Положение металлов
в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева.
Физические свойства металлов

8 класс

Цель. Дать учащимся представление о свойствах металлов как химических элементов и как простых веществ, опираясь на их знания о природе химической связи. Рассмотреть применение простых веществ-металлов на основе их свойств. Совершенствовать умение сравнивать, обобщать, устанавливать взаимосвязь строения и свойств веществ. Развивать познавательную активность учеников, применяя игровые формы учебной деятельности.

Оборудование и реактивы. Карточки-задания, карточки с символами щелочных металлов (на каждого ученика), планшеты, таблица «Металлическая связь», игры «Алхимические знаки», спиртовка, старые медные монеты, батистовый мешочек, образцы металлов.

ХОД УРОКА

Учитель. Сегодня мы изучим металлы как химические элементы и металлы как простые вещества. Что называется химическим элементом?

Ученик. Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Учитель. Из 114 известных химических элементов 92 – металлы. Где в периодической системе химических элементов расположены металлы? Как расположены элементы-металлы в периодах?

Работа по таблице «Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева».

Ученик. Металлами начинается каждый период (кроме первого), и число их возрастает с увеличением номера периода.

Учитель. Сколько элементов-металлов в каждом периоде?

Ученик. В первом периоде металлов нет, во втором их два, в третьем – три, в четвертом – четырнадцать, в пятом – пятнадцать, в шестом – тридцать.

Учитель. В седьмом периоде свойствами металла должен обладать тридцать один элемент. Давайте посмотрим расположение металлов в группах.

Ученик. Металлы – это элементы, составляющие главные подгруппы I, II, III групп периодической системы (за исключением водорода и бора), элементы IV группы – германий, олово, свинец, V группы – сурьма, висмут, VI группы – полоний. В побочных подгруппах всех групп находятся только металлы.

Учитель. Элементы-металлы расположены в левой и нижней части периодической системы. А сейчас сделайте в тетрадях задание 1 из карточки-задания.

Задание 1. Выпишите из карточек химические знаки металлов. Назовите их. Подчеркните металлы главных подгрупп.

1-й в а р и а н т. Na, В, Сu, Be, Se, F, Sr, Cs.

О т в е т. Na – натрий, Сu – медь,
Be – бериллий, Sr – стронций, Cs – цезий.

2-й в а р и а н т. K, С, Fe, Mg, Ca, О, N, Rb.

О т в е т. K – калий, Fe – железо,
Mg – магний, Ca – кальций, Rb – рубидий.

Учитель. Каковы особенности строения атомов металлов? Составьте электронные формулы атомов натрия, магния, алюминия.

(У доски работают три ученика, используя рисунок (рис. 1).)

Сколько электронов на внешнем уровне этих элементов-металлов?

Ученик. Число электронов на внешнем уровне у элементов главных подгрупп равно номеру группы, у натрия на внешнем уровне один электрон, у магния – два электрона, у алюминия – три электрона.

Учитель. Атомы металлов имеют малое число электронов (в основном от 1 до 3) на внешнем уровне. Исключение составляют шесть металлов: атомы германия, олова и свинца на внешнем слое имеют 4 электрона, атомы сурьмы, висмута – 5, атомы полония – 6. А теперь сделайте второе задание из карточки.

Задание 2. Приведены схемы электронного строения атомов некоторых элементов.

Какие это элементы? Какие из них принадлежат к металлам? Почему?

1-й в а р и а н т. 1s², 1s²2s², 1s²2s²2p⁶3s², 1s²2s²2p³.

О т в е т. Гелий, бериллий, магний, азот.

2-й вариант. 1s²2s¹, 1s²2s²2p⁶3s¹, 1s¹, 1s²2s²2p⁶3s²3p^l.

О т в е т. Литий, натрий, водород, алюминий.

Учитель. Как связаны свойства металлов с особенностями их электронного строения?

Ученик. Атомы металлов имеют меньший заряд ядра и больший радиус по сравнению с атомами неметаллов того же периода. Поэтому прочность связи внешних электронов с ядром в атомах металлов небольшая. Атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.

Учитель. Как изменяются металлические свойства в пределах одного и того же периода, одной и той же группы (главной подгруппы)?

