Что такое металл? Свойства и особенности металлов. Классификация металлов

Металлы, легко вступающие в реакции, называются активными металлами. К ним относятся щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий.

Положение в таблице Менделеева

Металлические свойства элементов ослабевают слева направо в периодической таблице Менделеева. Поэтому наиболее активными считаются элементы I и II групп.

Рис. 1. Активные металлы в таблице Менделеева.

Все металлы являются восстановителями и легко расстаются с электронами на внешнем энергетическом уровне. У активных металлов всего один-два валентных электрона. При этом металлические свойства усиливаются сверху вниз с возрастанием количества энергетических уровней, т.к. чем дальше электрон находится от ядра атома, тем легче ему отделиться.

Наиболее активными считаются щелочные металлы:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• франций.

К щелочноземельным металлам относятся:

• бериллий;
• магний;
• кальций;
• стронций;
• барий;
• радий.

Узнать степень активности металла можно по электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен. Металлы, стоящие справа от водорода, малоактивны и могут взаимодействовать только с концентрированными кислотами.

Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.

К списку активных металлов в химии также относят алюминий, расположенный в III группе и стоящий левее водорода. Однако алюминий находится на границе активных и среднеактивных металлов и не реагирует с некоторыми веществами при обычных условиях.

Свойства

Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.

Основные химические свойства металлов представлены в таблице.

Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей - минералов, горных пород.

Рис. 3. Минералы и чистые металлы.

Что мы узнали?

К активным металлам относятся элементы I и II групп - щелочные и щелочноземельные металлы, а также алюминий. Их активность обусловлена строением атома - немногочисленные электроны легко отделяются от внешнего энергетического уровня. Это мягкие лёгкие металлы, быстро вступающие в реакцию с простыми и сложными веществами, образуя оксиды, гидроксиды, соли. Алюминий находится ближе к водороду и для его реакции с веществами требуются дополнительные условия - высокие температуры, разрушение оксидной плёнки.

Свойства химических элементов позволяют объединять их в соответствующие группы. На этом принципе была создана периодическая система, изменившая представление о существующих веществах и позволившая предположить существование новых, ранее неизвестных элементов.

Вконтакте

Периодическая система Менделеева

Периодическая таблица химических элементов была составлена Д. И. Менделеевым во второй половине XIX века. Что такое это, и для чего она нужна? Она объединяет все химические элементы по возрастанию атомного веса, причем, все они расставлены так, что их свойства изменяются периодическим образом.

Периодическая система Менделеева в свела в единую систему все существующие элементы, прежде считавшиеся просто отдельными веществами.

На основании ее изучения были предсказаны, а впоследствии - синтезированы новые химические вещества. Значение этого открытия для науки невозможно переоценить , оно значительно опередило свое время и дало толчок к развитию химии на многие десятилетия.

Существует три наиболее распространенных варианта таблицы, которые условно именуются «короткая», «длинная» и «сверхдлинная». Основной считается длинная таблица, она утверждена официально. Отличием между ними является компоновка элементов и длина периодов.

Что такое период

Система содержит 7 периодов . Они представлены графически в виде горизонтальных строк. При этом, период может иметь одну или две строки, называемые рядами. Каждый последующий элемент отличается от предыдущего возрастанием заряда ядра (количества электронов) на единицу.

Если не усложнять, период - это горизонтальная строка периодической таблицы. Каждый из них начинается металлом и заканчивается инертным газом. Собственно, это и создает периодичность - свойства элементов изменяются внутри одного периода, вновь повторяясь в следующем. Первый, второй и третий периоды - неполные, они называются малыми и содержат соответственно 2, 8 и 8 элементов. Остальные - полные, они имеют по 18 элементов.

Что такое группа

Группа - это вертикальный столбец , содержащий элементы с одинаковым электронным строением или, говоря проще, с одинаковой высшей . Официально утвержденная длинная таблица содержит 18 групп, которые начинаются со щелочных металлов и заканчиваются инертными газами.

Каждая группа имеет свое название, облегчающее поиск или классификацию элементов. Усиливаются металлические свойства в независимости от элемента по направлению сверху-вниз. Это связано с увеличением количества атомных орбит — чем их больше, тем слабее электронные связи, что делает более ярко выраженной кристаллическую решетку.

