С самого раннего детства мы сталкиваемся с фразой, что такой-то предмет сделан из металла. Что такое металл?
Металлы - это определенная группа химических элементов (а также их сплавов), которые обладают общими для всей группы свойствами, такими как повышенная прочность, хорошая тепло- и электропроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск.
К металлам относится почти 80 % всех известных химических элементов (96 из 118).
Физические свойства металлов
Все металлы, за исключением ртути, в обычных условиях находятся в твердом состоянии. По степени твердости самый мягкий металл - это цезий (0,2 балла по 10-балльной шкале Мооса). Самый твердый - это вольфрам. Его твердость равна 6 баллам. Твердость железа - 4 балла.
Температуры плавления (перехода в жидкое состояние) у металлов разнятся: от - 39º у ртути до 3 410º у вольфрама. Низкие температуры плавления имеют все щелочные металлы, а из обычных - олово и свинец. Их можно расплавить даже в домашних условиях на газовой горелке. Большинство металлов плавится в специальных печах с высокими температурами.
Благодаря наличию в кристаллических решетках металлов свободных подвижных электронов, все они очень хорошо проводят электричество и тепло. Самые лучшие проводники электричества из металлов - это серебро, медь и алюминий. Не случайно именно из двух последних металлов делают электропроводку.
С прекрасной теплопроводностью металлов мы также часто сталкиваемся в быту. Чтобы вскипятить воду, мы наливаем ее в металлическую кастрюлю и ставим на плиту. Тэн нагревает металл, а металл передает почти всю тепловую энергию воде.
Химические свойства металлов
В ходе химических реакций все металлы легко отдают свои электроны и выступают в роли восстановителей.
Почти все металлы окисляются кислородом. Щелочные металлы (литий, кальций) вступают во взаимодействие с кислородом при обычных условиях. Для окисления кислородом других металлов нужна повышенная температура. Например, если нагреть медную проволоку на огне, медь вступит во взаимодействие с кислородом из воздуха и покроется черной пленкой (оксидом меди):
- 2Сu +O 2 → 2CuO
С кислородом не реагируют золото и платина.
Из других окислителей с металлами реагируют хлор, сера. Если смешать железные опилки и порошок серы и нагреть смесь, то на наших глазах получится сульфид железа:
- Fe +S → FeS
Восстановительная активность у разных металлов разная. По своей активности металлы распределяются следующим образом:
- Li - K - Ba - Sr - Ca - Na - Mg - Al - Mn - Zn - Cr - Fe - Ca - Co - Ni - Sn - Pb - (H2) - Cu - Hg - Ag - Pt - Au.
Чем левее в этом ряду находится металл, тем он активнее. Предыдущий элемент может вытеснить металл, находящийся правее. Например, если в пробирку с раствором сульфата меди поместить кусочек железа, то он покроется бурым налетом (пленкой из меди):
- Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Металлы, находящиеся левее водорода (H2), могут вытеснить его из соляной кислоты. Если в соляную кислоту опустить кусочек цинка, начнет выделяться водород:
- HCl + Zn → ZnCl2 + H2
Щелочные металлы легко вступают в реакцию с водой. Если в емкость с водой поместить кусочек натрия, то начнет активно выделяться водород и образуется щелочь:
- 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Применение металлов
Благодаря своим полезным свойствам металлы прочно вошли в жизнь человека. Человек использует прочность металлов, делая из них каркасы зданий (от маленьких павильонов до огромных небоскребов), корпуса машин (автомобилей, вагонов, кораблей, станков), а также рабочие детали различных инструментов.
Металлы - элементы, составляющие окружающую нас природу. Сколько существует Земля, столько существуют и металлы.
Земная кора содержит следующие металлы:
- алюминий - 8,2%,
- железо - 4,1%,
- кальций - 4,1%,
- натрий - 2,3%,
- магний - 2,3%,
- калий - 2,1 %,
- титан - 0,56% и т.д.
На данный момент наука обладает информацией о 118 химических элементах. Восемьдесят пять элементов из этого списка относятся к металлам.
Химические свойства металлов
Для того чтобы понять, от чего зависят химические свойства металлов, обратимся кавторитетному источнику – таблице периодической системе элементов, т.н. таблице Менделеева. Проведем диагональ (можно мысленно) между двумя точками: начнем от Be (бериллий) и закончим на At (астат). Деление это конечно условно, но все-таки позволяет объединять химические элементы в соответствии с их свойствами. Элементы, находящиеся слева под диагональю, и будут металлами. Чем левее, относительно диагонали, расположение элемента, тем более выражены будут у него металлические свойства:
- кристаллическая структура - плотная,
- теплопроводность - высокая,
- электрическая проводимость, уменьшающаяся с повышением температуры,
- уровень степени ионизации - низкий (электроны отделяются свободно)
- способность к образованию соединений (сплавы),
- растворимость (растворяются в сильных кислотах и едких щелочах),
- окисляемость (образование оксидов).
Вышеперечисленные свойства металлов зависят от наличия электронов, свободно перемещающихся в кристаллической решетке. У элементов, расположенных рядом с диагональю, или непосредственно в месте ее прохождения, имеют двойственные признаки принадлежности, т.е. имеют свойства металлов и неметаллов.
Радиусы атомов металлов имеют сравнительно большие размеры. Внешние электроны, называемыевалентными, значительно удалены от ядра и, как следствие, слабо связаны с ним. Поэтому атомы металлов легко отдают валентные электроны и образуют положительно заряженные ионы (катионы). Эта особенность является основным химическим свойством металлов. Атомы элементов с наиболее выраженными металлическими свойствами на внешнем энергетическом уровне имеют от одного до трех электронов. Химические элементы с характерно выраженными признаками металлов образуют только положительно заряженные ионы, они совсем не способны присоединять электроны.
Вытеснительный ряд М. В. Бекетова
Активность металла и скорость реакции его взаимодействия с другими веществами зависит от величины показателя способности атома "расстаться с электронами". Способность различно выражена у разных металлов. Элементы, обладающие высокими показателями, являются активными восстановителями. Чем больше масса атома металла, тем выше его восстановительная способность. Самыми сильными восстановителями считаются щелочные металлы K, Ca, Na. Если атомы металла не способны отдать электроны, то такой элемент будет считаться окислителем, например: аурид цезия может окислять другие металлы. В этом отношении наиболее активны соединения щелочных металлов.
Русский ученый М. В. Бекетов первым начал изучать явление вытеснения одних металлов, из соединений образованных ими, другими металлами. Составленный им перечень металлов, в котором они расположены в соответствии со степенью увеличения нормальных потенциалов,получил название "электрохимического ряда напряжений" (вытеснительный ряд Бекетова).
Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au
Чем правее расположен металла в этом ряду, тем ниже его восстановительные свойства, и тем сильнее окислительные свойства его ионов.
Классификация металлов по Менделееву
В соответствии с таблицей Менделеева различаются следующие виды (подгруппы) металлов:
- щелочные - Li (литий), Na (натрий), K (калий), Rb (рубидий), Cs (цезий), Fr (франций);
- щелочноземельные – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий), Ra (радий);
- легкие - AL (алюминий), In (индий), Cd (кадмий), Zn (цинк);
- переходные;
- полуметаллы
Техническое применение металлов
Металлы, нашедшие более или менее широкое техническое применение, условно делятся на три группы: черные, цветные и благородные.
К черным металлам относят железо и его сплавы: сталь, чугун и ферросплавы.
Следует сказать, что железо –самый распространенный в природе металл. Его химическая формула Fe (феррум) . Железо сыграло огромную роль в эволюции человека. Человек смог получить новые орудия труда, научившись выплавлять железо. В современной промышленности широко применяются сплавы железа, полученные путём добавления в железо углерода или других металлов.