Ученик. В пределах периода с ростом заряда атомного ядра, а соответственно и с ростом числа внешних электронов металлические свойства химических элементов уменьшаются. В пределах одной и той же подгруппы с ростом заряда атомного ядра, при постоянном числе электронов на внешнем уровне металлические свойства химических элементов увеличиваются.

Задание у доски (работают три ученика).

Указать знаком «» ослабление металлических свойств в следующих пятерках элементов. Объяснить расстановку знаков.

Пока учащиеся работают индивидуально у доски, остальные выполняют задание 3 из карточки.

Задание 3. Какой из двух элементов обладает более выраженными металлическими свойствами? Почему?

1-й в а р и а н т. Литий или бериллий.

2-й в а р и а н т. Литий или калий.

Проверка заданий.

Учитель. Итак, металлическими свойствами обладают те элементы, атомы которых имеют мало электронов на внешнем уровне (далеком до завершения). Следствие небольшого числа внешних электронов – слабая связь этих электронов с остальной частью атома – ядром, окруженным внутренними слоями электронов.

Подводится итог и записывается кратко на доске (схема), ученики записывают в тетрадях.

Схема

Учитель. Что называется простым веществом?

Ученик. Простые вещества – это вещества, которые состоят из атомов одного элемента.

Учитель. Простые вещества-металлы – это «коллективы» атомов; в силу электронейтральности каждого атома вся масса металла тоже электронейтральна, что позволяет брать в руки металлы, рассматривать их.

Демонстрация образцов металлов: никель, золото, магний, натрий (в склянке под слоем керосина).

А вот натрий голыми руками брать нельзя – руки влажные, при взаимодействии с влагой образуется щелочь, а она разъедает кожу, ткани, бумагу и другие материалы. Так что последствия для руки могут быть печальными.

Задание 4. Определите металлы из числа выданных: свинец, алюминий, медь, цинк.

(Образцы металлов пронумерованы. Ответы записаны на обратной стороне доски.)

Проверка задания.

Учитель. В каком агрегатном состоянии при обычных условиях находятся металлы?

Ученик. Металлы – это твердые кристаллические вещества (кроме ртути).

Учитель. Что находится в узлах кристаллической решетки металлов и что между узлами?

Ученик. В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы и атомы металлов, между узлами – электроны. Эти электроны становятся общими для всех атомов и ионов данного куска металла и могут свободно перемещаться по всей кристаллической решетке.

Учитель. Как называют электроны, которые находятся в кристаллической решетке металлов?

Ученик. Их называют свободными электронами или «электронным газом».

Учитель. Какой тип связи характерен для металлов?

Ученик. Это металлическая связь.

Учитель. Что называется металлической связью?

Ученик. Связь между всеми положительно заряженными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов называется металлической связью.

Учитель. Металлическая связь обуславливает важнейшие физические свойства металлов. Металлы непрозрачны, обладают металлическим блеском, обусловленным способностью отражать падающие на их поверхность световые лучи. В наибольшей степени эта способность проявляется у серебра и индия.

Металлы имеют блеск в компактном куске, а в мелкодисперсном состоянии большинство из них черного цвета. Однако алюминий, магний сохраняют металлический блеск даже в порошкообразном состоянии (демонстрация алюминия и магния в порошке и в пластинках).

Все металлы – проводники теплоты и электрического тока. Хаотически движущиеся электроны в металле под воздействием приложенного электрического напряжения приобретают направленное движение, т.е. создают электрический ток.

Как вы думаете, изменяется ли электрическая проводимость металла при повышении температуры?

Ученик. С повышением температуры электропроводность снижается.

Учитель. Почему?

Ученик. При повышении температуры возрастает амплитуда колебаний атомов и ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки металла. Это затрудняет перемещение электронов, и электрическая проводимость металла падает.

Учитель. Электропроводность металлов возрастает от Hg к Ag:

Hg, Pb, Fe, Zn, Al, Au, Cu, Ag.

Чаще всего с той же закономерностью, как и электрическая проводимость, изменяется теплопроводность металлов. Можете ли вы привести пример, доказывающий теплопроводность металлов?

Ученик. Если в алюминиевую кружку налить горячую воду, она нагреется. Это свидетельствует о том, что алюминий проводит теплоту.

