Обща характеристика на металите в химията

Какво са металите

Около 80% от известните засега елементи принадлежат към металите. Те се различават от неметалите по всички свойства, но очебийни са електропроводимостта, топлопроводимостта, блясъкът, отражателната способност, пластичността и други механични свойства. От всички химични елементи най-лекият твърд елемент е литият с относителна плътност 0,53, най-тежкият е осмият с относителна плътност 22,7, най-високотопимият е волфрамът 3390⁰ - това са все метали. При обикновени условия металите (без живака) са в твърдо агрегатни състояния. Металите се делят на две големи групи - черни метали (Fe, Mn, Cr) и цветни (Cu, Zn, Pb, Sn и прочие). Съществува и група на благородните метали, както и група на редките метали, малкоразпространени в земната кора. Освен това се делят на леки и тежки метали, като границата на относителната плътност е 5 грама на кубичен сантиметър. Съществуват нискотопими метали (под 1000⁰C) и високотопими метали (над 1000⁰C).

Болшинството от металите, полирани, отразяват всички дължини на вълните на бялата светлина почти в еднаква степен и затова те имат сребърнобял до сив цвят. Само златото и медта поглъщат съответно синия и зеления цвят (съответните дължини на вълните) и изглеждат оцветени. Блясъкът на металите се проявяват, когато са компактни. Стрити ли са на прах с изключение на алуминия и някои други метали блясъкът отпада и прахът обикновено е сиво-чер. В много тънки листца някои метали пропускат светлината с характерен цвят.

Електро- и топлопроводимост

При електропроводност металите се разполагат в следния ред:

Ag>Cu>Au>Al>Zn>Ni>Fe>Pt>Pb>Hg. С повишение на температурата осмотичното съпротивление се увеличава и обратно понижение на температурата, за да стане то практически нула при температура на течния хелий.

По топлопроводимостта си се разполагат в ред почти еднакъв с този за електропроводимостта - Ag>Cu>Au>Al>Zn>Sn>Fe>Pb>Pt>Pd, и затова отношението между електропроводимостта и топлопроводимостта за всички метали в едно и също (закон на Видеман-Франц).

Механични свойства

Металите притежават изразена механична деформируемост - лесно се очукват. Някои от тях се дробят. По ковкостта си те се подреждат в реда Au>Ag>Al>Cu>Sn>Pt>Pb>Zn>Fe. По своята разтегливост (да се изтеглят на жица) се подреждат Au>Ag>Pt>Al>Fe>Cu>Zn>Pb. Те са и много жилави. Жилавостта се измерва с масата, която къса жицата с определени размери.

Металите са различно твърди - едни се драскат с нокът и са меки като восък, други драскат стъклото. Имат различен коефициент на разширение при сгряване, различна температура на кипене и прочие. В газообразно състояние са едноатомни с известен малък процент на асоциация до двуатомни молекули.

Магнитни свойства и кристални решетки

Спрямо магнитното поле се делят на диамагнитни, парамагнитни и феромагнитни.

Предпочитаните кристални решетки са тези, които се отличават с най-плътна опаковка - обемно центрираната кубична кристална решетка, стенно центричната кубична кристална решетка и хексагоналната най-плътна опаковка.

Химични свойства

Характерна особеност в химично отношение е, че атомите им са електроннодонори и се явяват в положителна валентност. Химично активните метали са много добри редуктори. Електронноакцепторната функция не е свойствена за тях. Свойствата на продуктите при различна степен на окисление на металите показват следните особености:

• а) Колкото е по-голям радиусът на йона и колкото е по-малък зарядът (положителната валентност), съответно толкова е по-основен окисът.
• б) Колкото е по-малък йонният радиус и по-голям неговият заряд (положителната валентност), съответно толкова е по-основен окисът.

В поредицата Cr, CrO, Cr₂O₃, CrO₃ степента на окисление (положителната валентност) се увеличава от 0, +2, +3, +6, ефективният радиус на йона намалява, химичният характер се изменя - метално състояние, основен окис, амфотерен окис и киселинен окис. Но по правило киселините, образувани от многовалентни метали, не са така силни както киселините, получени от типичните неметали.

Теории за металното състояние

По отношение на металното състояние бе казано при "Строеж на твърдите вещества", че характерен белег при металите е наличието на свободни електрони. Въз основа на тях, разгледани като електронен газ, се направиха опити да се разяснят количествено някои съотношения между свойствата на металите. В това отношение за успех трябва да се отчете законът на Видеман-Франц, както и разясняването на някои термоелектрични явления в металите. Когато се направи опит да се интерпретира атомната топлина от гледна точка на електронния газ, оказва се, че са налице редица принципни затруднения - свободните електрони нямат никакво отношение към атомната топлина. Атомната топлина представлява количеството топлина, което трябва да се изразходва за повишаване на температурата на грам-атомно количество метал с 1⁰C. Тя възлиза почти за всички метали на 6,3 cal.

Друго схващане за металното състояние е, че валентните електрони в компактния метал се разполагат по-различно, отколкото в отделния атом. Докато в последния те се включват в отделни енергитични подравнища, в компактния метал външно намиращите се енергитични подравнища са "размазани" и формират енергитични зони. Всяка една от тях е изградена от множество енергитични подравнища, непринадлежащи на отделните атоми, а на целия компактен метал. При промяна на температурата съответно се изменя широчината на енергитичните зони, което дава отпечатък върху топло- и електропроводимостта.

Разви се и теория, в основата на която легна приемането, че връзката между атомите на метала наподобява донякъде ковалентната връзка. Между тях възникват двуелектронни връзки, които не са фиксирани, а непрекъснато се разкъсват и формират между двойка съседни атоми в кристалната решетка.

Често задавани въпроси