристалічної решітки, що є уявної просторової сіткою з іонами (атомами) в вузлах.

Атомно-кристалічна структура може бути представлена \u200b\u200bне поруч періодично повторюваних обсягів, а однією елементарною клітинкою. Так називається осередок, що повторюється у всіх трьох вимірах. Трансляцією цього найменшого обсягу можна повністю відтворити структуру кристала ( мал. 1).

У кристалі елементарні частинки (атоми, іони) зближені до зіткнення. Для спрощення просторове зображення прийнято замінювати схемами, де центри тяжкості частинок представлені точками. У точках перетину прямих ліній розташовуються атоми; вони називаються вузлами решітки. відстані a, b і c між центрами атомів, що знаходяться в сусідніх вузлах решітки, називають параметрами, або періодами решітки. Величина їх в металах порядку 0,1-0,7 нм, розміри елементарних комірок - 0,2-0,3 нм. Для однозначного опису елементарної комірки кристалічної решітки необхідне знання величин параметрів a, b, c і кутів між ними.

Мал. 1 Кристалічна решітка

У 1848 р французький вчений Браве показав, що існує 14 типів кристалічних решіток. на мал. 2 показані три типи елементарних осередків кристалічних решіток, найбільш характерні для металів: об'емноцентрірованная кубічна (ОЦК); гранецентрированная кубічна (ГЦК) і гексагональна щільноупакована (ДП), а також схеми упаковки в них атомів. У кубічної гранецентрированной решітці (ГЦК; А1) атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані ( мал. 2, а). У кубічної об'ємно-центрованої решітці (ОЦК; А2) атоми розташовані у вершинах куба, а один атом - в центрі його обсягу ( мал. 2, б). У гексагональної плотноупакованной решітці (ДП; А3) атоми розташовані у вершинах і центрі шестигранних підстав призми, а три атома - в середній площині призми ( мал. 2, в).

Д ля характеристики кристалічних решіток вводять поняття координаційного числа і коефіцієнта компактності. Координаційною числом I до називається число атомів, що знаходяться на найбільш близькому і рівній відстані від даного атома. Для ОЦК решітки координаційне число дорівнює 8, для решіток ГЦК і ДП воно становить 12. З цього випливає, що решітка ОЦК менш компактна, ніж грати ГЦК і ДП. В решітці ОЦК кожен атом має всього 8 найближчих сусідів, а в гратах ГЦК і ДП їх 12.

Мал. 2. Типи елементарних осередків кристалічних решіток металів і схеми упаковки в них атомів:
а) Гранецентрированная кубічна (ГЦК);
б) Об'емноцентрірованная кубічна (ОЦК);
в) Гексагональная щільноупакована (ДП) решітка

Якщо прийняти, що атоми в решітці є пружні дотичні кулі, то неважко бачити, що в решітці, крім атомів, є значна вільний простір. Щільність кристалічної решітки, т. Е. Обсяг, зайнятий атомами, характеризується коефіцієнтом компактності.

коефіцієнт компактності Q дорівнює відношенню сумарного обсягу атомів, що входять в решітку, до обсягу решітки:

де R - радіус атома (іона); n - базис, або число атомів, що припадають на одну елементарну комірку; V - обсяг елементарної комірки.

Для простої кубічної решітки n \u003d (1/8) · 8 \u003d 1; V = a 3 = (2R) 3, коефіцієнт компактності Q = 52 %.

Схема визначення базису ОЦК решітки наведена на рис. 3. На решітку ОЦК доводиться два атома: один центральний і один як сума від вершин куба, так як осередку належить 1/8 атома від кожного кута. Для ОЦК решітки n \u003d (1/8) · 8 + 1 \u003d 2. З огляду на, що атоми стикаються по діагоналі куба, довжина якої дорівнює 4 атомним радіусів, параметр решітки а коефіцієнт компактності Q ОЦК \u003d 68%. Провівши аналогічні обчислення, знайдемо Q ГЦК \u003d 74%, Q ДП \u003d 74%. Таким чином, решітки ГЦК і ДП більш компактні, ніж ОЦК. Отже, сама щільна упаковка досягається при кубічної гранецентрированной структурі, де кожен атом оточений 12 найближчими сусідами - вісім атомів розташовані в вершинах куба і ще шість по одному в центрі кожної його грані.

