Когда вы думаете о слове «металлы», вы с такой же вероятностью думаете о повседневных предметах и их функциях, как о химии или о чем-либо другом, связанном с наукой. Например, большинство машин и многие конструкции изготавливаются из одного или нескольких металлов из-за их прочности и жесткости. Кроме того, некоторые металлы ценятся за их внешний вид, стоят немалых денег за единицу массы и буквально классифицируются как «драгоценные металлы»; золото и серебро, пожалуй, самые известные примеры.
Но металлы также представляют собой один из трех типов элементов в химии, два других - неметаллы и металлоиды. На самом деле металлы составляют большинство элементов в природе, хотя вы, вероятно, слышали лишь о небольшой их части. Прежде чем исследовать свойства металлов, полезно понять, что известно под термином «элемент» и как периодическая таблица используется для структурирования элементов в таблице.
Что такое элементы?
В повседневной жизни «элемент» - это составная часть целого. У этого слова есть похожее, но более строгое определение в химии: элемент - это что-то, состоящее из одного определенного типа атома. Его нельзя разделить на более простые компоненты с помощью обычных химических инструментов. По состоянию на 2018 год химики идентифицировали 92 встречающихся в природе элемента, а также 11 нестабильных элементов, которые были получены в лабораторных условиях. Данный элемент существует в виде твердого тела, жидкости или газа в своей природной форме.
Атом, в свою очередь, представляет собой микроскопический набор протонов, нейтронов и электронов в некоторой комбинации. Водород, простейший атом, состоит только из протона и электрона; уран, самый массивный, содержит 92 протона, 92 электрона и 146 нейтронов в одном из своих изотопов. Атом обычно имеет одинаковое количество протонов, которые несут положительный заряд, и электронов, которые несут отрицательный заряд равной величины. Количество нейтронов, которые вместе с протонами составляют ядра (единичные ядра) атомов и не имеют электрического заряда, приблизительно равно количество протонов до некоторой степени, хотя по мере увеличения размера элементов нейтроны имеют тенденцию превосходить количество протонов все больше и больше. степень.
Периодическая таблица элементов
Периодическая таблица для химии - это то же самое, что индексированный список ингредиентов для поваренной книги. Любое химическое соединение, которое у вас есть или о котором вы можете подумать, большое или маленькое, можно свести к некоторой комбинации элементов периодической таблицы.
113 элементов расположены в этой таблице в порядке возрастания атомных номеров. Это число просто количество протонов, которые есть у элемента. Если это число изменится, изменится идентичность элемента. Это не относится к нейтронам или электронам; вариации элемента, содержащие разное количество нейтронов, называются изотопы этого элемента, тогда как элемент, который имеет больше или меньше электронов, чем протонов, называется ион и несет положительный или отрицательный электрический заряд.
Таблица Менделеева получила свое название, потому что включает в себя категории элементов, которые периодически и предсказуемо повторяются. Если вы посмотрите на таблицу Менделеева (интерактивный пример см. В разделе Ресурсы), вы увидите, что она имеет некоторые любопытные пробелы в строках вверху, но они исчезают с более высокими номерами элементы. Это связано с тем, что элементы не просто выстроены в массив на основе атомного номера; они были разделены на типы в зависимости от их различных атомных и химических свойств.
Группы периодической таблицы
Строго говоря, элементы можно сгруппировать в металлы а также неметаллы, но традиционно выделяют три группы элементов: металлы, неметаллы и металлоиды. Как следует из названия «металлоиды», эти элементы обладают как металлоподобными, так и неметаллическими свойствами.
Есть также три основных типа металлов: щелочные металлы, щелочноземельные металлы и переходные металлы. Переходные металлы включают ряд собственных подкатегорий, описанных ниже.
Элементов, строго классифицируемых как неметаллы, на удивление мало, всего семь из них (H, C, N, O, P, S и Se) усеивают периодическую таблицу. Эта классификация, однако, исключает неметаллы, получившие свои собственные категории, включая пять галогены (F, Cl, Br, I и At) и шесть благородные газы (Он, Ne, Ar, Kr, Xe и Ra).
Характеристики металлов
Поскольку существует семь металлоидов и 18 неметаллов какого-либо вида (семь неметаллов как таковых, шесть благородных газов и пять галогенов), 88 из 113 элементов периодической таблицы классифицируются как некоторые типы металл. Хотя эти металлы явно различаются по своим свойствам, они обладают рядом общих характеристик.
Металлы твердые при комнатной температуре, за исключением ртути, жидкости, используемой в старых термометрах. У них есть блеск, что означает, что они отражают свет, свойство, которое часто придает им ценность (например, медь, серебро). Они податливы, что означает, что их можно физически формовать в тонкие листы без трещин. Обычно они твердые, хотя калий и натрий, которые служат биологически активными ионами в кровотоке человека, можно разрезать обычным ножом. Они пластичны, что является причудливым способом сказать, что из металлов можно делать проволоку; Это свойство удобно, потому что большинство металлов являются хорошими проводниками электричества и тепла, что делает их очень важными для современных промышленных применений. Их проводимость является следствием наличия электронов, которые не связаны прочно с ядрами. Наконец, металлы обычно плотные (то есть имеют большую массу на единицу объема), и у них высокие температуры кипения и плавления. Вольфрам имеет чрезвычайно высокую температуру плавления, и не случайно этот элемент широко используется в нити накала ламп.
Типы металлов
Три категории металлов - это щелочные металлы, щелочноземельные металлы и переходные металлы. Расположение таблицы Менделеева полезно для того, чтобы держать их близко сгруппированными; Щелочные металлы - это шесть элементов непосредственно под водородом (H) в крайнем левом столбце таблицы, обозначенном IA. Щелочноземельные металлы являются шестью «ближайшими соседями» щелочных металлов в таблице, занимая всю колонку IIA.
Переходные металлы занимают столбцы с III по XII и строки с 3 по 6 периодической таблицы, всего 40 элементов. 14 лантаноиды (элементы с 58 по 71) и 14 актиниды (элементы с 90 по 103) считаются редкоземельными металлами. Наконец, в большинстве схем восемь элементов считаются металлами, не указанными иначе, в результате чего общее количество металлов до 6 (щелочной) + 6 (щелочноземельный) + 40 (переходный) +28 (редкоземельный) + 8 (неуказанный) = 88.
Металлоиды и неметаллы
Эти семь элементов с металлоподобными и неметаллическими свойствами занимают части строк с 3 по 6 периодической таблицы и включают:
- B
- Si
- Ge
- В виде
- Sb
- Te
- По
Они твердые при комнатной температуре и полезны в области полупроводниковой техники, и часто образуют сплавы, или сочетание металлов с другими металлическими элементами.