Решебник по химии 9 класс Габриелян §28

Общая характеристика металлов

Стр. 144

Вопрос

Из 118 элементов Периодической системы Д. И. Менделеева более 90 — это металлы. Что общего в строении атомов металлов? Какие физические свойства металлов обусловлены особенностями металлической кристаллической решётки?

Общим в строении атомов металлов является то, что на внешнем энергетическом уровне они содержат малое число валентных электронов — как правило, от одного до трёх. Эти электроны слабо связаны с ядром, легко отдаются атомом и становятся свободными. Благодаря этому при образовании металлической связи создаётся особая структура — положительно заряженные ионы металлов (катионы) погружены в облако свободных электронов. Такая структура называется металлической кристаллической решёткой.

Особенности этой решётки обусловливают важнейшие физические свойства металлов:

• Электропроводность — свободные электроны легко перемещаются по кристаллу при действии электрического поля.

• Теплопроводность — движение электронов и колебания ионов эффективно передают тепло.

• Металлический блеск — свободные электроны отражают падающий свет.

• Пластичность и ковкость — ионы металлов могут смещаться в решётке без её разрушения.

• Высокая плотность и прочность (у большинства металлов), обусловленные плотной упаковкой атомов.

Эти свойства делают металлы широко применимыми в технике, строительстве, электротехнике и быту.

Стр. 146

Вопрос

Почему химические формулы таких неметаллов, как азот, кислород, озон, белый фосфор (соответственно N₂, O₂, O₃, P₄), записывают с использованием индекса, а химические формулы простых веществ — металлов — только символом элемента?

Формулы простых веществ неметаллов записываются с индексами, потому что атомы этих элементов соединяются между собой в устойчивые молекулы, состоящие из двух или более атомов. Например, молекула азота — это два связанных атома (N₂), молекула кислорода — тоже два атома (O₂), озона — три атома (O₃), белого фосфора — четыре атома (P₄). Эти молекулы существуют как отдельные частицы, поэтому в формулах указывается точное число атомов в их составе с помощью индекса.

В металлах же атомы не образуют таких молекул. Вместо этого они связаны в кристаллическую решётку посредством металлической связи — ионы металлов удерживаются общим «облаком» свободных электронов. Поэтому у металлов нет молекул с определённым числом атомов, и их формулы записываются просто символом элемента — например, Fe, Cu, Al.

Стр. 148

Проверьте свои знания

1. Каковы особенности строения атомов металлов? Как в Периодической системе Д. И. Менделеева располагаются элементы-металлы?

Атомы металлов на внешнем энергетическом уровне обычно содержат от одного до трёх электронов. Эти электроны называются валентными, поскольку участвуют в образовании химических связей. При этом атомы металлов легко отдают свои валентные электроны, что объясняется их слабой связью с ядром и большим радиусом атома. Это связано с тем, что внешние электроны находятся далеко от ядра и слабо им удерживаются.

Элементы-металлы располагаются преимущественно в левой и центральной частях Периодической системы. Среди элементов A-групп примерно половина являются металлами, они находятся слева в периодах и вниз по группам. Все элементы B-групп также являются металлами, и у них, кроме внешнего, заполняются и предпоследние энергетические уровни. Кроме того, к металлам относят лантаноиды и актиноиды, которые расположены вне основной таблицы. На рисунках 69 и 70 металлы обозначены синим цветом.

2. Почему химические формулы простых веществ-неметаллов, например, молекулы азота, кислорода, озона, белого фосфора, записываются с использованием индекса, а химические формулы простых веществ — металлов — только символом элемента?

Формулы неметаллов, таких как азот (N₂), кислород (O₂), озон (O₃), белый фосфор (P₄), записываются с индексом, потому что атомы этих веществ соединяются между собой прочными ковалентными связями и образуют молекулы. Эти молекулы существуют как самостоятельные устойчивые частицы.

Металлы же не образуют молекул. Их атомы связаны между собой особым типом химической связи — металлической. Атомы в металлах находятся в кристаллической решётке и удерживаются не за счёт образования молекул, а благодаря общему электронному облаку. Поэтому простые вещества — металлы обозначаются только символом элемента (например, Fe, Cu, Al).

3. Какую связь называют металлической? Как происходит её образование в простых веществах — металлах?