Така будова мають платина, іридій, паладій, родій, а також золото, срібло, свинець і деякі інші метали. Рутеній і осмій мають менш досконалою гексагональної структурою, що і обумовлює меншу їх в порівнянні з іншими членами сім'ї "благородство".

Деякі метали при різних температурах можуть мати різну кристалічну решітку. Здатність металу існувати в різних кристалічних формах носить назву поліморфізму або аллотропии . Прийнято позначати полиморфную модифікацію, стійку при більш низькій температурі, індексом α (α-Fe), при більш високій індексом β, потім γ і т.д. Відомі поліморфні перетворення заліза:
Fe a «Fe g (a-Fe« g-Fe), титану Ti a «Ti g
(A-Ti «g- Ti) та інших елементів.

Мал. 3. Схема визначення базису ОЦК решітки

При полиморфном перетворення змінюються форма і тип кристалічної решітки. Це явище називається перекристалізацією . Так, при температурі нижче 911 ° С стійко Fe a, в інтервалі 911-1392 ° С стійко Fe g. При нагріванні вище 911 ° С атоми решітки ОЦК перебудовуються, утворюючи грати ГЦК. На явищі поліморфізму заснована термічна обробка. При переході з однієї поліморфної форми в іншу змінюються властивості, зокрема щільність і відповідно обсяг речовини. Наприклад, щільність Fe g на 3% більше щільності Fe a, а питома обсяг відповідно менше. Ці зміни обсягу необхідно враховувати при термообробці.

Поліморфізм олова став однією з причин загибелі полярної експедиції англійського дослідника Р. Скотта. Оловом були запаяні каністри з гасом. При низькій температурі сталося полиморфное перетворення пластичного білого олова з утворенням крихкого порошку сірого олова. Пальне вилилося і випарувалося, і на зворотному шляху експедиція залишилася без палива. Перетворення білого олова в сіре називають «олов'яної чумою».

Загальні фізичні властивості металів

1) пластичність- це здатність металів змінювати форму при ударі, прокочуватися в тонкі листи і витягуватися в дріт. При цьому відбувається зміщення атомів і іонів кристалічної решітки, однак зв'язку між ними не розриваються, так як відповідно переміщаються і електрони, що утворюють зв'язок. Пластичність металів зменшується в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe . Золото, наприклад, можна прокатувати в листи завтовшки до 0,003 мм, які використовують для золочення.

2) Блиск, зазвичай сірий колір і непрозорість. Ця властивість пов'язана зі взаємодією вільних електронів з падаючими на метал квантами світла.

3) Електропровідність. Пояснюється спрямованим рухом вільних електронів від негативного полюса до позитивного під впливом невеликої різниці потенціалів. З підвищенням температури коливання іонів і атомів металів посилюються, що ускладнює рух електронів і тим самим призводить до зменшення електропровідності. При низьких же температурах коливальний рух іонів і атомів, навпаки, сильно зменшується, і електропровідність зростає. Поблизу абсолютного нуля електричний опір у металів практично відсутня. Кращий провідник електрики - срібло, за ним йдуть мідь, золото, алюміній, залізо. У порівнянні з речовинами, що не мають вільних електронів, провідність металів більше в 10 25 разів.

4) Теплопровідність. Закономірність та ж. Обумовлена \u200b\u200bвисокою рухливістю вільних електронів і коливальним рухом атомів, завдяки чому відбувається швидке вирівнювання температури по масі металу. Найбільша теплопровідність - у вісмуту і ртуті. У неметалів, в яких тепло поширюється лише коливанням іонів і атомів кристалічної решітки, теплопровідність в тисячу разів нижче.

5) Твердість. Найтвердіший - хром (ріже скло); найм'якші - лужні метали - калій, натрій, рубідій і цезій - ріжуться ножем.

