Метали

Метали, прості речовини, що володіють в звичайних умовах характерними властивостями: високою електропровідністю і теплопровідністю, негативним температурним коефіцієнтом електропровідності, здатністю добре відображати електромагнітні хвилі (блиск і непрозорість), пластичністю. М. в твердому стані мають кристалічну будову. У пароподібному стані М. одноатомни.

  Перераховані вище характерні властивості М. обумовлені їх електронною будовою. Атоми М. легко віддають зовнішні (валентні) електрони. У кристалічній решітці М. не всі електрони пов'язані зі своїми атомами. Деяка їх частина (~ 1 на атом) рухлива. Ці електрони можуть більш менш вільно переміщатися по М. Существованіє вільних електронів (електронів провідності) в М. пояснюється зонною теорією (див. Тверде тіло ). М. можна уявити собі у вигляді остову з позитивних іонів, зануреного в «електронний газ». Останній компенсує сили електростатичного відштовхування між позитивними іонами і тим самим зв'язує їх в тверде тіло (металевий зв'язок).

  З відомих (1974) 105 хімічних елементів 83 — М. і лише 22 — неметали . Якщо в довгому або «напівдовгому» варіанті періодичної системи елементів Менделєєва провести пряму лінію від бору до астату (таблиця. 1), то можна вважати, що неметали розташовані на цій лінії і праворуч від неї, а М. — зліва.

  Не слідує, проте, абсолютизувати ні властивості, характерні для М., ні їх відмінності від неметалів. Металевий блиск властивий лише компактним металевим зразкам. Якнайтонші листки Ag і Au (завтовшки 10 ^-4 мм ) просвічують голубувато-зеленим кольором. Найдрібніші порошки М. часто мають чорний або чорно-сірий колір. Деякі метали (Zn, Sb, Bi) при кімнатній температурі крихкі і стають пластичними лише при нагріванні.

  Вся сукупність перерахованих вище властивостей властива типовим М. (наприклад, Cu, Au, Ag, Fe) за звичайних умов (атмосферному тиску, кімнатній температурі). При дуже високих тиску (~ 10 ⁵ —10 ⁶ ам ) властивості М. можуть істотно змінитися, а неметали набути металевих властивостей.

  Багато простих речовин по одних властивостях можна віднести до М., по ін. — до неметалів. Особливо багато такого роду «порушень» має місце поблизу кордону, проведеного в таблиці. 1. Так, Ge на вигляд — М., в хімічному відношенні проявляє себе швидше як М. (легше віддає електрони, чим приймає), а по величині і характеру електропровідності Ge — напівпровідник. Сурма Sb має електроопір дуже велике для М., проте температурний коефіцієнт опору в Sb позитивний і великий, як в М.; по здатності віддавати електрони Sb також відноситься к М. As, Sb і Bi інколи називають напівметалами . Po на вигляд — М., в хімічному відношенні йому властиві властивості і М., і неметала — поряд з позитивною валентністю (точніше окислювальним числом) виявляється і негативна (— 2).

  Металеві сплави по властивостях мають багато загального з М., тому у фізичній, технічній і економічній літературі незрідка к М. відносять також і сплави .

  Історична довідка. Термін «метал» стався від грецького слова métallon (від metalléuo — викопую, добуваю із землі), яке означало спочатку копальні, копальні (у цьому сенсі воно зустрічається в Геродота, 5 ст до н.е.(наша ера)). Те, що добувалося в копальнях, Платон називав metalléia. В давнину і в середні віки вважалося, що існує лише 7 М.: золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо, ртуть (див. Знаки хімічні ) . По алхімічних виставах, М. зароджувалися в земних надрах під впливом променів планет і поступово украй повільно удосконалювалися, перетворюючись на срібло і золото (див. Алхімія ) . Алхіміки вважали, що М. — речовини складні, такі, що складаються з «початку металево» (ртуть) і «початку горючості» (сірки). На початку 18 ст набула поширення гіпотеза згідно якої М. складаються із землі і «початку горючості» — флогистона. М. В. Ломоносов налічував 6 М. (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) і визначав М. як «світле тіло, яке кувати можна». В кінці 18 ст А. Л. Лавуазье спростував гіпотезу флогистона і показав, що М. — прості речовини. У 1789 Лавуазье в керівництві по хімії дав список простих речовин, в який включив всі відомі тоді 17 М. (Sb, Ag, As, Bi, З, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Мо, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). У міру розвитку методів хімічного дослідження число відомих М. зростало. У 1-ій половині 19 ст було відкрито супутники Pt, отримані шляхом електролізу деякі лужні і лужноземельні М., покладений початок розділенню рідкоземельних металів, відкриті невідомі М. при хімічному аналізі мінералів. У 1860—63 методом спектрального аналізу були відкриті Cs, Rb, Tl, In. Блискуче підтвердилося існування М., передбачених Д. І. Менделєєвим на основі його періодичного закону. Відкриття радіоактивності в кінці 19 ст спричинило пошуки природних радіоактивних М., що увінчалися повним успіхом. Нарешті, методом ядерних перетворень починаючи з середини 20 ст було штучно отримано радіоактивні М., зокрема трансуранові елементи .