Металлической называют такую химическую связь, при которой атомы металлов отдают свои валентные электроны, образуя положительно заряженные ионы, а электроны свободно перемещаются между ними, образуя так называемое «электронное облако». Это облако удерживает ионы металлов, создавая прочную структуру.

В простых веществах — металлах — все атомы теряют внешние электроны, которые больше не принадлежат конкретному атому, а становятся общими для всех ионов в кристалле. Эта общность электронов и создаёт металлическую связь, которая удерживает атомы в кристаллической решётке.

4. Как устроена кристаллическая решётка металлов?

Кристаллическая решётка металлов состоит из положительных ионов металлов (катионов), расположенных в определённом порядке. Эти катионы окружены «морем» или «облаком» свободных электронов, которые не принадлежат какому-либо одному атому. Электроны могут свободно перемещаться по всей решётке. Такое строение придаёт металлам их характерные свойства: теплопроводность, электропроводность, ковкость и пластичность.

5. Какие физические свойства обусловлены общим для всех металлов типом кристаллической решётки? Назовите области применения металлов, основанные на указанных вами физических свойствах.

Кристаллическая решётка с «электронным газом» придаёт металлам следующие свойства:

1. Высокая электропроводность, так как свободные электроны легко перемещаются в ответ на электрическое поле. Это используется при изготовлении электрических проводов (медь, алюминий).

2. Высокая теплопроводность, благодаря подвижности электронов и плотному расположению атомов. Применяется в радиаторах и теплообменниках.

3. Блеск, так как свободные электроны отражают свет.

4. Пластичность и ковкость, так как атомы могут смещаться без разрушения всей решётки. Используется при прокатке металлов, изготовлении фольги, проводов, труб.

5. Твёрдость и высокая температура плавления (у большинства металлов, особенно у тяжёлых), что важно при строительстве, изготовлении инструментов и машин.

Таким образом, благодаря своему строению и свойствам, металлы находят применение в строительстве, электронике, машиностроении, производстве упаковки, ювелирном деле и других сферах.

Стр. 149

Примените свои знания

6. Сравните металлическую кристаллическую решётку с ионной, атомной и молекулярной кристаллическими решётками.

Металлическая кристаллическая решётка состоит из положительно заряженных ионов металлов, погружённых в общее «электронное облако». Свободные электроны перемещаются между ионами и удерживают их вместе. Такая решётка обеспечивает пластичность, электропроводность, теплопроводность и блеск металлов.

Ионная решётка состоит из чередующихся положительных и отрицательных ионов, удерживаемых электростатическим притяжением. Такие вещества, как правило, твёрдые, хрупкие, имеют высокие температуры плавления и растворимы в воде (например, NaCl).

Атомная решётка состоит из атомов, связанных ковалентными связями в единую пространственную структуру. Такие вещества (например, алмаз, кремний) очень прочные, с высокими температурами плавления, не проводят ток.

Молекулярная решётка построена из нейтральных молекул, между которыми действуют слабые межмолекулярные силы (ван-дер-ваальсовы, водородные). Такие вещества имеют низкие температуры плавления, легко испаряются и обычно являются мягкими (например, лёд, йод, сера).

7. Определите атомные номера и названия элементов по следующим данным:

а) расположен в пятом периоде, IIA-группе;

б) имеет 23 электрона в электронной оболочке;

в) заряд ядра атома равен +29;

г) в ядре его изотопа ⁶⁵Cu содержится 35 нейтронов;

д) электронная оболочка атома состоит из трёх электронных слоёв, на внешнем слое расположен один электрон.

а) Элемент в пятом периоде и IIA-группе — стронций (Sr). Его атомный номер — 38.

б) Элемент с 23 электронами — это ванадий (V), поскольку число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов, то есть атомному номеру. Ответ: атомный номер 23, ванадий (V).

в) Если заряд ядра равен +29, значит, число протонов (и атомный номер) — 29, это медь (Cu).

г) Если в ядре изотопа ⁶⁵Cu содержится 35 нейтронов, то число протонов = 65 – 35 = 30, то есть это цинк (Zn) (Zn имеет атомный номер 30).

д) Если у атома 3 электронных слоя и на внешнем слое один электрон, значит, он находится в 3 периоде, в IA-группе. Это натрий (Na), его атомный номер — 11.

8. Какие свойства металлов использованы в образных выражениях «железный характер», «свинцовый кулак», «золотой характер», «серебряный дождь», «медный голос»?

