Активные металлы. Доклад: Металлы Название всех металлов по химии

Металлы – этоэлементы, проявляющие в своих соединениях только положительные степениокисления, и в простых веществах которые имеют металлические связи. Металлическаякристаллическая решетка - решетка, образованная нейтральными атомами и ионами металлов, связанными междусобой свободными электронами./> У металловв узлах кристаллической решетки находятся атомы и положительные ионы.Электроны, отданные атомами, находятся в общем владении атомов и положительныхионов. Такая связь называется металлической . Для металлов наиболее характерны следующие физические свойства: металлическийблеск, твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла иэлектричества. Теплопроводность и электропроводность уменьшается в рядуметаллов: Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg.

Многие металлы широкораспространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной кореследующее: алюминия - 8,2%; железа - 4,1%; кальция - 4,1%; натрия - 2,3%;магния - 2,3%; калия - 2,1%; титана - 0,56%.

С внешней стороны металлы, какизвестно, характеризуются прежде всего особым “металлическим” блеском, которыйобусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блескнаблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошнуюкомпактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучипревращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном видеимеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокойтепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и токрасполагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь,худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает,при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Оченьважным свойством металлов является их сравнительно легкая механическаядеформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются впроволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерныефизические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутреннейструктуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят изположительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся отсоответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в видепространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках междуионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят отодних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Таккак электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшойразности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е.возникает электрический ток.

Наличиемсвободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясьв непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами иобмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в даннойчасти металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, отних - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; всямасса металла принимает одинаковую температуру.

Поплотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы,плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы - всеостальные.

Частицыметаллов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типомхимической связи - так называемой металлической связью. Она определяетсяодновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами икулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом,металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

/> /> /> /> /> /> /> /> />

Методы получения металлов

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

пирометаллургические

гидрометаллургические

электрометаллургические

/> /> /> /> /> /> /> />

Восстановление металлов из соединений при высокой температуре

Восстановление металлов из водных растворов их соединений

Восстановление металлов из расплавов соединений под действием электрического тока

Химическиесвойства металлов

Взаимодействие с простыми веществами:

1. с галогенами:

Na + Cl2 → 2NaCl

2. с кислородом:

4Al + 3O2 → 2Al2O3

В реакциях с галогенами и кислородомметаллы наиболее энергично проявляют восстановительные способности.

3. с серой:

4. с азотом:

3Mg + N2 →Mg3N2

5. с фосфором:

3Ca + 2P→ Ca3P2

6. с водородом:

Наиболее активные металлы главных подгруппявляются сильными восстановителями, поэтому восстанавливают водород до степениокисления -1 и образуют гидриды.

Взаимодействиесо сложными веществами:

1. с кислотами:

2Al+3H2SO4 → Al2(SO4)3+ 3H2

2Al+ 6H + 3SO4 → 2Al + 3SO4 + 3H2

2Al + 6H→ 2Al + 3H2

Металлы, которые в электрохимическом рядунапряжений металлов находятся до водорода, восстанавливают ионы водорода изразбавленных кислот, а те, которые находятся после водорода, восстанавливаютатом основного элемента, образующего данную кислоту.

2. с водными растворами солей:

Zn+ Pb(NO3)2 → Zn(NO3)2 + Pb

Zn+ Pb + 2NO3 = Zn + 2NO3 + Pb

Zn + Pb = Zn + Pb

При взаимодействии с водными растворамисолей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее,восстанавливают металлы, находящиеся в этом ряду правее от них. Однако металлыс сильными восстановительными свойствами (Li, Na, K, Ca) в этихусловиях будут восстанавливать водород воды, а не металл соответствующей соли.

3. с водой:

Самые активные металлы реагируют с водой при обычныхусловиях, и в результате этих реакций образуются растворимые в воде основания ивыделяется водород.

2Na + 2HOH→ 2NaOH + H2

Менее активные металлы реагируют с водой при повышеннойтемпературе с выделением водорода и образованием оксида соответствующегометалла.

Zn + H2O→ ZnO +H2

Характеристика металлов главной подгруппы I группы.

Главную подгруппу I группыпериодической системы составляют литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.

Все щелочные металлы имеют один s-электрон на внешнемэлектронном слое, который при химических реакциях легко теряют, проявляястепень окисления +1. Поэтому щелочные металлы являются сильнымивосстановителями. Радиусы их атомов возрастают от лития к францию. Электронвнешнего слоя с возрастанием радиуса атома находится все дальше от ядра, силыпритяжения ослабевают и, следовательно, увеличивается способность к отдачеэтого электрона, т.е. химическая активность. В электрохимическом рядунапряжений металлов все щелочные металлы стоят левее водорода. Все щелочныеметаллы в твердом состоянии хорошо проводят электрический ток. Они легкоплавки,быстро окисляются на воздухе, поэтому их хранят без доступа воздуха и влаги,чаще всего под керосином. Щелочные металлы образуют соединения спреимущественно ионной связью. Оксиды щелочных металлов – твердыегигроскопичные вещества, легко взаимодействующие с водой. При этом образуютсягидроксиды – твердые вещества, хорошо растворимые в воде. Соли щелочныхметаллов, как правило, тоже хорошо растворяются в воде.

Всещелочные металлы - очень сильные восстановители, в соединениях проявляютединственную степень окисления +1. Восстановительная способность увеличиваетсяв ряду ––Li–Na–K–Rb–Cs.
Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер.
Практически все соли растворимы в воде.

1. Активно взаимодействуют с водой:

2Na + 2H2O→ 2NaOH + H2­
2Li + 2H2O → 2LiOH + H2­

2. Реакция с кислотами:

2Na + 2HCl →2NaCl + H2

3. Реакция с кислородом:

4Li + O2→ 2Li2O(оксид лития)
2Na + O2 → Na2O2(пероксид натрия)
K + O2 → KO2(надпероксид калия)

На воздухе щелочные металлымгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей(керосин и др.).

4.В реакциях с другими неметаллами образуются бинарные соединения:

2Li + Cl2→ 2LiCl(галогениды)
2Na + S → Na2S(сульфиды)
2Na + H2 → 2NaH(гидриды)
6Li + N2 → 2Li3N(нитриды)
2Li + 2C → 2Li2C2(карбиды)

Реагируют со спиртами и галогенопроизводными углеводородов (смотри«Органическую химию»)

5. Качественная реакция на катионы щелочных металлов - окрашивание пламени вследующие цвета:

Li+– карминово-красный
Na+ – желтый
K+, Rb+ и Cs+ – фиолетовый

II группы.

Главнуюподгруппу II группы Периодической системы элементовсоставляют бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.

Атомы этихэлементов имеют на внешнем электронном уровне два s-электрона:ns2. В хим. реакциях атомы элементовподгруппы легко отдают оба электрона внешнего энергетического уровня и образуютсоединения, в которых степень окисления элемента равна +2.

Всеэлементы этой подгруппы относятся к металлам. Кальций, стронций, барий и радийназываются щелочноземельными металлами.

В свободномсостоянии эти металлы в природе не встречаются. К числу наиболеераспространенных элементов относятся кальций и магний. Основнымикальцийсодержащими минералами являются кальцит CaCO3 (егоразновидности – известняк, мел, мрамор), ангидрит CaSO4, гипс CaSO4 ∙ 2H2O_{,флюорит CaF2 ифторапатит Ca5(PO4)3F. Магнийвходит в состав минералов магнезита MgCO3, доломита MgCO3 ∙ CaCo3,карналлита KCl ∙ MgCl2 ∙ 6H2O.Соединения магния в больших количествах содержатся в морской воде.}

Свойства.Бериллий, магний, кальций, барий и радий – металлы серебристо-белого цвета.Стронций имеет золотистый цвет. Эти металлы легкие, особенно низкие плотностиимеют кальций, магний, бериллий.

Радийявляется радиоактивным химическим элементом.

Бериллий,магний и особенно щелочноземельные элементы – химически активные металлы. Ониявляются сильными восстановителями. Из металлов этой подгруппы несколько менееактивен бериллий, что обусловлено образованием на поверхности этого металлазащитной оксидной пленки.

1. Взаимодействиес простыми веществами. Все легко взаимодействуют с кислородом и серой, образуяоксиды и сульфаты:

Бериллий имагний реагируют с кислородом и серой при нагревании, остальные металлы – приобычных условиях.

Все металлыэтой группы легко реагируют с галогенами:

Mg + Cl2 = MgCl2

Принагревании все реагируют с водородом, азотом, углеродом, кремнием и другиминеметаллами:

Ca + H2 = CaH2 (гидридкальция)

3Mg + N2 = Mg3N2 (нитридмагния)

Ca + 2C = CaC2 (карбидкальция)

Карибиткальция – бесцветное кристаллическое вещество. Технический карбит, содержащийразличные примеси, может иметь цвет серый, коричневый и даже черный. Карбиткальция разлагается водой с образованием газа ацетилена C2H2 – важногопродукта хим. промышленности:

CaC2 + 2H2O = CaOH)2+ C2H2

Расплавленныеметаллы могут соединяться с другими металлами, образуя интерметаллическиесоединения, например CaSn3, Ca2Sn.

2. Взаимодействуютс водой. Бериллий с водой не взаимодействует, т.к. реакции препятствуетзащитная пленка оксида на поверхности металла. Магний реагирует с водой принагревании:

Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2

Остальныеметаллы активно взаимодействуют с водой при обычных условиях:

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2

3. Взаимодействиес кислотами. Все взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной сернойкислотами с выделением водорода:

Be + 2HCl = BeCl2 + H2

Разбавленнуюазотную кислоту металлы восстанавливают главным образом до аммиака или нитратааммония:

2Ca + 10HNO3(разб.)= 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

Вконцентрированных азотной и серной кислотах (без нагревания) бериллийпассивирует, остальные металлы реагируют с этими кислотами.

4.Взаимодействие с щелочами. Бериллий взаимодействует с водными растворамищелочей с образованием комплексной соли и выделением водорода:

Be + 2NaOH + 2H2O = Na2+ H2

Магний ищелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.

5.Взаимодействие с оксидами и солями металлов. Магний и щелочноземельные металлымогут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей:

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

V2O5 + 5Ca = 2V + 5CaO

Бериллий,магний и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их хлоридовили термическим восстановлением их соединений:

BeF2 + Mg = Be + MgF2

MgO + C = Mg + CO

3CaO + 2Al = 2Ca + Al2O3

3BaO + 2Al = 3Ba + Al2O3

Радийполучают в виде сплава с ртутью электролизом водного раствора RaCl2 с ртутнымкатодом.

Получение:

1) Окисление металлов (кроме Ba, которыйобразует пероксид)

2)Термическое разложение нитратов или карбонатов

CaCO3 –t°→CaO + CO2­

2Mg(NO3)2 –t°→ 2MgO + 4NO2­ + O2­

Характеристикаэлементов главной подгруппы III группы. Алюминий.

Алюминий находится в главной подгруппе III группыпериодической системы. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеютсясвободные р-орбитали, что позволяет ему переходить в возбужденное состояние. Ввозбужденном состоянии атом алюминия образует три ковалентные связи илиполностью отдает три валентных электрона, проявляя степень окисления +3.

Алюминий является самым распространенным металлом на Земле:его массовая доля в земной коре составляет 8,8%. Основная масса природногоалюминия входит в состав алюмосиликатов – веществ, главными компонентамикоторых являются оксиды кремния и алюминия.

Алюминий – легкий металл серебристо-белогоцвета, плавится при 600°C, очень пластичен, легковытягивается в проволоку и прокатывается в листы и фольгу. Поэлектропроводности алюминий устпает лишь серебру и меди.

Взаимодействие с простымивеществами:

1. с галогенами:

2Al + 3Cl2 → 2AlCl3

2. с кислородом:

4Al + 3O2 → 2Al2O3

3. с серой:

2Al+ 3S → Al2S3

4. с азотом:

С водородом алюминий непосредственно не реагирует, но егогидрид AlH3 полученкосвенным путем.

Взаимодействиесо сложными веществами:

1. с кислотами:

2Al+ 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

2. со щелочами:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2

Если NaOH в твердом состоянии:

2Al+ 2NaOH + 6H2O → 2NaAlO2 + 3H2

3. с водой:

2Al + 6H2O→2Al(OH)3 + 3H2

Свойстваоксида и гидроксида алюминия:

Оксидалюминия, или глинозем, Al2O3 представляетсобой белый порошок. Оксид алюминия можно получить, сжигая металл илипрокаливая гидроксид алюминия:

2Al(OH)3→ Al2O3 + 3H2O

Оксид алюминия практически не растворяется в воде.Соответствующий этому оксиду гидроксид Al(OH)3 получают действием гидроксида аммония или растворов щелочей, взятых внедостатке, на растворы солей алюминия:

AlCl3+ 3NH3 ∙ H2O → Al(OH)3 ↓ + 3NH4Cl

Оксид и гидроксид этого металлаявляются амфотерными, т.е. проявляют как основные, так и кислотные свойства.

Основные свойства:

Al2O3 + 6HCl→2AlCl3 + 3H2O

2Al(OH)3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6H2O

Кислотные свойства :

Al2O3 + 6KOH +3H2O →2K3

2Al(OH)3+ 6KOH → K3

Al2O3 + 2NaOH→2NaAlO2 + H2O

Алюминий получают электролитическим методом. Он не можетбыть выделен из водных растворов солей, т.к. является очень активным металлом.Поэтому основным промышленным методом получения металлического алюминияявляется электролиз расплава, содержащего оксид алюминия и криолит.

Металлический алюминий широко используется впромышленности, по объему производства занимает второе место после железа.Основная масса алюминия идет на изготовление сплавов:

Дуралюмин – сплав алюминия, содержащий медь и небольшоеколичество магния, марганца и других компонентов. Дуралюмины – легкие прочные икоррозионностойкие сплавы. Используют в авиа- и машиностроении.

Магналин – сплав алюминия с магнием. Используют в авиа- имашиностроении, в строительстве. Стоек к коррозии в морской воде, поэтому егоприменяют в судостроении. Силумин – сплав алюминия, содержащий кремний. Хорошо подвергаетсялитью. Этот сплав используют в автомобиле-, авиа- и машиностроении,производстве точных приборов. Алюминий – пластичный металл, поэтому из негоизготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехническихизделий и для упаковки товаров. Из алюминия делают провода, краски «подсеребро».

