Отличия металлов от неметаллов: физические и химические свойства

Использование металлов повлияло на многие аспекты жизни человека — от создания орудий труда и оружия до архитектуры и медицины. Каждый очередной открытый металл или сплав открывал новые возможности для прогресса человечества, улучшая технологии, транспорт и промышленность.

История использования металлов человеком охватывает тысячелетия, оказав значительное влияние на развитие цивилизаций. В доисторический период, около 5000–3000 лет до н.э. люди начали использовать медь, которая стала первым освоенным металлом. Находки медных предметов, датируемые примерно 9000 годом до н.э., были обнаружены на Ближнем Востоке. Изначально медь использовалась в самородной форме, однако позже люди научились ее плавить. Помимо меди, древним людям были известны и другие драгоценные металлы, например, золото и серебро, которые встречались в природе в чистом виде.

Значительным шагом вперед стало начало эпохи бронзы, которая продолжалась с 3300 по 1200 годы до н.э. Бронза, представляющая собой сплав меди с оловом, оказалась более прочной, чем чистая медь, что сделало ее идеальным материалом для изготовления орудий труда, оружия и украшений. Эта эпоха охватила многие регионы, включая Ближний Восток, Европу и Китай. Одними из первых, кто освоил искусство выплавки бронзы, были шумеры и египтяне.

Позже, около 1200 года до н.э., началась эпоха железа, продлившаяся до 500 года н.э. Железо стало основным металлом благодаря его широкому распространению и большей твердости по сравнению с бронзой. Однако его обработка требовала более сложных технологий, так как для плавления железа нужна была высокая температура. Сначала люди использовали железо метеоритного происхождения, однако затем научились выплавлять его из руды. Среди первых, кто освоил массовое производство железа, были хетты в Малой Азии. Именно они первыми распространили технологии обработки железа, что во многом способствовало началу железного века.

Но в природе встречается и много других веществ, не обладающих свойствами металлов. Они получили соответствующее определение — неметаллы. Как и чем они отличаются?

Распространение металлов и неметаллов в природе

Два основных класса веществ существенно различаются по физическим и химическим свойствам. Их распространение в природе тоже имеет свои особенности.

Металлы характеризуются высокой химической активностью, особенно активные элементы, которые в чистом виде практически не встречаются в природе. Они обычно образуют соли с различными кислотными остатками, как, например, натрий, калий и кальций, которые чаще всего существуют в форме хлоридов, сульфатов или карбонатов. Металлы средней активности, такие как железо, встречаются в природе в виде оксидов, например, гематита и магнетита, или сульфидов, как пирит. Малоактивные металлы — золото, серебро и медь, могут встречаться как в самородном виде, так и в составе сложных соединений. Основные формы существования металлов в природе включают руды — горные породы, из которых можно экономически целесообразно извлекать металлы, минералы, которые являются естественными химическими соединениями с определенной структурой, и самородные элементы — металлы в чистом виде.

Неметаллы, такие как кислород и кремний, являются одними из самых распространенных элементов в земной коре. Некоторые неметаллы, — кислород, азот и сера, могут встречаться в свободном состоянии, например, в атмосфере. Однако большинство неметаллов образуют различные соединения с металлами и другими неметаллами. Классические примеры таких соединений — вода (H₂O), углекислый газ (CO₂) и кремнезем (SiO₂). Кроме того, неметаллы играют важнейшую роль в органических соединениях, так как углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют основу белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот.

Распределение металлов и неметаллов в природе зависит от нескольких факторов. Химическая активность элементов определяет, в каком виде они будут находиться: чем выше активность, тем реже элемент можно встретить в чистом виде. Также на распределение влияют геологические процессы — формирование горных пород, вулканическая активность и выветривание, а также биологические процессы, в которых живые организмы изменяют концентрацию элементов в различных средах.

Строение атомов металлов и неметаллов

Строение атома непосредственно влияет на его химические свойства, определяя, к какому классу элементов он относится — металлам или неметаллам. Ключевым различием между ними является количество электронов на внешнем энергетическом уровне. У металлов, как правило, на внешнем уровне находится небольшое количество электронов — от одного до трех. Это делает их склонными к отдаче этих электронов, чтобы достичь стабильной конфигурации, похожей на благородные газы. Напротив, у неметаллов на внешнем уровне обычно больше электронов — от четырех до восьми, и они стремятся принять недостающие электроны для достижения той же устойчивой конфигурации.

