1) проаналізувати науково-методичну літературу з питання щодо властивостей металів та їх сплавів;

2) проаналізувати різні методичні підходи до вивчення теми;

3) розробити плани-конспекти нетрадиційного, традиційного уроків та уроку з використанням лабораторних робіт.

РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ. СПЛАВИ

1.1 Загальна характеристика металів

Метали є досить важливими елементами живої природи. Більшість металів входять до складу клітин вищих живих організмів. Питанням вивчення властивостей металів та відкриттям нових займається багато вчених.

Всі періоди періодичної системи починаються з металів. Вздовж періодів поступово послаблюються металічні властивості елементів і посилюються неметалічні.

Атоми металів, як правило, мають у зовнішньому електронному шарі 1, 2 і значно рідше 3 або 4 електрони. Тут з усією очевидністю виявляється вплив зовнішнього електронного шару на властивості елементів. Атоми металів мають низькі значення потенціалів йонізації, тому легше віддають свої електрони, ніж приєднують їх, і перетворюються на позитивно заряджені йони [1-5].

Це означає, що ті елементи, атоми яких мають s² p⁶ -конфігурацію електронів передостаннього енергетичного рівня і містять 1—2 електрони на останньому рівні, виявляють вищу металічну активність. У підгрупах активність таких металів зростає зі збільшенням протонного числа їхніх атомів.

Так, найактивнішими є метали головної підгрупи І групи, особливо Fr. Активними металами є також елементи головної підгрупи II групи, і серед них найактивніший метал — радій.

Атоми металів побічних підгруп мають, як правило, у зовнішньому електронному шарі 1—2 електрони, а в передостанньому — більше восьми. Значення потенціалів йонізації атомів цих металів вищі, а їх активність із збільшенням протонного числа зменшується. Так, найактивнішим металом побічної підгрупи І групи є мідь, найменш активним — золото.

В атомах перехідних металів електрони заповнюють внутрішні енергетичні рівні, тому утримуються ядром сильніше, ніж електрони, розміщені на останньому енергетичному рівні. Цим і пояснюється той факт, що радіуси атомів елементів побічних підгруп менші, ніж передбачалися за аналогією з атомами металів головних підгруп за нормального заповнення електронних шарів. Тому й виникає різка зміна активностей металів головних і побічних підгруп.

1.2 Фізичні властивості металів

До фізичних властивостей металів належать електропровідність, теплопровідність, здатність деформуватися без руйнування. Завдяки пластичності метали можна кувати, вальцювати, витягувати, штампувати. Ця властивість металів має велике практичне значення.

Усі метали за винятком ртуті за звичайних умов — тверді речовини. Найтвердішими є манган та хром, найм'якшим — цезій.

Для металів характерне утворення кристалічних ґраток, у вузлах яких розміщуються переважно йонізовані атоми. Внутрішню будову кристалів визначають за допомогою рентгеноструктурного аналізу.

Кристалічні ґратки металів можуть бути різних типів. Найхарактернішими є три типи: кубічна об'ємноцентрована (лужні метали, хром, ванадій, α-залізо, β-титан, свинець, вольфрам тощо), кубічна гранецентрована (алюміній, мідь, срібло, золото, γ-залізо, нікель, платина, паладій тощо), щільна гексагональна (магній, берилій, цинк, кадмій, а-титан). На рис. 1 подано елементарні комірки основних типів кристалічних ґраток металів.

Багатьом металам, особливо перехідним, властивий поліморфізм. Так, титан, цирконій, скандій, лантан, уран існують у двох алотропних видозмінах, стійких за різних температур, олово, кальцій, хром — у трьох, манган — у чотирьох, плутоній — у шести алотропних видозмінах тощо.

Рис. 1. Основні типи кристалічних ґраток металів (елементарні комірки): а — кубічна об'ємноцентрована; б — кубічна гранецентрована;в — гексагональна

Метали, йони яких мають інертногазову або псевдоінертногазову електронну оболонку, а також йони з конфігурацією зовнішнього шару електронів s² p⁶ d¹⁰ s² , діамагнітні. Винятком є лужні і лужноземельні метали, які внаслідок сильної делокалізації валентних електронів виявляють парамагнітні властивості.

Атоми перехідних металів, що мають незавершені d- або f-рівні, парамагнітні. Чотири метали (залізо, кобальт, нікель, гадоліній) — феромагнітні, тобто коефіцієнт їх магнітної сприйнятливості >> 1.

Майже всі метали мають високі температури плавлення. За найвищої температури плавляться вольфрам, реній, тантал, за найнижчої— ртуть, галій, цезій.

За густиною всі метали поділяються на важкі та легкі. До легких належать метали, густина яких менша 6 г/см³ (лужні, лужноземельні, магній, берилій, скандій, титан, алюміній, ітрій тощо), до важких,— густина яких перевищує 6 г/см³ . Найлегшим металом є літій (0,53 г/см³ ), найважчим — осмій (22,5 г/cм³ ).

Механічні властивості металів визначаються будовою їхніх кристалічних ґраток. Висока міцність металів забезпечується створенням умов для досягнення ідеально впорядкованих структур кристалів.

Загальні фізичні і хімічні властивості металів зумовлені подібністю будови їхніх атомів і природи їхніх кристалічних ґраток.

Атоми металів виявляють спорідненість до електрона близьку до нуля або негативну. Саме тому метали є відновниками, оскільки вони легко віддають електрони.

Для пояснення загальних властивостей металів учені А. Зоммерфельд, Е. Фермі, Ф. Блох, Л. Брілюен [6] та інші розробили теорію металічного стану. Згідно з цією теорією [6] у кристалі металу валентні електрони перебувають в іншому стані, ніж у вільних атомах. Під час взаємодії однакових атомів замість енергетично рівноцінних вихідних атомних орбіталей утворюються молекулярні орбіталі, що відповідають різним рівням енергії. Ці молекулярні орбіталі делокалізовані, вони однаковою мірою належать усім атомам, що взаємодіють. У міру збільшення числа таких атомів додавання кожного з них приводить до утворення ще одного енергетичного рівня; число енергетичних рівнів дорівнює числу атомів, що взаємодіють.

Із зростанням числа атомів зростає число дозволених енергетичних станів і зменшуються відстані між сусідніми енергетичними рівнями. У разі великого числа атомів N сусідні рівні відрізняються настільки мало, що утворюється практично суцільна енергетична зона. Електрон, що перебуває на даному рівні, може поводити себе як вільний, якщо найближчий енергетичний рівень не зайнятий електронами. Внаслідок делокалізації орбіталей цей «вільний» електрон може переміщуватися у кристалі під впливом яких завгодно малих енергій. Молекулярні орбіталі, що становлять енергетичну зону, заповнюються електронами в міру зростання енергії, і, згідно з принципом Паулі, на кожній молекулярній орбіталі можуть розміщуватися два електрони. Для прикладу зіставимо значення енергетичних рівнів електронів в ізольованому атомі та в компактному кристалі якого-небудь лужного металу, наприклад натрію. Для ізольованого атома порівняно з кристалом металу відмінність окремих рівнів і підрівнів енергії зовнішніх електронів виявляється різкіше.

Електропровідність металів залежить від кількості електронів, яким відповідають незаповнені енергетичні рівні з низькою енергією. Так, мідь, золото, срібло мають високу електропровідність тому, що для них у кристалі, що містить N атомів, енергетична зона може вмістити 2N електронів, а їх всього N.

Якщо в кристалі всі рівні енергетичної зони заповнені електронами, то через нього струм проходити не може (наприклад, у речовинах з атомними кристалічними ґратками).

Отже, і електро-, і теплопровідність металів зумовлені здатністю валентних електронів вільно перемішуватися по кристалу з верхніх рівнів валентної зони на нижні рівні зони провідності.