Физические свойства металлов

Простые вещества, которые образуют элементы – металлы, при обычных условиях находятся в твердом агрегатном состоянии (кроме ртути) и имеют кристаллическое строение. Причем в узлах кристаллической решетки металлов находятся нейтральные атомы или положительно заряженные ионы (непрерывно превращающиеся друг в друга за счет протекания реакции Me Meⁿ⁺), а в междоузлии расположены валентные электроны, способные легко перемещаться по всему объему кристалла (рис. 15). Связь в такой решетке образуется за счет одновременного взаимодействия всех положительно заряженных катионов и свободно перемещающихся электронов. Она называется металлической связью и обуславливает все характерные физические свойства металлов.

Рис. 15. Схема строения кристаллической решетки металла

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, так как и в ее основе лежит обобществление электронов. Однако электроны, осуществляющие ковалентную связь, находятся вблизи соединенных атомов и принадлежат только им двоим. Электроны же, осуществляющие металлическую связь, свободно перемещаются по всему объему кристалла и принадлежат всем его атомам. В связи с этим металлическая связь не имеет направленности в пространстве и ненасыщаема, поэтому металлы, как и соединения с ионной связью, не имеют молекулярного строения и их состав отображается с помощью формульных единиц.

Металлическая связь обуславливает высокую тепло- и электропроводность металлов (благодаря большой подвижности валентных электронов), их непрозрачность и характерный металлический блеск, пластичность и ковкость (из-за отсутствия локализованных химических связей).

Хаотически движущиеся электроны в металле под воздействием внешнего электрического поля легко приобретают направленное движение и могут проводить электрический ток.

При нагревании возрастает амплитуда колебательного движения находящихся в узлах кристаллической решетки ионов или атомов металла. Это затрудняет перемещение электронов, и электрическая проводимость металла падает. При низких температурах ковалентное движение частиц, наоборот, значительно уменьшается и электрическая проводимость металлов резко увеличивается. Вблизи абсолютного нуля у большинства металлов появляется сверхпроводимость, а их электрическое сопротивление исчезает.

Наибольшую электрическую проводимость имеют серебро (стоит на первом месте среди всех металлов), медь, а также золото, алюминий. Именно из этих металлов изготавливают проводники электричества в технике и быту.

Наиболее низкая электропроводность у марганца, свинца, ртути, висмута.

Теплопроводность металлов также обеспечивается большой подвижностью валентных электронов, которые, сталкиваясь с ионами или атомами, обмениваются с ними энергией. Это приводит к быстрому выравниванию температуры по всему объему кристалла.

Большинство металлов имеют серебристо-белый или серый цвет, так как электроны, заполняющие межатомное пространство, примерно в равной мере отражают или поглощают все световые лучи видимой части спектра. Однако некоторые из них: стронций, золото, медь – имеют, соответственно, светло-желтый, желтый и «медный» цвет. Это объясняется тем, что эти металлы, в отличие от всех остальных. в большей степени поглощают короткие волны (близкие к ультрафиолетовой части спектра), а отражают длинные волны.

Как видно из рис. 16, механическое воздействие на твердое вещество с атомной решеткой приводит к разрыву ковалентных связей и разрушению кристалла. Аналогично и смещение ионных слоев в веществах с ионной кристаллической решеткой приводит к взаимному отталкиванию одноименно заряженных ионов и разрушению самого образца.

Рис. 16. Смещение слоев в атомной (а), ионной (б) и металлической (в) кристаллических решетках при механическом воздействии на твердые тела

При механическом воздействии на металлы отдельные слои атомов тоже могут смещаться друг относительно друга, однако связь между ними все время сохраняется, благодаря свободному перемещению электронов, поэтому разрушение кристаллической решетки не происходит.

Несмотря на то, что у металлов есть много общего, физические свойства конкретных металлов могут различаться в очень широком диапазоне значений (табл. 6).

Таблица 6. Физические свойства некоторых металлов

Название металла и его химический знак	Температура плавления, оС	Плотность, г/см3	Относительная электропроводность (для Hg = 1)
Ртуть (Hg)	–39	13,6	1
Литий (Li)	180	0,53	11
Натрий (Na)	98	0,97	21
Калий (K)	63	0,86	14
Магний (Mg)	650	1,74	22
Кальций (Ca)	850	1,5	22
Барий (Ba)	710	3,5	2
Алюминий (Al)	660	2,7	34
Галий (Ga)	30	5,9	2
Медь (Cu)	1084	8,96	57
Серебро (Ag)	962	10,5	59
Золото (Au)	1064	19,3	40
Железо (Fe)	1535	7,87	10
Вольфрам (W)	3407	19,3	18
Осмий (Os)	3054	22,6	10
Хром (Cr)	1857	7,19	5
Цинк (Zn)	419	7,1	16
Свинец (Pb)	327	11,3	5

Это объясняется многими факторами и, в первую очередь, различной прочностью самой металлической связи, которая зависит от радиуса и величины заряда положительного иона металла, величины заряда ядра его атома. Определенный вклад вносит также и вид самой кристаллической решетки, величина межатомного расстояния в ней, число валентных электронов в атоме металла.

Если температура плавления металла ниже 1000^оС, то его принято называть легкоплавким, а если выше – тугоплавким. Самым легкоплавким металлом является ртуть (t_плавл. ≈ –39^оС), а одним из самых тугоплавких – вольфрам (t_плавл. > 3400^оС).

В связи с этим W применяется для изготовления нитей накаливания электроламп.

Металлы, плотность которых ниже 5 г/см³, называются легкими, а металлы, у которых ρ > 5 г/см³ – тяжелыми. Как следует из табл. 6, самым легким металлом является литий (ρ = 0,5 г/см³), а самым тяжелым – осмий (ρ = 22,6 г/см³).

Очень сильно металлы различаются и по твердости. Самыми твердыми из них являются молибден, хром. Они могут даже царапать стекло и поэтому входят в состав сплавов, из которых изготавливают металлорежущий инструмент.

Твердость щелочных металлов, наоборот, крайне низка (не превышает твердости пластилина) и их можно резать тупым столовым ножом.

Металлы по-разному взаимодействуют с магнитным полем. Так железо, кобальт, никель способны намагничиваться в нем и длительно сохранять состояние намагниченности в отсутствии магнитного поля. Такие металлы называют ферромагнетиками. Щелочные, щелочноземельные и значительная часть переходных металлов слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля. Они называются парамагнетиками. Некоторые металлы: медь, серебро, золото, висмут – выталкиваются магнитным полем и называются диамагнетиками.