Неметаллы - это элементы, значительно отличающиеся физическими и химическими свойствами от металлов. Подробно объяснить причину их различий смогли только в конце XIX века, после открытия электронного строения атома. В чем же особенность неметаллов? Какие качества характерны дня них? Давайте разберемся.
Неметаллы - это что?
Подход к разделению элементов на металлы и неметаллы давно существует в научной среде. К первым в периодической таблице Менделеева обычно относят 94 элемента. Неметаллы Менделеева включают 22 элемента. В они занимают верхний правый угол.
В свободном виде неметаллы - это простые вещества, главной чертой которых является отсутствие характерных металлических свойств. Они могут находиться во всех агрегатных состояниях. Так, йод, фосфор, сера, углерод встречаются в виде твердых веществ. Газообразное состояние характерно для кислорода, азота, фтора и т. д. Жидкостью является только бром.
В природе элементы неметаллы могут существовать как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В несвязанном виде встречаются сера, азот, кислород. В соединениях они образуют бораты, фосфаты и т. д. В таком виде они присутствуют в минералах, воде, горных породах.
Отличие от металлов
Неметаллы - это элементы, отличающиеся от металлов внешним видом, строением и химическими свойствами. Они обладают большим числом неспаренных электронов на внешнем уровне, а значит, более активны в окислительных реакциях и легче присоединяют к себе дополнительные электроны.
Характерное различие между элементами наблюдается в строении кристаллической решетки. У металлов она металлическая. У неметаллов она может быть двух видов: атомная и молекулярная. Атомная решетка придает веществам твердость и повышает температуру плавления, она свойственна кремнию, бору, германию. Молекулярной решеткой обладают хлор, сера, кислород. Она придает им летучесть и небольшую твердость.
Внутреннее строение элементов определяет их физические свойства. Металлы имеют характерный блеск, хорошую проводимость тока и тепла. Они твердые, пластичные, поддаются ковке, имеют небольшой цветовой диапазон (черный, оттенки серого, иногда желтоватый цвет).
Неметаллы - это жидкие, газообразные или не обладающие блеском и ковкостью. Их цвета сильно варьируются и могут быть красными, черными, серыми, желтыми и т. д. Почти все неметаллы плохо проводят ток (кроме углерода) и тепло (кроме черного фосфора и углерода).
Химические свойства неметаллов
В химических реакциях неметаллы могут исполнять роль как окислителей, так и восстановителей. При взаимодействии с металлами они принимают на себя электроны, проявляя таким образом окислительные свойства.
Взаимодействуя с другими неметаллами, они ведут себя по-разному. В таких реакциях менее электроотрицательный элемент проявляет себя как восстановитель, более электроотрицательный выступает окислителем.
С кислородом почти все (кроме фтора) неметаллы проявляют себя восстановителями. При взаимодействии с водородом многие являются окислителями, образуя впоследствии летучие соединения.
Часть элементов неметаллов обладает способностью образовывать несколько простых веществ или модификаций. Это явление называется аллотропией. Например, углерод существует в форме графита, алмаза, карбина и других модификаций. У кислорода их две - озон и собственно кислород. Фосфор бывает красный, черный, белый и металлический.
Неметаллы в природе
В разном количестве неметаллы находятся повсюду. Они входят в состав земной коры, являются частью атмосферы, гидросферы, присутствуют во Вселенной и в живых организмах. В космическом пространстве самыми распространенными являются водород и гелий.
В пределах Земли ситуация совсем иная. Наиболее важные составляющие земной коры - кислород и кремний. Они составляют больше 75 % от её массы. А вот наименьшее количество приходится на йод и бром.
В составе морской воды на кислород приходится 85,80 %, а на водород - 10,67 %. Её состав также включает хлор, серу, бор, бром, углерод, фтор и кремний. В составе атмосферы первенство принадлежит азоту (78 %) и кислороду (21 %).
