Металлы: общая характеристика

Медный провод можно гнуть тысячи раз, и он не сломается; кусок натрия хранят под слоем керосина, потому что на воздухе он портится за минуты; золотые украшения, поднятые с речного дна, лежали там три тысячи лет и выглядят новыми. Все три — металлы, но ведут себя как представители разных стихий. Разница объясняется положением в периодической системе: чем левее и ниже элемент, тем легче его атом отдаёт электроны. Понять металл — значит понять две вещи: как устроена его связь и насколько он активен. Эти идеи закрывают почти весь блок вопросов о металлах и задают логику цепочек превращений на экзамене.

Положение в таблице и металлическая связь

Металлы занимают левую часть и низ периодической системы: s-элементы первых двух групп, d-элементы побочных подгрупп и f-семейство лантаноидов и актиноидов. У атомов металлов на внешнем уровне мало электронов — один-три, а у d-элементов в связях участвуют ещё и электроны предпоследнего уровня. Энергия отрыва этих электронов невелика, электроотрицательность низкая, поэтому в реакциях металлы ведут себя как восстановители: отдают электроны и превращаются в катионы. Чем меньше электронов держит атом и чем дальше они от ядра, тем активнее металл — отсюда пропасть между взрывным цезием и спокойной платиной.

Металлическая связь устроена принципиально иначе, чем ковалентная. В узлах кристалла стоят катионы, а оторванные валентные электроны образуют общий электронный газ — он принадлежит всему куску, а не отдельной паре атомов. Из этого устройства следуют все типичные свойства: подвижные электроны переносят заряд и тепло, поэтому металлы проводят ток и греются быстро; слои катионов смещаются без разрыва связи, отсюда пластичность и ковкость; электронный газ отражает свет — вот и металлический блеск. Исключения только подтверждают модель: ртуть при комнатной температуре жидкая, а галлий плавится в ладони при 29,8 градуса.

Из металлической связи вырастает и классификация металлов по применению. Чёрные металлы — железо и его сплавы — несут на себе мосты, рельсы и каркасы зданий; цветные — медь, алюминий, титан — работают там, где нужны проводимость, лёгкость или стойкость к среде. Щелочные металлы в чистом виде в технике почти не встречаются: слишком рьяно они отдают электрон. Их ниша — сильные восстановители и источники ионов: натриевые лампы дают уличное освещение, жидкий натрий уносит тепло в некоторых ядерных реакторах.

Отдельные семейства стоит держать в голове по отдельности. Щелочные металлы первой группы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий — мягкие, режутся ножом, горят с характерной окраской пламени и становятся реактивнее вниз по группе: цезий вспыхивает от капли воды, литий реагирует спокойнее. Щелочноземельные — кальций, стронций, барий — твёрже, но тоже реагируют с водой, только медленнее натрия. Алюминий — переходный случай: по ряду он стоит близко к началу и как порошок вспыхивает в пламени горелки, но плотный металл под оксидной плёнкой спокоен в воде. Именно на этой разнице проверяют, понимаешь ли ты пассивацию.

Ряд активности: кто кого вытесняет

Химики выстроили металлы в электрохимический ряд активности: Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, затем водород, а после него Cu, Hg, Ag, Pt, Au. Правило простое: металл левее вытесняет металл правее из раствора его соли, а металлы до водорода вытесняют его из растворов кислот вроде соляной и разбавленной серной. Железный гвоздь в растворе сульфата меди покрывается красным налётом — железо стоит левее и забрало место меди. Медь в растворе сульфата железа лежит спокойно: стоять правее — значит не вытеснять.

С простыми веществами металлы дают соли и оксиды. Щелочные металлы горят на воздухе, причём литий даёт обычный оксид Li2O, а натрий — пероксид Na2O2. Магний и кальций образуют основные оксиды MgO и CaO, а железо в железной окалине живёт сразу в двух степенях окисления — это Fe3O4. С водородом большинство металлов не соединяется, зато щелочные и щелочноземельные дают ионные гидриды вроде NaH — редкий случай, когда водород выступает окислителем и принимает электрон.

С водой активные металлы реагируют даже на холоде: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2 — кусок плавает, шипит и уменьшается на глазах. Магнию нужен уже нагрев, а железо реагирует только с парами воды при накаливании: 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2. С кислотами все металлы до водорода дают соль и газ, а медь, серебро и ртуть в соляной и разбавленной серной кислотах тонут без изменений — их растворяют окислители вроде азотной кислоты, которые работают не за счёт водорода, а за счёт аниона.

Металлургия — прямой выход из этой темы: получить металл из руды означает обратить его катион в атом, то есть провести восстановление. Самые активные металлы вытесняют из расплавов электролизом, средние восстанавливают углём и угарным газом, наименее активные и вовсе встречаются в самородном виде. Порядок методов повторяет ряд активности — ещё одна причина держать его в памяти.

Ближайшее практическое продолжение — коррозия. Железо ржавеет, потому что кислород и вода окисляют его до гидроксидов, а ржавчина рыхлая и поверхность не защищает, в отличие от плёнки на алюминии. Способы защиты читаются прямо из ряда активности: покрыть металлом правее — лужёная жесть, металлом левее — оцинковка, где цинк разрушается первым, защищая железо протекторно, либо добавить хром в сплав — так получают нержавеющую сталь. На экзамене эти приёмы спрашивают в связке с рядом активности.

Сплавы: зачем смешивать металлы

Чистый металл в технике — редкость. Сплавы получают, сплавляя металл с другими металлами или неметаллами, и свойства меняются нелинейно: твёрдость обычно растёт, а температура плавления часто падает. Железо с углеродом даёт два главных сплава цивилизации: до 2,14% углерода — сталь, больше — чугун. Медь с оловом — бронза, целая историческая эпоха; медь с цинком — латунь. Алюминий с медью и магнием — дюралюминий, из которого делают самолёты: лёгкий, как алюминий, и прочный, как сталь. Припой из олова и свинца плавится ниже обоих компонентов — этим пользуются монтажники электронных плат.

Цепочки превращений: как их читать

На экзамене металлы чаще всего встречаются в цепочках превращений: дана последовательность веществ, нужно назвать реагенты. Стратегия такая: смотри на состав каждого звена и меняй класс вещества. Металл превращается в основный оксид кислородом, оксид переходит в гидроксид водой, гидроксид становится солью под действием кислоты. Амфотерные элементы вроде алюминия и цинка добавляют развилок: их оксиды и гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щелочами, поэтому у звена два возможных пути. Если из металла сразу получают соль — подумай про кислоту, галоген или серу в зависимости от нужного аниона.

Металлическая связь#

связь между катионами металла через общий электронный газ

Электрохимический ряд активности#

последовательность металлов по уменьшению восстановительной активности

Пассивация#

остановка реакции плотной оксидной плёнкой на поверхности

Сплав#

материал из нескольких металлов или металла с неметаллом

Где применять: ряд активности решает половину задач о вытеснении, а цепочка металл — оксид — гидроксид — соль — типовой каркас и первой части экзамена, и задания на превращения. Дальше по расчётной линии — избыток и недостаток реагентов: задачи про металлы почти всегда дают неравные количества исходных веществ. А качественные реакции на катионы металлов ждут в конце пака: там гидроксид натрия распишет весь цветной каталог осадков.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема