Физика и химия: в чем отличия металлов и неметаллов?

Все в природе состоит из простых веществ – элементов таблицы Менделеева. Но между собой такие вещества часто очень непохожи, и потому используются и «ведут себя» совершенно по-разному.

В науке принято условно разделять существующие элементы на две группы: металлические и неметаллические. Их типичные качества легко различить визуально, однако есть много нюансов, переходных состояний и исключений из общего ряда.

Поэтому давайте подробно разберемся, чем отличаются металлы от неметаллов.

Определение металлов


Металлы – это вещества, которые в нормальных условиях обладают такими металлическими свойствами:

  • находятся в твердом кристаллическом состоянии (за исключением ртути и иногда франция);
  • выглядят блестящими (за редким исключением);
  • хорошо проводят электрический ток;
  • хорошо передают тепло;
  • под воздействием ударов, сжатий, изгибов обычно не разрушаются, но изменяют форму, т.е. являются пластичными, особенно при повышенной температуре (это значит, что металлы можно ковать, раскатывать в листы, вытягивать в тонкие проволоки).

Легко увидеть разницу между металлами и неметаллами можно в периодической таблице. Граница между двумя этими группами проходит через водород, бор, кремний, мышьяк, теллур, астат, оганесон. Металлами являются элементы, расположенные ниже и левее линии (их большинство из ныне открытых наукой).

Кроме того, элементы на самой границе считаются металлоидами, или полуметаллами, потому что проявляют смешанные свойства обеих групп. А со следующего ряда (ячейки вправо и вверх от линии) начинаются неметаллы.

Большинство металлов в природе встречаются в виде руд и разнообразных химических соединений (оксидов, карбонатов, сульфидов и т.п.). Для удобства использования их нужно выделить из руды и очистить. Но и абсолютно чистые металлы практически не применяются – в таком виде они нестойки и часто теряют свои полезные качества.

Кроме того, металлические элементы легко окисляются, поэтому для них разработаны специальные процессы легирования – добавления примесей для улучшения нужных свойств.

Определение неметаллов


При нормальных условиях элементы неметаллической группы имеют разнообразные свойства:

  • могут быть твердыми (кремний, углерод, сера, фосфор, мышьяк), жидкими (бром) и газообразными (кислород, водород, азот, хлор и т.д.);
  • не имеют металлического блеска (за редким исключением);
  • обладают плохой электро- и теплопроводностью (хотя среди них есть полупроводники – к примеру, кремний);
  • непластичные (даже самые прочные неметаллы не поддаются изгибам или вытягиваниям);
  • хрупкие – при физическом воздействии, ударах или сжатиях, легко разрушаются (есть несколько исключений: алмаз, красный фосфор, кремний и подобные твердые тугоплавкие вещества).

Неметаллы могут находиться в природе в виде простых веществ (когда молекула состоит из атомов одного химического элемента). Так встречаются сера, кислород, азот. Но чаще всё же существуют связанные вещества: неметаллы входят в состав воды, горных пород, минералов и т.д.

Еще одно различие металлов и неметаллов в том, что во второй группе более явно и часто проявляется свойство аллотропии, когда атомы одного элемента, соединяясь по-разному, образуют сильно отличающиеся друг от друга вещества. Примером могут служить аллотропы углерода (алмаз, графит, нанопена и многие другие) или кислорода (кислород и озон).

Физические свойства металлов и неметаллов


Чтобы продолжить сравнительную характеристику металлов и неметаллов, остановимся более подробно на описании важных физических особенностей веществ из обеих групп:

  1. Температура плавления. Неметаллы плавятся (т.е. переходят из твердого в жидкое состояние) при очень низких минусовых температурах (несколько сот градусов ниже нуля). Исключением является бром, жидкий уже при -7. Металлы же (кроме ртути) необходимо нагреть, чтобы перевести в жидкость. Температуры плавления различаются от нескольких десятков до нескольких тысяч градусов выше нуля.
  2. Пластичность. Атомные решетки большинства металлов устроены так, что их слои легко сдвигаются относительно друг друга без разрушения связи. Неметаллические решетки гораздо более жесткие и статичные. Поэтому проволоку или металлический лист можно согнуть, а, например, грифель карандаша – нет.
  3. Электро- и теплопроводность. Эти свойства зависят от наличия на внешних орбитах атомов свободных электронов, которые имеют слабую связь с ядром и друг с другом, и потому легко перемещаются к соседним атомам. В металлах таких электронов много, и они способны создать мощный тепловой или электрический поток. В неметаллах электроны внешнего слоя более связаны, их перемещение между атомами очень затруднено, поэтому такие вещества почти не проводят тепло и особенно электричество.
  4. Цвет. Неметаллы могут быть очень разных цветов и оттенков, их поверхность обычно матовая или тусклая. Большинство металлов – светло-серые с отливом разных оттенков, золото и цезий – желтые, медь красная, осмий – голубой. Отличаются блестящей глянцевой поверхностью (за счет колеблющихся свободных электронов).

Чем металлы отличаются от неметаллов по химическим свойствам?


У элементов, представляющих разные группы, атомы вещества устроены по-разному. Металлы отличаются от неметаллов свойствами, основанными именно на этих различиях.

Внешняя орбита атома может нести до восемнадцати электронов. У металлов на ней обычно вращаются всего лишь от одной до трех (в редких случаях – четырех) частиц. Поэтому металлы легко окисляются и подвергаются коррозии.

Кроме того, их электроны могут легко оторваться от своего ядра и перейти в другие атомы. В химических реакциях металлы чаще всего проявляют восстановительные свойства, отдавая электроны соседним элементам.

У неметаллов внешние орбиты заполнены гораздо плотнее, поэтому они могут быть как восстановителями, так и окислителями. При вступлении в реакцию вещество, у которого электроны связаны сильнее (окислитель), забирает частицы у вещества с более слабой связью электронов (восстановитель).

Оксиды и гидроксиды типичных металлов представляют собой щелочи (основания). Исключение – амфотерные (переходные) металлы вроде алюминия, цинка, германия и др., соединения которых могут также обладать кислотными свойствами. Неметаллы же способны образовывать множество газообразных и жидких соединений (в основном, кислотных по свойствам).

Чем металлы отличаются друг от друга?


Кроме сравнения свойств металлов и неметаллов, важно также понимать, что в первую группу входит большинство существующих химических элементов, а значит, внутри нее можно выделить немало подгрупп, основанных на различии тех или иных качеств вещества:

  1. Плотность: металлы делятся на легкие (литий и др.) и тяжелые (осмий, иридий, свинец и т.д.).
  2. Пластичность: от наиболее пластичных меди, золота и серебра до наиболее хрупких цинка, марганца, висмута.
  3. Способность проводить ток и тепло: лучшими проводниками являются медь, серебро алюминий и натрий, а худшими – висмут и ртуть.
  4. Твердость: эту характеристику, важную для практического применения, можно определить по специальной шкале Мооса.

Прочность и однородность металлов, возможность их объединения в сплавы с разнообразными свойствами, а также непроницаемость для жидких и газообразных субстанций делают металлические вещества очень востребованными для производства любых типов конструкций и механизмов во всех сферах жизни.

Еще одно их назначение – служить проводниками в проводах и кабелях, резисторами и нагревательными приборами. Кроме того, большинство рабочих инструментов как промышленного, так и бытового назначения также делается из металлов и их сплавов.

Отличие металла от стали

Сталью называется специальный сплав, в состав которого входит железо (не менее 45 %) и углерод (не более 3 %). За счет последнего элемента происходит уменьшение пластичности и вязкости металла, зато он становится заметно более твердым и прочным.

Без разных видов стали не может обойтись машиностроение (рессоры, амортизаторы, пружины) и производство приборов (мембраны, реле, растяжки, подвески, пружины, сильфоны и  другие элементы с большой упругостью).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Какая разница
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: