Условие задачи
Сравните общие характеристики щелочных и щёлочноземельных металлов. Укажите тип связи и тип кристаллической решётки в простых веществах, образованных этими металлами.
Решение
Ниже приведён подробный ответ, основанный на законах неорганической химии и кристаллографии твердого тела.
1. Общие характеристики
А. Щёлочные металлы (элементы 1-й группы периодической системы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций):
• Обладают одним валентным электроном, что объясняет их высокую реакционную способность.
• Имеют низкие температуры плавления и кипения, относительно малую плотность (в особенности литий, натрий) и большую подвижность электронов.
• Они довольно мягкие, легко режутся ножом, и при чистом виде имеют характерный металлический блеск.
• В химических реакциях склонны к окислению, активно реагируют с водой, образуя щелочные гидрокиды.
Б. Щёлочноземельные металлы (элементы 2-й группы: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий):
• Обладают двумя валентными электронами, что приводит к несколько большей степени металлической связи и более выраженной твёрдости по сравнению со щёлочными металлами.
• Имеют более высокие температуры плавления и кипения, больше плотность и, как правило, меньшую подвижность электронов.
• Менее реакционноспособны в сравнении с щёлочными металлами, хотя все они тоже активно окисляются.
2. Тип связи
• В простых веществах, то есть в металлических агрегатах этих элементов, основным типом связи является металлическая связь.
• При этом валентные электроны от атомов образуют «электронное облако» (так называемое «электронное море»), которое свободно перемещается между положительно заряженными ионами, фиксированными в решётке.
• Именно такое строение определяет свойства: проводимость электричества, блеск, пластичность и ковкость металлов.
3. Тип кристаллической решётки
А. Для щёлочных металлов
• Наиболее типичная кристаллическая решётка для большинства щёлочных металлов – это телознедрённая кубическая решётка (ткр).
• В такой решётке каждый атом окружён восемью ближайшими соседями, что соответствует координационному числу равному 8.
• Пример: натрий, калий, рубидий и цезий в твердом состоянии практически всегда кристаллизованы в структуре типа ткр.
Б. Для щёлочноземельных металлов
• У этих металлов тип кристаллической упаковки чаще всего – упаковки с высокими коэффициентами уплотнения, как правило, гексагональная близкая упаковка (гбуп) или гранецентрированная кубическая решётка (гцк).
• Например:
– Магний обычно кристаллизуется в структуре гбуп, где каждый атом окружён двенадцатью ближайшими соседями.
– Кальций, стронций и барий могут образовывать гцк-структуры при определённых температурных режимах, а при изменении температуры возможны переходы в другие типы решёток.
• Высокая координация (чаще 12) объясняется более эффективным пространственным заполнением для атомов с большей степенью металлической связи.
4. Итоговое сравнение
• Оба типа металлов характеризуются наличием металлической связи, при которой валентные электроны делокализованы и обеспечивают коллективное связывание положительных ионов.
• Щёлочные металлы, благодаря своей электронной структуре с одним валентным электроном, имеют более слабую металлическую связь, что отражается в их мягкости и низких температурах плавления, а также в типичной телознедрённой кубической (ткр) решётке.
• Щёлочноземельные металлы, содержащие два валентных электрона, образуют более прочные металлические связи, их кристаллические решётки характеризуются более плотной упаковкой – гексагональной близкой упаковкой (гбуп) или гранецентрированной кубической (гцк) структурой, что придаёт им большую твёрдость и высокие температуры плавления.
Таким образом, сравнивая щёлочные и щёлочноземельные металлы, можно отметить, что:
– Оба типа металлов в элементном состоянии кристаллизуются в упорядоченные кристаллические решётки и обладают металлической связью.
– Щёлочные металлы обычно имеют ткр-решётку, тогда как щёлочноземельные металлы чаще образуют решётки с плотной упаковкой (гбуп или гцк), что соответствует их повышенной прочности и более высоким температурам плавления.