Чому метали мають металевий блиск. Метали у природі

Метали людство почало активно використовувати ще 3000-4000 роках до нашої ери. Тоді люди познайомилися з найпоширенішими з них, це золото, срібло, мідь. Ці метали були дуже легко знайти на поверхні землі. Трохи пізніше вони пізнали хімію та почали виділяти з них такі види як олово, свинець та залізо. У Середньовіччі набирали популярності дуже отруйні види металів. В побуті був миш'як, яким було отруєно більше половини королівського двору у Франції. Так само і те, що допомагало вилікувати різні хвороби тих часів, починаючи від ангіни і до чуми. Вже до двадцятого століття було відомо понад 60 металів, а на початку XXI століття – 90. Прогрес не стоїть на місці та веде людство вперед. Але постає питання, який метал є важким і перевершує за вагою решту? І взагалі, які вони, ці найважчі метали у світі?

Багато хто помилково думає, що золото і свинець є найважчими металами. Чому так склалося? Багато з нас виросли на старих фільмах і бачили, як головний герой використовує свинцеву пластину для захисту від злісних куль. На додаток, і сьогодні використовують свинцеві пластини в деяких видах бронежилетів. А при слові золото у багатьох виринає картинка з важкими зливками цього металу. Але думати, що вони найважчі – помилково!

Для визначення найважчого металу треба брати до уваги його щільність, адже чим більша щільність речовини, тим вона важча.

ТОП-10 найважчих металів у світі

1. Осмій (22,62 г/см 3),
2. Іридій (22,53 г/см 3),
3. Платина (21,44 г/см 3),
4. Реній (21,01 г/см 3),
5. Нептуній (20,48 г/см 3),
6. Плутоній (19,85 г/см 3),
7. Золото (19,85 г/см3)
8. Вольфрам (19,21 г/см 3),
9. Уран (18,92 г/см 3),
10. Тантал (16,64 г/см3).

І де свинець? А він знаходиться набагато нижче в цьому списку, в середині другого десятка.

Осмій та іридій – найважчі метали у світі

Розглянемо основних важкоатлетів, які ділять 1 та 2 місця. Почнемо з іридію і заразом вимовимо слова подяки на адресу англійського вченого Смітсона Теннат, який в 1803 отримав цей хімічний елемент з платини, де був присутній разом з осмієм у вигляді домішки. Іридій із давньогрецької можна перекласти, як «райдуга». Метал має білий колір зі срібним відтінком і його можна назвати не тільки великоваговим, але й міцним. На нашій планеті його дуже мало і за рік його видобувають лише до 10000 кг. Відомо, що більшість родовищ іридію можна знайти на місцях падіння метеоритів. Деякі вчені приходять до думки, що цей метал раніше був широко поширений на нашій планеті, проте через свою вагу він постійно видавлював себе ближче до центру Землі. Іридій зараз широко затребуваний у промисловості та використовується для отримання електричної енергії. Також його люблять використовувати палеонтологи, і з допомогою іридію визначають вік багатьох знахідок. Крім того, цей метал можуть використовувати для покриття деяких поверхонь. Але зробити це важко.

Далі розглянемо осмій. Він найважчий у періодичній таблиці Менделєєва, ну, відповідно, і найважчий у світі метал. Осмій має олов'яно-білий із синім відтінок і також відкритий Смітсоном Теннатом одночасно з іридієм. Осмій практично неможливо обробити і здебільшого його знаходять на місцях падіння метеоритів. Він неприємно пахне, запах схожий на суміш хлору та часнику. І з давньогрецької перекладається, як «запах». Метал досить тугоплавкий і використовується в лампочках та інших приладах з тугоплавкими металами. За один лише грам цього елемента треба заплатити понад 10 000 доларів, з цього зрозуміло, що метал дуже рідкісний.

Як не крути, найважчі метали є великою рідкістю і тому дорого коштують. І треба запам'ятати на майбутнє, що ні золото, ні свинець – не найважчі метали у світі! Іридій та осмій – ось переможці у вазі!

Метали (від лат. Metallum - шахта, рудник) - група елементів, у вигляді простих речовин, що мають характерні металеві властивості, такі як високі тепло-і електропровідність, позитивний температурний коефіцієнт опору, висока пластичність і металевий блиск.

Зі 118 хімічних елементів, відкритих на даний момент (з них не всі офіційно визнані), до металів відносять:

• 6 елементів у групі лужних металів,
• 6 у групі лужноземельних металів,
• 38 у групі перехідних металів,
• 11 у групі легких металів,
• 7 у групі напівметалів,
• 14 у групі лантаноїди + лантан,
• 14 у групі актиноїди (фізичні властивості вивчені не у всіх елементів) + актиній,
• поза певними групами берилій та магній.

Таким чином, до металів можливо відноситься 96 елементів з усіх відкритих.

В астрофізиці термін «метал» може мати інше значення і позначати всі хімічні елементи важчі за гелій.

Характерні властивості металів

1. Металевий блиск (характерний не тільки для металів: його мають і неметали йод та вуглець у вигляді графіту)
2. Хороша електропровідність
3. Можливість легкої механічної обробки
4. Висока щільність (зазвичай метали важчі від неметалів)
5. Висока температура плавлення (виключення: ртуть, галій та лужні метали)
6. Велика теплопровідність
7. У реакціях найчастіше є відновниками.

Фізичні властивості металів

Усі метали (крім ртуті і, умовно, франція) за нормальних умов перебувають у твердому стані, проте мають різну твердість. Нижче наводиться твердість деяких металів за Моосовою шкалою.

Температури плавленнячистих металів лежать у діапазоні від -39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавлення більшості металів (за винятком лужних) висока, проте деякі «нормальні» метали, наприклад, олово і свинець, можна розплавити на звичайній електричній або газовій плиті.

Залежно від щільності, метали ділять на легкі (щільність 0,53 ÷ 5 г/см³) та важкі (5 ÷ 22,5 г/см³). Найлегшим металом є літій (щільність 0.53 г/см3). Найважчий метал нині назвати неможливо, оскільки щільності осмію та іридію - двох найважчих металів - майже рівні (близько 22.6 г/см³ - рівно вдвічі вищі за щільність свинцю), а обчислити їх точну щільність вкрай складно: для цього потрібно повністю очистити метали, адже будь-які домішки знижують їхню щільність.

Більшість металів пластичні, тобто металевий дріт можна зігнути, і він не зламається. Це відбувається через усунення шарів атомів металів без розриву зв'язку між ними. Найбільш пластичними є золото, срібло та мідь. Зі золота можна виготовити фольгу товщиною 0.003 мм, яку використовують для золочення виробів. Проте чи всі метали пластичні. Дріт із цинку або олова хрумтить при згинанні; марганець та вісмут при деформації взагалі майже не згинаються, а одразу ламаються. Пластичність залежить і від чистоти металу; так, дуже чистий хром дуже пластичний, але, забруднений навіть незначними домішками, стає тендітним і твердішим. Деякі метали, такі як золото, срібло, свинець, алюміній, осмій можуть зростатися між собою, але на це може піти десятки років.

Усі метали добре проводять електричний струм;це обумовлено наявністю в їх кристалічних ґратах рухомих електронів, що переміщуються під дією електричного поля. Срібло, мідь та алюміній мають найбільшу електропровідність; з цієї причини останні два метали найчастіше використовують як матеріал для проводів. Дуже високу електропровідність має натрій, в експериментальній апаратурі відомі спроби застосування натрієвих струмопроводів у формі тонкостінних труб з нержавіючої сталі, заповнених натрієм. Завдяки малій питомій вазі натрію, при рівному опорі натрієві «проводи» виходять значно легшими за мідні і навіть дещо легшими за алюмінієві.

Висока теплопровідність металів залежить також від рухливості вільних електронів. Тому ряд теплопровідностей схожий на ряд електропровідностей і найкращим провідником тепла, як і електрики, є срібло. Натрій також знаходить застосування як добрий провідник тепла; широко відомо, наприклад, застосування натрію в клапанах автомобільних двигунів для поліпшення їхнього охолодження.