Цветные металлы – это практически все металлы за исключением железа, его сплавов и благородных металлов. По своим физическим свойствам цветные металлы классифицируют следующим образом:
· тяжёлые металлы: медь, никель, свинец, цинк, олово;
· лёгкие металлы: алюминий, титан, магний, бериллий, кальций, стронций, натрий, калий, барий, литий, рубидий, цезий;
· малые металлы: висмут, кадмий, сурьма, ртуть, кобальт, мышьяк;
· тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, ванадий, цирконий, ниобий, тантал, марганец, хром;
· редкие металлы: галлий, германий, индий, цирконий;
Благородные металлы : золото, серебро, платина, родий, палладий, рутений, осмий.
Нужно сказать, что с золотом человек познакомился гораздо раньше, чем с железом. Золотые украшения из этого металла делали ещё в Древнем Египте. В наше время золото используется ещё и в микроэлектронике и других отраслях промышленности.
Серебро, как и золото, используется в ювелирной промышленности, микроэлектронике, фармацевтической промышленности.
Металлы сопровождают человека на протяжении всей истории человеческой цивилизации. Нет такой отрасли, где не использовались бы металлы. Без металлов и их соединений невозможно представить современную жизнь.
Московский Государственный Геологоразведочный
Университет им. С. Орджоникидзе
Кафедра химии
Реферат и лабораторная работа
По теме: «Металлы»
Москва, 2003 г.
СВОЙСТВА, ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ МЕТАЛЛОВ
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои электроны и переходить в положительно заряженный ион. Типичные металлы никогда не присоединяют электроны; их ионы заряжены положительно.
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, металлы являются восстановителями. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее он вступает во взаимодействие с другими веществами. Благодаря различному сродству к кислороду, металлы способны при высоких температурах восстанавливаться из окислов другие металлы.
С внешней же стороны (физические свойства) металлы характеризуются прежде всего особым «металлическим блеском», которое обуславливается их способностью сильно отражать лучи света. Также типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью. Причем проводить тепло и так могут металлы, располагающиеся в одном и том же порядке: лучшие проводники – серебро и медь, худшие – свинец и ртуть. С повышением температуры проводность металлов падает, при понижении, наоборот, увеличивается.
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку и т. д.
Кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Таким образом высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов. Также наличием свободных электронов обуславливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией.
Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, допускающим легкое скольжение одних слоев ионов относительно других под влиянием внешнего воздействия. Когда однородность структуры нарушается от добавления другого металла, сплавы отличаются твердостью и хрупкостью. По плотности металлы условно подразделяются на две группы: легкие металлы (плотностью < 5 г/см 3) и тяжелые металлы – все остальные.
Все металлы, кроме ртути, являются при обычной температуре твердыми веществами. Легкие металлы более легкоплавки, тяжелые – тугоплавкие. Температуры кипения металлов очень высоки.
ПОЛОЖЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТАБЛИЦЕ МЕНДЕЛЕЕВА. ПОТЕНЦИАЛЫ ИОНИЗАЦИИ.
В периодической системе Д. И. Менделеева металлы занимают всю левую нижнюю часть, причем граница переходит за диагональную линию, проведенную из левого верхнего угла. В соответствии с особенностями электронной структуры и положением в периодической системе, различают s-, p-, d- и f- металлы. К s- металлам относятся элементы, у которых происходит заполнение внешнего s- уровня. Это элементы главных подгрупп I и II групп ПС – щелочные и щелочноземельные металлы. К числу р- металлов относятся элементы III – IV групп. Эти металлы типичные полупроводники. Характерная черта этих элементов – образование амфотерных гидроксидов. d- металлы получили название переходных металлов. Каждое семейство состоит из 10 d- элементов. Максимально возможная степень окисления d- металлов +8. Самая характерная особенность d- элементов – исключительная способность к комплексообразованиям. Этим они резко отличаются от непереходных элементов. Химию с достраивающими f- слоями образуют две группы элементов – лантаноиды и актиноиды. Лантаноиды - редкоземельные элементы. Их типичная степень окисления +3. Среди актиноидов большинство – радиоактивные элементы. Они способны проявлять несколько степеней окисления. Металлы IV и VII периодов называют также тяжелыми металлами, в связи с высокой плотностью, в отличии от легких металлов первых трех периодов.
