015 – Proprietăți ale metalelor

Tabelul periodic este, înainte de toate, un sumar al comportamentului. Elementele sunt plasate acolo unde sunt datorită modului în care conduc electricitatea, a modului în care se deformează și a substanțelor cu care reacționează, iar aceleași proprietăți sunt cele care îi spun unui inginer dacă un material aparține unui fir, unui radiator, unei grinzi structurale sau unei baterii. Distingerea unui metal de un nemetal și de un metaloid este prima clasificare pe care o învață un chimist, și ea se face nu căutând un răspuns, ci prin testare.

Patru proprietăți fizice și două chimice separă clasele. Metalele conduc electricitatea deoarece electronii lor exteriori sunt delocalizați și liberi să plutească prin rețea; aceiași electroni mobili transportă căldura, oferă suprafeței luciul său reflectorizant și permit planurilor rețelei să alunece unul pe lângă celălalt fără să se rupa, ceea ce reprezintă maleabilitatea. Nemetalele își țin electronii în legături covalente localizate și nu fac niciuna dintre aceste lucruri. Metaloizii se află la mijloc: rețeaua covalentă a siliciului transmite căldura sub formă de vibrații foarte bine, dar eliberează aproape deloc purtători de sarcină, ceea ce îl face exact un semiconductor. Din punct de vedere chimic, un metal situat deasupra hidrogenului în seria activității îl dizlocă din acid, iar cele mai reactive metale – familiile metalelor alcaline și alcalino-pământoase din stânga tabelului – fac acest lucru numai din apă, lăsând în urmă un hidroxid și, prin urmare, o soluție puternic bazică.

În acest laborator veți testa zece elemente. Cinci — zinc, sulf, siliciu, fier și plumb — sunt examinate pentru conductibilitate electrică și termică, luciu, maleabilitate și reacție cu acid clorhidric 1 M, fiind clasificate pe baza rezultatelor. Alte cinci — litiu, sodiu, potasiu, magneziu și calciu — sunt introduse în apă distilată, fiind urmărite pentru efervescență și testate cu hârtie de turnesol roșie și albastră pentru a stabili dacă s-a format o bază. Tabelul cu rezultate completat este o mică versiune experimentală a blocului din stânga al tabelului periodic.

Obiective educaționale

Familiarizarea cu mediul de laborator

• Localizați și folosiți echipamentul unui stand de încercare a materialelor: detectorul de conductivitate electrică, cleștii, hârtia abrazivă, cele două seturi de pahare de laborator, pipeta și hârtiile de turnesol împreună cu grila de pH.

Utilizarea echipamentului de protecție și manipularea în siguranță a metalelor reactive

• Purtați mănuși și ochelari de protecție și manipulați fiecare probă de metal cu clești, nu cu mâna.
• Metalele alcaline sunt adăugate în apă în bucăți mici și în spatele unor ochelari de protecție deoarece reacționează violent și exoterm, eliberând hidrogen gazos care se poate aprinde sau exploda. Acidul clorhidric 1 M necesită aceeași grijă deoarece este o substanță puternic corozivă care poate provoca arsuri grave ale pielii și leziuni oculare ireversibile în caz de stropire.

Testarea proprietăților fizice

• Utilizați corect detectorul de conductivitate și mai întâi șlefuiți o probă cu hârtie abrazivă, astfel încât oxidul de suprafață să nu mascheze metalul de dedesubt.
• Evaluați conductibilitatea termică, luciul metalic și maleabilitatea și descrieți fiecare observație în termeni pe care un alt elev i-ar putea reproduce.

Testarea proprietăților chimice

• Observați reacția fiecăruia dintre cele cinci elemente cu acid clorhidric 1 M și notați dacă se degajă hidrogen.
• Puneți probele de metale alcaline și alcalino-pământoase în apă distilată, observați efervescența și utilizați hârtie de turnesol roșie și albastră pentru a determina dacă soluția rezultată este bazică.

Clasificarea elementelor pe baza dovezilor

• Atribuie fiecare element la categoria de metal, nemetal sau semimetal pe baza celor șase teste, mai degrabă decât pe baza poziției sale în tabel.
• Explicați care singură proprietate este cea mai diagnostică și ce observații, prin ele însele, ar fi înșelătoare.

Corelarea comportamentului cu tendințele periodice

• Corelați conductivitatea, luciul și maleabilitatea cu electronii delocalizați din rețeaua metalică.
• Relaționați reactivitatea cu acidul și cu apa cu poziția în seria de reactivitate și cu ușurința cu care un atom își pierde electronul exterior.

Înregistrarea și interpretarea unei matrice de rezultate

• Completați un tabel cu zece elemente și șase proprietăți și analizați tendințele pe rânduri și pe coloane.
• Identificați rubricile care necesită o notă explicativă, în loc de un simplu „da” sau „nu”.

