Положение металлов в периодической системе. Физические свойства

В периодической системе Д. И. Менделеева из 110 элементов 87 являются металлами. Они находятся в I, II, III группах, в побочных подгруппах всех групп. Кроме того, металлами являют­ся наиболее тяжелые элементы IV, V, VI и VII групп. Однако многие металлы обладают амфотерными свойствами и иногда могут вести себя как неметаллы. Особенностью строения атомов металлов является небольшое число электронов во внешнем энер­гетическом уровне, не превышающее трех. Атомы металлов имеют, как правило, большие атомные радиусы. В периодах наи­большие атомные радиусы у щелочных металлов. Они наиболее химически активны, т.е. атомы металлов легко отдают электроны и являются хорошими восстановителями. Лучшие восстановите­ли — металлы I и II групп главных подгрупп. В соединениях металлы всегда проявляют положительную степень окисления, обычно от +1 до +4. В соединениях с неметаллами типичные металлы образуют химическую связь ионного характера. В виде простого вещества атомы металлов связаны между собой так на­зываемой металлической связью.

Металлическая связь — особый вид связи, присущий исклю­чительно металлам. Сущность ее в том, что от атомов металла постоянно отрываются электроны, которые перемещаются по всей массе куска металла.

Атомы металла, лишенные электронов, превращаются в по­ложительные ионы, которые снова притягивают к себе движу­щиеся электроны. Одновременно другие атомы металла отдают электроны. Таким образом, внутри куска металла постоянно цир­кулирует так называемый электронный газ, который прочно свя­зывает между собой все атомы металла. Электроны оказываются как бы обобществленными всеми атомами металла. Такой особый тип химической связи между атомами металлов обуславливает как физические, так и химические свойства металлов.

Металлы обладают рядом сходных физических свойств, отли­чающих их от неметаллов. Чем больше валентных электронов имеет металл, тем прочнее кристаллическая решетка, тем проч­нее и тверже металл, тем выше его температура плавления и кипения и т.д.

Все металлы обладают более или менее ярко выраженным блеском, который принято называть металлическим, и непро­зрачностью, что связано с взаимодействием свободных электро­нов с падающими на металл квантами света. Металлический блеск характерен для куска металла в целом. В порошке металлы темного цвета, за исключением серебристо-белых магния и алю­миния. Алюминиевая пыль используется для изготовления крас­ки «под серебро». Многие металлы обладают жирным или стек­лянным блеском.

Цвет металлов довольно однообразен: он либо серебристо-белый (алюминий, серебро, никель), либо серебристо-серый (же­лезо, свинец). Только золото желтого цвета, а медь — красного. По технической классификации металлы делятся условно на чер­ные и цветные. К черным относятся железо и его сплавы. Все остальные металлы называются цветными.

Все металлы, за исключением ртути, — твердые вещества с кристаллической структурой, поэтому температуры плавления их выше нуля, только температура плавления ртути -З9°C. Наи­более тугоплавким металлом является вольфрам (3380°С). Метал­лы, плавящиеся при температуре выше 1000°С, называют туго­плавкими, ниже — легкоплавкими.

Металлы обладают различной твердостью. Самый твердый металл — хром (режет стекло), а самые мягкие — калий, рубидий, цезий. Они легко режутся ножом.

Металлы более или менее пластичны (обладают ковкостью). Наиболее ковким металлом является золото. Из него можно вы­ковать фольгу толщиной 0,0001 мм — в 500 раз тоньше человечес­кого волоса. Однако не обладают пластичностью Mn и Bi — это хрупкие металлы.

Пластичностью называют способность к сильной деформации без нарушения механической прочности. При воздействии, вызы­вающем смещение частиц тела с ионной или атомной решеткой, происходит разрыв направленных связей, и тело разрушается. У металлов же связи образуются за счет электронного газа. Они не имеют направленности. Поэтому сохраняется целостность куска металла при изменении формы. Пластичность металлов исполь­зуется при их прокате.

По плотности металлы разделяются на тяжелые и легкие. Тяжелыми считаются те, плотность которых больше 5 г/см . Самым тяжелым металлом является осмий (22,61 г/см ). Наибо­лее легкие металлы — литий, натрий, калий (плотность меньше единицы). Плотность металла тем меньше, чем меньше атомная масса элемента-металла и чем больше радиус его атома. Широкое применение в промышленности получили легкие металлы — маг­ний и алюминий.

Металлы характеризуются высокой электро- и теплопровод­ностью. Наиболее электро- и теплопроводно серебро, на втором месте стоит алюминий. Металлы с высокой электропроводностью имеют и высокую теплопроводность. Теплопроводность обуслав­ливается высокой подвижностью свободных электронов и колеба­тельным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе тела. Хорошая электропро­водность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разницы по­тенциалов приобретают направленное движение от отрицатель­ного полюса к положительному.

Металлы проявляют магнитные свойства. Хорошо намагни­чиваются железо, кобальт, никель и их сплавы. Такие металлы и сплавы называются ферромагнитными.