§ 13. Прості речовини. Метали і неметали

Прості речовини. Атоми здатні сполучатися з такими самими або іншими атомами. Це зумовлює велике розмаїття у світі речовин.

Речовину, утворену одним хімічним елементом, називають простою речовиною.

Прості речовини поділяють на метали і неметали. Таку класифікацію простих речовин запропонував наприкінці XVIII ст. видатний французький учений А.-Л. Лавуазьє.

Цікаво знати

До нової ери людям були відомі прості речовини 11 елементів — Au, Ag, Cu, Hg, Pb, Fe, Sn, S, C, Zn і Sb.

Метали. Кожен із вас, не вагаючись, зможе назвати кілька металів. Вони відрізняються від решти речовин особливим «металічним» блиском (мал. 45) і мають багато інших спільних властивостей. За звичайних умов метали є твердими речовинами (лише ртуть — рідина), добре проводять електричний струм і теплоту, плавляться здебільшого за досить високих температур (понад 500 °С). Вони пластичні; їх можна кувати, витягувати з них дріт.

Мал. 45. Метали

Завдяки своїм властивостям метали відіграють дуже важливу роль у житті людей, про що свідчать навіть назви історичних епох: мідний вік, бронзовий 1 вік, залізний вік.

1 Бронза — сплав міді з оловом.

Подібність металів зумовлена їхньою внутрішньою будовою. Усі вони складаються з атомів, які розміщені дуже щільно. Частина електронів постійно переходить від одних атомів до інших. Завдяки цим електронам метали проводять електричний струм, здатні швидко нагріватися й охолоджуватися.

Неметали. Простих речовин цього типу значно менше. До неметалів належать азот, кисень, графіт, алмаз, сірка, йод та ін. (мал. 46).

Мал. 46. Неметали

Неметали відрізняються від металів передусім відсутністю металічного блиску. Лише графіт, йод, кристалічні бор і силіцій 1 мають такий блиск. Неметали не проводять електричного струму (виняток — графіт). За звичайних умов частина неметалів перебуває в газоподібному стані (жодного металу-газу не існує), інші є твердими речовинами і лише бром — рідиною.

1 Традиційна назва речовини — кремній.

Між собою неметали істотно різняться.

Частина неметалів складається з атомів. В алмазі, графіті, борі, силіції, червоному фосфорі всі атоми сполучені один з одним, а в інертних газах — гелії, неоні, аргоні, криптоні, ксеноні й радоні — вони роз’єднані.

Інші неметали утворені молекулами. Атоми в кожній молекулі міцно сполучені між собою, а молекули лише слабко притягуються одна до одної. Тому речовини молекулярної будови мають невисокі температури плавлення і кипіння.

Із молекул складаються прості речовини Оксигену — кисень і озон. Молекула кисню містить два атоми, а молекула озону — три (мал. 47).

Мал. 47. Моделі молекул: а — кисню; б — озону

Не лише Оксиген, а й чимало інших елементів утворюють по дві чи навіть більше простих речовин. Тому простих речовин існує більше, ніж хімічних елементів.

Назви простих речовин. Більшість простих речовин називають так, як і відповідні хімічні елементи. Якщо назви різні, то обидві наявні в клітинці періодичної системи; назва простої речовини міститься під назвою елемента (мал. 48).

Мал. 48. Клітинка періодичної системи

• Назвіть прості речовини елементів Літію, Гідрогену, Магнію, Нітрогену.

Назви простих речовин усередині речення записують з малої літери; вони не є власними назвами. Приклад такого речення: «Неметал бор складається з атомів елемента Бору».

Металічні та неметалічні елементи. Хімічні елементи, від яких походять метали, називають металічними, а ті, які утворюють неметали, — неметалічними. У довгому варіанті періодичної системи (форзац ІІ) вони розмежовані діагональною ламаною лінією. Металічні елементи розміщені ліворуч від неї; їх значно більше, ніж неметалічних елементів.

Елементи Германій, Стибій, Полоній утворюють прості речовини, які за деякими властивостями подібні до металів, а за іншими — до неметалів.

Кожна проста речовина утворена одним елементом.

Прості речовини поділяють на метали і неметали, а хімічні елементи — на металічні та неметалічні.

Метали мають подібну внутрішню будову і тому виявляють чимало спільних властивостей.

Неметали складаються з атомів або молекул і за властивостями відрізняються від металів, а нерідко й один від одного.

80. Яку речовину називають простою? Назвіть кілька таких речовин.

81. Які типи простих речовин існують? Як називають відповідні елементи?

82. Наведіть приклади простих речовин, які трапляються в природі.

83. Укажіть правильне закінчення речення «Кожна проста речовина утворена . »:

• а) однаковими молекулами;
• б) одним хімічним елементом;
• в) одним металічним елементом;
• г) одним неметалічним елементом.

84. За якими фізичними властивостями метал можна відрізнити від неметалу?

85. Заповніть пропуски, вставивши у відповідних відмінках слова «Нітроген» або «азот», і поясніть свій вибір:

• а) . — газ, якого в повітрі міститься найбільше;
• б) молекула . складається з двох атомів . ;
• в) речовини, які містять . потрапляють у рослини із ґрунту;
• г) . погано розчиняється у воді.

86. Заповніть пропуски, вставивши слова «елемент», «атом» чи «молекула» у відповідному відмінку та числі:

87. Якими елементами утворені такі прості речовини: фтор, сірка, цинк, фосфор, ртуть?

88. Назвіть прості речовини елементів Pb, Ca, Не, Ag, Cl.

89. Яку помилку допущено у відомому вислові «У яблуках є залізо»? Змініть цей вислів, правильно дібравши хімічну назву.

90. Знайдіть відповідність, скориставшись довгим варіантом періодичної системи:

§ 23. Металічні елементи. Метали

Металічні елементи, їх поширеність у природі. Металічних елементів існує значно більше, ніж неметалічних. До них належать усі d- і f-елементи, а також s-елементи (крім Гідрогену і Гелію) та кілька p-елементів. У довгому варіанті періодичної системи металічні елементи займають ліву і центральну частини 1 :

1 Германій, Стибій і Полоній, що розміщені біля діагональної ламаної лінії, за деякими характеристиками схожі на металічні елементи, а за іншими — на неметалічні.

Найбільше металічних елементів містить літосфера. Найпоширенішим серед них є Алюміній (мал. 56). Елементи, від яких походять активні метали, містяться переважно в хлоридних, карбонатних, сульфатних і силікатних мінералах, інші — в оксидних і сульфідних мінералах. Дуже рідко трапляються самородні мідь, срібло, золото, платина (мал. 57).

Мал. 56. Атомні частки найпоширеніших металічних елементів у літосфері

Мал. 57. Природні речовини, утворені металічними елементами

У гідросфері також багато металічних елементів, але у значно менших кількостях. У воді морів і океанів переважає Натрій, а у прісній воді — Кальцій.

Металічні елементи містяться і в живих організмах. Натрій і Калій входять до складу усіх клітин, Магній є у хлорофілі, а Ферум — у гемоглобіні. Сполуки Кальцію становлять неорганічну основу кісток, зубів, яєчної шкаралупи, черепашок.

Атоми і йони металічних елементів. В атомі будь-якого металічного елемента на зовнішньому енергетичному рівні перебуває невелика кількість електронів (як правило, від одного до трьох). Такий атом може віддавати ці електрони й перетворюватися на позитивно заряджений йон (катіон):

• Запишіть схему утворення йона Кальцію з атома, використавши електронні формули частинок.

Здатність атомів металічних елементів втрачати електрони зростає зі збільшенням радіусів атомів: у періоді — справа наліво, а в групі — згори донизу. Типові металічні елементи розміщені в лівому нижньому куті періодичної системи. Серед них — Цезій; його атом найлегше втрачає електрон.

Прості катіони металічних елементів містяться в основних і амфотерних оксидах, основах, солях. Значення зарядів таких йонів для елементів головних підгруп І—III груп збігаються з номерами груп періодичної системи: Na + , Mg 2+ , Аl 3+ . Подібної закономірності для елементів побічних підгруп немає. Наприклад, елемент І групи Купрум утворює катіони Сu + і Сu 2+ , а елемент VIII групи Ферум — катіони Fe 2+ і Fe 3+ .

Атоми деяких металічних елементів можуть утворювати ковалентні зв’язки з атомами неметалічних елементів. Результатом цього є існування складних аніонів (наприклад, MnO – ₄) або молекул (CrO₃).

Метали. Металічні елементи утворюють прості речовини — метали. За звичайних умов вони перебувають у твердому стані (крім ртуті) і є кристалічними речовинами.

