Металлические и неметаллические свойства элементов

В 1935 году молодые физики Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон из Принстона рассчитали, что произойдёт с твёрдым водородом, если его сжать до чудовищного давления. Ответ был неожиданным: молекулы H₂ распадутся, атомы сблизятся так, что электроны перестанут принадлежать отдельным атомам, и водород превратится в металл — блестящий и проводящий ток, как натрий [1]. Требуемое давление они оценили примерно в 250 тысяч атмосфер; на деле его понадобилось в десятки раз больше. Почти девяносто лет физики пытались получить металлический водород в алмазных наковальнях, и лишь в 2017–2020 годах появились первые сообщения об успехе, которые до сих пор проверяют [2, 3]. А в недрах Юпитера и Сатурна металлический водород, по-видимому, существует в огромных количествах и создаёт их мощные магнитные поля.

История водорода показывает, что граница между металлами и неметаллами не задана раз и навсегда: она зависит и от строения атома, и от условий, в которых находится вещество. При обычных условиях эту границу задаёт периодический закон. Металлические свойства усиливаются к левому нижнему углу таблицы, неметаллические — к правому верхнему, а вдоль ступенчатой диагонали от бора к астату лежат металлоиды. Почему это так и что вообще значит «металлические свойства» — предмет этой статьи.

• 1. Металличность элемента и металличность вещества
• 2. Электронное строение металлов и неметаллов
• 3. Почему металлы проводят ток и блестят
• 4. Металлические свойства в периоде
• 5. Металлические свойства в группе
• 6. Почему все d- и f-элементы — металлы
• 7. Металлоиды
• 8. Один элемент — металл и неметалл
• 9. Когда элемент становится металлом
• 10. Металлы и неметаллы под давлением
• 11. Металлические и неметаллические свойства в реакциях
• 12. Металлы и неметаллы в природе
• 13. Как металлы получали в истории
• 14. Металлы земли и неметаллы жизни
• 15. История изучения
• 16. Частые ошибки
• 17. Интересные факты
• 18. Частые вопросы
• 19. Что пока не решено
• 20. ЕГЭ
• 21. Для олимпиад
• 22. Задания с разбором
• Литература

1. Металличность элемента и металличность вещества

Слова «металлические свойства» обозначают две разные вещи, и их полезно различать с самого начала. Первая — свойства атома и элемента: насколько легко атом отдаёт электроны, какие ионы образует, каков характер его оксидов и гидроксидов. Вторая — свойства простого вещества: электропроводность, металлический блеск, ковкость, теплопроводность. Первые зависят от строения атома, вторые — ещё и от того, как атомы соединены в веществе.

Определение. Металлические свойства элемента — способность его атомов отдавать электроны, образовывать катионы и проявлять в соединениях положительные степени окисления; неметаллические свойства — способность атомов принимать электроны или смещать к себе общие электронные пары, образовывать анионы и проявлять отрицательные степени окисления.

Обычно оба уровня согласованы: элементы с малой энергией ионизации образуют простые вещества-металлы. Но бывают и расхождения. Углерод в виде графита проводит ток лучше многих полупроводников и имеет металлический блеск, хотя углерод — типичный неметалл: его оксид кислотный, а с металлами он образует карбиды, проявляя отрицательную степень окисления. Йод — тоже блестящие кристаллы, но это неметалл. Марганец — металл, а его высший оксид Mn₂O₇ кислотный: в высокой степени окисления даже металл ведёт себя как неметалл.

2. Электронное строение металлов и неметаллов

У атомов металлов во внешнем слое мало электронов — чаще всего один, два или три, — и они слабо связаны с ядром: первые энергии ионизации металлов меньше 10 эВ, а у щелочных металлов — меньше 5,5 эВ [4]. Атом металла легко теряет внешние электроны и превращается в катион с конфигурацией предыдущего благородного газа или с заполненным d-подуровнем. У атомов неметаллов во внешнем слое четыре-восемь электронов, они связаны прочно, и атому выгоднее достраивать внешний слой до восьми электронов, присоединяя чужие или образуя общие пары.

Отсюда простое эмпирическое правило: элемент главной подгруппы — металл, если число электронов во внешнем слое (номер группы в короткой форме) не больше номера периода. У бериллия два внешних электрона во втором периоде — металл; у бора три — неметалл. У алюминия три в третьем периоде — металл; у кремния четыре — уже нет. У германия четыре в четвёртом — на границе; у сурьмы пять в пятом, у полония шесть в шестом — металлы. Правило не работает только для водорода. Смысл его прост: чем больше электронных слоёв, тем дальше внешние электроны от ядра, и тем больше их может быть, чтобы атом всё ещё легко их отдавал.

Все d- и f-элементы — металлы: у них во внешнем слое один или два электрона, а следующие электроны поступают в предвнешний слой. Поэтому металлов в периодической системе намного больше, чем неметаллов: около 95 элементов из 118. Неметаллов всего около двадцати, и все они сосредоточены в правом верхнем углу таблицы, плюс водород.

