Сообщение по химии на тему металлы. Доклад: Металлы

Подавляющее большинство (93 из 117) известных в настоящее время химических элементов относится к металлам.
Атомы различных металлов имеют много общего в строении, а образуемые ими простые и сложные вещества имеют схожие свойства (физические и химические).

Положение в периодической системе и строение атомов металлов.

В периодической системе металлы располагаются левее и ниже условной ломаной линии, проходящей от бора к астату (см. таблицу ниже). К металлам относятся почти все s-элементы (за исключением Н, Не), примерно половина р -элементов, все d — и f -элементы (лантаниды и актиниды ).

У большинства атомов металлов на внешнем энергетическом уровне содержится небольшое число (до 3) электронов, только у некоторых атомов р-элементов (Sn, Pb, Bi, Ро) их больше (от четырех до шести). Валентные электроны атомов металлов слабо (по сравнению с атомами неметаллов) связаны с ядром. Поэтому атомы металлов относительно легко отдают эти электроны другим атомам, выступая в химических реакциях только в качестве восстановителей и превращаясь при этом в положительно заряженные катионы:

Me - пе – = Ме n+ .

В отличие от неметаллов для атомов металлов характерны только положительные степени окисления от +1 до +8.

Легкость, с которой атомы металла отдают свои валентные электроны другим атомам, характеризует восстановительную активность данного металла. Чем легче атом металла отдает свои электроны, тем он более сильный восстановитель. Если расположить в ряд металлы в порядке уменьшения их восстановительной способности в водных растворах, мы получим известный нам вытеснительный ряд металлов , который называется также электрохимическим рядом напряжений (или рядом активности ) металлов (см. таблицу ниже).

Распространенность м еталлов в природе .

В первую тройку наиболее распространенных в земной коре (это поверхностный слой нашей планеты толщиной примерно 16 км) металлов входят алюминий, железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.

железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.

Распространенность металлов в земной коре

Элементы, массовая доля которых в земной коре составляет менее 0,01 %, называются редкими . К числу редких металлов относятся, например, все лантаниды. Если элемент не способен концентрироваться в земной коре, т. е. не образует собственных руд, а встречается в качестве примеси с другими элементами, то его относят к рассеянным элементам. Рассеянными, например, являются следующие металлы: Sc, Ga, In, Tl, Hf.

В 40-х годах XX в. немецкие ученые Вальтер и Ида Нолла к высказали мысль о том. что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все химические элементы периодической системы. Вначале эти слова были встречены их коллегами далеко не с единодушным одобрением. Однако по мере появления все более точных методов анализа ученые все больше убеждаются в справедливости этих слов.

Поскольку все живые организмы находятся в тесном контакте с окружающей средой, то и в каждом из них должны содержаться если не все, то большая часть химических элементов периодической системы. Например, в организме взрослого человека массовая доля неорганических веществ составляет 6 %. Из металлов в этих соединениях присутствуют Mg, Са, Na, К. В составе многих ферментов и иных биологически активных органических соединений в нашем организме содержатся V, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Mo, Сг и некоторые другие металлы.

В организме взрослого человека содержится в среднем около 140 г ионов калия и около 100 г ионов натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 г до 7 г ионов калия и от 2 г до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах натрия настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу. Значительная потеря ионов натрия (в виде NaCl с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют пить минеральную воду. Однако и избыточное содержание соли в пище негативно сказывается на работе наших внутренних органов (в первую очередь, сердца и почек).

Металлы (от лат. metallum - шахта, рудник) - группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

• 6 элементов в группе щелочных металлов,
• 6 в группе щёлочноземельных металлов,
• 38 в группе переходных металлов,
• 11 в группе лёгких металлов,
• 7 в группе полуметаллов,
• 14 в группе лантаноиды + лантан,
• 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
• вне определённых групп бериллий и магний.

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.

В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия

Характерные свойства металлов

1. Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
2. Хорошая электропроводность
3. Возможность лёгкой механической обработки
4. Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
5. Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
6. Большая теплопроводность
7. В реакциях чаще всего являются восстановителями.