Металлы в периодической таблице

Металлы в таблице Менделеева имеют преобладающее количество, список их достаточно обширен. Они характеризуются общими признаками, по свойствам они неоднородны и делятся на группы. Некоторые из них имеют мало общего с металлами в физическом смысле, а иные могут существовать только доли секунды и в природе абсолютно не встречаются (по крайней мере, на планете ), поскольку созданы, точнее, вычислены и подтверждены в лабораторных условиях, искусственно. Каждая группа имеет собственные признаки , название и довольно заметно отличается от других. Особенно это различие выражено у первой группы.

Положение металлов

Какого положение металлов в периодической системе? Элементы расположены по увеличению атомной массы или количества электронов и протонов. Их свойства изменяются периодически, поэтому аккуратного размещения по принципу «один к одному» в таблице нет. Как определить металлы, и возможно ли это сделать по таблице Менделеева? Для того, чтобы упростить вопрос, придуман специальный прием: условно по местам соединения элементов проводится диагональная линия от Бора до Полония (или до Астата). Те, что оказываются слева - металлы, справа - неметаллы. Это было бы очень просто и здорово, но есть исключения - Германий и Сурьма.

Такая «методика» - своего рода шпаргалка, она придумана лишь для упрощения процесса запоминания. Для более точного представления следует запомнить, что список неметаллов составляет всего 22 элемента, поэтому отвечая на вопрос, сколько всего металлов всего содержится в таблице Менделеева

На рисунке можно наглядно увидеть, какие элементы являются неметаллами и как они располагаются в таблице по группам и периодам.

Общие физические свойства

Существуют общие физические свойства металлов. К ним относятся:

• Пластичность.
• Характерный блеск.
• Электропроводность.
• Высокая теплопроводность.
• Все, кроме ртути, находятся в твердом состоянии.

Следует понимать, что свойства металлов очень различаются относительно их химической или физической сути. Некоторые из них мало похожи на металлы в обыденном понимании этого термина. Например, ртуть занимает особенное положение. Она при обычных условиях находится в жидком состоянии, не имеет кристаллической решетки, наличию которой обязаны своими свойствами другие металлы. Свойства последних в этом случае условны, с ними ртуть роднят в большей степени химические характеристики.

Интересно! Элементы первой группы, щелочные металлы, в чистом виде не встречаются, находясь в составе различных соединений.

Самый мягкий металл, существующий в природе - цезий - относится к этой группе. Он, как и другие щелочные подобные вещества, мало общего имеет с более типичными металлами. Некоторые источники утверждают, что на самом деле, самый мягкий металл калий, что сложно оспорить или подтвердить, поскольку ни тот, ни другой элемент не существует сам по себе — будучи выделенным в результате химической реакци они быстро окисляются или вступают в реакцию.

Вторая группа металлов - щелочноземельные - намного ближе к основным группам. Название «щелочноземельные» происходит из древних времен, когда окислы назывались «землями», поскольку они имеют рыхлую рассыпчатую структуру. Более-менее привычными (в обиходном смысле) свойствами обладают металлы начиная с 3 группы. С увеличением номера группы количество металлов убывает

Чтобы разобраться в классификации металлов, необходимо дать им определение. К металлам принято относить простые элементы, обладающие характерными признаками. Основополагающим признаком для них является отрицательный температурный коэффициент электрической проводимости. Это значит, что при повышении температуры, электрическая проводимость металлических проводников понижается, а при низких температурах, некоторые проводники наоборот переходят в состояние сверхпроводников. В то же время у неметаллов, этот коэффициент либо нейтрален, либо является положительным.

К числу второстепенных признаков следует относить металлический блеск, пластичность, высокую плотность, высокую температуру плавления, высокую теплопроводность и электропроводность. Кроме того большинство металлов в окислительно-восстоновительных реакциях выполняют роль восстановителя, то есть отдают свои электроны, а сами при этом окисляются. Но этот ряд признаков не является решающим, так как для многих химических элементов данного типа, они могут быть диаметрально противоположными. Более того, вероятно, любые неметаллы, при высоком давлении могут проявлять свойства металлов.

