Алюміній чи блищить цей метал. Загальні відомості про метали

Хімічні елементи, що утворюють у вільному стані прості речовини з металевим зв'язком (див. Хімічний зв'язок). Зі 110 відомих хімічних елементів (див. Періодична система хімічних елементів) 88 - метали і лише 22 - неметали.

Такі метали, як золото, срібло та мідь, відомі людині з доісторичних часів. У стародавні та середні віки вважали, що існує лише 7 металів (золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо та ртуть). М. В. Ломоносов визначав метал як "світле тіло, яке кувати можна" і відносив до металів золото, срібло, мідь, олово, залізо та свинець. А. Лавуазьє у «Початковому курсі хімії» (1789) згадував уже 17 металів. На початку ХІХ ст. відбулося відкриття платинових металів, потім лужних, лужноземельних та інших.

Тріумфом періодичного закону було відкриття металів, передбачених з його основі Д. І. Менделєєвим,- галію, скандію і германію. У середині XX ст. за допомогою ядерних реакцій були отримані трансуранові елементи - радіоактивні метали, що не існують у природі.

Сучасна металургія отримує понад 60 металів та на їх основі понад 5000 сплавів.

В основі структури металів лежить кристалічна решітка з позитивних іонів, занурена в щільний газ рухомих електронів. Ці електрони компенсують сили електричного відштовхування між позитивними іонами і цим пов'язують в тверді тіла.

Такий тип хімічного зв'язку називають металевим зв'язком. Вона зумовила найважливіші фізичні властивості металів: пластичність, електропровідність, теплопровідність, металевий блиск.

Пластичність - це здатність металів змінювати форму при ударі, прокочуватися в тонкі листи та витягуватись у дріт. При цьому відбувається зміщення атомів та іонів кристалічних ґрат, проте зв'язки між ними не розриваються, оскільки відповідно переміщуються і електрони, що утворюють зв'язок. Пластичність металів зменшується у ряді Au, Ag, Сі, Sn, Pb, Zn, Fe. Золото, наприклад, можна прокочувати в листи завтовшки до 0,003 мм, які використовують для золочення.

Висока електропровідність металів пояснюється присутністю вільних електронів, які під впливом навіть невеликої різниці потенціалів переміщуються від негативного полюса до позитивного. З підвищенням температури коливання іонів та атомів металів посилюються, що ускладнює рух електронів і цим призводить до зменшення електропровідності. При низьких температурах коливальний рух іонів і атомів, навпаки, сильно зменшується, і електропровідність зростає. Поблизу абсолютного нуля електричний опір металів практично відсутній. Найкращий провідник електрики – срібло, за ним йдуть мідь, золото, алюміній, залізо. Також змінюється теплопровідність металів, яка викликана як високою рухливістю вільних електронів, так і коливальним рухом іонів, завдяки чому відбувається швидке вирівнювання температури в масі металу. Металевий блиск теж пов'язаний із наявністю вільних електронів.

З інших фізичних властивостей металів найбільший практичний інтерес становлять щільність, температура плавлення та твердість. Найлегший з металів – літій (щільність 0,53 г/см3), найважчий – осмій (22,6 г/см3). Метали із щільністю менше 5 г/см3 називаються легкими, інші – важкими. Температури плавлення металів різняться дуже сильно: цезій і галій можна розплавити теплом долонь, а температура плавлення вольфраму +3410 ° С. За звичайних умов єдиний рідкий метал - ртуть. У пароподібному стані всі метали одноатомні, їх кристалічні грати руйнуються.

Метали різняться за твердістю. Найтвердіший з них – хром – ріже скло, а найм'якіші – калій, рубідій та цезій – легко ріжуться ножем. Міцність, температура плавлення та твердість залежать від міцності металевого зв'язку. Вона особливо велика у важких металів.

У техніці сплави з урахуванням заліза, т. е. чавун, сталь, а гакже саме залізо називають чорними металами, й інші метали називаються кольоровими. Існують інші класифікації металів (див. Періодична система хімічних елементів).

Хімічні властивості металів визначаються слабким зв'язком валентних електронів із ядром атома. Атоми порівняно легко віддають їх, перетворюючись при цьому на позитивно заряджені іони. Тому метали є добрими відновниками. У цьому їхня головна і найбільш загальна хімічна властивість.

Очевидно, як відновники метали повинні вступати в реакції з різними окислювачами, серед яких можуть бути прості речовини (неметали), кислоти, солі менш активних металів та деякі інші речовини. З'єднання металів з киснем називаються оксидами, з галогенами галогенідами, з сіркою - сульфідами, з азотом -нітридами, з фосфором - фосфідами, з вуглецем - боридами, з воднем - гідридами і т. д. Багато з цих сполук знайшли важливе застосування в техніці.

При взаємодії металів із кислотами окислювачем є іон водню Н + , який приймає електрон від атома металу:

Mg - 2e - = Mg 2+

_________________

Mg + 2H + = Mg 2+ + H 2

Метали, що стоять у ряді стандартних електродних потенціалів (ряду напруг) лівіше водню, зазвичай витісняють (відновлюють) водень з розведених кислот типу НСl або H2SO4, а метали, що стоять правіше водню, його не витісняють.

Взаємодія металів із водними розчинами солей менш активних металів можна ілюструвати прикладом:

Zn+CuSO4=ZnSO4+Сu

У цьому випадку відбувається відрив електронів від атомів активнішого металу - цинку і приєднання їх іонами менш активного Си2+. Керуючись рядом стандартних електродних потенціалів, можна сказати, що метал витісняє (відновлює) з розчинів їх солей багато наступних за ним металів.

Активні метали (лужні та лужноземельні) взаємодіють і з водою, яка в цьому випадку виступає в ролі окислювача.

Метали, гідроксиди, які амфотерні (див. Амфотерність), як правило, взаємодіють з розчинами і кислот, і лугів.

Метали можуть утворювати хімічні сполуки між собою. Такі сполуки зазвичай утворюють типові метали з металами, що мають слабкі металеві властивості, наприклад певні сполуки натрію зі свинцем:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

З'єднання одних металів з іншими носять загальну назву інтерметалідів, інтерметалевих сполук, або металідів.

Розглянуті властивості металів, пов'язані з віддачею електронів у хімічних реакціях, називають металевими. У різній мірі вони мають всі хімічні елементи. Про металеві властивості судять, зіставляючи електронегативність елементів. Ця величина, виражена в умовних одиницях, характеризує здатність атома молекули притягувати електрони. Відносні значення електронегативностей елементів наведені в таблиці. Чим менша електронегативність, тим сильніше виражені металеві властивості елементів.

Сторінка 1

Характерний металевий блиск обумовлений взаємодією електромагнітних світлових хвиль із вільними електронами.

Непрозорість та характерний металевий блиск металів обумовлені структурою енергетичних рівнів металів. У цьому випадку електрон із валентної зони, поглинаючи квант світла, переходить у зону провідності. Світло не відбивається, а поглинається. У той же час металам характерний блиск, який з'являється в результаті випромінювання світла при поверненні збуджених світлом електронів на нижчі енергетичні рівні.

Метали мають характерний металевий блиск у зламі, пластичність (ковкість), а також високу електро- і теплопровідність.

Метали мають характерний металевий блиск; крім того, вони добре проводять тепло та електричний струм.

Метали відрізняються характерним металевим блиском, ковкістю, тягучістю, можуть прокочуватися в листи або витягуватися в дріт, мають хорошу тепло- та електропровідність. При кімнатній температурі всі метали (крім ртуті) у твердому стані.

Радій має характерний металевий блиск, що швидко зникає під дією повітря. Можливо, на повітрі поверхня радію покривається плівкою нітриду радію. Металевий радій розкладає воду з утворенням гідроксиду та виділенням водню.

Метали відрізняються характерним металевим блиском, ковкістю, тягучістю, можуть прокочуватися в листи або витягуватися в дріт, мають хорошу теплопровідність і електричну провідність. При кімнатній температурі всі метали (крім ртуті) у твердому стані.

Едельман У. Метали //Квант. – 1992. – № 2. – С. 2-9.

За спеціальною домовленістю з редколегією та редакцією журналу "Квант"

Що таке метали?

"Металлом називається світле тіло, яке кувати можна", - писав в 1763 Ломоносов. Загляньте у ваш підручник хімії і ви побачите, що метали мають характерний металевий блиск («світле тіло»), добре проводять тепло та електричний струм. Правда, тут же ви прочитаєте, що існують елементи, які виявляють властивості як металів, так і неметалів. Іншими словами, немає чіткої грані, що відокремлює одне від одного. Хіміка, який цікавиться насамперед хімічними реакціями і для якого кожен елемент - свій особливий світ, така неоднозначність не дуже бентежить. А ось фізика це не влаштовує. Якщо фізика ділить тіла на метали і неметали, необхідно зрозуміти, у чому їх принципове відмінність. Тому треба так визначити, що таке метал, щоб, як і в інших випадках у галузі точних наук, задовольнити двом вимогам:

всі метали повинні мати всі без винятку приписувані їм ознаки;
інші об'єкти повинні не мати хоча б одну з цих ознак.

Озброївшись цими міркуваннями, подивимося, чи всі метали без винятку мають властивості, приписувані їм підручником. Почнемо з «кувати можна», тобто з пластичності, говорячи сучасною мовою. І тут же, за співзвуччю, ми згадаємо пластмаси: адже не дарма вони так названі, багатьом з них властива пластичність – здатність незворотно змінювати форму без руйнування. Звичайно, мідь, залізо, алюміній кувати легко, зі свинцем ще простіше, індій - досить рідкісний і дорогий метал - можна м'яти майже як віск (а адже віск - не метал!), лужні метали і того м'якше. А спробуйте стукнути звичайним чавуном - і він розлетиться на шматочки! Ну, тут металурги скажуть: це тому, що чавун – не проста речовина. Він складається з кристалів заліза, розділених прошарками вуглецю, тобто графіту. Ось по цих прошарках чавун і ламається. Ну що ж, все правильно. Тільки біда - тендітний графіт, як виявляється, сучасна фізика відносить до металів! Та й не один графіт: числяться, наприклад, серед металів миш'як, сурма та вісмут, але кувати їх можна з таким самим успіхом, як скло – розлітаються на дрібні шматочки!

Зробіть такий простий досвід: розбийте балон лампи, що згоріла, дістаньте звідти вольфрамову спіраль і спробуйте її розкрутити. Нічого не вийде, вона розсипеться в пилюку! Але якось її зуміли скрутити на заводі? Значить, може бути й таке – то можна деформувати, то не можна, залежно від того, що відбувалося із зразком у минулому. Що ж, доведеться, мабуть, із цією ознакою – пластичністю – розлучитися. Тим більше, що він притаманний багатьом неметалам; адже те скло - нагрій його, і воно стане м'яким і податливим.