Переходные металлы.

Железо.

Впериодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочнойподгруппе VIII группы.

Порядковыйномер – 26, электронная формула 1s2 2s2 2p6 3d64s2.

Валентныеэлектроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s2)и предпоследнем (3d6). В химических реакциях железо может отдаватьэти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и, иногда, +6.

Железо является вторым пораспространенности металлом в природе (после алюминия).Наиболее важныеприродные соединения: Fe2O3 · 3H2O – бурый железняк;Fe2O3– красный железняк;Fe3O4(FeO · Fe2O3) –магнитный железняк;FeS2 - железный колчедан (пирит).Соединенияжелеза входят в состав живых организмов.

Железо – серебристо серый металл,обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами.Плотность железа – 7,87 г/см3, температура плавления 1539°С.

В промышленности железо получаютвосстановлением его из железных руд углеродом (коксом) и оксидом углерода (II)в доменных печах. Химизм доменного процесса следующий:

3Fe2O3+ CO = 2Fe3O4 + CO2,

Fe3O4+ CO = 3FeO + CO2,

FeO + CO = Fe + CO2.

В реакциях железо являетсявосстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже ссамыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но принагревании становится активным и реагирует с ними:

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Хлорид железа (III)

3Fe + 2O2 = Fe3O4(FeO· Fe2O3) Оксид железа (II,III)

Fe + S = FeS Сульфид железа (II)

При очень высокой температуре железореагирует с углеродом, кремнием и фосфором:

3Fe + C = Fe3C Карбид железа (цементит)

3Fe + Si = Fe3Si Силицид железа

3Fe + 2P = Fe3P2 Фосфид железа (II)

Во влажном воздухе железо быстроокисляется (корродирует):

4Fe + 3O2 + 6H2O= 4Fe(OH)3,

Железо находится в середине электрохимическогоряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности.Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельныхметаллов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железореагирует с водой:

3Fe + 4H2O = Fe3O4+ 4H2­

Железо реагирует с разбавленнымисерной и соляной кислотами, вытесняя из кислот водород:

Fe + 2HCl = FeCl2+ H2­

Fe + H2SO4= FeSO4 + H2­

При обычной температуре железо невзаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею.При нагревании концентрированная H2SO4 окисляет железо досульфита железа (III):

2Fe + 6H2SO4= Fe2(SO4)3 + 3SO2­ + 6H2O.

Разбавленная азотная кислота окисляетжелезо до нитрата железа (III):

Fe + 4HNO3 =Fe(NO3)3 + NO­ + 2H2O.

Концентрированная азотная кислотапассивирует железо.

Из растворов солей железо вытесняетметаллы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:

Fe + CuSO4 =FeSO4 + Cu, Fe0+ Cu2+ = Fe2+ + Cu0.

Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество,нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксидажелеза(II,III) оксидом углерода (II):

Fe3O4 + CO =3FeO + CO2­.

Оксид железа (II) – основной оксид,легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа(II):

FeO + 2HCl = FeCl2+ H2O, FeO + 2H+ = Fe2+ + H2O.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 – порошок белого цвета, нерастворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их сощелочами:

FeSO4 + 2NaOH =Fe(OH)2¯ + Na2SO4,

Fe2+ + 2OH- =Fe(OH)2¯.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:

Fe(OH)2 + 2HCl= FeCl2 + 2H2O,

Fe(OH)2 + 2H+ =Fe2+ + 2H2O.

При нагревании гидроксид железа (II)разлагается:

Fe(OH)2 = FeO + H2O.

Соединения со степенью окисленияжелеза +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe2+ легкоокисляются до Fe+3:

Fe+2 – 1e = Fe+3

Так, свежеполученный зеленоватыйосадок Fe(OH)2 на воздухе очень быстро изменяет окраску – буреет. Изменениеокраски объясняется окислением Fe(OH)2 в Fe(OH)3 кислородомвоздуха:

4Fe+2(OH)2+ O2 + 2H2O = 4Fe+3(OH)3.

Оксид железа (III) Fe2O3 – порошок бурого цвета, нерастворяется в воде. Оксид железа (III) получают:

А) разложением гидроксида железа(III):

2Fe(OH)3 = Fe2O3+ 3H2O

Б) окислением пирита (FeS2):

4Fe+2S2-1+ 11O20= 2Fe2+3O3 + 8S+4O2-2.

Оксид железа (III) проявляетамфотерные свойства:

А) взаимодействует с твердымищелочами NaOH и KOH и с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:

Fe2O3+ 2NaOH = 2NaFeO2 + H2O,

Fe2O3+ 2OH- = 2FeO2- + H2O,

Fe2O3+ Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2.

Феррит натрия

Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) привзаимодействии их со щелочами:

FeCl3 + 3NaOH =Fe(OH)3¯ + 3NaCl,

Fe3+ + 3OH- =Fe(OH)3¯.

Гидроксид железа (III) является болееслабым основанием, чем Fe(OH)2, и проявляет амфотерные свойства (спреобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH)3легко образует соответствующие соли:

Fe(OH)3 + 3HCl « FeCl3 + H2O

2Fe(OH)3 + 3H2SO4« Fe2(SO4)3+ 6H2O

Fe(OH)3 + 3H+ « Fe3+ + 3H2O

Реакции с концентрированнымирастворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании.

Соединения со степенью окисленияжелеза +3 проявляют окислительные свойства, так как под действиемвосстановителей Fe+3 превращается в Fe+2:

Fe+3 + 1e = Fe+2.

Так, например, хлорид железа (III)окисляет йодид калия до свободного йода:

2Fe+3Cl3+ 2KI = 2Fe+2Cl2 + 2KCl + I20

Хром.

Хром находится в побочной подгруппе VI группы Периодическойсистемы. Строение электронной оболочки хрома: Cr3d54s1.

Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,02%.Важнейшими минералами, входящими в состав хромовых руд, являются хромит, илихромистый железняк, и его разновидности, в которых железо частично заменено намагний, а хром – на алюминий.

Хром – серебристо серый металл. Чистый хромдостаточно пластичный, а технический самый твердый из всех металлов.

Хромхимически малоактивен. В обычных условиях он реагирует только с фтором (изнеметаллов), образуя смесь фторидов. При высокихтемпературах (выше 600°C) взаимодействует с кислородом,галогенами, азотом, кремнием, бором, серой, фосфором:

4Cr + 3O2 –t°→ 2Cr2O3

2Cr + 3Cl2 –t°→ 2CrCl3

2Cr + N2 –t°→ 2CrN

2Cr + 3S –t°→ Cr2S3

В азотной и концентрированной серной кислотах онпассивирует, покрываясь защитной оксидной пленкой. В хлороводородной иразбавленной серной кислотах растворяется, при этом, если кислота полностьюосвобождена от растворенного кислорода, получаются соли хрома(II), а если реакция протекаетна воздухе – соли хрома (III):

Cr + 2HCl → CrCl2 + H2­

2Cr + 6HCl + O2 → 2CrCl3 + 2H2O + H2­

Оксидхрома (II) и гидроксид хрома (II) имеют основной характер.

Cr(OH)2 + 2HCl → CrCl2 + 2H2O

Соединенияхрома (II) - сильные восстановители;переходят в соединения хрома (III) под действием кислорода воздуха.

2CrCl2 + 2HCl → 2CrCl3 + H2­

4Cr(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Cr(OH)3

Соединения трёхвалентного хрома

Оксидхрома (III) Cr2O3 – зелёный, нерастворимый вводе порошок. Может быть получен при прокаливании гидроксида хрома (III) или дихроматов калия иаммония:

2Cr(OH)3 –t°→ Cr2O3 + 3H2O

4K2Cr2O7 –t°→ 2Cr2O3 + 4K2CrO4 + 3O2­

(NH4)2Cr2O7 –t°→ Cr2O3 + N2­+ 4H2O­

Амфотерныйоксид. При сплавлении Cr2O3 со щелочами, содой и кислыми солями получаютсясоединения хрома со степенью окисления (+3):

Cr2O3+ 2NaOH → 2NaCrO2 + H2O

Cr2O3+ Na2CO3 → 2NaCrO2 + CO2­

Cr2O3+ 6KHSO4 → Cr2(SO4)3 + 3K2SO4+ 3H2O

Присплавлении со смесью щёлочи и окислителя получают соединения хрома в степениокисления (+6):

2Cr2O3 + 4KOH + KClO3 → 2K2Cr2O7(дихромат калия) + KCl + 2H2O

Гидроксидхрома (III) Cr(OH)3 - нерастворимое в воде вещество зелёного цвета.

Cr2(SO4)3+ 6NaOH →2Cr(OH)3¯ + 3Na2SO4

Обладаетамфотерными свойствами - растворяется как в кислотах, так и в щелочах:

2Cr(OH)3 + 3H2SO4→ Cr2(SO4)3 + 6H2O

Cr(OH)3 + KOH →K

Оксидхрома (VI) CrO3 - ярко-красные кристаллы,растворимые в воде.

Получаютиз хромата (или дихромата) калия и H2SO4(конц.).

K2CrO4+ H2SO4 → CrO3 + K2SO4+ H2O

K2Cr2O7+ H2SO4 → 2CrO3 + K2SO4+ H2O

CrO3 - кислотный оксид, сощелочами образует жёлтые хроматы CrO42-:

CrO3 + 2KOH → K2CrO4 + H2O

Вкислой среде хроматы превращаются в оранжевые дихроматы Cr2O72-:

2K2CrO4 + H2SO4 → K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O

В щелочной среде эта реакцияпротекает в обратном направлении:

K2Cr2O7+ 2KOH → 2K2CrO4+ H2O

Всесоединения хрома (VI)- сильные окислители.

4CrO3 + 3S → 3SO2­+ 2Cr2O3

Медь.

Медьнаходится в побочной подгруппе I группы Периодическойсистемы. Строение электронных оболочек атомов элементов этой подгруппывыражается формулой (n-1)d10ns1. Навнешнем энергетическом уровне атома находится один электрон, однако вобразовании хим. связей могут принимать участие и электроны с d-подуровняпредпоследнего уровня. Поэтому они могут проявлять степени окисления +1, +2,+3, для меди наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +2.

Медь –мягкий пластичный металл, имеет розово-красную окраску. Обладает высокойэлектрической проводимостью.

Медь –химически малоактивный металл. С кислородом реагирует только при нагревании:

Нереагирует с водой, растворами щелочей, хлороводородной и разбавленной сернойкислотами. Медь растворяется в кислотах, являющихся сильными окислителями:

3Cu + 8HNO3 (разб.) =3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Cu + 2H2SO4 (конц.)=CuSO4 + SO2 +2H2O

Во влажнойатмосфере, содержащей диоксид углерода, поверхность меди обычно покрываетсязеленоватым налетом основного карбоната меди:

2Cu + O2 + CO2 +H2O= Cu(OH)2 ∙ CuCO3

Оксид меди(II) CuO – черное вещество, можетбыть получен из простых веществ или путем нагревания гидроксида меди (II):

Cu(OH)2 = CuO + H2O

Гидроксидмеди (II) представляет собой малорастворимое в водесоединение голубого цвета. Легко растворяется в кислотах и при нагревании вконцентрированных растворах щелочей, т.е. проявляет свойства амфотерногогидроксида:

Cu(OH)2 + H2SO4 =CuSO4 + 2H2O

Cu(OH)2 + 2KOH = K2

Основнаямасса производимой меди используется в электротехнической промышленности. Вбольших количествах медь идет на производство сплавов.

Цинк.

Цинкнаходится в побочной подгруппе II группы. Атомы элементовэтой подгруппы имеют следующую электронную оболочку: (n-1)s2p6d10ns2. Проявляютв соединениях степень окисления +2.

Цинк –серебристо-белый металл. Обладает хорошей электро- и теплопроводимостью. Навоздухе цинк покрывается защитной пленкой оксидов и гидроксидов, котораяослабляет его металлический блеск.

Цинк –химически активный металл. При нагревании легко взаимодействует с неметаллами(серой, хлором, кислородом):

Растворяетсяв разбавленных и концентрированных кислотах HCl, H2SO4, HNO3 и в водныхрастворах щелочей:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2+ NH4NO3 + 3H2O

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2+ H2

Оксид цинка– белое вещество, практически нерастворимое в воде. Оксид и гидроксид цинкаявляются амфотерными соединениями; они реагируют с кислотами и щелочами:

ZnO +2HCl = ZnCl2 + H2O

ZnO + 2KOH + H2O = K2

Гидроксидцинка растворяется в водном растворе аммиака, образуя комплексное соединение:

Zn(OH)2 + 6NH3 = (OH)2

Приполучение цинка его руды подвергают обжигу:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

ZnO + C = Zn + CO

Дляполучения более чистого металла оксид цинка растворяют в серной кислоте ивыделяют электролизом.

Цинкиспользуют для производства сплавов. Цинком покрывают стальные и чугунныеизделия для защиты их от коррозии.

Понятие о сплавах.

Характернойособенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или снеметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергаютплавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяетсяприродой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости оттемпературы. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, неприбегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы - это продуктыхимического взаимодействия металлов.

Кристаллическаяструктура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуядруг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а)химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в)механическую смесь кристаллов компонентов.

Тот илииной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействияразнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергийвзаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.

Современнаятехника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаевони состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов.Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойствиндивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50%висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственнотемпературы плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловяннойбронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициентлинейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистыхкомпонентов.

Однаконекоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, чточугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которыехарактерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы ифосфора, увеличивающие ее хрупкость.

Средисвойств сплавов наиболее важными для практического применения являютсяжаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиациибольшое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, дляметаллообрабатывающей промышленности - специальные сплавы, содержащие вольфрам,кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентомкоторых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продуктывзаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, асверхпроводящие при низких температурах сплавы - на основе интерметаллидов,образуемых ниобием с оловом и др.

Строе­ние ато­мов ме­тал­лов (см. прил. №1).

Груп­пы ме­тал­лов.

II. Фи­зи­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов.

III. По­ня­тие о спла­вах.

IV. Хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов.

V. Кор­ро­зия ме­тал­лов.

VII. Применение металлов.

VIII. Биологическая роль металлов.

I. По­ло­же­ние ме­тал­лов в пе­рио­ди­че­ской сис­те­ме.

Строе­ние ато­мов ме­тал­лов (см. прил. №1).

Груп­пы ме­тал­лов.

В на­стоя­щее вре­мя из­вест­но 118 хи­ми­че­ских эле­мен­тов, боль­шин­ст­во из них - ме­тал­лы. По­след­ние весь­ма рас­про­стра­не­ны в при­ро­де и встре­ча­ют­ся в ви­де раз­лич­ных со­еди­не­ний в не­драх зем­ли, во­дах рек, озер, мо­рей, океа­нов, со­ста­ве тел жи­вот­ных, рас­те­ний и да­же в ат­мо­сфе­ре.

В пе­рио­ди­че­ской сис­те­ме Д.И.Мен­де­лее­ва ка­ж­дый пе­ри­од, кро­ме пер­во­го (он вклю­ча­ет в се­бя два эле­мен­та-не­ме­тал­ла – во­до­род и ге­лий), на­чи­на­ет­ся с ак­тив­но­го хи­ми­че­ско­го эле­мен­та-ме­тал­ла. Эти на­чаль­ные эле­мен­ты об­ра­зу­ют глав­ную под­груп­пу I груп­пы и на­зы­ва­ют­ся ще­лоч­ны­ми ме­тал­ла­ми. Своё на­зва­ние они по­лу­чи­ли от на­зва­ния со­от­вет­ст­вую­щих им гид­ро­кси­дов, хо­ро­шо рас­тво­ри­мых в во­де, - ще­ло­чей.

Ато­мы ще­лоч­ных ме­тал­лов со­дер­жат на внеш­нем энер­ге­ти­че­ском уров­не толь­ко один элек­трон, ко­то­рый они лег­ко от­да­ют при хи­ми­че­ских взаи­мо­дей­ст­ви­ях, по­то­му что яв­ля­ют­ся силь­ней­ши­ми вос­ста­но­ви­те­ля­ми. По­нят­но, что в со­от­вет­ст­вии с рос­том ра­диу­са ато­ма вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ст­ва ще­лоч­ных ме­тал­лов уси­ли­ва­ют­ся от ли­тия к фран­цию.

Сле­дую­щие за ще­лоч­ны­ми ме­тал­ла­ми эле­мен­ты, со­став­ляю­щие глав­ную под­груп­пу II груп­пы, так­же яв­ля­ют­ся ти­пич­ны­ми ме­тал­ла­ми, об­ла­даю­щи­ми силь­ной вос­ста­но­ви­тель­ной спо­соб­но­стью (их ато­мы со­дер­жат на внеш­нем уров­не два элек­тро­на). Из этих ме­тал­лов каль­ций, строн­ций, ба­рий и ра­дий на­зы­ва­ют ще­лоч­но­зе­мель­ны­ми ме­тал­ла­ми. Та­кое на­зва­ние эти ме­тал­лы по­лу­чи­ли по­то­му, что их ок­си­ды, ко­то­рые ал­хи­ми­ки на­зы­ва­ли «зем­ля­ми», при рас­тво­ре­нии в во­де об­ра­зу­ют ще­ло­чи.

К ме­тал­лам от­но­сят­ся эле­мен­ты глав­ной под­груп­пы III груп­пы, ис­клю­чая бор.

Из эле­мен­тов глав­ных под­групп сле­дую­щих групп к ме­тал­лам от­но­сят­ся: в IV груп­пе гер­ма­ний, оло­во, сви­нец (пер­вые два эле­мен­та – уг­ле­род и крем­ний – не­ме­тал­лы), в V груп­пе сурь­ма и вис­мут (пер­вые три эле­мен­та – не­ме­тал­лы), в VI груп­пе толь­ко по­след­ний эле­мент – по­ло­ний – яв­но вы­ра­жен­ный ме­талл. В глав­ных под­груп­пах VII и VIII групп все эле­мен­ты – ти­пич­ные не­ме­тал­лы.

Что ка­са­ет­ся эле­мен­тов по­боч­ных под­групп, то все они ме­тал­лы.

Та­ким об­ра­зом, ус­лов­ная гра­ни­ца ме­ж­ду эле­мен­та­ми-ме­тал­ла­ми и эле­мен­та­ми-не­ме­тал­ла­ми про­хо­дят по диа­го­на­ли B (бор) – Si (крем­ний) – As (мышь­як) – Te (тел­лур) – At (ас­тат).

Ато­мы ме­тал­лов име­ют срав­ни­тель­но боль­шие раз­ме­ры (ра­диу­сы), по­это­му и их внеш­ние элек­тро­ны зна­чи­тель­но уда­ле­ны от яд­ра и сла­бо с ним свя­за­ны. И вто­рая осо­бен­ность, ко­то­рая при­су­ща ато­мам наи­бо­лее ак­тив­ных ме­тал­лов, - это на­ли­чие на внеш­нем энер­ге­ти­че­ском уров­не 1 – 3 элек­тро­нов.

От­сю­да вы­те­ка­ет са­мое ха­рак­тер­ное свой­ст­во всех ме­тал­лов – их вос­ста­но­ви­тель­ная спо­соб­ность, т. е. спо­соб­ность ато­мов лег­ко от­да­вать внеш­ние элек­тро­ны, пре­вра­ща­ясь в по­ло­жи­тель­ные ио­ны. Ме­тал­лы не мо­гут быть окис­ли­те­ля­ми, т. е. ато­мы ме­тал­лов не мо­гут при­сое­ди­нять к се­бе элек­тро­ны.

II. Фи­зи­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов.

По сво­им свой­ст­вам ме­тал­лы рез­ко от­ли­ча­ют­ся от не­ме­тал­лов. Впер­вые это раз­ли­чие ме­тал­лов и не­ме­тал­лов оп­ре­де­лил М. В. Ло­мо­но­сов. «Ме­тал­лы, - пи­сал он, - те­ла твер­дые, ков­кие бле­стя­щие».

При­чис­ляя тот или иной эле­мент к раз­ря­ду ме­тал­лов, мы име­ем в ви­ду на­ли­чие у не­го оп­ре­де­лен­но­го ком­плек­са свойств:

1) Плот­ная кри­стал­ли­че­ская струк­ту­ра.

2) Ха­рак­тер­ный ме­тал­ли­че­ский блеск.

3) Вы­со­кая те­п­ло­про­вод­ность и элек­три­че­ская про­во­ди­мость.

4) Умень­ше­ние элек­три­че­ской про­во­ди­мо­сти с рос­том тем­пе­ра­ту­ры.

5) Низ­кие зна­че­ния по­тен­циа­ла ио­ни­за­ции, т.е. спо­соб­ность лег­ко от­да­вать элек­тро­ны.

6) Ков­кость и тя­гу­честь.

7) Спо­соб­ность к об­ра­зо­ва­нию спла­вов.

Все ме­тал­лы и спла­вы, при­ме­няе­мые в на­стоя­щее вре­мя в тех­ни­ке, мож­но раз­де­лить на две ос­нов­ные груп­пы. К пер­вой из них от­но­сят чер­ные ме­тал­лы - же­ле­зо и все его спла­вы, в ко­то­рых оно со­став­ля­ет ос­нов­ную часть. Эти­ми спла­ва­ми яв­ля­ют­ся чу­гу­ны и ста­ли. В тех­ни­ке час­то ис­поль­зу­ют так, на­зы­вае­мые, ле­ги­ро­ван­ные ста­ли. К ним от­но­сят­ся, ста­ли, со­дер­жа­щие хром, ни­кель, вольф­рам, мо­либ­ден, ва­на­дий, ко­бальт, ти­тан и дру­гие ме­тал­лы. Ино­гда в ле­ги­ро­ван­ные ста­ли вхо­дят 5-6 раз­лич­ных ме­тал­лов. Ме­то­дом ле­ги­ро­ва­ния по­лу­ча­ют, раз­лич­ные цен­ные ста­ли, об­ла­даю­щие в од­них слу­ча­ях по­вы­шен­ной проч­но­стью, в дру­гих - вы­со­кой со­про­тив­ляе­мо­стью к ис­ти­ра­нию, в треть­их - кор­ро­зи­он­ной ус­той­чи­во­стью, т.е. спо­соб­но­стью не раз­ру­шать­ся под дей­ст­ви­ем внеш­ней сре­ды.

Ко вто­рой груп­пе от­но­сят цвет­ные ме­тал­лы и их спла­вы. Они по­лу­чи­ли та­кое на­зва­ние по­то­му, что име­ют раз­лич­ную ок­ра­ску. На­при­мер, медь свет­ло-крас­ная; ни­кель, оло­во, се­реб­ро – бе­лые; сви­нец - го­лу­бо­ва­то-бе­лый, зо­ло­то - жел­тое. Из спла­вов в прак­ти­ке на­шли боль­шое при­ме­не­ние: брон­за - сплав ме­ди с оло­вом и дру­ги­ми ме­тал­ла­ми, ла­тунь - сплав ме­ди с цин­ком, баб­бит - сплав оло­ва с сурь­мой и ме­дью и др.

Это де­ле­ние на чер­ные и цвет­ные ме­тал­лы ус­лов­но.

На­ря­ду с чер­ны­ми и цвет­ны­ми ме­тал­ла­ми вы­де­ля­ют еще груп­пу бла­го­род­ных ме­тал­лов: се­реб­ро, зо­ло­то, пла­ти­ну, ру­те­ний и не­ко­то­рые дру­гие. Они на­зва­ны так по­то­му, что прак­ти­че­ски не окис­ля­ют­ся на воз­ду­хе да­же при по­вы­шен­ной тем­пе­ра­ту­ре и не раз­ру­ша­ют­ся при дей­ст­вии на них рас­тво­ров ки­слот и ще­ло­чей.

C внеш­ней сто­ро­ны ме­тал­лы, как из­вест­но, ха­рак­те­ри­зу­ют­ся, пре­ж­де все­го, осо­бым «ме­тал­ли­че­ским» бле­ском, ко­то­рый обу­слов­ли­ва­ет­ся их спо­соб­но­стью силь­но от­ра­жать лу­чи све­та. Од­на­ко этот блеск на­блю­да­ет­ся обык­но­вен­но толь­ко в том слу­чае, ко­гда ме­талл об­ра­зу­ет сплош­ную ком­пакт­ную мас­су. Прав­да, маг­ний и алю­ми­ний со­хра­ня­ют свой блеск, да­же бу­ду­чи пре­вра­щен­ны­ми, в по­ро­шок, но боль­шин­ст­во ме­тал­лов в мел­ко­раз­дроб­лен­ном ви­де име­ет чер­ный или тем­но-се­рый цвет. За­тем ти­пич­ные ме­тал­лы об­ла­да­ют вы­со­кой те­п­ло- и элек­тро­про­вод­но­стью, при­чем по спо­соб­но­сти про­во­дить те­п­ло и ток рас­по­ла­га­ют­ся в од­ном и том же по­ряд­ке: луч­шие про­вод­ни­ки - се­реб­ро и медь, худ­шие - сви­нец и ртуть. С по­вы­ше­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры элек­тро­про­вод­ность па­да­ет, при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры, на­обо­рот, уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Очень важ­ным свой­ст­вом ме­тал­лов яв­ля­ет­ся их срав­ни­тель­но лег­кая ме­ха­ни­че­ская де­фор­мация. Ме­тал­лы пла­стич­ны, они хо­ро­шо ку­ют­ся, вы­тя­ги­ва­ют­ся в про­во­ло­ку, про­ка­ты­ва­ют­ся в лис­ты и т.п.

Ха­рак­тер­ные фи­зи­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов на­хо­дят­ся в свя­зи с осо­бен­но­стя­ми их внут­рен­ней струк­ту­ры. Со­глас­но со­вре­мен­ным воз­зре­ни­ям, 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 ме­ж­ду ио­на­ми на­хо­дят­ся лег­ко­под­виж­ные элек­тро­ны. Эти элек­тро­ны по­сто­ян­но пе­ре­хо­дят от од­них ато­мов к дру­гим и вра­ща­ют­ся во­круг яд­ра то од­но­го, то дру­го­го ато­ма. Так как элек­тро­ны не свя­за­ны с оп­ре­де­лен­ны­ми ио­на­ми, то уже под влия­ни­ем не­боль­шой раз­но­сти по­тен­циа­лов они на­чи­на­ют пе­ре­ме­щать­ся в оп­ре­де­лен­ном на­прав­ле­нии, т.е. воз­ни­ка­ет элек­три­че­ский ток.

На­ли­чи­ем сво­бод­ных элек­тро­нов обу­слов­ли­ва­ет­ся и вы­со­кая те­п­ло­про­вод­ность ме­тал­лов. На­хо­дясь в не­пре­рыв­ном дви­же­нии, элек­тро­ны по­сто­ян­но стал­ки­ва­ют­ся с ио­на­ми и об­ме­ни­ва­ют­ся с ни­ми энер­ги­ей. По­это­му ко­ле­ба­ния ио­нов, уси­лив­шие­ся в дан­ной час­ти ме­тал­ла вслед­ст­вие на­гре­ва­ния, сей­час же пе­ре­да­ют­ся со­сед­ним ио­нам, от них - сле­дую­щим и т.д., и те­п­ло­вое со­стоя­ние ме­тал­ла бы­ст­ро вы­рав­ни­ва­ет­ся; вся мас­са ме­тал­ла при­ни­ма­ет оди­на­ко­вую тем­пе­ра­ту­ру.

По плот­но­сти ме­тал­лы ус­лов­но под­раз­де­ля­ют­ся на две боль­шие груп­пы: лег­кие ме­тал­лы, плот­ность ко­то­рых не боль­ше 5 г/см 3 , и тя­же­лые ме­тал­лы - все ос­таль­ные. Плот­ность, а так­же тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния не­ко­то­рых ме­тал­лов при­ве­де­ны в приложении №2.

Час­ти­цы ме­тал­лов, на­хо­дя­щих­ся в твер­дом и жид­ком со­стоя­нии, свя­за­ны осо­бым ти­пом хи­ми­че­ской свя­зи - так на­зы­вае­мой ме­тал­ли­че­ской свя­зью. Она оп­ре­де­ля­ет­ся од­но­вре­мен­ным на­ли­чи­ем обыч­ных ко­ва­лент­ных свя­зей ме­ж­ду ней­траль­ны­ми ато­ма­ми и ку­ло­нов­ским при­тя­же­ни­ем ме­ж­ду ио­на­ми и сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми. Та­ким об­ра­зом, ме­тал­ли­че­ская связь яв­ля­ет­ся свой­ст­вом не от­дель­ных час­тиц, а их аг­ре­га­тов.

Некоторые металлы кристаллизируются в двух или более кристаллических формах. Это свойство веществ – существовать в нескольких кристаллических модификациях – называют полиморфизмом. Полиморфизм для простых веществ известен под названием аллотропия.

Олово имеет две кристаллические модификации:

· α – устойчива ниже 13,2°С (ρ = 5,75 г/см 3). Это серое олово. Оно имеет кристаллическую решетку типа алмаза (атомную);

· β – устойчива выше 13,2°С (ρ = 6,55 г/см 3). Это белое олово.

Белое олово – серебристо-белый очень мягкий металл. При охлаждении ниже 13,2°С он рассыпается в серый порошок, так как при переходе из β в α значительно увеличивается его удельный объем. Это явление получило название оловянной чумы.

Металлы по-разному взаимодействуют с магнитным полем. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний, выделяются своей способностью намагничиваться и долго сохранять состояние намагниченности. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля – это парамагнетики. Металлы, выталкиваемые магнитным полем – диамагнетики (медь, серебро, золото, висмут).

III. По­ня­тие о спла­вах.

Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью ме­тал­лов яв­ля­ет­ся их спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать друг с дру­гом или с не­ме­тал­ла­ми спла­вы. Что­бы по­лу­чить сплав, смесь ме­тал­лов обыч­но под­вер­га­ют плав­ле­нию, а за­тем ох­ла­ж­да­ют с раз­лич­ной ско­ро­стью, ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет­ся при­ро­дой ком­по­нен­тов и из­ме­не­ни­ем ха­рак­те­ра их взаи­мо­дей­ст­вия в за­ви­си­мо­сти от тем­пе­ра­ту­ры. Ино­гда спла­вы по­лу­ча­ют спе­ка­ни­ем тон­ких по­рош­ков ме­тал­лов, не при­бе­гая к плав­ле­нию (по­рош­ко­вая ме­тал­лур­гия). Итак, спла­вы - это про­дук­ты хи­ми­че­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия ме­тал­лов.

Кри­стал­ли­че­ская струк­ту­ра спла­вов во мно­гом по­доб­на чис­тым ме­тал­лам, ко­то­рые, взаи­мо­дей­ст­вуя друг с дру­гом при плав­ле­нии и по­сле­дую­щей кри­стал­ли­за­ции, об­ра­зу­ют:

а) хи­ми­че­ские со­еди­не­ния, на­зы­вае­мые ин­тер­ме­тал­ли­да­ми;

б) твер­дые рас­тво­ры;

в) ме­ха­ни­че­скую смесь кри­стал­лов ком­по­нен­тов.

Тот или иной тип взаи­мо­дей­ст­вия оп­ре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем энер­гии взаи­мо­дей­ст­вия раз­но­род­ных и од­но­род­ных час­тиц сис­те­мы, то есть со­от­но­ше­ни­ем энер­гий взаи­мо­дей­ст­вия ато­мов в чис­тых ме­тал­лах и спла­вах.

Од­на­ко не­ко­то­рые при­ме­си ухуд­ша­ют ка­че­ст­во ме­тал­лов и спла­вов. Из­вест­но, на­при­мер, что чу­гун (сплав же­ле­за и уг­ле­ро­да) не об­ла­да­ет той проч­но­стью и твер­до­стью, ко­то­рая ха­рак­тер­на для ста­лей. По­ми­мо уг­ле­ро­да, на свой­ст­ва ста­ли, влия­ют до­бав­ки се­ры и фос­фо­ра, уве­ли­чи­ваю­щие ее хруп­кость.

Из цвет­ных спла­вов от­ме­тим брон­зу, ла­тунь, мель­хи­ор и дю­ра­лю­ми­ний.

Брон­за – сплав на ос­но­ве ме­ди с до­бав­кой (до 20%) оло­ва. Брон­за хо­ро­шо от­ли­ва­ет­ся, по­это­му ис­поль­зу­ет­ся в ма­ши­но­строе­нии, где из неё из­го­тав­ли­ва­ют под­шип­ни­ки, порш­не­вые коль­ца, кла­па­ны, ар­ма­ту­ру и т. д. Ис­поль­зу­ет­ся так­же для ху­до­же­ст­вен­но­го ли­тья.

Ла­тунь – так­же мед­ный сплав, со­дер­жа­щий от 10 до 50% цин­ка. При­ме­ня­ет­ся в мо­то­ро­строе­нии.

Мель­хи­ор – сплав, со­дер­жа­щий око­ло 80% ме­ди и 20% ни­ке­ля, по­хож по внеш­не­му ви­ду на се­реб­ро. Ис­поль­зу­ет­ся для из­го­тов­ле­ния срав­ни­тель­но не­до­ро­гих сто­ло­вых при­бо­ров и ху­до­же­ст­вен­ных из­де­лий.

Дю­ра­лю­ми­ний (дю­раль, ду­ра­лю­мин) – сплав на ос­но­ве алю­ми­ния, со­дер­жа­щий медь, маг­ний, мар­га­нец и ни­кель. Име­ет хо­ро­шие ме­ха­ни­че­ские свой­ст­ва, при­ме­ня­ет­ся в са­мо­лё­то­строе­ние и ма­ши­но­строе­ние.

Окружающие нас металлические предметы редко состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большинстве же других случаев люди имеют дело со сплавами. Так, различные виды железа и стали, содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специальную маркировку, т.к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют, стали различных составов. Простые конструкционные стали, состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07-0,5%) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10% других металлов, из них примерно 3% составляет углерод, а остальные - кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали, получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.

Никель наряду с хромом является важнейшим компонентом многих сплавов. Он придает сталям высокую химическую стойкость и механическую прочность. Так, известная нержавеющая сталь содержит в среднем 18% хрома и 8% никеля. Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников требуются сплавы, которые устойчивы при температурах выше 1000 °С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей. Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким содержанием никеля. Большую группу составляют медно-никелевые сплавы.

Сплав меди, известный с древнейших времен, - бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа и кремния.

Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Температура плавления мельхиора составляет 1170 °С. Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер - содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов - их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Латунь "60" содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.

По следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

Промышленные медно-никелевые сплавы условно можно разделить на две группы: конструкционные (или коррозионностойкие) и электротехнические (термоэлектродные сплавы и сплавы сопротивления).

К конструкционным сплавам относятся, куниаль, мельхиор, нейзильбер и др. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим компонентом которых является никель. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем. Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Куниалями называются сплавы тройной системы Cu-Ni-Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu-Ni-Al эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900 -1000 о С, а затем подвергают старению при 500-600 о С. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl. Мельхиор, нейзильбер, куниали отличаются высокими механическими и коррозионными свойствами, применяются для изготовления теплообменных аппаратов в морском судостроении (конденсаторные трубы и термостаты), медицинского инструмента, деталей точной механики и химической промышленности, деталей приборов в электротехнике, радиотехнике и для изготовления посуды. Мельхиор марки МН19 и нейзильбер марки МНЦ15-20 используются как резистивные сплавы.

К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления - манганин (МНМц3-12) и константан (МНМц40-1б5) и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель (МНМц43-0,5).

Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С.

Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия (кадмий лучше всего получить в гальванической мастерской). Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

В нашей маленькой печи мы можем получить немного латуни. Для этого расплавим медь с помощью бунзеновской или, лучше, стеклодувной горелки и затем добавим кусочки цинка; можно и сразу поместить кусочки обоих металлов в тигель. Латунь 60 содержит, например, 60 весовых частей мели и 40 весовых частей цинка (В СССР так называемые двойные латуни тоже маркируются по содержанию меди. Марка Л80, например, означает, что в латуни содержится 79-81 % меди, а остальное - цинк. - Прим. перев.).

Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди.

IV. Хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов.

Ос­нов­ным хи­ми­че­ским свой­ст­вом ме­тал­лов яв­ля­ет­ся спо­соб­ность их ато­мов лег­ко от­да­вать свои ва­лент­ные элек­тро­ны и пе­ре­хо­дить в по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные ио­ны. Ти­пич­ные ме­тал­лы ни­ко­гда не при­сое­ди­ня­ют элек­тро­нов; их ио­ны все­гда за­ря­же­ны по­ло­жи­тель­но.

Лег­ко от­да­вая при хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях свои ва­лент­ные элек­тро­ны, ти­пич­ные ме­тал­лы яв­ля­ют­ся энер­гич­ны­ми вос­ста­но­ви­те­ля­ми.

Спо­соб­ность к от­да­че элек­тро­нов про­яв­ля­ет­ся у от­дель­ных ме­тал­лов да­ле­ко не в оди­на­ко­вой сте­пе­ни. Чем лег­че ме­талл от­да­ет свои элек­тро­ны, тем он ак­тив­нее, тем энер­гич­нее всту­па­ет во взаи­мо­дей­ст­вие с дру­ги­ми ве­ще­ст­ва­ми.

Опус­тим ку­со­чек цин­ка в рас­твор ка­кой-ни­будь свин­цо­вой со­ли. Цинк на­чи­на­ет рас­тво­рять­ся, а из рас­тво­ра вы­де­ля­ет­ся сви­нец. Ре­ак­ция вы­ра­жа­ет­ся урав­не­ни­ем:

Zn + Pb(NO 3) 2 = Pb + Zn(NO 3) 2

Из урав­не­ния сле­ду­ет, что эта ре­ак­ция яв­ля­ет­ся ти­пич­ной ре­ак­ци­ей окис­ле­ния-вос­ста­нов­ле­ния. Сущ­ность ее сво­дит­ся к то­му, что ато­мы цин­ка от­да­ют свои ва­лент­ные элек­тро­ны ио­нам двух­ва­лент­но­го свин­ца, тем са­мым, пре­вра­ща­ясь в ио­ны цин­ка, а ио­ны свин­ца вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся и вы­де­ля­ют­ся в ви­де ме­тал­ли­че­ско­го свин­ца. Ес­ли по­сту­пить на­обо­рот, то есть по­гру­зить ку­со­чек свин­ца в рас­твор цин­ко­вой со­ли, то ни­ка­кой ре­ак­ции не про­изой­дет. Это по­ка­зы­ва­ет, что цинк бо­лее ак­ти­вен, чем сви­нец, что его ато­мы лег­че от­да­ют, а ио­ны труд­нее при­сое­ди­ня­ют элек­тро­ны, чем ато­мы и ио­ны свин­ца.

Вы­тес­не­ние од­них ме­тал­лов из их со­еди­не­ний дру­ги­ми ме­тал­ла­ми впер­вые бы­ло под­роб­но изу­че­но рус­ским уче­ным Бе­ке­то­вым, рас­по­ло­жив­шим ме­тал­лы по их убы­ваю­щей хи­ми­че­ской ак­тив­но­сти в так на­зы­вае­мый «вы­тес­ни­тель­ный ряд». В на­стоя­щее вре­мя вы­тес­ни­тель­ный ряд Бе­ке­то­ва но­сит на­зва­ние ря­да на­пря­же­ний.

В приложении №3 пред­став­ле­ны зна­че­ния стан­дарт­ных элек­трод­ных по­тен­циа­лов не­ко­то­рых ме­тал­лов. Сим­во­лом Me + /Me - обо­зна­чен ме­талл Me, по­гру­жен­ный в рас­твор его со­ли. Стан­дарт­ные по­тен­циа­лы элек­тро­дов, вы­сту­паю­щих как вос­ста­но­ви­те­ли по от­но­ше­нию к во­до­ро­ду, име­ют знак «-», а зна­ком «+» от­ме­че­ны стан­дарт­ные по­тен­циа­лы элек­тро­дов, яв­ляю­щих­ся окис­ли­те­ля­ми.

Ме­тал­лы, рас­по­ло­жен­ные в по­ряд­ке воз­рас­та­ния их стан­дарт­ных элек­трод­ных по­тен­циа­лов, и об­ра­зу­ют элек­тро­хи­ми­че­ский ряд на­пря­же­ний ме­тал­лов:

Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au

Ряд на­пря­же­ний ха­рак­те­ри­зу­ет хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов:

1) Чем мень­ше элек­трод­ный по­тен­ци­ал ме­тал­ла, тем боль­ше его вос­ста­но­ви­тель­ная спо­соб­ность.

2) Ка­ж­дый ме­талл спо­со­бен вы­тес­нять (вос­ста­нав­ли­вать) из рас­тво­ров со­лей те ме­тал­лы, ко­то­рые сто­ят в ря­ду на­пря­же­ний по­сле не­го:

Fe 0 + Cu +2 SO 4 = Fe +2 SO 4 + Cu 0

Cu 0 + Hg +2 Cl 2 = Hg 0 + Cu +2 Cl 2

3) Все ме­тал­лы, имею­щие от­ри­ца­тель­ный стан­дарт­ный элек­трод­ный по­тен­ци­ал, то есть на­хо­дя­щие­ся в ря­ду на­пря­же­ний ле­вее во­до­ро­да, спо­соб­ны вы­тес­нять его из рас­тво­ров ки­слот:

Zn 0 + 2H +1 Cl = Zn +2 Cl 2 + H 2 0

А вот медь не реа­ги­ру­ет с хло­ро­во­до­род­ной ки­сло­той. На­до пом­нить, что это пра­ви­ло име­ет ряд по­пра­вок:

а) пра­ви­ло со­блю­да­ет­ся, ес­ли в ре­ак­ции ме­тал­ла с ки­сло­той об­ра­зу­ет­ся рас­тво­ри­мая соль;

б) кон­цен­три­ро­ван­ная сер­ная ки­сло­та и азот­ная ки­сло­та лю­бой кон­цен­тра­ции реа­ги­ру­ет с ме­тал­ла­ми по-осо­бо­му, при этом во­до­род не об­ра­зу­ет­ся;

в) на ще­лоч­ные ме­тал­лы пра­ви­ло не рас­про­стра­ня­ет­ся, так как они лег­ко взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­дой (а ука­зан­ное пра­ви­ло от­но­сит­ся к ре­ак­ци­ям вод­ных рас­тво­ров ки­слот с ме­тал­ла­ми).

Не­об­хо­ди­мо от­ме­тить, что пред­став­лен­ный ряд ха­рак­те­ри­зу­ет по­ве­де­ние ме­тал­лов и их со­лей толь­ко в вод­ных рас­тво­рах и при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре. Кро­ме то­го, нуж­но иметь в ви­ду, что вы­со­кая элек­тро­хи­ми­че­ская ак­тив­ность ме­тал­лов не все­гда оз­на­ча­ет его вы­со­кую хи­ми­че­скую ак­тив­ность. На­при­мер, ряд на­пря­же­ний на­чи­на­ет­ся ли­ти­ем, то­гда как бо­лее ак­тив­ные в хи­ми­че­ском от­но­ше­нии металлы: ру­би­дий и ка­лий на­хо­дят­ся пра­вее ли­тия. Это свя­за­но с ис­клю­чи­тель­но вы­со­кой энер­ги­ей про­цес­са гид­ра­та­ции ио­нов ли­тия по срав­не­нию с ио­на­ми дру­гих ще­лоч­ных ме­тал­лов.

С кислородом воздуха легко взаимодействуют щелочные и щелочноземельные металлы:

4Li 0 + O 2 0 = 2Li 2 +1 O -2 (4е -)

2Ca 0 + O 2 0 = 2Ca +2 O -2 (4е -)

С кислородом натрий и калий образуют не оксиды, а пероксиды:

2Na 0 + O 2 0 = Na 2 +1 O 2 -1 (2е -)

2K 0 + O 2 0 = K 2 +1 O 2 -1 (2е -)

Железо, цинк, медь и другие, менее активные металлы энергично окисляются кислородом только при нагревании:

2Zn 0 + O 2 0 = 2Zn +2 O -2 (4е -)

2Cu 0 + O 2 0 = 2Cu +2 O -2 (4е -)

Зо­ло­то и пла­ти­но­вые ме­тал­лы не окис­ля­ют­ся ки­сло­ро­дом воз­ду­ха, ни при ка­ких ус­ло­ви­ях.

На воз­ду­хе при обыч­ной тем­пе­ра­ту­ре по­верх­ность бе­рил­лия и маг­ния по­кры­ва­ет­ся за­щит­ной ок­сид­ной плен­кой. Ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы взаи­мо­дей­ст­ву­ют с ки­сло­ро­дом воз­ду­ха бо­лее ак­тив­но, по­это­му их хра­нят под сло­ем ке­ро­си­на или в за­па­ян­ных со­су­дах, как и ще­лоч­ные ме­тал­лы.

При на­гре­ва­нии на воз­ду­хе все рас­смат­ри­вае­мые ме­тал­лы энер­гич­но сго­ра­ют с об­ра­зо­ва­ни­ем ок­си­дов:

2Be 0 + O 2 0 = 2Be +2 O -2 (4е -)

2Mg 0 + O 2 0 = 2Mg +2 O -2 (4е -)

Ре­ак­ция сжи­га­ния маг­ния со­про­во­ж­да­ет­ся ос­ле­пи­тель­ной вспыш­кой, рань­ше она при­ме­ня­лась при фо­то­гра­фи­ро­ва­нии объ­ек­тов в тем­ных по­ме­ще­ни­ях. В на­стоя­щее вре­мя ис­поль­зу­ют элек­три­че­скую вспыш­ку.

Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами. Используя общее обозначение для металлов Ме, запишем в общей форме уравнение реакций щелочных металлов с неметаллами – водородом, хлором и серой:

2Me 0 + H 2 0 = 2Me +1 H -1 (2е -)

2Me 0 + Cl 2 0 = 2Me +1 Cl -1 (2е -)

2Me 0 + S 0 = Me 2 +1 S -2 (2е -)

Щелочноземельные металлы при высоких температурах окисляются водородом до гидридов:

Me 0 + H 2 0 = Me +2 H 2 -1 (2е -)

Бериллий, магний и все щелочноземельные металлы взаимодействуют при нагревании с неметаллами – хлором, серой, азотом и т. д., образуя соответственно хлориды, сульфиды, нитриды:

Me 0 + Cl 2 0 = Me +2 Cl 2 -1 (2е -)

Me 0 + S 0 = Me +2 S -2 (2е -)

3Me 0 + N 2 0 = Me 3 +2 N 2 -3 (6е)

Все ще­лоч­ные ме­тал­лы ак­тив­но взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­дой, об­ра­зуя ще­ло­чи и вос­ста­нав­ли­вая во­ду до во­до­ро­да (ри­су­нок спра­ва). Ско­рость взаи­мо­дей­ст­вия ще­лоч­но­го ме­тал­ла с во­дой бу­дет уве­ли­чи­вать­ся от ли­тия к це­зию:

2Me 0 + 2H +1 OH = 2Me +1 OH + + H 2 0 (2е -)

Из всех ме­тал­лов глав­ной под­груп­пы II груп­пы толь­ко бе­рил­лий прак­ти­че­ски не взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­дой, маг­ний реа­ги­ру­ет с ней мед­лен­но, ос­таль­ные ме­тал­лы бур­но взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­дой в обыч­ных ус­ло­ви­ях:

Me 0 + 2H +1 OH = Me +2 (OH) 2 + H 2 0 (2е -)

Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определённых условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную плёнку:

2Al 0 + 6H 2 +1 0 = 2Al +3 (OH) 3 + 3H 2 0

Железо взаимодействует с водой только в раскаленном виде:

3Fe 0 + 4H 2 +1 O = (Fe +2 Fe 2 +3)O 4 + 4H 2 0

С кислотами в растворе (HCl, H 2 SO 4(разб.) , CH 3 COOH и др., кроме HNO 3) взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуется соль и водород.

2Al 0 + 6H +1 Cl = 2Al +3 Cl 3 + 3H 2 0

2CH 3 COOH +1 + Mg 0 = Mg +2 (CH 3 COO) 2 + H 2 0

С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой реакции образуется растворимая соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде:

Fe 0 + Cu +2 SO 4 = Fe +2 SO 4 + Cu 0

V. Кор­ро­зия ме­тал­лов.

Поч­ти все ме­тал­лы, при­хо­дя в со­при­кос­но­ве­ние с ок­ру­жаю­щей их га­зо­об­раз­ной или жид­кой сре­дой, бо­лее или ме­нее бы­ст­ро под­вер­га­ют­ся с по­верх­но­сти раз­ру­ше­нию. При­чи­ной его яв­ля­ет­ся хи­ми­че­ское взаи­мо­дей­ст­вие ме­тал­лов с на­хо­дя­щи­ми­ся в воз­ду­хе га­за­ми, а так­же во­дой и рас­тво­рен­ны­ми в ней ве­ще­ст­ва­ми.

Вся­кий про­цесс хи­ми­че­ско­го раз­ру­ше­ния ме­тал­лов под дей­ст­ви­ем ок­ру­жаю­щей сре­ды на­зы­ва­ют кор­ро­зи­ей.

Про­ще все­го про­те­ка­ет кор­ро­зия при со­при­кос­но­ве­нии ме­тал­лов с га­за­ми. На по­верх­но­сти ме­тал­ла об­ра­зу­ют­ся со­от­вет­ст­вую­щие со­еди­не­ния: ок­си­ды, сер­ни­стые со­еди­не­ния, ос­нов­ные со­ли уголь­ной ки­сло­ты, ко­то­рые не­ред­ко по­кры­ва­ют по­верх­ность плот­ным сло­ем, за­щи­щаю­щим ме­талл от даль­ней­ше­го воз­дей­ст­вия тех же га­зов.

Ина­че об­сто­ит де­ло при со­при­кос­но­ве­нии ме­тал­ла с жид­кой сре­дой - во­дой и рас­тво­рен­ны­ми в ней ве­ще­ст­ва­ми. Об­ра­зую­щие­ся при этом со­еди­не­ния мо­гут рас­тво­рять­ся, бла­го­да­ря че­му кор­ро­зия рас­про­стра­ня­ет­ся даль­ше вглубь ме­тал­ла. Кро­ме то­го, во­да, со­дер­жа­щая рас­тво­рен­ные ве­ще­ст­ва, яв­ля­ет­ся про­вод­ни­ком элек­три­че­ско­го то­ка, вслед­ст­вие че­го по­сто­ян­но воз­ни­ка­ют элек­тро­хи­ми­че­ские про­цес­сы, ко­то­рые яв­ля­ют­ся од­ним из глав­ных фак­то­ров, обу­слав­ли­ваю­щих и ус­ко­ряю­щих кор­ро­зию.

Чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа. Особенно сильно коррозирует металл во влажном воздухе и воде. Упрощенно этот процесс можно выразить с помощью следующего уравнения химической реакции:

4Fe + ЗО 2 + 6Н 2 O = 4Fe(ОН) 3

Для борь­бы с кор­ро­зи­ей су­ще­ст­ву­ет мно­го спо­со­бов. На­зо­ву не­ко­то­рые из них.

1) На­не­се­ние за­щит­ных по­кры­тий на по­верх­но­сти пре­до­хра­няе­мо­го от кор­ро­зии ме­тал­ла. Для это­го час­то ис­поль­зу­ют мас­ля­ные крас­ки, эма­ли, ла­ки. Эти не­ме­тал­ли­че­ские по­кры­тия де­ше­вые, но обыч­но не­дол­го­веч­ные. Раз в два го­да, а ино­гда и ча­ще их тре­бу­ет­ся об­нов­лять. Так, на­при­мер, кра­сят Эй­фе­ле­ву баш­ню в Па­ри­же.

Пре­до­хра­няе­мый ме­талл мож­но по­крыть сло­ем дру­го­го ме­тал­ла: зо­ло­та, се­реб­ра, хро­ма, ни­ке­ля, оло­ва, цин­ка и др. Один из са­мых ста­рых спо­со­бов - это лу­же­ние, или по­кры­тие же­лез­но­го лис­та сло­ем оло­ва. Та­кое же­ле­зо на­зы­ва­ют бе­лой же­стью.

2) Ис­поль­зо­ва­ние не­ржа­вею­щих ста­лей, со­дер­жа­щих спе­ци­аль­ные до­бав­ки. На­при­мер, «не­ржа­вей­ка», из ко­то­рой из­го­тав­ли­ва­ют сто­ло­вые при­бо­ры, со­дер­жит до 12% хро­ма и до 10% ни­ке­ля. Лег­кие не­ржа­вею­щие спла­вы вклю­ча­ют алю­ми­ний или ти­тан. Вся­кий, кто был во Все­рос­сий­ском вы­ста­воч­ном цен­тре, ви­дел пе­ред вхо­дом обе­лиск «По­ко­ри­те­лям кос­мо­са об­ли­цо­ван­ный пла­стин­ка­ми из ти­та­но­во­го спла­ва (рисунок слева). На его ма­то­вой бле­стя­щей по­верх­но­сти нет ни од­но­го пят­ныш­ка ржав­чи­ны.

3) Вве­де­ние в ра­бо­чую сре­ду, где на­хо­дят­ся ме­тал­ли­че­ские де­та­ли, ве­ществ, ко­то­рые в де­сят­ки и сот­ни раз умень­ша­ют аг­рес­сив­ность сре­ды. Та­кие ве­ще­ст­ва на­зы­ва­ют­ся ин­ги­би­то­ра­ми кор­ро­зии.

Ин­ги­би­то­ры кор­ро­зии вво­дят в замк­ну­тые сис­те­мы ох­ла­ж­де­ния, в неф­те­про­дук­ты и да­же вспры­ски­ва­ют в га­зо­про­во­ды для сни­же­ния кор­ро­зии труб из­нут­ри. Для пре­дот­вра­ще­ния кор­ро­зии же­ле­за в сер­ной ки­сло­те к ней до­бав­ля­ют в ка­че­ст­ве ин­ги­би­то­ра азот­ную ки­сло­ту.

4) Соз­да­ние кон­так­та с бо­лее ак­тив­ным ме­тал­лом - про­тек­то­ром. На­при­мер, для за­щи­ты сталь­ных кор­пу­сов мор­ских су­дов обыч­но ис­поль­зу­ют цинк. Да и на су­ше ме­тал­ли­че­скую кон­ст­рук­цию (тру­бу, ЛЭП и т. д.) со­еди­ня­ют с лис­том или кус­ком бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла. С этой же це­лью к де­та­лям кон­ст­рук­ции мос­тов при­ва­ри­ва­ют кус­ки цин­ка.

Чис­тые ме­тал­лы в боль­шин­ст­ве слу­ча­ев поч­ти не под­вер­га­ют­ся кор­ро­зии. Да­же та­кой ме­талл, как же­ле­зо, в со­вер­шен­но чис­том ви­де поч­ти не ржа­ве­ет. Но обык­но­вен­ные тех­ни­че­ские ме­тал­лы все­гда со­дер­жат раз­лич­ные при­ме­си, что соз­да­ет бла­го­при­ят­ные ус­ло­вия для кор­ро­зии.

Убыт­ки, при­чи­няе­мые кор­ро­зи­ей ме­тал­лов, ог­ром­ны. Вы­чис­ле­но, на­при­мер, что вслед­ст­вие кор­ро­зии, еже­год­но гиб­нет, та­кое ко­ли­че­ст­во ста­ли, ко­то­рое рав­но при­бли­зи­тель­но чет­вер­ти всей ми­ро­вой до­бы­чи его за год. По­это­му изу­че­нию про­цес­сов кор­ро­зии и оты­ска­нию наи­луч­ших средств ее пре­дот­вра­ще­ния уде­ля­ет­ся очень мно­го вни­ма­ния.

Спо­со­бы борь­бы с кор­ро­зи­ей чрез­вы­чай­но раз­но­об­раз­ны. Наи­бо­лее про­стой из них за­клю­ча­ет­ся в за­щи­те по­верх­но­сти ме­тал­ла от не­по­сред­ст­вен­но­го со­при­кос­но­ве­ния с ок­ру­жаю­щей сре­дой пу­тем по­кры­тия мас­ля­ной крас­кой, ла­ком, эма­лью или, на­ко­нец, тон­ким сло­ем дру­го­го ме­тал­ла. Осо­бый ин­те­рес с тео­ре­ти­че­ской точ­ки зре­ния пред­став­ля­ет по­кры­тие од­но­го ме­тал­ла дру­гим.

К ним от­но­сят­ся: ка­тод­ное по­кры­тие, ко­гда за­щи­щаю­щий ме­талл сто­ит в ря­ду на­пря­же­ний пра­вее за­щи­щаю­ще­го (ти­пич­ным при­ме­ром мо­жет слу­жить лу­же­ная, то есть по­кры­тая оло­вом, сталь); анод­ное по­кры­тие, на­при­мер по­кры­тие, ста­ли цин­ком.

Для за­щи­ты от кор­ро­зии це­ле­со­об­раз­но по­кры­вать по­верх­ность ме­тал­ла сло­ем бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла, чем сло­ем ме­нее ак­тив­но­го. Од­на­ко дру­гие со­об­ра­же­ния не­ред­ко за­став­ля­ют при­ме­нять так­же по­кры­тия из ме­нее ак­тив­ных ме­тал­лов.

На прак­ти­ке ча­ще все­го при­хо­дит­ся при­ни­мать ме­ры, к за­щи­те ста­ли как ме­тал­ла, осо­бен­но под­вер­жен­но­го кор­ро­зии. Кро­ме цин­ка, из бо­лее ак­тив­ных ме­тал­лов для этой це­ли ино­гда при­ме­ня­ют кад­мий, дей­ст­вую­щий по­доб­но цин­ку. Из ме­нее ак­тив­ных ме­тал­лов для по­кры­тия ста­ли, ча­ще все­го ис­поль­зу­ют оло­во, медь, ни­кель.

По­кры­тые ни­ке­лем сталь­ные из­де­лия име­ют кра­си­вый вид, чем объ­яс­ня­ет­ся ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние ни­ке­ли­ро­ва­ния. При по­вре­ж­де­нии слоя ни­ке­ля кор­ро­зия про­хо­дит ме­нее ин­тен­сив­но, чем при по­вре­ж­де­нии слоя ме­ди (или оло­ва), так как раз­ность по­тен­циа­лов для па­ры ни­кель-же­ле­зо го­раз­до мень­ше, чем для па­ры медь - же­ле­зо.

Из дру­гих спо­со­бов борь­бы с кор­ро­зи­ей су­ще­ст­ву­ет еще спо­соб про­тек­то­ров, за­клю­чаю­щий­ся в том, что за­щи­щае­мый ме­тал­ли­че­ский объ­ект при­во­дит­ся в кон­такт с боль­шой по­верх­но­стью бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла. Так, в па­ро­вые кот­лы вво­дят лис­ты цин­ка, на­хо­дя­щие­ся в кон­так­те со стен­ка­ми кот­ла и об­ра­зую­щие с ни­ми галь­ва­ни­че­скую па­ру.

VI. Спо­со­бы по­лу­че­ния ме­тал­лов.

Ог­ром­ное боль­шин­ст­во ме­тал­лов на­хо­дит­ся в при­ро­де в ви­де со­еди­не­ний с дру­ги­ми эле­мен­та­ми.

Толь­ко не­мно­гие ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии, и то­гда они на­зы­ва­ют­ся са­мо­род­ны­ми. Зо­ло­то и пла­ти­на встре­ча­ют­ся поч­ти ис­клю­чи­тель­но в са­мо­род­ном ви­де, се­реб­ро и медь - от­час­ти в са­мо­род­ном ви­де; ино­гда по­па­да­ют­ся так­же са­мо­род­ные ртуть, оло­во и не­ко­то­рые дру­гие ме­тал­лы.

До­бы­ва­ние зо­ло­та и пла­ти­ны про­из­во­дит­ся или по­сред­ст­вом ме­ха­ни­че­ско­го от­де­ле­ния их от той по­ро­ды, в ко­то­рой они за­клю­че­ны, на­при­мер про­мыв­кой во­ды, или пу­тем из­вле­че­ния их из по­ро­ды раз­лич­ны­ми реа­ген­та­ми с по­сле­дую­щим вы­де­ле­ни­ем ме­тал­ла из рас­тво­ра. Все ос­таль­ные ме­тал­лы до­бы­ва­ют­ся хи­ми­че­ской пе­ре­ра­бот­кой их при­род­ных со­еди­не­ний.

Ми­не­ра­лы и гор­ные по­ро­ды, со­дер­жа­щие со­еди­не­ния ме­тал­лов и при­год­ные для по­лу­че­ния этих ме­тал­лов за­во­дским пу­тем, но­сят на­зва­ние руд. Глав­ны­ми ру­да­ми яв­ля­ют­ся ок­си­ды, суль­фи­ды и кар­бо­на­ты ме­тал­лов.

Важ­ней­ший спо­соб по­лу­че­ния ме­тал­лов из руд ос­но­ван на вос­ста­нов­ле­нии их ок­си­дов уг­лем.

Ес­ли, на­при­мер, сме­шать крас­ную мед­ную ру­ду (ку­прит) Cu 2 O с уг­лем и под­верг­нуть силь­но­му на­ка­ли­ва­нию, то уголь, вос­ста­нав­ли­вая медь, пре­вра­тит­ся в ок­сид уг­ле­ро­да(II), а медь вы­де­лит­ся в рас­плав­лен­ном со­стоя­нии:

Cu 2 O + C = 2Cu + CO

По­доб­ным же об­ра­зом про­из­во­дит­ся вы­плав­ка чу­гу­на их же­лез­ных руд, по­лу­че­ние оло­ва из оло­вян­но­го кам­ня SnO 2 и вос­ста­нов­ле­ние дру­гих ме­тал­лов из ок­си­дов.

При пе­ре­ра­бот­ке сер­ни­стых руд сна­ча­ла пе­ре­во­дят сер­ни­стые со­еди­не­ния в ки­сло­род­ные пу­тем об­жи­га­ния в осо­бых пе­чах, а за­тем уже вос­ста­нав­ли­ва­ют по­лу­чен­ные ок­си­ды уг­лем. На­при­мер:

2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2

ZnO + C = Zn + CO

В тех слу­ча­ях, ко­гда ру­да пред­став­ля­ет со­бой соль уголь­ной ки­сло­ты, ее мож­но не­по­сред­ст­вен­но вос­ста­нав­ли­вать уг­лем, как и ок­си­ды, так как при на­гре­ва­нии кар­бо­на­ты рас­па­да­ют­ся на ок­сид ме­тал­ла и дву­окись уг­ле­ро­да. На­при­мер:

ZnCO 3 = ZnO + CO 2

Обыч­но ру­ды, кро­ме хи­ми­че­ско­го со­еди­не­ния дан­но­го ме­тал­ла, со­дер­жат еще мно­го при­ме­сей в ви­де пес­ка, гли­ны, из­вест­ня­ка, ко­то­рые очень труд­но пла­вят­ся. Что­бы об­лег­чить вы­плав­ку ме­тал­ла, к ру­де при­ме­ши­ва­ют раз­лич­ные ве­ще­ст­ва, об­ра­зую­щие с при­ме­ся­ми лег­ко­плав­кие со­еди­не­ния - шла­ки. Та­кие ве­ще­ст­ва на­зы­ва­ют­ся флю­са­ми. Ес­ли при­месь со­сто­ит из из­вест­ня­ка, то в ка­че­ст­ве флю­са упот­реб­ля­ют пе­сок, об­ра­зую­щий с из­вест­ня­ком си­ли­кат каль­ция. На­обо­рот, в слу­чае боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва пес­ка флю­сом слу­жит из­вест­няк.

Во мно­гих ру­дах ко­ли­че­ст­во при­ме­сей (пус­той по­ро­ды) так ве­ли­ко, что не­по­сред­ст­вен­ная вы­плав­ка ме­тал­лов из этих руд яв­ля­ет­ся эко­но­ми­че­ски не­вы­год­ной. Та­кие ру­ды пред­ва­ри­тель­но «обо­га­ща­ют», то есть уда­ля­ют из них часть при­ме­сей. Осо­бен­но ши­ро­ким рас­про­стра­не­ни­ем поль­зу­ет­ся фло­та­ци­он­ный спо­соб обо­га­ще­ния руд (фло­та­ция), ос­но­ван­ный на раз­лич­ной сма­чи­вае­мо­сти чис­той ру­ды и пус­той по­ро­ды.

Тех­ни­ка фло­та­ци­он­но­го спо­со­ба очень про­ста и в ос­нов­ном сво­дит­ся к сле­дую­ще­му. Ру­ду, со­стоя­щую, на­при­мер, из сер­ни­сто­го ме­тал­ла и пус­той си­ли­кат­ной по­ро­ды, тон­ко из­мель­ча­ют и за­ли­ва­ют в боль­ших ча­нах во­дой. К во­де при­бав­ля­ют ка­кое-ни­будь ма­ло­по­ляр­ное ор­га­ни­че­ское ве­ще­ст­во, спо­соб­ст­вую­щее об­ра­зо­ва­нию ус­той­чи­вой пе­ны при взбал­ты­ва­нии во­ды, и не­боль­шое ко­ли­че­ст­во спе­ци­аль­но­го реа­ген­та, так на­зы­вае­мо­го «кол­лек­то­ра», ко­то­рый хо­ро­шо ад­сор­би­ру­ет­ся по­верх­но­стью фло­ти­руе­мо­го ми­не­ра­ла и де­ла­ет ее не­спо­соб­ной сма­чи­вать­ся во­дой. По­сле это­го че­рез смесь сни­зу про­пус­ка­ют силь­ную струю воз­ду­ха, пе­ре­ме­ши­ваю­щую ру­ду с во­дой и при­бав­лен­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми, при­чем пу­зырь­ки воз­ду­ха ок­ру­жа­ют­ся тон­ки­ми мас­ля­ны­ми плен­ка­ми и об­ра­зу­ют пе­ну. В про­цес­се пе­ре­ме­ши­ва­ния час­ти­цы фло­ти­руе­мо­го ми­не­ра­ла по­кры­ва­ют­ся сло­ем ад­сор­би­ро­ван­ных мо­ле­кул кол­лек­то­ра, при­ли­па­ют к пу­зырь­кам про­ду­вае­мо­го воз­ду­ха, под­ни­ма­ют­ся вме­сте с ни­ми квер­ху и ос­та­ют­ся в пе­не; час­ти­цы же пус­той по­ро­ды, сма­чи­ваю­щие­ся во­дой, осе­да­ют на дно. Пе­ну со­би­ра­ют и от­жи­ма­ют, по­лу­чая ру­ду со зна­чи­тель­но боль­шим со­дер­жа­ни­ем ме­тал­ла.

Для вос­ста­нов­ле­ния не­ко­то­рых ме­тал­лов из их ок­си­дов при­ме­ня­ют вме­сто уг­ля во­до­род, крем­ний, алю­ми­ний, маг­ний и дру­гие эле­мен­ты.

Про­цесс вос­ста­нов­ле­ния ме­тал­ла из его ок­си­да с по­мо­щью дру­го­го ме­тал­ла на­зы­ва­ет­ся ме­тал­ло­тер­ми­ей. Ес­ли, в ча­ст­но­сти, в ка­че­ст­ве вос­ста­но­ви­те­ля при­ме­ня­ет­ся алю­ми­ний, то про­цесс но­сит на­зва­ние алю­ми­но­тер­мии.

Очень важ­ным спо­со­бом по­лу­че­ния ме­тал­лов яв­ля­ет­ся так­же элек­тро­лиз. Не­ко­то­рые наи­бо­лее ак­тив­ные ме­тал­лы по­лу­ча­ют­ся ис­клю­чи­тель­но пу­тем элек­тро­ли­за, так как все дру­гие сред­ст­ва ока­зы­ва­ют­ся не­дос­та­точ­но энер­гич­ны­ми для вос­ста­нов­ле­ния их ио­нов.

Рассмотрим электролиз раствора сульфата меди(II) на нерастворимом аноде:

CuSO 4 = Cu 2+ + SO 4 2-

Катод (–): Cu 2+ + 2e - = Cu 0 Анод (+): 2H 2 O – 4e - = O 2 + 4H +

Cu 2+ + 2e - = Cu 0 2

2H 2 O – 4e - = O 2 + 4H + 1

Суммарное ионное уравнение: 2Cu 2+ + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4H +

Суммарное молекулярное уравнение с учетом присутствия анионов SO 4 2- в растворе: 2CuSO 4 + 2H 2 O =(электролиз)= 2Cu 0 + O 2 + 4H 2 SO 4

VII. Применение металлов.

Сре­ди свойств спла­вов наи­бо­лее важ­ны­ми для прак­ти­че­ско­го при­ме­не­ния яв­ля­ют­ся жа­ро­проч­ность, кор­ро­зи­он­ная стой­кость, ме­ха­ни­че­ская проч­ность и др. Для авиа­ции боль­шое зна­че­ние име­ют лег­кие спла­вы на ос­но­ве маг­ния, ти­та­на или алю­ми­ния, для ме­тал­ло­об­ра­ба­ты­ваю­щей про­мыш­лен­но­сти - спе­ци­аль­ные спла­вы, со­дер­жа­щие вольф­рам, ко­бальт, ни­кель. В элек­трон­ной тех­ни­ке при­ме­ня­ют спла­вы, ос­нов­ным ком­по­нен­том ко­то­рых яв­ля­ет­ся медь. Сверх­мощ­ные маг­ни­ты уда­лось по­лу­чить, ис­поль­зуя про­дук­ты взаи­мо­дей­ст­вия ко­баль­та, са­ма­рия и дру­гих ред­ко­зе­мель­ных эле­мен­тов, а сверх­про­во­дя­щие при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах спла­вы - на ос­но­ве ин­тер­ме­тал­ли­дов, об­ра­зуе­мых нио­би­ем с оло­вом и др.

Со­вре­мен­ная тех­ни­ка ис­поль­зу­ет ог­ром­ное чис­ло спла­вов, при­чем в по­дав­ляю­щем боль­шин­ст­ве слу­ча­ев они со­сто­ят не из двух, а из трех, че­ты­рех и боль­ше­го чис­ла ме­тал­лов. Ин­те­рес­но, что свой­ст­ва спла­вов час­то рез­ко от­ли­ча­ют­ся от свойств ин­ди­ви­ду­аль­ных ме­тал­лов, ко­то­ры­ми они об­ра­зо­ва­ны. Так, сплав, со­дер­жа­щий 50% вис­му­та, 25% свин­ца, 12,5% оло­ва и 12,5% кад­мия, пла­вит­ся все­го при 60,5 гра­ду­сах Цель­сия, в то вре­мя как ком­по­нен­ты спла­ва име­ют со­от­вет­ст­вен­но тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния 271, 327, 232 и 321 гра­дус Цель­сия. Твер­дость оло­вян­ной брон­зы (90% ме­ди и 10% оло­ва) втрое боль­ше, чем у чис­той ме­ди, а ко­эф­фи­ци­ент ли­ней­но­го рас­ши­ре­ния спла­вов же­ле­за и ни­ке­ля в 10 раз мень­ше, чем у чис­тых ком­по­нен­тов.

Na 2 CO 3 – карбонат натрия, образует кристаллогидрат Na 2 CO 3 * 10H 2 O, известный под названием кристаллическая сода, которая применяется в производстве стекла, бумаги, мыла. Это средняя соль.

В быту более известна кислая соль – гидрокарбонат натрия NaHCO3, она применяется в пищевой промышленности (пищевая сода) и в медицине (питьевая сода).

K 2 CO 3 – карбонат калия, техническое название – поташ, и используется в производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве удобрения.

Магний и кальций применяют для производства редких металлов и легких сплавов. Например, магний входит в состав дюралюминия, а кальций – одним из компонентов свинцовых сплавов, необходимых для изготовления подшипников и оболочек кабелей.

В технике оксид кальция CaO называют негашеной известью, а MgO – жженой магнезией. Оба эти оксида используются в производстве строительных материалов.

Если порошок алюминия или тонкую алюминиевую фольгу сильно нагреть, то они воспламеняются и сгорают ослепительным пламенем:

4Al 0 + 3O 2 0 = 2Al 2 +3 O 3 -2

Это реакция используется для изготовления бенгальских огней и фейерверков.

Алюминий широко используется в металлургии для получения металлов – хрома, марганца, ванадия, титана, циркония из их оксидов. Этот способ носит название алюминотермии. На практике часто применяется термит – смесь Fe 3 O 4 с порошком алюминия. Если эту смесь поджечь, например, с помощью магниевой ленты, то происходит энергичная реакция с выделением большого количества теплоты:

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe

Же­ле­зо – это ос­но­ва со­вре­мен­ной тех­ни­ки и сель­ско­хо­зяй­ст­вен­но­го ма­ши­но­строе­ния, транс­пор­та и средств свя­зи, кос­ми­че­ских ко­раб­лей и во­об­ще всей со­вре­мен­ной про­мыш­лен­но­сти и ци­ви­ли­за­ции. Боль­шин­ст­во из­де­лий, на­чи­ная от швей­ной иг­лы и кон­чая кос­ми­че­ски­ми ап­па­ра­та­ми, не мо­жет быть из­го­тов­ле­но без при­ме­не­ния же­ле­за.

Суль­фи­ды ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов, со­дер­жа­щие в ма­лых ко­ли­че­ст­вах при­ме­сей тя­же­лых ме­тал­лов, по­сле пред­ва­ри­тель­но­го ос­ве­ще­ния на­чи­на­ют све­тить­ся раз­лич­ным цве­том – крас­ным, оран­же­вым, го­лу­бым, зе­ле­ным. Они вхо­дят в со­став спе­ци­аль­ных све­тя­щих­ся кра­сок, ко­то­рые на­зы­ва­ют фос­фо­ра­ми. Их используют для изготовления светящихся дорожных знаков, циферблатов и т.п.

CaCO 3 – карбонат кальция – одно из самых распространенных на Земле соединений. Нам ши­ро­ко из­вест­ны та­кие со­дер­жа­щие его ми­не­ра­лы, как мел, мра­мор, из­вест­няк. Так­же его при­ме­ня­ют для из­го­тов­ле­ния по­бел­ки.

Са­мый важ­ный из этих ми­не­ра­лов – из­вест­няк, без ко­то­ро­го не об­хо­дит­ся ни од­но строи­тель­ст­во. Во-пер­вых, он сам яв­ля­ет­ся пре­крас­ным строи­тель­ным кам­нем (вспом­ним зна­ме­ни­тые одес­ские ка­та­ком­бы – быв­шие ка­ме­но­лом­ни, в ко­то­рых до­бы­ва­ли ка­мень для строи­тель­ст­ва го­ро­да), во-вто­рых, это сы­рье для по­лу­че­ния дру­гих ма­те­риа­лов: це­мен­та, га­ше­ной и не­га­ше­ной из­вес­ти, стек­ла и др.

Известняковой щебенкой укрепляют дороги, а порошком – уменьшают кислотность почв.

Природный мел представляет собой остатки раковин древних животных (рисунок на странице 15 (слева)). Один из примеров использования мела мы хорошо знаем – это школьные мелки, зубные пасты. Мел используют в производстве бумаги, а также резины.

Мрамор – это минерал скульпторов, архитекторов и облицовщиков. Из мрамора создавал свои прекрасные творения Микеланджело (рисунок на странице 15(справа)), стены всемирно- известного индийского мавзолея Тадж-Махал выложены из мрамора, мрамором облицованы многие станции московского метро.

MgCO 3 – карбонат магния, широко применяется в производстве стекла, цемента, кирпича, а также в металлургии для перевода пустой породы, т.е. не содержащей соединения металла, в шлак.

CaSO 4 – сульфат кальция, встречается в природе в виде минерала гипса CaSO 4 * 2H 2 O, представляющего собой кристаллогидрат. Используется в строительстве, в медицине для наложения неподвижных гипсовых повязок, для получения слепков. Для этого применяют полуводный гипс 2CaSO 4 * H 2 O – алебастр, который при взаимодействии с водой образует двуводный гипс:

2CaSO 4 * H 2 O + H 2 O = 2CaSO 4 * H 2 O

Эта реакция идет с выделением теплоты.

MgSO 4 – сульфат магния, известный под названием горькая или английская соль, используемый в медицине в качестве слабительно средства. Содержится в морской воде и придает ей горький вкус.

BaSO 4 – сульфат бария благодаря нерастворимости и способности задерживать рентгеновские лучи применяется в рентгенодиагностике («баритовая каша») при заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Ca 3 (PO 4) 2 – фосфат кальция, входит в состав фосфоритов (горная порода) и апатитов (минералов), а также в состав костей и зубов в организме взрослого человека содержится более 1 кг. кальция в виде соединения Ca 3 (PO 4) 2 .

Корунд – минерал состава Al 2 O 3 , обладает очень высокой твердостью, его мелкозернистая разновидность, содержащая примеси, - наждак, применяется как абразивный (шлифовочный) материал.

Хо­ро­шо из­вест­ны про­зрач­ные ок­ра­шен­ные при­ме­ся­ми кри­стал­лы ко­рун­да: крас­ный – ру­би­ны и си­ние – сап­фи­ры, ко­то­рые ис­поль­зу­ют как дра­го­цен­ные кам­ни. В на­стоя­щее вре­мя их по­лу­ча­ют ис­кус­ст­вен­но и при­ме­ня­ют не толь­ко для ук­ра­ше­ний, но и для тех­ни­че­ских це­лей, на­при­мер, для из­го­тов­ле­ния де­та­лей ча­сов и дру­гих точ­ных при­бо­ров. Кри­стал­лы ру­би­нов при­ме­ня­ют в ла­зе­рах.

FeS 2 – не служит железной рудой для получения металлов, но применяется для производства серной кислоты.

Кристаллогидрат сульфата железа(II) FeSO * 7H 2 O, известны под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок и в других целях.

Хлорид железа(III) FeCl 3 используют в качестве протравы при крашении тканей.

Сульфат железа(III) Fe 2 (SO 4) 3 * 9H 2 O применяется для очистки воды и в других целях.

Нитрат серебра AgNO 3 , называемый также ляписом. Образует бесцветные прозрачные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяется в производстве фотоматериалов, при изготовлении зеркал, в гальванотехнике и в медицине.

VIII. Биологическая роль металлов.

Тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, мышьяк, ртуть, кадмий, хром, алюминий и др.) в микроколичествах необходимы организму и в основном они находятся в активных центрах коферментов (Л.Р. Ноздрюхина,1977, J.R.Glaister,1986).

При превышении допустимых концентраций они нарушают многие процессы в организме, начиная с клеточных мембран, т.к. многовалентные ионы металлов могут связываться со специфическими участками фосфолипидных полярных частей (В.А.Тутельян и др.,1987, F.W.Oehme,1978, L.J.Casaret et al.,1975). В результате этого взаимодействия происходит расширение или сжатие поверхности мембраны и, следовательно, изменение её обычных свойств (В.Калоус, З.Павличек,1985). Особенно опасны металлорганические соединения, т.к. они гораздо лучше проходят барьеры внутри организма. Некоторые металлы, например- свинец, стронций, иттрий, кадмий замещают в организме кальций, а это приводит к хрупкости костей.

Количество биологически активных химических элементов в организмах животных и тканях в основном зависит от их места обитания и особенностей потребления кормов (С.Ф. Тютиков и др., 1997). В большинстве случаях сельскохозяйственные животные страдают от дефицита и несбалансированности микроэлементов (К.К.Заневский, 1992). При содержании тяжелых металлов в почве выше допустимых норм отмечают повышение поступления указанных металлов в рационы и соответственно в продукцию животноводства, ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. Например, в пригородных хозяйствах при содержании в рационе тяжелых металлов- свинца, никеля, хрома и фтора в 2-7 раз выше ПДК содержание их в молоке оказалось в 1,25-2 раза выше допустимых (Н.И.Морозова, 1998). В Вологодской области из-за нехватки селена при избытке железа, марганца, кадмия отмечено поступление молока на молокозаводы с низкой титруемой кислотностью (В.И.Иванов,1995). Основной причиной являются выбросы предприятий Череповецкой промышленной зоны. Наличие тяжелых металлов влияет на качество сыра, при этом нарушается технология производства. В частности, ухудшается его вкус и запах становится нечистым, сыр легко крошится, творог становится мажущим (О.Ф.Сорокина и др., 1995). У овец, разводимых в промышленной зоне Ирака, отмечается депонирование в организме ртути, кадмия и свинца (Аббас,1991). У пятилетних овец содержание ртути и кадмия в мускулатуре выше МДУ (максимально допустимого уровня). На ингаляционное поступление этих тяжелых металлов указывали повышенные содержания кадмия и свинца в легких. Этот же автор указывает, что у овец, разводимых в сельскохозяйственных районах Ирака, содержание тяжелых металлов в тканях и органах оказались в 2-7 раз меньше, чем у животных, разводимых в промышленной зоне.

Авторы указывают, что поступление тяжелых металлов из почвы в растения возрастает параллельно с увлечением кислотности почвы. Это происходит потому, что их соединения лучше растворяются в кислой среде (Ge Y., Murray P., Hendershot W.H, 2000, Planquart P., Bonin G., Prone A., Massiani C., 1999). Доказано, что всасывание тяжелых металлов из тонкого отдела кишечника зависит от их растворимости в воде (C.A.Kan,1994). Известно, что длительное использование высоких доз азотных удобрений приводит к снижению микроэлементов в рационе (В.Т.Самохин и др., 1996). При техногенном загрязнении почвы тяжелыми металлами одновременно в ней возрастает доля их подвижных форм (В.А.Вострокнутов и др., 1998). Однако, с ростом доз азотных удобрений в почве отмечено небольшое увеличение концентрации Hg, Mn, Zn (А.А.Григорьев, В.В.Окороков, 1995). Почвенные микроорганизмы могут переводить нерастворимые формы солей в растворимые.

Таким образом, ещё многие и многие годы человечество будет использовать металлы, которые продолжают играть ведущую роль в развитии всех областей его жизнедеятельности.

Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать коррозионно-стойкие, сверхтвердые, тугоплавкие сплавы, применение которых сильно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплавов вольфрама и рения делают детали, работающие при температурах до 3000°С, в медицине используют хирургические инструменты из сплавов тантала и платины, уникальной керамики на основе оксидов титана и циркония.

IX. Спи­сок ис­поль­зо­ван­ной ли­те­ра­ту­ры.

1. «Общая химия»; Н.Л. Глинка; из­да­тель­ст­во «Интеграл-Пресс»; 2007 год.

2. «Не­обыч­ные свой­ст­ва обыч­ных ме­тал­лов»; В.А. Зай­мов­ский, Т.Л. Ко­лу­пае­ва; биб­лио­те­ка «Квант»; 1997 год.

3. «Маг­ни­ты из спла­вов ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лов с ко­баль­том»;
перевод Р.С. Торчиновой, Э.М. Лазарева; из­да­тель­ст­во «Москва»;1995 год.

4. «Уни­вер­саль­ный спра­воч­ник по хи­мии школь­ни­кам и аби­ту­ри­ен­там»; А.А. Пет­ров; из­да­тель­ст­во «Лист Нью»; 2003 год.

5. «Открой для себя мир химии. Часть 1»; Р.М. Голубева, Е.А. Алферова, Е.Ю. Раткевич, В. Шефер, П. Бенеш, Г.Н. Мансуров; издательство «Экомир»; Москва; 2004 год.

6. «Открой для себя мир химии. Часть 3»; Р.М. Голубева, Е.А. Алферова, Е.Ю. Раткевич, В. Шефер, П. Бенеш, Г.Н. Мансуров; издательство «Экомир»; Москва; 2004 год.

7. «Хи­мия. 10 класс»; О.С. Габ­рие­лян; Ф. М. Маскаев; из­да­тель­ст­во «Дро­фа»; Москва; 2005 год.

8. «Хи­мия. 11 класс»; О.С. Габ­рие­лян; Г. Г. Лысова; из­да­тель­ст­во «Дро­фа»; Москва; 2006 год.

9. «На­столь­ная кни­га для учи­те­ля по хи­мии. 9 класс»; О.С. Габ­рие­лян,
И.Г. Ост­ро­умов; из­да­тель­ст­во «Дро­фа»; Москва; 2005 год.

10. «На­столь­ная кни­га для учи­те­ля по хи­мии. 11 класс (часть II)»; О.С. Габ­рие­лян, Г.Г. Лысова; из­да­тель­ст­во «Дро­фа»; Москва; 2006 год.

11. «Общая и неорганическая химия»; Н.С. Ахметов; из­да­тель­ст­во «Высшая школа»; Москва; 2005 год.

Германий проявляет и некоторые неметаллические свойства, занимая промежуточное положение между металлами и неметаллами.

Взаимодействие натрия с водой.

Препятствует защитная плёнка на его поверхности.

Обелиск «Покорителям космоса» (облицовка из титана).

Мел под микроскопом.

Скульптуры Микеланджело (мрамор): «Раб, рвущий путы» (справа), «Давид» (слева).

Оглавление: I. По­ло­же­ние ме­тал­лов в пе­рио­ди­че­ской сис­те­ме. Строе­ние ато­мов ме­тал­лов (см. прил. №1). Груп­пы ме­тал­лов. II. Фи­зи­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов. III. По­ня­тие о спла­вах. IV. Хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме

Первый материал, который научились использовать люди для своих нужд - это камень. Однако позже, когда человеку стало известно о свойствах металлов, камень отошел далеко назад. Именно эти вещества и их сплавы стали самым важным и главным материалом в руках людей. Из них изготавливались предметы быта, орудия труда, строились помещения. Поэтому в данной статье мы рассмотрим, что же собой представляют металлы, общая характеристика, свойства и применение которых так актуально по сей день. Ведь буквально сразу за каменным веком последовала целая плеяда металлических: медный, бронзовый и железный.

Металлы: общая характеристика

Что же объединяет всех представителей этих простых веществ? Конечно, это строение их кристаллической решетки, типы химических связей и особенности электронного строения атома. Ведь отсюда и характерные физические свойства, которые лежат в основе использования этих материалов человеком.

В первую очередь, рассмотрим металлы как химические элементы периодической системы. В ней они располагаются достаточно вольготно, занимая 95 ячеек из известных на сегодняшний день 115. Есть несколько особенностей их расположения в общей системе:

• Образуют главные подгруппы I и II групп, а так же III, начиная с алюминия.
• Все побочные подгруппы состоят только из металлов.
• Они располагаются ниже условной диагонали от бора до астата.

Опираясь на такие данные, легко проследить, что неметаллы собраны в верхней правой части системы, а все остальное пространство принадлежит рассматриваемым нами элементам.

Все они имеют несколько особенностей электронного строения атома:

Общая характеристика металлов и неметаллов позволяет выявить закономерности в их строении. Так, кристаллическая решетка первых - металлическая, особенная. В узлах ее находятся сразу несколько типов частиц:

• ионы;
• атомы;
• электроны.

Внутри скапливается общее облако, называемое электронным газом, которое и объясняет все физические свойства этих веществ. Тип химической связи в металлах одноименный с ними.

Физические свойства

Существует ряд параметров, которые объединяют все металлы. Общая характеристика их по физическим свойствам выглядит так.

Перечисленные параметры - это и есть общая характеристика металлов, то есть все то, что их объединяет в одно большое семейство. Однако следует понимать, что из всякого правила есть исключения. Тем более что элементов подобного рода слишком много. Поэтому внутри самого семейства также есть свои подразделения на различные группы, которые мы рассмотрим ниже и для которых укажем характерные особенности.

Химические свойства

С точки зрения науки химии, все металлы - это восстановители. Причем, очень сильные. Чем меньше электронов на внешнем уровне и чем больше атомный радиус, тем сильнее металл по указанному параметру.

В результате этого металлы способны реагировать с:

Это лишь общий обзор химических свойств. Ведь для каждой группы элементов они сугубо индивидуальны.

Щелочноземельные металлы

Общая характеристика щелочноземельных металлов следующая:

Таким образом, щелочноземельные металлы - это распространенные элементы s-семейства, проявляющие высокую химическую активность и являющиеся сильными восстановителями и важными участниками биологических процессов в организме.

Щелочные металлы

Общая характеристика начинается с их названия. Его они получили за способность растворяться в воде, формируя щелочи - едкие гидроксиды. Реакции с водой очень бурные, иногда с воспламенением. В свободном виде в природе данные вещества не встречаются, так как их химическая активность слишком высока. Они реагируют с воздухом, парами воды, неметаллами, кислотами, оксидами и солями, то есть практически со всем.

Это объясняется их электронным строением. На внешнем уровне всего один электрон, который они легко отдают. Это самые сильные восстановители, именно поэтому для их получения в чистом виде понадобилось достаточно долгое время. Впервые это было сделано Гемфри Дэви уже в XVIII веке путем электролиза гидроксида натрия. Сейчас всех представителей этой группы добывают именно таким методом.

Общая характеристика щелочных металлов заключается еще и в том, что они составляют первую группу главную подгруппу периодической системы. Все они - важные элементы, образующие много ценных природных соединений, используемых человеком.

Общая характеристика металлов d- и f-семейств

К этой группе элементов относятся все те, степень окисления которых может варьироваться. Это значит, что в зависимости от условий, металл может выступать в роли и окислителя, и восстановителя. У таких элементов велика способность вступать в реакции. Среди них большое количество амфотерных веществ.

Общее название всех этих атомов - переходные элементы. Они получили его за то, что по проявляемым свойствам действительно стоят как бы посередине, между типичными металлами s-семейства и неметаллами р-семейства.

Общая характеристика переходных металлов подразумевает обозначение сходных их свойств. Они следующие:

• большое количество электронов на внешнем уровне;
• большой атомный радиус;
• несколько степеней окисления (от +3 до +7);
• находятся на d- или f-подуровне;
• образуют 4-6 больших периодов системы.

Как простые вещества металлы данной группы очень прочные, тягучие и ковкие, поэтому имеют большое промышленное значение.

Побочные подгруппы периодической системы

Общая характеристика металлов побочных подгрупп полностью совпадает с таковой у переходных. И это неудивительно, ведь, по сути, это совершенно одно и то же. Просто побочные подгруппы системы образованы именно представителями d- и f-семейств, то есть переходными металлами. Поэтому можно сказать, что данные понятия - синонимы.

Самые активные и важные из них - первый ряд из 10 представителей от скандия до цинка. Все они имеют важное промышленное значение и часто используются человеком, особенно для выплавки.

Сплавы

Общая характеристика металлов и сплавов позволяет понять, где и как возможно использовать эти вещества. Такие соединения в последние десятки лет претерпели большие преобразования, ведь открываются и синтезируются все новые добавки для улучшения их качества.

Наиболее известными сплавами на сегодняшний день являются:

• латунь;
• дюраль;
• чугун;
• сталь;
• бронза;
• победит;
• нихром и прочие.

Что такое сплав? Это смесь металлов, получаемая при плавке последних в специальных печных устройствах. Это делается для того, чтобы получить продукт, превосходящий по свойствам чистые вещества, его образующие.

Сравнение свойств металлов и неметаллов

Если говорить об общих свойствах, то характеристика металлов и неметаллов будет отличаться одним очень существенных пунктом: для последних нельзя выделить схожих черт, так как они очень разнятся по проявляемым свойствам как физическим, так и химическим.

Поэтому для неметаллов создать подобную характеристику нельзя. Можно лишь по отдельности рассмотреть представителей каждой группы и описать их свойства.

Дмитрий Менделеев смог создать уникальную таблицу химических элементов, главным достоинством которой была периодичность. Металлы и неметаллы в таблице Менделеева располагаются так, что их свойства изменяются периодическим образом.

Периодическая система была составлена Дмитрием Менделеевым во второй половине 19 века. Открытие не только позволило упростить работу химиков, она смогла объединить в себе как в единой системе все открытые химические вещества, а также предсказать будущие открытия.

Создание данной структурированной системы бесценно для науки и для человечества в целом. Именно это открытие дало толчок развитию всей химии на долгие годы.

Интересно знать ! Существует легенда, что готовая система привиделась ученому во сне.

В интервью одному журналисту ученый объяснил, что работал над ней 25 лет и то, что она ему снилась – вполне естественно, но это не значит, что во сне пришли все ответы.

Созданная Менделеевым система делится на две части:

• периоды – столбики по горизонтали в одну или две строки (ряды);
• группы – вертикальные строчки, в один ряд.

Всего в системе 7 периодов, каждый следующий элемент отличен от предыдущего большим количеством электронов в ядре, т.е. заряд ядра каждого правого показателя больше левого на единицу. Каждый период начинается с металла, а заканчивается инертным газом – именно это и есть периодичность таблицы, ведь свойства соединений меняются внутри одного периода и повторяются в следующем . При этом, следует помнить, что 1-3 периоды неполные или малые, в них всего 2, 8 и 8 представителей. В полном периоде (т.е. оставшихся четырех) по 18 химических представителей.

В группе располагаются химические соединения с одинаковой высшей , т.е. у них одинаковое электронное строение. Всего в системе представлено 18 групп (полная версия), каждая из которых начинается щелочью и заканчивается инертным газом. Все, представленные в системе субстанции, можно разделить на две основные группы – металл или неметалл.

Для облегчения поиска группы имеют свое название, а металлические свойства субстанций усиливаются с каждой нижней строчкой, т.е. чем ниже соединение, тем больше у него будет атомных орбит и тем слабее электронные связи. Также меняется и кристаллическая решетка – она становится ярко выраженной у элементов с большим количеством атомных орбит.

В химии используют три вида таблиц:

1. Короткая – актиноиды и лантаноиды вынесены за границы основного поля, а 4 и все последующие периоды занимают по 2 строчки.
2. Длинная – в ней актиноиды и лантаноиды вынесены за границу основного поля.
3. Сверхдлинная – каждый период занимает ровно 1 строку.

Главной считается та таблица Менделеева, которая была принята и подтверждена официально, но для удобства чаще используют короткую версию. Металлы и неметаллы в таблице Менделеева располагаются согласно строгим правилам, которые облегчают работу с ней.

Металлы в таблице Менделеева

В системе Менделеева сплавы имеют преобладающее число и список их весьма велик – они начинаются с Бора (В) и заканчиваются полонием (Po) (исключением являются германий (Ge) и сурьма (Sb)). У этой группы есть характерные признаки, они разделены на группы, но их свойства при этом неоднородны. Характерные их признаки:

• пластичность;
• электропроводимость;
• блеск;
• легкая отдача электронов;
• ковкость;
• теплопроводность;
• твердость (кроме ртути).

Из-за различной химической и физической сути свойства могут существенно отличаться у двух представителей этой группы, не все они похожи на типичные природные сплавы, к примеру, ртуть – это жидкая субстанция, но относится к данной группе.

В обычном своем состоянии она жидкая и без кристаллической решетки, которая играет ключевую роль в сплавах. Только химические характеристики роднят ртуть с данной группой элементов, несмотря на условность свойств этих органических соединений. То же самое касается и цезия – самого мягкого сплава, но он не может в природе существовать в чистом виде.

Некоторые элементы такого типа могут существовать только доли секунды, а некоторые не встречаются в природе совсем – их создали в искусственных условиях лаборатории. У каждой из групп металлов в системе есть свое название и признаки, которые отличают их от других групп.

При этом отличия у них весьма существенные. В периодической системе все металлы располагаются по количеству электронов в ядре, т.е. по увеличению атомной массы. При этом для них характерно периодическое изменение характерных свойств. Из-за этого в таблице они не размещаются аккуратно, а могут стоять неправильно.

В первой группе щелочей нет веществ, которые бы встречались в чистом виде в природе – они могут пребывать только в составе различных соединений.

Как отличить металл от неметалла?

Как определить металл в соединении? Существует простой способ определения, но для этого необходимо иметь линейку и таблицу Менделеева. Для определения надо:

1. Провести условную линию по местам соединения элементов от Бора до Полония (можно до Астата).
2. Все материалы, которые будут слева линии и в побочных подгруппах – металл.
3. Вещества справа – другого типа.

Однако у способа есть изъян – он не включает в группу Германий и Сурьму и работает только в длинной таблице. Метод можно использовать в качестве шпаргалки, но чтобы точно определить вещество, следует запомнить список всех неметаллов. Сколько их всего? Мало – всего 22 вещества.

В любом случае, для определения природы вещества необходимо рассматривать его в отдельности. Легко будет элементы, если знать их свойства. Важно запомнить, что все металлы:

1. При комнатной температуре – твердые, за исключением ртути. При этом они блестят и хорошо проводят электрический ток.
2. У них на внешнем уровне ядра меньшее количество атомов.
3. Состоят из кристаллической решетки (кроме ртути), а все другие элементы имеют молекулярную или ионную структуру.
4. В периодической системе все неметаллы – красного цвета, металлы – черного и зеленого.
5. Если двигаться слева направо в периоде, то заряд ядра вещества будет увеличиваться.
6. У некоторых веществ свойства выражены слабо, но они все равно имеют характерные признаки. Такие элементы относятся к полуметаллам, например Полоний или Сурьма, они обычно располагаются на границе двух групп.

Внимание! В левой нижней части блока в системе всегда стоят типичные металлы, а в правой верхней — типичные газы и жидкости.

Важно запомнить, что при перемещении в таблице сверху вниз становятся сильнее неметаллические свойства веществ, поскольку там располагаются элементы, которые имеют отдаленные внешние оболочки . Их ядро отделено от электронов и поэтому они притягиваются слабее.

Полезное видео

Подведем итоги

Отличить элементы будет просто, если знать основные принципы формирования таблицы Менделеева и свойства металлов. Полезно будет также запомнить и список остальных 22 элементов. Но не нужно забывать, что любой элемент в соединении следует рассматривать в отдельности, не учитывая его связей с другими веществами.

Вконтакте

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 - 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

1. литий;
2. бериллий;
3. натрий;
4. магний;
5. алюминий;
6. калий;
7. кальций;
8. скандий;
9. титан;
10. ванадий;
11. хром;
12. марганец;
13. железо;
14. кобальт;
15. никель;
16. медь;
17. цинк;
18. галлий;
19. рубидий;
20. стронций;
21. иттрий;
22. цирконий;
23. ниобий;
24. молибден;
25. технеций;
26. рутений;
27. родий;
28. палладий;
29. серебро;
30. кадмий;
31. индий;
32. коперниций;
33. цезий;
34. барий;
35. олово;
36. железо;
37. висмут;
38. свинец;
39. ртуть;
40. вольфрам;
41. золото;
42. платина;
43. осмий;
44. гафний;
45. германий;
46. иридий;
47. ниобий;
48. рений;
49. сурьма;
50. таллий;
51. тантал;
52. франций;
53. 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.