Потенциал ионизации
По группе По периоду
металл металл
МЕТАЛЛЫ В ПРИРОДЕ И ИХ КЛАРКИ
s-металлы встречаются в природе только в виде соединений, либо в составе минералов (KCl, NaCl, CaCO 3 и т. д.), либо в виде ионов в морской воде. Алюминий – самый распространенный металл на Земле (8% состава земной коры). В виде свободного металла в природе не встречается; входит в состав глиноземов (Al 2 O 3), бокситов (Al 2 O 3 xH 2 O).
Золото и платина встркчаются почти исключительно в самородном виде, а серебро и медь – отчасти; иногда встречается самородная ртуть.
Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов, носят название руд.
Рассеянное состояние – когда элементы не образуют или почти не образуют собственных минералов.
Формы нахождения металлов:
Минералы:
А) оксиды
Б) галогениды
В) сульфиды
Г) селениды
Д) карбонаты
Е) силикаты
Редкие рассеянные элементы: Te, Ge, Cd.
Самородные элементы: Cu, Au, Ag, Pt.
Кларки большинства элементов не превышают 0,01 – 0,0001%, такие элементы называются редкими.
РЯД НАПРЯЖЕНИЙ МЕТАЛЛОВ
Ряд напряжений – это вытеснительный ряд Бекетова. Он расположил металлы по их убывающей химической активности.
Если из всего ряда стандартных электродных потенциалов выделить только те электродные процессы, которые отвечают общему уравнению:
то получим ряд напряжений металлов. В этот ряд всегда помещают также водород, что позволяет видеть, какие металлы способны вытеснять водород из водных растворов кислот. Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его способность к окислительно-восстановительным взаимодействиям в водных растворах при стандартных условиях.
Уменьшение химической активности
K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au
Уменьшение способности ионов к присоединению электронов
В этом ряду положение каждого металла точно определяется величиной электрического напряжения, или разностью потенциалов. Водород также помещен в этот ряд, т.к. он тоже может вытеснять некоторые металлы из растворов их солей.
Химическое поведение отдельных металлов при реакциях в растворах:
Каждый металл этого ряда (и водород) вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из растворов их солей. В свою очередь сам он может быть вытеснен (восстановлен) любым из металлов, стоящих впереди него.
Металлы, стоящие в ряду напряжения до водорода, могут вытеснять его из разбавленных кислот. Металлы, стоящие вправо от водорода, не способны вытеснять водород из кислот.
Чем левее в ряду напряжение стоит Ме, тем он активнее, тем больше его восстановительная способность в отношении ионов других металлов, тем легче он сам превращается в ионы.
|
Уравнение электронного процесса |
Уравнение электродного процесса |
Стандартный потенциал φ 0 при 25 0 С. |
|
|
Li + + ē - = Li Rb + + ē - = Rb K + + ē - = K Cs + + ē - = Cs Ca 2+ + 2ē - = Ca Na + + ē - = Na Mg 2+ + 2ē - = Mg Al 3+ + 3ē - = Al Ti 2+ + 2ē - = Ti Mn 2+ + 2ē - = Mn Cr 2+ + 2ē - = Cr Zn 2+ + 2ē - = Zn Cr 3+ + 3ē - = Cr Fe 2+ + 2ē - = Fe Cd 2+ + 2ē - = Cd |
Co 2+ + 2ē - = Co Ni 2+ +2ē - = Ni Sn 2+ + 2ē - = Sn Pb 2+ + 2ē - = Pb Fe 3+ + 3ē - = Fe 2H + + 2ē - = H 2 Bi 3+ + 3ē - = Bi Cu 2+ + 2ē - = Cu Cu + + ē - = Cu Hg 2 2+ + 2ē - = 2Hg Ag + + ē - = Ag Hg 2+ + 2ē - = Hg Pt 2+ + 2ē - = Pt Au 3+ + 3ē - = Au Au + + ē - = Au |
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В МЕТАЛЛАХ.
Подвижные свободные электроны обуславливают электропроводность металлов, явления фотоэффекта, электрохимические свойства.
Следу методу молекулярных орбиталей, надо представить себе общее, на которых и размещаются все валентные электроны. При сближении 2-х атомов водорода, каждый энергетический уровень расщепляется на М подуровней. Увеличение числа уровней, вызываемая сближением атомов, приводит к тому, что образуются полосы, отвечающие s-электронам, р-электронам и т.д..
Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп, выделены синим цветом), а справа вверху – элементы-неметаллы (выделены желтым цветом). Элементы, расположенные вблизи диагонали – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером (выделены розовым цветом).
Как видно из рисунка, подавляющее большинство элементов являются металлами.
По своей химической природе металлы – это химические элементы, атомы которых отдают электроны с внешнего или предвнешнего энергетического уровней, образуя при этом положительно заряженные ионы.
Практически все металлы имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (от 1 до 3) на внешнем энергетическом уровне. Для металлов характерны низкие значения электроотрицательности и восстановительные свойства.
Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к увеличивается радиус атомов (за счет увеличения числа энергетических уровней). Это приводит к уменьшению электроотрицательности (способности притягивать электроны) элементов и усилению восстановительных свойств (способность отдавать электроны другим атомам в химических реакциях).
Типичными металлами являются s-элементы (элементы IА-группы от Li до Fr. элементы ПА-группы от Мg до Rа). Общая электронная формула их атомов ns 1-2 . Для них характерны степени окисления + I и +II соответственно.
Небольшое число электронов (1-2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.
Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами — это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Вг — , Сa 2+ О 2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами — гидроксидов и солей, например Мg 2+ (OН —) 2 , (Li +)2СO 3 2-.
Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а также примыкающие к ним металлы (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0-4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры — соединения Тl III , Рb IV , Вi v). Подобное химическое поведение характерно и для большинства (d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры — амфотерные элементы Сr и Zn).
Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga 2 , в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути (II) АlСl 3 и НgСl 2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе АlСl 3 диссоциирует почти полностью, а НgСl 2 — в очень малой степени (да и то на ионы НgСl + и Сl —).
Общие физические свойства металлов
Благодаря наличию свободных электронов («электронного газа») в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:
1) Пластичность — способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.
2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.
3) Электропроводность . Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».
4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.
5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий — литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее 5 г/см3 считаются «легкими металлами».
7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.
Общие химические свойства металлов
Сильные восстановители: Me 0 – nē → Me n +
Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.
I. Реакции металлов с неметаллами
1) С кислородом:
2Mg + O 2 → 2MgO
2) С серой:
Hg + S → HgS
3) С галогенами:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2
4) С азотом:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2
5) С фосфором:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2
6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H 2 → 2LiH
Ca + H 2 → CaH 2
II. Реакции металлов с кислотами
1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2
2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2
6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2
2) С кислотами-окислителями:
При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!
Zn + 2H 2 SO 4(К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
4Zn + 5H 2 SO 4(К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
3Zn + 4H 2 SO 4(К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O
2H 2 SO 4(к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
4HNO 3 (к) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
III. Взаимодействие металлов с водой
1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2
3) Неактивные (Au, Ag, Pt) — не реагируют.
IV. Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:
Cu + HgCl 2 → Hg+ CuCl 2
Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4
В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси - сплавы , в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь ) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем — дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) — это широко известные чугун и сталь.
Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой , в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.
Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина ), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.
Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией . Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте — металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.
При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+)
Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg — только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи — «царской водкой».
Коррозия металлов
Нежелательным химическим свойством металлов является их , т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.
Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО 2 и SО 2 ; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н 2 (водородная коррозия ).
Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более активный металл разрушается (корродирует).
Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).
Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении ; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь ), имеют высокую коррозионную стойкость.
электрометаллургия , т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;
пирометаллургия , т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);
гидрометаллургия , т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO 4 действием цинка, железа или алюминия).
В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры — Аg, Аu, Рt, Нg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды ). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных — Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до самых редких — Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.
Посмотрите вокруг на секунду... Сколько металлических вещей вы можете увидеть? Обычно, когда мы думаем о металлах, мы вспоминаем о веществах, которые являются блестящими и прочными. Однако они также находятся в нашей пище и в наших телах. Давайте познакомимся с полным списком металлов, известных науке, узнаем их основные свойства и выясним, почему они такие особенные.
Элементы, легко теряющие электроны, которые являются блестящими (отражающими), податливыми (могут быть отлиты в другие формы) и считаются хорошими проводниками тепла и электричества, называют металлами. Они имеют решающее значение для нашего образа жизни, так как не только являются частью структур и технологий, но и важны для производства почти всех предметов. Металл есть даже в человеческом теле. Взглянув на этикетку состава мультивитаминов, вы увидите десятки перечисленных соединений.
Возможно, вы не знали, что такие элементы, как натрий, кальций, магний и цинк, необходимы для жизни, и, если они отсутствуют в наших телах, наше здоровье может быть в серьезной опасности. Например, кальций необходим для здоровых костей, магний - для метаболизма. Цинк усиливает функцию иммунной системы, а железо помогает клеткам крови переносить кислород по всему телу. Однако металлы в наших телах отличаются от металла в ложке или стальном мосте тем, что они потеряли электроны. Они называются катионами.
Металлы также обладают антибиотическими свойствами, поэтому перила и ручки в общественных местах часто изготавливаются из этих элементов. Известно, что многие инструменты делаются из серебра для предотвращения размножения бактерий. Искусственные суставы изготавливаются из титановых сплавов, которые одновременно предотвращают заражение и делают реципиентов сильнее.
Металлы в периодической таблице
Все элементы в Дмитрия Менделеева делятся на две большие группы: металлы и неметаллы. Первая является самой многочисленной. Большинство элементов - металлы (синий). Неметаллы в таблице изображены на желтом фоне. Есть также группа элементов, которые относят к металлоидам (красный). Все металлы сгруппированы в левой части таблицы. Обратите внимание, что водород сгруппирован с металлами в верхнем левом углу. Несмотря на это, он считается неметаллическим. Однако некоторые ученые теоретизируют, что в ядре планеты Юпитер может быть металлический водород.
Металлическое связывание
Многие из замечательных и полезных качеств элемента связаны с тем, как его атомы соединяются друг с другом. При этом возникают определенные связи. Металлическое взаимодействие атомов приводит к созданию металлических структур. Любой образец этого элемента в повседневной жизни, от автомобиля до монет в кармане, включает в себя металлическое соединение.
Во время этого процесса атомы металла разделяют свои внешние электроны равномерно друг с другом. Электроны, протекающие между положительно заряженными ионами, легко передают тепло и электроэнергию, делая эти элементы такими хорошими проводниками тепла и электричества. Медные провода используются для электроснабжения.
Реакции металлов
Реакционная способность относится к тенденции элемента реагировать с химическими веществами в его окружении. Она бывает разная. Некоторые металлы, например, калий и натрий (в колонках 1 и 2 в периодической таблице), легко реагируют со многими различными химическими веществами и редко встречаются в своей чистой, элементарной форме. Оба обычно существуют только в соединениях (связанных с одним или несколькими другими элементами) или как ионы (заряженная версия их элементарной формы).
С другой стороны, существуют и другие металлы, их еще называют ювелирными. Золото, серебро и платина являются не очень реактивными и обычно встречаются в чистом виде. легче теряют электроны, чем неметаллы, но не так легко, как реактивные металлы, например, натрий. Платина относительно нереакционноспособна и очень устойчива к реакциям с кислородом.
Свойства элементов
Когда вы изучали алфавит в начальной школе, вы обнаружили, что все буквы имеют свой собственный уникальный набор свойств. Например, у некоторых были прямые линии, у некоторых - кривые, а у других были линии обоих типов. То же самое можно сказать и об элементах. Каждый из них имеет уникальный набор физических и химических свойств. Физические свойства - это качества, присущие определенным веществам. Блестящий или нет, насколько он хорошо проводит тепло и электричество, при какой температуре тает, насколько большую имеет плотность.
Химические свойства включают те качества, которые наблюдаются при реагировании на воздействие кислородом, если они будут гореть (то, насколько сложно им будет удерживать их электроны во время химической реакции). Различные элементы могут иметь общие свойства. Например, железо и медь являются одновременно элементами, которые проводят электричество. Однако они не имеют одинаковых свойств. Например, когда железо подвергается воздействию влажного воздуха, оно покрывается ржавчиной, но когда медь оказывается под действием тех же условий, она приобретает специфический зеленый налет. Вот почему статуя Свободы зеленая, а не ржавая. Она сделана из меди, а не железа).
Организация элементов: металлы и неметаллы
Тот факт, что элементы имеют некоторые общие и уникальные свойства, позволяет сортировать их в красивую, аккуратную диаграмму, которая называется периодической таблицей. Она организует элементы на основе их атомного числа и свойств. Итак, в периодической таблице мы находим элементы, сгруппированные вместе, которые имеют общие свойства. Железо и медь находятся близко друг к другу, оба являются металлами. Железо обозначено символом «Fe», а медь обозначается символом «Cu».
Большинство элементов периодической таблицы - это металлы, и они, как правило, находятся в левой части таблицы. Они группируются вместе, потому что обладают определенными физическими и химическими свойствами. Например, металлы плотные, блестящие, они хорошие проводники тепла и электричества, и они легко теряют электроны в химических реакциях. Напротив, неметаллы имеют противоположные свойства. Они не плотные, не проводят тепло и электричество, и стремятся получить электроны, а не отдать их. Когда мы смотрим в периодическую таблицу, мы видим, что большинство неметаллов сгруппированы справа. Это такие элементы, как гелий, углерод, азот и кислород.
Что такое тяжелые металлы?
Список металлов достаточно многочисленный. Некоторые из них могут накапливаться в организме и не наносить ему при этом вреда, как например, природный стронций (формула Sr), который является аналогом кальция, так как продуктивно откладывается в костной ткани. Какие из них называются тяжелыми и почему? Рассмотрим четыре примера: свинец, медь, ртуть и мышьяк.
Где находятся эти элементы и как они влияют на окружающую среду и здоровье человека? Тяжелые металлы представляют собой металлические, встречающиеся в природе соединения, которые имеют очень высокую плотность по сравнению с другими металлами - по меньшей мере, они в пять раз больше плотности воды. Они токсичны для людей. Даже небольшие дозы могут привести к серьезным последствиям.
- Свинец. Это тяжелый металл, являющийся токсичным для людей, особенно для детей. Отравление этим веществом может привести к проблемам неврологического характера. Несмотря на то что когда-то он был весьма привлекательным из-за его гибкости, высокой плотности и способности поглощать вредное излучение, свинец был выведен из употребления по многим направлениям. Этот мягкий серебристый металл, который встречается на Земле, является опасным для людей и накапливается в организме в течение долгого времени. Самое страшное, что от него нельзя избавиться. Он сидит там, накапливается и постепенно отравляет тело. Свинец токсичен для нервной системы и может вызвать серьезное повреждение головного мозга у детей. Он широко использовался в 1800-х годах для создания макияжа и вплоть до 1978 года использовался в качестве одного из ингридиентов в краске для волос. Сегодня свинец используется в основном в больших батареях, в качестве экранов для рентгеновских лучей или изоляции для радиоактивного материала.
- Медь. Это красновато-коричневый тяжелый металл, у которого есть множество применений. Медь по-прежнему является одним из лучших проводников электричества и тепла, и многие электрические провода сделаны из этого металла и покрыты пластиком. Монеты, в основном мелочь, также делают из этого элемента периодической системы. Острые отравления медью встречаются редко, но, как и свинец, она может накапливаться в тканях, что в конечном итоге приводит к токсичности. Люди, которые подвергаются воздействию большим количеством меди или медной пыли, также находятся в зоне риска.
