Что такое металлы ?

Чтобы уяснить себе внутреннюю закономерность периодической системы, следует рассмотреть взаимосвязь между местоположением в ней элемента и строением его атома. 

Эту зависимость помогает понять модель атома, созданная Бором. Она напоминает Солнечную систему в миниатюре: атом состоит из расположенного в центре ядра—Солнца и оболочки, в которой вокруг ядра по орбитам вращаются электроны—своего рода планеты этой крошечной Солнечной системы. 

Размеры атома настолько малы, что их трудно себе представить. 100 миллионов атомов, плотно уложенных один к другому, составили бы цепочку длиной всего в 1 см. 

Как и в Солнечной системе, где планеты движутся по орбитам на огромных расстояниях от Солнца, в атоме расстояния между атомным ядром и орбитами электронов тоже очень велики (в масштабах атома). 

Диаметр Солнца (1,4-10⁶ км) находится примерно в таком же отношении к размеру Солнечной системы (6-10 x13 км), как диаметр атомного ядра (порядка 10 -¹³ см) к размеру атома (порядка 10 -⁸ см).

Чтобы более наглядно выразить эти соотношения, допустим, что диаметр атома равен 100 м. 

Тогда диаметр ядра должен составить около 1 см, а электрона—1 мм. Это означает, что все атомы, содержащиеся в 1 м³ платины (массой 21 500 кг)—если бы удалось сжать их до размеров ядра (а имен­но в ядре сосредоточена почти вся масса атома),—заняли бы объем всего лишь в 1 мм³.

Но атомное ядро не только заключает в себе почти всю массу атома, оно несет и положительный электрический заряд (равный по величине заряду всех электронов атома), который и определяет порядковый номер атома Z и его место в периодической системе.

 В оболочках атома на орбитах находится столько же электронов, т.е. отрицательных элементарных зарядов, сколько положительных зарядов содержит ядро. Поэтому в целом атом электрически нейтрален.

 Один из основоположников ядерной физики датчанин Нильс Бор (1885—1962) сформулировал в 1913 г. знаменитые принципы; первый из них утверждает, что в атоме есть орбиты, двигаясь по которым, электрон не излучает энергию. 

Такие орбиты называются стационарными. Оболочки атомов по мере увеличения зарядов ядер заполняются электронами в строго определенной последовательности: от внутренних (ближайших к ядру) оболочек к внешним. 

Энергетическое состояние каждого отдельного электрона характеризуется четырьмя так называемыми квантовыми числами, а именно главным, побочным, или азимутальным, магнитным и спиновыми.

Главное квантовое число и определяет круговую орбиту, по которой движется электрон, и последовательно принимает зна­чения чисел натурального ряда: 1, 2, 3 и т.д.

Соответствующие этим значениям главного квантового числа оболочки обозначаются латинскими буквами К, L, М и т.д.

Как показал Арнольд Зоммерфельд (1868—1951), орбита электрона, определяемая главным квантовым числом, не обязательно должна быть круговой, возможны также эллиптические орбиты с различными отношениями большой и малой осей.

Эти оболочки разделяются на подоболочки в соответствии со значениями азимутального квантового числа / = 0,1,2,..., (и — — 1). Самый низкий энергетический уровень с / = 0 соответствует круговой орбите (или подоболочке); более высоким зна­чениям L соответствуют эллиптические орбиты. 

Так, в М-оболочке (и = 3) наряду с круговой орбитой (L = 0) существуют еще две эллиптические орбиты (L = 1 и L = 2). Эти орбиты обозна­чаются буквами s, р, d,f и. т. д. 

Магнитное квантовое число m, характеризует взаимную ориентацию отдельных плоскостей орбит, и при данном азимутальном квантовом числе / может принимать 2l + 1 различных значений. Спиновое квантовое чис­ло (или, как говорят, спин) m_s для каждого электрона может при­нимать только два значения: +1/2 и —1/2. 

Спин—это собственный момент вращения электрона вокруг своей оси при его движении по орбите вокруг ядра; здесь также можно усмотреть аналогию с Солнечной системой: обращаясь вокруг Солнца, планеты вращаются еще и вокруг собственной оси.

Ученик Зоммерфельда швейцарский физик Вольфганг Паули (1900—1958), открывший спин электрона и определивший его значение, сформулировал также принцип запрета (названный его именем), согласно которому в одном атоме или группе атомов не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа совпадают. 

Это принцип составляет одно из фундаментальных положений атомной физики.

Теперь вернемся к периодической системе (см. табл.). Она начинается с самого легкого элемента—водорода. Его атом устроен просто: в K-оболочке с главным квантовым числом п = = 1 находится один электрон. Следующий элемент—гелий с порядковым номером Z = 2 содержит в К-оболочке два электрона. 

