Metale i wiązanie metaliczne
1. Wiązanie metaliczne
Być może powinniśmy zacząć w ogóle od pytania czym jest metal, ale jednak mam wrażenie, że intuicyjnie każdy na to pytanie potrafi odpowiedzieć. Dlatego najpierw zastanówmy się, co trzyma atomy metalu ze sobą. Przecież gdyby wziąć taki kawałek sodu, to tam znajduje się przeogromna liczba atomów sodu, które jakoś się w tej kupie trzymają. Jak to możliwe? Czy to dlatego, że w kupie raźniej?
Wiązania chemiczne już przecież przerabialiśmy. Jednak nic co dotąd poznaliśmy za cholerę nam tutaj nie pasuje. Sód może na pewno oddać elektron, tworząc kation, ale gdzie ten elektron miałby powędrować ? Przecież sód nie przyjmie elektronu (tworząc hipotetyczne Na), bo daleko mu wtedy do oktetu. Czyli wiązanie jonowe odpada.
Dalej, czy wiązanie kowalencyjne ma sens? Absolutnie, wtedy oba atomy sodu miałyby po dwa elektrony, czyli znów daleko do oktetu.
Ok, czyli musimy mieć tutaj do czynienia z czymś dla nas nowym. Zastanówmy się, co jak na razie wiemy o metalach, lub co nam się z nimi kojarzy? Metale zdecydowanie lubią być kationami, stosunkowo łatwo oddają elektrony.
Kiedy weźmiemy sobie te potężne liczby atomów sodu, z czego każdy odda swój elektron walencyjny, to powstanie nam takie morze elektronów. Zgadnij, co pływa w tym morzu elektronów? Tak, to będą kationy sodu.
Metale są niczym jedynaki (brzmi to mi na nowy rodzaj sushi), którzy ze względu na to, że nie mają rodzeństwa muszą nauczyć bawić się same ze sobą. Tutaj sód nie ma partnera do zabawy (np. takiego chloru, któremu można oddać swój elektron), więc same zrobiły sobie ,,pseudo−anion” w postaci wolnych elektronów. Wygląda to mniej więcej tak :
W odróżnieniu od wiązania jonowego nie ma tam anionów, a jony metalu nie są tak sztywno ufiksowane (tzn. mają nieco więcej swobody niż w takim związku o budowie jonowej).
W odróżnieniu od wiązania kowalencyjnego, nie ma tu żadnej pary atomów, która byłaby połączona wiązaniem (parą elektronów wiążących, zlokalizowanych).
Zamiast cząsteczek, metale tworzą stopy, czyli mieszaniny ciał stałych o zmiennym składzie. Dwa najbardziej znane stopy to mosiądz i cyna.
➤ mosiądz = Cu + Zn ➤ brąz = Cu + Sn
Mnemotechnika : miedź z cynkiem (7 liter) = mosiądz (7 liter) , natomiast miedź z cyną (4 litery) = brąz (4 litery).
2. Właściwości metali
Co ciekawe, bardzo dużo właściwości chemicznych i fizycznych metali da się wyjaśnić opierając się właśnie na modelu morza elektronowego, a wiec opisanego przed chwila wiązania metalicznego.
Zaczynamy od temperatury topnienia i wrzenia. Oba parametry są związane z siłą wiązania metalicznego. Temperatury topnienia nie są zbyt wysokie, ponieważ kationy mogą się ruszać bez większego zaburzenia ich przyciągania do elektronów. Można to porównać do grupy ściśniętych w autobusie osób. Jest ścisk, wszyscy stoją na swoich miejscach, ale mniej więcej człowiek da radę się jakoś przecisnąć do wyjścia, nie jest to aż takie trudne[1].
Co innego jest już z temperaturami wrzenia. Tam już musimy rozerwać wszystkie wiązania, każdy atom musi być osobno. To wymaga wiele pracy! Takim najbardziej klasycznym przykładem jest gal, który top się w rękach, a żeby skurczybyka doprowadzić do wrzenia, to musimy zrobić ognisko na 2400°C .
| Metal | Lit | Beryl | Glin | Miedź | Ołów |
| Temperatura topnienia (°C) | 180 | 1287 | 660 | 1080 | 328 |
| Temperatura wrzenia (°C) | 1350 | 2970 | 2467 | 2570 | 1749 |
Teraz zobaczmy jaka jest zależność temperatur w układzie okresowym, a wiec jak to się zmienia w grupach oraz okresach.
Idąc w dół grupy atomy, a więc też powstałe z nich kationy są coraz większe. Oznacza to, że wiązanie metaliczne (czyli przyciąganie z elektronami) będzie słabsze. W takim razie łatwiej będzie takie wiązanie przerwać, więc temperatury muszą maleć. I faktycznie tak jest, zobacz poniżej.
Kierując się tą samą logiką, temperatury wrzenia[2] muszą rosnąć w prawo okresu, ponieważ atomy się zmniejszają. Jest jednak jeszcze jeden czynnik. Przykładowo dla grupy II mamy już kationy dwudodatnie, które powstały przez oddanie dwóch elektronów z obojętnego atomu metalu. Mamy zatem znacznie więcej przyciągania!
Kolejna charakterystyczna cecha metali to oczywiście przewodzenie prądu (elektryczności). Metale są dobrymi przewodnikami zarówno w stanie stałym jak i ciekłym (odróżnienie od związków jonowych!)
I następna cechą, którą pewnie też kojarzysz to dobre przewodnictwo ciepła! Wiesz to doskonale, bo wystarczy przyłożyć rękę do metalu oraz do drewna. Czemu metal jest taki ,,chłodny” ? Bo właśnie tak dobrze przewodzi ciepło, że szybciutko zabiera ciepło z Twojej dłoni, co odczuwamy jako chłód!
3. Metale
No więc czym są metale? Są to pierwiastki o określonym zestawie właściwości fizycznych, które omawialiśmy wyżej, ale przede wszystkim, mają one tendencję do utraty elektronów (tak zwane właściwości metaliczne).
Metale oczywiście mają tendencję do oddawania elektronów (najczęsciej niemetalom). Metaliczny charakter rośnie w dół grupy i jest zgodny ze wzrostem rozmiaru atomu oraz spadkiem energii jonizacji (co oznacza, że łatwiej oderwać elektron, ponieważ jest słabiej przyciągany przez jądro). Trend ten jest szczególnie widoczny w grupach, które zawierają zarówno metale jak i niemetale.
Przeanalizujmy grupę 15. , w której pierwiastki na górze (azot, fosfor) tworzą aniony (występują sporadycznie w związkach jako N3ー lub P3ー). Arsen oraz antymon należą do półmetali i dla każdego z nich tworzenie jonów przychodzi z trudem. Bizmut natomiast, leżący na dole tej grupy, jest typowym metalem i tworzy kation Bi3+ w swoich związkach chemicznych, które w większości mają charakter jonowy.
Poniżej wycinek z układu okresowego na ,,nową maturę”. Pod tym kątem zrobiło Wam się łatwiej, bo macie pokolorowany układ!
To samo obserwujemy także w grupach, które zawierają tylko metale. Najważniejszy przykład to bez wątpienia różnica w chemii berylu i innych berylowców. Ten pierwszy tworzy związki głównie kowalencyjne z niemetalami, podczas gdy wszystkie związki baru są jonowe.
W obrębie okresu obserwujemy spadek charakteru metalicznego, kiedy przesuwamy się od lewej do prawej strony i ponownie jest to zgodne ze zmniejszającym się rozmiarem atomu oraz wzrostem energii jonizacji (to sprawia, że elektron walencyjny jest trudniej oderwać).
Faktycznie, sód oraz magnez występują zawsze w postaci kationów odpowiednio Na+ oraz Mg2+. Glin ma metaliczny połysk, w związkach występuje w postaci jonów Al3+ , ale w dużej części jest połączony w sposób kowalencyjny. Krzem jest już półmetalem i nie występuje w postaci izolowanych jonów Si4+. Siarka jest żółta, krucha i występuje w postaci anionów siarczkowych S2ー. Chlor jest żółtozielonym gazem, występujący w związkach w postaci anionów chlorkowych Clー.
Pamiętaj, że układ okresowy jest świetną ściągawką i warto z niego korzystać.
Maturalne tipy.
Te charakterystyczne właściwości wspólne dla metali to :
➦ w stanie stałym tworzą połyskliwą, błyszczącą [3], gładką powierzchnię.