Коліру більшості металів приблизно однаковий - світло-сірий з блакитним відтінком. Золото, мідь та цезій відповідно жовтого, червоного та світло-жовтого кольору.

Хімічні властивості металів

На зовнішньому електронному рівні у більшості металів немає велика кількістьелектронів (1-3), тому вони у більшості реакцій виступають як відновники (тобто «віддають» свої електрони)

Реакції із простими речовинами

• З киснем реагують усі метали, окрім золота, платини. Реакція зі сріблом відбувається при високих температурах, але оксид срібла(II) практично не утворюється, оскільки він термічно нестійкий. Залежно від металу на виході можуть бути оксиди, пероксиди, надпероксиди:

оксид літію

пероксид натрію

надпероксид калію

Щоб одержати з пероксиду оксид, пероксид відновлюють металом:

З середніми та малоактивними металами реакція відбувається при нагріванні:

• З азотом реагують лише найактивніші метали, при кімнатній температурі взаємодіє лише літій, утворюючи нітриди:

При нагріванні:

• З сіркою реагують усі метали, крім золота та платини:

Залізо взаємодіє з сіркою при нагріванні, утворюючи сульфід:

• З воднем реагують лише найактивніші метали, тобто метали IA та IIA груп крім Be. Реакції здійснюються при нагріванні, утворюються при цьому гідриди. У реакціях метал виступає як відновник, ступінь окислення водню −1:

• З вуглецем реагують лише найактивніші метали. При цьому утворюються ацетиленіди або метаніди. Ацетиленіди при взаємодії з водою дають ацетилен, метаніди – метан.

Характерні хімічні властивості простих речовин – металів

Більшість хімічних елементів відносять до металів - 92 із 114 відомих елементів. Метали- це хімічні елементи, атоми яких віддають електрони зовнішнього (а деякі - та передзовнішнього) електронного шару, перетворюючись на позитивні іони. Ця властивість атомів металів визначається тим, що вони мають порівняно великі радіуси та мала кількість електронів(В основному від 1 до 3 на зовнішньому шарі). Виняток становлять лише 6 металів: атоми германію, олова, свинцю на зовнішньому шарі мають 4 електрони, атоми сурми та вісмуту - 5, атоми полонію - 6. Для атомів металів характерні невеликі значення електронегативності(від 0,7 до 1,9) та виключно відновлювальні властивості, Тобто здатність віддавати електрони. У Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва метали знаходяться нижче діагоналі бор - астат, а також вище за неї, в побічних підгрупах. У періодах і основних підгрупах діють відомі вам закономірності у зміні металевих, отже, відновлювальних властивостей атомів елементів.

Хімічні елементи, розташовані поблизу діагоналі бор - астат (Be, Al, Ti, Ge, Nb, Sb та ін.), мають двоїсті властивості: в одних своїх з'єднаннях поводяться як метали, в інших - виявляють властивості неметалів. У побічних підгрупах відновлювальні властивості металів із збільшенням порядкового номера найчастіше зменшуються.

Порівняйте активність відомих вам металів І групи побічної підгрупи: Cu, Ag, Au; ІІ групи побічної підгрупи: Zn, Cd, Hg - і ви переконаєтесь у цьому самі. Це можна пояснити тим, що у міцність зв'язку валентних електронів з ядром у атомів даних металів більшою мірою впливає величина заряду ядра, а чи не радіус атома. Величина заряду ядра значно збільшується, тяжіння електронів до ядра посилюється. Радіус атома при цьому хоч і збільшується, але не так значно, як у металів головних підгруп.

Прості речовини, утворені хімічними елементами – металами, та складні металовмісні речовини відіграють найважливішу роль у мінеральному та органічному «житті» Землі. Досить, що атоми (іони) елементів металів є складовою сполук, визначальних обмін речовин, у організмі людини, тварин. Наприклад, у крові людини знайдено 76 елементів, і їх лише 14 є металами.

В організмі людини деякі елементи металів (кальцій, калій, натрій, магній) присутні у великій кількості, тобто є макроелементами. А такі метали, як хром, марганець, залізо, кобальт, мідь, цинк, молібден є у невеликих кількостях, тобто це мікроелементи. Якщо людина важить 70 кг, то в її організмі міститься (у грамах): кальцію – 1700, калію – 250, натрію – 70, магнію – 42, заліза – 5, цинку – 3. Всі метали надзвичайно важливі, проблеми зі здоров'ям виникають і при їх нестачі, і за надлишку.

Наприклад, іони натрію регулюють вміст води в організмі, передачу нервових імпульсів. Його недолік призводить до головного болю, слабкості, слабкої пам'яті, втрати апетиту, а надлишок - до підвищення артеріального тиску, гіпертонії, захворювань серця.

Прості речовини – метали

З розвитком виробництва металів (простих речовин) та сплавів пов'язано виникнення цивілізації (бронзовий вік, залізний вік). Початкова приблизно 100 років тому науково-технічна революція, що торкнулася і промисловості, і соціальної сфери, також тісно пов'язана з виробництвом металів. На основі вольфраму, молібдену, титану та інших металів почали створювати корозійностійкі, надтверді, тугоплавкі сплави, застосування яких значно розширило можливості машинобудування. У ядерній та космічній техніці зі сплавів вольфраму і ренію роблять деталі, що працюють при температурах до 3000 ° С; у медицині використовують хірургічні інструменти зі сплавів танталу та платини, унікальної кераміки на основі оксидів титану та цирконію.

І, звичайно ж, ми не повинні забувати, що у більшості сплавів використовують давно відомий метал залізо, а основу багатьох легких сплавів складають порівняно «молоді» метали – алюміній та магній. Надновими стали композиційні матеріали, що представляють, наприклад, полімер або кераміку, які всередині (як бетон залізними прутами) зміцнені металевими волокнами з вольфраму, молібдену, сталі та інших металів і сплавів - все залежить від поставленої мети, необхідних для її досягнення властивостей матеріалу. На малюнку зображено схему кристалічної решітки металевого натрію. У ній кожен атом натрію оточений вісьмома сусідами. У атома натрію, як і всіх металів, є багато вільних валентних орбіталей і мало валентних електронів. Електронна формула атома натрію: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 0 3d 0 де 3s, 3p, 3d - валентні орбіталі.

Єдиний валентний електрон атома натрію 3s 1 може займати будь-яку з дев'яти вільних орбіталей – 3s (одна), 3р (три) та 3d (п'ять), адже вони не дуже відрізняються за рівнем енергії. При зближенні атомів, коли утворюється кристалічна решітка, валентні орбіталі сусідніх атомів перекриваються, завдяки чому електрони вільно переміщаються з однієї орбіталі в іншу, здійснюючи зв'язок між усіма атомами кристала металу. Такий хімічний зв'язок називають металевим.

Металевий зв'язок утворюють елементи, атоми яких на зовнішньому шарі мають мало валентних електронів у порівнянні з більшим числом зовнішніх енергетично близьких орбіталей. Їхні валентні електрони слабо утримуються в атомі. Електрони, що здійснюють зв'язок, узагальнені та переміщаються по всій кристалічній решітці в цілому нейтрального металу. Речовинам із металевим зв'язком притаманні металеві кристалічні решітки, які зазвичай зображують схематично так, як показано на малюнку. Катіони та атоми металів, розташовані у вузлах кристалічної решітки, забезпечують її стабільність та міцність (узагальнені електрони зображені у вигляді чорних маленьких кульок).

Металевий зв'язок- це зв'язок у металах та сплавах між атом-іонами металів, розташованими у вузлах кристалічної решітки, що здійснюється узагальненими валентними електронами. Деякі метали кристалізуються у двох або більше кристалічних формах. Цю властивість речовин – існувати у кількох кристалічних модифікаціях – називають поліморфізмом. Поліморфізм простих речовин відомий за назвою алотропії. Наприклад, залізо має чотири кристалічні модифікації, кожна з яких стійка у певному температурному інтервалі:

α - стійка до 768 ° С, феромагнітна;

β - стійка від 768 до 910 °С, неферомагнітна, тобто парамагнітна;

γ - стійка від 910 до 1390 ° С, неферомагнітна, тобто парамагнітна;

δ - стійка від 1390 до 1539 ° С (£ ° пл заліза), неферомагнітна.

Олово має дві кристалічні модифікації:

α - стійка нижче 13,2 ° С (р = 5,75 г/см 3). Це сіре олово. Воно має кристалічну решітку типу алмазу (атомну);

β - стійка вище 13,2 ° С (р = 6,55 г/см 3). Це біле олово.

Біле олово – сріблясто-білий дуже м'який метал. При охолодженні нижче 13,2 ° С він розсипається в сірий порошок, тому що при переході значно збільшується його питомий об'єм. Це явище отримало назву «олов'яної чуми».

Звичайно, особливий вид хімічного зв'язку та тип кристалічної решітки металів повинні визначати та пояснювати їх фізичні властивості. Які ж вони? Це металевий блиск, пластичність, висока електрична провідність та теплопровідність, зростання електричного опору при підвищенні температури, а також такі значущі властивості, як густина, високі температури плавлення та кипіння, твердість, магнітні властивості. Механічне вплив на кристал з металевою кристалічною решіткою викликає зміщення шарів іон-атомів один щодо одного (рис. 17), а так як електрони переміщаються по всьому кристалу, розрив зв'язків не відбувається, тому для металів характерна велика пластичність. Аналогічний вплив на тверду речовину з ковалентними зв'язками (атомними кристалічними ґратами) призводить до розриву ковалентних зв'язків. Розрив зв'язків в іонній решітці призводить до взаємного відштовхування однойменно заряджених іонів. Тому речовини з атомними та іонними кристалічними ґратами крихкі. Найбільш пластичні метали – це Au, Ag, Sn, Pb, Zn. Вони легко витягуються в дріт, піддаються ковці, пресування, прокочування в листи. Наприклад, із золота можна виготовити золоту фольгу завтовшки 0,003 мм, та якщо з 0,5 м цього металу можна витягнути нитку довжиною 1 км. Навіть ртуть, яка за кімнатної температури рідка, при низьких температурах у твердому стані стає ковкою, як свинець. Не мають пластичності лише Bi і Mn, вони крихкі.

Чому метали мають характерний блиск і непрозорі?

Електрони, що заповнюють міжатомний простір, відображають світлові промені (а не пропускають, як скло), причому більшість металів однаково розсіюють всі промені видимої частини спектру. Тому вони мають сріблясто-білий чи сірий колір. Стронцій, золото і мідь більшою мірою поглинають короткі хвилі (близькі до фіолетового кольору) і відбивають довгі хвилі світлового спектру, тому мають світло-жовтий, жовтий і мідний кольори. Хоча практично метал не завжди нам здається «світлим тілом». По-перше, його поверхня може окислюватися і втрачати блиск. Тому самородна мідь виглядає зеленим каменем. А по-друге, і чистий метал може не блищати. Дуже тонкі листки срібла та золота мають зовсім несподіваний вигляд – вони мають блакитно-зелений колір. А дрібні порошки металів здаються темно-сірими, навіть чорними. Найбільшу відбивну здатність мають срібло, алюміній, паладій. Їх використовують при виготовленні дзеркал, у тому числі у прожекторах.

Чому метали мають високу електричну провідність та теплопровідні?

Хаотично рухомі електрони в металі під впливом прикладеної електричної напруги набувають спрямованого руху, тобто проводять електричний струм. При підвищенні температури металу зростають амплітуди коливань, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки атомів та іонів. Це ускладнює переміщення електронів, електрична провідність металу падає. За низьких температур коливальний рух, навпаки, сильно зменшується і електрична провідність металів різко зростає. Поблизу абсолютного нуля опір у металів практично відсутній, у більшості металів з'являється надпровідність.

Слід зазначити, що неметали, що мають електричну провідність (наприклад, графіт), при низьких температурах, навпаки, не проводять електричний струм через відсутність вільних електронів. І лише з підвищенням температури та руйнуванням деяких ковалентних зв'язків їх електрична провідність починає зростати. Найбільшу електричну провідність мають срібло, мідь, золото, алюміній, найменшу - марганець, свинець, ртуть.

Найчастіше з такою самою закономірністю, як і електрична провідність, змінюється теплопровідність металів. Вона обумовлена ​​великою рухливістю вільних електронів, які, зіштовхуючись з іонами і атомами, що коливаються, обмінюються з ними енергією. Відбувається вирівнювання температури по всьому шматку металу.

Механічна міцність, щільність, температура плавлення у металів дуже відрізняються.. Причому зі збільшенням числа електронів, що зв'язують іон-атоми, та зменшенням міжатомної відстані в кристалах показники цих властивостей зростають.

Так, лужні метали(Li, K, Na, Rb, Cs), атоми яких мають один валентний електрон, м'які (ріжуться ножем), з невеликою щільністю (літій - найлегший метал з р = 0,53 г/см 3 ) і плавляться за невисоких температур (наприклад, температура плавлення цезію 29 °С). Єдиний метал, рідкий за звичайних умов - ртуть - має температуру плавлення, рівну -38,9 °С. Кальцій, що має два електрони на зовнішньому енергетичному рівні атомів, набагато твердіший і плавиться при вищій температурі (842 °С). Ще міцнішою є кристалічна решітка, утворена іонами скандію, що має три валентні електрони. Але найміцніші кристалічні грати, великі щільності та температури плавлення спостерігаються у металів побічних підгруп V, VI, VII, VIII груп. Це тим, що з металів побічних підгруп, мають неспарені валентні електрони на d-подуровне, характерне утворення дуже міцних ковалентних зв'язків між атомами, крім металевої, здійснюваної електронами зовнішнього шару з s-орбіталей.

Найважчий метал- це осмій (Os) з р = 22,5 г/см 3 (компонент надтвердих та зносостійких сплавів), найтугоплавкіший метал - це вольфрам W з t = 3420 °С (застосовується для виготовлення ниток розжарювання ламп), найтвердіший метал - це хром Cr (дряпає скло). Вони входять до складу матеріалів, з яких виготовляють металорізальний інструмент, гальмівні колодки важких машин та ін. Метали по-різному взаємодіють з магнітним полем. Такі метали, як залізо, кобальт, нікель та гадоліній виділяються своєю здатністю сильно намагнічуватись. Їх називають феромагнетиками. Більшість металів (лужні та лужноземельні метали та значна частина перехідних металів) слабо намагнічуються і не зберігають цей стан поза магнітним полем – це парамагнетики. Метали, що виштовхуються магнітним полем, – діамагнетики (мідь, срібло, золото, вісмут).

При розгляді електронної будови металів ми розділили метали на метали головних підгруп (s- та p-елементи) та метали побічних підгруп (перехідні d- та f-елементи).

У техніці прийнято класифікувати метали за різними фізичними властивостями:

1. Щільність – легкі (р< 5 г/см 3) и тяжелые (все остальные).

2. Температурі плавлення - легкоплавкі та тугоплавкі.

Існують класифікації металів за хімічними властивостями. Метали з низькою хімічною активністю називають благородними(Срібло, золото, платина та її аналоги - осмій, іридій, рутеній, паладій, родій). За близькістю хімічних властивостей виділяють лужні(метали головної підгрупи І групи), лужноземельні(кальцій, стронцій, барій, радій), а також рідкісноземельні метали(скандій, ітрій, лантан та лантаноїди, актиній та актиноїди).

Загальні хімічні властивості металів

Атоми металів порівняно легко віддають валентні електрониі переходять у позитивно заряджені іони, тобто окислюються. У цьому полягає головна загальна властивість і атомів, і найпростіших речовин - металів. Метали у хімічних реакціях завжди відновники. Відновлювальна здатність атомів простих речовин - металів, утворених хімічними елементами одного періоду чи однієї головної підгрупи Періодичної системи Д. І. Менделєєва, змінюється закономірно.

Відновлювальну активність металу в хімічних реакціях, що протікають у водних розчинах, відображає його положення в електрохімічному ряді напруги металів.

На підставі цього ряду напруг можна зробити такі важливі висновки про хімічну активність металів у реакціях, що протікають у водних розчинах за стандартних умов (t = 25 ° С, р = 1 атм).

· Чим лівіше стоїть метал у цьому ряду, тим сильнішим відновником він є.

· Кожен метал здатний витісняти (відновлювати) із солей у розчині ті метали, які у ряді напруг стоять після нього (правіше).

· Метали, що знаходяться в ряді напруг лівіше водню, здатні витісняти його з кислот у розчині

· Метали, що є найсильнішими відновниками (лужні та лужноземельні), у будь-яких водних розчинах взаємодіють насамперед із водою.

Відновлювальна активність металу, визначена електрохімічним рядом, не завжди відповідає положенню його в періодичній системі. Це пояснюється тим, що при визначенні положення металу в ряді напруг враховують не тільки енергію відриву електронів від окремих атомів, але й енергію, що витрачається на руйнування кристалічних ґрат, а також енергію, що виділяється при гідратації іонів. Наприклад, літій більш активний у водних розчинах, ніж натрій (хоча за положенням у періодичній системі Na - більш активний метал). Справа в тому, що енергія гідратації іонів Li+ значно більша, ніж енергія гідратації Na+, тому перший процес є енергетично вигіднішим. Розглянувши загальні положення, що характеризують відновлювальні властивості металів, перейдемо до конкретних хімічних реакцій.

Взаємодія металів із неметалами

· З киснем більшість металів утворюють оксиди- основні та амфотерні. Кислотні оксиди перехідних металів, наприклад оксид хрому (VI) CrO g або оксид марганцю (VII) Mn 2 O 7 не утворюються при прямому окисленні металу киснем. Їх одержують непрямим шляхом.

Лужні метали Na, K активно реагують із киснем повітря, утворюючи пероксиди:

Оксид натрію отримують непрямим шляхом при прожарюванні пероксидів з відповідними металами:

Літій та лужноземельні метали взаємодіють з киснем повітря, утворюючи основні оксиди:

Інші метали, крім золота та платинових металів, які взагалі не окислюються киснем повітря, взаємодіють з ним менш активно або при нагріванні:

· З галогенами метали утворюють солі галогеноводородних кислот, наприклад:

· З воднем найактивніші метали утворюють гідриди.- іонні солеподібні речовини, в яких водень має ступінь окислення -1, наприклад:

Багато перехідних металів утворюють з воднем гідриди особливого типу - відбувається як би розчинення або впровадження водню в кристалічну решітку металів між атомами та іонами, при цьому метал зберігає свій зовнішній вигляд, але збільшується в обсязі. Поглинений водень знаходиться в металі, мабуть, в атомарному вигляді.

Існують і гідриди металів проміжного характеру.

· З сірі метали утворюють солі - сульфіди, наприклад:

· З азотом метали реагують дещо важче, т. К. Хімічний зв'язок в молекулі азоту N 2 дуже міцна; при цьому утворюються нітриди. При звичайній температурі взаємодіє з азотом лише літій:

Взаємодія металів із складними речовинами

· З водою. Лужні та лужноземельні метали за звичайних умов витісняють водень з води та утворюють розчинні основи - луги, наприклад:

Інші метали, що стоять у ряді напруги до водню, теж можуть за певних умов витісняти водень з води. Але алюміній бурхливо взаємодіє з водою тільки якщо видалити з його поверхні оксидну плівку:

Магній взаємодіє з водою тільки при кип'ятінні, при цьому виділяється водень:

Якщо магній, що горить, внести у воду, то горіння триває, тому що протікає реакція:

Залізо взаємодіє з водою тільки в розпеченому вигляді:

· З кислотами у розчині (HCl, H 2 SO 4 ), CH 3 COOH та ін., крім HNO 3 ) взаємодіють метали, що стоять у ряді напруг до водню.При цьому утворюються сіль та водень.

А ось свинець (і деякі інші метали), незважаючи на його положення в ряді напруг (ліворуч від водню), майже не розчиняється в розведеній сірчаній кислоті, тому що сульфат, що утворюється, свинцю PbSO 4 нерозчинний і створює на поверхні металу захисну плівку.

· З солями менш активних металів у розчині. В результаті такої реакції утворюється сіль активнішого металу і виділяється менш активний метал у вільному вигляді.

Потрібно пам'ятати, що реакція йде в тих випадках, коли сіль, що утворюється, розчинна. Витиснення металів з їх сполук іншими металами вперше докладно вивчав Н. Н. Бекетов - великий російський вчений у галузі фізичної хімії. Він розташував метали за хімічною активністю в «витіснювальний ряд», що став прототипом ряду напруг металів.

· З органічними речовинами. Взаємодія з органічними кислотами аналогічна до реакцій з мінеральними кислотами. Спирти можуть проявляти слабкі кислотні властивості при взаємодії зі лужними металами:

Аналогічно реагує і фенол:

Метали беруть участь у реакціях з галогеналканами, які використовують для отримання нижчих циклоалканів та для синтезів, у ході яких відбувається ускладнення вуглецевого скелета молекули (реакція А. Вюрца):

· З лугами у розчині взаємодіють метали, гідроксиди яких амфотерни.Наприклад:

· Метали можуть утворювати один з одним хімічні сполуки, які отримали загальну назву інтерметалевих сполук. Вони найчастіше не виявляються ступеня окислення атомів, які притаманні сполук металів з неметалами. Наприклад:

Cu 3 Au, LaNi 5 , Na 2 Sb, Ca 3 Sb 2 та ін.

Інтерметалеві сполуки зазвичай немає постійного складу, хімічна зв'язок у яких переважно металева. Утворення цих сполук найбільш характерне для металів побічних підгруп.

Метали головних підгруп І-ІІІ груп Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва

Загальна характеристика

Це метали головної підгрупи І групи. Їхні атоми на зовнішньому енергетичному рівні мають по одному електрону. Лужні метали - сильні відновники. Їх відновлювальна здатність і хімічна активність зростають зі збільшенням порядкового номера елемента (тобто зверху донизу Періодичної таблиці). Всі вони мають електронну провідність. Міцність зв'язку між атомами лужних металів зменшується із збільшенням порядкового номера елемента. Також знижуються їх температури плавлення та кипіння. Лужні метали взаємодіють з багатьма простими речовинами. окислювачами. У реакціях з водою вони утворюють розчинні у воді основи (луги). Лужноземельними елементаминазиваються елементи головної підгрупи ІІ групи. Атоми цих елементів містять на зовнішньому енергетичному рівні по два електрони. Вони є найсильнішими відновниками,мають ступінь окиснення +2. У цій головній підгрупі дотримуються загальні закономірності зміни фізичних і хімічних властивостей, пов'язані зі збільшенням розміру атомів по групі зверху вниз, також слабшає і хімічний зв'язок між атомами. Зі збільшенням розміру іона слабшають кислотні та посилюються основні властивості оксидів та гідроксидів.

Головну підгрупу III групи складають елементи бор, алюміній, галій, індій та талій. Усі елементи відносяться до p-елементів. На зовнішньому енергетичному рівні вони мають по три (s 2 p 1 ) електроначим пояснюється подібність властивостей. Ступінь окиснення +3. Усередині групи із збільшенням заряду ядра металеві властивості збільшуються. Бор – елемент-неметал, а в алюмінію вже металеві властивості. Всі елементи утворюють оксиди та гідроксиди.

Більшість металів перебуває у підгрупах Періодичної системи. На відміну від елементів головних підгруп, де відбувається поступове заповнення електронами зовнішнього рівня атомних орбіталей, елементів побічних підгруп заповнюються d-орбіталі передостаннього енергетичного рівня і s-орбіталі останнього. Число електронів відповідає номеру групи. Елементи з рівною кількістю валентних електронів входять до групи під одним номером. Усі елементи підгруп – метали.

