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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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:
- Плотность: металлы делятся на легкие (литий и др.) и тяжелые (осмий, иридий, свинец и т.д.).
- Пластичность: от наиболее пластичных меди, золота и серебра до наиболее хрупких цинка, марганца, висмута.
- Способность проводить ток и тепло: лучшими проводниками являются медь, серебро алюминий и натрий, а худшими – висмут и ртуть.
- 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).