Неметаллы, такие как углерод, водород, фосфор, сера, кислород и азот, представляют собой важные органические вещества. Они поддерживают жизненную активность всех живых существ на нашей планете, в том числе и людей.
Природа имеет некую цикличность и повторяемость в своих проявлениях. На это обращали внимание и древнегреческие ученые, когда пытались разложить природу вещей на составляющие: стихии, геометрические фигуры и даже атомы. На признаки повторяемости также обращают внимание и ученые современности. Например, Карл Линней на основе фенотипичного сходства смог выстроить систему живых существ.
Долгое время химия как наука оставалась без системы, которая могла бы упорядочить великое множество открытых веществ. Знания древних алхимиков дали богатейший материал для построения такой системы. Многие учёные предпринимали попытки выстроить гармоничную схему, но все попытки оказались тщетными. Так было вплоть до 1869 года, когда великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев представил миру своё детище – периодическую таблицу химических элементов. Говорят, что таблица приснилась учёному. Во сне он увидел, как таблица выстроилась в виде змеи и обвилась вокруг его ног. Достоверность этого факта сомнительна , но как бы то ни было, это был настоящий прорыв в науке.
Менделеев расположил элементы по мере возрастания их атомной массы. Этот принцип актуален и сейчас, правда, сейчас в основе лежит количество протонов и нейтронов в ядре.
Металлы и их отличительные свойства
Все химические элементы можно довольно условно поделить на металлы и неметаллы. Что же их отличает друг от друга? Как отличить металл от неметалла?
Из 118 открытых веществ 94 относят к группе металлов. Группа представлена разнообразными подгруппами:
Какие же признаки являются общими для всех металлов?
- Все металлы при комнатной температуре являют твёрдыми веществами. Это справедливо для всех элементов, кроме ртути, которая тверда до минус 39 градусов Цельсия. В комнатных условиях ртуть – это жидкость.
- Большинство из элементов этой группы имеют довольно высокую температуру плавления. Например, Вольфрам плавится при температуре 3410 градусов Цельсия. По этой причине его используют для изготовления нити в лампах накаливания.
- Все металлы пластичны. Это проявляется в том, что кристаллическая решетка металла позволяет атомам смещаться. В результате металлы могут гнуться без физической деформации, поддаются ковке. Особой пластичностью обладают медь, золото и серебро. Именно поэтому исторически они были первыми металлами, которые обрабатывал человек. Далее он научился обрабатывать железо.
- Все металлы очень хорошо проводят электричество, что опять же связано со строением металлической кристаллической решетки, имеющей подвижные электроны. Кроме всего прочего, эти элементы очень легко проводят тепло.
- Ну и, наконец, все металлы имеют характерный, ни с чем не сравнимый металлический блеск. Цвет чаще всего сероватой с голубым отливом. Au, Cu или Cs имеют желтый и красный оттенки.
Не пропустите: механизм образования , конкретные примеры.
Неметаллы
Все неметаллы расположены в правом верхнем углу периодической таблицы по диагонали, которую можно провести от водорода до астата и радона. Кстати говоря, водород при определенных условиях также может проявлять металлические свойства.
Основное отличие от металлов заключается в строении кристаллической решетки. Если у металлов кристаллическая решетка металлическая, то у неметаллов она может быть атомной или молекулярной. Молекулярной решеткой обладают некоторые газы – кислород, хлор, сера, азот. Вещества с атомной решеткой имеют твёрдое агрегатное состояние, относительно высокую температуру плавления.
Физические свойства неметаллов довольно разнообразны, неметаллы могут быть твердыми (йод, углерод, сера, фосфор), жидкими (только бром), газообразными (фтор, хлор, азот, кислород, водород) веществами с абсолютно разнообразным цветом. Агрегатное состояние может меняться под действием температуры.
С химической точки зрения, неметаллы могут выступать в роли окислителей и восстановителей. Неметаллы могут взаимодействовать между собой и с металлами. Кислород, к примеру, со всеми веществами выступает в роли окислителя, а вот с фтором выступает в роли восстановителя.
Аллотропия
Еще одно удивительное свойство неметаллов заключается в явлении, которое назвали аллотропией – видоизменение веществ, приводящее к различным аллотропным модификациям одного и того же химического элемента. С греческого можно перевести слово “аллотропия” как “другое свойство”. Так оно и есть.
Рассмотрим более подробно на примере списка некоторых простых веществ:
Модификации имеют и другие вещества
– сера, селен, бор, мышьяк, бор, кремний, сурьма. При различных температурах многие металлы также обладают этими свойствами.
Конечно, деление всех простых веществ на группы металлов и неметаллов довольно условно. Это деление облегчает понимание свойств химических веществ, создает иллюзию их разделения на обособленные вещества. Как и все в мире, это деление относительное и зависит от внешних факторов окружающей среды – давления, температуры, света и т.д.
Металлы - это элементы, проявляющие в своих соединениях только положительные степени окисления, и в простых веществах которые имеют металлические связи. Металлическая кристаллическая решетка - решетка, образованная нейтральными атомами и ионами металлов, связанными между собой свободными электронами. У металлов в узлах кристаллической решетки находятся атомы и положительные ионы.
Электроны, отданные атомами, находятся в общем владении атомов и положительных ионов. Такая связь называется металлической. Для металлов наиболее характерны следующие физические свойства: металлический блеск, твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла и электричества. Теплопроводность и электропроводность уменьшается в ряду металлов: Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg.
Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее:
- - алюминия - 8,2%;
- - железа - 4,1%;
- - кальция - 4,1%;
- - натрия - 2,3%;
- - магния - 2,3%;
- - калия - 2,1%;
- - титана - 0,56%.
С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым “металлическим” блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света.
Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу.
Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Рисунок 1:
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т. п.
Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т. е., возникает электрический ток.
Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т. д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается, вся масса металла принимает одинаковую температуру. По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см. куб., и тяжелые металлы - все остальные. Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.
Наиболее активные металлы главных подгрупп являются сильными восстановителями, поэтому восстанавливают водород до степени окисления -1 и образуют гидриды.
Понятие о сплавах.
Характерной особенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы.
Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергают плавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяется природой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости от температуры.
Рисунок 2:
Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, не прибегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы - это продукты химического взаимодействия металлов.
Кристаллическая структура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуя друг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют:
- а) химические соединения, называемые интерметаллидами;
- б) твердые растворы;
- в) механическую смесь кристаллов компонентов.
Тот или иной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействия разнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергий взаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.
Современная техника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаев они состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов. Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойств индивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5 градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температуры плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов. Однако некоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которые характерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы и фосфора, увеличивающие ее хрупкость.
Среди свойств сплавов наиболее важными для практического применения являются жаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др.
Для авиации большое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, для металлообрабатывающей промышленности - специальные сплавы, содержащие вольфрам, кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентом которых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продукты взаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, а сверхпроводящие при низких температурах сплавы - на основе интерметаллидов, образуемых ниобием с оловом и др.
Все многообразие окружающей нас природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов.
В различные исторические эпохи в понятие «элемент» вкладывался различный смысл. Древнегреческие философы в качестве «элементов» рассматривали четыре «стихии» - тепло, холод, сухость и влажность. Сочетаясь попарно, они образовывали четыре «начала» всех вещей - огонь, воздух, воду и землю. В средние века к этим началам добавились соль, сера и ртуть. В XVII веке Р. Бойль указал на то, что все элементы носят материальный характер и их число может быть достаточно велико.
В 1787 году французский химик А. Лавуазье создал «Таблицу простых тел». В нее вошли все известные к тому времени элементы. Под последними понимались простые тела, которые не удавалось разложить химическими методами на еще более простые. Впоследствии выяснилось, что в таблицу вошли и некоторые сложные вещества.
В настоящее время понятие «химический элемент» установлено точно.
