Металлическая химическая связь. Водородная химическая связь

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

Вступление

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 всему 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. Для данных веществ характерно немолекулярное строение.

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

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 более 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 — сплав меди с цинком $(60 - 90 % Сu и 40 - 10 % Zn) .$ 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. Материал, из которого изготовлен «Медный всадник»:

1) медь, 3) чугун,

2) бронза, 4) сталь.

Контрольные вопросы

Какие сплавы относятся к чёрным, а какие — к цветным?
Сравните металлическую связь с ионной.
Что такое легирующие элементы?

Ответы

Упражнение 1

1) 2

2) 3

Упражнение 2

1) 1

2) 4

3) 4

Упражнение 3

1) 2

2) 2

Конспект урока: Металлическая химическая связь. Водородная химическая связь

Строение вещества

Металлическая связь

Физические свойства металлов

Сплавы