➦ ciągliwe[4] i kowalne (można je walcować, robić z nich blaszki)
➦ dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne
➦ stały stan skupienia w temperaturze pokojowej (wyjątkiem jest rtęć)
➦ reguły dość wysoka temperatura topnienia
[1] Pamiętam jak raz jechałem do liceum autobusem i był niewyobrażalny ścisk, na dworze potężna ulewa. Wtedy nie można było wziąć nawet zbyt głębokiego oddechu, bo potem klatka piersiowa nie wróciłaby z powrotem na swoje miejsce, prowadząc do śmierci przez uduszenie. W każdym razie widziałem, że jakiś gościu szykuje się do wyjścia na przystanku. Niestety, to był taki przystanek, na którym nikt nie wysiadał, tylko dosiadała się kolejna gromada ludzi, przez co biedaczek został uwięziony. Pech chciał, że następne dwa przystanki były bardzo oddalone od siebie. Czemu nie wyszedł na następnym ? Bo sytuacja była taka sama, nikt nie wysiada, szybka akcja i jedziemy dalej.
[2] A co z temperaturami topnienia? One też z reguły będą zmieniały się analogicznie jak temperatury wrzenia, jednak są wyjątki. Na przykład Ttop dla wapnia jest wyższa niż magnezu. Wynika to z różnicy w ułożeniu przestrzennym, jednak to już znacznie wykracza ponad maturę.
[3] No właśnie, czemu metale są takie błyszczące, przyciągając nierzadko wzrok kobiet w stronę jubilerskich galerii? Odpowiedź jest dość skomplikowana i wymaga kombinacji chemii i fizyki do jej zrozumienia. Jako ciekawostkę powiem Ci, że na temat koloru jest nawet osobna książka, swego rodzaju klasyk.
[4] O tym, że złoto jest kowalne świadczy chociażby jadalne złoto. To muszą być naprawdę cieniutkie płatki tego metalu!
Zadanie 2 – Mając do dyspozycji: blaszkę kadmową, blaszkę manganową, blaszkę cynkową i odpowiednio roztwory Cd2+ , Mn2+ i Zn 2+ w postaci azotanów(V) postanowiono wskazać najaktywniejszy metal. W jaki sposób sprawdzisz aktywność metali? Uszereguj je w zależności od wzrastającego potencjału redukującego w kolejności.
Zadanie 5 – Uzupełnij poniższe zdania
Stężony kwas siarkowy(VI) należy przewozić w (żelaznych/cynkowych/srebrnych) cysternach z racji na (brak reakcji/reakcję pasywacji) tego metalu wobec kwasu. W przeciwieństwie do kwasu siarkowego(VI) w formie rozcieńczonej – wtedy pojemnik ten zostanie (rozpuszczony/roztworzony/utrwalony).
Zadanie 6 – Badano reakcje rozcieńczonego kwasu solnego wobec wybranych metali: glin, miedź, srebro,
magnez. Poniżej przedstawiono rezultat który uzyskano w jednej z probówek:
Wskaż, który metal użyto i uzasadnij swoją odpowiedź.
Zadanie 7 – Do probówek zawierających odpowiednio 1 g sodu, 1g cynku i 1 g żelaza dodano 20 cm 3 kwasu solnego o stężeniu równym 1 mol/dm 3 . Doświadczenie zakończono w momencie roztworzenia się całkowitego wszystkich metali.
Na podstawie szeregu właściwości uszereguj metale według malejących właściwości redukujących. Skorzystaj z szeregu elektrochemicznego metali.
Zadanie 8 – W roztworze jonów cynku umieszczono blaszkę chromową i pozostawiono na pewien czas.
Uzupełnij poniższe zdania:
Podczas opisanego procesu (zaobserwowano/nie zaobserwowano) zmiany/ę zabarwienia roztworu. (Brak zachodzącej reakcji/zachodząca reakcja) świadczy o tym, że (cynk/chrom) jest silniejszym reduktorem. W opisanej reakcji do roztworu przejdą jony (Zn(II)/Cr(II)/Cr(III) w wyniku czego roztwór będzie (pozostanie bezbarwny/niebieski/zielony).
Zadanie 9 – Do dwóch zlewek zawierających po 50 cm3 wody dodano 1 g magnezu i 1 g potasu, reakcję prowadzono w temperaturze równej 100 ℃. Reakcja zaszła w obu probówkach. Wyjaśnij, dlaczego reakcja zachodzi w obu probówkach (w odpowiedzi uwzględnij temperaturę).
Zadanie 10 – W dwóch probówkach umieszczono po 1 g metali – glinu, magnezu i baru.
Tylko w dwóch probówkach zaobserwowano zachodzenie reakcji roztwarzania metali.
1) Wskaż probówki w których zaszła reakcja, w probówce w której nie zaszła – podaj przyczynę.
2) Na podstawie tablicy rozpuszczalności wybierz jeden dowolny odczynnik, pozwalający rozróżnić jony w probówkach, w których zaszła reakcja roztwarzania.