Ключевые свойства металлов, неметаллов и металлоидов: проводимость, ковкость и физическое состояние

Элементы можно классифицировать как металлы, неметаллы или полуметаллы (металлоиды).

Металлы — хорошие проводники тепла и электричества, кованые (их можно ковать в листы) и тягучие (их можно вытягивать в проволоку). Большинство металлов — твердые тела при комнатной температуре с характерным серебристым блеском (за исключением ртути, которая жидкость).

Неметаллы — (обычно) плохие проводники тепла и электричества и не кованы и не тягучи; Многие элементарные неметаллы — газы при комнатной температуре, другие — жидкости, и другие — твердые тела.

Металлоиды — промежуточны в своих свойствах. В физических свойствах они более похожи на неметаллы, но при определенных обстоятельствах некоторые из них можно заставить проводить электричество. Эти полупроводники экстремально важны в компьютерах и других электронных устройствах.

Многие Периодические таблицы вдоль правой стороны таблицы разделяют металлы от неметаллов. Металлы слева от линии (кроме водорода, который неметалл), неметаллы справа, а элементы непосредственно рядом с линией — металлоиды.

Когда элементы объединяются для образования соединений, могут получиться два основных типа связи. Ионные связи образуются при переходе электронов от одного вида к другому, производя заряженные ионы, которые очень сильно притягиваются электростатическими взаимодействиями, и ковалентные связи, возникающие, когда атомы делят электроны для производства нейтральных молекул.

В общем, металлы и неметаллы объединяются для образования ионных соединений, в то время как неметаллы объединяются с другими неметаллами для образования ковалентных соединений (молекул).

Металлы в Периодической таблице

Большинство элементов в Периодической таблице — металлы. Они сгруппированы вместе в центре слева Периодической таблицы. Металлы состоят из щелочных металлов, щелочноземельных, переходных металлов, ланثанидов и актиноидов.

Дополнительный ресурс: Что такое металл и их типы?

Щелочные металлы

Щелочные металлы находятся в первом столбце слева Периодической таблицы. Это мягкие металлы, высокореактивные, с одним электроном на внешней s-подоболочке.

Шесть щелочных металлов: Литий, Натрий, Калий, Рубидий, Лепидолит (Минеральный источник Рубидия), Цезий, Цезий, Франций. (Примечание: в оригинале ошибка — лепидолит не металл, дубликат цезия. Правильный список: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr).

Щелочноземельные металлы

Щелочноземельные металлы находятся во 2-м столбце слева Периодической таблицы. Они обычно тверже и плотнее щелочных металлов, имеют 2 электрона на внешней s-подоболочке, и каждый дает отличный цвет в пламени.

Шесть щелочноземельных металлов: Бериллий, Магний, Кальций, Стронций, Барий, Радий.

Переходные металлы

Переходные металлы находятся в центре основного тела Периодической таблицы. Их иногда называют тяжелыми металлами и они плотнее щелочных или щелочноземельных металлов.

Их 38 переходных металлов, включая: Кобальт, Медь, Родная медь из Аризоны, Золото, Железо, Ртуть, Платина, Серебро, Титан, Вольфрам, Цинк.

Редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы обычно находятся в своей таблице ниже основной Периодической таблицы. Однако они фактически вписываются в середину Периодической таблицы. Существует два типа редкоземельных металлов: Ланثаниды и Актиноиды.

Ланथанидные металлы

В Периодической таблице перечислено 15 ланثанидов. Все эти элементы так похожи, что очень трудно их дифференцировать.

Примеры ланثанидов: Церий, Прометий, Гадолиний, Диспрозий, Лютеций.

Актиноидные металлы

В Периодической таблице перечислено 15 актиноидов. Большинство не встречаются в природе, потому что настолько нестабильны, но производятся в ядерных реакторах и частичных ускорителях.

Примеры актиноидов: Торий, Уран, Плутоний, Калифорний, Менделевий.

Другие металлы

Металлы, перечисленные как другие металлы, находятся ближе к правой стороне основного тела Периодической таблицы. Их иногда называют полуметаллами и иногда пост-переходными металлами. Они обычно мягче других металлов и имеют более низкие температуры плавления.

Ученые не согласны универсально, какие элементы относятся к этой категории, поэтому в зависимости от таблицы может быть от 8 до 14 элементов.

Примеры других металлов: Алюминий, Висмут, Кристалл висмута, Индий, Свинец, Олово.

Свойства металлов

Металлы — элементы, образующие положительные ионы путем потери электронов во время химических реакций, за исключением водорода. Таким образом, они электроотрицательные элементы с низкими энергиями ионизации. Большинство металлов разделяют свойства: блестящие, очень плотные, высокие температуры плавления. Кроме того, они тягучие, кованые и блестящие. Металлы также хорошие проводники тепла и электричества. Все металлы тверды при комнатной температуре, кроме ртути, которая жидкость.

Металлы обычно образуют ионные связи с неметаллами, но есть исключения. Большинство металлов образуют хотя бы один основной оксид, хотя некоторые амфотерны. Металлы демонстрируют широкий спектр реактивности. Специальные группы металлов включают благородные металлы Ru, Rh, Pd, Pt, Au, Os, Ir, Ag и рефрактерные металлы Nb, Mo, Ta, W, Re.

Физические свойства металлов:

Некоторые основные физические свойства металлов приведены ниже.

• Металлы кованы в твердом состоянии и их можно ковать в тонкие листы. Золото — самый кованый из всех металлов.
• Металлы тягучие, то есть их можно вытянуть в проволоку. Серебро — один из самых тягучих металлов.
• Металлы хорошие проводники тепла и электричества.
• Металлы блестящие, то есть имеют блестящий внешний вид. Некоторые металлы образуют патину и блеск теряется.
• Металлы имеют высокую предельную прочность на разрыв. Значит, могут удерживать большие веса.
• Металлы звенят. При ударе издают звенящий звук.
• Металлы твердые. Нельзя легко резать.
• Образуют катионы в водном растворе за счет потери электронов.
• Температура плавления металлов: часто высокие температуры плавления и кипения, но много исключений, как цезий, галлий, ртуть, рубидий, олово — довольно низкие температуры плавления. Однако большинство точек кипения все равно довольно высоки.
• Металлы демонстрируют широкий спектр плотностей, но обычно плотнее неметаллов. Вольфрам, платина, осмий, золото, иридий — экстремально плотные.
• Большинство металлов серебристые, хотя некоторые как золото, цезий и медь окрашены.

Химические свойства металлов

Металлы — электроотрицательные элементы, которые обычно образуют основные или амфотерные оксиды с кислородом. Другие химические свойства включают:

• Электроотрицательный характер: Металлы склонны иметь низкие энергии ионизации и обычно теряют электроны (т.е. окисляются) при химических реакциях. Обычно не принимают электроны. Например:
  • Щелочные металлы всегда 1+ (теряют электрон в s-подоболочке)
  • Щелочноземельные металлы всегда 2+ (теряют оба электрона в s-подоболочке)
  • Ионы переходных металлов не следуют очевидному образцу, 2+ часто (теряют оба электрона в s-подоболочке), 1+ и 3+ также наблюдаются

Na⁰ → Na⁺ + e⁻

Mg⁰ → Mg²⁺ + 2e⁻

Al⁰ → Al³⁺ + 3e⁻

Соединения металлов с неметаллами склонны быть ионными по природе. Большинство металлических оксидов — основные оксиды и растворяются в воде, образуя гидроксиды металлов:

Na₂O(s) + H₂O(l) → 2NaOH(aq)

CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)

Металлические оксиды проявляют свою основную химическую природу, реагируя с кислотами для образования солей металлов и воды:

MgO(s) + HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂O(l)

NiO(s) + H₂SO₄(aq) → NiSO₄(aq) + H₂O(l)

Расположение металлов в Периодической таблице

Более 75% элементов — металлы, поэтому они заполняют большую часть Периодической таблицы. Металлы слева от таблицы. Два ряда элементов ниже основного тела таблицы (ланثаниды и актиноиды) — металлы.

В Периодической таблице видна ступенчатая линия, начинающаяся от Бора (B), атомный номер 5, и идущая до Полония (Po), атомный номер 84. За исключением Германия (Ge) и Сурьмы (Sb), все элементы слева от этой линии можно классифицировать как металлы.

Применение металлов

Металлы находят применение во всех аспектах жизни. Список некоторых применений:

• Конструктивные компоненты
• Емкости
• Провода и электроприборы
• Радиаторы
• Зеркала
• Монеты
• Ювелирные изделия
• Оружие
• Питание (железо, медь, кобальт, никель, цинк, молибден)

Неметаллы в Периодической таблице

Элементы неметаллов занимают правый верхний угол Периодической таблицы. Неметаллы включают группу неметаллов, галогены и благородные газы. Эти элементы имеют похожие химические свойства, отличающие их от элементов, считающихся металлами.

Группы неметаллов

Группа неметаллов — подмножество неметаллов. Группа неметаллов состоит из водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы, селена. Водород действует как неметалл при нормальных температурах и давлении и общепринято считается частью группы неметаллов.

Галогены — неметаллы в 7-й группе Периодической таблицы. Атомы этих элементов имеют степень окисления -1. Элементы вверху группы — газы, но становятся жидкостями и твердыми телами при движении вниз. Галогены: фтор, хлор, бром, йод, астатин. Свойства теннессина не хорошо известны. Теннессин может быть галогеном или металлоидом.