Такая К-оболочка заполнена целиком и не может больше принять ни одного электрона. С третьего элемента, щелочного металла лития, начинается построение новой L-оболочки с главным числом n = 2. 

При построении ряда: бериллий—бор—углерод—азот—кислород—фтор—неон   в эту внешнюю оболочку последовательно добавляется по одному электрону, наконец, их число достигает восьми, и тогда L-оболочка тоже оказывается заполненной целиком.

 Далее электронами постепенно заполняется третья М-оболочка, которая характери­зуется главным квантовым числом п = 3. Этот третий период тоже начинается со щелочного металла—натрия.

В следующих элементах М-оболочка разделяется на подоболочки (энергетические уровни) 3s и Зр. Период заканчивается благородным, или инертным, газом—аргоном. 

Хотя в М-оболочке еще остаются вакансии (не занят весь энергетический уровень 3d), со щелочно­го металла калия начинается новый период, в котором формируется четвертая N-оболочка. 

Атом следующего элемента, щелочно-земельного металла кальция, содержит в N-оболочке два электрона на энергетическом уровне 4s. Только в ряду скандий—цинк заканчивается заполнение электронами энергетического уровня 4s в М-оболочке, а далее—до криптона—еще шесть электронов принимает N-оболочка.

В дополнительных периодах периодической системы имеются и такие элементы, у которых не заполнены (или «не заселены», как говорят физики) определенные энергетические уровни внутренних оболочек. 

Их называют переходными металлами. Примером может служить железо с порядковым номером Z = 26. Его электронная оболочка К содержит два электрона 1s, а оболочка L—соответственно два электрона 2s и шесть 2р, т.е. эти оболочки заполнены целиком. В М-оболочке находится все­го четырнадцать электронов, в том числе два 3s, шесть Зр и шесть 3d.

Хотя эта оболочка еще не заполнена до конца: энергетический уровень 3d может принять еще десять электронов,— последние (внешние) два электрона находятся уже на уровне 4s N-оболочки, а заполнение уровня 3d заканчивается только на элементе с Z = 29 (медь).

Переходные металлы с их специфической электронной структурой ведут себя иначе, чем остальные металлы. Например, благодаря незаполненному энергетическому уровню 3d железо, кобальт и никель обладают ферромагнитными свойствами. 

И вообще, распределение электронов между отдельными оболочками атома определяет важнейшие свойства данного элемента. Так, на химическое поведение элементов решающее влияние оказывает способность их атомов принимать или отдавать электроны. 

Атомы щелочных металлов, с которых начинается каждый период в периодической системе, имеют на внешней оболочке только один электрон. Этот единственный электрон гораздо слабее связан с ядром, чем остальные электроны, поэтому атомы щелочных металлов легко теряют его и превращаются в положительно заряженные ионы Li⁺, Na ⁺, К ⁺ и т. д.

Дмитрий Иванович Менделеев (слева) и Клеменс Вииклер. 

Профессор Фрейбергской академии Винклер открыл элемент германий и подтвердил его свойства, теоретически предсказанные Менделеевым.

 Наоборот, атомам фтора, хлора, брома и других галогенов (т. е. «солеродных» элементов) не хватает одного электрона, чтобы заполнить целиком внешнюю оболочку и тем самым сделать ее наиболее устойчивой. 

Такие атомы «охотно» принимают один электрон, превращаясь в  отрицательно  заряженные ионы :С1 -, F -, Вг -. Несомненно, для металлов более характерна способность к образованию положительных ионов. В периодической системе элементы постепенно теряют эту способность при рассмотрении их слева направо, и все неметаллы располагаются в правой части таблицы (за исключением водорода, который иногда помещают над ще­лочными металлами).

Металлические свойства элементов усиливаются и в направлении сверху вниз. Однако в периодической системе нельзя провести четкую границу между металлами и неметаллами. Некоторые элементы могут быть как металлами, так и неметаллами. Например, олово помимо металлической имеет и неметаллическую модификацию.

Селен встречается не только в стабильной металлической форме, но и в двух метастабильных (т. е. неустойчивых) неметаллических модификациях.

 Даже такой явно выраженный неметалл, как фосфор, в виде так называемого черного фосфора обладает металлическими свойствами. Некоторые металлы, располагающиеся в периодической системе вблизи границы между металлами и неметаллами, например мышьяк, сурьму, висмут, называют иногда полуметаллами или металлами 2-го рода.

Периодическая система элементов и ее взаимосвязь со строением атома имеют очень большое значение для науки о металлах. Однако рассмотрение свободного, отдельно взятого атома не объясняет, почему тот или иной элемент является металлом или неметаллом. Очевидно, металлические свойства эффективно проявляются только в веществе, т. е. при объединении многих одинаковых или разнородных атомов.

Знания даны для всех !  С^© А.Гальперин