Важно. Металлические свойства элемента усиливаются с уменьшением энергии ионизации и электроотрицательности и с ростом радиуса атома. Поэтому в периоде слева направо металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются; в главной подгруппе сверху вниз металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают.

3. Почему металлы проводят ток и блестят

В 1900 году немецкий физик Пауль Друде предложил первую модель металла: положительно заряженные ионы образуют кристаллическую решётку, а внешние электроны, отданные атомами, свободно движутся между ними, как молекулы газа в сосуде [5]. Такая модель сразу объяснила, почему металлы проводят электрический ток и теплоту — переносчики заряда и энергии свободны — и почему отношение теплопроводности к электропроводности у всех металлов почти одинаково. Металлический блеск объясняется тем же: свободные электроны поглощают и тут же переизлучают свет любой длины волны, поэтому металл отражает почти весь падающий свет. Ковкость следует из того, что металлическая связь не направлена: слои ионов могут сдвигаться друг относительно друга, а «электронный клей» удерживает их и в новом положении.

Квантовая механика уточнила эту картину. В 1928–1929 годах Феликс Блох показал, что в периодическом поле кристалла уровни энергии электронов сливаются в широкие разрешённые зоны, разделённые запрещёнными промежутками [6]. В 1931 году Алан Уилсон объяснил, чем металл отличается от диэлектрика и полупроводника [7]. Если зона, в которой находятся внешние электроны, заполнена не до конца, электроны могут занимать соседние свободные уровни и двигаться под действием поля — это металл. Если зона заполнена целиком, а до следующей свободной зоны далеко, электроны «заперты» — это диэлектрик. Если запрещённая зона узкая, порядка одного электронвольта, тепловое движение перебрасывает часть электронов через неё — это полупроводник.

Различие видно и по тому, как проводимость зависит от температуры. У металла при нагревании сопротивление растёт: колебания ионов решётки сильнее рассеивают электроны. У полупроводника при нагревании сопротивление падает: всё больше электронов перебрасывается через запрещённую зону. Этот признак надёжнее блеска и даже самой величины проводимости: физики называют металлом вещество, проводимость которого сохраняется при охлаждении почти до абсолютного нуля.

Разница в проводимости огромна. Серебро и медь проводят ток примерно в 10²³ раз лучше серы — это самый большой диапазон среди всех физических свойств веществ. Висмут и графит проводят ток в десятки и сотни раз хуже меди, но всё же как металлы; германий и кремний — полупроводники; алмаз и сера — изоляторы.

4. Металлические свойства в периоде

Третий период показывает переход от металла к неметаллу целиком. Натрий, магний и алюминий — типичные металлы: мягкий щелочной металл, более твёрдый магний, лёгкий и прочный алюминий. Кремний — металлоид: серые кристаллы с металлическим блеском, но хрупкие и проводящие ток как полупроводник. Фосфор, сера и хлор — неметаллы: твёрдые вещества из молекул P₄ и S₈ и газ Cl₂. Аргон — одноатомный газ.

Так же меняются свойства соединений. Оксид натрия — сильноосновный, с водой даёт щёлочь; оксид магния — основный; оксид алюминия — амфотерный; оксид кремния — кислотный, хотя с водой не реагирует; оксиды фосфора, серы и хлора дают всё более сильные кислоты — от фосфорной до хлорной. В каждом следующем элементе атом удерживает электроны прочнее, связь с кислородом становится всё более ковалентной, и гидроксид всё легче отщепляет протон, а не гидроксид-ион.

Причина — та же, что у уменьшения радиуса и роста энергии ионизации: в периоде растёт эффективный заряд ядра, внешние электроны удерживаются всё сильнее, и атому всё труднее их отдать и всё легче принять чужие. Во втором периоде переход совершается быстрее: уже бор — неметалл, а углерод, азот, кислород и фтор — неметаллы с самой высокой электроотрицательностью.

5. Металлические свойства в группе

В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства усиливаются. Это нагляднее всего в группах середины таблицы, где один и тот же столбец начинается неметаллом, а заканчивается металлом. В 14-й группе углерод — неметалл, кремний и германий — полупроводники, олово и свинец — металлы.

В 15-й группе азот и фосфор — неметаллы, мышьяк и сурьма — металлоиды, существующие и в металлической, и в неметаллической форме, висмут — металл, хотя и необычный: он хрупок, плохо проводит ток и при застывании расширяется, как вода. В 16-й группе кислород и сера — неметаллы, селен и теллур — полупроводники, полоний — металл. В 17-й группе фтор, хлор, бром — газ, газ и жидкость, а йод уже образует блестящие тёмно-фиолетовые кристаллы с заметной проводимостью вдоль слоёв. Астата так мало, что его простое вещество никто не видел; расчёты предсказывают, что в конденсированном состоянии астат был бы металлом [8].

Причина — рост радиуса атомов и уменьшение энергии ионизации вниз по группе. Внешние электроны всё дальше от ядра, их всё легче отдать. Кроме того, у больших атомов внешние орбитали соседних атомов в кристалле сильнее перекрываются, и зоны расширяются до тех пор, пока запрещённая зона не исчезнет совсем. Ширина запрещённой зоны в 14-й группе: алмаз — 5,5 эВ, кремний — 1,1 эВ, германий — 0,67 эВ, серое олово — около 0,1 эВ, белое олово и свинец — металлы.

Важно. Самый активный металл — в левом нижнем углу таблицы (цезий, франций), самый активный неметалл — в правом верхнем (фтор). Чем дальше элемент от этих углов в сторону диагонали «бор — астат», тем слабее выражены у него и металлические, и неметаллические свойства и тем вероятнее амфотерность его оксидов и гидроксидов.

6. Почему все d- и f-элементы — металлы

У d-элементов во внешнем слое один или два s-электрона, а новые электроны поступают на предвнешний d-подуровень. Внешний слой остаётся почти пустым, энергии ионизации невелики (6–9 эВ), и атомы легко отдают s-электроны. Поэтому все сорок d-элементов — металлы, и то же относится к лантаноидам и актиноидам. По правилу «число внешних электронов не больше номера периода» они металлы с большим запасом.

Но металлы среди d-элементов сильно различаются. В металлической связи у них участвуют не только s-, но и d-электроны, и чем больше неспаренных d-электронов могут участвовать в связи, тем прочнее металл. Поэтому в каждом d-ряду температура плавления растёт к середине и падает к концу: в шестом периоде — от 2233 °C у гафния до 3422 °C у вольфрама, самой высокой среди металлов, и затем до −39 °C у ртути, единственного жидкого металла. У ртути d-подуровень заполнен, а прочно удерживаемая 6s-пара почти не участвует в связи. Вольфрам поэтому служит нитью накаливания, а ртуть — жидкостью в термометрах.

Химически d-металлы обычно менее активны, чем s-металлы того же периода: эффективный заряд для их внешних электронов больше, атомы меньше. Самые малоактивные металлы — золото, платина, иридий — находятся в шестом периоде, где к этому добавляются лантаноидное сжатие и релятивистские эффекты.

7. Металлоиды

Вдоль ступенчатой границы между металлами и неметаллами лежат элементы, которые нельзя без оговорок отнести ни к тем, ни к другим. Их называют металлоидами или полуметаллами. Строгого определения у этого понятия нет, и списки в учебниках различаются; чаще всего в них входят бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур [9]. По физическим свойствам металлоиды похожи на металлы — у них металлический блеск, — но они хрупки и проводят ток как полупроводники. По химическим свойствам они ближе к неметаллам: образуют кислотные или амфотерные оксиды, ковалентные соединения с водородом и галогенами, а с активными металлами — соединения, в которых проявляют отрицательную степень окисления (силициды, арсениды, теллуриды).

Именно промежуточное положение сделало металлоиды основой электроники. В декабре 1947 года Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лаборатории Белла создали первый транзистор — на кристалле германия [10], а через несколько лет германий сменил кремний, у которого запрещённая зона шире и прибор меньше греется. Проводимость полупроводника можно менять в широких пределах, добавляя примеси: атом фосфора с пятью внешними электронами, замещающий атом кремния, отдаёт «лишний» электрон в зону проводимости, атом бора с тремя — создаёт в заполненной зоне вакансию. Один атом примеси на миллион атомов кремния увеличивает проводимость примерно в миллион раз. Поэтому кремний для микросхем очищают до девяти и более «девяток» — 99,9999999 % — и лишь затем вводят нужные примеси в нужных местах.

Теллур — основа солнечных батарей на теллуриде кадмия, мышьяк — компонент арсенида галлия для светодиодов и лазеров, сурьма — добавка к свинцу в аккумуляторных пластинах и полупроводник в термоэлектрических материалах. Бор с его неметаллической химией и высокой твёрдостью — компонент сверхтвёрдых материалов и стёкол.

8. Один элемент — металл и неметалл

У нескольких элементов вблизи границы одни аллотропные модификации — металлы, другие — неметаллы. Олово при температуре выше 13,2 °C существует как белое олово — пластичный металл. Ниже этой температуры устойчиво серое олово — полупроводник со структурой алмаза. Переход идёт медленно, но, начавшись, распространяется: плотность серого олова на четверть меньше, металл вспучивается и рассыпается в серый порошок. Явление назвали оловянной чумой; о нём писали применительно к органным трубам в холодных церквях Северной Европы, а рассказы о рассыпавшихся пуговицах армии Наполеона скорее легенда. Небольшие добавки сурьмы или висмута останавливают превращение.

Углерод в виде алмаза — изолятор с запрещённой зоной 5,5 эВ, а в виде графита — проводник: в слоях графита каждый атом отдаёт один электрон в общую π-систему, делокализованную по всему слою. Фосфор белый — молекулярное вещество из тетраэдров P₄, изолятор; чёрный фосфор, полученный под давлением, — слоистый полупроводник с металлическим блеском, а его отдельные слои, фосфорен, с 2014 года изучают как материал для электроники. Мышьяк существует в виде жёлтого молекулярного As₄ и серого металлического мышьяка.

9. Когда элемент становится металлом

Почему один элемент — металл, а другой нет? В 1927 году американский физик Карл Герцфельд предложил ответ, который до сих пор считают одним из самых изящных в теории твёрдого тела [11, 12]. В конденсированном веществе внешний электрон атома испытывает притяжение своего ядра и поляризующее действие соседних атомов. Если атомы так велики и так легко поляризуются, а расстояния между ними так малы, что действие соседей сравнивается с притяжением собственного ядра, электрон перестаёт принадлежать атому — вещество становится металлом. Количественно условие Герцфельда записывают через молярную рефракцию $R$, пропорциональную поляризуемости атома $\alpha$, и молярный объём $V$:

Для натрия поляризуемость атома 24,1 ų, молярная рефракция $R=4,19\cdot 6,022\cdot 10^{23}\cdot 24,1\cdot 10^{-24}\approx 60,8$ см³/моль, а молярный объём 23,7 см³/моль: отношение 2,6, натрий — металл. Для твёрдого неона поляризуемость всего 0,40 ų, $R\approx 1,0$ см³/моль при молярном объёме 14,0 см³/моль: отношение 0,07, неон — изолятор. Граница $R/V=1$, проведённая по таблице, почти точно повторяет ступенчатую диагональ между металлами и неметаллами.

Критерий Герцфельда объясняет и периодичность металличности. Вниз по группе атомы становятся больше и легче поляризуются, и отношение $R/V$ растёт; вдоль периода поляризуемость падает быстрее, чем объём, и отношение уменьшается. Близкую идею в 1949 году развил Невилл Мотт: переход от изолятора к металлу происходит скачком, когда расстояние между атомами становится меньше определённой доли размера электронного облака [13]. Именно так кремний с примесью фосфора становится металлом, если на сто тысяч атомов кремния приходится больше семи-восьми атомов фосфора.

10. Металлы и неметаллы под давлением

Если сближать атомы, сжимая вещество, отношение $R/V$ растёт, и любой неметалл в конце концов должен стать металлом. Это подтверждается опытом. Йод становится металлом при давлении около 160 тысяч атмосфер. Кислород при давлении около миллиона атмосфер превращается в металл, а при охлаждении до 0,6 К — даже в сверхпроводник [14]. Водород, лёгкий газ из двухатомных молекул, при давлениях около четырёх-пяти миллионов атмосфер, по сообщениям последних лет, тоже становится металлом [2, 3].

Но бывает и наоборот. В 2009 году группа Михаила Еремца и Артёма Оганова сжала натрий до двух миллионов атмосфер и обнаружила, что металл стал прозрачным диэлектриком [15]. При таком сжатии внешние электроны натрия вытесняются из пространства между ионами и локализуются в пустотах кристалла, превращаясь как бы в отдельные «анионы» без ядер. Расчёты показывают, что под сверхвысоким давлением меняются электронные конфигурации, энергии орбиталей и электроотрицательности почти всех элементов, а вместе с ними — и привычные закономерности периодической системы [16].

11. Металлические и неметаллические свойства в реакциях

В химических реакциях металлы — восстановители: они отдают электроны неметаллам, кислотам, воде, ионам менее активных металлов и превращаются в катионы. Неметаллы в реакциях с металлами и водородом — окислители: принимают электроны или смещают к себе общие пары. Но неметаллы, кроме фтора, бывают и восстановителями: углерод восстанавливает металлы из оксидов, водород — медь из оксида меди(II), сера и фосфор горят в кислороде, отдавая ему электроны. Фтор — единственный элемент, который в соединениях бывает только окислителем, а кислород проявляет положительную степень окисления только в соединениях с фтором.

Хорошо видна смена характера по хлоридам элементов третьего периода. Хлорид натрия — ионный кристалл, плавится при 801 °C; хлорид магния плавится при 714 °C; хлорид алюминия возгоняется около 180 °C и в парах состоит из молекул Al₂Cl₆; хлорид кремния SiCl₄ — жидкость, кипящая при 58 °C; хлориды фосфора и серы — летучие жидкости, а сами молекулы хлора — газ. Ионная связь металла с хлором слева в периоде постепенно сменяется ковалентной связью неметалла с хлором справа. Так же меняется отношение хлоридов к воде: хлорид натрия просто растворяется, хлорид алюминия гидролизуется частично, а хлорид кремния и хлориды фосфора разлагаются водой полностью, образуя кислоты.

Металличность элемента зависит и от его степени окисления. Марганец в степени окисления +2 образует основный оксид MnO, в степени +4 — амфотерный MnO₂, в степени +7 — кислотный Mn₂O₇, которому соответствует сильная марганцевая кислота. У хрома так же: CrO основный, Cr₂O₃ амфотерный, CrO₃ кислотный. Чем выше степень окисления, тем больше заряд и меньше радиус условного иона, тем сильнее он притягивает электроны кислорода — и тем «неметалличнее» поведение элемента [17]. Металл в высшей степени окисления похож на неметалл той же группы короткой таблицы: перманганаты похожи на перхлораты, хроматы — на сульфаты.