В образных выражениях используются физические и символические свойства металлов:

• «Железный характер» — устойчивость, твёрдость, сила воли (железо — прочный и твёрдый металл).

• «Свинцовый кулак» — тяжесть, подавляющая сила (свинец — тяжёлый, плотный металл).

• «Золотой характер» — высокая ценность, благородство, доброта (золото — драгоценный, ценный и устойчивый металл).

• «Серебряный дождь» — красивое, блестящее зрелище (серебро ассоциируется с блеском и чистотой).

• «Медный голос» — звонкий, сильный, громкий голос (медь используется в музыкальных инструментах, обладает хорошими звуковыми качествами).

Стр. 149

Используйте дополнительную информацию

9. Подготовьте сообщение по одной из тем: 1) «Элементы-металлы в организме человека и их биологическая ролль»; 2) «Металлы в технике».

Элементы-металлы в организме человека и их биологическая роль

Организм человека состоит не только из органических веществ, но и из множества химических элементов, включая металлы. Несмотря на то что доля металлов в общей массе тела невелика, их биологическое значение невозможно переоценить. Они участвуют в важнейших физиологических процессах, входят в состав ферментов, гормонов, витаминов, играют роль катализаторов химических реакций, регулируют обмен веществ и обеспечивают работу органов и систем организма.

Одним из важнейших металлов в организме является железо (Fe). Оно входит в состав гемоглобина — белка, который переносит кислород в крови. Без железа невозможна нормальная работа системы кроветворения, а его недостаток приводит к анемии, слабости, снижению работоспособности. Железо также содержится в миоглобине — белке мышечной ткани, а также в ряде ферментов.

Кальций (Ca) — ещё один жизненно важный металл. Он составляет основную часть костной ткани и зубов, участвует в процессе свертывания крови, регулирует сокращения мышц, в том числе сердечной, а также играет роль в передаче нервных импульсов. Недостаток кальция особенно опасен в детском возрасте, так как приводит к нарушению роста и развития костей, а у взрослых может вызывать остеопороз.

Магний (Mg) участвует в более чем 300 ферментативных реакциях, включая синтез белков, энергетический обмен, регуляцию уровня сахара в крови и работу нервной системы. Он необходим для нормального функционирования сердца и сосудов, а также для стабилизации структуры ДНК и РНК.

Натрий (Na) и калий (K) — главные металлы, регулирующие водно-солевой баланс и осмотическое давление в клетках. Они участвуют в генерации и передаче нервных импульсов, регулируют сердечный ритм, поддерживают кислотно-щелочное равновесие. Натрий находится преимущественно в внеклеточной жидкости, а калий — внутри клеток. Их баланс жизненно важен для нормальной работы сердца и нервной системы.

Цинк (Zn) входит в состав множества ферментов, участвующих в синтезе ДНК, заживлении ран, иммунной защите, обмене углеводов. Цинк также важен для поддержания здоровья кожи, ногтей, волос и репродуктивной функции у мужчин.

Медь (Cu) играет роль в переносе электронов в дыхательной цепи, участвует в синтезе коллагена, поддерживает здоровье сосудов, а также помогает усвоению железа. Недостаток меди может привести к анемии и нарушениям развития соединительной ткани.

Хром (Cr) необходим для поддержания нормального уровня глюкозы в крови, так как усиливает действие инсулина. Он особенно важен для людей, страдающих нарушениями углеводного обмена.

Марганец (Mn) участвует в работе ферментов, ответственных за метаболизм аминокислот, углеводов, холестерина. Он также важен для формирования костной ткани и защиты клеток от окислительного стресса.

Селен (Se) хотя и не металл в классическом понимании, часто рассматривается рядом с ними. Он входит в состав антиоксидантных ферментов, защищающих клетки от повреждения, и играет важную роль в иммунной системе и функционировании щитовидной железы.

Некоторые металлы, такие как никель (Ni), молибден (Mo), кобальт (Co), также выполняют специфические функции в организме. Например, кобальт входит в состав витамина B₁₂, необходимого для кроветворения и работы нервной системы.

Однако важно помнить, что все металлы полезны только в строго определённых количествах. Их избыток может привести к токсическим эффектам. Например, чрезмерное поступление меди, железа, алюминия или кадмия в организм может вызвать отравление, нарушения работы печени, почек и нервной системы.

