Најважније из лекције
\[
\begin{array}{|l|l|l|l|}
\hline
\textbf{Особина} & \textbf{Метали} & \textbf{Металоиди} & \textbf{Неметали} \\ \hline
\text{Положај у ПСЕ} & \text{1, 2. група, d, f-блок, део p-блока} & \text{p-блок (дијагонала B–At)} & \text{p-блок и водоник (H)} \\ \hline
\text{Агрегатно стање (СТП)} & \text{Чврсто (осим Hg)} & \text{Чврсто} & \text{Гасовито, чврсто (Br}_2\text{ течан)} \\ \hline
\text{Проводљивост} & \text{Одлични проводници} & \text{Полупроводници} & \text{Изолатори (осим графита)} \\ \hline
\text{Температуре топљења} & \text{Углавном високе (W: } 3422^\circ\text{C)} & \text{Углавном високе} & \text{Ниске (изузетак: C)} \\ \hline
\text{Карактеристичне везе} & \text{Метална веза} & \text{Ковалентна веза} & \text{Ковалентна + ван дер Валс} \\ \hline
\end{array}
\]
Кључни закључци:
- Јачина металне везе расте са већим бројем валентних електрона и мањим полупречником атома.
- Неметали се слабо растварају у поларној води, а добро у неполарним растварачима (нпр. \(I_2\), \(S_8\)).
- Металоиди попут силицијума и германијума имају кључну улогу као полупроводници.
Метали чине највећи део Периодног система елемената: 1. групу (алкални метали), 2. групу (земноалкални метали), d-блок (прелазни метали), f-блок (лантаноиди и актиноиди), као и део p-блока (\(\text{Al}, \text{Sn}, \text{Pb}\)).
Својства метала одређена су металном хемијском везом - кристалном решетком позитивних јона уроњених у „море” покретљивих (делокализованих) валентних електрона.
Општа физичка својства метала:
- Чврсто агрегатно стање на СТП (једини изузетак је жива, \(\text{Hg}\), која је течна, \(t_t = -38,33 ^\circ\text{C}\)).
- Сиве су боје и металног сјаја (изузеци: бакар \(\text{Cu}\) је црвене, злато \(\text{Au}\) жуте боје).
- Добра топлотна проводљивост (најбољи: сребро \(\text{Ag}\)) и електрична проводљивост (најбољи: \(\text{Ag}, \text{Cu}, \text{Au}\)).
- Механичка обрадивост (ковање, ваљање у лимове, извлачење у жице).
- Магнетна својства показују гвожђе (\(\text{Fe}\)), кобалт (\(\text{Co}\)) и никл (\(\text{Ni}\)).
Који метали имају изразита магнетна својства, а који метали представљају најбоље проводнике електричне струје?
Магнетна својства показују гвожђе (\(\text{Fe}\)), кобалт (\(\text{Co}\)) и никл (\(\text{Ni}\)). Најбољи проводници електричне струје су сребро (\(\text{Ag}\)), бакар (\(\text{Cu}\)) и злато (\(\text{Au}\)).
Јачина металне везе зависи од броја валентних електрона и величине (полупречника) атома. Са променом ових фактора кроз периоде и групе периодично се мењају и физичка својства.
Периодични трендови својстава метала:
- Температура топљења:
- Алкални метали (1. група): имају само 1 делокализован валентни електрон по атому \(\rightarrow\) најслабија веза \(\rightarrow\) најниже температуре топљења (нпр. \(\text{Na} = 97,5 ^\circ\text{C}\), \(\text{Cs} = 28,5 ^\circ\text{C}\)). Метали \(\text{Cs}, \text{Rb}, \text{Ga}\) топе се на температури људског тела/длану.
- Земноалкални метали (2. група): имају 2 валентна електрона \(\rightarrow\) јача метална веза \(\rightarrow\) више температуре топљења у односу на алкалне метале исте периоде (нпр. \(\text{Mg} = 650 ^\circ\text{C}\), \(\text{Ca} = 810 ^\circ\text{C}\)).
- Прелазни метали (d-блок): укључују и d-електроне \(\rightarrow\) веома јаке везе и веома високе температуре топљења (нпр. \(\text{Fe} = 1535 ^\circ\text{C}\), \(\text{W} = 3422 ^\circ\text{C}\)).
- Густина метала:
- Лаки метали (\(\rho < 5\text{ g/cm}^3\)): магнезијум (\(1,7\text{ g/cm}^3\)), алуминијум (\(2,7\text{ g/cm}^3\)).
- Тешки метали (\(\rho > 5\text{ g/cm}^3\)): бакар (\(8,3\text{ g/cm}^3\)), олово (\(11,3\text{ g/cm}^3\)), злато (\(19,3\text{ g/cm}^3\)), платина (\(21,4\text{ g/cm}^3\)).
Поређење тачака топљења елемената 3. периоде: натријум (\(_{11}\text{Na}\)) са једним валентним електроном топи се на \(97,5 ^\circ\text{C}\), магнезијум (\(_{12}\text{Mg}\)) са два на \(650 ^\circ\text{C}\), а алуминијум (\(_{13}\text{Al}\)) са три на \(660 ^\circ\text{C}\).
Зашто берилијум (\(_{4}\text{Be}\)) има неуобичајено високу температуру топљења (\(1280 ^\circ\text{C}\)) у поређењу са осталим земноалкалним металима?
Берилијум има веома мали атомски полупречник, због чега су привлачне силе између језгра и делокализованих валентних електрона знатно јаче, што узрокује изразито јаку металну везу.
Неметали су мање бројни од метала, али су веома распрострањени у природи. У молекулима и кристалним решеткама повезани су неполарним ковалентним везама, а између молекула делују слабе ван дер Валсове силе.
Агрегатна стања неметала на СТП:
- Гасовити: двоатомни молекули (\(\text{H}_2, \text{N}_2, \text{O}_2, \text{F}_2, \text{Cl}_2\)), троатомни озон (\(\text{O}_3\)) и једноатомни племенити гасови (18. група). Флуор и хлор су обојени жутозелени гасови.
- Течни: бром (\(\text{Br}_2\)) је једини течни неметал (испарљива смеђа течност).
- Чврсти: угљеник (\(\text{C}_n\)), фосфор (\(\text{P}_4, \text{P}_n\)), сумпор (\(\text{S}_8\)), јод (\(\text{I}_2\)).
Алотропија је појава да се исти хемијски елемент јавља у више различитих облика (алотропских модификација):
- Кисеоник: диоксиген (\(\text{O}_2\)) и озон (\(\text{O}_3\)).
- Угљеник: дијамант (атомска решетка, изузетно тврд, изолатор) и графит (слојевита структура, проводи струју).
- Фосфор: бели (\(\text{P}_4\)) и црвени (\(\text{P}_n\)).
- Сумпор: ромбични и моноклинични (\(\text{S}_8\)).
Због неполарне природе, неметали се слабо растварају у води (поларном растварачу), али се добро растварају у неполарним растварачима (нпр. јод се раствара у неполарним растварачима, а сумпор у \(\text{CS}_2\)). Изузетак су флуор и хлор који хемијски реагују са водом.
Који неметал представља изузетак од правила да неметали не проводе електричну струју, а који је изузетак по питању тврдоће?
Графит проводи електричну струју због покретљивих електрона између слојева, док је дијамант најтврђа позната супстанца због изузетно јаке тродимензионалне ковалентне атомске структуре (обе супстанце су алотропске модификације угљеника).
Металоиди су елементи смештени на граници између метала и неметала у p-блоку: бор (\(\text{B}\)), силицијум (\(\text{Si}\)), германијум (\(\text{Ge}\)), арсен (\(\text{As}\)), антимон (\(\text{Sb}\)), телур (\(\text{Te}\)) и астат (\(\text{At}\)).
Карактеристике металоида:
- На СТП су сви у чврстом агрегатном стању.
- Немају изражен метални сјај.
- Имају прелазне вредности густине и углавном високе температуре топљења.
- Полупроводници: проводе топлоту и електричну струју боље од неметала, а слабије од метала.
Силицијум (\(\text{Si}\)): Гради кристалну решетку сличну дијаманту. Због већег полупречника атома ковалентне везе су слабије него код дијаманта, што му омогућава да проводи електричну струју као полупроводник, због чега има кључну примену у микроелектроници.
На основу чега се металоиди сврставају у посебну групу елемената и којем блоку Периодног система припадају?
Металоиди припадају p-блоку. Сврставају се у посебну групу јер показују прелазна својства - комбинацију физичких и хемијских својстава карактеристичних и за метале (нпр. проводљивост струје) и за неметале (нпр. кртост, ковалентна повезаност).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који хемијски елементи су на собној температури и атмосферском притиску у течном агрегатном стању? Навести један метал и један неметал.
Једини течни метал је жива (\(\text{Hg}\)), а једини течни неметал је бром (\(\text{Br}_2\)).
Задатак 2 (средњи): Зашто се температура топљења алкалних метала смањује од литијума ка цезијуму, док је код прелазних метала температура топљења знатно виша?
Код алкалних метала расте атомски полупречник идући низ групу (од \(\text{Li}\) до \(\text{Cs}\)), па је привлачна сила између позитивних јона и једног валентног електрона све слабија, што доводи до пада температуре топљења. Прелазни метали имају знатно више температуре топљења јер у грађењу металне везе поред s-електрона учествују и електрони из d-поднивоа, чинећи металну везу изузетно јаком.
Задатак 3 (средњи): Разврстај следеће супстанце на лаке метале, тешке метале, неметале и металоиде: \(\text{Al}, \text{Si}, \text{Au}, \text{S}_8, \text{Mg}, \text{Ge}, \text{Pb}, \text{Cl}_2\).
- Лаки метали (\(\rho < 5\text{ g/cm}^3\)): \(\text{Al}, \text{Mg}\)
- Тешки метали (\(\rho > 5\text{ g/cm}^3\)): \(\text{Au}, \text{Pb}\)
- Неметали: \(\text{S}_8, \text{Cl}_2\)
- Металоиди: \(\text{Si}, \text{Ge}\)
Задатак 4 (тежак): На основу врсте хемијске везе и међучестичних интеракција објасни зашто дијамант и хлор (\(\text{Cl}_2\)), иако су оба неметали, имају драстично различите температуре топљења (дијамант преко \(3500 ^\circ\text{C}\), а хлор \(-101 ^\circ\text{C}\)).
Дијамант има атомску кристалну решетку у којој су сви атоми угљеника повезани веома јаким ковалентним везама у чврсту тродимензионалну мрежу, за чије је раскидање потребна огромна енергија. Хлор се састоји од засебних двоатомних молекула (\(\text{Cl}_2\)) између којих делују само врло слабе међумолекулске (ван дер Валсове) силе, које се лако савладавају и на веома ниским температурама.