Важно. Амфотерность — промежуточное поведение между металлическим и неметаллическим. Амфотерные оксиды и гидроксиды образуют элементы вблизи границы (бериллий, алюминий, галлий, германий, олово, свинец) и d-элементы в промежуточных степенях окисления (цинк, хром(III), железо(III) — слабо, марганец(IV)).

12. Металлы и неметаллы в природе

Металлические свойства определяют, в каком виде элемент встречается в природе. Активные металлы с малой энергией ионизации — натрий, калий, магний, кальций, алюминий — никогда не встречаются в свободном виде: в окружении кислорода и воды они существуют только как катионы в солях, оксидах и силикатах. Малоактивные металлы — золото, платина, серебро, медь — встречаются самородными, в виде крупинок и самородков чистого металла. Самородные медь и золото были первыми металлами, которые узнали люди.

Самородными бывают и неметаллы, причём тоже не самые активные: углерод в виде графита и алмаза, сера вулканического происхождения, иногда селен и теллур. Самые активные неметаллы — фтор и хлор — в свободном виде в природе не встречаются, как и самые активные металлы. Железо, металл средней активности, самородным почти не бывает: известно лишь метеоритное железо и редкие находки земного самородного железа, например на острове Диско в Гренландии.

13. Как металлы получали в истории

История открытия металлов повторяет ряд их активности. Семь металлов древности — золото, серебро, медь, олово, свинец, ртуть и железо — восстанавливаются из руд нагреванием с углём или вовсе встречаются самородными. Цинк, более активный, выделили значительно позже. А для активных металлов углерода не хватало: их катионы удерживают электроны слишком прочно.

Решение пришло с электричеством. В октябре 1807 года Хамфри Дэви пропустил ток от мощной батареи через расплавленный гидроксид калия, и на катоде появились блестящие шарики, которые вспыхивали на воздухе, — так был получен калий, через несколько дней — натрий, а в следующем году — магний, кальций, стронций и барий [18]. Алюминий впервые получили в 1825–1827 годах Ганс Эрстед и Фридрих Вёлер, но долгое время он был дороже золота: Наполеон III угощал почётных гостей на алюминиевой посуде, а вершину монумента Вашингтону в 1884 году увенчали пирамидкой из алюминия как драгоценным металлом. Дешёвым алюминий стал только в 1886 году, когда Чарльз Холл в США и Поль Эру во Франции независимо изобрели электролиз оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите. Оба родились в 1863 году и умерли в 1914-м.

Самый активный неметалл, фтор, тоже долго не поддавался выделению: несколько химиков отравились или погибли, пытаясь его получить. Анри Муассан в 1886 году выделил фтор электролизом раствора фторида калия в безводном фтороводороде при охлаждении и в 1906 году получил за это Нобелевскую премию. Чем ярче выражены металлические или неметаллические свойства элемента, тем труднее получить его простое вещество.

14. Металлы земли и неметаллы жизни

Земная кора по массе почти наполовину состоит из неметалла кислорода (46 %) и более чем на четверть — из кремния (28 %). Следующие по распространённости элементы — металлы: алюминий (8 %), железо (5,6 %), кальций, натрий, магний и калий (от 2 до 4 % каждый). Все эти металлы находятся в коре в виде катионов, окружённых атомами кислорода в силикатах и оксидах: металлы отдали свои электроны неметаллу.

Живые организмы устроены иначе. Тело человека по массе на 96 % состоит из четырёх неметаллов: кислорода (около 65 %), углерода (18 %), водорода (10 %) и азота (3 %); ещё около полутора процентов — кальций и около процента — фосфор. Основу живого составляют ковалентные соединения неметаллов — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, — способные образовывать длинные цепи и сложные структуры. Металлы в организме — это в основном ионы: натрий и калий создают разность потенциалов на мембранах, кальций строит кости и запускает мышечное сокращение, магний, железо, цинк, медь, марганец, кобальт и молибден работают в активных центрах ферментов. Химия жизни — это химия неметаллов, управляемая ионами металлов.

15. История изучения

Деление простых веществ на металлы и неметаллы старше химии как науки: металлы выделяли по блеску, ковкости и способности плавиться и отливаться. Лавуазье в 1789 году включил это деление в свою таблицу простых веществ, добавив химический признак — характер образуемых оксидов. Периодический закон показал, что металличность меняется закономерно и связана с положением элемента в таблице, а не только с внешним видом вещества.

Физическое объяснение пришло в XX веке. Модель свободных электронов Друде (1900) объяснила проводимость металлов [5], критерий Герцфельда (1927) — то, почему металлами становятся одни элементы и не становятся другие [11], зонная теория Блоха и Уилсона (1928–1931) — различие металлов, полупроводников и диэлектриков [6, 7]. Понимание полупроводников привело к транзистору (1947) и всей современной электронике [10]. В последние десятилетия внимание переместилось к веществу при экстремальных давлениях, где неметаллы становятся металлами, а металлы — диэлектриками [14, 15].

