Страница 122 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Чем отличается строение атомов металлов от строения атомов не-металлов и как это отражается на химических свойствах металлов?

Чем отличается строение атомов металлов от строения атомов неметаллов и как это отражается на химических свойствах металлов?

Основное отличие в строении атомов металлов и неметаллов заключается в особенностях их внешнего электронного уровня и связанных с этим характеристиках, таких как радиус атома, энергия ионизации и электроотрицательность.

Ключевые отличия в строении атомов:

Количество валентных электронов: Атомы металлов, как правило, имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов — от 1 до 3. Атомы неметаллов, наоборот, обычно имеют от 4 до 8 валентных электронов и стремятся принять электроны для завершения своего внешнего уровня.

Радиус атома: В пределах одного периода периодической системы у атомов металлов радиус, как правило, больше, чем у атомов неметаллов. Это связано с тем, что при одинаковом числе электронных слоев у металлов меньше заряд ядра, и оно слабее притягивает внешние электроны.

Энергия ионизации и электроотрицательность: Из-за большого радиуса и малого числа валентных электронов атомы металлов слабо удерживают свои внешние электроны. Поэтому для них характерны низкие значения энергии ионизации (энергии, необходимой для отрыва электрона) и низкой электроотрицательности (способности притягивать к себе электроны). У неметаллов эти показатели, наоборот, высокие.

Влияние строения на химические свойства металлов:

Эти особенности строения напрямую определяют химические свойства металлов. Главное химическое свойство металлов — их способность легко отдавать валентные электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). Например, атом натрия ($Na$) легко отдает один электрон, превращаясь в катион натрия ($Na^+$):

$Na^0 - 1e^- \rightarrow Na^+$

Из этой основной способности вытекают следующие химические свойства:

Во-первых, сильные восстановительные свойства. Поскольку металлы легко отдают электроны, в химических реакциях они почти всегда выступают в роли восстановителей. Они восстанавливают другие вещества, а сами при этом окисляются. Это их самое характерное химическое свойство. Например, в реакции с хлором магний отдает электроны, являясь восстановителем: $Mg + Cl_2 \rightarrow MgCl_2$.

Во-вторых, образование основных и амфотерных оксидов и гидроксидов. Оксиды типичных металлов (щелочных и щелочноземельных) являются основными (например, $CaO$, $Na_2O$). Они реагируют с кислотами. Некоторые металлы (например, $Al$, $Zn$) образуют амфотерные оксиды и гидроксиды, которые реагируют и с кислотами, и с основаниями. В отличие от них, неметаллы образуют преимущественно кислотные оксиды.

В-третьих, способность к реакциям замещения. Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, вытесняют его из растворов многих кислот. Также более активные металлы могут вытеснять менее активные из растворов их солей.

Таким образом, малое количество валентных электронов и низкая электроотрицательность делают металлы сильными восстановителями, определяя их типичные химические реакции, в которых они отдают электроны.

Ответ: Атомы металлов отличаются от атомов неметаллов малым числом валентных электронов (1-3), большим атомным радиусом, низкой энергией ионизации и низкой электроотрицательностью. Эти особенности строения приводят к тому, что главной химической характеристикой металлов является их способность легко отдавать электроны, то есть проявлять сильные восстановительные свойства. Это выражается в их реакциях с неметаллами, кислотами, солями, а также в образовании оксидов и гидроксидов преимущественно основного и амфотерного характера.

2. Какой вид химической связи характерен для металлов?

Для металлов и их сплавов характерен особый вид химической связи — металлическая связь.

Металлическая связь возникает из-за специфического строения атомов металлов. Атомы большинства металлов имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое число валентных электронов (обычно 1–3) и относительно большие атомные радиусы. Вследствие этого валентные электроны слабо связаны с ядром и могут легко отрываться от своих атомов.

В кристаллической решетке металла происходит следующее:

• Атомы металлов отдают свои валентные электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы), например, $Na^+$, $Mg^{2+}$, $Al^{3+}$. Эти катионы располагаются в узлах кристаллической решетки.
• Отделившиеся валентные электроны становятся общими для всего кристалла. Они свободно и хаотично перемещаются по всему объему металла, образуя так называемый «электронный газ» или «электронное облако».

Таким образом, металлическая связь — это химическая связь, которая осуществляется за счет электростатического притяжения между положительно заряженными ионами металлов в кристаллической решетке и обобществленными (делокализованными) электронами, свободно движущимися по всему кристаллу. Схематически этот процесс можно представить так:
$nMe^0 - ne^- \rightarrow nMe^{n+}$
где $Me^0$ — атом металла, $Me^{n+}$ — катион металла, а $e^-$ — свободный электрон.

Именно наличие «электронного газа» обусловливает характерные физические свойства металлов:

• Электропроводность: под действием электрического поля свободные электроны начинают упорядоченно двигаться, создавая электрический ток.
• Теплопроводность: свободные электроны быстро передают кинетическую энергию от более нагретых участков к менее нагретым.
• Пластичность (ковкость и тягучесть): при механическом воздействии слои ионов в кристалле могут смещаться друг относительно друга без разрыва связи, так как «электронный газ» продолжает удерживать их вместе.
• Металлический блеск: поверхность металла отражает световые лучи благодаря взаимодействию света со свободными электронами.

Ответ: Для металлов характерен металлический вид химической связи.

3. Какой тип кристаллической решётки характерен для металлов? Какие свойства металлов обусловлены их кристаллическим строением?

Какой тип кристаллической решётки характерен для металлов?