Физические свойства металлов

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности , металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия - двух самых тяжёлых металлов - почти равны (около 22.6 г/см³ - ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны , то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый - светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Химические свойства металлов

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

Реакции с простыми веществами

• С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

оксид лития

пероксид натрия

надпероксид калия

Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

• С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

При нагревании:

• С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

• С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

• С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды - метан.

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

Металлы, легко вступающие в реакции, называются активными металлами. К ним относятся щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий.

Положение в таблице Менделеева

Металлические свойства элементов ослабевают слева направо в периодической таблице Менделеева. Поэтому наиболее активными считаются элементы I и II групп.

Рис. 1. Активные металлы в таблице Менделеева.

Все металлы являются восстановителями и легко расстаются с электронами на внешнем энергетическом уровне. У активных металлов всего один-два валентных электрона. При этом металлические свойства усиливаются сверху вниз с возрастанием количества энергетических уровней, т.к. чем дальше электрон находится от ядра атома, тем легче ему отделиться.

Наиболее активными считаются щелочные металлы:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• франций.

К щелочноземельным металлам относятся:

• бериллий;
• магний;
• кальций;
• стронций;
• барий;
• радий.

Узнать степень активности металла можно по электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен. Металлы, стоящие справа от водорода, малоактивны и могут взаимодействовать только с концентрированными кислотами.

Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.

К списку активных металлов в химии также относят алюминий, расположенный в III группе и стоящий левее водорода. Однако алюминий находится на границе активных и среднеактивных металлов и не реагирует с некоторыми веществами при обычных условиях.

Свойства

Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.

Основные химические свойства металлов представлены в таблице.

Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей - минералов, горных пород.

Рис. 3. Минералы и чистые металлы.

Что мы узнали?

К активным металлам относятся элементы I и II групп - щелочные и щелочноземельные металлы, а также алюминий. Их активность обусловлена строением атома - немногочисленные электроны легко отделяются от внешнего энергетического уровня. Это мягкие лёгкие металлы, быстро вступающие в реакцию с простыми и сложными веществами, образуя оксиды, гидроксиды, соли. Алюминий находится ближе к водороду и для его реакции с веществами требуются дополнительные условия - высокие температуры, разрушение оксидной плёнки.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4 . Всего получено оценок: 380.

Реферат по теме: «.»

Ученика 9-г класса

средней школы №9

Агеева Максима.

Учитель:

Белокопытов Ю.С.

Июнь 1999

г.Чехов.

1. Строениеатомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группыметаллов..................2

2. Физическиесвойства металлов....................................3

3. Химическиесвойства металлов....................................4

4. Коррозияметаллов.........................................................6

5. Понятиео сплавах..........................................................8

6. Способыполучения металлов........................................9

7. Списокиспользованной литературы...........................11

I .Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группыметаллов.

В настоящее времяизвестно 105 химических элементов, большинство из них - металлы. Последниевесьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений внедрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений идаже в атмосфере.

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

Причисляя тот илииной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенногокомплекса свойств:

1. Плотная кристаллическая структура.

2. Характерный металлический блеск.

3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.

4. Уменьшение электрической проводимости с ростомтемпературы.

5. Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способностьлегко отдавать электроны.

6. Ковкость и тягучесть.

7. Способность к образованию сплавов.

Всеметаллы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить надве основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и все егосплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуныи стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К нимотносятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт,титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различныхметаллов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие водних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью кистиранию, в третьих - коррозионной устойчивостью, т.е. способностью неразрушаться под действием внешней среды.

Ковторой группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое названиепотому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель,олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов впрактике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другимиметаллами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медьюи др.

Этоделение на черные и цветные металлы условно.

Нарядус 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 неразрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.

II. Физические свойства металлов.

Свнешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым«металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильноотражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в томслучае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний иалюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, нобольшинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серыйцвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью,причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том жепорядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. Сповышением 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 из положительнозаряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующихатомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки,узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятсялегкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов кдругим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроныне связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разностипотенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е.возникает электрический ток.

Наличиемсвободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов.Находясь в 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. Плотность, а также температуры плавления некоторых металловприведены в таблице №1.

Таблица №1

Плотность и температура плавления некоторых металлов.

Название Атомный вес

Плотность,

Температура плавления, C

Легкие металлы.

Литий 6,939 0,534 179 Калий 39,102 0,86 63,6 Натрий 22,9898 0,97 97,8 Кальций 40,08 1,55 850 Магний 24,305 1,74 651 Цезий 132,905 1,90 28,5 Алюминий 26,9815 2,702 660,1 Барий 137,34 3,5 710

Тяжелые металлы

Цинк 65,37 7,14 419 Хром 51,996 7,16 1875 Марганец 54,9380 7,44 1244 Олово 118,69 7,28 231,9 Железо 55,847 7,86 1539 Кадмий 112,40 8,65 321 Никель 58,71 8,90 1453 Медь 63,546 8,92 1083 Висмут 208,980 9,80 271,3 Серебро 107,868 10,5 960,8 Свинец 207,19 11,344 327,3 Ртуть 200,59 13,546 -38,87 Вольфрам 183,85 19,3 3380 Золото 196,967 19,3 1063 Платина 195,09 21,45 1769 Осмий 190,2 22,5 2700

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.

III. Химические свойства металлов.

Основнымхимическим свойством металлов является способность их атомов легко отдаватьсвои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичныеметаллы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряженыположительно.

Легко отдавая прихимических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являютсяэнергичными восстановителями.

Способность к отдачеэлектронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чемлегче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает вовзаимодействие с другими веществами.

Опустим кусочекцинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а израствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением:

Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2

Из уравнения следует, что эта реакция являетсятипичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, чтоатомы цинка отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, темсамым превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются ввиде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить кусочексвинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет. Этопоказывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, аионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.

Вытеснение однихметаллов из их соединений другими металлами впервые было подробно изученорусским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их убывающей химическойактивности в так называемый «вытеснительный ряд». В настоящее времявытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений.

В таблице №2представлены значения стандартных электродных потенциалов некоторых металлов.Символом Me+/Meобозначен металл Me, погруженный в раствор его соли. Стандартныепотенциалы электродов, выступающих как восстановители по отношению к водороду,имеют знак «-», а знаком «+» отмечены стандартные потенциалы электродов,являющихся окислителями.

Таблица №2

Стандартные электродные потенциалы металлов.

Электрод

Электрод

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 свойстваметаллов:

1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем большеего восстановительная способность.

2. Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) израстворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.

3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартныйэлектродный потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода,способны вытеснять его из растворов кислот.

Необходимоотметить, что представленный ряд характеризует поведение металлов и их солейтолько в водных растворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно иметьввиду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает еговысокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием,тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятсяправее лития. Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратацииионов лития по сравнению с ионами других щелочных металлов.

IV. Коррозия металлов.

Почти всеметаллы, приходя в соприкосновение с окружающей их газообразной или жидкойсредой, более или менее быстро подвергаются с поверхности разрушению. Причинойего является химическое взаимодействие металлов с находящимися в воздухегазами, а также водой и растворенными в ней веществами.

Всякий процессхимического разрушения металлов под действием окружающей среды называюткоррозией.

Проще всегопротекает коррозия при соприкосновении металлов с газами. На поверхностиметалла образуются соответствующие соединения: оксиды, сернистые соединения,основные соли угольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность плотнымслоем, защищающим металл от дальнейшего воздействия тех же газов.

Иначе обстоитдело при соприкосновении металла с жидкой средой - водой и растворенными в нейвеществами. Образующиеся при этом соединения могут растворяться, благодаря чемукоррозия распространяется дальше вглубь металла. Кроме того, вода, содержащаярастворенные вещества, является проводником электрического тока, вследствиечего постоянно возникают электрохимические процессы, которые являются одним изглавных факторов, обуславливающих и ускоряющих коррозию.

Чистые металлы вбольшинстве случаев почти не подвергаются коррозии. Даже такой металл, какжелезо, в совершенно чистом виде почти не ржавеет. Но обыкновенные техническиеметаллы всегда содержат различные примеси, что создает благоприятные условиядля коррозии.

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

Способы борьбы скоррозией чрезвычайно разнообразны. Наиболее простой из них заключается взащите поверхности металла от непосредственного соприкосновения с окружающейсредой путем покрытия масляной краской, лаком, эмалью или, наконец, тонкимслоем другого металла. Особый интерес с теоретической точки зрения представляетпокрытие одного металла другим.

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

Для защиты откоррозии целесообразно покрывать поверхность металла слоем более активногометалла, чем слоем менее активного. Однако другие соображения нередкозаставляют применять также покрытия из менее активных металлов.

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

Покрытыеникелем стальные изделия имеют красивый вид, чем объясняется широкоераспространение никелирования. При повреждении слоя никеля коррозия проходитменее интенсивно, чем при повреждении слоя меди (или олова), так как разностьпотенциалов для пары никель-железо гораздо меньше, чем для пары медь-железо.

Из другихспособов борьбы с коррозией существует еще способ протекторов, заключающийся втом, что защищаемый металлический объект приводится в контакт с большойповерхностью более активного металла. Так, в паровые котлы вводят листы цинка,находящиеся в контакте со стенками котла и образующие с ними гальваническуюпару.

V. 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.

Тотили иной 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 большинствеслучаев они 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 60,5 градусахЦельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температурыплавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90%меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейногорасширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов.

Однако некоторыепримеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун(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.

Среди свойствсплавов наиболее важными для практического применения являются жаропрочность,коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значениеимеют 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.

VI .Способы получения металлов.

Огромноебольшинство металлов находится в природе в виде соединений с другимиэлементами.

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

Добывание золотаи платины производится или посредством механического отделения их от тойпороды, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлеченияих из породы различными реагентами с последующим выделением металла израствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природныхсоединений.

Минералы и горныепороды, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металловзаводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфидыи карбонаты металлов.

Важнейший способполучения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем.

Если, например,смешать красную медную руду (куприт) Cu2O суглем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь,превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:

Cu2O + C = 2Cu + CO

Подобным же образом производится выплавка чугуна ихжелезных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов.

При переработкесернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путемобжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем.Например:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

ZnO + C = Zn + CO

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

ZnCO3 = ZnO + CO2

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

Во многих рудахколичество примесей (пустой породы) так велико, что непосредственная выплавкаметаллов из этих руд является экономически невыгодной. Такие рудыпредварительно «обогащают», то есть удаляют из них часть примесей. Особенношироким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд(флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.

Техникафлотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду,состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонкоизмельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудьмалополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пеныпри взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, такназываемого «коллектора», который хорошо адсорбируется поверхностьюфлотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этогочерез смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водойи прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкимимасляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицыфлотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора,прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху иостаются в пене; частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно.Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержаниемметалла.

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

Процессвосстановления металла из его оксида с помощью другого металла называетсяметаллотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяетсяалюминий, то процесс носит название алюминотермии.

Очень важнымспособом получения металлов является также электролиз. Некоторые наиболееактивные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другиесредства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.

Список использованнойлитературы.

1. «Основыобщей химии». Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин. Москва «Просвещение» 1980 г.

2. «Общаяхимия». Н.Л.Глинка. Издательство «Химия», Ленинградское отделение 1972 г.

3. «Отчегои как разрушаются металлы». С.А.Балезин. Москва «Просвещение» 1976 г.

4. «Пособиепо химии для поступающих в вузы». Г.П.Хомченко. 1976 г.

5. «Книгадля чтения по неорганической химии».

Часть 2. Составитель В.А.Крицман. Москва«Просвещение» 1984 г.

6. «Химияи научно-технический прогресс». И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня. Москва«Просвещение» 1988г.