Метали: будова атомів, металічний зв’язок і фізичні властивості

Металічні елементи — це хімічні елементи, прості речовини яких за звичайних умов є металами. У Періодичній системі Д. І. Менделєєва вони займають переважну більшість клітинок — понад 90 елементів із приблизно 118 відомих. Їхнє положення легко визначити за умовною діагоналлю, яку проводять від Бору (B) до Астату (At).

Усі елементи, розташовані ліворуч і внизу від цієї діагоналі, а також елементи побічних підгруп (B-груп) є металічними. До них належать:

• усі s-елементи, крім Гідрогену (H) і Гелію (He)

• усі d-елементи (перехідні метали)

• усі f-елементи (лантаноїди й актиноїди)

• частина p-елементів: Алюміній (Al), Станум (Sn), Плюмбум (Pb), Бісмут (Bi) та інші

У межах одного періоду зліва направо металічні властивості слабшають, а неметалічні — посилюються. У головній підгрупі (A-групі) згори вниз, навпаки, металічні властивості посилюються. Наприклад, у IIA-групі Берилій (Be) виявляє амфотерні риси, Магній (Mg) — типовий метал, а Кальцій (Ca), Стронцій (Sr) і Барій (Ba) — ще активніші метали. Детальніше ці закономірності розглянуто в юніті «Радіус атома й електронегативність: закономірності в періодичній системі».

Найпоширеніші металічні елементи в земній корі

За вмістом у земній корі серед металічних елементів беззаперечним лідером є Алюміній (Al) — приблизно 8 % маси земної кори. Це третій за поширеністю елемент після Оксигену (≈ 47 %) і Силіцію (≈ 28 %). Друге місце серед металів посідає Ферум (Fe) — близько 5 %. Далі в порядку зменшення вмісту йдуть Кальцій (Ca), Натрій (Na), Калій (K) і Магній (Mg).

Активні метали (лужні й лужноземельні, алюміній) у природі трапляються лише у зв'язаному стані — у складі мінералів, гірських порід, солей морської води. Малоактивні метали (золото Au, платина Pt, срібло Ag, мідь Cu) можна знайти також у самородному стані — у вигляді самородків або дрібних вкраплень у породі.

Атоми металічних елементів мають характерні риси будови, які пояснюють їхню здатність легко віддавати електрони й утворювати прості речовини-метали.

Кількість електронів на зовнішньому рівні

Переважна більшість металічних елементів має на зовнішньому енергетичному рівні від 1 до 3 електронів. Наприклад:

• Натрій (Na) — 1 електрон на 3-му рівні (3s¹)

• Магній (Mg) — 2 електрони (3s²)

• Алюміній (Al) — 3 електрони (3s²3p¹)

• Ферум (Fe) — 2 електрони на 4s-підрівні (4s²)

Однак є винятки. Деякі p-метали мають більше зовнішніх електронів: Станум (Sn) і Плюмбум (Pb) — по 4 електрони, Бісмут (Bi) — 5 електронів. Попри це, вони залишаються металами, оскільки їхні атоми мають великий радіус і низьку електронегативність.

Великий радіус атомів і низька електронегативність

У межах одного періоду атоми металічних елементів мають найбільші радіуси. Наприклад, у третьому періоді радіус атома Натрію (Na) більший, ніж у Магнію (Mg), Алюмінію (Al) і тим паче Силіцію (Si) чи Хлору (Cl). Великий радіус означає, що зовнішні електрони перебувають далеко від ядра й слабко притягуються до нього. Водночас електронегативність металічних елементів низька (зазвичай 0,7–1,9 за шкалою Полінга).

Саме тому атоми металів легко віддають зовнішні електрони, перетворюючись на катіони. Наприклад:

Na − e⁻ → Na⁺ (електронна конфігурація 1s²2s²2p⁶ — стійкий октет неону)

Mg − 2e⁻ → Mg²⁺ (конфігурація неону)

Al − 3e⁻ → Al³⁺ (конфігурація неону)

Ступені окиснення металічних елементів

Оскільки атоми металів лише віддають електрони й ніколи не приєднують їх (через великий радіус і низьку електронегативність), у сполуках металічні елементи мають лише додатні ступені окиснення. Найпоширеніші значення:

• +1 — лужні метали (Na⁺, K⁺)

• +2 — лужноземельні метали (Mg²⁺, Ca²⁺)

• +3 — Алюміній (Al³⁺)

• +2 і +3 — Ферум (Fe²⁺, Fe³⁺)

Прості речовини-метали завжди виконують роль відновників у хімічних реакціях, оскільки їхні атоми віддають електрони. Хімічні властивості металів детально розглянуто в однойменному юніті.

Металічний зв'язок — це особливий тип хімічного зв'язку, який існує в металах і сплавах. Він кардинально відрізняється від йонного та ковалентного зв'язків, і саме він зумовлює характерні фізичні властивості металів.

Як виникає металічний зв'язок

Уявімо кристал металу, наприклад шматок натрію. Атоми Натрію мають на зовнішньому рівні лише один електрон (3s¹). Через великий радіус атома й низьку електронегативність цей електрон слабко притягується до ядра. У щільній упаковці атомів металу зовнішні електрони відокремлюються від своїх атомів і починають вільно рухатися між ними по всьому кристалу. Ці електрони називають усуспільненими або вільними, а їхню сукупність — «електронним газом».

Атоми, які втратили свої зовнішні електрони, перетворюються на додатно заряджені катіони (атом-йони). Вони розташовані у вузлах кристалічної ґратки. Між катіонами й усуспільненими електронами виникає електростатичне притягання, яке й утримує структуру разом. Це притягання і є металічним зв'язком.

Металічна кристалічна ґратка

Металічна кристалічна ґратка має таку будову:

• у вузлах ґратки — катіони металічних елементів (атом-йони) і нейтральні атоми

• між вузлами — вільні (усуспільнені) електрони, які належать усьому кристалу, а не окремим атомам

Відмінність від інших типів зв'язку

Ключова відмінність металічного зв'язку: у металі немає аніонів, а усуспільнені електрони не належать жодній конкретній парі атомів — вони є спільними для всього кристала. Саме тому метали проводять електричний струм і тепло, мають блиск і пластичність.

Усі метали мають низку спільних фізичних властивостей, які безпосередньо випливають з металічного зв'язку та будови металічної кристалічної ґратки. Водночас кожен метал має й індивідуальні характеристики — густину, твердість, температуру плавлення, колір.

Спільні властивості металів та їхнє пояснення

Металічний блиск. Вільні електрони в металі здатні відбивати світлові хвилі. Саме тому свіжо зрізана поверхня металу має характерний блиск. У порошкоподібному стані більшість металів втрачає блиск і має темно-сірий або чорний колір. Винятки — алюміній і магній: вони зберігають блиск і в порошку (алюмінієву пудру використовують для сріблястої фарби «срібнянки»).

Електро- й теплопровідність. Усуспільнені електрони можуть вільно рухатися під дією електричного поля, переносячи заряд. Це й зумовлює електропровідність металів. Ті самі електрони переносять і теплову енергію, тому метали добре проводять тепло. Цікаво, що з підвищенням температури електропровідність металів зменшується: посилені коливання катіонів у вузлах ґратки ускладнюють рух електронів.

Пластичність — здатність металу змінювати форму під ударами (ковкість) або витягуватися в дріт (тягучість). Вона притаманна більшості металів, але не всім: бісмут і манган крихкі. Шари катіонів у металічній ґратці можуть зсуватися один відносно одного, а електронний газ продовжує утримувати їх разом. На відміну від йонних кристалів (наприклад, кам'яної солі), де зсув шарів призводить до зближення однойменних йонів і руйнування кристала, металічна ґратка не руйнується при деформації.

Агрегатний стан і колір

За звичайних умов (20 °C) усі метали, крім одного, є твердими речовинами. Виняток — ртуть (Hg), яка залишається рідиною до −39 °C. Саме тому ртуть використовують у термометрах.

Більшість металів має сріблясто-білий або сірий колір. Однак є яскраві винятки: мідь (Cu) має червонуватий колір, а золото (Au) — жовтий.

Густина

За густиною метали поділяють на легкі (густина менша за 5 г/см³) і важкі (густина більша за 5 г/см³). Найлегший метал — літій (Li), його густина лише ≈ 0,53 г/см³; він легший за воду й навіть плаває на її поверхні. Інші легкі метали: натрій (≈ 0,97 г/см³), калій (≈ 0,86 г/см³), магній (≈ 1,74 г/см³), алюміній (≈ 2,7 г/см³). Важкі метали: залізо (≈ 7,9 г/см³), мідь (≈ 8,9 г/см³), свинець (≈ 11,3 г/см³), золото (≈ 19,3 г/см³).

Твердість

Твердість металів коливається в широких межах. Натрій і калій настільки м'які, що їх можна різати ножем. Найтвердіший метал — хром (Cr).

Температура плавлення

За температурою плавлення метали умовно поділяють на легкоплавкі й тугоплавкі; єдиної загальноприйнятої межі між ними немає. Легкоплавкі: ртуть (−39 °C), олово (≈ 232 °C), свинець (≈ 327 °C). Тугоплавкі: залізо (≈ 1539 °C), вольфрам (понад 3400 °C). Вольфрам — найтугоплавкіший метал, саме тому з нього виготовляють нитки розжарювання електричних ламп.

Електропровідність: рекордсмени

Найкраще проводять електричний струм срібло (Ag), мідь (Cu), золото (Au) й алюміній (Al). Срібло — найкращий провідник, але через високу вартість у побуті частіше використовують мідні й алюмінієві дроти.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему металів, будови їхніх атомів, металічного зв'язку та фізичних властивостей.

Приклад 1. Властивість, не спільна для всіх металів

Завдання: Яка властивість НЕ є спільною для всіх металів?

• А) електропровідність

• Б) теплопровідність

• В) металічний блиск

• Г) твердий агрегатний стан за звичайних умов

Розв'язання. Електропровідність, теплопровідність і металічний блиск справді притаманні всім металам. Однак твердий агрегатний стан — не спільна властивість, оскільки ртуть (Hg) за звичайних умов є рідиною (температура плавлення ≈ −39 °C).

Відповідь: Г.

Чому інші варіанти неправильні? Електропровідність (А) — спільна властивість, зумовлена рухом усуспільнених електронів. Теплопровідність (Б) — також спільна, ті самі електрони переносять тепло. Металічний блиск (В) — спільний, вільні електрони відбивають світло.

Приклад 2. Розпізнавання металу за описом

Завдання: Метал має такі фізичні властивості: сріблясто-білий, легкий (густина ≈ 2,7 г/см³), пластичний, добре проводить електричний струм, на повітрі вкривається тонкою захисною оксидною плівкою. Який це метал?

• А) залізо

• Б) алюміній

• В) мідь

• Г) натрій

Розв'язання. Густина 2,7 г/см³ — характерна саме для алюмінію. Алюміній сріблясто-білий, пластичний, добре проводить струм і вкривається захисною плівкою Al₂O₃.

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти неправильні? Залізо (А) має густину ≈ 7,9 г/см³ (важке) і притягується магнітом. Мідь (В) має червоний колір, а не сріблясто-білий. Натрій (Г) набагато легший (≈ 0,97 г/см³), ріжеться ножем і бурхливо реагує з водою, а не просто вкривається плівкою.

Приклад 3. Чим зумовлена електропровідність металів?

Завдання: Чим зумовлена електропровідність металів?

• А) рухом катіонів металу в кристалічній ґратці

• Б) рухом аніонів у кристалічній ґратці

• В) рухом усуспільнених (вільних) електронів у кристалі

• Г) наявністю ковалентних зв'язків між атомами

Розв'язання. Електропровідність металів зумовлена наявністю вільних (усуспільнених) електронів, які можуть вільно рухатися під дією електричного поля по всьому кристалу.

Відповідь: В.

Чому інші варіанти неправильні? Катіони (А) зафіксовані у вузлах ґратки й не можуть вільно рухатися. Аніонів (Б) у металічній ґратці взагалі немає. Ковалентні зв'язки (Г) характерні для неметалів, а не для металів.

Приклад 4. Два твердження про металічні елементи

Завдання: Оцініть правильність двох тверджень.

I. Атоми металічних елементів мають на зовнішньому рівні переважно 1–3 електрони.

II. У сполуках металічні елементи мають від'ємні ступені окиснення.

• А) правильне лише I

• Б) правильне лише II

• В) обидва правильні

• Г) обидва неправильні

Розв'язання. Твердження I правильне: більшість металічних елементів має 1–3 електрони на зовнішньому рівні (винятки — Sn, Pb, Bi). Твердження II неправильне: металічні елементи в сполуках мають лише додатні ступені окиснення, оскільки їхні атоми тільки віддають електрони.

Відповідь: А.

Розгляньмо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні в завданнях на тему металів, і запам'ятай, як їх уникнути.

• Вважати всі метали твердими за звичайних умов. Ртуть (Hg) — рідина за кімнатної температури (tпл ≈ −39 °C). Тому твердий агрегатний стан — не спільна властивість усіх металів.

• Пояснювати електропровідність металів рухом йонів. У металічній ґратці катіони зафіксовані у вузлах і не можуть вільно рухатися. Струм проводять усуспільнені (вільні) електрони.

• Плутати металічний зв'язок з йонним. У металі немає аніонів — лише катіони й вільні електрони. В йонному зв'язку беруть участь катіони й аніони різних елементів.

• Вважати всі метали сріблястими й важкими. Мідь (Cu) червона, золото (Au) жовте. Літій (Li) легший за воду (густина ≈ 0,53 г/см³).

• Приписувати металічним елементам від'ємні ступені окиснення в сполуках. Атоми металів лише віддають електрони, тому в сполуках мають лише додатні ступені окиснення (+1, +2, +3 тощо).

• Вважати графіт металом через блиск і електропровідність. Графіт — алотропна модифікація Карбону (неметалічного елемента). Його блиск і провідність зумовлені особливою шаруватою будовою, а не металічним зв'язком.

Програма НМТ з хімії (тема 2.1.2) вимагає від тебе вміння називати найпоширеніші у природі металічні елементи, пояснювати залежність фізичних властивостей металів від їхньої будови й характеризувати метали.

Форма завдань

На НМТ завдання з цієї теми можуть мати форму вибору однієї відповіді з чотирьох (А–Г; завдання 1–18, 1 бал) або встановлення відповідності (завдання 19–20). Типові формулювання:

• «Яка властивість НЕ є спільною для всіх металів?» — перевіряє знання винятків (ртуть — рідина).

• «Який метал має такі властивості: …?» — завдання на розпізнавання металу за описом.

• «Чим зумовлена електропровідність металів?» — перевіряє розуміння металічного зв'язку.

• Оцінка двох тверджень (I та II) — як у демоваріанті 2026 року, завдання 10.

Довідкові матеріали

У довідкових матеріалах НМТ клітинка періодичної системи містить лише символ елемента, протонне число й відносну атомну масу. Назв елементів і фізичних властивостей металів у довідці немає. Тому всі назви металів, їхні густини, кольори, температури плавлення потрібно знати напам'ять.

Стратегія виконання

У завданні «метал за описом» спершу відсій варіанти за найяскравішою ознакою:

• рідкий метал → ртуть

• червоний метал → мідь

• найлегший метал → літій

• притягується магнітом → залізо (або нікель, кобальт)

• жовтий метал → золото

Після відсіювання за кольором або агрегатним станом залишається 1–2 варіанти, які можна перевірити за густиною або іншою ознакою.

• Металічні елементи розташовані ліворуч і внизу від умовної діагоналі B–At, а також у побічних підгрупах. Їх понад 90.

• На зовнішньому енергетичному рівні атоми металів мають переважно 1–3 електрони (винятки — Sn, Pb, Bi). Радіус атомів великий, електронегативність низька, тому вони легко віддають електрони.

• Металічний зв'язок — це притягання катіонів до усуспільнених електронів («електронного газу»), які вільно рухаються по всьому кристалу.

• Спільні фізичні властивості металів: металічний блиск, електро- й теплопровідність; пластичність (ковкість і тягучість) притаманна більшості металів (бісмут і манган крихкі).

• Рекордсмени: ртуть — рідкий метал, літій — найлегший (0,53 г/см³), вольфрам — найтугоплавкіший (понад 3400 °C), срібло — найкращий провідник, хром — найтвердіший.

• У земній корі найпоширеніші металічні елементи — Алюміній (≈ 8 %) і Ферум (≈ 5 %).