Химия 9,11 класс. Общие свойства металлов. Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ.

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.

 

1. 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

 

2. 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

 

3. 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.

 

4. 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

5. Металлы способны замещать менее активные металлы в их солях, отдавая их ионам свои наружные электроны:

       Zn  +  CuSO₄   ->  ZnSO₄  +  Cu¯                                          Fe  +  HgCl₂   ->  FeCl₂  +  Hg¯

6. 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:

1. Защита поверхности металла от контакта с воздухом — смазка, покрытие лаками, красками, эмалями или стойкими к коррозии металлами.
2. 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.

4. 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.