В настоящее время из 118 известных элементов абсолютное большинство является металлами либо металлоидами (переходными элементами).
Атомы типичных металлов имеют обычно 1-2 наружных электрона в своей оболочке, либо больше, но тогда валентные электроны должны быть удалены от ядра. Из этого следует, что большинство металлов должно находиться в начале периодов периодической системы и в нижней части групп элементов. Действительно, если в периодической системе мысленно провести диагональ от бериллия к астату, то большинство металлов окажется в левой нижней части системы. Металлы могут находиться и в главных, и в побочных подгруппах. У атомов металлов главных подгрупп на внешнем электронном уровне столько электронов, каков номер группы. Если же металл расположен в побочной подгруппе, то его атом имеет обычно 2 внешних электрона, реже 1 (медь, серебро, золото, платина, хром и т.п.).
Форма нахождения металла в природе зависит от его химической активности. Если металл химически активен, то он не может долгое время существовать в свободном виде и обязательно вступит во взаимодействие с окружающими его веществами. Поэтому обычно эти металлы можно встретить в природе только в виде солей: хлоридов, нитратов, сульфатов, карбонатов. Металлы средней активности чаще образуют оксиды и сульфиды. В свободном же виде встречаются лишь благородные металлы — золото, серебро, платина, реже медь.
Природные соединения металлов называются рудами. У этих руд часто оказываются собственные названия. Вот примеры: PbS — свинцовый блеск, ZnS — цинковая обманка, Fe3O4 — магнетит, FeCO3 — сидерит и т.п.
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Так как для технических или других целей требуется обычно чистый металл, то его приходится химически выделять из природного соединения. Способ такого выделения зависит от того, каким соединением является руда: солью, оксидом или сульфидом.
Из хлоридов активные металлы получают электролизом — разложением соли в ее расплаве при помощи постоянного электрического тока:
2NaCl -> 2Na + Cl2 MgBr2 -> Mg + Br2
Оксиды металлов обычно восстанавливают. Восстановителями могут быть водород, углерод, оксид углерода СО или активный металл (алюминий, магний и другие металлы):
WO3 + 3H2 -> W + 3H2O Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2
MnO2 + C -> Mn + 2CO 3Fe3O4 + 8Al -> 9Fe + 4Al2O3
Карбонаты металлов можно восстановить углем, предварительно прокалив или даже расплавив — при этом карбонаты разлагаются на оксид металла и углекислый газ, который улетучивается:
Na2CO3 -> Na2O + CO2 Na2O + C -> 2Na + CO
Однако этот способ экономически не слишком выгоден, так как прокаливание ведется в электропечи и связано с большой затратой электроэнергии, что повышает стоимость получаемого металла.
Если руда является сульфидом металла, то ее предварительно обжигают на воздухе, чтобы удалить серу, а полученный оксид восстанавливают подходящим восстановителем:
2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2 ZnO + CO -> Zn + CO2
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Металлы мы узнаем по металлическому блеску. Они блестят потому, что не пропускают сквозь себя лучи света, подобно прозрачным телам, а отражают их. Это общее свойство всех металлов, и оно объясняется тем, что все металлы имеют сходное расположение частиц — кристаллическую решетку. Она не похожа на известные нам виды кристаллических решеток: атомную, молекулярную, ионную, а состоит из отдельных ионов металла. Так как атомы металлов слабо притягивают свои наружные электроны, то эти электроны легко отрываются от атомов и перемещаются в пространстве между ними, образуя так называемый электронный газ, имеющий большой отрицательный заряд. В этот газ оказываются как бы погруженными положительно заряженные ионы металла. Так образуется связь между этими частицами, она называется металлической, как и сама кристаллическая решетка металла. Если кусок металла меняет форму (при ударе, ковке, сплющивании), то атомы и ионы металла смещаются, но связи между ними не рвутся, так как вместе с ними смещаются и общие электроны. Поэтому все металлы прочны и пластичны.
Самые пластичные металлы — золото, серебро, медь, олово: их можно раскатать в тончайшую фольгу.
Свободные электроны в металле могут перемещаться в электрическом поле от отрицательного полюса к положительному — такой поток электронов называется электрическим током. Следовательно, металлы электропроводны. Кроме того, свободные электроны придают металлам теплопроводность и металлический блеск. Самый электропроводный металл — серебро, далее идут медь, золото, алюминий, железо.
С разных точек зрения металлы можно разделить на группы:
По плотности — на легкие (литий, натрий, магний, алюминий) и тяжелые (хром, железо, олово, свинец, осмий и др.)
По температуре плавления — легкоплавкие (ртуть, галлий, рубидий, цезий…) и тугоплавкие (медь, хром, вольфрам…)
По химической стойкости — благородные (золото, платина, серебро) и все остальные.
По твердости — мягкие (режутся ножом — щелочные металлы) и твердые. Самый твердый металл — хром, он режет стекло.
Железо и его сплавы в технике называют черными металлами, все остальные — цветными.
При испарении металлов их кристаллическая решетка разрушается, и связи между отдельными атомами не образуются, поэтому в парообразном состоянии все металлы одноатомны.
Самое тяжелое вещество на Земле — осмий, его плотность 22,48 г/см3. в число наиболее плотных веществ входит и платина.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Так как атомы металлов имеют большой радиус и малое количество наружных электронов, то при химических реакциях они легко отдают эти электроны, то есть являются восстановителями. Сами же атомы при этом превращаются в положительно заряженные ионы, — мы помним, что величина положительного заряда иона металла условно равна количеству отданных им электронов.
Способность металла к химическому взаимодействию с другими веществами различна. Она зависит не только от того, насколько активно атом металла отдает свои наружные электроны и превращается в положительно заряженный ион, но и от энергии, которую нужно затратить на отделение этого атома от остальных в кристаллической решетке, и еще от некоторых других факторов. С учетом всего этого металлы выстроены в ряд, который мы ранее называли рядом активности металлов, а теперь, уточнив это понятие — рядом электрохимических напряжений металлов:
Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au Pt
Наиболее активные металлы расположены слева, наименее активные — справа.
При химических реакциях электроны от атомов металлов могут переходить к атомам неметаллов, а также к ионам других металлов, которые при этом превращаются в атомы.
- Большинство металлов (кроме благородных — золота и платины) может соединяться с кислородом, образуя оксиды. Эта реакция часто бывает причиной коррозии металлов:
2Mg + O2 -> 2MgO 4Al + 3O2 -> 2Al2O3 3Fe + 2O2 -> Fe3O4
- Металлы могут соединяться и с другими неметаллами:
Cu + F2 -> CuF2 3Ca + N2 -> Ca3N2 2Na + Cl2 -> 2NaCl
2K + H2 -> 2KH Fe + S -> FeS 2Al + 3Br2 -> 2AlBr3
3K + P -> K3P 2Mg + Si -> Mg2Si
- Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, способны реагировать с большинством кислот с выделением водорода:
Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2 2Al + 3H2SO4 -> Al2(SO4)3 + 3H2
Внимание: с азотной и концентрированной серной кислотами металлы взаимодействуют по-особому, и водород при этом не выделяется. Подробнее о таких реакциях мы узнаем, изучая эти кислоты.
- Большинство металлов, стоящих в ряду активности до водорода, реагируют и с водой, но по-разному:
а) активные металлы (все щелочные и большинство щелочноземельных) активно взаимодействуют даже с холодной водой и образуют при этом гидроксид металла (основание) и водород:
Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2 2K + 2H2O -> 2KOH + H2
б) металлы средней активности (от магния до железа) заметно реагируют только с горячей водой, образуя оксиды и водород. Реакция идет с разной степенью интенсивности, в зависимости от восстановительных свойств металла: у магния довольно энергично, чем правее по ряду активности — тем медленнее и малозаметнее:
Mg + H2O -> MgO + H2 3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2
- Металлы способны замещать менее активные металлы в их солях, отдавая их ионам свои наружные электроны:
Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu¯ Fe + HgCl2 -> FeCl2 + Hg¯
- Некоторые металлы способны реагировать с растворами щелочей (цинк, алюминий):
2Al + 2NaOH + 2H2O -> 2NaAlO2 + 3H2
Итак, в химических реакциях атомы металлов являются восстановителями. В то же время, ионы металлов, принимая электроны и превращаясь в атомы, являются окислителями. Чем активнее атом металла отдает электроны, тем труднее его ион принимает их. Поэтому наиболее активные ионы-окислители расположены в правой части ряда напряжений металлов — это ионы платины, золота, серебра.
СПЛАВЫ
Известно, что большинство веществ способно переходить из твердого в жидкое состояние — плавиться. Если слить вместе и перемешать расплавленные вещества, получится сплав.
Сплавы могут быть металлическими и неметаллическими. Неметаллические сплавы — естественные горные породы (гранит, туф, базальт), металлургические шлаки, стекло. Более важное значение имеют металлические сплавы, они широко используются в технике. Не всегда пригодны для технических целей чистые металлы, порой они оказываются излишне мягкими, непрочными, нестойкими к коррозии и т.д. Поэтому гораздо чаще используются сплавы металлов, лишенные этих недостатков.
Соединяя вместе различные металлы, а порой и добавляя неметаллы в нужных количествах, получают сплавы со свойствами, которые необходимы человеку — легко- или тугоплавкость, мягкость или твердость, упругость, сверхпрочность, устойчивость к коррозии, износу, действию агрессивных веществ, легкость, пластичность и т.п. Вот некоторые сплавы и области их применения:
| Сплав | Главные компоненты | Изготавливаются |
| Чугун | Fe + C + S + P | Детали приборов, машин, механизмов |
| Сталь | Fe + C | |
| Дюралюминий | Al + Cu + Mn + Mg | авиатехника (легкий, прочный сплав) |
| Бронза | Cu + Sn | Детали механизмов, пушки, колокола |
| Латунь | Cu + Zn | Детали машин, механизмов |
| Мельхиор | Cu + Ni | Посуда, украшения, монеты |
| Нейзильбер | Cu + Ni + Zn | Медицинский инструмент |
| Манганин | Cu + Ni + Mn | Электроизмерительные приборы |
Сплавы могут быть двойными, тройными, многокомпонентными — по числу составляющих их элементов. Чаще сплавы делят по элементам, составляющим их основу: медные, алюминиевые, титановые, никелевые и т.д. Иногда в названии сплава указывается легирующая (улучшающая свойства) добавка: бериллиевая бронза, вольфрамовая сталь и т.п.
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
Как мы видим, металлы и их сплавы — основа любой техники. Но вследствие химического взаимодействия с окружающей средой металлы и сплавы могут разрушаться — возникает коррозия. Коррозии подвержены все металлы, кроме золота и платины, поэтому металлические изделия постепенно приходят в негодность. Самый сильный разрушитель — это влажный кислород (сухой кислород действует на металлы очень слабо). Чаще всего приходится сталкиваться с коррозией железа и его сплавов, так как именно из них изготовлено большинство деталей и конструкций.
Существует два вида коррозии:
А. Химическая — металл окисляется, взаимодействуя с агрессивными веществами окружающей среды:
4Fe + 6H2O + 3O2 -> 4Fe(OH)3 — ржавление в сыром воздухе
2Fe + 3Cl2 -> 2FeCl3 — во влажном хлоре
Б. Электрохимическая — происходит при контакте двух металлов разной активности, при этом разрушается более активный.
Скорость коррозии зависит от состава среды, в которой находится металл. Резко усиливают коррозию ионы хлора, а гидроксид-ионы, напротив, замедляют ее. В кипяченой воде металл почти не разрушается, так как из нее удален кислород.
Способы защиты металлов от коррозии:
- Защита поверхности металла от контакта с воздухом — смазка, покрытие лаками, красками, эмалями или стойкими к коррозии металлами.
- Протекторная защита — присоединение к металлическому изделию протектора, детали из металла, более активного, чем тот, из которого изготовлено изделие. В этом случае разрушается не изделие, а протектор, который потом легко заменить. При длительных стоянках судов к их бортам крепят слитки из магния или цинка, замедляющие коррозию металла в морской воде.
3.Изготовление сплавов, стойких к коррозии или замена их другими материалами.
- Добавление в жидкую среду, в которой находится металл, специального замедлителя коррозии — ингибитора. Так называются вещества, замедляющие нежелательную реакцию. Например, соляную кислоту с добавкой ингибитора можно перевозить в стальных цистернах без опасности их разрушения. Кроме того, ингибированной соляной кислотой можно очищать паровые котлы от накипи, а железные поверхности — от окалины. Такая кислота взаимодействует с накипью ( CaCO3 ) и окалиной ( Fe3O4) , но не реагирует с металлом.