Прості речовини, утворені металами підгруп, мають міцні решітки, стійкі до нагрівання. Ці метали найміцніші та тугоплавкіші серед інших металів. У d-елементів яскраво проявляється перехід зі збільшенням їхньої валентності від основних властивостей через амфотерні до кислотних.

Лужні метали (Na, K)

На зовнішньому енергетичному рівні атоми лужних металів містять елементи по одному електрону, що знаходиться на великій відстані від ядра. Вони легко віддають цей електрон, тому є потужними відновниками. У всіх з'єднаннях лужні метали виявляють ступінь окиснення +1. Їхні відновлювальні властивості зі зростанням радіусу атомів посилюються від Li до Cs. Всі вони типові метали, мають сріблясто-білий колір, м'які (ріжуться ножем), легкі та легкоплавкі. Активно взаємодіють із усіма неметалами:

Усі лужні метали при взаємодії з киснем (виключення Li) утворюють пероксиди. У вільному вигляді лужні метали не зустрічаються через їх високу хімічну активність.

Оксиди- Тверді речовини, мають основні властивості. Їх одержують, прожарюючи пероксиди з відповідними металами:

Гідроксиди NaOH, KOH- тверді білі речовини, гігроскопічні, добре розчиняються у воді з виділенням теплоти, їх відносять до лугів:

Солі лужних металів майже всі розчиняються у воді. Найважливіші: Na 2 CO 3 - карбонат натрію; Na 2 CO 3 10H 2 O - кристалічна сода; NaHCO 3 – гідрокарбонат натрію, харчова сода; K 2 CO 3 - карбонат калію, поташ; Na 2 SO 4 10H 2 O - глауберова сіль; NaCl – хлорид натрію, харчова сіль.

Елементи I групи у таблицях

Лужноземельні метали (Ca, Mg)

Кальцій (Ca) є представником лужноземельних металів, Якими називаються елементи головної підгрупи II групи, але не всі, а лише починаючи з кальцію та вниз по групі. Це хімічні елементи, які, взаємодіючи з водою, утворюють луги. Кальцій на зовнішньому енергетичному рівні містить два електрониступінь окислення +2.

Фізичні та хімічні властивості кальцію та його сполук представлені в таблиці.

Магній (Mg)має таку ж будову атома, як і кальцій, ступінь його окиснення також +2. М'який метал, але його поверхня на повітрі покривається захисною плівкою, що знижує хімічну активність. Його горіння супроводжується сліпучим спалахом. MgO та Mg(OH) 2 виявляють основні властивості. Хоча Mg(OH) 2 і малорозчинний, але забарвлює розчин фенолфталеїну малиновий колір.

Mg + O 2 = MgO 2

Оксиди MO – тверді білі тугоплавкі речовини. У техніці CaO називають негашеним вапном, а MgO - паленою магнезією, ці оксиди використовують у виробництві будівельних матеріалів. Реакція оксиду кальцію з водою супроводжується виділенням теплоти і називається гасінням вапна, а утворюється Ca(OH) 2 - гашеним вапном. Прозорий розчин гідроксиду кальцію називається вапняною водою, а біла завись Ca(OH) 2 у воді - вапняним молоком.

Солі магнію та кальцію отримують взаємодією їх із кислотами.

CaCO 3 - карбонат кальцію, крейда, мармур, вапняк. Застосовується у будівництві. MgCO 3 – карбонат магнію – застосовується в металургії для звільнення від шлаків.

CaSO 4 2H 2 O – гіпс. MgSO 4 - сульфат магнію - називають гіркою, або англійською, сіллю, що міститься в морській воді. BaSO 4 – сульфат барію – завдяки нерозчинності та здатності затримувати рентгенівські промені застосовується у діагностиці («баритова каша») шлунково-кишкового тракту.

Перед кальцію припадає 1,5 % маси тіла людини, 98 % кальцію міститься у кістках. Магній є біоелементом, його в тілі людини близько 40 г, він бере участь у освіті білкових молекул.

Лужноземельні метали у таблицях

Алюміній (Al)- Елемент головної підгрупи III групи періодичної системи Д. І. Менделєєва. Атом алюмінію містить на зовнішньому енергетичному рівні три електрониякі він легко віддає при хімічних взаємодіях. У родоначальника підгрупи і верхнього сусіда алюмінію – бору – радіус атома менше (у бору він дорівнює 0,080 нм, у алюмінію – 0,143 нм). Крім того, у атома алюмінію з'являється один проміжний восьмиелектронний шар (2е; 8е; 3е), який перешкоджає протягу зовнішніх електронів до ядра. Тому в атомів алюмінію відновлювальні властивості виражені досить сильно.

Майже у всіх своїх сполуках алюміній має ступінь окислення +3.

Алюміній проста речовина

Сріблясто-білий легкий метал. Плавиться за 660 °С. Дуже пластичний, легко витягується у дріт і прокочується у фольгу завтовшки до 0,01 мм. Має дуже велику електричну провідність і теплопровідність. Утворюють з іншими металами легкі та міцні сплави. Алюміній – дуже активний метал. Якщо порошок алюмінію чи тонку алюмінієву фольгу сильно нагріти, вони спалахують і згоряють сліпучим полум'ям:

Цю реакцію можна спостерігати при горінні бенгальських вогнів та феєрверків. Алюміній, як і всі метали, легко реагує з неметалами, особливо у порошкоподібному стані. Для того, щоб почалася реакція, необхідне початкове нагрівання, за винятком реакцій з галогенами - хлором і бромом, зате потім всі реакції алюмінію з неметалами йдуть дуже бурхливо і супроводжуються виділенням великої кількості теплоти:

Алюміній добре розчиняється в розведених сірчаної та соляної кислотах:

А от концентровані сірчана та азотна кислоти пасивують алюміній, утворюючи на поверхні металу щільну міцну оксидну плівкуяка перешкоджає подальшому перебігу реакції. Тому ці кислоти перевозять у алюмінієвих цистернах.

Оксид і гідроксид алюмінію мають амфотерні властивості.тому алюміній розчиняється у водних розчинах лугів, утворюючи солі - алюмінати:

Алюміній широко використовується в металургії для отримання металів - хрому, марганцю, ванадію, титану, цирконію з їх оксидів. Цей спосіб називається алюмотермія. Насправді часто застосовують терміт - суміш Fe 3 O 4 з порошком алюмінію. Якщо цю суміш підпалити, наприклад, за допомогою магнієвої стрічки, відбувається енергійна реакція з виділенням великої кількості теплоти:

Теплоти, що виділяється, цілком достатньо для повного розплавлення утворюється заліза, тому цей процес використовують для зварювання сталевих виробів.

Алюміній можна отримати електролізом - розкладанням розплаву його оксиду Al 2 O 3 складові за допомогою електричного струму. Але температура плавлення оксиду алюмінію близько 2050 ° С, тому проведення електролізу необхідні великі витрати енергії.

З'єднання алюмінію

Алюмосилікати. Ці сполуки можна розглядати як солі, утворені оксидом алюмінію, кремнію, лужних та лужноземельних металів. Вони й становлять основну масу земної кори. Зокрема, алюмосилікати входять до складу польових шпатів – найпоширеніших мінералів та глин.

Боксит- Гірська порода, з якої отримують алюміній. Вона містить оксид алюмінію Al 2 O 3 .

Корунд- мінерал складу Al 2 O 3 має дуже високу твердість, його дрібнозернистий різновид, що містить домішки, - наждак, застосовується як абразивний (шліфувальний) матеріал. Цю формулу має й інше природне з'єднання - глинозем.

Добре відомі прозорі, забарвлені домішками, кристали корунду: червоні – рубіни та сині – сапфіри, які використовують як дорогоцінне каміння. В даний час їх одержують штучно і застосовують не тільки для прикрас, але й для технічних цілей, наприклад, для виготовлення деталей годинника та інших точних приладів. Кристали рубінів застосовують у лазерах.

Оксид алюмінію Al 2 O 3 - Біла речовина з дуже високою температурою плавлення. Може бути отриманий розкладанням при нагріванні гідроксиду алюмінію:

Гідроксид алюмінію Al(OH) 3 випадає у вигляді драглистого осаду при дії лугів на розчини солей алюмінію:

Як амфотерний гідроксидвін легко розчиняється в кислотах та розчинах лугів:

Алюмінатаминазивають солі нестійких алюмінієвих кислот - ортоалюмінієвої H 2 AlO 3 метаалюмінієвої HAlO 2 (її можна розглядати як ортоалюмінієву кислоту, від молекули якої відібрали молекулу води). До природних алюмінатів відноситься благородна шпинель і дорогоцінний хризоберил. Солі алюмінію, крім фосфатів, добре розчиняються у воді. Деякі солі (сульфіди, сульфіти) розкладаються водою. Хлорид алюмінію AlCl 3 застосовують як каталізатор у виробництві дуже багатьох органічних речовин.

Елементи III групи у таблицях

Характеристика перехідних елементів – міді, цинку, хрому, заліза

Мідь (Cu)- Елемент побічної підгрупи першої групи. Електронна формула: (…3d 10 4s 1). Десятий d-електрон у неї рухливий, тому що він перемістився з 4S-підрівня. Мідь у сполуках виявляє ступені окислення +1 (Cu 2 O) та +2 (CuO). Мідь – метал світло-рожевого кольору, тягучий, в'язкий, відмінний провідник електрики. Температура плавлення 1083 °С.

Як і інші метали підгрупи І групи періодичної системи, мідь стоїть у ряду активності правіше воднюі не витісняє його з кислот, але реагує з кислотами-окислювачами:

Під дією лугів на розчини солей міді випадає осад слабкої основи блакитного кольору- гідроксиду міді (II), який при нагріванні розкладається на основний оксид CuO чорного кольору та воду:

Хімічні властивості міді у таблицях

Цинк (Zn)- Елемент побічної підгрупи II групи. Його електронна формула така: (…3d 10 4s 2). Так як в атомах цинку передостанній d-підрівень повністю завершений, то цинк у сполуках виявляє ступінь окиснення +2.

Цинк - метал сріблясто-білого кольору, що практично не змінюється на повітрі. Має корозійну стійкість, що пояснюється наявністю на його поверхні оксидної плівки. Цинк - один із найактивніших металів, при підвищеній температурі реагує з простими речовинами:

Цинк, як і інші метали, витісняє менш активні метали з їхніх солей:

Zn + 2AgNO 3 = 2Ag + Zn(NO 3) 2

Гідроксид цинку амфотерен, Т. е. виявляє властивості і кислоти, і основи. При поступовому приливанні розчину лугу до розчину солі цинку осад розчиняється спочатку (аналогічно відбувається і з алюмінієм):

Хімічні властивості цинку у таблицях

На прикладі хрому (Cr)можна показати, що характеристики перехідних елементів змінюються вздовж періоду не важливо: кількісна зміна, пов'язана зі зміною числа електронів на валентних орбіталях. Максимальний рівень окислення хрому +6. Метал у ряду активності стоїть лівіше водню і витісняє його з кислот:

При додаванні розчину лугу до такого розчину утворюється осад Me(OH) 2 , який швидко окислюється киснем повітря:

Йому відповідає амфотерний оксид Cr2O3. Оксид і гідроксид хрому (вищою мірою окиснення) виявляють властивості кислотних оксидів і кислот відповідно. Солі хромової кислоти (H 2 Cr O 4 ) у кислому середовищі перетворюються на дихромати- солі дихромової кислоти (H 2 Cr 2 O 7). З'єднання хрому мають високу окислювальну здатність.

Хімічні властивості хрому у таблицях

Залізо Fe- елемент побічної підгрупи VIII групи та 4-го періоду періодичної системи Д. І. Менделєєва. Атоми заліза влаштовані кілька на відміну від атомів елементів основних підгруп. Як і належить елементу 4-го періоду, атоми заліза мають чотири енергетичні рівні, але заповнюється їх останній, а передостанній, третій від ядра, рівень. На останньому рівні атоми заліза містять два електрони. На передостанньому рівні, який може вмістити 18 електронів, атом заліза має 14 елекронів. Отже, розподіл електронів за рівнями в атомах заліза такий: 2е; 8e; 14е; 2е. Подібно до всіх металів, атоми заліза виявляють відновлювальні властивості, віддаючи при хімічних взаємодіях як два електрона з останнього рівня, і набуваючи ступінь окислення +2, а й електрон з передостаннього рівня, у своїй ступінь окислення атома підвищується до +3.

Залізо проста речовина

Це сріблясто-білий блискучий метал із температурою плавлення 1539 °С. Дуже пластичний, тому легко обробляється, кується, прокочується, штампується. Залізо має здатність намагнічуватися та розмагнічуватися. Йому можна надати більшої міцності та твердості методами термічного та механічного впливу. Розрізняють технічно чисте та хімічно чисте залізо. Технічно чисте залізо, по суті, є низьковуглецевою сталь, воно містить 0,02-0,04% вуглецю, а кисню, сірки, азоту та фосфору - ще менше. Хімічно чисте залізо містить менше 0,01% домішок. З технічно чистого заліза зроблено, наприклад, канцелярські скріпки та кнопки. Таке залізо легко корродує, тоді як хімічно чисте залізо майже не піддається корозії. В даний час залізо - це основа сучасної техніки та сільськогосподарського машинобудування, транспорту та засобів зв'язку, космічних кораблів та взагалі всієї сучасної цивілізації. Більшість виробів, починаючи від швейної голки та закінчуючи космічними апаратами, не може бути виготовлено без застосування заліза.

Хімічні властивості заліза

Залізо може виявляти ступеня окислення +2 та +3відповідно, залізо дає два ряди сполук. Число електронів, яке атом заліза віддає при хімічних реакціях, залежить від окислювальної здатності речовин, що реагують з ним.

Наприклад, з галогенами залізо утворює галогеніди, у яких воно має ступінь окислення +3:

а з сіркою - сульфід заліза (II):

Розпечене залізо згоряє у кисніз утворенням залізної окалини:

За високої температури (700-900 °С) залізо реагує з парами води:

Відповідно до положення заліза в електрохімічному ряду напруг воно може витіснити метали, що стоять правіше за нього, з водних розчинів їх солей, наприклад:

У розведених соляної та сірчаної кислотах залізо розчиняється, Т. е. окислюється іонами водню:

Розчиняється залізо та в розведеній азотній кислоті, при цьому утворюється нітрат заліза (III), вода та продукти відновлення азотної кислоти - N 2 , NO або NH 3 (NH 4 NO 3) залежно від концентрації кислоти.

З'єднання заліза

У природі залізо утворює низку мінералів. Це магнітний залізняк (магнетит) Fe 3 O 4 , червоний залізняк (гематит) Fe 2 O 3 , бурий залізняк (лимоніт) 2Fe 2 O 3 3H 2 O. Ще одна природна сполука заліза - залізний, або сірчаний, колчедан (пірит) FeS 2 не служить залізною рудою для отримання металу, але застосовується для виробництва сірчаної кислоти.

Для заліза характерні два ряди сполук: сполуки заліза (II) та заліза (III).Оксид заліза (II) FeO та відповідний йому гідроксид заліза (II) Fe(OH) 2 отримують побічно, зокрема, по наступному ланцюгу перетворень:

Обидві сполуки мають яскраво виражені основні властивості.

Катіони заліза (II) Fe 2 + легко окислюються киснем повітря до катіонів заліза (III) Fe 3 + . Тому білий осад гідроксиду заліза (II) набуває зеленого забарвлення, а потім стає бурим, перетворюючись на гідроксид заліза (III):

Оксид заліза (III) Fe 2 O 3 і відповідний гідроксид заліза (III) Fe(OH) 3 також отримують побічно, наприклад, по ланцюжку:

Із солей заліза найбільше технічне значення мають сульфати та хлориди.

Кристалогідрат сульфату заліза (II) FeSO 4 7H 2 O, відомий під назвою залізний купорос, застосовують для боротьби зі шкідниками рослин, для приготування мінеральних фарб та в інших цілях. Хлорид заліза (III) FeCl 3 використовують як протраву при фарбуванні тканин. Сульфат заліза (III) Fe 2 (SO 4) 3 9H 2 O застосовується для очищення води та в інших цілях.

Фізичні та хімічні властивості заліза та його сполук узагальнені в таблиці:

Хімічні властивості заліза у таблицях

Якісні реакції на іони Fe 2+ та Fe 3+

Для розпізнавання сполук заліза (II) та (III) проводять якісні реакції на іони Fe 2+ та Fe 3+ . Якісною реакцією на іони Fe 2+ служить реакція солей заліза (II) зі з'єднанням K 3 називається червоною кров'яною сіллю. Це особлива група солей, які називаються комплексними, з ними ви познайомитеся надалі. Поки що ж треба засвоїти, як дисоціюють такі солі:

Реактивом на іони Fe 3+ є інше комплексне з'єднання - жовта кров'яна сіль - K 4 яка в розчині дисоціює аналогічно:

Якщо розчини, що містять іони Fe 2+ і Fe 3+ , додати, відповідно, розчини червоної кров'яної солі (реактив на Fe 2+) і жовтої кров'яної солі (реактив на Fe 3+), то в обох випадках випадає однаковий синій осад:

Для виявлення іонів Fe 3+ ще використовують взаємодію солей заліза (III) з роданідом калію KNCS або амонію NH 4 NCS. При цьому утворюється яскраво забарвлений іон FeNCNS 2+ , в результаті чого весь розчин набуває інтенсивно червоного кольору:

Таблиця розчинності

Що Складаються з атомів одного хімічного елемента. У таблиці Менделєєва металеві властивості елементів зростають праворуч наліво. Всі чисті метали (як елементи) - є простими речовинами.

Розрізняють фізичні та хімічні властивості металів. Загалом, властивості металів досить різноманітні. Розрізняють метали лужні, лужноземельні, чорні, кольорові, лантаноїди(або рідкісноземельні - близькі за хімічними властивостями до лужноземельних), актиноїди(Більшість з них - радіоактивні елементи), благородніі платиновіметали. Крім того, окремі метали виявляють як металеві, так і неметалеві властивості. Такі метали – амфотерні (або як кажуть – перехідні).

Практично всі метали мають деякі загальні властивості: металевий блиск, будову кристалічних ґрат, здатність у хімічних реакціях виявляти властивості відновника, при цьому окисляючись. У хімічних реакціях іони розчинених металів при взаємодії з кислотами утворюють солі, при взаємодії з водою (залежно від активності металу) утворюють луг або основу.

Чому блищать метали

У вузлах кристалічних ґрат металів містяться атоми. Електрони, що рухаються навколо атомів, утворюють "електронний газ", який вільно може переміщатися в різних напрямках. Ця властивість пояснює високу електропровідність та теплопровідність металів.

Електронний газ відбиває майже всі світлові промені. Саме тому метали так сильно блищать і найчастіше мають сірий чи білий колір. Зв'язки між окремими шарами металу невеликі, що дозволяє переміщувати ці шари під навантаженням у різних напрямках (по-іншому – деформувати метал). Унікальним металом є золото. За допомогою кування із чистого золота можна зробити фольгу товщиною 0,002 мм! такий найтонший листочок металу напівпрозорий і має зелений відтінок, якщо дивитися через нього на сонячне світло.

Електрофізична властивість металіввиражено у його електропровідності. Вважають, що всі метали мають високу електропровідність, Тобто добре проводять струм! Але це не так, та й до того ж все залежить від температури, при якій заміряють струм. Уявімо кристалічну решітку металу, в якій струм передається за допомогою руху електронів. Електрони рухаються від одного вузла кристалічної решітки до іншого. Один електрон "виштовхує" з вузла ґрат інший електрон, який продовжує рухатися до іншого вузла ґрат і т.д. Тобто електропровідність також залежить від того, наскільки легко електрони можуть переміщатися між вузлами ґрат. Можна сказати, що електропровідність металу залежить від кристалічної будови ґрат та щільності розташування в ній частинок. Частинки у вузлах грати мають коливання, і це коливання тим більше, що стоїть температура металу. Такі кролебанія значно перешкоджають переміщенню електронів у кристалічній решітці. Таким чином, що нижча температура металу, то вище його здатність проводити струм!

Звідси випливає поняття надпровідності, Що настає в металі при температурі близької до абсолютного нуля! При абсолютному нулі (-273 0 C) коливання частинок у кристалічній решітці металу повністю загасають!

Електрофізична властивість металів, пов'язане з проходженням струму, називають температурним коефіцієнтом електроопору!

Електрофізична властивість металів

Встановлено цікавий факт, що, наприклад у свинцю (Pb) і ртуті (Hg) при температурі, яка вище абсолютного нуля всього на кілька градусів, майже повністю зникає електроопір, тобто настає умова надпровідності.

Найвищу електропровідність має срібло (Ag), потім мідь (Cu), далі йде золото (Au) та алюміній (Al). З високою електропровідністю цих металів пов'язане їх використання електротехніки. Іноді для забезпечення хімічної стійкості та антикорозійних властивостей використовують саме золото (позолочені контакти).

Слід зазначити, що електропровідність металів значно вища, ніж електропровідність неметалів. Ось, наприклад, вуглець (С - графіт) або кремній (Si) мають електропровідність у 1000 разів менше, ніж, наприклад, у ртуті. Крім того, неметали, у своїй більшості не є провідниками електрики. Але серед неметалів зустрічаються напівпровідники: германій (Ge), кремній кристалічний, а також деякі оксиди, фосфіти (хімічні сполуки металу з фосфором) та сульфіди (хімічні сполуки металу та сірки).

Вам, напевно, знайоме явище – це властивість металів під дією температури чи світла віддавати електрони.

Що ж до теплопровідності металів, її можна оцінити з таблиці Менделєєва, - вона розподіляється так само, як електронегативність металів. (Метали, що знаходяться зліва вгорі мають найбільшу електронегативність, наприклад, електронегативність натрію Na дорівнює -2,76). У свою чергу, теплопровідність металів пояснюється наявністю вільних електронів, які переносять теплову енергію.

Метали

Метали відносяться до основних природних матеріалів, що використовуються людством.

Металургія –одна з базових галузей промисловості, що визначають економічний та військовий потенціал країни. Створюються нові сплави із заданими властивостями, як добавки використовуються різні метали.

Близько 80% відомих хімічних елементів ПСЕ становлять метали. Найпоширенішими металами є: Al – 8,8%; Fe – 4,0%; Ca - 3,6%; Na - 2,64%; K – 2,6%; Mg - 2,1%; Ti - 0,64%.

Для металів характерні свої специфічні властивості, що відрізняють їх від металоїдів: пластичність, висока тепло- та електропровідність, твердість, для більшості металів висока температура плавлення та кипіння, металевий блиск.

Пластичністьназивається здатність металів під дією зовнішніх сил піддаватися деформації, що залишається і після припинення цієї дії. Завдяки пластичності метали піддаються куванню, прокатці, штампуванню. Метали мають різну пластичність.

Металевий блиск.Гладка поверхня металів відбиває світлові промені. Чим менше вона ці промені поглинає, тим більший металевий блиск. По блиску метали можна розмістити в наступний ряд: Ag, Pd, Cu, Au, Al, Fe.

На цій властивості металів засноване виробництво дзеркал.

Метали характеризуються також високою тепло- та електропровідністю. По електропровідності I місце посідає Ag, Cu, Al.

З підвищенням температури електропровідність зменшується, так як посилюється коливальний рух іонів у вузлах кристалічних ґрат, що перешкоджає спрямованому руху електронів.

Зі зниженням температури електропровідність збільшуєтьсяі в області близької до абсолютного нуля у багатьох металів спостерігається надпровідність.

Причиною спільності фізичних та хімічних властивостей металів пояснюється спільністю будови їх атомів та природою кристалічних грат металів.

