Следвайте металите към химията. Метали: обща характеристика на металите и сплавите

Металите (от лат. metallum - мина, мина) са група елементи под формата на прости вещества с характерни метални свойства, като висока топло- и електропроводимост, положителен температурен коефициент на съпротивление, висока пластичност и метален блясък.

От 118-те химически елемента, открити в момента (от които не всички са официално признати), металите включват:

• 6 елемента от групата на алкалните метали,
• 6 от групата на алкалоземните метали,
• 38 в групата на преходните метали,
• 11 в групата на леките метали,
• 7 в групата на полуметали,
• 14 в групата лантаноиди + лантан,
• 14 в групата на актинидите (физичните свойства не са проучени за всички елементи) + актиний,
• извън определени групи берилий и магнезий.

Така 96 елемента от всички открити може да принадлежат към метали.

В астрофизиката терминът "метал" може да има различно значение и да означава всички химични елементипо-тежък от хелий

Характерни свойства на металите

1. Метален блясък (типичен не само за метали: неметалните йод и въглерод под формата на графит също го имат)
2. Добра електрическа проводимост
3. Възможност за лесна обработка
4. Висока плътност (обикновено металите са по-тежки от неметалите)
5. Висока точка на топене (изключения: живак, галий и алкални метали)
6. Висока топлопроводимост
7. При реакциите най-често са редуциращи агенти.

Физични свойства на металите

Всички метали (с изключение на живака и, конвенционално, Франция) при нормални условия са в в твърдо състояние, обаче имат различна твърдост. По-долу е показана твърдостта по Моос на някои метали.

Точки на топенечистите метали варират от -39 ° C (живак) до 3410 ° C (волфрам). Повечето метали (с изключение на алкалните) имат висока точка на топене, но някои "нормални" метали като калай и олово могат да се стопят на конвенционален електрически или газов котлон.

Зависи от плътност, металите се разделят на леки (плътност 0,53 ÷ 5 g / cm³) и тежки (5 ÷ 22,5 g / cm³). Най-лекият метал е литият (плътност 0,53 g / cm³). Невъзможно е да се посочи най-тежкият метал в момента, тъй като плътностите на осмия и иридия - двата най-тежки метала - са почти равни (около 22,6 g / cm³ - точно два пъти плътността на оловото) и е изключително трудно да се изчисли тяхната точна плътност: това изисква напълно пречистване на металите, тъй като всякакви примеси намаляват тяхната плътност.

Повечето метали пластмасов, тоест металната тел може да се огъне, без да се счупи. Това се дължи на изместването на слоевете от метални атоми без прекъсване на връзката между тях. Най-пластични са златото, среброто и медта. От злато може да се изработи фолио с дебелина 0,003 мм, което се използва за позлатяване на изделия. Въпреки това, не всички метали са пластични. Цинк или калай тел хруска при огъване; манганът и бисмутът изобщо не се огъват по време на деформация, а веднага се чупят. Пластичността зависи и от чистотата на метала; така, много чистият хром е много пластичен, но замърсен дори с незначителни примеси, той става крехък и по-твърд. Някои метали като злато, сребро, олово, алуминий, осмий могат да растат заедно, но това може да отнеме десетилетия.

Всички метали са добри провеждане на електрически ток;това се дължи на наличието в техните кристални решетки на подвижни електрони, движещи се под действието на електрическо поле. Среброто, медта и алуминият имат най-висока електрическа проводимост; поради тази причина последните два метала се използват най-често като материал за тел. Натрият също има много висока електрическа проводимост; в експерименталното оборудване са известни опити за използване на натриеви токови проводници под формата на тънкостенни тръби от неръждаема стомана, пълни с натрий. Поради ниското специфично тегло на натрия, при еднакво съпротивление, натриевите "проводници" са много по-леки от медните и дори малко по-леки от алуминиевите.

Високата топлопроводимост на металите зависи и от подвижността на свободните електрони. Следователно, серията от топлопроводимост е подобна на серията от електрически проводимости, а най-добрият проводник на топлина, подобно на електричеството, е среброто. Натрият намира приложение и като добър топлопроводник; широко известно е например използването на натрий във клапаните на автомобилните двигатели за подобряване на тяхното охлаждане.

