Л.п.иванова, учитель химии новинской средней школы (астраханская обл.)

Как вам уже известно из курса химии 8 класса, большинство химических элементов относят к металлам (рис. 24 и 25).

Рис. 24.
Положение химических элементов-металлов в Периодической системе Д. И. Менделеева (короткопериодный вариант)

В Периодической системе Д. И. Менделеева каждый период, кроме первого (он включает в себя два элемента-неметалла - водород и гелий), начинается с активного химического элемента-металла. Эти элементы образуют главную подгруппу I группы (IA группу) и называются щелочными металлами. Своё название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, - щелочей.

Рис. 25.
Положение химических элементов-металлов в Периодической системе Д. И. Менделеева (длиннопериодный вариант)

Атомы щелочных металлов содержат на внешнем энергетическом уровне только один электрон, который они легко отдают при химических взаимодействиях, поэтому являются сильнейшими восстановителями. Понятно, что в соответствии с увеличением радиуса атома восстановительные свойства щелочных металлов усиливаются от лития к францию.

Следующие за щелочными металлами элементы, составляющие главную подгруппу II группы (IIA группы), также являются типичными металлами, обладающими сильной восстановительной способностью (их атомы содержат на внешнем уровне два электрона). Из этих металлов кальций, стронций и барий называют щёлочноземельными металлами. Такое название эти металлы получили потому, что их оксиды, которые на Руси в старину называли «землями», при растворении в воде образуют щёлочи.

К металлам относят и химические элементы главной подгруппы III группы (IIIA группы), исключая бор.

Из элементов главных подгрупп следующих групп к металлам относят: в IVA группе - германий * , олово, свинец (первые два элемента - углерод и кремний - неметаллы), в VA группе - сурьму и висмут (первые три элемента - неметаллы), в VIA группе только последний элемент - полоний - явно выраженный металл. В главных подгруппах VIIA и VIIIA групп все элементы - типичные неметаллы.

* Германий проявляет и некоторые неметаллические свойства, занимая промежуточное положение между металлами и неметаллами.

Что касается элементов побочных подгрупп, то все они металлы.

Таким образом, условная граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами проходит по диагонали В (бор) - Si (кремний) - As (мышьяк) - Те (теллур) - At (астат) (проследите её в таблице Д. И. Менделеева).

Атомы металлов имеют сравнительно большие размеры (радиусы), поэтому их внешние электроны значительно удалены от ядра и слабо с ним связаны. Вторая особенность, которая присуща атомам наиболее активных металлов, - это наличие на внешнем энергетическом уровне 1-3 электронов. Отсюда вытекает самое характерное химическое свойство всех металлов - их восстановительная способность, т. е. способность атомов легко отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы. Металлы - свободные атомы и простые вещества - не могут быть окислителями, т. е. атомы металлов не могут присоединять к себе электроны.

Следует, однако, иметь в виду, что деление химических элементов на металлы и неметаллы условно. Вспомните, например, свойства аллотропных модификаций олова: серое олово, или α-олово, - неметалл, а белое олово, или β-олово, - металл. Другой пример - модификации углерода: алмаз - неметалл, а графит имеет некоторые характерные свойства металла, например электропроводность. Хром, цинк и алюминий - типичные металлы, но образуют оксиды и гидроксиды амфотерного характера. И наоборот, теллур и иод - типичные неметаллы, но образованные ими простые вещества обладают некоторыми свойствами, присущими металлам.

Новые слова и понятия

1. Диагональ В-Si-As-Те-At.
2. Щелочные и щёлочноземельные металлы.
3. Восстановительные свойства металлов.
4. Относительность деления химических элементов на металлы и неметаллы.

Задания для самостоятельной работы

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• положение металлов в периодической системе;
• биологическую роль и применение металлов в медицине;

уметь

• охарактеризовать особенности строения атомов металлических элементов;
• описывать природу металлической связи и ее отличия от обычной ковалентной или ионной связи;
• объяснять особенности кристаллической структуры металлов;
• составлять уравнения реакций, характеризующих химические свойства металлов;
• описывать важнейшие способы получения металлов, реакции обнаружения катинов металлов;

владеть

Навыками интерпретации важнейших свойств металлов в соответствии с их положением в периодической системе.

Положение в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и общие свойства металлов

Более 80% известных химических элементов являются металлами, и в соответствии со строением электронных оболочек к ним относятся s-элемен- ты 1-й и 2-й групп, все элементы d- и /-семейств, p-элементы 13-й группы (кроме бора), а также олово и свинец (14-я группа), висмут (15-я группа) и полоний (17-я группа). Металлы в большинстве своем имеют на внешнем энергетическом уровне 1-2 электрона. Этим объясняется их слабая по сравнению с неметаллами электроотрицательность.

