Чому мідь проводить електричний струм, алюміній можна перетворити на тонку фольгу, а кисень за кімнатної температури є газом? Чим відрізняються метали і неметали та звідки беруться їхні характерні властивості. З’ясуємо, як металічний зв’язок пов’язаний з електропровідністю, теплопровідністю, блиском і пластичністю металів, а також чому властивості неметалів набагато різноманітніші.
Мідний дріт проводить електричний струм. Алюмінієву фольгу можна зігнути, зім’яти й розгорнути, залізо міцне, а срібло має характерний блиск. З іншого боку, кисень — газ, сірка — крихка тверда речовина, а твердий йод під час нагрівання легко утворює фіолетову пару. Чому прості речовини можуть бути настільки різними?
Ми вже знаємо, що прості речовини утворені атомами одного хімічного елемента і що їх поділяють на дві великі групи — метали та неметали. Але справа не просто в назвах. Різниця починається на рівні атомів, продовжується у способі їхнього з’єднання і зрештою проявляється у властивостях речовини. Саме будова пояснює, чому одні речовини проводять струм і легко деформуються, а інші є крихкими, твердими або газоподібними.
Що відбувається в металах?
Візьмемо шматок міді. Він складається з величезної кількості атомів Купруму, але всередині металу вони не існують як окремі молекули Cu. Перед нами немолекулярна речовина, у якій атоми утворюють упорядковану структуру. Частина їхніх зовнішніх електронів делокалізується — тобто вже не належить одному конкретному атому, а може переміщуватися в межах металу.
Так виникає металічний зв’язок. Спрощено метал можна уявити як упорядковану структуру позитивно заряджених атомних остовів, оточених спільними делокалізованими електронами. Ці електрони взаємодіють не з одним конкретним атомом, а з усією структурою металу. Саме така будова пояснює багато характерних властивостей металів.
Чому метали проводять струм?
У металевому провіднику вже є заряджені частинки, здатні переміщуватися крізь матеріал, — делокалізовані електрони. Коли в металі виникає електричне поле, вони набувають напрямленого руху. Так виникає електричний струм. Саме тому мідь, алюміній, срібло та багато інших металів є хорошими провідниками.
Метали також зазвичай добре проводять тепло. Рухливі електрони беруть участь у перенесенні енергії крізь метал, хоча це не єдиний механізм теплопровідності. Енергія також передається завдяки коливанням частинок кристалічної структури. Тому металева ложка в гарячому чаї досить швидко нагрівається навіть там, де безпосередньо не торкається води.
Звідки береться металічний блиск?
Подивімося на відполіровану мідь, срібло або алюміній — їхня поверхня добре відбиває світло. І тут знову важливу роль відіграють електрони. Електрони в металі взаємодіють з електромагнітним випромінюванням, зокрема з видимим світлом, унаслідок чого значна його частина відбивається від поверхні. Саме тому для багатьох металів характерний металічний блиск.
Чому метал можна зігнути, а він не розсипається?
Спробуйте зігнути мідний дріт або зім’яти алюмінієву фольгу. Метал змінює форму, але не розпадається на безліч уламків. У кристалі металу шари атомних остовів можуть певною мірою зміщуватися один відносно одного, а колективний металічний зв’язок при цьому зберігається. Тому для багатьох металів характерна пластичність — здатність необоротно змінювати форму без руйнування.
Одним із проявів пластичності є ковкість — здатність металу витримувати деформацію стискання, завдяки чому з нього можна отримувати тонкі листи. Інший прояв — тягучість, тобто здатність витримувати розтягування й витягуватися у тонкий дріт. Ці властивості різною мірою проявляються у різних металів. Саме завдяки їм ми маємо металеву фольгу, дроти, листи та безліч деталей складної форми.
А що відбувається у неметалах?
З неметалами все складніше. Якщо метали мають багато спільних рис, то прості речовини неметалів можуть дуже сильно відрізнятися одна від одної. За звичайних умов водень H₂, азот N₂ і кисень O₂ — гази, бром Br₂ — рідина, а сірка S₈, йод I₂, графіт і алмаз — тверді речовини. Причина такого різноманіття знову полягає у будові речовин.
Молекулярні неметали
Кисень складається з молекул O₂, азот — N₂, водень — H₂. Усередині кожної молекули атоми міцно зв’язані ковалентними зв’язками, але між окремими молекулами діють значно слабші міжмолекулярні взаємодії. Тому для розділення молекул часто потрібно набагато менше енергії, ніж для розриву зв’язків усередині самої молекули. Саме тому багато молекулярних неметалічних речовин мають відносно низькі температури плавлення та кипіння, а деякі за кімнатної температури є газами.
Але це не означає, що всі неметали — гази. Наприклад, бром за звичайних умов є рідиною, а сірка та йод — твердими речовинами. Стан речовини залежить від сили взаємодії між її частинками, їхньої будови та інших чинників. Тому навіть серед молекулярних неметалів ми бачимо значне різноманіття властивостей.
Немолекулярні неметали
А тепер візьмемо алмаз. Це також проста речовина неметалічного елемента — Карбону, але окремих молекул алмазу не існує. Кожен атом Карбону міцними ковалентними зв’язками сполучений із сусідніми атомами, утворюючи величезну тривимірну атомну сітку. У такій структурі атоми не можуть легко зміщуватися один відносно одного.
Щоб суттєво змінити структуру кристала алмазу, доводиться порушувати міцні ковалентні зв’язки. Саме тому алмаз має надзвичайно високу твердість. Отже, просте твердження «метали тверді, а неметали м’які» не працює. Властивості визначаються не лише тим, метал це чи неметал, — величезне значення має конкретна будова речовини.
А як щодо електричного струму?
У більшості неметалічних простих речовин немає такої системи рухливих носіїв заряду, як у металах. Тому багато неметалів погано проводять електричний струм. Але й тут є цікаві винятки. Найвідоміший із них — графіт.
Графіт складається лише з атомів Карбону, тобто є простою речовиною неметалічного елемента. Але його будова зовсім інша, ніж будова алмазу. Атоми Карбону в графіті утворюють шари, а частина електронів делокалізована в межах цих шарів і може переміщуватися вздовж них. Завдяки цьому графіт проводить електричний струм.
Особливо показово порівняти графіт з алмазом. І графіт, і алмаз складаються лише з атомів Карбону, але в алмазі немає таких рухливих носіїв заряду, як у графіті, тому чистий алмаз практично не проводить електричний струм. Ті самі атоми утворюють різні структури, у яких електрони поводяться по-різному. У результаті ми отримуємо речовини з абсолютно різними властивостями.
Класифікація показує закономірності, а не абсолютні правила
Усі наведені приклади приводять нас до одного з найважливіших принципів хімії: склад і будова речовини визначають її властивості.
Важливо не лише те, які атоми входять до складу речовини, а й те, як вони сполучені та як розташовані у просторі. І тут виникає особливо цікаве запитання. Якщо і м’який графіт, і надзвичайно твердий алмаз складаються лише з атомів Карбону, чому їхні властивості настільки різні? Відповідь пов’язана з явищем алотропії.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.