Цвятповечето метали имат приблизително еднакво - светло сиво със синкав оттенък. Златото, медта и цезият са съответно жълти, червени и светложълти.

Химични свойства на металите

На външно електронно ниво повечето метали имат малък брой електрони (1-3), следователно в повечето реакции те действат като редуциращи агенти (тоест „отдават“ своите електрони)

Реакции с прости вещества

• Всички метали реагират с кислород, с изключение на златото и платината. Реакцията със среброто протича при високи температури, но сребърният (II) оксид практически не се образува, тъй като е термично нестабилен. В зависимост от метала, изходът може да съдържа оксиди, пероксиди, супероксиди:

литиев оксид

натриев пероксид

калиев супероксид

За да се получи оксид от пероксид, пероксидът се редуцира с метал:

При метали със средна и ниска активност реакцията протича при нагряване:

• Само най-активните метали реагират с азота, само литият взаимодейства при стайна температура, образувайки нитриди:

При нагряване:

• Всички метали реагират със сяра, с изключение на златото и платината:

Желязото реагира със сяра при нагряване, за да образува сулфид:

• Само най-активните метали реагират с водород, тоест метали от групи IA и IIA, с изключение на Be. Реакциите се извършват чрез нагряване и се образуват хидриди. При реакции металът действа като редуциращ агент, степента на окисление на водорода е -1:

• Само най-активните метали реагират с въглерода. В този случай се образуват ацетилениди или метаниди. Ацетиленидите, когато взаимодействат с вода, дават ацетилен, метанидите - метан.

Ако в периодичната таблица на елементите на Д. И. Менделеев начертаем диагонал от берилий до астатин, тогава вляво под диагонала ще има метални елементи (те включват и елементи от странични подгрупи, подчертани в синьо), а в горния десен ъгъл - неметални елементи (маркирани в жълто). Елементите, разположени близо до диагонала - полуметали или металоиди (B, Si, Ge, Sb и др.), имат двоен характер (маркирани в розово).

Както можете да видите от фигурата, по-голямата част от елементите са метали.

По своята химическа природа металите са химични елементи, чиито атоми даряват електрони от външно или предварително външно енергийно ниво, като по този начин образуват положително заредени йони.

Почти всички метали имат относително големи радиуси и малък брой електрони (от 1 до 3) на външно енергийно ниво. Металите се характеризират с ниски стойности на електроотрицателност и редуциращи свойства.

Най-типичните метали се намират в началото на периодите (започвайки от втория), по-нататък отляво надясно, металните свойства отслабват. В групата отгоре надолу се засилват металните свойства, тъй като радиусът на атомите се увеличава (поради увеличаване на броя на енергийните нива). Това води до намаляване на електроотрицателността (способността за привличане на електрони) на елементите и увеличаване на редукционните свойства (способността да се даряват електрони на други атоми при химични реакции).

Типичнометалите са s-елементи (елементи от IA-групата от Li до Fr. елементи от PA-групата от Mg до Ra). Общата електронна формула на техните атоми е ns 1-2. Те се характеризират със степените на окисление + I и + II, съответно.

Малък брой електрони (1-2) на външното енергийно ниво на типичните метални атоми предполага лека загуба на тези електрони и проява на силни редукционни свойства, които отразяват ниски стойности на електроотрицателност. Следователно химичните свойства и методите за получаване на типични метали са ограничени.

Характерна особеност на типичните метали е тенденцията на техните атоми да образуват катиони и йонни химични връзки с неметални атоми. Съединенията на типичните метали с неметали са йонни кристали "метален катион анион на неметал", например K + Br -, Ca 2+ O 2-. Катиони на типичните метали също се включват в съединения със сложни аниони - хидроксиди и соли, например Mg 2+ (OH -) 2, (Li +) 2CO 3 2-.

Метали от А-групи, образуващи диагонал на амфотерност в Периодичната таблица Be-Al-Ge-Sb-Po, както и съседните метали (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) не проявяват типично метални свойства. Общата електронна формула на техните атоми ns 2 np 0-4 приема по-голямо разнообразие от състояния на окисление, по-голяма способност да задържа собствените си електрони, постепенно намаляване на тяхната редукционна способност и поява на окислителен капацитет, особено в високи градусиокисление (типични примери са съединения Tl III, Pb IV, