Свойства металлов, металлоидов и неметаллов - Properties of metals, metalloids and nonmetals

Часть серии о
Периодическая таблица
Периодическая таблица , показывающая:  металлы  в большинстве левых и центральных  металлоиды  в узкой диагональной полосе  неметаллы  справа плюс водород
Формы периодической таблицы 18 столбцов   · 32 столбца Альтернативные   и расширенные формы
История периодической таблицы Дмитрий Менделеев предсказания Открытие элементов Именование и этимология для мест для людей споры ( в Восточной Азии ) Систематические имена элементов
Наборы элементов
По структуре таблицы Менделеева Группы (1–18) 1 ( щелочные металлы ) 2 (щелочноземельные металлы) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 (пниктогены) 16 (халькогены) 17 (галогены) 18 (благородные газы) Периоды (1–7, ...) 1 2 3 4 5 6 7 8+ Блоки (s, p, d, f, ...) Атомные орбитали Принцип Ауфбау
По металлической классификации Металлы щелочь щелочноземельный переход постпереход лантаноид актинид ( суперактинид ) Металлоиды разделение металлов и неметаллов Неметаллы реактивные неметаллы благородные газы
По другим характеристикам Чеканка металлов Металлы платиновой группы Драгоценные металлы Тугоплавкие металлы Тяжелые металлы Легкие металлы Самородные металлы Благородные металлы Элементы основной группы Редкоземельные элементы Трансуран , трансплутониевые элементы Майор , второстепенный и транс- актинидов
Элементы
Список химических элементов по изобилию ( в человеческом теле ) по атомным свойствам по изотопной стабильности по годовому производству по символу
Свойства элементов Атомный вес Кристальная структура Электронное сродство конфигурация Электроотрицательность ( Аллен , Полинг ) Классификация Гольдшмидта Питание Валентность
Страницы данных для элементов Избыток Радиус атома Точка кипения Критическая точка Плотность Эластичность Удельное электрическое сопротивление Сродство к электрону   /  конфигурация Электроотрицательность Твердость Тепловая  емкость  /  плавления  /  парообразования Энергия ионизации Температура плавления Состояние окисления Скорость звука Тепловая  проводимость  /  коэффициент расширения Давление газа
Книга Категория Химический портал
v т е

Эти химические элементы могут быть разделены на металлы , металлоиды и неметаллы в соответствии с их общими физическими и химическими свойствами . Все металлы имеют блестящий вид (по крайней мере, после полировки); хорошие проводники тепла и электричества; образовывать сплавы с другими металлами; и иметь по крайней мере один основной оксид . Металлоиды - это хрупкие твердые вещества на вид металла, которые либо являются полупроводниками, либо существуют в полупроводниковых формах и содержат амфотерные или слабокислые оксиды . Типичные неметаллы имеют тусклый, цветной или бесцветный вид; в твердом состоянии хрупкие ; плохо проводят тепло и электричество; и имеют кислые оксиды. Большинство или некоторые элементы в каждой категории имеют ряд других свойств; некоторые элементы обладают свойствами, либо аномальными для их категории, либо необычными по другим причинам.

Характеристики

Металлы

Чистая (99,97% +) железная стружка, электролитически очищенная , с кубиком 1 см ³ высокой чистоты (99,9999% = 6N)

Металлы выглядят блестящими (под любой патиной ); образуют смеси ( сплавы ) при соединении с другими металлами; имеют тенденцию терять или делиться электронами, когда вступают в реакцию с другими веществами; и каждый образует по меньшей мере один преимущественно основной оксид.

Большинство металлов имеют серебристый вид, имеют высокую плотность, относительно мягкие и легко деформируемые твердые тела с хорошей электрической и теплопроводностью , плотно упакованными структурами , низкими энергиями ионизации и электроотрицательностями , и в природе встречаются в комбинированных состояниях.

Некоторые металлы кажутся окрашенными ( Cu , Cs , Au ), имеют низкую плотность (например, Be , Al ) или очень высокую температуру плавления (например, W , Nb ), являются жидкостями при комнатной температуре или близкой к ней (например, Hg , Ga ), хрупкими ( например, Os , Bi ), нелегко обрабатываются (например, Ti , Re ), или являются благородными (трудно окисляются , например, Au , Pt ) или имеют неметаллическую структуру ( Mn и Ga структурно аналогичны, соответственно, белым P и I ).

Металлы составляют подавляющее большинство элементов и могут быть подразделены на несколько различных категорий. В периодической таблице слева направо эти категории включают высокореактивные щелочные металлы ; менее реакционноспособные щелочноземельные металлы , лантаноиды и радиоактивные актиниды ; архетипические переходные металлы и физически и химически слабые постпереходные металлы . Также существуют специализированные подкатегории, такие как тугоплавкие и благородные металлы .

Металлоиды

Теллур , описанный Дмитрием Менделеевым как переходное звено между металлами и неметаллами.

Металлоиды - это хрупкие твердые тела на металлический вид; имеют тенденцию делиться электронами, когда реагируют с другими веществами; имеют слабокислые или амфотерные оксиды; и обычно встречаются естественным образом в комбинированных состояниях.

Большинство из них являются полупроводниками и умеренными теплопроводниками, а их структуры более открыты, чем у большинства металлов.

Некоторые металлоиды ( As , Sb ) проводят электричество подобно металлам.

Металлоиды, как самая маленькая основная категория элементов, далее не подразделяются).

Неметаллы

25 мл брома , темно-красно-коричневая жидкость при комнатной температуре

Неметаллы имеют открытую структуру (если они не затвердевают из газообразной или жидкой формы); имеют тенденцию приобретать или делиться электронами, когда реагируют с другими веществами; и не образуют четко основных оксидов.

Большинство из них - это газы при комнатной температуре; имеют относительно низкую плотность; плохие электрические и тепловые проводники; имеют относительно высокие энергии ионизации и электроотрицательность; образуют кислые оксиды; и содержатся в больших количествах в естественных условиях в несомбинированном состоянии.

Некоторые неметаллы ( C , черный P , S и Se ) являются хрупкими твердыми телами при комнатной температуре (хотя каждый из них также имеет податливые, податливые или пластичные аллотропы).

В периодической таблице слева направо неметаллы можно разделить на химически активные неметаллы и благородные газы. Реактивные неметаллы рядом с металлоидами проявляют некоторый зарождающийся металлический характер, такой как металлический вид графита, черного фосфора, селена и йода. Благородные газы почти полностью инертны.

Сравнение свойств

Обзор

Характерные свойства металлов и неметаллов весьма различны, как показано в таблице ниже. Металлоиды, расположенные по обе стороны границы металл-неметалл , в основном отличаются от них, но по некоторым свойствам напоминают одно или другое, как показано затенением столбца с металлоидами ниже и обобщено в небольшой таблице в верхней части этого раздела.

Авторы расходятся в том, где они отделяют металлы от неметаллов и признают ли они промежуточную категорию металлоидов . Некоторые авторы относят металлоиды к неметаллам со слабо неметаллическими свойствами. Другие считают некоторые металлоиды постпереходными металлами .

Подробности

Аномальные свойства

Внутри каждой категории можно найти элементы с одним или двумя свойствами, которые сильно отличаются от ожидаемой нормы или которые иным образом примечательны.

Металлы

Натрий , калий , рубидий , цезий , барий , платина , золото

• Распространенные представления о том, что «ионы щелочных металлов (группа 1A) всегда имеют заряд +1» и что «переходные элементы не образуют анионов», являются ошибками из учебников . О синтезе кристаллической соли аниона натрия Na ^- сообщалось в 1974 году. С тех пор были получены другие соединения (« алкалиды »), содержащие анионы всех других щелочных металлов, кроме Li и Fr , а также Ba . В 1943 году Зоммер сообщил о получении желтого прозрачного соединения CsAu . Впоследствии было показано, что он состоит из катионов цезия (Cs ⁺ ) и аурид-анионов (Au ^- ), хотя это заключение было принято за несколько лет. С тех пор были синтезированы несколько других ауридов (KAu, RbAu), а также красное прозрачное соединение Cs ₂ Pt, которое, как было обнаружено, содержит ионы Cs ⁺ и Pt ^2- .

