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.