Благородные газы — относительно нереактивные газы в 8-й группе (последний столбец) Периодической таблицы. Благородные газы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон,oganesson. Вероятно, оганессон не газ при комнатной температуре.

Дополнительные ресурсы: Что такое неметаллы?

Свойства неметаллов

Элементы, склонные приобретать электроны для образования анионов во время химических реакций, называются неметаллами. Это электроотрицательные элементы с высокими энергиями ионизации. Они неблестящие, ломкие и плохие проводники тепла и электричества (кроме графита). Неметаллы могут быть газами, жидкостями или твердыми телами.

Физические свойства неметаллов

• Физическое состояние: Большинство неметаллов существуют в двух из трех состояний вещества при комнатной температуре: газы (кислород) и твердые тела (углерод). Только бром существует как жидкость при комнатной температуре.
• Некованы и нетягучи: Неметаллы очень ломкие, не могут быть раскатаны в проволоку или выкованы в листы.
• Проводимость: Плохие проводники тепла и электричества.
• Блеск: Нет металлического блеска, не отражают свет.
• Температуры плавления и кипения: Когда металл плавится или кипит, это изменение физического состояния. Энергия передается веществу для плавления или кипения. Эта энергия нужна для преодоления сил притяжения между металлическими ионами и делокализованными электронами в металле. Чем больше энергии нужно, тем выше температура плавления или кипения. Поскольку металлы — гигантские решетчатые структуры, число электростатических сил, которые нужно разбить, экстремально велико, поэтому металлы имеют высокие температуры плавления и кипения. Это означает, что температуры плавления и кипения металлов более похожи на ионные соединения, чем на ковалентные вещества.
• Семь неметаллов существуют под стандартными условиями как двухатомные молекулы: H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂(l), I₂(s).

Химические свойства неметаллов

Неметаллы имеют тенденцию приобретать или делиться электронами с другими атомами. Они электроотрицательны по характеру. Неметаллы, реагируя с металлами, склонны приобретать электроны (обычно достигая электронной конфигурации благородного газа) и становиться анионами:

3Br₂(l) + 2Al(s) → 2AlBr₃(s)

Соединения, состоящие полностью из неметаллов, — ковалентные вещества. Они обычно образуют кислотные или нейтральные оксиды с кислородом, растворяющиеся в воде с образованием кислот:

CO₂(g) + H₂O(l) → H₂CO₃(aq) (угольная кислота)

Как вы знаете, газированная вода слегка кислая (угольная кислота).

Неметаллические оксиды могут комбинироваться с основаниями для образования солей.

CO₂(g) + 2NaOH(aq) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)

Расположение неметаллов в Периодической таблице

Неметаллы находятся в крайнем правом краю Периодической таблицы, за исключением водорода, который в левом верхнем углу.

17 неметаллических элементов: водород, гелий, углерод, азот, кислород, фтор, неон, фосфор, сера, хлор, аргон, селен, бром, криптон, йод, ксенон, радон.

Применение неметаллов

В отличие от металлов, неметаллы не имеют универсальных применений. Но они появляются вместе в определенных приложениях:

• Необходимы для жизни (углерод, водород, азот, кислород, сера, хлор, фосфор)
• Удобрения (водород, азот, фосфор, сера, хлор, селен)
• Хладагенты и криогеника (водород, гелий, азот, кислород, фтор, неон)
• Промышленные кислоты (углерод, азот, фтор, фосфор, сера, хлор)
• Лазеры и лампы
• Медицина и фармацевтика

Неметаллы образуют много соединений. Фактически, большинство соединений, с которыми вы сталкиваетесь, содержат неметаллы. Они встречаются в воде, пище, тканях, пластиках и других предметах повседневной жизни.

Свойства металлов и неметаллов — в чем разница?

Свойства	Металл	Неметалл
Внешний вид	Блестящий	Тусклый
Состояние при комнатной температуре	Твердое (кроме ртути — жидкость)	Примерно половина твердые, половина газы, один (бром) — жидкость
Плотность	Высокая (ощущаются тяжелыми для размера)	Низкая (ощущаются легкими для размера)
Прочность	Высокая	Низкая
Ковкость или ломкость	Кованые (гнутся без ломания)	Ломкие (ломаются или крошатся при ударе)
Теплопроводность	Хорошая	Плохая (изоляторы)
Электропроводность	Хорошая	Плохая (изоляторы, кроме графита)
Магнитный материал	Только железо, кобальт, никель	Никакие
Звук при ударе	Звенящий (звучание)	Тусклый звук
Тип оксида	Основной или щелочной	Кислотный

Металлоиды в Периодической таблице

Элементы-металлоиды, также известные как полуметаллы, — элементы, имеющие свойства и металлов, и неметаллов. Определение металлоида считается включающим от шести до девяти элементов, встречающихся вдоль наклонной линии между металлами и неметаллами Периодической таблицы.