6) Густина. Вона тим менше, чим менше атомна маса металу і чим більше радіус його атома (найлегший - літій (r \u003d 0,53 г / см 3); найважчий - осмій (r \u003d 22,6 г / см 3). Метали, мають r

7) Температури плавлення і кипіння. Температури плавлення металів різняться дуже сильно: цезій і галій можна розплавити теплом долонь, а температура плавлення вольфраму + 3410 ° С. При звичайних умовах єдиний рідкий метал - ртуть. Метали з t ° пл. понад 1000 ° C вважаються тугоплавкими, нижче - низькоплавких. Серед металів найбільш стійкою, кубічної структури найвитриваліші ті, у кого енергійно працюють електрони з d-підрівня. Чемпіон по тугоплавкости - вольфрам НЕ жаростійкий. Уже при 700 ° С вольфрам починає "потіти", що покриває вироби міцна плівка його оксиду випаровується. Тому він чемпіон лише в умовах вакууму або в атмосфері інертних газів, а у всіх більш важких умовах незамінні платиноїди.

Міцність, температура плавлення і твердість залежать від міцності металевої зв'язку. Вона особливо велика у важких металів. У пароподібному стані все метали одноатомни, їх кристалічна решітка руйнується.

Металеві матеріали зазвичай діляться на дві великі групи: залізо і сплави заліза (сталь і чавун) називають чорними металами, а решта металів і їх сплави - кольоровими. Крім того, всі кольорові метали, застосовувані в техніці, в свою чергу, діляться на наступні групи:

легкі метали Mg, Be, Al, Ti з щільністю до 5 г / см 3;

важкі метали Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os з щільністю, що перевищує 10 г / см 3;

легкоплавкі метали Sn, Pb, Zn з температурою плавлення 232; 327; 410 ° С відповідно;

тугоплавкі метали W, Mo, Та, Nb з температурою плавлення вище, ніж у заліза (\u003e 1 536 ° С);

благородні метали Au, Ag, Pt з високою стійкістю проти корозії;

уранові метали або актиноїди, які використовуються в атомній техніці;

рідкоземельні метали (РЗМ) - лантаноїди, що застосовуються для модифікування сталі;

лужні і лужноземельні метали Na, К, Li, Ca у вільному стані застосовуються в якості жидкометаллических теплоносіїв в атомних реакторах; натрій також використовується в якості каталізатора у виробництві штучного каучуку, а літій - для легування легких і міцних алюмінієвих сплавів, Що застосовуються в літакобудуванні.

Про бщіе властивості металів обумовлені типом хімічного зв'язку в металах, яка називається металевим зв'язком. металева зв'язок - хімічний зв'язок, обумовлена \u200b\u200bнаявністю великої кількості не пов'язаних з ядрами рухливих електронів. Атоми металів відрізняються від атомів інших елементів тим, що порівняно слабо утримують свої зовнішні електрони. Тому в кристалічній решітці металу ці електрони залишають свої атоми, перетворюючи їх в позитивно заряджені іони:

Атоми металів, якщо їх порівнювати з атомами інших елементів, володіють найбільшою силою зв'язку. Внаслідок цього вони зближені так, що їх зовнішні оболонки перекривають один одного. Це полегшує відрив валентних електронів і перетворення в вузлах кристалічної решітки нейтральних атомів в позитивно заряджені іони. Відірвалися електрони мчать з незбагненною швидкістю (20 000 км / сек), бомблять іони, перетворюючи їх на мить в атоми і знову ускользая. Єдина система електронів в металевих речовинах називається електронним газом. Метал можна представити у вигляді кістяка з позитивних іонів, зануреного в електронний газ, який компенсує сили взаємного відштовхування позитивних іонів.

У свою чергу, електронний газ може вільно рухатися через решітку, що складається з іонів металу. У кристалах металів атоми іонізовані не повністю, і частина валентних електронів залишається пов'язаної. В результаті можлива поява частково ковалентних зв'язків між сусідніми атомами. Вклади іонної і ковалентного складової виявлені в багатьох металах. Металева зв'язок має ознаки, характерні як для ковалентного, так і для іонної зв'язку. Такий зв'язок існує не тільки в твердих кристалах металів, але і в розплавах і в аморфному стані.

Найважливішою ознакою металів вважають високу електропровідність, яка зменшується з ростом температури. Електрони в металі безладно рухаються, переходячи від одного атома до іншого. А позитивно заряджені іони лише злегка коливаються біля свого положення в кристалічній решітці. Завдяки наявності вільних, не пов'язаних з певними атомами електронів, метали добре проводять електричний струм і тепло. При нагріванні металу коливання катіонів посилюються. Електронам важче просуватися між ними, тому електричний опір металу збільшується.