16. Частые ошибки

• «Графит — металл, раз он проводит ток и блестит». Это свойства простого вещества, а не элемента. Углерод — неметалл: оксид кислотный, с металлами образует карбиды, в которых проявляет отрицательную степень окисления.
• «Все металлы образуют основные оксиды». Металлы в высоких степенях окисления образуют кислотные оксиды: Mn₂O₇, CrO₃; многие металлы — амфотерные: Al₂O₃, ZnO, BeO.
• «Неметаллы — только окислители». Все неметаллы, кроме фтора, могут быть и восстановителями: углерод, водород, сера, фосфор восстанавливают металлы из оксидов или окисляются кислородом.
• «Металлоиды — это неметаллы с металлическим блеском». Металлоиды занимают промежуточное положение и по физическим, и по химическим свойствам; строгого определения у этой группы нет, и в учебниках её состав различается.
• «Водород — металл, раз стоит в первой группе». При обычных условиях водород — типичный неметалл: газ из молекул H₂, образует ковалентные соединения с неметаллами и гидриды-соли с активными металлами. Металлом он становится только при давлении в миллионы атмосфер.
• «Металлические свойства в группе растут, значит, у висмута они такие же, как у натрия». Усиление относительное: висмут — металл, но с хрупкой слоистой структурой, плохой проводимостью и кислотными свойствами оксида в высшей степени окисления; натрий — типичный щелочной металл.

17. Интересные факты

• При комнатной температуре жидки только два простых вещества: металл ртуть и неметалл бром. Ещё три металла — цезий (28,4 °C), галлий (29,8 °C) и рубидий (39,3 °C) — плавятся от тепла руки или в жаркий день.
• Лучший проводник электричества среди металлов — серебро, на втором месте медь; самый лёгкий металл — литий, он плавает даже в керосине.
• Магнитное поле Юпитера в двадцать тысяч раз сильнее земного. Его, по современным представлениям, создают потоки металлического водорода в недрах планеты.
• Висмут — самый диамагнитный металл: кусочек висмута выталкивается из сильного магнитного поля, а маленькую лягушку в 1997 году заставили левитировать в поле мощного магнита за счёт диамагнетизма воды в её теле.
• Кристаллы йода блестят как металл и проводят ток вдоль слоёв, а при давлении 160 тысяч атмосфер йод становится настоящим металлом.
• Слово «металлоид» в XIX веке означало неметалл — так называли, например, серу и фосфор. Современный смысл «полуметалл» закрепился только в XX веке.

18. Частые вопросы

Почему металлы непрозрачны, а стекло прозрачно?

Свободные электроны металла поглощают и переизлучают свет любой длины волны — металл отражает свет и не пропускает его. У стекла и кварца запрещённая зона шире 3,3 эВ — энергии самых синих квантов видимого света, — поэтому видимый свет не может перебросить электрон через неё и проходит насквозь.

Почему медь красная, а золото жёлтое, если остальные металлы серебристые?

У меди и золота d-подуровень расположен близко к уровню свободных электронов, и кванты синей и зелёной части спектра перебрасывают электроны с d-уровней. Эта часть спектра поглощается сильнее и отражается слабее, и металл кажется красноватым или жёлтым. У золота такое сближение уровней усилено релятивистскими эффектами.

Можно ли по положению в таблице сказать, металл ли элемент?

Почти всегда: все элементы левее и ниже ступенчатой линии бор — астат металлы, правее и выше — неметаллы, вдоль линии — металлоиды. Удобно и правило «номер группы не больше номера периода — металл» для элементов главных подгрупп.

Почему металлические свойства в периоде меняются резче, чем в группе?

В периоде заряд ядра растёт на единицу, а экранирование почти не увеличивается: эффективный заряд растёт быстро. В группе прирост заряда почти целиком экранирован новыми слоями, и свойства меняются в основном за счёт роста радиуса — медленнее.

Почему металлы легко образуют сплавы друг с другом, а с неметаллами — соединения?

Атомы металлов отдают внешние электроны в общий «электронный газ», и атом одного металла может заменить атом другого в решётке почти без изменения характера связи — так получаются сплавы переменного состава. Неметалл же принимает электроны или образует направленные ковалентные связи, и с металлом он образует соединение определённого состава: оксид, сульфид, хлорид.

19. Что пока не решено

Существует ли металлический водород

Сообщения 2017 и 2020 годов о получении металлического водорода остаются спорными: образцы микроскопические, измерения проводились в предельных для техники условиях, а один из образцов был утрачен [2, 3]. Ещё в 1968 году Нил Ашкрофт предсказал, что металлический водород должен быть сверхпроводником при высокой температуре [19], и поиск таких сверхпроводников среди гидридов под давлением — одно из активных направлений физики.

Каков астат

Получить видимое количество астата невозможно: оно испарилось бы от теплоты собственного радиоактивного распада. Был бы астат металлом, как предсказывают расчёты, или полупроводником, как йод, проверить на опыте пока нельзя [8].

Где граница металлоидов

Единого определения металлоидов нет; предлагались критерии по электропроводности, ширине запрещённой зоны, электроотрицательности, характеру оксидов [9]. Разные критерии включают в группу то полоний и астат, то селен, то углерод, и спор о том, нужна ли химии эта категория, продолжается.

