Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Металлы — больше 90 элементов из 118. У их атомов на внешнем уровне обычно 1–3 электрона и большой радиус, поэтому они легко отдают электроны. В простых веществах металлов действует металлическая связь: катионы в узлах решётки скрепляют свободные электроны. Отсюда общие свойства — электро- и теплопроводность, блеск, пластичность.
Подробное объяснение
Ложка в горячем чае быстро нагревается, фольга блестит, из куска меди тянут проволоку. Почему у таких разных веществ похожие свойства? Ответ — в строении атомов.
Строение атомов металлов
У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне, как правило, один—три электрона. У элементов А-групп это валентные электроны — те, что участвуют в образовании связей. Связаны они с ядром слабо по двум причинам:
- Их мало. Чтобы получить устойчивую оболочку, как у благородного газа, атому проще отдать 1–3 электрона, чем принять 5–7.
- Радиус атома большой. Внешние электроны далеко от ядра и притягиваются слабее.
Если радиус очень большой, металлом становится даже элемент с 4–6 внешними электронами: олово, свинец, висмут, полоний.
Где металлы в Периодической системе
- В А-группах металлы занимают «левый фланг» (I–II группы) и нижнюю часть таблицы. Граница — условная диагональ от бора к астату: металлы А-групп лежат левее и ниже неё.
- Все элементы Б-групп (побочных подгрупп) — металлы. На их внешнем уровне один-два электрона, а заполняется предвнешний.
- Лантаноиды и актиноиды — тоже металлы.
Граница между металлами и неметаллами условна: германий, олово, сурьма проявляют переходные свойства.
Металлическая связь и решётка
Простые вещества, образованные металлами, тоже называют металлами, и названия у них одинаковые с элементами. Формулу простого вещества-металла пишут одним символом — \(\mathrm{Fe}\), \(\mathrm{Na}\), — потому что в нём нет отдельных молекул: это огромный кристалл.
В узлах металлической кристаллической решётки стоят катионы и атомы металла. Часть валентных электронов отрывается от атомов и свободно движется по всему кристаллу («электронный газ»). Эти общие электроны и скрепляют каркас из катионов. Такую связь называют металлической.
Физические свойства
Одни свойства металлов сильно различаются: литий легче воды, осмий — самый тяжёлый; ртуть при комнатной температуре жидкая, а вольфрам плавится лишь выше 3400 °C; натрий режется ножом, хром царапает стекло. Но благодаря свободным электронам у всех металлов есть общее:
- Электропроводность. В электрическом поле электроны движутся направленно — идёт ток. Лучше всего проводят серебро, медь, золото, алюминий; хуже — ртуть, свинец, вольфрам.
- Теплопроводность. Быстрые электроны переносят энергию из горячей части металла в холодную, поэтому кастрюли и радиаторы делают из металлов.
- Металлический блеск. Свободные электроны отражают свет. Ярче всего блестят серебро, ртуть, палладий; для покрытий используют никель и хром, которые не тускнеют.
- Пластичность. При ударе слои решётки сдвигаются, но электроны продолжают их связывать — металл гнётся, а не крошится. Самый пластичный металл — золото.
Чистые металлы часто слишком мягкие, поэтому их сплавляют с другими элементами: бронза (медь с оловом) хорошо льётся, дюралюминий намного прочнее алюминия. Железо и его сплавы называют чёрными металлами, все остальные — цветными.
Как решать задачи
- Найдите элемент в таблице: период — число энергетических уровней, номер А-группы — число внешних электронов.
- Проверьте положение относительно диагонали бор — астат или принадлежность к Б-группе.
- Объясняя свойство металла, свяжите его со свободными электронами и строением решётки.
- В задачах о частицах помните: протонов \(Z\), нейтронов \(N = A - Z\); в катионе \(\mathrm{Э^{n+}}\) электронов на \(n\) меньше, чем в атоме.
Разобранные примеры
Металл или неметалл по положению в таблице
Какие из элементов металлы: стронций, селен, ванадий, бор, висмут?
Стронций — IIA-группа, металл. Ванадий — побочная подгруппа V группы, а все элементы Б-групп — металлы. Висмут — VA-группа, но шестой период, он левее и ниже диагонали бор — астат: металл с большим радиусом атома. Селен — VIA-группа, четвёртый период, правее диагонали: неметалл. Бор стоит в начале диагонали и относится к неметаллам.
Элемент по составу атома
В ядре изотопа \(^{56}\mathrm{Э}\) 30 нейтронов. Какой это элемент и металл ли он?
- \(A = 56\)
- \(N = 30\)
- элемент
Число протонов \(Z = A - N = 56 - 30 = 26\). Элемент № 26 — железо, побочная подгруппа VIII группы, металл.
Почему провод не из серебра
Серебро проводит ток лучше всех металлов. Почему бытовые провода делают из меди, а линии электропередачи — из алюминия?
Серебро очень дорогое, его используют только для ответственных контактов. Медь проводит ток почти так же хорошо и стоит намного дешевле. Алюминий проводит хуже меди, но он втрое легче и дешевле — для длинных высоковольтных проводов, висящих на опорах, масса решает.
Типичные ошибки
У водорода один электрон, у бора — три, но это неметаллы: атомы маленькие, электроны удерживаются прочно.
Учитывайте и число внешних электронов, и радиус атома. Ориентир — диагональ бор — астат: металлы А-групп левее и ниже неё.
В ионном кристалле чередуются катионы и анионы. В металле анионов нет: катионы скрепляют свободные электроны, общие для всего кристалла.
Ионная связь — между металлом и неметаллом (\(\mathrm{NaCl}\)), металлическая — в простых веществах-металлах и сплавах (\(\mathrm{Na}\), \(\mathrm{Fe}\), бронза).
Хром, марганец, молибден стоят в VI–VII группах рядом с неметаллами, и их записывают в неметаллы.
Все элементы Б-групп — металлы: у них на внешнем уровне один-два электрона.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне у атомов большинства металлов?
Показать ответ
Ответ: А) От одного до трёх
Атомам металлов легче отдать 1–3 внешних электрона, чем принять недостающие до восьми.
-
Какие из перечисленных элементов — металлы?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Барий; В) Хром; Д) Ртуть
Барий — IIA-группа, хром — побочная подгруппа, ртуть — побочная подгруппа II группы. Мышьяк и иод — неметаллы.
-
Что скрепляет кристаллическую решётку металла?
Показать ответ
Ответ: В) Свободные электроны, движущиеся по всему кристаллу
В узлах решётки — катионы и атомы металла, а связь осуществляют обобществлённые электроны, свободно перемещающиеся по всему кристаллу.
-
Элемент стоит в пятом периоде, IA-группе. Каков его порядковый номер?
Показать ответ
Ответ: 37
Это рубидий \(\mathrm{Rb}\), порядковый номер 37 — щелочной металл.
-
Какие свойства металлов объясняются наличием свободных электронов?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Электропроводность; Б) Теплопроводность; В) Металлический блеск; Г) Пластичность
Свободные электроны переносят заряд и теплоту, отражают свет и удерживают слои ионов при их сдвиге. Плотность у металлов очень разная — от лития до осмия.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Выберите из перечня металлы: железо, сера, калий, бром, цинк, фосфор, барий, кремний. Запишите их символы.
Подсказка
Металлы — элементы I–II групп, все элементы побочных подгрупп и элементы левее и ниже диагонали бор — астат.
Решение
Металлы: железо \(\mathrm{Fe}\) (побочная подгруппа VIII группы), калий \(\mathrm{K}\) (IA), цинк \(\mathrm{Zn}\) (побочная подгруппа II группы), барий \(\mathrm{Ba}\) (IIA).
