Химические свойства металлов

Физические свойства металлов.

Строение металлов.

ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ

1. С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелко раздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет.

Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники -серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность металлов падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т. п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти' электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т. е. возникает электрический ток. Таким образом, высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов («электронного газа»).

Если принять во внимание, что находящиеся в узлах решетки ионы также не являются абсолютно неподвижными, а могут совершать небольшие колебания, то легко понять причину уменьшения электропроводности при нагревании. С повышением температуры колебательные движения ионов усиливаются, вследствие чего перемещение электронов между ними затрудняется.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т. д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

Изложенное выше представление о строении металлов из положительных ионов и свободных электронов согласуется также с типами кристаллических решеток металлов. В отличие от солей, в кристаллах которых узлы решетки попеременно заняты анионами и катионами, решетки металлов построены из одинаковых положи­тельных ионов. Так как электроны ввиду их ничтожных размеров требуют очень мало места, то обычно ионы металла располагаются по одному из способов наиболее плотной упаковки шаров равного диаметра.

Таких способов имеется всего два. При одном из них шары размещаются так, что они занимают вершины кубов и центры их граней. Подобного рода строение имеют кристаллы серебра, золота, родия, платины, никеля, алюминия, свинца и железа.

Другой способ максимально плотной упаковки шаров (в виде призмы). Такое расположение ионов встречается в кристаллах бериллия, магния, цинка, кадмия, осмия, титана и др. В обоих случаях упаковка получается одинаковой плотности, т. е. определенное число шаров занимает один и тот же объем. Каждый шар окружен двенадцатью другими шарами; следовательно, координационное число таких решеток равно двенадцати.

Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, допускающим легкое скольжение одних слоев ионов относительно других под влиянием внешнего воздей­ствия. Некоторые сплавы, имеющие, подобно металлам, кубические решетки с центрированными гранями, тоже обладают большой пластичностью (латунь, бронза). В тех же случаях, когда однородность структуры металла нарушается от добавления дру- гого металла, сплавы, наоборот, отличаются твердостью и хруп­костью.

При механической обработке металла вследствие многократ­ного смещения ионных слоев порядок расположения ионов нару­шается, металл становится как бы аморфным и пластичность его уменьшается, а твердость увеличивается. Однако обработанному металлу (например, тянутой стальной проволоке) можно вернуть пластичность путем «обжига», т. е. нагревания до такой темпера­туры, при которой он снова становится кристаллическим.

По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы; плотность которых не больше 5 г/см³, и тяжелые металлы - все остальные. Легкие металлы являются в общем и наиболее легкоплавкими. Среди тяжелых металлов, наоборот, очень много тугоплавких. Самую низкую температуру плавления после ртути имеет цезий (28,5 °С), самую высокую — вольфрам (3380 °С).

Температуры кипения металлов в большинстве случаев очень высоки. Например, медь кипит при 2877 °С, железо - при 2770 °С, платина - при 3710 °С. Пары металлов одноатомны.

Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоя­нии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью. В соответствии с изложенным выше, она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

3. Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены только положительно. Поэтому металлы называют «электроположительными» элементами в отличие от «электроотрицательных» элементов - металлоидов, для которых более характерна способность присоединять электроны.

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные элек­троны, типичные металлы являются энергичными восстановителями. Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.

Сравнивая активность свинца и меди, легко убедиться, что свинец более активен, чем медь, так как он вытесняет медь из ее солей, а медь не может вытеснять свинец

РЬ + Си = Си + РЬ

Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено Бекетовым, расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называе­мый «вытеснительный ряд». В настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений, так как положение каждого металла в ряду точно определяется величиной электрического напряжения, или разности потенциалов, возни­кающей при погружении данного металла в раствор его соли. Для наиболее важных металлов ряд напряжений имеет вид:

Дата добавления: 2014-01-05