Наявність вільних електронів зумовлюють високу теплопровідність металів і характерний металевий блиск. Їх висока пластичність і гнучкість пов'язані з можливістю взаємного зміщення катіонів в металевій кристалічній решітці без розриву хімічного зв'язку.

Фізичні властивості металів, такі як високу тепло- і електропровідність, пластичність і гнучкість, характерний (металевий) блиск можна пояснити виходячи з уявлень про електронний газі. Однак кількісні розрахунки з використанням такої моделі будови металевих кристалів не завжди приводять до результатів, що збігається з експериментальними даними. Тому для більш суворого опису стану електронів в металі використовують квантово-хімічні методи. Розглянемо освіту енергетичних зон на прикладі уявного процесу освіти кристала літію (лужний метал) шляхом послідовного додавання атомів.

На рис. 4 зображені схеми енергетичних рівнів двох ізольованих атомів. Якщо атоми розташовані далеко один від одного (ізольовані), то схеми їх енергетичних рівнів будуть абсолютно однакові: два електрона з різною орієнтацією спінів на рівнях 1s і по одному електрону на рівнях 2s. При зближенні двох атомів на відстань, де їх взаємодією вже не можна знехтувати, енергетична схема повинна змінитися. На рис. 5 зображена енергетична схема системи з двох атомів .

Мал. 5

Звернемо увагу на те, що верхній підрівень 2s виявився вільним. Величина розщеплення рівнів ΔE залежить від відстані між атомами. Величина ΔE 1 енергетичний і просторова схеми системи з трьох атомів.

Продовжуючи додавати в нашу систему атоми і розмірковуючи аналогічно, ми прийдемо до висновку, що для системи з N атомів кожен з рівнів ізольованого атома розщеплюється на N підрівнів. Енергетична схема системи, що складається з N атомів літію , Зображена на рис.7

Систему підрівнів називають дозволеної зоною. У кристалі літію утворилося дві дозволених зони: з 1s і 2s рівнів ізольованого атома. Зона, що вийшла з 1s рівня, повністю заповнена. Зона, що утворилася з валентного 2s рівня, заповнена наполовину (на наших схемах заповнення позначено штрихуванням в клітинку). Між цими зонами може знаходиться інтервал енергій, заборонених для електронів: це - заборонена зона, Її ширину ми позначаємо ΔE зап.

Неважко зрозуміти, що кристал з подібною зонного схемою буде добре проводити електричний струм: електрони наполовину заповненою валентної зони можуть під дією зовнішнього електричного поля збільшувати свою енергію і займати зону провідності. Всі метали добре проводять електричний струм, так як мають енергетичну схему подібну схему кристала літію.

Чи буде проводити електричний струм речовина із зображеною на рис. 8 зонного схемою? Тут валентна зона повністю заповнена. Зона провідності вільна. Провідність речовини з подібною зонного схемою залежить від ширини забороненої зони ΔE зап і температури T.

При ΔE зап ≤ 3 еВ речовина відносять до напівпровідників, При більш широкою забороненою зоні - до діелектриків (Ізоляторів). Різкого розмежування між цими класами речовин немає. При T \u003d 0 (і відсутності інших зовнішніх впливів) кристали з подібною зонного схемою проводити електричний струм не будуть (якщо ΔE зап ≠ 0). Пояснюється це тим, що слабке зовнішнє електричне поле не зможе перевести електрони у вільну зону, тому, незважаючи на прикладена зовнішнє поле, електрони під його впливом не почнуть упорядкованого руху. У напівпровідників ΔE зап ≤ 3 еВ і при кімнатній температурі енергії теплового руху виявляється достатньою, щоб перевести деяку малу частину електронів у вільну зону. Там електрони можуть збільшувати свою енергію під дією слабкого зовнішнього електричного поля на будь-яку малу величину. Виникає впорядкований рух зарядів - електричний струм.

Металів I-III ... ПЛАНУ: Знаходження в природі. положення металів в пСХЕ Д. І. Менделєєва Будова атомів металів натрію, кальцію, алюмінію. Фізичні ...