Учитель. Чем обусловлена теплопроводность металлов?

Ученик. Она обусловлена большой подвижностью свободных электронов, которые сталкиваются с колеблющимися ионами и атомами, обмениваются с ними энергией. Поэтому происходит выравнивание температуры по всему куску металла.

Учитель. Весьма ценным свойством металлов является пластичность. На практике она проявляется в том, что под ударами молота металлы не дробятся на куски, а расплющиваются – они ковки. Почему металлы пластичны?

Ученик. Механическое воздействие на кристалл с металлической связью вызывает смещение слоев ионов и атомов относительно друг друга, а т.к. электроны перемещаются по всему кристаллу, разрыва связи не происходит, поэтому для металлов характерна пластичность (рис. 2, а).

Учитель. Ковкие металлы: щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий), железо, золото, серебро, медь. Некоторые металлы – осмий, иридий, марганец, сурьма – хрупкие. Самым пластичным из драгоценных металлов является золото. Один грамм золота можно вытянуть в проволоку длиной в два километра.

А что происходит под действием удара с веществами с атомной или ионной кристаллической решеткой?

Ученик. Вещества с атомной или ионной решеткой под действием удара разрушаются. При механическом воздействии на твердое вещество с атомной решеткой смещаются отдельные ее слои – сцепление между ними нарушается из-за разрыва ковалентных связей. Разрыв связей в ионной решетке приводит к взаимному отталкиванию одноименно заряженных ионов (рис. 2, б, в).

Учитель. Электропроводность, теплопроводность, характерный металлический блеск, пластичность, или ковкость, – такая совокупность признаков присуща только металлам. Эти признаки проявляются в металлах и являются специфическими свойствами.

Специфические свойства находятся в обратной зависимости от прочности металлической связи. Остальные свойства – плотность, температуры кипения и плавления, твердость, агрегатное состояние – общие, присущие всем веществам признаки.

Плотность, твердость, температуры плавления и кипения металлов различны. Плотность металла тем меньше, чем меньше его относительная атомная масса и чем больше радиус атома. Наименьшая плотность у лития – 0,59 г/см³, наибольшая у осмия – 22,48 г/см³. Металлы, плотность которых ниже пяти, называют легкими, а металлы с плотностью больше пяти – тяжелыми.

Самый твердый металл – хром, самые мягкие – щелочные металлы.

Самую низкую температуру плавления имеет ртуть, t_пл(Hg) = –39 °С, а самую высокую – вольфрам, t_пл(W) = 3410 °С.

Такие свойства, как температура плавления, твердость, находятся в прямой зависимости от прочности металлической связи. Чем прочнее металлическая связь, тем жестче неспецифические свойства. Обратите внимание: у щелочных металлов прочность металлической связи уменьшается в периодической таблице сверху вниз и, как следствие, закономерно уменьшается температура плавления (растет радиус, влияние заряда ядра уменьшается, при больших радиусах и единственном валентном электроне щелочные металлы легкоплавки). Например, цезий можно расплавить теплом ладони. Но не стоит брать его голой рукой!

Игра «Кто быстрее»

На доске вывешиваются планшеты (рис. 3). На каждой парте набор карточек с химическими знаками щелочных металлов.

Задание. Опираясь на известные закономерности изменения температуры плавления щелочных металлов, разместить карточки в соответствии с данными планшетами.

О т в е т. a – Li, Na, K, Rb, Cs;
б – Cs, Rb, K, Na, Li; в – Cs, Li, Na, Rb, K.

Уточняются и обобщаются ответы учащихся.

Ученик (cообщение). Металлы различаются своим отношением к магнитным полям. По этому свойству их делят на три группы: ферромагнитные металлы – способные хорошо намагничиваться при действии слабых магнитных полей (например, железо, кобальт, никель и гадолиний); парамагнитные металлы – проявляющие слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром, титан и большая часть лантаноидов); диамагнитные металлы – не притягивающиеся к магниту и даже слегка отталкивающиеся от него (например, висмут, олово, медь).

Обобщается изученный материал – учитель записывает на доске, учащиеся пишут в тетрадях.

Физические свойства металлов

Специфические:

металлический блеск,

электропроводность,

теплопроводность,

пластичность.

Обратно пропорциональная зависимость от прочности металлической связи.

Неспецифические: плотность,

t плавления,

t кипения,

твердость,

агрегатное состояние.

Прямо пропорциональная зависимость от прочности металлической связи.

Учитель. Физические свойства металлов, вытекающие из свойств металлической связи, обуславливают их разнообразное применение. Металлы и их сплавы – важнейшие конструкционные материалы современной техники; они идут на изготовление машин и станков, необходимых в промышленности, различных транспортных средств, строительных конструкций, сельскохозяйственных машин. В связи с этим сплавы железа, алюминия производят в больших количествах. Металлы широко применяются в электротехнике. Из каких металлов делают электрические провода?

Ученик. В электротехнике из-за дороговизны серебра в качестве материала для электропроводки используют медь и алюминий.

Учитель. Без этих металлов невозможно было бы передать электрическую энергию на расстояние в сотни, тысячи километров. Предметы быта также изготовлены из металлов. Почему кастрюли делают из металлов?

Ученик. Металлы теплопроводны и прочны.

Учитель. Какое свойство металлов используют для изготовления зеркал, рефлекторов, елочных игрушек?

Ученик. Металлический блеск.

Учитель. Легкие металлы – магний, алюминий, титан – широко используют в самолетостроении. Из титана и его сплавов изготавливают многие детали самолетов, ракет. Трение о воздух при больших скоростях вызывает сильное разогревание обшивки самолета, а прочность металлов при нагреве обычно значительно снижается. У титана и его сплавов в условиях сверхзвуковых полетов снижение прочности почти не наблюдается.

В тех случаях, когда необходим металл с большой плотностью (пули, дробь), часто используют свинец, хотя плотность свинца (11,34 г/см³) значительно ниже, чем некоторых более тяжелых металлов. Но свинец довольно легкоплавок и поэтому удобен при обработке. К тому же он несравнимо дешевле осмия и многих других тяжелых металлов. Ртуть, как жидкий при обычных условиях металл, применяют в измерительных приборах; вольфрам – во всех случаях, когда требуется металл, противостоящий особенно высоким температурам, например для нитей накаливания электролампочек. Чем это обусловлено?

Ученик. У ртути – низкая температура плавления, а у вольфрама – высокая.

Учитель. Металлы также отражают радиоволны, что используется в радиотелескопах, улавливающих радиоизлучение искусственных спутников Земли, и в радиолокаторах, обнаруживающих самолеты на больших расстояниях.

Благородные металлы – серебро, золото, платина – используются для изготовления украшений. Потребителем золота является электронная отрасль промышленности: оно используется для изготовления электрических контактов (в частности, аппаратура пилотируемого космического корабля содержит достаточно много золота).

А теперь сделайте задание из карточки.

Задание 5. Подчеркнуть, какой из приведенных металлов самый:

1) широко используемый: золото, серебро, железо;

2) ковкий: литий, калий, золото;

3) тугоплавкий: вольфрам, магний, цинк;

4) тяжелый: рубидий, осмий, цезий;

5) электропроводный: никель, свинец, серебро;

6) твердый: хром, марганец, медь;

7) легкоплавкий: платина, ртуть, литий;

8) легкий: калий, франций, литий;

9) блестящий: калий, золото, серебро.

Демонстрация опыта

Для опыта берется 5–10 штук медных (старых) монет, которые подвешивают в батистовом мешочке над пламенем спиртовки. Ткань не загорается. Почему?

Ученик. Медь хороший проводник тепла, тепло сразу передается металлу, и ткань не успевает загореться.

Учитель. Металлы известны человеку давно.

Ученик (сообщение). Еще в глубокой древности человеку были известны семь металлов. Семь металлов древности соотносили с семью известными тогда планетами и обозначали символическими значками планет. Знаки золота (Солнца) и серебра (Луны) понятны без особых пояснений. Знаки же других металлов считались атрибутами мифологических божеств: ручное зеркало Венеры (медь), щит и копье Марса (железо), трон Юпитера (олово), коса Сатурна (свинец), жезл Меркурия (ртуть).

Взгляды алхимиков о связи планет с металлами очень удачно выражают следующие строки стихотворения Н.А.Морозова «Из записок алхимика»:

«Семь металлов создал свет,
По числу семи планет.
Дал нам космос на добро
Медь, железо, серебро,
Злато, олово, свинец.
Сын мой, сера – их отец.
И спеши, мой сын, узнать:
Всем им ртуть – родная мать».

Эти представления были настолько прочными, что, когда для открытых в средние века сурьмы
и висмута не нашлось планет, их просто не посчитали металлами.

Держа свои опыты в тайне, алхимики всевозможными способами зашифровывали описания полученных веществ.

Учитель. И вы, используя алхимические обозначения, дома составили игру «Алхимические знаки».

Условие игры: на рисунке (рис. 4) приведены древние алхимические знаки металлов. Определите, какой планете принадлежит каждый символ и, взяв из названия по одной букве, той, что указаны на рисунке, прочтите название элемента-металла.

О т в е т ы. Самарий, рутений, платина.

Учащиеся обмениваются играми, отгадывают названия металлов.

Учитель. М.В.Ломоносов так говорил о металлах: «Металлом называется твердое, непрозрачное и светлое тело, которое на огне плавить и холодное ковать можно» и относил это свойство к металлам: золоту, серебру, меди, олову, железу и свинцу.

В 1789 г. французский химик А.Л.Лавуазье в своем руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов стало быстро возрастать. В первой половине XIX в. были открыты платиновые металлы; получены путем электролиза некоторые щелочные и щелочно-земельные металлы; положено начало разделению редкоземельных металлов; при химическом анализе минералов открыты неизвестные ранее металлы. В начале 1860 г. с помощью спектрального анализа были открыты рубидий, цезий, индий, таллий. Блестяще подтвердилось существование металлов, предсказанных Менделеевым на основе его периодического закона (галлия, скандия и германия). Открытие радиоактивности в конце XIX в. повлекло за собой поиски радиоактивных металлов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений, начиная с середины XX в. были получены не существующие в природе радиоактивные металлы, в том числе и те, что принадлежат к трансурановым элементам. В истории материальной культуры, древней и новой, металлы имеют первостепенное значение.

Учитель подводит итог урока.

Домашнее задание

1. Найдите ответы на вопросы.

• Чем отличается строение атомов металлов от строения атомов неметаллов?

• Назовите два металла, легко расстающихся с электронами по «просьбе» световых лучей.

• Можно ли принести в кабинет химии из соседнего кабинета ведро ртути?

• Почему некоторые металлы пластичные (например, медь), а другие – хрупкие (например, сурьма)?

• В чем причина присутствия у металлов специфических свойств?

• Где можно встретить в быту:

а) вольфрам, б) ртуть, в) медь, г) серебро?

На каких физических свойствах данного металла основано применение его в быту?

• Какой металл академик А.Е.Ферсман назвал «металлом консервной банки»?

2. Посмотрите на рисунок и объясните, почему металлы использованы именно таким образом, а не наоборот.

3. Решите головоломки.

• Головоломка «Пять + два».

Впишите в горизонтальные ряды названия следующих химических элементов, оканчивающихся на -ий:

а) щелочной металл;

б) благородный газ;

в) щелочно-земельный металл;

г) элемент семейства платины;

д) лантаноид.

Если названия элементов будут вписаны правильно, то по диагоналям: сверху вниз и снизу вверх можно будет прочесть названия еще двух элементов.

О т в е т ы. а – Цезий, б – гелий, в – барий, г – родий, д – тулий.
По диагонали: церий, торий.

• Головоломка «Класс».

Впишите названия пяти химических элементов, состоящие из семи букв каждое, таким образом, чтобы ключевое слово было КЛАСС.

О т в е т ы. Кальций (кобальт), лютеций,
актиний, скандий, серебро (самарий).

• Головоломка «Семь букв».

Впишите названия химических элементов в вертикальные ряды.

Ключевое слово – КИСЛОТА.

О т в е т ы. Калий, индий, селен, литий,
осмий, тулий, аргон (астат).

 

Л.П.ИВАНОВА,
учитель химии
Новинской средней школы
(Астраханская обл.)