  В кінці 19 — початку 20 вв.(століття) отримала физико-хімічну основу металургія — наука про виробництво М. з природної сировини. Тоді ж почалося дослідження властивостей М. і їх сплавів залежно від складу і будови (див. Металознавство, Металофізика ) .

  Хімічні властивості. Відповідно до местомом, займаним в періодичній системі елементів (таблиця. 1), розрізняють М. головних і побічних підгруп. М. головних підгруп (підгрупи а) називають також неперехідними. Ці М. характеризуються тим, що в їх атомах відбувається послідовне заповнення s- і р-електронніх оболонок. У атомах М. побічних підгруп (підгрупи б), називають перехідними, відбувається добудовування d- і f-оболонок, відповідно до чого їх ділять на d-групу і дві f-групі — лантаноїди і актиноїди . В підгрупи а входять 22 М.: Li, Na, До, Rb, Cs, Fr (I а); Ве, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II а); Al, Ga, In, Tl (III а); Ge, Sn, Pb (IV а); Sb, Bi (V а); Po (VI а). У підгрупи б входять: 1) 33 перехідних металу d-групі [Cu, Ag, Au (I би), Zn, Cd, Hg (II би); Sc, Y, La, Ac (III би); Ti, Zr, Hf, Ku (IV би); V, Nb, Ta, елемент з Z = 105 (V би), Cr, Мо, W (VI би), Mn Te, Re (VII би), Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, 0s, lr, Pt (VIII би)]; 2) 28 М. f-групі (14лантаноїдов і 14 актиноїдів).

  Електронна структура атомів деяких d-елементів має ту особливість, що один з електронів зовнішнього рівня переходить на d-підрівень. Це відбувається при добудові цього підрівня до 5 або 10 електронів. Тому електронна структура валентних підрівнів атомів d-елементів, що знаходяться в одній підгрупі, не завжди однакова. Наприклад, Cr і Мо (підгрупа VI би) мають зовнішню електронну структуру відповідно 3d ⁵ 4s ¹ і 4d ⁵ 5s ¹ , тоді як в W вона 5d ⁴ 6s ² . У атомі Pd (підгрупа VIII би) два зовнішні електрони «перейшли» на сусідній валентний підрівень, і для атома Pd спостерігається d ¹⁰ замість очікуваного d ⁸ s ² .

  М. властиві багато загальних хімічні властивості, обумовлені слабким зв'язком валентних електронів з ядром атома: утворення позитивно заряджених іонів (катіонів), прояв позитивної валентності (окислювального числа), утворення основних оксидів і гідроокисів, заміщення водню в кислотах і т.д. Металеві властивості елементів можна порівняти, зіставляючи їх електронегативність [здатність атомів в молекулах (у ковалентному зв'язку) притягувати електрони, виражена в умовних одиницях]; елементу властиві властивості М. тим більше, чим нижче його електронегативність (чим сильніше виражений електропозитивний характер).

  В періодичній системі елементів Менделєєва (таблиця. 1) в межах кожного періоду, починаючи з 2-го, із збільшенням атомного номера електронегативність зростає від 2 до 7, починаючи з лужного металу і кінчаючи галогеном (перехід від М. до неметалів). В межах підгруп (а і б) із збільшенням атомного номера електронегативність загалом зменшується, хоча і не завжди послідовно. У сімействах лантаноїдів і актиноїдів вона зберігається приблизно на одному рівні.

  Якщо розташувати М. в послідовності збільшення їх нормальних потенціалів, отримаємо т.з. ряд напруги або ряд актівностей (таблиця. 2 і 3). Розгляд цього ряду показує, що у міру наближення до його кінця — від лужних і лужноземельних М. до Pt і Au — електропозитивний характер членів ряду зменшується. М. від Li по Na витісняють H ₂ з H ₂ O на холоду, а від Mg по Tl — при нагріванні. Всі М., що стоять в ряду вище H ₂ , витісняють його з розбавлених кислот (на холоду або при нагріванні). М., що стоять нижче H ₂ , розчиняються лише в кисневих кислотах (таких, як концентрована H ₂ So ₄ при нагріванні або Hno ₃ ), а Pt, Au — лише в царській горілці (Ir нерастворім і в ній).

  М. від Li по Na легко реагують з O ₂ на холоду; подальші члени ряду з'єднуються з O ₂ лише при нагріванні, а lr, Pt, Au в пряму взаємодію з O ₂ не вступають.

  Оксиди М. від Li по Al (таблиця. 2) і від La по Zn (таблиця. 3) важко відновлені; у міру просування до кінця ряду відновлюваність оксидів збільшується, а оксиди останніх його членів розкладаються на М. і O ₂ вже при слабкому нагріванні. Про міцність з'єднань М. з киснем (і ін. неметалами) можна судити і по різниці їх електроотріцательностей (таблиця. 1): чим вона більша, тим міцніше з'єднання.

  Таблиця. 2. — Нормальні електродні потенціали неперехідних металів

  Таблиця. 3. — Нормальні електродні потенціали перехідних металів