Чем металлы отличаются от неметаллов

Всем известно, что металлы легко отличить от неметаллов характерным ярким серебристым или золотистым цветом, блеском их поверхности. Металлы пластичны, их куют, прокатывают, штампуют. Кроме того, металлы хорошо проводят тепло и электрический ток. Это так называемые физические свойства металлов. Есть у них и химические свойства. Окислы металлов обладают щелочными свойствами, и при соединении с водой они образуют щелочные растворы. Окислы неметаллов имеют кислотные свойства и, соединяясь с водой, образуют кислоты.

Все это было хорошо известно еще более 200 лет тому назад во времена Ломоносова, Лавуазье. А вот причины такого различия свойств металлов и неметаллов были найдены значительно позже, после того как было открыто электронное строение атомов. Напомним, что электрон был открыт лишь в 1895 году.

Электронное строение металлов. Каждому элементу Д. И. Менделеев еще в 1869 году приписал определенный атомный номер и поместил его в периодическую систему с этим номером, ничего еще не зная об электронах. Позже выяснилось, что номер элемента точно совпадает с числом электронов, вращающихся по нескольким орбитам. По наиболее близкой к ядру орбите вращаются обычно два электрона. По второй орбите, более удаленной от ядра, могут вращаться восемь электронов. Третья, еще более удаленная от ядра орбита, может вместить до 18 электронов. Если номер орбиты обозначить буквой n, а число электронов, которые она вмещает, через N, то количество электронов, несущихся на каждой орбите, можно выразить главным квантовым числом: N=2n².

Возьмем, например, такой металл как алюминий. Его атомный номер 13 в таблице Менделеева. Это значит, что вокруг его ядра вращаются по разным орбитам 13 электронов. По первой орбите (n= 1) число электронов N окажется равным двум (N = 2). По второй орбите (n = 2) число электронов будет равно 8 (N = 2·2² = 8). По третьей орбите будут вращаться все остальные электроны и их окажется 13—(2 + 8)= 3. Это в то время, как третья орбита могла бы вместить 18 электронов. Выходит, что третья, наружная орбита у алюминия недоукомплектована. Три электрона, вращающихся по ней, наиболее удалены от ядра и поэтому наименее прочно связаны с ним. Они могут легко оторваться от своего ядра и перейти к соседнему атому.

Неукомплектованные орбиты. Выяснилось, что у всех металлов наружные электронные орбиты оказались недоукомплектованными. По ним вращаются, как правило, один, два, три и в редких случаях — четыре электрона. В то же время у неметаллов наружные электронные орбиты, наоборот, полностью или почти полностью укомплектованы.

Переходом наружных электронов от одних атомов к другим и было объяснено явление электрического тока. Числом электронов на наружной орбите было объяснено свойство валентности металлов. Электронное строение атомов дало ключ к объяснению таких явлений, как ферромагнетизм, полиморфизм, потенциал ионизации. Все эти вопросы получили отражение в разработанной советскими физиками теории металлического состояния.