Чистые металлы встречаются в природе очень редко и на протяжении истории люди относили к металлам не только простые вещества, но руды и самородки, которые могут включать в себя другие химические элементы. Поэтому в более широком смысле к металлам относятся:

• Очищенные от прочих включений металлы;
• Сплавы;
• Метллиды (сложные соединения, в том числе с неметаллами);
• Интерметаллиды (соединения металлов, часто образующие очень прочные, тугоплавкие и твёрдые структуры).

Классификация в химии

Мы можем только попытаться дать классификацию данных объектов, но единой картины предложить по этому поводу невозможно, так как во многом она будет зависеть от профессиональной точки зрения, удобной для применения в той или иной научной или производственной области. На самом же элементарном уровне классификация даётся в периодической системе элементов, но даже в химии существуют разногласия по этому поводу.

В химии принято классифицировать металлы по количеству уровней электронной оболочки атомов и конечному уровню заполнения оболочки электронами. По этому признаку вещества делятся на -s -p -f -d металлы. Кроме того различают щелочные, щелочноземельные, переходные и постпереходные металлы. Но данная классификация неприменима в больше случаев, так как не затрагивает многие важные утилитарные вопросы, которые интересуют, прежде всего, науку металлургию.

Классификация по структуре кристаллической решётки

Очевидными являются различия в строении кристаллической решётки для различных металлов в твёрдом состоянии. Для них характерно наличие одного из трёх типов устройства:

• Объёмоцентрированная кубическая решётка с 8 равноудалёнными атомами от взятого в качестве точки отсчёта атома и ещё 6 соседями на большем расстоянии;
• Плотноупакованная кубическая решётка с 12 равноудалёнными соседями;
• Плотноупакованная гексагональная решётка с 12 равноудалёнными соседями.

Для металлов в расплавленном и газообразном состоянии эти свойства не играют большой роли, так как кристаллическая структура атомов в этих состояниях становится неупорядоченной.

Техническая классификация

Наиболее распространённой и простой в усвоении на практическом уровне является абстрактная техническая классификация металлов, которая позаимствовала многие понятия из той же химии и геологии. Можно представить эту классификацию подобным образом:

• Чёрные металлы - металлы и сплавы на основе Fe, или самые распространённые в производстве;
• Железные металлы,
• Тугоплавкие,
• Урановые,
• Редкоземельные,
• Щелочноземельные и другие.
• Цветные металлы - другие сплавы и металлы;
• Тяжёлые (Сu, Sn Pb, Ni, Zn, а также Со, Bi, Sb, Cd, Hg),
• Лёгкие (Mg, Аl, Ca),
• Драгоценные (серебро, золото, платина и их сплавы),
• Ферросплавные легирующие металлы (Mn, W, Cr, Nb, Mo, V и другие),
• Редкие - радиоактивные и другие (U, Pu, Th).

Ниже приведено более наглядное представление данного списка в виде схемы.

К чёрным металлам относятся: сталь и чугун, а также другие сплавы на основе Fe.

К цветным металлам и сплавам, информацию о которых Вы можете узнать на нашем сайте, относятся:

Это самые распространённые в употреблении металлы и сплавы, которые применяются в различных областях промышленности и хозяйственной деятельности. Драгоценные же сплавы, на нашем сайте не представлены.

Данная классификация даёт более полное представление о металлах, но является неупорядоченной и нефункциональной. Наиболее утилитарный характер же носит классификация, принятая в металлургии, отражённая в нормативных документах ГОСТ и ТУ.

Классификация в ГОСТ

Наконец следует различать:

• Литейные сплавы и металлы;
• Деформируемые давлением;
• Порошковые.

Из этой классификации уже становится видно, для каких целей служит тот или иной материал. Далее следует ещё более подробная классификация:

• Металлы с хорошими антикоррозионными свойствами;
• С хорошими антифрикционными свойствами;
• Криогенные;
• Магнитные и немагнитные;
• Пружинные;
• Пластичные металлы;
• Автоматные сплавы для обработки на станках;
• Ковочные сплавы;
• Жаропрочные;
• Свариваемые без ограничений или ограниченно свариваемые;
• Лёгкие (для применения в авиационной промышленности);
• С хорошей электропроводностью и теплопроводностью, и многие другие.

Кроме того различаются металлы по области применения:

• Конструкционные сплавы и металлы - применяются при обшивок и несущих элементов конструкций;
• Электротехнические - для изготовления деталей электротехники;
• Инструментальные - для изготовления инструментов.