Для металлов и их сплавов в твёрдом агрегатном состоянии характерен металлический тип кристаллической решётки. Особенностью такого строения является то, что в узлах решётки располагаются положительно заряженные ионы (катионы) и частично нейтральные атомы металлов. Валентные электроны, слабо связанные со своими ядрами, отрываются от них и могут свободно перемещаться по всему объёму кристалла. Эти обобществлённые электроны образуют так называемый "электронный газ", который движется между узлами решётки. Именно силы электростатического притяжения между положительными ионами в узлах и отрицательно заряженным "электронным газом" обеспечивают прочную связь в кристалле, которая называется металлической связью.

Ответ: Для металлов характерен металлический тип кристаллической решётки.

Какие свойства металлов обусловлены их кристаллическим строением?

Специфическое строение металлической решётки и наличие "электронного газа" определяют ряд характерных физических свойств металлов:

• Высокая электропроводность. При возникновении разности потенциалов (электрического поля) свободные электроны ("электронный газ") начинают упорядоченно двигаться, создавая электрический ток. Это свойство является одним из самых характерных для металлов.
• Высокая теплопроводность. Подвижные электроны легко передают кинетическую энергию от более нагретых участков металла к более холодным, что обеспечивает быстрый перенос тепла. Также в передаче тепла участвуют колебания ионов в узлах решётки.
• Пластичность (ковкость, тягучесть). В отличие от хрупких ионных кристаллов, при механическом воздействии слои ионов в металлической решётке могут смещаться друг относительно друга без разрыва связи. "Электронный газ" действует как своего рода "смазка", немедленно восстанавливая связь между ионами в их новых положениях.
• Металлический блеск. Поверхность металлов способна хорошо отражать падающий свет. Это связано с тем, что свободные электроны в поверхностном слое взаимодействуют с фотонами света, поглощают и сразу же переизлучают их практически без потерь энергии.
• Непрозрачность. Из-за высокой концентрации свободных электронов световые волны не могут проникнуть вглубь металла, так как их энергия быстро поглощается электронами.

Ответ: Кристаллическое строение металлов, а именно наличие металлической решётки с "электронным газом", обусловливает их общие физические свойства: высокую электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск и непрозрачность.

4. Охарактеризуйте общие и отличительные физические свойства типичных металлов на основе строения их атомов. Приведите примеры.

Решение

Физические свойства типичных металлов обусловлены их строением, а именно наличием металлической кристаллической решетки. В узлах этой решетки находятся положительно заряженные ионы металла, а между ними свободно перемещаются обобществленные валентные электроны, образуя так называемый «электронный газ». Такое строение определяет как общие для всех металлов свойства, так и их индивидуальные различия.

Общие физические свойства металлов

Эти свойства напрямую вытекают из наличия «электронного газа» и металлической связи.

• Высокая электропроводность и теплопроводность. Наличие свободных электронов, которые могут упорядоченно двигаться под действием электрического поля (электропроводность) и быстро переносить кинетическую энергию от более нагретых участков к менее нагретым (теплопроводность), является ключевой особенностью металлов. Примеры: лучшие проводники — серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au) и алюминий (Al).
• Пластичность (ковкость и тягучесть). При механическом воздействии слои ионов в кристаллической решетке могут смещаться друг относительно друга без разрыва связей, так как «электронный газ» продолжает удерживать их вместе. Это позволяет изменять форму металла, не разрушая его. Примеры: золото (Au) — очень пластичный металл, из него можно изготовить тончайшую фольгу. Медь (Cu) обладает высокой тягучестью, что позволяет вытягивать ее в проволоку.
• Металлический блеск. Свободные электроны в поверхностном слое металла способны отражать световые волны практически всего видимого спектра. Поэтому большинство металлов имеют серебристо-белый или серый цвет и характерный блеск. Примеры: серебро (Ag), платина (Pt), алюминий (Al).

Отличительные физические свойства металлов

Различия в свойствах металлов объясняются особенностями строения их атомов (заряд ядра, атомный радиус, число валентных электронов) и типом кристаллической решетки.

• Температура плавления. Зависит от прочности металлической связи. Чем больше валентных электронов отдает атом в «электронный газ» и чем меньше радиус иона, тем прочнее связь и выше температура плавления. Примеры: у щелочных металлов, отдающих один электрон (например, натрий Na, t_пл = 98 °C), она низкая. У тугоплавких металлов, таких как вольфрам (W, t_пл = 3422 °C), связь очень прочная. Ртуть (Hg) при комнатной температуре является жидкостью (t_пл = -39 °C).
• Плотность. Определяется атомной массой элемента и плотностью упаковки атомов в кристаллической решетке. Примеры: литий (Li) — один из самых легких металлов (плотность 0,53 г/см³), а осмий (Os) и иридий (Ir) — самые тяжелые (плотность ~22,6 г/см³).
• Твердость. Как и температура плавления, твердость связана с прочностью металлической связи. Примеры: щелочные металлы (Na, K) очень мягкие и режутся ножом, тогда как хром (Cr) и вольфрам (W) — одни из самых твердых металлов.
• Цвет. Большинство металлов серебристо-белые. Однако некоторые имеют характерный цвет из-за особенностей электронной структуры, которая приводит к избирательному поглощению света в определенных частях видимого спектра. Примеры: золото (Au) — желтое, так как поглощает сине-фиолетовую часть спектра. Медь (Cu) — красновато-розовая, так как поглощает сине-зеленую часть спектра.

Ответ: Общие физические свойства металлов (электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск) обусловлены наличием в их кристаллической решетке обобществленных свободных электронов («электронного газа»). Отличительные свойства (температура плавления, плотность, твердость, цвет) зависят от индивидуальных характеристик атомов (числа валентных электронов, атомного радиуса, атомной массы) и типа кристаллической решетки, которые определяют прочность металлической связи и особенности взаимодействия со светом.