Физические свойства металлов

Металлы обладают рядом сходных химических свойств, которые отличают их от неметаллов.

Цвет металлов довольно однообразен и изменяется от серебристо-белого (алюминий, серебро) до серебристо-серого (железо, свинец). Обладают цветом только золото – оно желтое и медь – красная. Некоторые металлы имеют оттенки серого, например, висмут – красноватый, цинк – синеватый.

Свойство	Определение	Значение для некоторых металлов	Примечание
Металлический блеск	Способность поверхности металла отражать световые лучи	-	In и Ag отражают свет лучше других металлов, поэтому применяются для изготовления зеркал
Плотность, ρ	Физическая величина, измеряемая отношением массы тела к его объему	ρ < 5000 кг/м^3 – легкие металлы: Li, Ca, Na, Mg, Al; ρ > 5000 кг/м^3 – тяжелые металлы: Zn, Fe, Ni, Cr, Pb, Ag, Au, Os	Самый легкий металл – литий: ρ = 530 кг/м^3; самый тяжелый – осмий: ρ = 22600 кг/м^3
Твердость, Н	Способность (свойство) твердого тела сопротивляться проникновению в него другого тела	Твердость некоторых металлов по шкале Мооса: Н (Na) = 0,4; H (Sn) = 1,8; H (Ni) = 5; H (Cr) = 9	Самые мягкие металлы: K, Rb, Cs, Na (режутся ножом); самый твердый металл – Cr (режет стекло)
Пластичность	Способность тела изменять форму под действием внешних сил без разрушения	Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe В ряду наблюдается уменьшение пластичности	Из пластичного золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм
Температура плавления, Тпл	Температура, при которой осуществляется процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое	Тпл > 1000°С – тугоплавкие металлы: Au, Cu, Ni, Fe, Pt, Ta, Nb, Mo, W; Тпл < 1000 °C – легкоплавкие металлы: Hg, K, Sn, Pb, Zn, Mg, Al	Самая низкая температура плавления у ртути – 39°С, самая высокая – у вольфрама – 3410°С
Теплопроводность	Способность тела передавать теплоту от более нагретых его частей менее нагретым	Ag, Cu, Au, Al, W, Fe В ряду наблюдается уменьшение теплопроводности	-
Электропроводность	Свойство вещества проводить электрический ток (обусловлено наличием в нем свободных электронов)	Ag, Cu, Au, Al, W, Fe В ряду наблюдается уменьшение электропроводности	При нагревании электропроводность уменьшается, так как усиливается колебательное движение атомов и ионов в узлах решетки и затрудняется движение электронов

Комплексные соединения

При рассмотрении видов химической связи отмечалось, что силы притяжения возникают не только между атомами, но и между молекулами и ионами. Такое взаимодействие может приводить к образованию новых более сложных комплексных (или координационных) соединений.

Комплексными называют соединения, имеющие в узлах кристаллической решетки агрегаты атомов (комплексы), способные к самостоятельному существованию в растворе и обладающие свойствами, отличными от свойств составляющих их частиц (атомов, ионов или молекул).

В молекуле комплексного соединения (например, K₄[Fe(CN)₆]) различают следующие структурные элементы:

· ион- комплексообразователь (для данного комплекса Fe),

· координированные вокруг него присоединенные частицы – лиганды или адденды (CN^-),

· составляющие вместе с комплексообразователем внутреннюю координационную сферу ([Fe(CN)₆]^4-),

· и остальные частицы, входящие во внешнюю координационную сферу (K⁺).

При растворении комплексных соединений лиганды остаются в прочной связи с ионом-комплексообразователем, образуя почти не диссоциирующий комплексный ион.

Число лигандов называется координационным числом (в случае K₄[Fe(CN)₆] координационное число равно 6).

Координационное число определяется природой центрального атома и лигандов, а также соответствует наиболее симметричной геометрической конфигурации: 2 (линейная), 4 (тетраэдрическая или квадратная) и 6 (октаэдрическая конфигурация).

Характерными комплексообразователями являются катионы: Fe²⁺, Fe³⁺, Co³⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Cr³⁺, Ni²⁺. Способность к образованию комплексных соединений связана с электронным строением атомов. Особенно легко образуют комп­лексные ионы элементы d-семейства, например: Ag⁺, Au⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Cd²⁺, Fe³⁺, Co³⁺, Ni²⁺, Pt²⁺, Pt⁴⁺и др. Комплексообразователями могут быть А1³⁺ и некоторые неметаллы, например, Si и В.

Лигандами могут служить как заряженные ионы: F^-, ОН^-, NO₃^-, NO₂^-, Cl^-, Вг^-, I^-, CO₃^2-, CrO₄^2-, S₂O₃^2-, CN^-, PO₄^3- и др., так и электронейтральные полярные молекулы: NH₃, Н₂О, РН₃, СО и др. Если все лиганды у комплексообразователя одинаковы, то ком­плексное соединение однородное,например [Pt(NH₃)₄]Cl₂; если ли­ганды разные, то соединение неоднородное,например [Pt(NH₃)₃Cl]Cl. Между комплексообразователем и лигандами обычно устанав­ливаются координационные (донорно-акцепторные) связи. Они об­разуются в результате перекрывания заполненных электронами орбиталей лигандов вакантными орбиталями центрального атома. В комплексных соединениях донором является комплексообразователь, акцептором – лиганд.

Количество химических связей между комплексообразователем и лигандами определяет координационное число комплексообразователя.

Характерные координационные числа:

Cu⁺, Ag⁺,Au⁺= 2;                                Cu²⁺,Hg²⁺,Pb²⁺,Pt²⁺, Pd²⁺ =4;

Ni²⁺,Ni³⁺,Co³⁺,А1³⁺ = 4 или 6;           Fe²⁺, Fe³⁺, Pt⁴⁺, Pd⁴⁺, Ti⁴⁺,

Pb⁴⁺, Si⁴⁺ =6.

Заряд комплексообразователя равен алгебраической сумме зарядов составляющих его ионов, например: [Fe_x(CN)₆]^4-, x + 6(-1) = 4-; x = 2.

Входящие в состав комплексного иона нейтральные молекулы не оказывают влияния на заряд. Если вся внутренняя сфера заполнена только нейтральными молекулами, то заряд иона равен заряду комплексообразователя. Так, у иона [Cu_x(NH₃)₄]²⁺ заряд меди х = 2+. Заряд комплексного иона равен зарядам ионов, находящихся во внешней сфере. В K₄[Fe(CN)₆] заряд [Fe(CN)₆] равен -4, так как во внешней сфере находятся 4 катиона К⁺, а молекула в целом электронейтральна.

Лиганды во внутренней сфере могут замещать друг друга при сохранении одного и того же координационного числа.

6.1. Классификация и номенклатура комплексных соединений.

Сточки зрения заряда комплексной частицы все комплексные со­единения можно разделить на катионные, анионные и нейтральные.

Катионные комплексы образуют катионы металлов, координирую­щие вокруг себя нейтральные или анионные лиганды, причем суммар­ный заряд лигандов меньше по абсолютной величине, чем степень окисления комплексообразователя, например [Co(NH₃)₆]Cl₃. Катионные комплексные со­единения помимо гидроксокомплексов и солей, могут быть кислотами, например H[SbF₆] – гексафторсурьмяная кислота.

В анионных комплексах, напро­тив, лигандов-анионов такое число, что суммарный заряд комплексно­го аниона отрицателен, например [Ni(CO)₄]. В анионных комплексах в качестве лигандов выступают гидроксид-анионы – это гидроксокомплексы (например Na₂[Zn(OH)₄] –тетрагидроксоцинкат калия), или анионы кислотных остатков – это ацидокомплексы (например K₃[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (III) калия).

Нейтральные комплексы могут быть нескольких видов: комплекс нейтрального атома металла с нейтральными лигандами (например Ni(CO)₄ – тетракарбонил никеля, [Сr(С₆Н₆)₂] – дибензолхром). В нейтральных комплексах другого ви­да заряды комплексообразователя и лигандов уравновешивают друг друга (например, [Pt(NH₃)₂Cl₂] – хлорид гексаамминплатины (IV), [Co(NH₃)₃(NO₂)₃] – тринитротриамминкобальт).

Классифицировать комплексные соединения можно по природе лиганда. Среди соединений с нейтральными лигандами различают аквакомплексы, аммиакаты, карбонилы металлов. Ком­плексные соединения, содержащие в качестве лигандов молекулы во­ды, называют аквакомплексами. При кристаллизации вещества из раствора катион захватывает часть молекул воды, которые попадают в кристаллическую решетку соли. Та­кие вещества называются кристаллогидратами,  например А1С1₃ · 6Н₂О. Большинство кристаллогидратов представляет собой аквакомплексы, поэтому их точнее изображать в виде комплексной соли ([А1(Н₂О)₆]С1₃ – хлорид гексаакваалюминия). Комплексные соединения с молекулами аммиака в качестве лиганда называют аммиакатами, например [Pt(NH₃)₆]C1₄ – хлорид гексаамминплатины (IV). Карбонилами металлов называют комплексные соединения, в ко­торых лигандами служат молекулы оксида углерода (II), например, [Fe(CO)₅] – пентакарбонил железа, [Ni(CO)₄] – тетракарбонил никеля.

Известны комплексные соединения с двумя комплексными ионами в молекуле, для которых существует явление координационной изомерии, которая связана с разным распределением лигандов между комплексообразователями, например: [Ni(NH₃)₆][Co(NO₂)₆] – гексанитрокобальтат (III) гексаамминникеля (III).

При составлении названия комплексного соединения применяются следующие правила:

1)  если соединение является комплексной солью, то первым называется анион в именительном падеже, а затем катион в родительном падеже;

2) при названии комплексного иона сначала указываются лиганды, затем комплексообразователь;

3) молекулярные лиганды соответствуют названиям молекул (кроме воды и аммиака, для их обозначения применяются терми­ны «аква» и «амин»);

4) к анионным лигандам добавляют окончание – о, например: F^- – фторо, С1^- – хлоро, О₂^- – оксо, CNS^- – родано, NO₃^- – нитрато, CN^- – циано, SO₄^2- – сульфато, S₂O₃^2- – тиосульфато, СО₃^2- – карбонато, РО₄^3- – фосфато, ОН^- – гидроксо;

5) для обозначения количества лигандов используются гречес­кие числительные: 2 – ди-, 3 – три-, 4 – тетра-, 5 – пента-, 6 – гекса-;

6) если комплексный ион – катион, то для названия комплексообразователя используют русское наименование элемента, если анион – латинское;

7) после названия комплексообразователя рим­ской цифрой в круглых скобках указывают его степень окисления;

8) у нейтральных комплексов название центрального атома дается в именительном падеже, а его степень окисления не указывается.