Марганец

• Металлы с хорошим поведением имеют кристаллическую структуру с элементарными ячейками, содержащими до четырех атомов. Марганец имеет сложную кристаллическую структуру с элементарной ячейкой из 58 атомов, четырьмя различными атомными радиусами и четырьмя различными координационными числами (10, 11, 12 и 16). Он был описан как напоминающий «четвертичное интерметаллическое соединение с четырьмя типами атомов Mn, связанными, как если бы они были разными элементами». Наполовину заполненная трехмерная оболочка из марганца, кажется, является причиной сложности. Это придает каждому атому большой магнитный момент . При температуре ниже 727 ° C элементарная ячейка из 58 пространственно разнесенных атомов представляет собой наиболее энергозатратный способ достижения нулевого суммарного магнитного момента. Кристаллическая структура марганца делает его твердым и хрупким металлом с низкой электрической и теплопроводностью. При более высоких температурах «большие колебания решетки сводят на нет магнитные эффекты», и марганец принимает менее сложные структуры.

Железо , кобальт , никель , гадолиний , тербий , диспрозий , гольмий , эрбий , тулий

• Единственными элементами, которые сильно притягиваются к магнитам, являются железо, кобальт и никель при комнатной температуре, гадолиний чуть ниже и тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий при сверхнизких температурах (ниже -54 ° C, -185 ° C, - 254 ° C, −254 ° C и −241 ° C соответственно).

Иридий

• Единственный встреченный элемент со степенью окисления +9 - это иридий в катионе [IrO ₄ ] ⁺ . Помимо этого, самая высокая известная степень окисления составляет +8 для Ru , Xe , Os , Ir и Hs .

Золото

• Ковкость золота экстраординарно: кулак размером единовременной может быть забит и разделяется на один миллион бумажных обратно размера листов, каждый из 10 нм толщиной, 1600 раз тоньше , чем обычный кухонный алюминиевой фольги (0,016 мм толщиной).

Меркурий

1. Кирпичи и шары для боулинга будут плавать на поверхности ртути, поскольку ее плотность в 13,5 раз больше плотности воды. Точно так же твердый ртутный шар для боулинга весил бы около 50 фунтов и, если бы его можно было держать достаточно холодным, плавал бы на поверхности жидкого золота .
2. Единственный металл, имеющий более высокую энергию ионизации, чем некоторые неметаллы ( сера и селен ), - это ртуть.
3. Ртуть и ее соединения имеют репутацию токсичных веществ, но по шкале от 1 до 10 диметилртуть ((CH ₃ ) ₂ Hg) (сокращенно DMM), летучая бесцветная жидкость, была охарактеризована как 15. Она настолько опасна, что Ученым рекомендуется по возможности использовать менее токсичные соединения ртути. В 1997 году Карен Веттерхан , профессор химии, специализирующаяся на воздействии токсичных металлов, умерла от отравления ртутью через десять месяцев после того, как несколько капель DMM попали на ее «защитные» латексные перчатки. Хотя Веттерхан следовала опубликованным тогда процедурам обращения с этим составом, оно прошло через ее перчатки и кожу в течение нескольких секунд. Теперь известно, что DMM исключительно проницаем для (обычных) перчаток, кожи и тканей. И его токсичность такова, что нанесение на кожу менее одной десятой мл будет очень токсичным.

Вести

• Выражение « спускаться, как свинцовый шар » укоренилось в распространенном представлении о свинце как о плотном, тяжелом металле, почти таком же плотном, как ртуть. Однако можно построить воздушный шар из свинцовой фольги, наполненный смесью гелия и воздуха, который будет плавать и обладать достаточной плавучестью, чтобы нести небольшой груз.