20. ЕГЭ

Закономерности изменения металлических и неметаллических свойств элементов по периодам и группам прямо названы в кодификаторе ЕГЭ по химии [20]. В заданиях требуется расположить элементы в порядке усиления или ослабления металлических (неметаллических) свойств, выбрать элементы, образующие амфотерные оксиды, или определить характер высших оксидов и гидроксидов.

Что обязательно знать

• В периоде слева направо металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются; в главной подгруппе сверху вниз металлические свойства усиливаются, неметаллические ослабевают.
• Причины: в периоде растут заряд ядра и эффективный заряд, уменьшается радиус; в группе растёт число электронных слоёв и радиус.
• Металлы — восстановители, образуют основные оксиды и гидроксиды (в низших степенях окисления); неметаллы — окислители (кроме взаимодействия с более электроотрицательными элементами), образуют кислотные оксиды.
• Граница металлов и неметаллов — диагональ B — Si — Ge — As — Sb — Te — At; вблизи неё — амфотерные элементы.
• Характер оксидов зависит от степени окисления: CrO — основный, Cr₂O₃ — амфотерный, CrO₃ — кислотный.

Разбор типичных формулировок

«Расположите элементы в порядке усиления металлических свойств: Na, Li, K». Одна группа, металлические свойства растут сверху вниз: Li, Na, K.

«Расположите элементы в порядке ослабления неметаллических свойств: S, Cl, P». Третий период, неметаллические свойства ослабевают справа налево: Cl, S, P.

«Из указанных элементов выберите два, высшие оксиды которых амфотерны: Mg, Al, Si, Be, S». Al (Al₂O₃) и Be (BeO): оба на границе металлов и неметаллов. MgO — основный, SiO₂ и SO₃ — кислотные.

«Выберите два элемента, которые проявляют только металлические свойства и образуют основные оксиды: Na, Al, Zn, K, Si». Na и K: щелочные металлы с одним внешним электроном, оксиды Na₂O и K₂O основные. Алюминий и цинк образуют амфотерные оксиды, кремний — кислотный.

21. Для олимпиад

Ширина запрещённой зоны и цвет

Полупроводник поглощает свет, кванты которого способны перебросить электрон через запрещённую зону, то есть с энергией больше ширины зоны $E_g$. Граница поглощения:

Для кремния ($E_g=1,12$ эВ) ${\lambda }_{\text{гр}}\approx 1107$ нм: поглощается весь видимый свет, кремний серо-чёрный, а солнечные батареи из него работают и в ближнем инфракрасном свете. Для сульфида кадмия ($E_g=2,42$ эВ) ${\lambda }_{\text{гр}}\approx 512$ нм: поглощаются синие и фиолетовые лучи, и вещество жёлтое — это известный пигмент «кадмиевая жёлтая». Для алмаза (5,5 эВ) граница — 225 нм, в ультрафиолете: алмаз прозрачен и бесцветен.

Критерий Герцфельда в расчётах

Молярная рефракция $R=\frac{4\pi }{3}{N}_{\text{A}}\alpha$; при поляризуемости в ų удобно пользоваться формулой $R\approx 2,52\alpha$ (см³/моль). Если $R/V>1$, ожидается металл. Например, для цезия поляризуемость 59,4 ų даёт $R\approx 150$ см³/моль при молярном объёме около 71 см³/моль: отношение больше двух, цезий — металл с запасом.

22. Задания с разбором

Задание 1

Расположите элементы в порядке усиления металлических свойств: Mg, Na, Al.

Задание 2

Расположите элементы в порядке усиления неметаллических свойств: Se, O, S.

Задание 3

Какой из элементов проявляет наиболее выраженные металлические свойства: Ca, K, Mg, Na?

Задание 4

Пользуясь правилом «число внешних электронов не больше номера периода — металл», определите, металлы ли Ga, Ge, As, Sn, Sb, Bi.

Задание 5

Почему графит проводит ток, хотя углерод — неметалл?

Задание 6

Как меняется характер высших оксидов элементов третьего периода от натрия к хлору?

Задание 7

Определите характер оксидов хрома: CrO, Cr₂O₃, CrO₃. Объясните закономерность.

Задание 8

Как отличить металл от полупроводника по зависимости сопротивления от температуры?

Задание 9

Почему серое олово рассыпается в порошок?

Задание 10

Выберите верные утверждения. 1) Все неметаллы — только окислители. 2) Металлические свойства в группе усиливаются сверху вниз. 3) Mn₂O₇ — кислотный оксид. 4) Металлоиды образуют только основные оксиды. 5) Водород при обычных условиях — неметалл.

Задание 11

Почему хлорид натрия плавится при 801 °C, а хлорид кремния кипит при 58 °C?

Задание 12

Какой элемент 15-й группы — металл? Какие — металлоиды?

Задание 13

Приведите два примера реакций, в которых неметалл — восстановитель.

Задание 14

Найдите границу поглощения кремния ($E_g=1,12$ эВ) и объясните, почему кремний непрозрачен для видимого света.

Задание 15

Какой цвет должен иметь полупроводник с шириной запрещённой зоны 2,42 эВ?

Задание 16 (олимпиадное)

Проверьте критерий Герцфельда для натрия: поляризуемость атома 24,1 ų, молярный объём 23,7 см³/моль.

Задание 17 (олимпиадное)

Проверьте критерий Герцфельда для твёрдого неона: поляризуемость 0,40 ų, молярный объём 14,0 см³/моль.

Задание 18 (олимпиадное)

Почему при давлении в миллионы атмосфер неметалл становится металлом? Почему натрий, наоборот, становится диэлектриком?

Задание 19 (олимпиадное)

Сколько атомов фосфора нужно ввести в 1 см³ кремния (5,0·10²² атомов), чтобы на миллион атомов кремния приходился один атом фосфора? Чему равна такая концентрация?

Задание 20 (олимпиадное)

Объясните, почему металлы в высших степенях окисления образуют кислотные оксиды, на примере Mn₂O₇ и Cl₂O₇.

Литература

1. Wigner E., Huntington H. B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen // The Journal of Chemical Physics. 1935. Vol. 3, № 12. P. 764–770. DOI: 10.1063/1.1749590.
2. Dias R. P., Silvera I. F. Observation of the Wigner–Huntington transition to metallic hydrogen // Science. 2017. Vol. 355, № 6326. P. 715–718. DOI: 10.1126/science.aal1579.
3. Loubeyre P., Occelli F., Dumas P. Synchrotron infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen // Nature. 2020. Vol. 577, № 7792. P. 631–635. DOI: 10.1038/s41586-019-1927-3.
4. Kramida A., Ralchenko Yu., Reader J., NIST ASD Team. NIST Atomic Spectra Database (version 5.11). Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2023. URL: https://physics.nist.gov/asd.
5. Drude P. Zur Elektronentheorie der Metalle // Annalen der Physik. 1900. Bd. 306, № 3. S. 566–613. DOI: 10.1002/andp.19003060312.
6. Bloch F. Über die Quantenmechanik der Elektronen in Kristallgittern // Zeitschrift für Physik. 1929. Bd. 52, № 7–8. S. 555–600. DOI: 10.1007/BF01339455.
7. Wilson A. H. The theory of electronic semi-conductors // Proceedings of the Royal Society of London A. 1931. Vol. 133, № 822. P. 458–491. DOI: 10.1098/rspa.1931.0162.
8. Hermann A., Hoffmann R., Ashcroft N. W. Condensed astatine: monatomic and metallic // Physical Review Letters. 2013. Vol. 111, № 11. Art. 116404. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.116404.
9. Vernon R. E. Which elements are metalloids? // Journal of Chemical Education. 2013. Vol. 90, № 12. P. 1703–1707. DOI: 10.1021/ed3008457.
10. Bardeen J., Brattain W. H. The transistor, a semi-conductor triode // Physical Review. 1948. Vol. 74, № 2. P. 230–231. DOI: 10.1103/PhysRev.74.230.
11. Herzfeld K. F. On atomic properties which make an element a metal // Physical Review. 1927. Vol. 29, № 5. P. 701–705. DOI: 10.1103/PhysRev.29.701.
12. Edwards P. P., Sienko M. J. On the occurrence of metallic character in the periodic table of the elements // Journal of Chemical Education. 1983. Vol. 60, № 9. P. 691–696. DOI: 10.1021/ed060p691.
13. Mott N. F. The basis of the electron theory of metals, with special reference to the transition metals // Proceedings of the Physical Society A. 1949. Vol. 62, № 7. P. 416–422. DOI: 10.1088/0370-1298/62/7/303.
14. Shimizu K., Suhara K., Ikumo M., Eremets M. I., Amaya K. Superconductivity in oxygen // Nature. 1998. Vol. 393, № 6687. P. 767–769. DOI: 10.1038/31656.
15. Ma Y., Eremets M., Oganov A. R. et al. Transparent dense sodium // Nature. 2009. Vol. 458, № 7235. P. 182–185. DOI: 10.1038/nature07786.
16. Rahm M., Cammi R., Ashcroft N. W., Hoffmann R. Squeezing all elements in the periodic table: electron configuration and electronegativity of the atoms under compression // Journal of the American Chemical Society. 2019. Vol. 141, № 26. P. 10253–10271. DOI: 10.1021/jacs.9b02634.
17. Cartledge G. H. Studies on the periodic system. I. The ionic potential as a periodic function // Journal of the American Chemical Society. 1928. Vol. 50, № 11. P. 2855–2863. DOI: 10.1021/ja01398a001.
18. Davy H. The Bakerian Lecture, on some new phenomena of chemical changes produced by electricity, particularly the decomposition of the fixed alkalies, and the exhibition of the new substances which constitute their bases // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1808. Vol. 98. P. 1–44. DOI: 10.1098/rstl.1808.0001.
19. Ashcroft N. W. Metallic hydrogen: a high-temperature superconductor? // Physical Review Letters. 1968. Vol. 21, № 26. P. 1748–1749. DOI: 10.1103/PhysRevLett.21.1748.
20. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения единого государственного экзамена по химии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.