Какие частицы обуславливают такие свойства

Все химические элементы, в том числе металлы, подчиняются Периодическому закону Д.И.Менделеева, который, в свою очередь, обусловлен устройством атомов, а точнее, их электронных оболочек. Поскольку в таблице Менделеева нет пустых ячеек, то и новых элементов, по крайней мере, при условиях как в Солнечной системе, ожидать не приходится.

Если же условия будут существенно отличаться от условий в Солнечной системе (например, внутри или в окрестностях “чёрной дыры”), то конфигурация электронных оболочек в атомах может быть другой, что приведёт к “неведомым” элементам. Но в этом случае и “таблица Менделеева” там будет выглядеть совсем по-другому.

Кстати, во времена Менделеева, в его таблице были пустые ячейки, например, под номером 43. “Эко-марганец” (в последствии названный “технеций”), предсказанный Менделеевым, самый лёгкий элемент, не имеющий стабильных изотопов, был получен искусственно только в 1937 году.

Собственно, это и есть неметаллы, они образуют неметаллы, если это атомы одного элемента, то связь будет ковалентная неполярная, если же разного, то ковалентная полярная, список неметаллов можно увидеть в таблице ниже

Позволю себе очень коротко, тезисно, поскольку иначе нужно программу составлять, а это много времени займет. Прежде всего, конечно, нужно разобраться с основами строения атома – ядро, электроны, уровни, порядок заполнения, квантовые числа, ионизация и т.п. Затем понятие химической связи, ее виды, способы образования, понятие орбиталей и неподеленной электронной пары, кулоновское взаимодействие, основы метода молекулярных орбиталей. Кристаллические и аморфные соединения, типы кристаллических решеток и т.д. Это есть в любом более менее новом учебнике по общей химии.

В неорганической химии в первом приближении большая часть свойств базируется на периодической системе: периодичность свойств, вторичная периодичность, электроотрицательность, радиус атомов/ионов, поляризуемость, электрохимические потенциалы. Отсюда – стабильные степени окисления, соответственно, окислительно-восстановительные свойства, кислотно-основные свойства для разных степеней окисления. В принципе для основных свойств простых веществ, их оксидов/гидроксидов, кислородных/безкислородных кислот, бинарных соединений друг с другом и т.п. этого достаточно, чтобы сориентироваться и понять основные тенденции. Хотя беда неорганики в том, что исключений зачастую чуть не больше, чем правил, но тем не менее. Для понимания этих вещей советую учебники Спицина, Мартыненко “Неорг. химия” в 2 тт. и Гринвуда, Эршо “Химия элементов” тоже в 2 тт. На мой вкус в них эта линия проводится наиболее четким образом, именно чтобы за деревьями особенностей каждого соединения каждого элемента не потерять леса общих закономерностей.

В органической химии роль периодической системы играют гомологические ряды. Именно на них должно базироваться систематическое изучение свойств органических соединений. Отсюда – влияние углеродного хвоста, предельного/непредельного/сопряженного, умение анализировать смещение электронной плотности и пользоваться дельта+/дельта-, основные функциональные группы и их свойства. Дополнительно – ароматические соединения, поскольку они а) важны, б) обладают специфическими свойствами, хотя закономерности остаются в принципе теми же, влияние гетероатома(ов), гомологические ряды с ароматикой. Высший пилотаж – сочетания функциональных групп, их влияние друг на друга и внутримолекулярные реакции, тут уже придется, к сожалению. многое зубрить. Рискну предложить учебник Робертс, Кассерио “Орг. химия” 2тт., он не очень популярен у органиков, но мне нравится своей сжатостью и логичностью. 

Базой понимания свойств и органических и неорганических соединений являются основы термодинамики и кинетики химических реакций. Для того, чтобы уложить сведения в систему необходимо понять хотя бы основы термодинамики – основные ТД потенциалы, энтропия, зависимости их всех от температуры, давления. Основы теории растворов (растворимость в полярных/неполярных растворителях, гидратация/сольватация, рН и т.п. – самые основы). Понятие химического потенциала и хотя бы самые-самые основы электрохимии (эл-хим потенциалы, ионы, закон Фарадея, двойной электрический слой). Понятие химического равновесия и константы хим. реакции, ее связь с ТД потенциалами, принцип Ле-Шателье и влияние основных факторов на равновесие. Основы теории комплексных соединений, лиганды, сила лигандов, основы теории крист. поля. Ну, в общем, в любом хорошем учебнике по неорганике/общей химии это скорее всего будет.

Еще совет – если хотите хорошо запомнить, то нужна система, а за системой лучше идти к хорошим ВУЗовским учебникам. Не надо их бояться, в них много информации сверх, но ее можно и пропустить, зато система дана четче и полнее, чем в школьных учебниках, которые обычно в погоне за краткостью вырезают всё, что помогает хоть как-то систематизировать даже базовую феноменологическую информацию.

Нужно сначала избежать путаницы – “твердое” может значить две вещи: 1) агрегатное состояние, как твердое-жидкое-газ, и 2) механическая характеристика – твердость, как алмаз твердый, а мел – мягкий. Эти вещи в принципе связаны, но связь сложна и неоднозначная, поэтому не будем о ней :). Вероятно, Вы имеете в виду второе, механическую твердость (хотя железо отнюдь не чемпион, а вполне себе средненький материал по твердости, скорее для него имеет смысл говорить о довольно высокой прочности и пластичности).

Вы правы в том, что чем ближе элементы (молекулы, атомы, ионы) решетки друг к другу, тем прочнее будет свзь между ними. Но ключевым параметром здесь является тип химической связи, поскольку расстояние между атомами (молекулами, ионами) в решетке во многом определяется именно типом связи. Для железа, как и для других металлов, характерен металлический тип связи, когда, ну скажем, ионы металла в узлах решетки, а вокруг них общее электронное облако (это не совсем точное описание, но сгодится). Это дает 1) пластичность, поскольку связь кулоновская, а значит ненаправленная + ослабевает не так быстро при изменении расстояния. То есть, при сдвиге ионов из позиций (при механическом воздействии) связи не рвутся сразу, а имеют некий “запас прочности”, 2) прочность, поскольку кулоновское взаимодействие достаточно сильное. Вот металлы они такие и есть – пластичные и прочные. Степень прочности/пластичности/твердости будет определяться во многом симметрией решетки, параметрами электронного газа и т.д.

Это можно сравнить с атомными кристаллами (типа того же алмаза) с ковалентными связями между атомами в узлах решетки (твердость может быть и повыше, поскольку если расстояние между атомами короткие, то энергия связи может быть очень высока. Зато пластичности никакой – связь направленная, любое смещение атома ее рвет). Или с молекулярными кристаллами, где связь между молекулами в узлах решетки Ван-дер-ваальсова (прочность никакая, поскольку энергия связи маленькая, зато пластичность может быть неплохая, поскольку связь ненаправленная, вопрос только в том, чтобы механическое воздействие было не слишком сильное, поскольку независимо от пластичности предел прочности очень низкий). Решетки с одним и тем же типом химсвязи всегда будут иметь много общего, хотя и могут различаться между собой достаточно сильно по количественным критериям в зависимости от других параметров.