post

Метали. Метална кристална решетка. Свойства.

Метали – това са прости вещества на химичните елементи с метален характер, които се намират вляво и надолу от неформалната линия Бор – Волфрам в Периодичната система.

Метали – химична връзка и метална кристална решетка

В стопилка, всеки атом на металите се движи напълно хаотично и независимо от останалите. При постепенно охлаждане и приближаване на температурата на топене на дадения метал, атомите му започват да се свързват чрез химични връзки. След пълното изстиване, свързаните частици образуват метална кристална решетка. При обратния процес на топене тя отново се разрушава. Връзката, която свързва атомите на металите в метална решетка, съответно носи названието метална химична връзка. И тук трябва да повторим казаното в темата „Химична връзка„:

метална химична връзка - АBRITVS.com

метална химична връзка – метална решетка

При образуването на метална химична връзка, всеки метален атом участва с малък брой електрони и значително по-голям брой атомни орбитали (АО). За да се осъществи практичски свързването, елекронната плътност е силно делокализирана. От това следва, че електроните не са собственост на двата свързващи се атома, а непрекъснато мигрират на свободните атомни орбитали от съседните атоми.

Заради пълната си делокализация в металната кристална решетка, електронната плътност се описва от понятието „електронен газ„, т.е. поведението на електроните наподобява това на газовите частици. На металната химична връзка, металите дължат своите физични качества: ковкост, изтегливост, висока толопроводимост и голяма електропроводимост.

Подредбата на атомите в металната решетка е пространствено закономерно (има симетрия) и геометрически издържано (образуват фигури). Най-малката геометрична форма (например куб) и същевременно градивна единица, която се повтаря в кристалната решетка се нарича елементарна клетка.

елементарна клетка от метална кристална решетка

елементарна клетка от метална кристална решетка

Твърдостта на металите например зависи от симетрията на елементарните им клетки. В реалния живот повечето метали само привидно нямат кристална решетка, но на практика са изградени от множество кристали, слепени безразборно един за друг.

Метали – свойства

Физични свойства

  1. Ковкост и изтегливост
  2. Метален блясък
  3. Топлопроводимост и електропроводимост
  4. Магнитни свойства
  5. Механична якост

В зависимост от плътността на металите те могат да бъдат леки (ρ<5g/cm-³)  – калций, магнезий, алуминий и тежки (ρ>5g/cm-³) – желязо, платина, олово. В зависимост от температурата на топене  на металите те могат да бъдат леснотопими (t<1000ºC) – живак, калай, олово и труднотопими (t>1000ºC) – желязо, платина, ванадий.

Металният блясък се дължи на отразяването на светлинните лъчи от повърността на металите. Сребристобелите отразяват лъчите в целия видим спектър (сребро, платина), а цветните метали отразяват точно определени по дължина лъчи от видимия спектър на светлината. Например медта отразява част от тези в червения спектър, а златото отразява жълто-червените части от спектъра. Някои метали се покриват с оксидна коричка, като например оловото, което  изглежда черно докато се разреже и се види металния му блясък.

На повечето твърди вещества, които се подлагат на опън и натиск, кристалната им решетка се разрушава и те се разпадат на по-малки кристали. Под действието на опън и натиск металите се деформират, като цели слоеве от металната кристална решетка се преместват едни спрямо други, металните връзки се възстановяват и металът като цяло се запазва, но с променена форма. Това свойство характерно за всички типични метали се нарича ковкост.

Под въздействието на външно електрично поле, електроните в металната кристална решетка спират да се движат хаотично и придобиват насочено движение. Това става, като между двата противоположни края на метала се създаде потенциална разлика, в следствие на което започва протичане на електричен ток от отрицателния към положителния полюс. Свойството на всички метали да провеждат електричен ток се нарича електропроводимост.

сплави, легиране

метали – качествата ковкост и топлопроводимост от векове са в служба на ковачите

Свободното и хаотично движение на електроните в металната кристална решетка е предпоставка и за тяхната голяма топлопроводимост. Оттук идва различието между двата процеса топло- и електропроводимост. При повишаване на температурата на метала, намалява неговата електропроводимост, т.е. увеличава се безразборното движение за сметка на насоченото движение на електроните. Според Втория принцип на термодинамиката, топлопровеждането става винаги от по-топлото към по-студеното тяло.

Някои метали са по-твърди от други. Натрият например е мек метал и с лекота се реже. Дори и оловото може да бъде срязано с нож макар и малко по-трудно. Твърдостта на два метала може да се увеличи изкуствено. Такива примери са образуването на сплав от мед и калай наречена бронз и композит от въглерод и желязо наречен стомана. И при двата примера новополученото вещество е много по-твърдо от изходните метали.

Химични свойства

Химичните свойства на металите се обуславят от строежа на електронната им обвивка. При тях обикновено се изгражда s-, d- или f – подслоя на съответния слой. Техните атомни радиуси са значително по-големи отколкото атомните радиуси на неметалите със същия брой електронни слоеве. Това улеснява отдаването на електрони при химичните взаимодействия, което ги прави отлични редуктори. Загубата на електрон(и) прави от металния атом – положително зареден катион.

Метали според подслоя, който е носител на валентните електрони:

  • s – елементи (Na, K, Mg, Ca)
  • d – елементи (Cu, Fe, Au)
  • f -елементи (Pu, U) – силно радиоактивни

Едни от основните взаимодействия на веществата с метали са следните:

  1. Водород: 2Na + H2 → 2NaH; реакциите с водород са трудни, а в някои случаи са невъзможни.
  2. Кислород: Ca + O2 → 2CaO; с кислорода реагират лесно.
  3. Неметали: K + Cl2 → 2KCl; зависи от метала и неметала, но като цяло тези реакции са типични и определящи за цялата група.
  4. Вода: 2Na + 2HOH → 2NaOH + H2↑; металите силни редуктори, които могат да изместват водорода от съединенията им с лекота реагират с водата.
  5. Киселини: Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑; някои метали се пасивират от силните киселини, а други реагират само с тях и не влизат в реакции с разредени. За да се разтвори злато е необходима смес от 3части солна киселина и една част азотна киселина, която носи названието царска вода.
  6. Водни разтвори на соли: 3CuCl2 + 2Al → 2AlCl3 + 3Cu
  7. Водни разтвори на основи: Zn + 4HOH + 2NaOH → 2Na[Zn(OH)4]+ 2H2
  8. Органични съединения

В зависимост от химическата си устойчивост металите се делят на благородни и неблагородни. Благородните метали, като злато и платина са слабо реактивни и не реагират почти с нищо. Това е причина да са толкова ценени още от дълбока древност. А днес се оценяват и техните изключителни качества на проводници.

Откриването и обработката на металите в древни времена е дало силен тласък на човешкото развитите. Три епохи от човешката история са наименовани на тях: медно-каменната, бронзовата и желязната. Благодарение на тях сме се научили да се убиваме все по-ефективно – медни брадви, бронзови мечове, железни и стоманени мечове, оловни куршуми, стоманени куршуми с оловно-меден сърдечник, снаряди с обеднен уран или волфрам, атомни бомби с уран и плутоний и т.н. Но  метални са и хирургическите инструменти, електропроводите, релсите, самолетните корпуси и космическите ни кораби. Металите са неделима част от нашите организми (метални йони), заобикалящата ни среда и техническия прогрес.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!