Шесть элементов, единогласно считающихся металлоидами: Бор, Кремний, Германий, Мышьяк, Сурьма, Теллур.

Помимо этих шести, определение иногда включает висмут, полоний и астатин. Эта неопределенность во многом из-за отсутствия специфических свойств, считающихся характеристиками всех металлоидов.

Вместо этого металлоиды просто характеризуются как имеющие смесь свойств между металлами и неметаллами. Структурно они формируют ковалентно связанные кристаллические структуры, что является характеристикой, найденной преимущественно в неметаллах.

Одно известное применение некоторых металлоидов — как полупроводники внутри многих электронных устройств, используемых в каждом доме.

Свойства металлоидов

Металлоиды имеют свойства, промежуточные между металлами и неметаллами. Металлоиды полезны в полупроводниковой промышленности. Все металлоиды тверды при комнатной температуре. Они могут образовывать сплавы с другими металлами.

Некоторые металлоиды, такие как кремний и германий, могут действовать как электрические проводники при правильных условиях, поэтому их называют полупроводниками. Кремний, например, выглядит блестящим, но не кованый и не тягучий (он ломкий — характеристика некоторых неметаллов).

Он намного худший проводник тепла и электричества, чем металлы. Физические свойства металлоидов склонны быть металлическими, но их химические свойства склонны быть неметаллическими. Число окисления элемента в этой группе может варьироваться от +5 до -2 в зависимости от группы, в которой он находится.

Металлы	Неметаллы	Металлоиды
Золото	Кислород	Кремний
Серебро	Углерод	Бор
Медь	Водород	Мышьяк
Железо	Азот	Сурьма
Ртуть	Сера	Германий
Цинк	Фосфор

Общие свойства металлоидов

В общем, металлоиды делят следующие общие свойства:

• Электроотрицательности металлоидов между неметаллами и металлами.
• Энергии ионизации металлоидов также между неметаллами и металлами.
• Полуметаллы/металлоиды имеют некоторые характеристики неметаллов и некоторые металлов.
• Реактивность металлоидов зависит от свойств элементов, с которыми они взаимодействуют.
• Металлоиды склонны быть хорошими полупроводниками.
• Металлоиды могут иметь металлический блеск, но также имеют тропы, которые могут иметь неметаллический внешний вид.
• Металлоиды обычно ломкие, и они также обычно твердые, становясь нетвердыми только при необычных условиях.
• Металлоиды обычно ведут себя как неметаллы в химических реакциях и могут создавать сплавы с металлами.

Химические свойства металлоидов

Химические свойства — те, которые определяют, как вещество взаимодействует/реагирует с другими веществами или меняется из одного вещества в другое. Химические реакции — единственное время, когда химические свойства элемента можно количественно определить. Химические реакции включают ржавление, горение, тускнение, взрыв и т.д. Химические свойства металлоидов:

• Металлоиды легко образуют газы при окислении.
• Металлоиды могут комбинироваться с металлами для создания сплавов.
• Металлоиды имеют различные металлические и неметаллические аллотропы.
• Когда металлоиды плавится, некоторые из них сжимаются.
• Металлоиды могут реагировать с галогенами для образования соединений.

Расположение металлоидов в Периодической таблице

Как упоминалось ранее, металлоиды — группа элементов, встречающихся в наклонной линии между металлами и неметаллами в Периодической таблице. Эта линия металлоидных элементов простирается от Группы 13 до Группы 16, 17 или 18 (в зависимости от того, сколько элементов действительно считаются металлоидами).

Левее этой линии металлоидных элементов находятся элементы, классифицированные как металлы, а правее — элементы, классифицированные как неметаллы. Единственное исключение — водород, классифицируемый как неметалл, но встречающийся слева в Периодической таблице.

Периодическая таблица элементов с шестью металлоидными элементами (начиная с бора (B)), отмеченными бежевым цветом. Эта группа иногда также включает элементы висмут (Bi), полоний (Po) и астатин (At) из 6-го периода таблицы.

Дополнительные ресурсы: Где металлоиды в Периодической таблице?

Тренды металлического и неметаллического характера

Металлический характер сильнее для элементов в крайней левой части Периодической таблицы и имеет тенденцию уменьшаться при движении вправо в любом периоде (неметаллический характер увеличивается с ростом электроотрицательности и энергий ионизации).

Внутри любой группы элементов (столбцов) металлический характер увеличивается сверху вниз (электроотрицательность и энергии ионизации обычно уменьшаются при движении вниз по группе). Эта общая тенденция не обязательно наблюдается с переходными металлами.