Сера, бром, фосфор и кремний — неметаллы: они стоят правее и выше диагонали бор — астат, на внешнем уровне у них 4–7 электронов.
Ответ
Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне у атомов натрия, магния и алюминия? Почему эти элементы — металлы?
Подсказка
Число внешних электронов у элемента А-группы равно номеру группы.
Решение
Натрий — IA-группа, 1 внешний электрон; магний — IIA, 2 электрона; алюминий — IIIA, 3 электрона.
Атому с одним—тремя внешними электронами проще отдать их, чем присоединить пять—семь чужих. Отдавая электроны, атом превращается в катион — это и есть металлические свойства.
Ответ
Атом элемента главной подгруппы имеет четыре энергетических уровня, на внешнем из них — два электрона. Что это за элемент? Металл ли он?
Подсказка
Число уровней — номер периода, число внешних электронов — номер А-группы.
Решение
Четыре уровня — четвёртый период, два внешних электрона — IIA-группа. На пересечении стоит кальций \(\mathrm{Ca}\), порядковый номер 20.
Кальций — металл: два внешних электрона и большой радиус атома.
Ответ
Плотность алюминия 2,7 г/см³, меди — 8,9 г/см³. На сколько граммов алюминиевый провод объёмом 100 см³ легче медного такого же объёма?
Подсказка
Масса равна произведению плотности на объём.
Решение
- \(\rho(\mathrm{Al}) = 2{,}7\) г/см³
- \(\rho(\mathrm{Cu}) = 8{,}9\) г/см³
- \(V = 100\) см³
- \(\Delta m\)
\(m(\mathrm{Cu}) = 8{,}9 \cdot 100 = 890\) г, \(m(\mathrm{Al}) = 2{,}7 \cdot 100 = 270\) г.
\(\Delta m = 890 - 270 = 620\) г. Поэтому провода дальних линий электропередачи делают из алюминия.
Ответ
Ион \(\mathrm{Э^{3+}}\) содержит 10 электронов. Определите элемент и найдите число нейтронов в ядре его атома с массовым числом 27.
Подсказка
Отдав три электрона, атом сохранил 10 — значит, электронов в атоме было на три больше.
Решение
- в ионе \(\mathrm{Э^{3+}}\) 10 электронов
- \(A = 27\)
- элемент
- \(N\)
В атоме электронов \(10 + 3 = 13\), значит, \(Z = 13\) — это алюминий \(\mathrm{Al}\).
\(N = A - Z = 27 - 13 = 14\).
Ответ
У атомов углерода и олова по четыре внешних электрона. Почему углерод — неметалл, а олово — металл?
Подсказка
Сравните радиусы атомов: углерод во втором периоде, олово — в пятом.
Решение
Число внешних электронов у них одинаковое, но радиусы разные. У углерода всего два энергетических уровня, внешние электроны близко к ядру и удерживаются прочно. У олова пять уровней, внешние электроны далеко от ядра и притягиваются слабо, поэтому атом олова сравнительно легко их отдаёт.
Олово стоит левее и ниже диагонали бор — астат, углерод — правее и выше. Олово — «пограничный» элемент: у него есть и переходные свойства, но как простое вещество белое олово — типичный металл.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Возьмите металлическую и деревянную ложку, опустите в горячую воду: металлическая нагреется быстро — её «свободные электроны» переносят тепло. Посмотрите в фольгу как в зеркало — блеск. Согните скрепку — она гнётся, а не ломается: это пластичность. Все три свойства — от электронов, которые свободно бегают между ионами металла.
Вопросы для проверки понимания: 1) Почему атомы металлов легко отдают электроны? 2) Где в таблице Менделеева металлы? 3) Чем металлическая связь отличается от ионной?
На что обратить внимание. Ребёнок должен связывать свойство со строением, а не заучивать список. Проверьте, что он помнит про металлы побочных подгрупп и про условность диагонали бор — астат.