Метали: будова атомів, металічний зв’язок і фізичні властивості
~10 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Пояснюєш фізичні властивості металів (блиск, електро- й теплопровідність, пластичність) будовою їхніх атомів і металічним зв'язком. Навчишся визначати металічні елементи в періодичній системі, називати найпоширеніші в земній корі та розпізнавати метал за описом властивостей.
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).
Елемент | Символ | Вміст у земній корі, % | Місце серед усіх елементів |
|---|---|---|---|
Алюміній | Al | ≈ 8,0 | 3 |
Ферум | Fe | ≈ 5,0 | 4 |
Кальцій | Ca | ≈ 3,6 | 5 |
Натрій | Na | ≈ 2,6 | 6 |
Калій | K | ≈ 2,5 | 7 |
Магній | Mg | ≈ 1,9 | 8 |
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
Тип зв'язку | Хто бере участь | Як утримується структура | Приклад |
|---|---|---|---|
Металічний | Катіони + вільні електрони | Притягання катіонів до електронного газу | Na, Fe, Cu |
Йонний | Катіони + аніони різних елементів | Притягання різнойменних йонів | NaCl, CaO |
Ковалентний | Атоми (однакові або різні) | Спільні електронні пари між двома атомами | H₂, O₂, H₂O |
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.
Чому метали блищать?
Металічний блиск зумовлений наявністю вільних (усуспільнених) електронів у поверхневому шарі металу. Ці електрони взаємодіють зі світловими хвилями: вони поглинають енергію світла, а потім випромінюють її назад, створюючи ефект дзеркального відбивання. Саме тому свіжо зрізана або відполірована поверхня будь-якого металу має характерний блиск.
Чому метал можна кувати, а кристал солі від удару розсипається?
У металічній ґратці шари катіонів можуть зсуватися один відносно одного, а електронний газ продовжує утримувати їх разом. Тому метал деформується, але не руйнується. У йонному кристалі (наприклад, NaCl) зсув шарів призводить до зближення однойменно заряджених йонів (Na⁺ біля Na⁺, Cl⁻ біля Cl⁻), що викликає сильне відштовхування й руйнування кристала. Тому сіль крихка, а метал пластичний.
Чому нагрітий метал гірше проводить струм?
З підвищенням температури посилюються коливання катіонів у вузлах металічної ґратки. Ці коливання створюють перешкоди для спрямованого руху вільних електронів: електрони частіше зіштовхуються з катіонами, втрачаючи енергію. Тому електропровідність металів зменшується з нагріванням. Це протилежно до напівпровідників, провідність яких зростає при нагріванні.
Чому ртуть рідка, хоча вона метал?
Ртуть — єдиний метал, рідкий за звичайних умов, через особливості її електронної будови. У ртуті 6s-електрони дуже міцно утримуються ядром через релятивістські ефекти (електрони рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла), тому вони гірше усуспільнюються. Металічний зв'язок у ртуті слабший, ніж у сусідніх металів, що призводить до низької температури плавлення (−39 °C).
Чи є метали, легші за воду?
Так. Літій (Li) має густину ≈ 0,53 г/см³, калій (K) — ≈ 0,86 г/см³, натрій (Na) — ≈ 0,97 г/см³. Усі вони легші за воду (густина води 1,0 г/см³) і плавають на її поверхні. Літій — найлегший метал взагалі. Однак ці метали хімічно активні: натрій і калій бурхливо реагують з водою, тому їх не можна просто покласти на воду — вони займуться або вибухнуть.
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 %).