Всё же эти определения даются относительно в рамках сплавов на основе какого-то одного металла, или в рамках всего многообразия выбора, что нередко приводит к путанице. Поэтому полную картину можно получить, только при детальном сравнении различных сплавов. При этом важнейшими параметрами будут являться: прочность, упругость, вязкость, пластичность, твёрдость, теплопроводность и электропроводность. Кроме того следует различать номинальные характеристики и конструкционные свойства металлов. Например, прочность на растяжение не говорит о высокой конструкционной прочности, а при некоторых температурных значениях свойства металлов изменяются. Только опираясь на точный анализ можно прийти к заключению о целесообразности применения того или иного материала в тех или иных целях.

Как найти нужный сплав в классификаторе ГОСТ

Исчерпывающая информация касательно этих качеств и возможностей применения дана в государственных стандартах, на которые и следует опираться в дальнейшей работе. Чтобы найти нужную информацию, достаточно:

• Определить основной элемент металла;
• Сплав или металл будет рассматриваться;
• Литейный, деформируемый давлением или порошковый;
• И если Вы ещё не нашли нужного металла в классификаторе ГОСТ, нужно узнать про область применения металла и не является ли этот сплав специальным.

Словом, классификация металлов крайне сложна, и в зависимости от области применения разных материалов и будет образовываться определённая структура знаний. Поэтому в каждом конкретном случае, необходимо выбирать узкую понятийную сферу для определения видов металлов, чтобы не вникать во все подробности в целом.

Подавляющее большинство (93 из 117) известных в настоящее время химических элементов относится к металлам.
Атомы различных металлов имеют много общего в строении, а образуемые ими простые и сложные вещества имеют схожие свойства (физические и химические).

Положение в периодической системе и строение атомов металлов.

В периодической системе металлы располагаются левее и ниже условной ломаной линии, проходящей от бора к астату (см. таблицу ниже). К металлам относятся почти все s-элементы (за исключением Н, Не), примерно половина р -элементов, все d — и f -элементы (лантаниды и актиниды ).

У большинства атомов металлов на внешнем энергетическом уровне содержится небольшое число (до 3) электронов, только у некоторых атомов р-элементов (Sn, Pb, Bi, Ро) их больше (от четырех до шести). Валентные электроны атомов металлов слабо (по сравнению с атомами неметаллов) связаны с ядром. Поэтому атомы металлов относительно легко отдают эти электроны другим атомам, выступая в химических реакциях только в качестве восстановителей и превращаясь при этом в положительно заряженные катионы:

Me - пе – = Ме n+ .

В отличие от неметаллов для атомов металлов характерны только положительные степени окисления от +1 до +8.

Легкость, с которой атомы металла отдают свои валентные электроны другим атомам, характеризует восстановительную активность данного металла. Чем легче атом металла отдает свои электроны, тем он более сильный восстановитель. Если расположить в ряд металлы в порядке уменьшения их восстановительной способности в водных растворах, мы получим известный нам вытеснительный ряд металлов , который называется также электрохимическим рядом напряжений (или рядом активности ) металлов (см. таблицу ниже).

Распространенность м еталлов в природе .

В первую тройку наиболее распространенных в земной коре (это поверхностный слой нашей планеты толщиной примерно 16 км) металлов входят алюминий, железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.

железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.

Распространенность металлов в земной коре

Элементы, массовая доля которых в земной коре составляет менее 0,01 %, называются редкими . К числу редких металлов относятся, например, все лантаниды. Если элемент не способен концентрироваться в земной коре, т. е. не образует собственных руд, а встречается в качестве примеси с другими элементами, то его относят к рассеянным элементам. Рассеянными, например, являются следующие металлы: Sc, Ga, In, Tl, Hf.

В 40-х годах XX в. немецкие ученые Вальтер и Ида Нолла к высказали мысль о том. что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все химические элементы периодической системы. Вначале эти слова были встречены их коллегами далеко не с единодушным одобрением. Однако по мере появления все более точных методов анализа ученые все больше убеждаются в справедливости этих слов.