Protocol

Partea A: Proprietățile metalelor, nemetalelor și metaloizilor

Conductivitate electrică

1. Porniți detectorul de conductivitate electrică (ECD).
2. Luați o probă de zinc cu cleștele.
3. Amplasează electrozii ECD pe piesa de zinc (asigură-te că ambii electrozi sunt simultan în contact cu piesa).
4. Observați dacă becul ECD se aprinde sau nu, rezultatul se găsește în tabelul de rezultate.
5. Repetați pașii 2 până la 4 cu bucățile de sulf, siliciu, fier și plumb.

Conductivitate termică

1. Luați o probă de zinc cu cleștele.
2. Pune palma mâinii libere pe piesa de zinc. Rezultatul senzației la atingere se înregistrează în tabelul de rezultate.
3. Repetați pașii 1 și 2 cu bucățile de sulf, siliciu, fier și plumb.

Strălucește

1. Luați o probă de zinc cu cleștele.
2. Cu cealaltă mână, freacă ușor piesa de zinc cu o hârtie abrazivă pentru a îndepărta orice urmă de murdărie sau oxidare de pe una dintre părțile sale.
3. Observați zona frecată, observația se găsește în tabelul de rezultate, fie că arată sau nu o strălucire metalică.
4. Pune piesa în coșul de recuperare.
5. Repetați pașii 1, 2 și 3 cu bucățile de sulf, siliciu, fier și plumb.

Maleabilitate

1. Luați o probă de zinc cu cleștele.
2. Cu cealaltă mână, luați cleștele pentru îndoit și încercați să îndoiți proba de zinc.
3. Notați maleabilitatea în tabelul de rezultate. Dacă piesa se îndoaie ușor, este maleabilă. Dacă se rupe sau nu se îndoaie, nu este maleabilă.
4. Pune piesa în coșul de recuperare.
5. Repetați pașii 1 până la 4 cu bucățile de sulf, siliciu, fier și plumb.

Reacție la acid

1. Plasați o bucată de zinc, sulf, siliciu, fier și plumb în fiecare dintre cele 5 eprubete de 50 mL deja identificate prin nume.
2. Folosind pipeta, aspiră soluția de acid clorhidric (HCl 1 M) și toarnă câteva picături pe bucata de zinc.
3. Observați dacă are loc o reacție de efervescență (prezența unor bule mici). Reacția va fi notată în tabelul de rezultate.
4. Repetați pașii 2 și 3 cu bucățile de sulf, siliciu, fier și plumb.

Partea B: Proprietățile metalelor alcaline și ale metalelor alcalino-pământoase

Reacție cu apa

1. În eprubetele identificate litiu, sodiu, potasiu, magneziu și calciu, se toarnă 50 mL de apă distilată.
2. Înmuiați o hârtie de turnesol roșie și o hârtie de turnesol albastră în fiecare pahar pentru a confirma neutralitatea apei utilizate în pahare.

Un mediu neutru nu va schimba culoarea hârtiilor de turnesol.

3. Cu ajutorul pensetei, prelevați o mostră din substanțele litiu, sodiu, potasiu, magneziu și calciu și introduceți-le în câte un pahar Erlenmeyer de 50 mL (care conțin apa distilată) deja identificate cu nume.

Observați dacă are loc o reacție de efervescență (prezența unor bule mici). Reacția va fi notată în tabelul de rezultate.

4. Introduceți din nou o bucată de hârtie de turnesol roșu și o bucată de hârtie de turnesol albastru în fiecare pahar.

Rezultate anticipate

Tabelul cu rezultatele finalizate. Șase teste pe zece elemente. Cele cinci elemente din stânga tabelului sunt testate cu acid clorhidric 1 M; metalele alcaline și alcalino-pământoase din dreapta sunt testate și cu apă distilată.

Citirea tabelului. Conductibilitatea electrică este singura coloană cea mai decisivă: doar sulful și siliciul nu o trec, iar tot ce o trece prezintă și luciu. Maleabilitatea separă și mai mult setul — magneziul și calciul sunt casante mai degrabă decât maleabile, în ciuda faptului că sunt metale inconfundabile, o reamintire a faptului că maleabilitatea depinde de modul în care sunt stivuite planele rețelei, nu doar de prezența legăturilor metalice. Reacția cu apa este coloana care izolează cele două familii din extremitatea stângă: litiul, sodiul, potasiul și calciul reacționează, magneziul nu în mod sesizabil la temperatura camerei, iar niciuna dintre cele cinci probe de tranziție sau post-tranziție nu o face.

De ce conduc metalele. Într-o rețea metalică, electronii exteriori nu sunt legați de atomi individuali, ci ocupă stări delocalizate care se extind prin întregul cristal. O tensiune aplicată pune acea mare de electroni în derivă, ceea a ce reprezintă conducția electrică; aceiași electroni care se mișcă rapid transportă, de asemenea, energie cinetică din regiunile calde către cele reci, motiv pentru care bunii conductori electrici sunt aproape întotdeauna buni conductori termici, și ei reflectă lumina vizibilă în tot spectrul, ceea ce reprezintă luciul metalic. Deoarece legătura nu este direcțională, un plan de ioni poate aluneca peste celălalt fără ca legătura să fie ruptă — de aici maleabilitatea, cu condiția ca structura cristalină să permită alunecarea.

Siliciul, metaloidul. Siliciul este exemplul edificator. Conduce bine căldura — aproximativ 149 W/(m·K), mai bine decât fierul — deoarece căldura se propagă prin rețeaua sa covalentă rigidă sub formă de vibrații, care nu au nevoie deloc de electroni liberi. Dar aceleași legături covalente mențin fiecare electron de valență la locul lui, astfel încât siliciul pur nu transportă aproape deloc curent: la temperatura camerei, doar o fracțiune neglijabilă de electroni are suficientă energie pentru a trece peste banda sa interzisă. Conducția termică prin vibrația rețelei și conducția sarcinii prin electroni mobili sunt mecanisme distincte, iar siliciul îl are pe unul fără celălalt. Tocmai aceasta este proprietatea care îl face semiconductor și baza întregii industriei electronice, deoarece adăugarea deliberată de impurități îi sporește conductibilitatea cu ordine de mărime.

Sulfur, nemetalul. Sulful este singura probă de aici care nu trece niciun test. Moleculele sale sunt atomi discreți de S₈ inele menținute împreună prin forțe de dispersie slabe: fără electroni delocalizați, deci fără conducție și fără luciu; nicio rețea continuă care să alunece, deci se sparge în loc să se deformeze; și nicio tendință de a ceda electroni ionilor de hidrogen, deci nicio reacție cu acidul.

Cei mai buni conductori sunt în stânga. Contrar așteptărilor, metalele alcaline și alcalino-pământoase depășesc performanțele metalelor structurale cunoscute din această serie. Calciul atinge aproximativ 3,0 × 10⁷ S/m și 201 W/(m·K), înaintea atât a fierului, cât și a plumbului. Ele nu sunt folosite ca conductori din motivul evident: corodează sau reacționează la contactul cu aerul și apa. Utilitatea în inginerie este o combinație de proprietăți, nu una singură.

Reacție cu acid. Un metal displacează hidrogenul dintr-un acid dacă se află deasupra hidrogenului în seria reactivității, adică dacă potențialul său standard de reducere este negativ:

M(s) + 2 H⁺(aq) → M²⁺(aq) + H₂(g)

Atât zincul (E° = −0,76 V), cât și fierul (E° = −0,44 V) produc un flux constant de bule de hidrogen. „Plumb” este termenul care necesită o precizare. Plumbul reacționează cu acidul clorhidric — este situat deasupra hidrogenului, la E° = −0,13 V — însă reacția este foarte slabă. Clorura de plumb(II) pe care o formează este doar greu solubilă, aproximativ 10 g/L la temperatura camerei, așa că se depune pe metal aproape imediat și etanșează suprafața: apar câteva bule de hidrogen, după care reacția aproape încetează complet. Vă puteți aștepta la o efervescență slabă și de scurtă durată, mai degrabă decât la degajarea constantă observată în cazul zincului sau al fierului. Tabelul înregistrează acest lucru ca fiind un „da”, deoarece are loc totuși o reacție, dar un elev ar trebui să menționeze că aceasta este slabă și să explică de ce.

Reacție cu apa. Metalele alcaline și metalele alcalino-pământoase mai grele reduc direct apa, eliberând hidrogen și lăsând în soluție un hidroxid de metal:

2 Li(s) + 2 H₂2 Li(s) + 2 H₂O(l) → 2 LiOH(aq) + H₂(g)₂(g) și Ca(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)

Acesta este motivul pentru care testul cu hârtie de turnesol face parte din protocol și nu este o idee ulterioară: efervescența vă spune că se produce hidrogen, iar turnesolul vă spune ce a rămas în urmă. Fiecare element care reacționează cu apa în acest laborator dă o soluție cu un pH mai mare de 12 — turnesolul roșu devine albastru, cel albastru rămâne albastru. Reactivitatea crește în josul grupei 1, deoarece electronul exterior este progresiv mai departe de nucleu și mai ușor de pierdut, astfel încât potasiul reacționează mai viguros decât sodiul, iar sodiul mai viguros decât litiul. Magneziul este singura excepție negativă din acea coloană: reacția sa cu apa rece este mult prea lentă pentru a fi văzută, deși decurge ușor cu abur sau cu acid.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