Элементы-металлы, относящиеся к 5-семейству, составляют 1-ю и 2-ю группы, а принадлежащие к J-семейству - 3-12-ю группы. У атомов d- элементов внутри периодов слева направо происходит заполнение ^-подуровней предвнешнего уровня.

Металлы, в атомах которых происходит заполнение /-подуровней третьего от конца уровня, образуют семейства лантаноидов и актиноидов, каждое из которых содержит по 14 элементов.

Физические свойства. Металлы имеют кристаллическую структуру, и для них характерны три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная, гексагональная и кубическая объемно-центрированная (см. рис. 5.7 в параграфе 5.2).

Электрическая проводимость, которая является важнейшей физической характеристикой металлического состояния, осуществляется этими электронами. По этой причине металлы относятся к проводникам I рода, т.е. к веществам, в межатомном пространстве которых всегда есть свободные электроны, и благодаря последним создается ток в проводнике. Проводники II рода - это электролиты.

Если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, то свободные электроны приобретают направленное движение и перемещаются от отрицательного полюса к положительному, т.е. создается направленный поток движущихся электронов - электрический ток.

Электрическая проводимость металлов сильно зависит от температуры. С повышением температуры колебательные движения ионов в узлах решетки усиливаются, а это, в свою очередь, очень препятствует направленному движению электронов. С понижением температуры тепловые колебания ионов в узлах сильно уменьшаются и электрическая проводимость увеличивается. При температурах, близких к абсолютному нулю, у большинства металлов проявляется сверхпроводимость.

Теплопроводимость металлов также связана с подвижностью свободных электронов и колебательным движением самих атомов. Эти колебания распространяются в виде системы упругих тепловых волн но всей кристаллической решетке. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися атомами и обмениваются с ними энергией. Поэтому при нагревании металла тепловая энергия незамедлительно передается от одних атомов к другим благодаря свободным электронам. При этом сравнительно быстро происходит выравнивание температуры по всей массе металла.

Все металлы, за исключением ртути, являются твердыми веществами. Ртуть - единственный металл, жидкий при обыкновенных условиях: температура плавления равна -39°С. Большинство металлов имеет цвет от темно-серого до серебристо-белого. В промышленности существует разделение металлов на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и все его сплавы, а остальные металлы - к цветным. Иногда особо выделяют благородные металлы - золото и платиновые металлы.

По плотности металлы делят на легкие и тяжелые. К первым относят такие, у которых плотность меньше 5 г/см 3 ; ко вторым - у которых плотность больше 5 г/см 3 .

По значениям температур плавления металлы делят на легкоплавкие (температура плавления меньше 1000°С) и тугоплавкие (температура плавления больше 1500°С). К числу главных механических свойств относятся: упругость - свойство восстанавливать свою первоначальную форму после снятия деформирующих сил; пластичность - состояние металла, в котором он способен сохранять изменение формы, вызванное воздействием деформирующих сил после того, как их действие прекращено.

Химические свойства. Свойства металлов обусловлены характерным строением их внешних электронных оболочек.

Как уже указывалось, в пределах периода с увеличением заряда ядра радиусы атомов при одинаковом числе электронных оболочек уменьшаются. В каждом периоде наибольшими радиусами обладают атомы щелочных металлов. Чем меньше радиус атома, тем больше энергия ионизации, а чем больше радиус атома, тем эта энергия меньше. Поскольку атомы щелочных металлов обладают наибольшими радиусами атомов, то для них характерны в целом сравнительно низкие значения энергии ионизации и сродства к электрону.

Свободные металлы проявляют исключительно восстановительные свойства.

Металлы образуют оксиды М х О у, например:

С галогенами металлы образуют галогениды, которые являются солями соответствующих галогеноводородных кислот:

Металлы способны присоединить водород, образуя гидриды. Реакция обычно протекает при температуре 350-400°С:

Характерны реакции металлов, стоящих в ряду активности металлов до водорода, с кислотами. Если металл взаимодействует с кислотой, анион которой не является окислителем, то функции окислителя выполняет протон кислоты:

Некоторые металлы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды, вступают в реакцию и со щелочами:

Металлы взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами (подробно см. соответствующие главы).

При взаимодействии с водными растворами солей нейтральный атом более активного металла, окисляясь, восстанавливает ион металла из молекулы соли:

Реакции протекают в соответствии с положением металлов в электрохимическом ряду напряжений (см. гл. 8).

Активные металлы взаимодействуют с водой:

Получение. Большинство металлов в природе встречается в виде соединений, и лишь немногие из них (благородные и полублагородные) - в самородном состоянии.