Висмут

• Висмут имеет самый продолжительный период полураспада из всех встречающихся в природе элементов; его единственный первичный изотоп , висмут-209 , был обнаружен в 2003 году как слегка радиоактивный , распадающийся в результате альфа-распада с периодом полураспада, более чем в миллиард раз превышающим предполагаемый возраст Вселенной . До этого открытия висмут-209 считался самым тяжелым природным стабильным изотопом; это различие теперь принадлежит свинцу-208.

Уран

• Единственный элемент с изотопом природного происхождения, способный подвергаться ядерному делению, - это уран. Способность урана-235 подвергаться делению была впервые предложена (и проигнорирована) в 1934 году, а затем обнаружена в 1938 году.

Плутоний

• Принято считать, что металлы уменьшают свою электропроводность при нагревании. Плутоний увеличивает свою электропроводность при нагревании в диапазоне температур от –175 до +125 ° C.

Металлоиды

Бор

• Бор - единственный элемент с частично неупорядоченной структурой в наиболее термодинамически стабильной кристаллической форме.

Бор , сурьма

• Эти элементы являются рекордсменами в области химии суперкислот . В течение семи десятилетий фторсульфоновая кислота HSO ₃ F и трифторметансульфоновая кислота CF ₃ SO ₃ H были самыми сильными из известных кислот, которые можно было выделить в виде отдельных соединений. Оба они примерно в тысячу раз более кислые, чем чистая серная кислота . В 2004 году соединение бора побило этот рекорд в тысячу раз с синтезом карборановой кислоты H (CHB ₁₁ Cl ₁₁ ). Другой металлоид, сурьма, входит в состав самой сильной из известных кислот, смеси, в 10 миллиардов раз более сильной, чем карборановая кислота. Это фторантимоновая кислота H ₂ F [SbF ₆ ], смесь пентафторида сурьмы SbF ₅ и плавиковой кислоты HF.

Кремний

1. Теплопроводность кремния лучше, чем у большинства металлов.
2. Губчатая пористая форма кремния (p-Si) обычно получается электрохимическим травлением кремниевых пластин в растворе плавиковой кислоты . Хлопья p-Si иногда кажутся красными; ширина запрещенной зоны составляет 1,97–2,1 эВ. Множество крошечных пор в пористом кремнии придают ему огромную внутреннюю поверхность, до 1000 м ² / см ³ . При воздействии окислителя , особенно жидкого окислителя, высокое отношение площади поверхности к объему p-Si создает очень эффективное горение, сопровождающееся нано-взрывами, а иногда и плазмоидами, подобными шаровой молнии, с, например, диаметром 0,1–0,8 м, скоростью до 0,5 м / с и сроком службы до 1 с. Первый спектрографический анализ шаровой молнии (в 2012 году) показал присутствие кремния, железа и кальция, эти элементы также присутствуют в почве.

Мышьяк

• Считается, что металлы являются плавкими , что привело к некоторой путанице в старой химии относительно того, был ли мышьяк настоящим металлом, неметаллом или чем-то средним. Он сублимирует, а не тает при стандартном атмосферном давлении , как неметаллический углерод и красный фосфор .

Сурьма

• Высокоэнергетическая взрывчатая форма сурьмы была впервые получена в 1858 году. Ее получают электролизом любого из более тяжелых тригалогенидов сурьмы (SbCl ₃ , SbBr ₃ , SbI ₃ ) в растворе соляной кислоты при низкой температуре. Он состоит из аморфной сурьмы с некоторым количеством окклюзированного тригалогенида сурьмы (7–20% в случае трихлорида ). При царапании, ударе, измельчении или быстром нагревании до 200 ° C он «вспыхивает, испускает искры и взрывным образом превращается в кристаллическую сурьму с меньшей энергией».

Неметаллы

Водород

1. Вода (H ₂ O), хорошо известный оксид водорода, представляет собой впечатляющую аномалию. Экстраполируя более тяжелые халькогениды водорода , а именно сероводород H ₂ S, селенид водорода H ₂ Se и теллурид водорода H ₂ Te, вода должна быть «дурно пахнущим, ядовитым, легковоспламеняющимся газом… конденсирующимся в неприятную жидкость [при] вокруг –100 ° С ». Вместо этого из-за водородных связей вода «стабильна, пригодна для питья, без запаха, безвредна и… незаменима для жизни».
2. Менее известным из оксидов водорода является триоксид H ₂ O ₃ . Бертло предположил существование этого оксида в 1880 году, но его предположение было вскоре забыто, поскольку не было возможности проверить его с использованием технологий того времени. Триоксид водорода был получен в 1994 году путем замены кислорода, используемого в промышленном процессе производства перекиси водорода, на озон . Выход составляет около 40% при –78 ° C; выше примерно –40 ° C он разлагается на воду и кислород. Известны производные триоксида водорода, такие как F ₃ C – O – O – O – CF ₃ («бис (трифторметил) триоксид»); они метастабильны при комнатной температуре. Менделеев пошел еще дальше, в 1895 году, и предположил существование четырехокиси водорода HO – O – O – OH в качестве переходного промежуточного соединения при разложении перекиси водорода; он был подготовлен и охарактеризован в 1974 году с использованием метода матричной изоляции. Также известны озонидные соли щелочных металлов неизвестного озонида водорода (НО ₃ ); они имеют формулу MO ₃ .

Гелий

1. При температурах ниже 0,3 и 0,8 К соответственно гелий-3 и гелий-4 имеют отрицательную энтальпию плавления . Это означает, что при соответствующем постоянном давлении эти вещества замерзают с добавлением тепла.
2. До 1999 года гелий считался слишком маленьким, чтобы образовывать клатрат клетки - соединение, в котором гостевой атом или молекула заключены в клетку, образованную молекулой хозяина, при атмосферном давлении. В том году синтез микрограммов He @ C ₂₀ H ₂₀ представил первый такой клатрат гелия и (что было описано как) самый маленький гелиевый шар в мире.

Углерод

1. Графит - самый электропроводящий неметалл, лучше некоторых металлов.
2. Алмаз - лучший естественный проводник тепла; он даже кажется холодным на ощупь. Его теплопроводность (2200 Вт / м • К) в пять раз больше, чем у наиболее проводящего металла ( Ag при 429); В 300 раз выше, чем у наименее проводящего металла ( Pu при 6,74); и почти в 4000 раз больше воды (0,58) и в 100000 раз больше воздуха (0,0224). Эта высокая теплопроводность используется ювелирами и геммологами для отделения бриллиантов от имитаций.
3. Графеновый аэрогель , произведенный в 2012 году путем сублимационной сушки раствора углеродных нанотрубок и листов оксида графита и химического удаления кислорода, в семь раз легче воздуха и на десять процентов легче гелия. Это самое легкое твердое вещество из известных (0,16 мг / см ³ ), проводящее и эластичное.

Фосфор

• Наименее стабильной и самой реакционной формой фосфора является белый аллотроп . Это опасное, легковоспламеняющееся и токсичное вещество, самовоспламеняющееся на воздухе с образованием остатков фосфорной кислоты . Поэтому он обычно хранится под водой. Белый фосфор также является наиболее распространенным, промышленно важным и легко воспроизводимым аллотропом, и по этим причинам считается стандартным состоянием фосфора. Наиболее стабильной формой является черный аллотроп , который представляет собой металлический хрупкий и относительно нереактивный полупроводник (в отличие от белого аллотропа, который имеет белый или желтоватый оттенок, он податлив, обладает высокой реакционной способностью и является полупроводником). При оценке периодичности физических свойств элементов необходимо иметь в виду, что указанные свойства фосфора, как правило, относятся к его наименее стабильной форме, а не, как в случае со всеми другими элементами, к наиболее стабильной форме.

Йод

• Самый мягкий из галогенов , йод является активным ингредиентом настойки йода , дезинфицирующего средства. Его можно найти в шкафчиках бытовой медицины или в наборах для экстренной помощи. Настойка йода быстро растворяет золото, что обычно требует использования царской водки (сильно разъедающей смеси азотной и соляной кислот ).

Ноты

Цитаты

использованная литература