Химический элемент - вил атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. Последний равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. В настоящее время известно 107 элементов. Около 90 из них существуют в природе. Остальные получены искусственно с помощью ядерных реакций. 104-107 элементы были синтезированы учеными-физиками в Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубне. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми элементами. Все элементы делятся на металлы и неметаллы. Из 107 элементов 85 относятся к металлам. К неметаллам относят следующие элементы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, фтор, хлор, бром, йод, астат, кислород, сера, селен, теллур, азот, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор, водород. Однако это деление условное. При определенных условиях некоторые металлы могут проявлять неметаллические свойства, а некоторые неметаллы - металлические свойства.
Неметаллических элементов по сравнению к металлическими элементами относительно немного.
Все остальные неметаллы проявляют восстановительные свойства. Причем эти свойства постепенно возрастают от кислорода к кремнию: O, Cl, N, I, S, C, P, H, B, Si. Так, например, хлор непосредственно с кислородом не соединяется, но косвенным путем можно получить его оксиды (Cl2 O, ClO2, Cl2O2), в которых хлор проявляет положительную степень окисления. Азот при высокой температуре непосредственно соединяется с кислородом и, следовательно, проявляет восстановительные свойства. Еще легче с кислородом реагирует сера: она проявляет и окислительные свойства.
Неметаллы образуют как одноатомные, так и двухатомные молекулы.
К одноатомным неметаллам относятся инертные газы, практически не реагирующие даже с самыми активными веществами. Инертные газы расположены в VIII группе Периодической системы, а химические формулы соответствующих простых веществ следующие: He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn.
Некоторые неметаллы образуют двухатомные молекулы. Это H2, F2, Cl2, Br2, I2 (элементы VII группы Периодической системы), а также кислород O2 и азот N2. Из трехатомных молекул состоит газ озон (O3).
Для веществ неметаллов, находящихся в твердом состоянии, составить химическую формулу довольно сложно. Атомы углерода в графите соединены друг с другом различным образом. Выделить отдельную молекулу в приведенных структурах затруднительно. При написании химических формул таких веществ, как и в случае с металлами, вводится допущение, что такие вещества состоят только из атомов. Химические формулы, при этом, записываются без индексов - C, Si, S и т. д.
Такие простые вещества, как озон и кислород, имеющие одинаковый качественный состав (оба состоят из одного и того же элемента - кислорода), но различающиеся по числу атомов в молекуле, имеют различные свойства. Так, кислород запаха не имеет, в то время как озон обладает резким запахом, который мы ощущаем во время грозы. Свойства твердых неметаллов, графита и алмаза, имеющих также одинаковый качественный состав, но разное строение, резко отличаются (графит хрупкий, алмаз твердый). Таким образом, свойства вещества определяются не только его качественным составом, но и тем, сколько атомов содержится в молекуле вещества и как они связаны между собой.
Неметаллы в виде простых тел находятся в твердом или газообразном состоянии (исключая бром - жидкость). Они не имеют физических свойств, присущих металлам. Твердые неметаллы не обладают характерным для металлов блеском, они обычно хрупки, плохо проводят электрический ток и тепло (за исключением графита).
Оксиды неметаллов относят к кислотным оксидам, которым соответствуют кислоты. С водородом неметаллы образуют газообразные соединения (например HCl, H2S, NH3). Водные растворы некоторых из них (например, галогеноводородов) - сильные кислоты. С металлами типичные неметаллы дают соединения с ионной связью (например, NaCl). Неметаллы могут при определенных условиях между собой реагировать, образуя соединения с ковалентной полярной (H2O, HCl) и неполярной связями (CO2).
С водородом неметаллы образуют летучие соединения, как, например, фтороводород HF, сероводород H2S, аммиак NH3, метан CH4. При растворении в воде водородные соединения галогенов, серы, селена и теллура образуют кислоты той же формулы, что и сами водородные соединения: HF, HCl, HCl, HBr, HI, H2S, H2Se, H2Te.
При растворении в воде аммиака образуются аммиачная вода, обычно обозначаемая формулой NH4OH и называемая гидроксидом аммония. Ее также обозначают как NH3H2O и называют гидратом аммиака.