- Ртуть. Этот металл токсичен в любой форме и может даже поглощаться кожей. Его уникальность состоит в том, что он является жидким при комнатной температуре, его иногда называют «быстрым серебром». Его можно увидеть в термометре, потому что в качестве жидкости он поглощает тепло, изменяя объем даже с малейшей разницей в температуре. Это позволяет ртути подниматься или падать в стеклянной трубке. Поскольку это вещество является мощным нейротоксином, многие компании переходят на окрашенные в красный цвет.
- Мышьяк. Со времен Римской империи вплоть до викторианской эпохи мышьяк считался «королем ядов», а также «ядом царей». История пронизана бесчисленными примерами как королевских лиц, так и простых людей, совершающих убийства для личной выгоды, используя соединения мышьяка, у которых не было ни запаха, ни цвета, ни вкуса. Несмотря на все отрицательные влияния, этот металлоид также имеет свои области применения, даже в медицине. Например, триоксид мышьяка является очень эффективным препаратом, используемым для лечения людей с острым промиелоцитарным лейкозом.
Что такое драгоценный металл?
Драгоценный металл представляет собой металл, который может быть редким или трудно добываемым, а также экономически очень ценным. Каков список металлов, являющихся драгоценными? Всего их три:
- Платина. Несмотря на свою тугоплавкость, она используется в ювелирных изделиях, электронике, автомобилях, в химических процессах и даже в медицине.
- Золото. Этот драгоценный металл используется для изготовления ювелирных изделий и золотых монет. Однако он имеет много других применений. Он используется в медицине, производстве и лабораторном оборудовании.
- Серебро. Этот благородный металл серебристо-белого цвета является очень ковким. в чистом виде является достаточно тяжелым, оно легче свинца, но тяжелее меди.
Металлы: виды и свойства
Большинство элементов можно рассматривать как металлы. Они сгруппированы в середине в левой стороне таблицы. Металлы бывают щелочные, щелочноземельные, переходные, лантаноиды и актиниды.
Все они имеют несколько общих свойств, это:
- твердое вещество при комнатной температуре (за исключением ртути);
- обычно блестящее;
- с высокой температурой плавления;
- хороший проводник тепла и электричества;
- с низкой способностью к ионизации;
- с низкой электроотрицательностью;
- податливый (способный принимать заданную форму);
- пластичный (можно вытянуть в проволоку);
- с высокой плотностью;
- вещество, которое теряет электроны в реакциях.
Список металлов, известных науке
- литий;
- бериллий;
- натрий;
- магний;
- алюминий;
- калий;
- кальций;
- скандий;
- титан;
- ванадий;
- хром;
- марганец;
- железо;
- кобальт;
- никель;
- медь;
- цинк;
- галлий;
- рубидий;
- стронций;
- иттрий;
- цирконий;
- ниобий;
- молибден;
- технеций;
- рутений;
- родий;
- палладий;
- серебро;
- кадмий;
- индий;
- коперниций;
- цезий;
- барий;
- олово;
- железо;
- висмут;
- свинец;
- ртуть;
- вольфрам;
- золото;
- платина;
- осмий;
- гафний;
- германий;
- иридий;
- ниобий;
- рений;
- сурьма;
- таллий;
- тантал;
- франций;
- ливерморий.
Всего известно около 105 химических элементов, большая часть из которых - металлы. Последние являются очень распространенным элементом в природе, который встречается как в чистом виде, так и в составе всевозможных соединений.
Металлы залегают в недрах земли, их можно найти в различных водоемах, в составе тел животных и человека, в растениях и даже в атмосфере. В периодической системе они располагаются начиная с лития (металл с формулой Li) и заканчивая ливерморием (Lv). Таблица она продолжает пополняться новыми элементами, и в основном это металлы.