Металлы — химические элементы

Металлы — химические элементы
Большинство химических элементов (92 из I 14 известных) относят к
металлам.

Металлы — это химические элементы, атомы которых отдают
электроны внешнего (некоторые - и предвнешнего) электронного
слоя, превращаясь в положительные ионы - катионы.
Это свойство атомов металлов определяется тем, что они имеют
сравнительно большие радиусы и малое число электронов (в основном -1-3
электрона) на внешнем слое. Исключение составляют лишь атомы шести
металлов: атомы германия, олова, свинца на внешнем слое имеют 4
электрона, атомы сурьмы, висмута -5, атомы полония — 6 электронов.
Для атомов металлов характерны небольшие значения электроотрицательности (0,7-1,9) и исключительно восстановительные свойства,
т.е. они способны отдавать электроны.
В Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева
металлы находятся ниже диагонали бор — астат, а также выше диагонали в
побочных подгруппах (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Положение металлов в периодах и группах Периодической таблицы
В периодах и главных подгруппах действуют известные вам
закономерности в изменении металлических, а значит, и восстановительных
свойств атомов элементов, а именно:
• в главной подгруппе:
число электронов на внешнем слое не изменяется;
радиус атома увеличивается;
электроотрицательность уменьшатся;
восстановительные свойства усиливаются;
металлические свойства усиливаются;
• в периоде:
заряд ядра атома увеличивается;
радиус атома уменьшается;
число электронов на внешнем слое увеличивается;
электроотрицательность увеличивается;
восстановительные свойства уменьшаются;
металлические свойства ослабевают.
Химические элементы, расположенные вблизи диагонали бор — астат
(Ве, Аl, Тi, Gе, Nb, Sb и др.), обладают двойственными свойствами: в одних
соединениях эти элементы ведут себя как металлы, в других — проявляют
свойства неметаллов.
В побочных подгруппах восстановительные свойства металлов с ростом
порядкового номера чаще всего уменьшаются. Сравните активность
известных вам металлов побочной подгруппы I группы: Сu, Аg, Аu;
побочной подгруппы II группы: Zn, Сd Нg — и вы убедитесь в этом сами.
Указанную закономерность можно объяснить тем, что на прочность
связи валентных электронов с ядром у атомов этих металлов в большей
степени влияет заряд ядра, а не радиус атома. Заряд ядра значительно
увеличивается, притяжение электронов к ядру усиливается. Радиус атома при
этом хотя и увеличивается, но не столь значительно, как у металлов главных
подгрупп.
Простые вещества, образованные металлами, и сложные металлсодержащие вещества играют важнейшую роль в минеральной и
органической «жизни» Земли. Достаточно вспомнить, что атомы (ионы)
элементов-металлов являются составной частью соединений, определяющих
обмен веществ в организме человека, животных, растений (табл. 8.1).
Например, в крови человека найдено 76 элементов и только 14 из них не
являются металлами. В организме человека некоторые элементы-металлы
(кальций, калий, натрий, магний) присутствуют в большом количестве, т.е.
являются макроэлементами. А такие металлы, как хром, марганец, железо,
кобальт, медь, цинк, молибден присутствуют в небольших количествах, т.е.
это микроэлементы. Если принять массу человека равной 70 кг, то в его
организме содержится (в граммах): кальция 1700, калия 250, натрия 70,
магния 42, железа 5, цинка 3. Все металлы чрезвычайно важны. При их
недостатке возникают проблемы со здоровьем.
Например, ионы натрия регулируют содержание воды в организме,
передачу нервного импульса. Его недостаток приводит к головной боли,
слабости, ухудшению памяти, потере аппетита, а избыток — к повышению
артериального давления (гипертонии), заболеваниям сердца. Специалисты по
питанию рекомендуют взрослому человеку потреблять в сутки не более 5 г (1
чайной ложки) поваренной соли NaCl.
О единстве химической организации живой природы говорит тот факт,
что два важнейших соединения растений и животных — хлорофилл и
гемоглобин — имеют удивительное сходство в строении и отличаются лишь
природой биогенного элемента-металла: в центре молекулы хлорофилла
содержится атом магния, а гемоглобина — атом железа.
Таблица 8.1
Влияние недостатка и избытка ионов металлов на состояние
организма растений, животных и человека
Металл
Влияние металла (иона) на состояние организма
Недостаток
Литий
Натрий
Магний
Кальций
Алюминий
Марганец
Железо
Медь
Кобальт
—
Избыток
Развитие особых форм растений
У животных — мышечные
боли, слабость.
У растений — нарушение
процесса образования
хлорофилла
У растений — мраморность
листьев.
У животных — травяная
тетания**
У животных — остеопороз***
У человека — гипертония.
У растений — развитие галофитных
форм*
У растений — хлороз,
замедление образования
хлорофилла.
У животных — анемические
явления
У животных — анемия
В больших количествах токсично для
животных и растений
У человека возможно отравление
магнием (паралич дыхания)
Антагонист (т. е. действует
противоположно) магния; применяют
при отравлении магнием
—
Развитие особых форм растений.
У человека — снижение умственных
способностей, невриты
У растений — хлороз.
Нарушения развития растений.
У птиц — нарушения развития В высоких степенях окисления
крыльев
сильно токсичен
В повышенной концентрации
токсична для животных и растений
То же
У животных — малокровие —
анемия (при содержании ниже
2 ∙ 10-6 %)
Цинк
Заболевания растений
Токсичен для животных и растений
Молибден
Заболевания бобовых растений При избытке в почвах — заболевания
скота
* Галофитные формы растений — формы растений, устойчивые к повышенной
концентрации солей (в частности, хлорида натрия) в почве, в питательном растворе.
Произрастают на сильно засоленных почвах: по берегам морей, на солончаках и т.п.
** Тетания (лат. Шапиз — столбняк; греч. tetanos — напряжение, оцепенение,
судорога) — состояние организма, характеризующееся длительным сокращением и
максимальным напряжением мышц.
*** Остеопороз — заболевание, обусловленное изменением структуры костной
ткани из-за недостатка ионов Са 2 + .
Вопросы
1. Какими особенностями характеризуется строение атомов металлов?
2. Как изменяются металлические свойства химических элементов в периодах и группах
таблицы Менделеева? Как эти изменения связаны со строением атомов элементов?
3. Какие из химических элементов-металлов проявляют двойственные свойства?
Почему?
4. Какие элементы называют макроэлементами? Микроэлементами? Какие из металлов
относятся к микро- и макроэлементам?
5. Какую биологическую роль играют недостаток и избыток металлов в организме
растений и животных?
6. Укажите аналогии в химической организации растений и животных на примере
железа и магния.