Отже, коротшаємо формулювання і рухаємося далі.

На черзі – «блиск», або, говорячи науковою мовою, оптичні властивості. Блискучих предметів багато: і вода, і скло, і поліроване каміння, та мало що ще. Тож просто «блиском» не обійтися, от і кажуть: для металів характерний металевий блиск. Ну, це дуже добре: виходить, що метал – це метал. Щоправда, інтуїтивно відчуваємо, що металевим блиском блищать поліровані мідь, золото, срібло, залізо. А найпоширеніший мінерал пірит - хіба не блищить, як метали? Про типові напівпровідники германій і кремній і говорити не доводиться, на вигляд їх від металів не відрізниш. З іншого боку, нещодавно навчилися отримувати хороші кристали таких сполук, як двоокис молібдену; кристали ці коричнево-фіолетові та на звичайний метал мало схожі. Виявляється, цю речовину треба вважати металом. Чому - буде ясно трохи далі.

Тож блиск як чисто «металевий» ознака відпадає.

На черзі – теплопровідність. Мабуть, цю ознаку можна відкинути одразу – всі без винятку тіла проводять тепло. Щоправда, про метали йдеться, що вони добрепроводять тепло. Але, боюся, питанням «що таке добре і що таке погано?» у цьому випадку жоден тато не відповість.

Чи добре проводить тепло мідь? Подивимося в таблицю і одразу зіткнемося з зустрічним питанням: а яка мідь і за якої температури? Якщо взяти чисту мідь, наприклад ту, з якої роблять дроти для радіоприладів, і нагріти її до червоного гартування, тобто відпалити, то при кімнатній температурі вона та ще чисте срібло проводитимуть тепло краще за будь-який інший метал. Але погніть такий мідний зразок, стукніть або затисніть у лещатах - і його теплопровідність стане помітно гіршою. А що станеться, якщо шматочок відпаленої міді почати охолоджувати? Спочатку теплопровідність зростатиме, збільшиться в десятки разів при температурі близько 10 К, а потім почне швидко падати і при досягненні абсолютного нуля має стати нульовою (рис. 1).

Мал. 1. Залежність питомої теплопровідності від температури різних речовин. (Питома теплопровідність - це кількість теплоти, що протікає між протилежними гранями кубика зі стороною 1 см при різницю температур між цими гранями 1 К в 1 с.)

Візьмемо тепер інший метал – вісмут. Картина для нього дуже схожа на ту, яку ми бачили для міді, тільки максимум теплопровідності лежить при 3 К, а за кімнатної температури вісмут проводить тепло погано, не набагато краще, ніж кристал кварцу. Але ж кварц - не метал! І той же кварц, як видно з малюнка 1, за своїми теплопровідними властивостями іноді виявляється не гіршим за мідь. А плавлений кварц, тобто кварцове скло, проводить тепло погано, приблизно як нержавіюча сталь.

Кварц – не виняток. Всі кристали хорошої якості поводяться подібним чином, тільки числа будуть трохи різними. У алмазу, наприклад, вже за кімнатної температури теплопровідність краще, ніж у міді.

Відкидаємо із чистим серцем теплопровідність і шкодувати про це не будемо. І не тільки тому, що за цією ознакою метал від неметалу не так вже й легко відрізнити, але й тому, що, виявляється, специфічні риси в теплопровідності металів (а такі є) є наслідком його електропровідності - останньої властивості, що залишилася.

І знову у формулюванні, наведеному на початку статті, уточнення – не просто електропровідність, а гарнаелектропровідність. Адже коли йшлося про теплопровідність, епітет «хороша» нас насторожив і, як виявилося, недаремно. Що ж – і остання властивість під підозрою? Треба обов'язково його рятувати, бо ми залишимося взагалі без металів, а заразом без напівпровідників, без ізоляторів. Ось це наука виходить! Будь-який школяр у більшості випадків не замислюючись скаже, з чим він має справу, а копнули глибше - зупинилися здивовані.

І є від чого. Візьмемо таблиці фізичних величин та подивимося на числа. Ось, наприклад, при кімнатній температурі питомий опір ρ (Ом · см) міді ~ 1,55 · 10 -6; у вісмуту ρ ~ 10 -4; у графіту ρ ~ 10 -3; у чистих кремнію та германію ρ ~ 10 2 (але, додаючи домішки, можна довести до ~10 -3); біля мармуру ρ = 10 7 - 10 11; біля скла ρ = 10 10; а десь наприкінці списку – бурштин із питомим опором до 1019 року. І де ж тут закінчуються метали-провідники та починаються діелектрики? А ми ще не згадали про електроліти. Звичайна морська вода непогано проводить струм. Що ж – і її вважати металом?

Подивимося, чи нам не допоможе температура. Якщо підвищувати температуру, відмінності між речовинами почнуть згладжуватися: у міді опір почне зростати, у скла, наприклад, зменшуватися. Значить, треба простежити, що станеться при охолодженні. І ось тут ми нарешті побачимо якісні відмінності. Подивіться на малюнок 2: при температурах рідкого гелію поблизу абсолютного нуля речовини розділилися на дві групи. В одних опір залишається невеликим, у сплавів або не дуже чистих металів ρ майже не змінюється під час охолодження, у чистих металів опір сильно зменшується. Чим чистіший і досконаліший кристал, тим значніша ця зміна. Іноді ц при температурі, близькій до абсолютного нуля, менше, ніж при кімнатній, у сотні тисяч разів. В інших речовин, наприклад у напівпровідників, зі зниженням температури опір починає стрімко зростати, і що нижча температура, то воно більше. Якби можна було дістатися до абсолютного нуля, то ρ стало б нескінченно більшим. Втім, достатньо й того, що опір реально стає настільки великим, що ніяким сучасним приладом його вже не виміряти.