Таким образом, элементы-металлы играют незаменимую роль в жизнедеятельности человека. Их сбалансированное поступление с пищей и водой необходимо для поддержания здоровья, нормального роста, развития и функционирования всех систем организма. Современная наука продолжает изучать биологическую роль металлов, открывая всё новые механизмы их действия и значения для жизни.

Металлы в технике

Металлы играют исключительно важную роль в развитии и функционировании современной техники. Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам — прочности, пластичности, электропроводности, теплопроводности, устойчивости к коррозии и способности образовывать сплавы — они стали основой для создания различных конструкций, механизмов, приборов и устройств, используемых во всех отраслях промышленности и в повседневной жизни.

Одним из важнейших свойств металлов, определяющих их широкое применение в технике, является высокая прочность и твёрдость. Благодаря этим характеристикам из металлов изготавливают несущие конструкции зданий, мостов, станков, автомобилей, железнодорожных составов, кораблей и самолётов. Металлы способны выдерживать значительные нагрузки, вибрации и перепады температур, не разрушаясь и не теряя формы.

Электропроводность металлов используется в электротехнике и электронике. Медь и алюминий — два наиболее распространённых проводника — применяются для производства кабелей, обмоток электродвигателей, трансформаторов, электрических плат и другой техники. Благодаря свободному перемещению электронов по кристаллической решётке, металлы эффективно проводят электрический ток, что делает их незаменимыми в системах энергоснабжения.

Теплопроводность делает металлы идеальными материалами для создания радиаторов, теплообменников, нагревательных элементов. В двигателях внутреннего сгорания, холодильниках, системах отопления и кондиционирования используются металлические компоненты, обеспечивающие быстрый и эффективный теплообмен.

Пластичность и ковкость позволяют придавать металлам разнообразные формы — листы, трубы, проволоку, детали сложной геометрии. Это особенно важно при производстве машин и механизмов, где требуется точная подгонка элементов. Металлы легко поддаются прокатке, ковке, вытяжке и штамповке, что делает возможным массовое изготовление изделий.

Большое значение имеет способность металлов образовывать сплавы, обладающие улучшенными характеристиками. Например, сталь — сплав железа с углеродом — имеет высокую прочность и износостойкость. Латунь (медь + цинк), бронза (медь + олово), дюралюминий (алюминий + медь, марганец и др.) — это сплавы, используемые в строительстве, машиностроении, авиации и электротехнике. Сплавы могут быть легкоплавкими, жаростойкими, антикоррозионными — в зависимости от требований техники.

Особую роль металлы играют в авиации и космической технике, где важно сочетание лёгкости и прочности. Здесь применяются алюминий, титан, магний и их сплавы. В судостроении активно используется нержавеющая сталь и специальные морские сплавы, устойчивые к действию солёной воды.

В электронике и микроэлектронике применяются редкие и драгоценные металлы: золото, серебро, платина, палладий, вольфрам. Эти элементы обеспечивают надёжность контактов, защиту от коррозии и высокую проводимость даже при малых размерах компонентов. Серебро и золото используются в пайке, контактах, чипах.

Медицина и биотехнологии также используют металлы: хирургические инструменты, имплантаты, протезы часто изготавливаются из титана, нержавеющей стали или кобальтовых сплавов благодаря их прочности, лёгкости и биосовместимости.

Не менее важны металлы в строительстве и архитектуре. Они применяются в каркасах зданий, трубопроводах, лифтах, элементах декора, облицовке фасадов. Металлические конструкции придают зданиям прочность, долговечность и современный вид.

Автомобильная промышленность использует различные металлы и сплавы: сталь — для кузова и каркаса, алюминий — для снижения веса, медь — для электрических систем, свинец — в аккумуляторах.

Также металлы применяются в энергетике — при строительстве электростанций, линий электропередач, ветрогенераторов, солнечных панелей и атомных реакторов. Везде, где необходима надёжность и длительный срок службы, металлы играют ключевую роль.

Таким образом, металлы — это основа современной техники. Без них невозможно представить ни одну отрасль промышленности. Их универсальность, прочность, пластичность, электропроводность и способность к сплавлению сделали металлы фундаментом технического прогресса. И в будущем, с развитием новых технологий и материалов, значение металлов останется столь же высоким, как и сегодня.