Перечислите физические свойства металлов. Объясните связь физических свойств металлов со строением их атомов.

Физические свойства металлов

1. Металлический блеск (высокая отражательная способность)

• Поверхность металлов обычно хорошо отражает свет и выглядит блестящей (особенно после полировки).

2. Высокая электропроводность

• Металлы хорошо проводят электрический ток как в твёрдом состоянии, так и в расплавах (в твёрдом — обычно лучше).

3. Высокая теплопроводность

• Металлы быстро передают тепло: нагретый участок легко «делится» теплом с остальной частью тела.

4. Пластичность: ковкость и тягучесть

• Ковкость — способность раскатываться в листы (фольга).

• Тягучесть — способность вытягиваться в проволоку.

• В целом металлы легче деформируются без разрушения, чем большинство неметаллических кристаллов.

5. Твёрдость и прочность (часто, но не у всех одинаково)

• Многие металлы твёрды и прочны, но есть исключения: щёлочные металлы мягкие, некоторые металлы легко царапаются.

• Прочность сильно зависит от чистоты, структуры, наличия примесей и термообработки.

6. Относительно высокая плотность (часто)

• У многих металлов плотность велика (железо, медь, свинец), но есть лёгкие металлы (алюминий, магний, литий).

7. Высокие температуры плавления и кипения (часто)

• Для многих металлов характерны высокие температуры плавления (железо, вольфрам), но есть низкоплавкие (ртуть — жидкая при комнатной температуре, галлий, олово, свинец — сравнительно низкоплавкие).

8. Звонкость (хорошая передача механических колебаний)

• Металлы часто «звенят» при ударе благодаря упругости и хорошему распространению колебаний.

9. Магнитные свойства (только у части металлов)

• Некоторые металлы и сплавы проявляют ферромагнетизм (например, железо, кобальт, никель), но большинство металлов не являются сильными магнитами.

Связь физических свойств металлов со строением их атомов

Ключ к пониманию — металлическая связь и строение металлического кристалла.

1) Почему металлы проводят электричество и тепло

• У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно 1–3 валентных электрона, которые сравнительно слабо удерживаются ядром.

• В кристалле эти электроны делокализуются: они не «принадлежат» одному конкретному атому, а образуют общее электронное облако (часто говорят: «электронный газ»).

• Положительные остатки атомов превращаются в катионы и располагаются в узлах кристаллической решётки, а между ними движутся делокализованные электроны.

Электропроводность:

• При приложении электрического поля делокализованные электроны начинают направленно перемещаться — возникает электрический ток.

• У неметаллов электроны чаще связаны в прочных направленных связях, поэтому свободных носителей мало — проводимость ниже.

Теплопроводность:

• Тепло в металлах переносится не только колебаниями решётки, но и быстрым переносом энергии подвижными электронами.

• Поэтому металл быстро «разносит» тепло по объёму.

2) Откуда берётся металлический блеск

• Свет — это электромагнитная волна. Делокализованные электроны у поверхности металла легко начинают колебаться под действием падающей волны и переизлучают её обратно.

• Поэтому значительная часть света отражается — появляется характерный металлический блеск.

• У многих неметаллов электронов, способных так свободно реагировать, меньше — поэтому они обычно менее отражающие.

3) Почему металлы пластичны (ковкие и тягучие)

• Металлическая связь ненаправленная: притяжение идёт между катионами решётки и общим электронным облаком.

• Когда слои катионов смещаются (при ударе или растяжении), электронное облако «перестраивается» и продолжает удерживать кристалл вместе.

• Поэтому возможна значительная деформация без разрыва связей и без немедленного разрушения решётки.

Для сравнения:

• В ионных кристаллах при сдвиге слоёв рядом оказываются одноимённые заряды → сильное отталкивание → хрупкий излом.

• В ковалентных кристаллах связи направленные; их трудно «перенастроить» при сдвиге, поэтому пластичность ниже.

4) Почему у металлов часто высокие температуры плавления и прочность

• Чем сильнее притяжение между катионами и электронным облаком (то есть чем сильнее металлическая связь), тем больше энергии нужно, чтобы разрушить упорядоченную решётку → выше температура плавления и часто выше прочность.

• Сила металлической связи обычно растёт при:

  • большем числе делокализованных электронов,

  • меньшем радиусе катионов (электроны ближе к ядрам),

  • более плотной упаковке в решётке.

Но это «часто», а не «всегда»: конкретные значения зависят от типа решётки, строения, примесей, дефектов и т. п.

5) Почему свойства металлов различаются между собой

Хотя общая природа связи одинакова, металлы отличаются:

• числом валентных электронов и тем, насколько легко они делокализуются;

• размером атомов/катионов и плотностью упаковки;

• типом кристаллической решётки (гранецентрированная кубическая, объёмноцентрированная кубическая, гексагональная плотная упаковка и др.);

• наличием примесей и дефектов, которые могут сильно менять прочность, твёрдость, проводимость.

Например:

• Примеси и дефекты обычно снижают электропроводность (электроны чаще рассеиваются),

• но могут повышать прочность (мешают движению дислокаций, поэтому металл хуже «скользит» и труднее деформируется).

Итоговая связь “строение → свойства”:

• Делокализованные валентные электроны → электро- и теплопроводность, блеск.

• Ненаправленная металлическая связь и возможность сдвига слоёв решётки без разрушения → пластичность.

• Сила притяжения катионов и электронного облака + плотность упаковки решётки → прочность, твёрдость, температуры плавления/кипения (в типичном случае).