Отже, ми дісталися відповіді: метали - це такі речовини, які проводять електрику за будь-якої температури.

Мал. 2. Залежність питомого опору чистих металів (міді та платини) та напівпровідника (чистого германію) від температури.

На противагу цьому діелектрики перестають проводити струм, якщо їх охолодити до абсолютного нуля. Якщо користуватися таким визначенням, то графіт і двоокис молібдену виявляються металами. А куди віднести напівпровідники? Якщо йдеться про чисті, досконалі кристали, то вони, строго кажучи, діелектрики. Але якщо в них міститься багато домішок, то вони можуть стати металами, тобто зберігати провідність за найнижчих температур.

Що ж у нас залишилося врешті-решт? Нам вдалося виявити єдинийсуттєва ознака, керуючись якою ми можемо, якщо не в повсякденній практиці, то хоча б у принципі завжди відрізнити метал від неметалу. А якщо ця ознака єдина, то виявляються автоматично задоволеними обидві умови, виконання яких ми вимагали на початку статті.

Чому метали проводять струм?

Вже давно було помічено, що одні елементи, такі як мідь, золото, срібло, залізо, свинець, олово і у чистому вигляді, і при сплавленні один з одним утворюють метали. Інші, наприклад, фосфор, сірка, хлор, азот, кисень, не тільки самі металами не є, але і з'єднуючись з металами перетворюють їх на діелектрики. Приклад тому – звичайна сіль NaCl . Тому в хімії з'явився розподіл елементів на метали та неметали.

Така класифікація, проте, лише констатація фактів, хоча здавалося б вона претендує те що, щоб пояснити властивості речовин виходячи лише з будови атомів. Справді подивимося на таблицю Менделєєва. Елементи, розташовані в одному стовпці, дуже схожі за своїми хімічними властивостями. А ось чи будуть виготовлені з них кристали чи сплави проводити електричний струм? Дивлячись на таблицю, відповісти це питання не можна. Так, всі елементи першої групи – метали, за винятком першого – водню. Але ж закон, який комусь дозволено порушувати, вже не закон. Щоправда, у другій групі справа краща: тут усі елементи - звичні метали; а в третій групі знову збій: бір – напівпровідник, а алюміній – чудовий метал. Далі ще гірше. Перший елемент четвертої групи – вуглець; ми вже згадували, що графіт, так називають кристал вуглецю, це метал. А ось алмаз - теж кристал, складений з атомів вуглецю, але розташованих інакше, ніж у графіті, - ізолятор. Кремній та германій – класичні напівпровідники. Олово – здавалося б, типовий метал. Проте... Якщо всім знайоме біле блискуче олово довго потримати при температурі -30 °С, його кристалічна структура зміниться, а зовні воно посіріє. І це олово – його так і називають «сіре олово» – напівпровідник! А свинець завжди метал.

Якщо починати змішувати різні елементи, то картина дуже ускладниться. Візьмемо, наприклад, і сплавимо два метали індій та сурму - у пропорції один до одного. Отримаємо напівзастосовник, що широко застосовується в техніці. InSb . З іншого боку, ми вже говорили, що двоокис молібдену МoО 2 при Т≈ 0 К проводить струм, тобто. МoО 2 - метал. (І WО 2 , і Re 2 Про 3 і деякі інші оксиди - теж метали.) А якщо кристали, що виходять з атомів, сильно стиснути, стиснути, то, виявляється, чи не всі речовини стають металами, навіть такі типові металоїди, як сірка. Щоправда, для неї тиск переходу в металевий стан дуже великий – кілька сотень тисяч атмосфер (а для водню ще більше).

Схоже, що розділити елементи на метали і неметали - не така проста задача. У всякому разі, ясно, що, розглядаючи окремі атоми, ми не можемо сказати, чи буде речовина, складена з цих атомів, проводити струм при Т≈ 0 К, тому що величезну роль відіграє те, як розташовані атоми відносно один одного. Тому для відповіді на запитання «чому метали проводять струм?» треба вивчати, як атоми взаємодіють між собою, утворюючи тверде тіло.

Подивимося, як справи з найпростішим з металів - літієм. Порядковий номер Li - три. Це означає, що ядро атома Li містить три протони і позитивний заряд ядра компенсують три електрони. Два з них утворюють заповнену s-оболонку, найближчу до ядра, і пов'язані з ядром. Електронний, що залишився, розташований на другій s-оболонці. На ній міг би поміститися ще один електрон, але його у літію немає. Всі інші дозволені стани енергії вільні, і електрони на них потрапляють лише при збудженні атома (наприклад, при сильному нагріванні парів літію). Схема рівнів атомі літію показано малюнку 3.

Мал. 3. Схема рівнів енергії атома літію та їх трансформації у зони при об'єднанні атомів у кристал. Червоним кольором позначені зайняті стани.

Розглянемо тепер безліч атомів літію, що у обмеженому обсязі. Вони можуть утворювати газ (пар), рідину або тверде тіло. При досить низькій температурі сили взаємного тяжіння перешкоджають тепловому руху атомів, утворюється кристал. Це, напевно, відбувається при абсолютному нулі температури, коли всі відомі речовини, крім гелію, - кристали.

Отже, з досвіду відомо, що за низьких температур тверде тіло - стійкий стан для літію. Але, як відомо, стійким завжди є такий стан речовини, в якому його внутрішня енергія менша, ніж в інших можливих агрегатних станах за тієї ж температури. Сумарне зменшення енергії при переході з одного стану в інший легко виміряти - це і є теплота випаровування або плавлення.

З мікроскопічної точки зору за низьких температур внутрішня енергія речовини є, в першу чергу, сума енергій електронів атомів, що становлять тіло. Але електрони в атомах займають певні рівні енергії. Отже, ми можемо очікувати, що зближення атомів зміняться рівні енергії. При цьому розподіл електронів за рівнями повинен виявитися таким, щоб їхня сумарна енергія була меншою, ніж сума енергій електронів у такій же кількості ізольованих один від одного атомів.

Що станеться з рівнями, можна зрозуміти виходячи з аналогії руху електрона в атомі з будь-якою коливальною системою, наприклад, з маятником. Нехай у нас є два абсолютно однакові маятники. Поки вони не взаємодіють один з одним, частота коливань обох маятників одна й та сама. Введемо тепер взаємодію між ними - зв'яжемо їх, наприклад, м'якою пружинкою. І відразу замість однієї частоти з'являться дві. Подивіться на малюнок 4: пов'язані маятники можуть коливатися синфазно, а можуть назустріч один одному. Очевидно, в останньому випадку їх рух буде більш швидким, тобто частота коливань такої системи вища за власну частоту коливань одного маятника. Таким чином, зв'язок призводить до розщеплення частот. Якщо зв'язати три маятники, то стане вже три власні частоти, у системи з чотирьох пов'язаних маятників чотири власні частоти і так далі до нескінченності.

Мал. 4. Коливання пов'язаних маятників.

Поведінка будь-якої іншої коливальної системи подібна. Якщо ми замінимо маятники, наприклад, на електричні коливальні контури, то, як добре знають радіоаматори, при введенні зв'язку між ними їхні частоти також розщеплюються. Електрони в атомі – це теж своєрідна коливальна система. Як і маятник, електрони мають масу, є сила Кулона, що повертає їх до рівноваги; і цим визначається рух електронів в атомі, що характеризується згідно квантової механіки, власною частотою. Для електронів включення взаємодії при взаємному зближенні призводить до того, що частоти, що були настільки однакові, стають трохи різними.

У квантовій механіці є прямий зв'язок між енергією та частотою коливань, що виражається формулою \(~E = h \nu\), де h= 6,6 · 10 -34 Дж · с - постійна Планка, а ν - Частота коливань. Тому слід очікувати, що з зближенні двох атомів літію кожен із рівнів, показаних малюнку 3, розщепиться на два. Кожному новому рівню енергії відповідатиме своя електронна оболонка тепер уже не окремого атома, а молекули. Оболонки заповнюються електронами за тим самим правилом, що й у атома - по два електрони на оболонку. Та пара оболонок, яка вийшла із найнижчого рівня, буде повністю заповнена електронами. Дійсно, на них можна розмістити чотири електрони, а їх у двох атомів літію - шість. Залишаються два електрони, які тепер розташуються на нижньому з рівнів другої пари. Зауважте, який відбувся якісний стрибок: раніше ці два електрони займали два з чотирьох станів, що мають однакову енергію. Тепер у них з'явилася можливість вибирати, і вони розташувалися так, щоб їхня сумарна енергія була меншою. Неважко збагнути, що станеться при додаванні наступних атомів: для трьох атомів кожен вихідний рівень розщепиться втричі (див. рис. 3). Дев'ять електронів розташуються так: шість на нижній тріаді рівнів, що виникли з рівня найближчої до ядра внутрішньої заповненої оболонки атома; ще два електрони - на нижньому рівні наступної тріади; електрон, що залишився - на середньому рівні тієї ж тріади. Ще одне місце цьому рівні залишається вільним, а верхній рівень повністю порожній. Якщо взяти nатомів (\(~n \gg 1\)), то кожен рівень розщепиться на nтісно розташованих рівнів, що утворюють, як то кажуть, смугу чи зону дозволених значень енергії. У нижній смузі всі стани зайняті, а в другій – лише половина, і саме ті, енергія яких нижча. Наступна смуга – повністю порожня.

Відстань між сусідніми рівнями у зоні легко оцінити. Природно вважати, що з зближенні атомів зміна енергії електронів атома приблизно дорівнює теплоті випаровування речовини, перерахованої однією атом. Вона становить для металів зазвичай кілька електронвольт, отже, і повна ширина зон Δ E, що визначається взаємодією сусідніх атомів, повинна мати той же масштаб, тобто Δ E~ 1 еВ ≈ 10 -19 Дж. Для відстані між рівнями отримаємо \(~\delta E \sim \dfrac(\Delta E)(n)\), де n- Число атомів у зразку. Це число надзвичайно велике: міжатомна відстань становить лише кілька ангстремів, і обсяг, що припадає однією атом, виявляється всього ~ 10 -22 див 3 . Якщо наш зразок має для визначеності об'єм 1 см 3 , то для нього n≈ 10 22 . Тому чисельно виявляється δ E≈ 10 -22 · Δ E≈ 10 -41 Дж. Ця величина настільки мала, що можна знехтувати квантуванням енергії всередині зони і вважати, що у межах зони дозволені будь-які значення енергії.