• Concentrare: proprietățile care disting metalele, nemetalele și metaloizii, și înregistrarea atentă a observațiilor.
• Activități: efectuați toate cele șase teste pe cele zece elemente și completați tabelul cu rezultate; clasificați fiecare dintre cele cinci elemente din primul grup ca metal, nemetal sau semimetal și oferiți dovezile; utilizați hârtie de turnesol roșie și albastră pentru a spune dacă fiecare reacție cu apa a produs o bază; precizați care singur test a fost cel mai util și de ce.

Clasa a XI-a

• Concentrare: legătura metalică ca explicație pentru proprietățile fizice, iar seria de reactivitate pentru cele chimice.
• Activități: Conducția, luciul și maleabilitatea în termeni de electroni delocalizați: Electronii delocalizați formează o „mare” de electroni liberi care se pot deplasa prin rețeaua cristalină. Conducția termică și electrică apare deoarece acești electroni liberi transportă energia cinetică și sarcina electrică. Luciul metalic se datorează faptului că electronii delocalizați absorb și reemit fotoni de lumină. Maleabilitatea apare deoarece straturile de ioni pozitivi pot aluneca unele peste altele fără a rupe legătura metalică, structura fiind menținută de marea de electroni. Ecuațiile pentru reacțiile cu acidul și apa (exemplu pentru sodiu): Reacția cu apa: 2Na (s) + 2H₂O (l) → 2NaOH (aq) + H₂ (g) Reacția cu acidul (clorhidric): 2Na (s) + 2HCl (aq) → 2NaCl (aq) + H₂ (g) De ce siliciul conduce căldura, dar nu și electricitatea: Siliciul conduce căldura prin vibrațiile rețelei atomice (fononi). Nu conduce electricitatea la temperatura camerei deoarece este un semiconductor; electronii săi de valență sunt imobilizați în legături covalente puternice și nu există suficienți electroni liberi (delocalizați) pentru a transporta curentul electric. Ordinea reactivității pentru litiu, sodiu și potasiu (de la cel mai puțin la cel mai reactiv): Litiu < Sodiu < Potasiu. Justificare din structura atomică: Pe măsură ce coborâm în grupă, numărul de straturi electronice crește, ceea ce duce la o rază atomică mai mare. Electronul de valență este mai îndepărtat de nucleu și este ecranat de straturile interioare, rezultând o atracție electrostatică mai slabă din partea nucleului. Prin urmare, atomul pierde mai ușor electronul de valență, crescând reactivitatea. De ce magneziul reacționează negativ (nu) cu apa rece, dar pozitiv (da) cu acidul: Magneziul reacționează foarte lent sau deloc cu apa rece deoarece pe suprafața sa se formează un strat protector insolubil de hidroxid sau oxid de magneziu. Cu acizii diluați, acest strat protector este dizolvat rapid, permițând acidului să intre în contact direct cu metalul și să declanșeze o reacție viguroasă cu efervescență de hidrogen.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

• Concentrare: structura de benzi, potențialele electrozilor și limitele unei clasificări calitative.
• Activități: explicați diferența dintre un metal, un semiconductor și un izolator în ceea ce privește banda interzisă (band gap) și explicați de ce conductibilitatea siliciului crește odată cu temperatura, în timp ce cea a unui metal scade; folosiți potențiale standard de reducere pentru a prezice care dintre cele zece elemente ar trebui să reacționeze cu HCl 1 M și comparați predicția cu observațiile; explicați cantitativ de ce reacția plumbului se oprește, utilizând solubilitatea PbCl2₂; calculați pH-ul așteptat de la o masă specificată de litiu care reacționează complet într-un volum cunoscut de apă; identificați care intrări din tabel s-ar schimba dacă eșantioanele nu ar fi fost șmirgheluite și concepeți un test care ar distinge o reacție lentă de nicio reacție.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Detector de conductivitate electrică (DCE)
• Clește
• Șmirghel
• Pahare Berzelius 50 mL ×5
• Pahare Berzelius 100 mL ×5
• Picurător
• Hârtii de turnesol roșie și albastră
• Diagramă pH
• Prosop de hârtie
• Mănuși și protecție pentru ochi

Produse

• Acid clorhidric, HCl 1 M (soluție)
• Apă distilată
• Zinc (s)
• Sulf (s)
• Siliciu (s)
• Fier (s)
• Plumb (e)
• Litiu (s)
• Sodiu (s)
• Potasiu (s)
• Magneziu (s)
• Calciu (s)