Атоми металів мають більші, порівняно з неметалами розміри. Зовнішні електрони атомів металів значно віддалені від ядра і з ним слабко, тому метали мають низькі потенціали іонізації (є відновниками).

Специфічні властивості металів – пластичність, тепло- та електропровідність, блиск пояснюються тим, що у металах є «вільні» електрони, здатні переміщатися по всьому кристалу.

Для металів характерний металевий зв'язок (він пояснюється на основі методу МО).

Фізичні властивості металів.

Усі метали, крім ртуті, при звичайній температурі є твердими речовинами з характерним металевим блиском.

Більшість металів мають колір від темно-сірого до сріблясто-білого. Золото і цезій мають жовтий колір, абсолютно чиста мідь - світло-рожевий, деякі метали мають червонуватий відтінок (вісмут).

Щільність металів може коливатися у межах; наприклад щільність Li = 0,53г/см3 (найлегший), а Os є найважчим металом 22,48г/см3.

У межах однієї підгрупи аналогів величини густин, як правило, ростуть із зростанням заряду ядра атома.

У техніці метали класифікуються за щільністю: легкі, важкі, легкоплавкі та тугоплавкі.

Знаходження у природі.

У природі метали зустрічаються як і самородному стані, і у вигляді різних сполук. У самородному стані є лише хімічно малоактивні метали – Pt, Ag, Au. Хімічно активні метали зустрічаються лише у вигляді різних сполук – руд.

Руди бувають:окисні, сульфідні та солі.

Попередньо руду збагачують, тобто відокремлюють від порожньої породи. Найпоширеніший метод – флотаційнийВін заснований на різній змочуваності поверхні мінералів водою.

Методи вилучення мінералів із руд визначаються їх хімічним складом. Усі методи отримання металів зводяться до реакцій окислення – відновлення.

Карботермія.У цьому методі отримання металів відновником служить вуглець - найдешевший і найдоступніший. Вуглець застосовують у вигляді коксу, а окислений вуглець легко видаляється у вигляді СО2.

Вуглець застосовується відновлення порівняно малоактивних металів: Fe, Cu, Zn, Pb.

При відновленні вуглецем суміші залізної руди з оксидами Cr, Mo, W або Mn у промисловості отримують сплави, що містять приблизно 70% зазначених металів і дуже невелику кількість вуглецю. Це феросплави, що служать для отримання спеціальних легованих сталей. Для відновлення вуглецем придатні лише окиси.

Сульфідні руди (цинкові, свинцеві, мідні) спочатку піддають окислювальному прожарюванню:

2ZnS + 2O2 → 2ZnO + SO2

Li, Ca, Ba також, як і метали III групи, не можуть бути отримані відновленням вуглецем, так як вони відразу ж після виділення у вільному стані з надлишком вуглецю утворюють карбіди.

Металотермія.Заснована на процесах витіснення одного металу (менш активного) іншим (активнішим) з відповідних оксидів, хлоридів, сульфідів.

Дуже добрим відновником оксидів металів внаслідок великої спорідненості до кисню є алюміній. Процес називається алюмінотермія.

Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe

Алюмінотермією отримують інші метали (Mn, Cr, Ti), які не можуть бути отримані в чистому вигляді відновленням їх оксидів вугіллям через утворення карбідів. В алюмотермічній реакції виділяється велика кількість тепла за дуже короткий час, унаслідок чого розвивається висока температура.

Електролітичне чи катодне відновлення металів.Для важких металів вугілля як відновник непридатний і в цьому випадку застосовують катодне відновлення, тобто виділення шляхом електролізу. Такі метали можуть окислюватися водою, тому їх сполуки піддаються електролізу над водних розчинах, а розплавах чи розчинах інших розчинників.

Наприклад, металеві Na, K, Ba, Ca, Mg, Be одержують електролізом розплавів відповідних хлоридів.

Одержання металів високої чистоти.

У зв'язку з бурхливим розвитком техніки знадобилися метали, що мають дуже високу чистоту. Наприклад, для надійної роботи ядерного реактора необхідно, щоб у матеріалах, що розщеплюються, такі домішки як бір, кадмій та ін., містилися в кількості, що не перевищують мільйонних часток відсотка. Чистий цирконій – один із найкращих конструкційних матеріалів для атомних реакторів – стає зовсім непридатним для цієї мети, якщо в ньому міститься навіть мізерна домішка гафнію.

Перегонка у вакуумі.Цей метод заснований на різній леткості металу, що очищається, і наявних у ньому домішок. Вихідний метал завантажується в спеціальну посудину, з'єднану з вакуумним насосом і в посудині створюють вакуум, після чого нижня частина посудини нагрівається. На холодних частинах судини осідають або домішки, або чистий метал, залежно від того, що є летючим.

Термічне розкладання.

1. Карбонільний процес.Цей процес використовують в основному для одержання чистого нікелю та чистого заліза. Метал містить домішки, нагрівають у присутності СО (окису вуглецю) і летючий карбоніл, що виходить, відганяють від нелетких домішок. Потім карбоніли розкладають при вищих температурах з утворенням високочистих металів.

2. Йодистий процесдає можливість отримувати такі метали як цирконій, титан.

3. Очищення металу(якщо містить як домішок оксид) у вакуумі при нагріванні його до дуже високої температури за допомогою електричної дуги.

Зонна плавка.Цей метод полягає в протягуванні неочищеного бруска Німеччина через вузьку піч; розплавлена ​​зона, що утворюється при цьому, у міру просування бруска через неї переміщається вздовж нього і забирає домішки.

Багаторазовим повторенням цього процесу можна досягти високого ступеня чистоти.

Хімічні властивості металів.

У металів відсутня здатність приєднувати електрони, отже метали є відновниками. Мірою хімічної активності металів є енергія іонізації J.

Окислювачами металів можуть бути: елементарні речовини, кислоти, солі менш активних металів тощо.

1. Взаємодія з елементарними речовинами.

2. Взаємодія з кислотами:

а) Окислювач - іон Н + (HCl, H2SO4 (розб.) І т. Д.);

б) Окислювач аніон кислоти (до таких кислот відносяться HNO3 та H2SO4 (конц.);

в) взаємодія з водою;

г) взаємодія з лугами;

д) Взаємодія із розчинами солей.

Оксиди металів

Усі атоми кисню безпосередньо пов'язані з атомами металу і пов'язані друг з одним: Ме * О2.

Класифікація оксидів металів

Основні –оксиди найбільш активних металів (s - елементи І та ІІ груп) – зв'язок іонний: Na2O, K2O, CaO, MgO і т.д.

Їх властивості: а) взаємодіють із кислотами; б) із кислотними оксидами; в) із водою.

Амфотерні оксиди(менш активних металів та d - елементів): Al2O3, ZnO, Cr2O3 і т.д.

Їх властивості: а) взаємодія із кислотами; б) взаємодія із лугами.

Кислотні –оксиду малоактивних металів у вищих ступенях окиснення (CrO3, Mn2O7 та ін.). Їхні властивості: а) взаємодія з водою, утворюючи кислоти; б) взаємодіють із основами (лугами).

Характер зміни властивостей оксидів

У межах одного періоду відбувається ослаблення основних властивостей через амфотерні та посилення кислотних зліва направо.

У групі в того самого елемента спостерігається така ж зміна властивостей.

Одержання оксидів.

1. Безпосереднє окиснення металів – горіння.

Са + О = СаО

4Na + O2 = 2Na2O

2. Окислення сульфідів.

ZnS + O2 = ZnO + SO2

3. Окислення оксидами інших елементів, якщо теплота утворення оксиду, що виходить, більша за теплоту утворення вихідного (металотермія).

Al + Cr2O3 = Cr + Al2O3 + Q

4. Зневоднення відповідних гідроксидів.

Al(OH)3 Al2O3 + H2O

5. Термічне розкладання карбонатів, нітратів, сульфатів та інших солей.

СаСО3 СаО + СО2

Гідроксид металів.

Класифікація: основні, амфотерні, кислотні (відповідають оксидам).

Характер зміни властивостей у природі – аналогічно до оксидів.