Медь - это...

Обратимся к Периодической таблице Менделеева. В каждой ее клетке справа расположена колонка цифр. У меди в этой колонке четыре цифры. Это означает, что электроны обращаются вокруг положительно заряженного ядра четырьмя слоями. Нижняя цифра колонки указывает число электронов в ближайшем к ядру слое, верхняя - в наиболее удаленном. Для каждого элемента количество электронов в слоях строго определенно: в первом (от ядра) - не больше двух, во втором - до восьми, третьем - до восемнадцати и так далее. Но обратите внимание, почти всегда у металлов в верхнем слое расположено очень мало электронов - один, два, три. В этом-то все и дело! Металлам гораздо труднее достроить верхний электронный слой, чем отдать его считанные электроны. Они и делают это - тем охотней, чем меньше электронов в верхнем слое. Наиболее "сговорчивый" здесь франций.

Его по праву называют самым металлическим из металлов.

Однако чем же "хуже" медь? У нее тоже в верхнем слое только один электрон. И почему считают металлами, к примеру, свинец, висмут, полоний, у которых в верхнем слое соответственно четыре, пять и шесть электронов? Разве тому же полонию не легче присоединить два электрона, нежели отдать целых шесть?

Да, не легче. И вот почему. Ядро удерживает электроны тем слабее, чем больше они от него удалены. У элемента франция единственный электрон обращается в седьмом от ядра слое, у меди он гораздо ближе к ядру - в четвертом. По той же причине и положению часто легче отдать шесть своих внешних (так называемых валентных) электронов, чем достроить верхний слой до восьми.

Итак, металлы - это элементы, которые легко отдают электроны с внешнего электронного слоя. Именно эта особенность строения атомов металлов - ключ к пониманию всех их физических и химических свойств.

Одного только знания, как устроены атомы металлов, еще мало, если мы хотим выявить и объяснить физические свойства реальных металлических тел, сложенных из этих первокирпичиков. Все металлы имеют кристаллическое строение. В пространстве атомы металлов, расположенные в строгом порядке, образуют своеобразную решетку. Если выделить единичный, миллиарды раз повторяющийся во всех направлениях главный элемент этого порядка, получим элементарную ячейку кристаллической решетки. По ней легко рассмотреть характер расположения атомов в данном металле. У меди атомная решетка относится к типу гранецентрированной плотнейшей. Элементарная ячейка кристалла меди - это куб, у которого по одному атому расположено в каждой вершине и по одному в центре каждой из шести граней. От типа упаковки, ее плотности, размеров , составляющих ее атомов во многом зависят механические свойства металлов - плотность, прочность, твердость, ковкость.

Мы были не совсем правы, когда говорили об атомах, расположенных в кристаллической решетке. На самом деле кристаллическую решетку металлов составляют их положительно заряженные ионы в окружении так называемых свободных электронов. Только на неуловимо короткий миг то один, то другой ион присоединяет электрон, становясь атомом металла, а затем теряет его и снова становится ионом. Такой скоротечный обмен идет постоянно. Электроны, принимающие в нем участие, те самые, которые составляют верхний электронный слой в атомах металла, наиболее слабо удерживаемые ядром. Из электронов "коллективного пользования" в металле образуется так называемый электронный газ. Вот ему-то и обязаны металлы своими замечательными свойствами!

Медь - это...

Достаточно создать разность электрических потенциалов на концах металлического проводника, как потечет этот электронный газ. Именно поэтому металлы проводят ток.

Теплопроводность, сочетание прочности с пластичностью, даже цвет и блеск металлов объясняют наличием электронного газа! Но у специалистов-металловедов ныне принято более краткое его определение: металл - это твердое тело, обладающее поверхностью Ферми... Не слишком ясно? Попробуем дать хотя бы общее представление о "поверхности Ферми".

Поверхность Ферми - это математическая абстракция. Но для специалистов физический смысл поверхности Ферми очень глубок. Она дает наглядную геометрическую картину движения электронов внутри металла. Ученые иногда сравнивают ее с географической картой, на которую нанесены условные линии параллелей и меридианов и без которых невозможно точно определить координаты любого пункта на Земном шаре. Аналогично и физик-металловед по такой "карте" легко может определить свойства и поведение металла, предсказать возможное изменение его свойств в конкретных ситуациях, а в принципе может даже вычислить главные показатели всех свойств металла и некоторых его соединений.

Если воспроизвести поверхность Ферми в реальном физическом пространстве в виде отливки из какого-либо материала, получим некую замысловатую абстрационистскую скульптуру. У каждого металла должна быть своя поверхность Ферми, но пока не для каждого ее смогли построить - это чрезвычайно сложное и трудоемкое построение: нужны многочисленные тончайшие измерения многих физических величин, которыми характеризуется данный металл.

Теперь, вооружившись некоторыми знаниями о металле вообще, мы можем перейти к конкретным свойствам и делам "обитателя" 29-й клетки Периодической системы элементов.