Еще одним важным различием является электроотрицательность. У металлов она низкая, что означает слабую способность притягивать электроны. У неметаллов, наоборот, электроотрицательность высокая, и они сильно притягивают к себе электроны. Это также связано с атомным радиусом. Атомы металлов обычно имеют больший радиус, так как их внешние электроны находятся дальше от ядра, в то время как у неметаллов атомный радиус меньше, и их внешние электроны расположены ближе к ядру, что облегчает их притяжение.

Эти различия в строении атомов определяют и физические свойства металлов и неметаллов. Металлы хорошо проводят электричество и тепло, они пластичны, ковки и обладают металлическим блеском. В химических реакциях металлы легко отдают электроны, вступая в реакции окисления. Неметаллы, наоборот, плохо проводят электрический ток и тепло (за исключением графита), они хрупкие, не имеют блеска и склонны к присоединению электронов, принимая участие в реакциях восстановления.

Существуют элементы, которые проявляют свойства как металлов, так и неметаллов (полуметаллы или металлоиды). Свойства элементов в периодической системе изменяются плавно, поэтому четкая граница между металлами и неметаллами не всегда очевидна.

Положение металлов и неметаллов в периодической таблице Менделеева

Металлы и неметаллы занимают различные части периодической таблицы Менделеева. Металлы расположены преимущественно слева и в центре таблицы. К ним относятся элементы групп IA (щелочные металлы), IIA (щелочноземельные металлы), а также переходные металлы, которые занимают блок d. Металлы составляют большинство элементов таблицы.

Неметаллы находятся в верхнем правом углу таблицы, исключая благородные газы. К ним относятся такие элементы, как водород, углерод, азот, кислород, фосфор, сера и галогены (VII группа).

Между металлами и неметаллами есть полуметаллы (металлоиды), которые занимают промежуточное положение, образуя диагональ от бора (B) до теллура (Te).

Химические свойства металлов и неметаллов

Большинство реакций металлов и неметаллов являются окислительно-восстановительными. Металлы обычно выступают в роли восстановителей, а неметаллы — в роли окислителей.

Реакции с кислородом

Большинство металлов реагируют с кислородом, образуя оксиды. Характер оксида зависит от активности металла. Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) образуют основные оксиды, менее активные — амфотерные или кислотные оксиды.

• Пример: 2Na + O₂ → 2Na₂O (основный оксид)

Реакции неметаллов с кислородом приводят к образованию оксидов, которые могут проявлять кислотные свойства.

• Пример: S + O₂ → SO₂ (кислотный оксид)

Реакции с хлором

Металлы реагируют с хлором, образуя хлориды.

• Пример: 2Na + Cl₂ → 2NaCl

Многие неметаллы также реагируют с хлором, образуя хлориды.

• Пример: H₂ + Cl₂ → 2HCl

Реакции с водородом

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) реагируют с водородом при нагревании, образуя гидриды.

• Пример: 2Na + H₂ → 2NaH

Некоторые неметаллы (например, галогены) реагируют с водородом, образуя водородные соединения.

• Пример: Cl₂ + H₂ → 2HCl

Реакции с водой

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) реагируют с водой, образуя гидроксиды и водород.

• Пример: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Большинство неметаллов не реагируют с водой. Исключение составляют некоторые галогены.

Реакции с кислотами

Металлы, стоящие в ряду активности левее водорода, вытесняют водород из кислот.

• Пример: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Неметаллы, как правило, не реагируют с кислотами.

Таблица сравнения химических свойств:

Невозможно сказать, что важнее — металлы или неметаллы, так как оба класса элементов играют ключевые роли в природе и технологиях. Металлы важны для строительства, промышленности и электроники благодаря их проводимости и прочности. Неметаллы необходимы для жизни (например, кислород и углерод) и образования многих важных соединений, таких как вода и органические вещества. Оба класса элементов взаимно дополняют друг друга в природе и человеческой деятельности.