Природные материалы и горные породы, которые содержат соединения металлов, называют рудами. Все способы получения металлов из руд основаны на реакциях восстановления. Восстановление безводных соединений металлов при высоких температурах называется пирометаллургическим процессом. В качестве восстановителей используют либо металлы (металлотермия), либо углерод (карботермия).

Частным случаем металлотермии является алюминотермия:

Металлотермией обычно пользуются для получения тугоплавких металлов, таких как титан, молибден, хром, вольфрам и др.:

В основе карботермии лежит термическое восстановление металла из его оксида углеродом (или СО):

Восстановление металлов из их оксидов может быть проведено и с помощью водорода:

Из водных растворов солей металлы могут быть восстановлены электролизом. Катодное восстановление металлов из растворов или расплавов солей называется электрометаллургическим процессом.

Некоторые методы получения будут рассмотрены более подробно при изучении конкретных представителей металлов.

Сплавы. Характерной особенностью металлов является их способность смешиваться друг с другом в расплавленном состоянии и образовывать гомогенные смеси. Они остаются гомогенными и после охлаждения. Системы, образующиеся при затвердении расплавленной смеси металлов, называются сплавами. В более широком смысле сплавы можно рассматривать как макроскопически однородные системы, состоящие из двух или нескольких металлов (реже - металлов и неметаллов). Строение сплавов может быть различным. Составные части сплавов могут образовать твердый раствор, либо макрооднородную механическую смесь, либо химическое соединение (интерметаллические соединения). Образование того или иного типа сплава зависит от активности металлов. Системы в виде твердых растворов образуются между металлами одной и той же группы или же металлами, у которых близки радиусы атомов.

Химическая связь в сплавах металлическая, благодаря чему они обладают электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском (это блеск металлов, например блестят золото, сталь и др.) и т.д.

При взаимодействии металлов друг с другом образующиеся соединения по свойствам отличаются от свойств составных компонентов. Формульный состав интерметаллических соединений не всегда удовлетворяет классическим представлениям о валентности элементов.

Так, ртуть соединяется со многими металлами с образованием твердых или жидких композиций - сплавов, называемых амальгамами. Щелочные и щелочно-земельные металлы образуют устойчивые амальгамы, представляющие собой твердые вещества состава NaHg 9 , KHg 2 , Callg и т.д.

Сплавы, как правило, имеют температуру плавления более низкую, чем температура плавления входящих в их состав металлов. Твердость сплавов намного выше твердости отдельных металлов. Коррозионная стойкость многих сплавов выше, чем индивидуальных металлов.

Бо льшая часть известных химических элементов образует простые вещества металлы.

К металлам относятся все элементы побочных (Б) подгрупп, а также элементы главных подгрупп, расположенные ниже диагонали «бериллий - астат» (Рис. 1). Кроме того, химические элементы металлы образуют группы лантаноидов и актиноидов.

Рис. 1. Расположение металлов среди элементов подгрупп А (выделены синим)

По сравнению с атомами неметаллов, атомы металлов имеют бо льшие размеры и меньшее число внешних электронов, обычно оно равно 1-2. Следовательно, внешние электроны атомов металлов слабо связаны с ядром, металлы их легко отдают, проявляя в химических реакциях восстановительные свойства.

Рассмотрим закономерности изменения некоторых свойств металлов в группах и периодах.

В периодах с увеличением заряда ядра радиус атомов уменьшается. Ядра атомов все сильнее притягивают внешние электроны, поэтому возрастает электроотрицательность атомов, металлические свойства уменьшаются. Рис. 2.

Рис. 2. Изменение металлических свойств в периодах

В главных подгруппах сверху вниз в атомах металлов возрастает число электронных слоев, следовательно, увеличивается радиус атомов. Тогда внешние электроны будут слабее притягиваться к ядру, поэтому наблюдается уменьшение электроотрицательности атомов и увеличение металлических свойств. Рис. 3.

Рис. 3. Изменение металлических свойств в подгруппах

Перечисленные закономерности характерны и для элементов побочных подгрупп, за редким исключением.

Атомы элементов металлов склонны к отдаче электронов. В химических реакциях металлы проявляют себя только как восстановители, они отдают электроны и повышают свою степень окисления.

Принимать электроны от атомов металлов могут атомы, составляющие простые вещества неметаллы, а также атомы, входящие в состав сложных веществ, которые способны понизить свою степень окисления. Например:

2Na 0 + S 0 = Na +1 2 S -2

Zn 0 + 2H +1 Cl = Zn +2 Cl 2 + H 0 2

Не все металлы обладают одинаковой химической активностью. Некоторые металлы при обычных условиях практически не вступают в химические реакции, их называют благородными металлами. К благородным металлам относятся: золото, серебро, платина, осмий, иридий, палладий, рутений, родий.

Благородные металлы очень мало распространены в природе и встречаются почти всегда в самородном состоянии (Рис. 4). Несмотря на высокую устойчивость к коррозии-окислению, эти металлы все же образуют оксиды и другие химические соединения, например, всем известны соли хлориды и нитраты серебра.

Рис. 4. Самородок золота

Подведение итога урока

На этом уроке вы рассмотрели положение химических элементов металлов в Периодической системе, а также особенности строения атомов этих элементов, определяющие свойства простых и сложных веществ. Вы узнали, почему химических элементов металлов значительно больше, чем неметаллов.

Список литературы

1. Оржековский П.А. Химия: 9-й класс: учеб для общеобр. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. - М.: Астрель, 2013. (§28)
2. Рудзитис Г.Е. Химия: неорган. химия. Орган. химия: учеб. для 9 кл. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§34)
3. Хомченко И.Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008. (с. 86-87)
4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003.

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (видеоопыты по теме) ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().

Домашнее задание

1. с. 195-196 №№ 7, А1-А4 из учебника П.А. Оржековского «Химия: 9-й класс» / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. - М.: Астрель, 2013.
2. Какими свойствами (окислительными или восстановительными) может обладать ион Fe 3+ ? Ответ проиллюстрируйте уравнениями реакций.
3. Сравните радиус атомов, электроотрицательность и восстановительные свойства натрия и магния.

Часть I

1. Положение металлов (М) в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Условная диагональ от В к At через элементы А групп: IV → V → VI. На диагонали и над ней расположены неметаллы, а под ней – металлы.
Только из М состоят В группы. Всего из 110 элементов к металлам относят 88 элементов.
IA группа – это щелочные металлы.
IIA группа – это щелочноземельные металлы.

2. Особенности строения атомов М:

1) число е во внешнем слое атома 1-3;
2) R атома – большие размеры.

3. Относительность деления элементов на М и НМ (приведите примеры):

1) серое олово – НМ, белое олово – М.
2) графит – НМ, но электропроводный.
3) Cr, Zn, Al – М, но амфотерные.

4. Металлическая химическая связь – это связь в металлах и сплавах между атом-ионами посредством обобществлённых е.

Общая схема образования металлической связи:

5. Заполните таблицу «Строение и свойства металлов».

6. Запишите признаки, по которым можно различить пластины, изготовленные:

а) из алюминия и меди – цвет, плотность, электро- и теплопроводность
б) из свинца и алюминия – цвет, плотность, температура плавления
в) из серебра и графита – цвет, форма, электропроводность.

7. Используя рисунки, заполните пропуски, чтобы получилась последовательность: название металла (ов), свойства (о), область (и) применения.

а) чугунная батарея - чугун, теплопроводность, прочность, износостойкость. В хозяйстве, быту, металлургии.
б) алюминиевая фольга – алюминий, легко раскатывается, пластичность, высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость. В пищевой промышленности, производство сплавов.
в) стальные кнопки и скрепки – сталь, «мягкая» сталь, эластична, легко гнется, не ржавеет, прочная и твердая. Во всех отраслях народного хозяйства.
г) металлическая опора – железо (сталь), прочны, твердые, не подвергаются действию среды. Во всех отраслях народного хозяйства.
д) купола – золото, инертное, внешний вид. Используется в строительстве – прокатка, в ювелирном деле.
е) термометр – ртуть (жидкий металл), расширяется при нагревании, в медицинских термометрах. Получение сплавов, для добычи золота. Лампы.

8. Заполните таблицу «Классификация металлов».

9. Сплав – это – это однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

10. Чёрные сплавы:

11. Заполните таблицу «Сплавы и их компоненты».

12. Подпишите названия сплавов, из которых могут быть сделаны изображённые на рисунках предметы.

а) сталь
б) мельхиор
в) дюралюминий
г) бронза
д) бронза
е) чугун

Часть II

1. Атомы металлов, имеющие во внешнем слое:

а) 5е – Sb (сурьма), Bi (висмут)
б) 6е – Po (полоний)

Почему?
Они расположены в 5 и 6 группах соответственно

2. Атом металла, имеющий во внешнем слое 3е , - бор.
Почему?
Он расположен в 3 группе.

3. Заполните таблицу «Строение атома и химическая связь».