Отже, у кристалі рівні енергії розмиваються в зони, що мають ширину, порівнянну з відстанню між ними. Дозволені для електронів є стани всередині зони, і тут електрони можуть мати практично будь-яку енергію (зрозуміло, в межах ширини зони). Але дуже важливо, що кількість місць у кожній зоні строго обмежена і дорівнює подвоєному числу атомів, що становлять кристал. І ця обставина спільно з принципом мінімуму енергії визначає розподіл електронів по зонах. Тепер у нас все готове, щоб нарешті зрозуміти, чому літій проводить струм. Погляньмо знову на малюнок 3. Що ж вийшло? Поки атоми були власними силами, все електрони перебували у цілком певних станах, суворо однакових всім атомів. Тепер атоми об'єдналися у кристал. Самі атоми в кристалі як однакові, а й однаково розташовані щодо сусідів (крім, звісно, тих, які потрапили поверхню кристала). А всі електрони тепер мають різні енергії. Це може бути тільки в тому випадку, якщо електрони більше не належать до окремих атомів, а кожен електрон «поділили» між собою всі атоми. Іншими словами, електрони вільно пересуваються всередині ідеального кристала, утворюючи як би рідину, яка заповнює весь об'єм зразка. І електричний струм - це спрямований потік цієї рідини, аналогічний поточній по трубах воді.

Щоб змусити воду текти трубою, треба створити різницю тисків біля кінців труби. Тоді під дією зовнішніх сил молекули набудуть спрямованої швидкості - вода потече. Дуже важлива тут поява саме спрямованої швидкості, адже самі собою молекули хаотично рухаються з величезними швидкостями - при кімнатній температурі середня швидкість теплового руху молекули близько 10 3 м/с. Так що додаткова енергія, що набуває молекули в потоці, мала в порівнянні з енергією теплового руху.

Додаткова енергія, яку треба повідомити електрону, щоб він брав участь у загальному спрямованому русі електронів у кристалі (а це є струм), також мала в порівнянні з власною енергією електрона. У цьому неважко переконатись. Ми вже говорили, що енергія електрона по порядку величини дорівнює 1 еВ = 1,6 · 10 -19 Дж. Якщо згадати, що для вільного електрона \(~E = \dfrac(m \upsilon^2)(2)\) і m= 9,1 · 10 -31 кг, то легко знайти швидкість: υ ~ 10 6 м/с. Припустимо, що це електрони беруть участь у струмі, які в 1 м 3 провідника n ~ 10 28 Z (Z- Заряд ядра). Тоді у дроті з поперечним перерізом S= 10 -6 м 2 за струму I≈ 10 А (при більшому струмі провід розплавиться) спрямована швидкість електронів дорівнює \(~\upsilon_H = \dfrac(I)(neS) \approx 10^(-2) - 10^(-3)\) м/с. Значить, енергія електрона, що бере участь у струмі, більше енергії Евільного електрона всього на 10 -8 Е, Т. е. на 1,6 · 10 -27 Дж.

І тут ми стикаємося з дивовижним фактом: виявляється, електрони, які розташовані в нижній зоні, яка називається зазвичай валентною, не можуть змінити свою енергію на малу величину. Адже якщо якийсь електрон збільшить свою енергію, це означає, що він має перейти на інший рівень, а всі сусідні рівні у валентній зоні вже зайняті. Вільні місця є лише у наступній зоні. Але щоб туди потрапити, електрон має змінити свою енергію одразу на кілька електрон-вольт. Ось так і сидять електрони у валентній зоні і чекають на журавля в небі - енергійного кванта. А кванти потрібної енергії бувають у видимого чи ультрафіолетового світла.

Отже, рідина є, а текти вона не може. І якби літій мав лише два електрони в атомі, тобто якби ми будували картинку для атомів літію, то отримали б ми ізолятор. Але твердий гелій - справді ізолятор, так що ми можемо вже привітати себе з деяким успіхом: ми ще не пояснили, чому в металах може текти струм, зате зрозуміли, чому діелектрики, де електронів повним-повнісінько і всі вони «розмазані» по всьому кристалу не проводять струм.

А що ж літій? Адже в нього є друга зона, яка заповнена лише наполовину. Енергію, що розділяє зайняті та вільні рівні всередині цієї зони, називають енергією Фермі Eф. Як ми вже казали, різниця енергій між рівнями у зоні дуже невелика. Електрону, який розташований у зоні біля рівня Фермі, досить трохи збільшити свою енергію – і він на волі, там, де статки не зайняті. Електронам із прикордонної смуги ніщо не заважає збільшити енергію під дією електричного поля та придбати спрямовану швидкість. Адже це і є струм! Але так само легко цим електронам і втратити спрямовану швидкість, зіткнувшись з атомами-домішками (які завжди є) або іншими порушеннями ідеальної структури кристала. Цим пояснюється опір струму.

Здається, зрозуміло, чому гелій – ізолятор, а літій – провідник. Спробуємо наші уявлення застосувати до наступного елементу - берилію. І тут - осічка, модель не спрацювала. У берилію - чотири електрони, і, здавалося б, повинні бути повністю зайняті перша і друга зони, а третя повинна бути порожньою. Виходить ізолятор, тоді як берилій – метал.