С кислородом неметаллы образуют кислотные оксиды. В одних оксидах они проявляют максимальную степень окисления, равную номеру группы (например, SO2, N2O5), а других - более низкую (например, SO2, N2O3). Кислотным оксидам соответствуют кислоты, причем из двух кислородных кислот одного неметалла сильнее та, в которой он проявляет более высокую степень окисления. Например, азотная кислота HNO3 сильнее азотистой HNO2, а серная кислотаH2SO4 сильнее сернистой H2SO3.
Самые типичные неметаллы имеют молекулярное строение, а менее типичные - немолекулярное. Этим и объясняется отличие их свойств.
Кристаллический бор В (как и кристаллический кремний) обладает очень высокой температурой плавления (2075°С) и большой твердостью. Электрическая проводимость бора с повышением температуры сильно увеличивается, что дает возможность широко применять его в полупроводниковой технике. Добавка бора к стали и к сплавам алюминия, меди, никеля и др. улучшает их механические свойства.
Бориды (соединения бора с некоторыми металлами, например с титаном: TiB, TiB2) необходимы при изготовлении деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин.
Как видно из схемы №2, углерод С, кремний Si, бор В имеют сходное строение и обладают некоторыми общими свойствами. Как простые вещества они встречаются в двух видоизменениях - в кристаллическом и аморфном. Кристаллические видоизменения этих элементов очень твердые, с высокими температурами плавления. Кристаллический кремний обладает полупроводниковыми свойствами.
Все эти элементы образуют соединения с металлами - карбиды, силициды и бориды (CaC2, Al4C3, Fe3C, Mg2Si, TiB, TiB2). Некоторые из них обладают большей твердостью, например Fe3C, TiB. Карбид кальция используется для получения ацетилена. Если сравнить расположение электронов по орбиталям ф атомах фтора, хлора и других галогенов, то можно судить и об их отличительных свойствах. У атома фтора свободных орбиталей нет. Поэтому атомы фтора могут проявить только валентность I и степень окисления - 1. В атомах других галогенов, например в атоме хлора, на том же энергетическом уровне имеются свободные d-орбитали. Благодаря этому распаривание электронов может произойти тремя разными путями.
В первом случае хлор может проявить степень окисления +3 и образовать хлористую кислоту HClO2, которой соответствуют соли - хлориты, например хлорит калия KClO2.
Во втором случае хлор может образовать соединения, в которых степень окисления хлора +5. К таким соединениям относятся хлороноватая кислота HClO3 и ее соли - хлораты, например хлорат калия КClO3 (бертолетова соль).
В третьем случае хлор проявляет степень окисления +7, например в хлорной кислоте HClO4 и в ее солях - перхлоратах, например в перхлорате калия КClO4.
Кислородные и водородные соединения неметаллов. Краткая характеристика их свойств.
С кислородом неметаллы образуют кислотные оксиды. В одних оксидах они проявляют максимальную степень окисления, равную номеру группы (например, SO2, N2O5), а других - более низкую (например, SO2, N2O3). Кислотным оксидам соответствуют кислоты, причем из двух кислородных кислот одного неметалла сильнее та, в которой он проявляет более высокую степень окисления. Например, азотная кислота HNO3 сильнее азотистой HNO2, а серная кислота H2SO4 сильнее сернистой H2SO3.
Характеристики кислородных соединений неметалов:
- 1. Свойства высших оксидов (т. е., оксидов, в состав которых входит элемент данной группы с высшей степенью окисления) в периодах слева направо постепенно изменяются от основных к кислотным;
- 2. В группах сверху вниз кислотные свойства высших оксидов постепенно ослабевают. Об этом можно судить по свойствам кислот, соответствующих этим оксидам;
- 3. Возрастание кислотных свойств высших оксидов соответствующих элементов в периодах слева направо объясняется постепенным возрастанием положительного заряда ионов этих элементов;
- 4. В главных подгруппах периодической системы химических элементов в направлении сверху вниз кислотные свойства высших оксидов неметаллов уменьшаются.
