Условие задачи

Чем отличается строение атомов металлов от строения атомов неметаллов и как это отражается на химических свойствах металлов?

Решение

Ниже приведено подробное решение задачи, основанное на принципах атомной теории и периодической системы элементов (химия, физическая химия).

1. Основное отличие строения атомов металлов от неметаллов заключается в распределении и свойствах их внешних (валентных) электронов.

а) В атомах металлов валентные электроны слабо связаны с ядром. Это связано с тем, что атомы металлов имеют небольшое электроотрицательное число и сравнительно небольшую энергию ионизации. Такие электроны легче «отрываются» от атома, что даёт возможность их делокализации (распространению по всей металлической структуре). Как результат, электроны переходят в так называемую «электронную жидкость», которая отвечает за проводимость тепла и электричества, а также за пластичность металлов. При этом энергетическая разница между заполненными и ближайшими незаполненными уровнями (или зонами) оказывается достаточно малой, что приводит к появлению непрерывной зоны проводимости.

б) В атомах неметаллов валентные электроны гораздо сильнее связаны с ядром – их электроотрицательность значительно выше, а энергия ионизации – сравнительно большая. Электроны, как правило, расположены на полностью или почти полностью заполненных внешних орбитальных оболочках, что затрудняет их делокализацию. Поэтому у неметаллов наблюдаются тенденции к образованию ковалентных связей, где электроны принадлежат конкретным атомам или парам атомов, формируя дискретные электронные оболочки.

2. Последствия для химических свойств металлов:

а) Лёгкость отдачи валентного электрона определяет характер химических реакций металлов – они склонны терять электроны и образовывать положительные ионы (катёны). Таким образом, многие металлы ведут себя как восстановители, отдавая электроны при взаимодействии с окислителями.

б) Возможность делокализации электронной оболочки приводит к формированию металлической связи, которая не локализована между отдельными атомами, а распространяется по всему объёму металла. Это объясняет такие общие свойства металлов, как высокая электропроводность, теплопроводность и пластичность (способность к деформации без разрушения кристаллической решётки).

в) Низкая энергия ионизации и маленькая электроотрицательность металлов также определяют их способность к образованию координационных соединений, где центральный металл взаимодействует с лигандами за счёт донорства электронной плотности.

3. Итоговое сравнение:

Металлы:
– Валентные электроны слабо связаны с ядром, что ведёт к их делокализации и образованию зоны проводимости.
– Легко отдают электроны, образуя положительные ионы.
– Характерны свойства: высокая электропроводность, теплопроводность, пластичность, характер проявления металлического блеска.

Неметаллы:
– Электроны на внешнем уровне сильно связаны с ядром, энергия ионизации высока.
– Предпочитают принимать электроны или делиться ими, образуя ковалентные связи.
– Характерны свойства: низкая проводимость, формирование дискретных молекулярных орбиталей, разнообразие валентного состояния в соединениях.

Таким образом, различия в строении атомов металлов и неметаллов – главным образом, в характере связи валентных электронов и их расположении – напрямую определяют их химические свойства. Металлам свойственна склонность к делокализации электронов, что приводит к образованию металлической связи и объясняет их уникальные физические и химические характеристики.