4. Исключите «лишний элемент».
4) Si

5. Какая из следующих групп элементов содержит только металлы?
Нет правильного ответа

6. Какое физическое свойство не является общим для всех металлов?
3) твёрдое агрегатное состояние при стандартных условиях

7. Какое утверждение верно?
4) атомы металлов и металлы – простые вещества проявляют только восстановительные свойства.

8. Все элементы главных подгрупп являются металлами, если они расположены в Периодической системе ниже диагонали:
3) бор – астат

9. Число электронов на внешнем электронном уровне атома металла, находящегося в главной подгруппе Периодической системы, не может быть равно:

Классификации:

Все неорганические соединения делятся на две большие группы:

Простые вещества - состоят из атомов одного элемента;

Сложные вещества - состоят из атомов двух или более элементов.

Простые вещества

• неметаллы

  амфотерные простые вещества

  благородные газы

Сложные вещества по химическим свойствам делятся на:

осно́вные оксиды

кислотные оксиды

амфотерные оксиды

двойные оксиды

несолеобразующие оксиды

Гидроксиды;

основания

• амфотерные гидроксиды

средние соли

кислые соли

осно́вные соли

двойные и/или комплексные соли

бинарные соединения:

бескислородные кислоты

бескислородные соли

прочие бинарные соединения

Неорганические вещества, содержащие углерод:

Данные вещества традиционно относятся к области неорганической химии:

Карбонаты

• Оксиды углерода

• Неорганические тиоцианаты (роданиды)

  Селеноцианаты

Карбонилы металлов

Металлы - группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами , такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Характерные свойства металлов

Металлический блеск

Хорошая электропроводность

Возможность лёгкой механической

Высокая плотность

Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)

Большая теплопроводность

В реакциях чаще всего являются восстановителями окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

Неметаллы - химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы.

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов, и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.

Вопрос 25:

Электрохимический ряд активности (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) металлов - последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения ихстандартных электрохимических потенциалов, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в

Соли взаимодействуют с металлами - более активные металлы, расположенные левее в электрохимическом ряду напряжений**, вытесняют из солей менее активные металлы. Например, железо вытесняет медь из раствора хлорида меди (II): Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu↓

Вопрос 28: Металлы, их положение в периодической системе химических элементов д.И. Менделеева, строение их атомов, металлические связи. Общие химические свойства металлов.

Положение металлов в периодической системе.

Все химические элементы принято делить на металлы и неметаллы. Большинство элементов (более 85 из 109 известных) - это металлы.

К металлам относятся s–элементы (элементы IA и IIA групп за исключением водорода и гелия); некоторые p–элементы (Al, Sn, Pb и другие); все d–элементы (элементы побочных подгрупп); все f–элементы (лантаноиды и актиноиды).

Так как металлические свойства элементов с увеличением заряда ядра их атомов в периодах ослабевают, а в главных подгруппах усиливаются, то наиболее активные металлы сосредоточены в левом нижнем углу периодической системы элементов.

Строение металлов .

Отличительные особенности в строении атомов металлов - их большие по сравнению с неметаллами размеры (радиус) и небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (как правило, 1-2 электрона, реже 3 или 4). Этим объясняется слабая связь внешних (валентных) электронов с ядром и способность атомов металлов легко отдавать эти электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Этот процесс обратим, катионы металлов могут вновь притягивать к себе электроны (не только «свои», но и «чужие», то есть «потерянные» другими атомами). Иными словами, электроны свободно перемещаются в объеме металла, являются общими, «коллективными», называемыми также «электронным газом». Эти электроны и обеспечивают химическую связь металлов. В отличие от ковалентной связи (чаще всего образуемой парой электронов между двумя соседними атомами), металлическая связь делокализована (многоцентровая).

Металлическая связь - это связь в металлах между атомами и ионами, образованная за счет обобществления электронов.

Металлическая связь бывает не только в чистых металах но также характерна для смесей разных металов, сплавов в разных агрегатных состояниях. Металлическая связь имеет важное значение и обуславливает основные свойства металлов - электропроводность – беспорядочное движение електронов в объеме металла. Но при небольшой разности потенциалов, чтобы электроны двигались упорядоченно. Металами с лучшей проводимостью являются Ag, Cu, Au, Al. - пластичность Связи между слоями металла не очень значительны, это позволяет перемещать слои под нагрузкой (деформировать металл не ломая его). Наилучше деформирующиеся металы (мягкие)Au, Ag, Cu. - металлический блеск Электронный газ отражает почти все световые лучи. Вот почему чистые металлы так сильно блестят и чаще всего имеют сенрый или белый цвет. Металы являющиеся наилучшими отражателями Ag, Cu, Al, Pd, H

Сильные восстановители: Me 0 – nē ® Me n+