Справа ось у чому. Якщо ширина зон досить велика, вони можуть налізти друг на друга. Про таке явище кажуть, що зони перекриваються. У берилію так і відбувається: мінімальна енергія електронів у третій зоні менша, ніж максимальна у другій. Тому електронам виявляється енергетично вигідно залишити порожню частину другої зони та зайняти стани внизу третьої. Ось і виходить метал.

А що буде з іншими елементами? Перекриваються зони чи ні, заздалегідь сказати не можна, при цьому потрібні громіздкі розрахунки на ЕОМ, і то завжди можна отримати достовірну відповідь. Але ось що примітно: з нашої схеми випливає, що якщо брати елементи з непарним числом електронів, то завжди повинен виходити метал, якщо структурною одиницею в кристалі є окремий атом. А ось водень, наприклад, азот і фтор не бажають кристалізуватися в такі грати. Вони воліють спочатку об'єднатися попарно, а молекули, що містять по парному числу електронів, вишиковуються в кристал. І закони квантової механіки не заважають йому бути діелектриком.

Отже, ми тепер знаємо, що таке метал із погляду фізики, і розібралися в самій суті явища, зрозумівши, чому в принципі існують ізолятори та провідники. Ми побачили, що не можна запропонувати простий спосіб пояснення, чому якась конкретна речовина виявилася діелектриком чи металом. Зробити це можна, лише озброївшись усією міццю апарату сучасної квантової механіки та обчислювальної техніки, але це вже завдання спеціалістів.

Метали (від лат. Metallum - шахта, рудник) - група елементів, у вигляді простих речовин, що мають характерні металеві властивості, такі як високі тепло-і електропровідність, позитивний температурний коефіцієнт опору, висока пластичність і металевий блиск.

Зі 118 хімічних елементів, відкритих на даний момент (з них не всі офіційно визнані), до металів відносять:

6 елементів у групі лужних металів,
6 у групі лужноземельних металів,
38 у групі перехідних металів,
11 у групі легких металів,
7 у групі напівметалів,
14 у групі лантаноїди + лантан,
14 у групі актиноїди (фізичні властивості вивчені не у всіх елементів) + актиній,
поза певними групами берилій та магній.

Таким чином, до металів можливо відноситься 96 елементів з усіх відкритих.

В астрофізиці термін «метал» може мати інше значення і позначати всі хімічні елементи важчі за гелій.

Характерні властивості металів

Металевий блиск (характерний не тільки для металів: його мають і неметали йод та вуглець у вигляді графіту)
Хороша електропровідність
Можливість легкої механічної обробки
Висока щільність (зазвичай метали важчі від неметалів)
Висока температура плавлення (виключення: ртуть, галій та лужні метали)
Велика теплопровідність
У реакціях найчастіше є відновниками.

Фізичні властивості металів

Усі метали (крім ртуті і, умовно, франція) за нормальних умов перебувають у твердому стані, проте мають різну твердість. Нижче наводиться твердість деяких металів за Моосовою шкалою.

Температури плавленнячистих металів лежать у діапазоні від -39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавлення більшості металів (за винятком лужних) висока, проте деякі «нормальні» метали, наприклад, олово і свинець, можна розплавити на звичайній електричній або газовій плиті.

Залежно від щільності, метали ділять на легкі (щільність 0,53 ÷ 5 г/см³) та важкі (5 ÷ 22,5 г/см³). Найлегшим металом є літій (щільність 0.53 г/см3). Найважчий метал нині назвати неможливо, оскільки щільності осмію та іридію - двох найважчих металів - майже рівні (близько 22.6 г/см³ - рівно вдвічі вищі за щільність свинцю), а обчислити їх точну щільність вкрай складно: для цього потрібно повністю очистити метали, адже будь-які домішки знижують їхню щільність.

Більшість металів пластичні, тобто металевий дріт можна зігнути, і він не зламається. Це відбувається через усунення шарів атомів металів без розриву зв'язку між ними. Найбільш пластичними є золото, срібло та мідь. Зі золота можна виготовити фольгу товщиною 0.003 мм, яку використовують для золочення виробів. Проте чи всі метали пластичні. Дріт із цинку або олова хрумтить при згинанні; марганець та вісмут при деформації взагалі майже не згинаються, а одразу ламаються. Пластичність залежить і від чистоти металу; так, дуже чистий хром дуже пластичний, але, забруднений навіть незначними домішками, стає тендітним і твердішим. Деякі метали, такі як золото, срібло, свинець, алюміній, осмій можуть зростатися між собою, але на це може піти десятки років.

Усі метали добре проводять електричний струм;це обумовлено наявністю в їх кристалічних ґратах рухомих електронів, що переміщуються під дією електричного поля. Срібло, мідь та алюміній мають найбільшу електропровідність; з цієї причини останні два метали найчастіше використовують як матеріал для проводів. Дуже високу електропровідність має натрій, в експериментальній апаратурі відомі спроби застосування натрієвих струмопроводів у формі тонкостінних труб з нержавіючої сталі, заповнених натрієм. Завдяки малій питомій вазі натрію, при рівному опорі натрієві «проводи» виходять значно легшими за мідні і навіть дещо легшими за алюмінієві.