Фізичні властивості. Метали схожі за зовнішнім виглядом (мал. 58). Металевий блиск, електропровідність, пластичність — властивості металів, зумовлені металічним зв’язком і наявністю в них делокалізованих електронів (§ 7). Найвищу електро- і теплопровідність мають срібло, мідь, золото, алюміній. Найпластичнішим металом є золото.

Мал. 58. Найважливіші метали

Температури плавлення більшості металів перевищують 1000 °С. Метали, які плавляться за нижчої температури (наприклад, свинець, олово, цинк, алюміній), називають легкоплавкими. Найтугоплавкіший метал — вольфрам (т. пл. 3420 °С). Найнижчу температуру плавлення має ртуть (-38,9 °С).

Значення густини металів перебувають у широкому інтервалі — від 0,534 (літій) до 22,5 г/см 3 (осмій).

Метали різняться й за твердістю. Найтвердішим є хром; ним можна різати скло. Найм’якші метали — натрій, калій, свинець.

Колір металів звичайно білий або сірий. Золото і цезій мають жовтий колір, а мідь — червоний.

Залізо, кобальт і нікель є феромагнетиками — речовинами, які здатні намагнічуватися в зовнішньому магнітному полі і зберігати такий стан.

Застосування. Найважливішими для практики металами є залізо, алюміній, мідь, цинк. Вони набули широкого використання завдяки стійкості до природних умов і поширеності природної сировини, з якої їх добувають. Золото, срібло, платина — дорогоцінні метали. З них виготовляють ювелірні вироби, прикраси, іноді карбують монети (мал. 59). Ці метали також застосовують у хімічній промисловості, приладобудуванні, електронній техніці.

Мал. 59. Срібна монета

Сплави металів. Значно частіше за метали використовують їх сплави (табл. 9). Кожний сплав є однорідною сумішшю (твердим розчином), яку виготовляють шляхом сумісного сплавляння металів із подальшим охолодженням.

Деякі металічні сплави

Склад (масові частки, %)

Склад (масові частки, %)

Нержавіюча сталь (звичайна)

3. Загальні фізичні властивості металів

Металічний зв’язок — це хімічний зв’язок, що утворюється за рахунок притягування катіонів (позитивно заряджених йонів) металічних елементів і електронів, що вільно переміщюються (так званого «електронного газу»), заряджених негативно.

На малюнку зображено модель кристалічної ґратки металів: у вузлах кристалічної ґратки містяться як електрично нейтральні, так і позитивно заряджені катіони металічних елементів, а між ними вільно переміщаються негативно заряджені електрони (електронний газ).

За рахунок наявності у кристалах електронів, що вільно рухаються, для більшості металів характерні загальні фізичні властивості: особливий металічний блиск, висока електропровідність і теплопровідність, пластичність, ковкість, тощо.

• За звичайних умов усі метали (за винятком ртуті, її температура плавлення \(-39°C\)) є твердими речовинами;
• здатність металів відбивати падаюче на них світло є причиною наявності у них особливого металічного блиску ;
• метали не мають запаху;
• більшість металів мають сріблясто-білий або сріблясто-сірий колір. Винятком є мідь (червоного кольору) і золото (жовтого кольору).

У техніці метали прийнято поділяти на чорні і кольорові . Як правило, до чорних металів належать залізо та його сплави, а до кольорових — усі інші метали.

Метали добре проводять тепло. Усі метали добре проводять електричний струм, що обумовлено наявністю у кристалічній ґратці електронів, які здатні вільно переміщатися. Дуже добре проводять електричний струм золото \(Au\), мідь \(Cu\) і срібло \(Ag\).

Метали у більшості своїй є пластичними. Їх можна кувати, витягувати у дріт і пресувати. Винятком є стибій \(Sb\) і вісмут \(Bi\), вони крихкі і від удару розсипаються.

Температура плавлення
Температура плавлення металів змінюється у широкому інтервалі: від \(-39°C\) у ртуті до \(3420°C\) у вольфраму. За температурою плавлення метали умовно поділяють на:

• легкоплавкі (температура плавлення до \(1000°C\))
• середньоплавкі (температура плавлення від \(1000°C\) до \(1600°C\))
• тугоплавкі (температура плавлення вище \(1600°C\)).

Густина різних металів також коливається у порівняно широких межах: від \(0,53 \) г/см³ у літію до \(22,61\) г/см³ у осмію.

За густиною метали прийнято поділяти на легкі (густина менше 5 г/см³ ) і важкі (густина більше \(5\) г/см³ ).