Номер 1272, страница 195 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1272. Почему при наличии определённого сходства в строении атомов и строении кристаллической решётки многие физические свойства металлов резко отличаются?

Несмотря на то, что все металлы имеют схожее фундаментальное строение — кристаллическая решётка из положительно заряженных ионов, в которой движется «газ» свободных электронов (металлическая связь), — их физические свойства, такие как плотность, температура плавления, электропроводность, цвет и твёрдость, могут кардинально различаться. Это объясняется рядом более тонких, но критически важных факторов, уникальных для каждого химического элемента.

Основные причины этих различий следующие:

1. Электронное строение атомов и зонная структура твёрдого тела

Это ключевой фактор. В изолированном атоме электроны занимают дискретные энергетические уровни. Когда атомы объединяются в кристаллическую решётку, эти уровни расширяются, образуя энергетические зоны. Характер этих зон — их ширина, степень заполнения электронами, наличие и ширина запрещённых зон — определяет большинство электрофизических и оптических свойств металла.

Электро- и теплопроводность: Проводимость зависит от концентрации свободных электронов и их подвижности. В первую очередь, она определяется плотностью доступных электронных состояний на уровне Ферми (верхний энергетический уровень, занятый электронами при температуре абсолютного нуля). Чем больше свободных состояний, в которые электроны могут перейти под действием электрического поля, тем выше проводимость. Например, у серебра, меди и золота очень высокая плотность состояний на уровне Ферми, что делает их лучшими проводниками.

Цвет: Большинство металлов имеют серебристо-белый цвет, так как они эффективно отражают свет во всем видимом диапазоне. Это происходит потому, что энергия фотонов видимого света недостаточна, чтобы перебросить электроны через большие энергетические промежутки (межзонные переходы). Однако у некоторых металлов, таких как золото и медь, есть разрешённые межзонные переходы, энергия которых соответствует сине-зелёной части спектра. Они поглощают эти цвета, а отражённый свет воспринимается нами как жёлтый (у золота) или красноватый (у меди).

2. Заряд иона, его масса и радиус

Эти параметры ионов, расположенных в узлах кристаллической решётки, напрямую влияют на макроскопические свойства.

Плотность: Плотность $ \rho $ напрямую зависит от массы атома (иона) $m$ и объёма, который он занимает в решётке (определяется типом решётки и межатомным расстоянием). Например, литий (лёгкий атом, большое межатомное расстояние) — один из самых лёгких металлов, а осмий (тяжёлый атом, плотная упаковка) — один из самых плотных.

Температура плавления: Она определяется энергией связи между ионами в решётке. Чем сильнее ионы притягиваются друг к другу и к «электронному газу», тем больше энергии требуется, чтобы разрушить решётку и расплавить металл. Например, вольфрам имеет очень прочные связи благодаря особенностям своего электронного строения, что обуславливает его рекордно высокую температуру плавления (3422 °C), в то время как у ртути связи очень слабые, и она плавится уже при –39 °C.

3. Тип кристаллической решётки и наличие дефектов

Хотя многие металлы кристаллизуются в одних и тех же простых структурах (объёмно-центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая, гексагональная плотноупакованная), конкретные параметры решётки (межатомные расстояния) уникальны для каждого металла. Кроме того, реальные кристаллы всегда содержат дефекты:

Механические свойства: Твёрдость, пластичность, ковкость и прочность очень чувствительны к дефектам решётки, таким как дислокации (линейные дефекты). Движение дислокаций обеспечивает пластичность. Чистые металлы часто мягкие (например, чистое золото), но введение примесей или создание дефектов (легирование, наклёп) затрудняет движение дислокаций и делает металл или сплав значительно твёрже и прочнее.

Электросопротивление: Любые нарушения идеальной периодичности решётки (примеси, вакансии, дислокации, а также тепловые колебания ионов — фононы) являются центрами рассеяния для электронов, что увеличивает электрическое сопротивление.

Таким образом, хотя общая модель строения металлов едина, совокупность уникальных для каждого элемента характеристик — строения его электронных оболочек, массы и размера атомов, а также особенностей кристаллической структуры — приводит к огромному разнообразию их физических свойств.

Ответ:

Резкие различия в физических свойствах металлов, несмотря на сходство их общего строения (кристаллическая решётка и свободные электроны), обусловлены уникальными для каждого металла характеристиками на атомном и субатомном уровнях. Ключевыми факторами являются:

1. Электронная зонная структура: Уникальная для каждого металла структура энергетических зон, их заполненность и расположение определяют электропроводность, теплопроводность и оптические свойства (например, цвет).

2. Характеристики ионов: Масса, заряд и радиус ионов в узлах решётки напрямую влияют на плотность и силу межатомных связей, что, в свою очередь, определяет температуру плавления и твёрдость.

3. Особенности кристаллической структуры: Тип решётки, межатомные расстояния и, особенно, наличие дефектов (примесей, дислокаций) кардинально влияют на механические свойства (пластичность, прочность) и электросопротивление.