Глава 8. Общие свойства металлов

Элементы-металлы. Особенности строения их атомов. Положение металлов в периодической системе Д.И. Менделеева

Металлы — простые вещества, их строение и свойства

Опишите внешний вид металлов (медь, алюминий, ртуть).
Сравните агрегатное состояние и физические свойства этих металлов и неметаллов.

Вы знакомы со многими металлами. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях являются твердыми веществами. Металлы в кристаллическом состоянии обладают общими физическими свойствами: металлическим блеском, непрозрачностью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью. Такими общими свойствами в комплексе не обладают неметаллы, а также химические соединения с ковалентной и ионной связью. Свойства веществ зависят от строения.

Проблема. Какова химическая связь атомов в металле?

Для решения данной проблемы обратимся к строению атомов металлов. Главной особенностью атомов металлов является наличие у них на внешних энергетических уровнях небольшого числа электронов (один, два, реже три или четыре). Еще меньше на этих уровнях имеется неспаренных электронов, сравнительно слабо связанных с ядром атома и обладающих низкой энергией ионизации. Этих электронов у атома металла явно недостаточно, чтобы с другим атомом образовать прочную связь и достичь устойчивой восьмиэлектронной конфигурации (как в случае образования ковалентной связи).

Экспериментально доказано, что в парообразном состоянии некоторые металлы находятся в виде двухатомных ковалентных молекул, например Li₂. Энергия связи в таких молекулах невелика по сравнению с подобными молекулами неметаллов (у Li₂ она равна 108 кДж/моль, тогда как у H₂ — 438 кДж/моль).

Задание. Составьте схему образования молекулы лития Li₂, раскройте механизм ее образования.

При образовании общей электронной пары, связывающей атомы лития

не достигается устойчивая структура внешнего слоя. Следовательно, молекулярное состояние для металлов не является энергетически выгодным. Очевидно, что для металлов характерен иной вид химической связи.

Итак, внешних и особенно неспаренных электронов у атомов металлов явно недостаточно, чтобы образовать устойчивую восьмиэлектронную конфигурацию атома. В этом случае для ее образования требуются электроны множества атомов металлов, которые «сбрасывают» свои неспаренные электроны в общее пользование. Эти электроны оказываются принадлежащими всем участвующим в этом процессе атомам. Между ними устанавливается связь, называемая металлической. Ее обеспечивают свободно перемещающиеся в объеме металла электроны, принадлежащие всем атомам, в виде «электронного газа».

Металлическая связь — это химическая связь между атомами металла, осуществляемая посредством общих свободно перемещающихся электронов, принадлежащих всем атомам.

Результатом связывания атомов металлов является образование кристалла металла. Следствием свободного перемещения электронов и являются характерные физические свойства: теплопроводность, электропроводность и др.

Металлическая связь достаточно прочная, у лития ее энергия равна 317 кДж/моль (сравните: энергия ковалентной химической связи у молекулы Li₂ равна 108 кДж/моль).

Атомы металла, «сбросившие» валентные электроны, превращаются в положительно заряженные ионы — катионы, которые могут вновь притягивать к себе электроны из электронного газа и превращаться в нейтральные атомы:

Следовательно, система «атом — ион» очень подвижна.

Металлическая связь характерна для типичных металлов в твердом и жидком состояниях, для их сплавов и их интерметаллических соединений, образованных атомами разных металлических элементов.

Основные понятия

Строение атомов металлов • Металлическая связь

Вопросы и задания

1. Сравните физические свойства простых веществ: магния и серы.

2. Если нагревать кусочек калия, помещенного в хлоркальциевую трубку, через которую пропускают ток чистого водорода, то появляются зеленоватые пары газообразного металла. В каком виде находятся там атомы металла и как они связаны между собой?

3. Какая связь называется металлической и как она образуется?

4. Каковы особенности металлической связи?

5. Укажите сходство и различие ковалентной и металлической связи на примерах соединений атомов калия (молекулярного и твердого).

<<< К началу параграфа