Висока теплопровідність металів залежить також від рухливості вільних електронів. Тому ряд теплопровідностей схожий на ряд електропровідностей і найкращим провідником тепла, як і електрики, є срібло. Натрій також знаходить застосування як добрий провідник тепла; широко відомо, наприклад, застосування натрію в клапанах автомобільних двигунів для поліпшення їхнього охолодження.

Коліру більшості металів приблизно однаковий - світло-сірий з блакитним відтінком. Золото, мідь та цезій відповідно жовтого, червоного та світло-жовтого кольору.

Хімічні властивості металів

На зовнішньому електронному рівні у більшості металів невелика кількість електронів (1-3), тому вони здебільшого реакцій виступають як відновники (тобто «віддають» свої електрони)

Реакції із простими речовинами

З киснем реагують усі метали, окрім золота, платини. Реакція зі сріблом відбувається при високих температурах, але оксид срібла(II) практично не утворюється, оскільки він термічно нестійкий. Залежно від металу на виході можуть бути оксиди, пероксиди, надпероксиди:

оксид літію

пероксид натрію

надпероксид калію

Щоб одержати з пероксиду оксид, пероксид відновлюють металом:

З середніми та малоактивними металами реакція відбувається при нагріванні:

З азотом реагують лише найактивніші метали, при кімнатній температурі взаємодіє лише літій, утворюючи нітриди:

При нагріванні:

З сіркою реагують усі метали, крім золота та платини:

Залізо взаємодіє з сіркою при нагріванні, утворюючи сульфід:

З воднем реагують лише найактивніші метали, тобто метали IA та IIA груп крім Be. Реакції здійснюються при нагріванні, утворюються при цьому гідриди. У реакціях метал виступає як відновник, ступінь окислення водню −1:

З вуглецем реагують лише найактивніші метали. При цьому утворюються ацетиленіди або метаніди. Ацетиленіди при взаємодії з водою дають ацетилен, метаніди – метан.

У вузлах кристалічних ґрат металів містяться атоми. Електрони, що рухаються навколо атомів, утворюють «електронний газ», який вільно може переміщатися в різних напрямках. Ця властивість пояснює високу електропровідність та теплопровідність металів.
Електронний газ відбиває майже всі світлові промені. Саме тому метали так сильно блищать і найчастіше мають сірий чи білий колір. Зв'язки між окремими шарами металу невеликі, що дозволяє переміщувати ці шари під навантаженням у різних напрямках (по-іншому деформувати метал). Унікальним металом є золото. За допомогою кування із чистого золота можна зробити фольгу товщиною 0,002 мм! такий найтонший листочок металу напівпрозорий і має зелений відтінок, якщо дивитися через нього на сонячне світло.

Електрофізична властивість металіввиражено у його електропровідності. Вважають, що всі метали мають високу електропровідність, Тобто добре проводять струм! Але це не так, та й до того ж все залежить від температури, при якій заміряють струм. Уявімо кристалічну решітку металу, в якій струм передається за допомогою руху електронів. Електрони рухаються від одного вузла кристалічної решітки до іншого. Один електрон "виштовхує" з вузла грати інший електрон, який продовжує рухатися до іншого вузла ґрат і т.д. Тобто електропровідність також залежить від того, наскільки легко електрони можуть переміщатися між вузлами ґрат. Можна сказати, що електропровідність металу залежить від кристалічної будови ґрат та щільності розташування в ній частинок.
Частинки у вузлах грати мають коливання, і це коливання тим більше, що стоїть температура металу. Такі кролебанія значно перешкоджають переміщенню електронів у кристалічній решітці.
Таким чином, що нижча температура металу, то вище його здатність проводити струм!
Звідси випливає поняття надпровідності, Що настає в металі при температурі близької до абсолютного нуля! При абсолютному нулі (-273 0 C) коливання частинок у кристалічній решітці металу повністю загасають!
Електрофізична властивість металів, пов'язане з проходженням струму, називають температурним коефіцієнтом електроопору!
Встановлено цікавий факт, що, наприклад у свинцю (Pb) і ртуті (Hg) при температурі, яка вище абсолютного нуля всього на кілька градусів, майже повністю зникає електроопір, тобто настає умова надпровідності.
Найвищу електропровідність має срібло (Ag), потім мідь (Cu), далі йде золото (Au) та алюміній (Al). З високою електропровідністю цих металів пов'язане їх використання електротехніки. Іноді для забезпечення хімічної стійкості та антикорозійних властивостей використовують саме золото (позолочені контакти).
Слід зазначити, що електропровідність металів значно вища, ніж електропровідність неметалів. Ось наприклад, вуглець (С - графіт) або кремній (Si) мають електропровідність у 1000 разів менше, ніж, наприклад, у ртуті. Крім того, неметали у своїй більшості не є провідниками електрики. Але серед неметалів зустрічаються напівпровідники: германій (Ge), кремній кристалічний, а також деякі оксиди, фосфіти (хімічні сполуки металу з фосфором) та сульфіди (хімічні сполуки металу та сірки).

Вам, напевно, знайоме явище – це властивість металів під впливом температури чи світла віддавати електрони.
Що ж до теплопровідності металів, її можна оцінити з таблиці Менделєєва, — вона розподіляється так само, як електронегативність металів. (Метали, що знаходяться зліва вгорі мають найбільшу електронегативність, наприклад, електронегативність натрію Na дорівнює -2,76). У свою чергу, теплопровідність металів пояснюється наявністю вільних електронів, які переносять теплову енергію.

http://www.kristallikov.net/page3.html#блиск чистих металів