С металлами водород образует (за некоторым исключением) нелетучие соединения, которые являются твердыми веществами немолекулярного строения. Поэтому их температуры плавления сравнительно высоки.
С неметаллами водород образует летучие соединения молекулярного строения. В обычных условиях это газы или летучие жидкости.
В периодах слева направо кислотные свойства летучих водородных соединений неметаллов в водных растворах усиливается. Это объясняется тем, что ионы кислорода имеют свободные электронные пары, а ионы водорода - свободную орбиталь, то происходит процесс, котроый выглядит следующим образом:
H2O + HF > H3O + F
Фтороводород в водном растворе отщепляет положительные ионы водорода, т. е., проявляет кислотные свойства. Этому процессу способствует и другое обстоятельство: ион кислорода имеет неподеленную электронную пару, а ион водорода - свободную орбиталь, благодаря чему образуется донорно-акцепторная связь.
При растворении аммиака в воде происходит противоположный процесс. А так как ионы азота имеют неподеленную электронную пару, а ионы водорода - свободную орбиталь, возникает дополнительная связь и образуются ионы аммония NH4+ и гидроксид-ионы ОН-. В результате раствор приобретает основные свойства. Этот процесс можно выразить формулой:
окисление металл молекулярный
H2O + NH3 > NH4 + OH
Молекулы аммиака в водном растворе присоединяют положительные ионы водорода, т. е., аммиак проявляет основные свойства.
Теперь рассмотрим, почему водородное соединение фтора - фтороводород HF - в водном растворе является кислотой, но более слабой, чем хлороводородная. Это объясняется тем, что радиусы ионов фтора значительно меньше, чем ионов хлора.
Поэтому ионы фтора гораздо сильнее притягивают к себе ионы водорода, чем ионы хлора. В связи с этим степень диссоциации фтороводородной кислоты значительно меньше, чем соляной кислоты, т. е., фтороводородная кислота слабее соляной кислоты.
Всем известно, что металлы легко отличить от неметаллов характерным ярким серебристым или золотистым цветом, блеском их поверхности. Металлы пластичны, их куют, прокатывают, штампуют. Кроме того, металлы хорошо проводят тепло и электрический ток. Это так называемые физические свойства металлов. Есть у них и химические свойства. Окислы металлов обладают щелочными свойствами, и при соединении с водой они образуют щелочные растворы. Окислы неметаллов имеют кислотные свойства и, соединяясь с водой, образуют кислоты.
Все это было хорошо известно еще более 200 лет тому назад во времена Ломоносова, Лавуазье. А вот причины такого различия свойств металлов и неметаллов были найдены значительно позже, после того как было открыто электронное строение атомов. Напомним, что электрон был открыт лишь в 1895 году.
Электронное строение металлов . Каждому элементу Д. И. Менделеев еще в 1869 году приписал определенный атомный номер и поместил его в периодическую систему с этим номером, ничего еще не зная об электронах. Позже выяснилось, что номер элемента точно совпадает с числом электронов, вращающихся по нескольким орбитам. По наиболее близкой к ядру орбите вращаются обычно два электрона. По второй орбите, более удаленной от ядра, могут вращаться восемь электронов. Третья, еще более удаленная от ядра орбита, может вместить до 18 электронов. Если номер орбиты обозначить буквой n, а число электронов, которые она вмещает, через N, то количество электронов, несущихся на каждой орбите, можно выразить главным квантовым числом: N=2n 2 .
Возьмем, например, такой металл как алюминий. Его атомный номер 13 в таблице Менделеева. Это значит, что вокруг его ядра вращаются по разным орбитам 13 электронов. По первой орбите (n= 1) число электронов N окажется равным двум (N = 2). По второй орбите (n = 2) число электронов будет равно 8 (N = 2·2 2 = 8). По третьей орбите будут вращаться все остальные электроны и их окажется 13-(2 + 8)= 3. Это в то время, как третья орбита могла бы вместить 18 электронов. Выходит, что третья, наружная орбита у алюминия недоукомплектована. Три электрона, вращающихся по ней, наиболее удалены от ядра и поэтому наименее прочно связаны с ним. Они могут легко оторваться от своего ядра и перейти к соседнему атому.
Неукомплектованные орбиты . Выяснилось, что у всех металлов наружные электронные орбиты оказались недоукомплектованными. По ним вращаются, как правило, один, два, три и в редких случаях - четыре электрона. В то же время у неметаллов наружные электронные орбиты, наоборот, полностью или почти полностью укомплектованы.
Переходом наружных электронов от одних атомов к другим и было объяснено явление электрического тока. Числом электронов на наружной орбите было объяснено свойство валентности металлов. Электронное строение атомов дало ключ к объяснению таких явлений, как ферромагнетизм, полиморфизм, потенциал ионизации. Все эти вопросы получили отражение в разработанной советскими физиками теории металлического состояния.
Благодаря своим выдающимся «заслугам» перед человечеством металлы попали в число важнейших объектов исследования. И хотя серьезные (по нынешним меркам) работы в этой области развернулись только во второй половине XIX века, люди задолго до этого пытались понять, что такое металл. Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века Михаилом Васильевичем
Ломоносовым: «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел находим только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец».
Определение М. В. Ломоносова суммировало знания того времени. Ни о протекании электрического тока, ни о роли электронов в металле тогда, конечно, никто и не подозревал. И тем не менее существовала твердая уверенность в особых свойствах металлов, которые сближали их между собой и выделяли из всего неорганического мира. Характерный блеск («светлое тело») и способность металлов пластично изменять свою форму под действием внешней нагрузки («ковать можно») считались их фундаментальными отличительными чертами.
Спустя два с лишним века хорошо видны изъяны этого определения. Из числа металлов сразу выпала ртуть. При комнатной температуре она представляет собой жидкость и ковать ее никоим образом невозможно. Впрочем, эта ошибка была исправлена самим же Ломоносовым. Еще в 1759 году он (совместно с петербургским академиком И. А. Брауном) охладил в смеси из снега и азотной кислоты ртуть до перехода ее в твердое состояние. Твердая ртуть была ковкой, как свннец, и, следовательно, оказалась «чистокровным» металлом, ничуть не хуже любого другого из списка Ломоносова.
Другой «невинной жертвой» определения стала сурьма, известная людям еще с глубокой древности. В обычных условиях нельзя ковать и ее. Сурьма раз-’ летится на кусочки, если дюжий кузнец тронет ее своим молотом.
И «светлым телом» металл является не всегда. Во-первых, его поверхность может окисляться и терять блеск. Поэтому самородная медь и выглядит зеленым камнем. А во-вторых, и чистый металл может не блестеть. Очень тонкие листки серебра или золота имеют совершенно неожиданный вид - они просвечивают голубовато-зеленым цветом. А мелкие порошки металлов кажутся черными или темно-серыми.
Сегодня выделяют пять свойств, которыми, как правило, обладают металлы. К двум, указанным М. В. Ломоносовым, следует добавить высокую электро — и теплопроводность и рост электрического сопротивления при повышении температуры. Конечно, не все металлы и не при всех условиях обладают полной совокупностью этих свойств. И это неудивительно: к числу металлов относится более 75 % всех элементов Периодической системы Д. И. Менделеева и подобрать при таком разнообразии абсолютно точное определение - почти безнадежная задача. Тем не менее обычно для отличия металлов от неметаллов вполне достаточно даже старинного «рецепта» Ломоносова. Никаких особых трудностей эта задача в подавляющем большинстве случаев не вызывает. Намного более тонкими являются вопросы, как отличить металлы друг от друга и как распознать, чистым ли металлом или сплавом (и каких элементов| является блестящий образец явно металлического происхождения. История этой проблемы уводит нас в глубокую древность.