Все уроки по всем предметам школьной программы ФГОС

Металлическая химическая связь

План урока

Металлическая связь
Физические свойства металлов
Сплавы

Цели урока

знать понятия: металлическая связь, электронный газ, теплопроводность, металлический блеск, сплавы, чугун, сталь, бронзы, латунь, мельхиоры

уметь отличать металлы от неметаллов, характеризовать модели строения атомов натрия и магния

Разминка

Как внешне выглядят металлы, без труда ответит каждый, даже незнакомый с химией. От большинства других веществ их легко отличить по характерному металлическому блеску. В отличии от неметаллов, они хорошо проводят электричество и тепло — достаточно вспомнить, чем может закончиться прикосновение к горячей кастрюле или сковороде. Все металлы, кроме ртути, при комнатной температуре находятся в твёрдом состоянии. Эти свойства металлов связаны с наличием в них особого вида химической связи. Такой тип химической связи называют металлической.

Металлическая связь

Металлическая связь — это связь между положительными ионами в кристалле металла, которую осуществляют обобществлённые валентные электроны («электронный газ»).

Схема 1. Строение кристалла металла

Образование металлической связи можно объяснить тем, что атомы металлов характеризуются:

• небольшим числом валентных электронов при большом числе свободных валентных орбиталей;

• сравнительно большими радиусами атомов;

• низкой энергией ионизации.

Поэтому атомы металлов легко превращаются в положительные ионы как при взаимодействии с атомами неметаллов, так и при образовании металлического кристалла. Освободившиеся электроны свободно перемещаются по всеми кристаллу и осуществляют связь между ионами.

Металлическая связь определяет и особое кристаллическое строение металлов и сплавов — металлическую кристаллическую решётку, в узлах которой расположены ион-атомы.

Упражнение 1

1. Электронная конфигурация атома металла:

1) 1s²,

2) 1s²2s²2p⁶3s²,

3) 1s²2s²2p⁵,

4) 1s²2s²2p⁶3s²3p².

2. Укажите верное суждение. Металлические свойства обусловлены:

а) сравнительно большими радиусами атомов металлов;

б) большим числом свободных орбиталей в атомах металлов.

1) верно только а

2) верно только б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

3. В узлах металлической кристаллической решётки могут располагаться:

1) только атомы металлов;

2) электроны;

3) отрицательно заряженные ионы металлов;

4) положительно заряженные ионы металлов.

4. Высокая электро- и теплопроводность металлов обусловлена:

1) наличием положительно заряженных ионов металлов;

2) наличием отрицательно заряженных ионов металлов;

3) наличием электронов, обладающих большой свободой движения;

4) наличием нейтральных атомов металлов.

Физические свойства металлов

Металлическая связь обусловливает важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.

Пластичность — это способность металлов изменять форму при ударе, прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходит смещение атомов и ионов кристаллической решётки, однако связи между ними не разрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образующие связь. Пластичность металлов уменьшается в ряду $Au, Ag, Си, Sn, Pb, Zn, Fe .$ Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной до 0,003 мм, которые используют для золочения.

Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры колебания ионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурах колебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, а электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводник электричества — серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Также изменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов.

Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют плотность, температура плавления и твёрдость. Самый лёгкий из металлов — литий (плотность 0,53 г/см³), самый тяжёлый — осмий (22,6 г/см³). Металлы с плотностью меньше 5 г/см³ называются лёгкими, остальные — тяжёлыми. Температуры плавления металлов различаются очень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температура плавления вольфрама +3 410 °С. При обычных условиях единственный жидкий металл — ртуть. В парообразном состоянии все металлы одноатомны, их кристаллическая решётка разрушается.

Металлы различаются по твёрдости. Самый твёрдый из них — хром — режет стекло, а самые мягкие — калий, рубидий и цезий — легко режутся ножом. Прочность, температура плавления и твёрдость зависят от прочности металлической связи. Она особенно велика у тяжёлых металлов.

Упражнение 2

1. Наиболее пластичные металлы:

1) $Ag, Au, Сu$ , 3) $Pb, Sn, Zn$ ,

2) $Fe, Cr, Ni$ , 4) $Al, Ag, Cr$ .

2. Наиболее электропроводные металлы:

1) $Zn, Fe, Cu$ , 3) $Ag, Fe, Na$ ,

2) $Al, Ca, Cr$ , 4) $Al, Ag, Cu$ .

3. Наименьшую электропроводность имеет:

1) алюминий, 3) медь,

2) золото, 4) свинец.

Сплавы

Сплавы — это системы, которые состоят из двух или больше металлов и неметаллов, имеют характерные свойства металлов. Получают их кристаллизацией расплавов, а также методом спекания (порошковая металлургия) и другими методами.

Сплавы представляют собой или смеси (кристаллически неоднородные), или химические соединения (кристаллически однородные), или твёрдые растворы.

В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием чёрные металлы; остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы.

Чугун — сплав железа с углеродом (обычно больше 2 %), который содержит примеси $Si, Mn, Р и S$ (нелегированный чугун). Легированный чугун может содержать дополнительно легирующие элементы ( $Cr, Ni, Mo, Сu, Аl$ , более 2 % $Mn$ , более 4 % $Si$ ). Широко применяется в машиностроении.

Сталь — сплав железа с углеродом, с примесями марганца, кремния, серы, фосфора. Обычная углеродная сталь содержит $С — 0, 05 - 1, 5 %, Мn — 0, 1 - 1 %, Si до 0, 4 %, S до 0, 08 %, Р до 0, 1 % .$ При большем содержании примесей или при добавке других специальных примесей сталь называется легированной. Легирующие элементы: $Cr, Ni, Мn, Сu, W, Mo, V, С, Ti, Nb, Al, Zr, Та .$ Легированные стали имеют высокие механические и химические свойства. Из них изготавливают детали машин, инструменты, резцы, штампы и т. д. Нержавеющие стали, которые содержат до 12 % хрома, стойкие против коррозии в атмосфере, в кислотах, щелочах, растворах солей. Добавление в сталь хрома, кремния и алюминия делает её жаропрочной, а насыщение поверхностного слоя стали азотом (азотирование) резко увеличивает износостойкость стальных изделий. Сталь изготовляют из чугуна путём частичного удаления из него углерода окислением; этот способ получил наибольшее распространение в современной металлургии. Второй способ получения заключается в восстановлении железа из железняка и введении в него необходимого количества углерода и других примесей.

Бронзы — сплавы на основе меди, имеют высокие механические свойства. Подшипниковая бронза содержит $89, 5 % Сu, 10 % Sn, 0, 5 % Pb;$ бронза для шестерен содержит $90 % Сu и 10 % Sn .$ Бронзы применяются для изготовления деталей машин, художественных изделий и др.

Латунь — Сплавы меди с цинком $(60 - 9 0 % Сu и 40 - 10 % Zn) .$ Легирующими компонентами являются $Al, Si, Pb, Mn, Sn, Fe$ и др. Латунь имеет высокие механические свойства и хорошо противостоит коррозии в атмосферных условиях. Латунь применяют для изготовления разных металлических деталей, в строительстве морских судов, самолётов, приборов, химической аппаратуры.

Мельхиоры — cплавы меди (основа $18 - 30 % Сu$ ) главным образом с $Ni (5 - 30 %),$ с добавками $Fe, Мn .$ Стойкие к коррозии. Применяют для изготовления монет, деталей точной механики, медицинского инструмента, столовой посуды и других изделий.

Упражнение 3

1. Металл — составная часть тугоплавких сплавов:

1) никель, 3) медь,

2) вольфрам, 4) алюминий.

2. Входит в состав сплава, используемого при изготовлении имплантатов:

1) платина, 3) цинк,

2) серебро, 4) вольфрам.

3. Используют при изготовлении зеркал:

1) медь, 3) серебро,

2) бронза, 4) золото.

4. Материал, из которого изготовлен «Медный всадник»:

1) медь, 3) чугун,

2) бронза, 4) сталь.

Контрольные вопросы

Что такое сплавы?
Какие сплавы относятся к чёрным, а какие — к цветным?
Какая связь называется металлической?
Сравните металлическую связь с ионной.
Что такое легирующие элементы?
Что такое бронза?
Что такое латунь?
Для каких целей применяют латунь?
Что такое мельхиор?
Для каких целей применяют мельхиор?
Что такое дюралюминий?
Для каких целей применяют дюралюминий?

Ответы

Упражнение 1

1) 2

2) 3

3) 4

4) 3

Упражнение 2

1) 1

2) 4

3) 4

Упражнение 3

1) 2

2) 1

3) 3

4) 2

Конспект урока: Металлическая химическая связь. Водородная химическая связь

Строение вещества

Разминка

Металлическая связь

Физические свойства металлов

Сплавы