5.1. Физические свойства металлов
Всем металлам присущи следующие физические свойства:
а) твердость (кроме жидкой ртути Hg);
б) пластичность (деформация под давлением), ковкость (изменение геометрической конфигурации при ударе);
в) электропроводность;
г) теплопроводность.
Указанные свойства объясняет модель кристаллической структуры металла (рис. 48). В любом виде пластической деформации (сжатие, удар, сдвиг) решающую роль в сохранении кристаллической решетки играют валентные электроны. Вследствие своей подвижности они успевают переместиться в деформированной кристаллической решетке и удерживать ионы металла в новом положении.
Твердость в сочетании с пластичностью (рис. 48) выдвигает металлы на первое место в качестве конструкционных материалов. Большинство машин и механизмов изготавливаются из металлов и их сплавов.
Рис. 48. Демонстрация твердости (а) и пластичности (б) кристаллической решетки металла. Электроны обозначены мелкими точками
Сочетание твердости с упругостью делает некоторые металлы и их сплавы незаменимым материалом, например в рессорах автомобилей. При нагрузке или ударах рессоры прогибаются, но не разрушаются. При уменьшении нагрузки они принимают первоначальную форму изгиба.
Электропроводность металлического проводника связана с направленным движением электронов при подключении металла к внешнему источнику электрической энергии. При отсутствии разности потенциалов электроны беспорядочно движутся в разных направлениях. При наложении разности потенциалов (рис. 49) осуществляется направленное движение электронов в кристалле металла от () к (+).
Рис. 49. Взаимодействие металла с внешним источником электрического тока. Стрелками показано направление движения электронов
Теплопроводность металла обеспечивают электроны, которые воспринимают энергию движения микрочастиц от нагревателя (рис. 50). Скорость хаотического движения электронов увеличивается и быстро распространяется по всему объему металла. Увеличивается также колебательное движение ионов в узлах кристаллической решетки.
Рис. 50. Демонстрация теплопроводности металлов
5.2. Химические свойства металлов
Среди химических свойств металлов основным является способность отдавать валентные электроны, т.е. выступать в качестве восстановителя в окислительно-восстановительных реакциях.
Большие радиусы (r) атомов металлов (рис. 51) и небольшие значения энергии ионизации (Еи) по сравнению с атомами неметаллов (рис. 52) объясняют высокие восстановительные свойства металлов в окислительно-восстановительных реакциях.
r,
нм
Rb Kr K
0.2
Na Li
0.1
Pd H Xe
Ar
Ne He
0
10 20 30 40 50 60
70 80 Заряд
ядра атома
Рис. 51. Зависимость радиусов атомов от заряда ядра (приведены 1-5 периоды); светлыми точками выделены атомы металлов
Рис. 52. Зависимость первой энергии ионизации атомов от заряда ядра (светлые точки атомы металлов, темные неметаллов)
На рис. 53 представлено положение металлов и неметаллов в периодической системе элементов. Вертикальными жирными стрелками указано направление уменьшения атомных радиусов в группах и периодах.
s-элементы p-элементы
1 18
|
|
2 13 14 15 16 17 |
Неметаллы | |||||||||||||||
|
|
|
d-элементы
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 |
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Металлы Металлы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||
f-элементы
|
Лантаноиды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Актиноиды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 53. Положение металлов и неметаллов в периодической системе элементов; пунктирными стрелками указано положение лантаноидов и актиноидов
Т а б л и ц а 11