Поскольку все живые организмы находятся в тесном контакте с окружающей средой, то и в каждом из них должны содержаться если не все, то большая часть химических элементов периодической системы. Например, в организме взрослого человека массовая доля неорганических веществ составляет 6 %. Из металлов в этих соединениях присутствуют Mg, Са, Na, К. В составе многих ферментов и иных биологически активных органических соединений в нашем организме содержатся V, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Mo, Сг и некоторые другие металлы.

В организме взрослого человека содержится в среднем около 140 г ионов калия и около 100 г ионов натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 г до 7 г ионов калия и от 2 г до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах натрия настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу. Значительная потеря ионов натрия (в виде NaCl с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют пить минеральную воду. Однако и избыточное содержание соли в пище негативно сказывается на работе наших внутренних органов (в первую очередь, сердца и почек).

С самого раннего детства мы сталкиваемся с фразой, что такой-то предмет сделан из металла. Что такое металл?

Металлы - это определенная группа химических элементов (а также их сплавов), которые обладают общими для всей группы свойствами, такими как повышенная прочность, хорошая тепло- и электропроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск.

К металлам относится почти 80 % всех известных химических элементов (96 из 118).

Физические свойства металлов

Все металлы, за исключением ртути, в обычных условиях находятся в твердом состоянии. По степени твердости самый мягкий металл - это цезий (0,2 балла по 10-балльной шкале Мооса). Самый твердый - это вольфрам. Его твердость равна 6 баллам. Твердость железа - 4 балла.

Температуры плавления (перехода в жидкое состояние) у металлов разнятся: от - 39º у ртути до 3 410º у вольфрама. Низкие температуры плавления имеют все щелочные металлы, а из обычных - олово и свинец. Их можно расплавить даже в домашних условиях на газовой горелке. Большинство металлов плавится в специальных печах с высокими температурами.

Благодаря наличию в кристаллических решетках металлов свободных подвижных электронов, все они очень хорошо проводят электричество и тепло. Самые лучшие проводники электричества из металлов - это серебро, медь и алюминий. Не случайно именно из двух последних металлов делают электропроводку.

С прекрасной теплопроводностью металлов мы также часто сталкиваемся в быту. Чтобы вскипятить воду, мы наливаем ее в металлическую кастрюлю и ставим на плиту. Тэн нагревает металл, а металл передает почти всю тепловую энергию воде.

Химические свойства металлов

В ходе химических реакций все металлы легко отдают свои электроны и выступают в роли восстановителей.

Почти все металлы окисляются кислородом. Щелочные металлы (литий, кальций) вступают во взаимодействие с кислородом при обычных условиях. Для окисления кислородом других металлов нужна повышенная температура. Например, если нагреть медную проволоку на огне, медь вступит во взаимодействие с кислородом из воздуха и покроется черной пленкой (оксидом меди):

• 2Сu +O 2 → 2CuO

С кислородом не реагируют золото и платина.

Из других окислителей с металлами реагируют хлор, сера. Если смешать железные опилки и порошок серы и нагреть смесь, то на наших глазах получится сульфид железа:

• Fe +S → FeS

Восстановительная активность у разных металлов разная. По своей активности металлы распределяются следующим образом:

• Li - K - Ba - Sr - Ca - Na - Mg - Al - Mn - Zn - Cr - Fe - Ca - Co - Ni - Sn - Pb - (H2) - Cu - Hg - Ag - Pt - Au.

Чем левее в этом ряду находится металл, тем он активнее. Предыдущий элемент может вытеснить металл, находящийся правее. Например, если в пробирку с раствором сульфата меди поместить кусочек железа, то он покроется бурым налетом (пленкой из меди):

• Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

Металлы, находящиеся левее водорода (H2), могут вытеснить его из соляной кислоты. Если в соляную кислоту опустить кусочек цинка, начнет выделяться водород:

• HCl + Zn → ZnCl2 + H2

Щелочные металлы легко вступают в реакцию с водой. Если в емкость с водой поместить кусочек натрия, то начнет активно выделяться водород и образуется щелочь:

• 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

Применение металлов

Благодаря своим полезным свойствам металлы прочно вошли в жизнь человека. Человек использует прочность металлов, делая из них каркасы зданий (от маленьких павильонов до огромных небоскребов), корпуса машин (автомобилей, вагонов, кораблей, станков), а также рабочие детали различных инструментов.