Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Металлы активно вступают во взаимодействие с элементарными окислителями с большой электроотрицательностью (галогены, кислород, сера и др.) и поэтому при рассмотрении общих свойств металлических элементов необходимо учитывать их химическую активность по отношению к неметаллам, типы их соединений и формы химической связи, так как это определяет не только металлургические процессы при их получении, но и работоспособность металлов в условиях эксплуатации.
В последние десятилетия в качестве конструкционных материалов используют металлы, называемые «новыми», которые раньше не имели промышленного применения из-за трудности получения их в свободном виде, что связано либо с их высокой химической активностью (Т1, 1т, V, ГЧЬ), либо с высокими температурами плав-».' ления (\\/, Мо, Та, Ие), либо с малыми концентрациями в земной коре и отсутствием доступных для промышленной разработки месторождений («рассеянные металлы»). Однако свойства этих металлов и их сплавов оказались настолько важными для создания современных машин и конструкций, что в настоящее время их получают в значительных количествах (Т^ Ш, Мо, ЫЬ, Та.)', используя для этого новейшие методы металлургии.
Инженера-механика и приборостроителя особенно интересуют характеристики металла как конструкционного материала, т. е. в твердом, компактном состоянии с определенным комплексом' физических свойств. Поэтому в нашем курсе рассматриваются химические свойства металлов в неразрывной связи с физическими свойствами, которые, в конечном итоге, также являются функцией строения атомов.
Общие химические свойства металлов: 1) малая электроотрицательность (ЭО) как следствие низких потенциалов ионизации (ПИ) и малого, чаще отрицательного, сродства к электрону (СЭ); 2) атомы металлов образуют только положительные элементарные ионы, отдавая электроны; 3) в сложных ионах или полярных
262
молекулах атомы металлов всегда образуют положительные центры.
Свойствами металлов обладает большинство элементов, входящих в периодическую систему Д. И. Менделеева: 80 из 107 известных. Элементы с металлическими свойствами, из которых самым типичным является образование положительного элементарного иона с отдачей электронов:
могут относиться к типу .9-, р-, й- или /-элементов. В зависимости от того, какой именно подуровень у атома металла заполняется электронами, проявляются и общие химические свойства. Поэтому, помимо распределения металлов по группам периодической системы Д. И. Менделеева, удобно ввести обобщенное деление металлов на 5-, р-, й- и /-металлы.
В дальнейшем при рассмотрении химических свойств металлов мы будем придерживаться именно такого порядка. Особенностью металлов является их способность к образованию металлической связи, которая определяет их физические свойства и сказывается на химических соединениях металлов (металлообразные соединения) .
10.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Металлическая связь и кристаллы металлов. Атомы элементов, обладающих металлическими свойствами, содержат мало электронов на внешних электронных уровнях (1—2). Вследствие малой плотности электронов на внешних уровнях атомы металлов в процессе кристаллизации легко сближаются и обобщают электроны.
Меи — Ме"+ +пе
Рассмотрим в качестве примера образование кристалла лития (27=3) из свободных
Рис. 145. Схематическое распределение электронной плотности в свободном состоянии атома 1л (а) и в кристалле и (б); г0 ~- расстояние между атомами в решетке металла
Рис. 146. Расщепление энергетических уровней при сближении атомов
263
атомов. Свободный атом лития (Li ls22s') обладает высокой электронной плотностью орбитали ls2, а орбиталь 2s1 представлена одним электроном (рис. 145, а). При сближении атомов орбитали 2s перекрываются и в кристалле металлического лития все время поддерживается некоторая плотность электронов б (рис. 145, б).
При перекрывании внешних орбиталей в отличие от образования валентной неполярной связи не наблюдается направленного взаимодействия между атомами, а электроны мигрируют от одного атома к другому, осуществляя «металлическую» связь.
В электрическом поле мигрирующие или обобщенные электроны получают направленное движение — электрический ток. Такое состояние электронов называется состоянием проводимости.
Энергетическое состояние электронов проводимости обусловлено расщеплением электронных уровней в зависимости от расстояния между центрами атомов в кристалле, что схематически показано на рис. 146.
Наличие электронов проводимости можно экспериментально доказать, исследуя эффект Холла. Электроны, двигающиеся в электрическом поле, меняют направление в зависимости от приложенного магнитного поля, создавая поперечную разность потенциалов; измерив последнюю, можно вычислить число электронов проводимости' на один атом.
Схема опыта Холла приведена на рис. 147, а число электронов проводимости на один атом для некоторых металлов показано ниже:
Металл ......... Li Na Си Ag Au AI
Строение внешнего электронного
Число электронов проводимости 0,53 0,65 0,8 0,75 0,9 2,0
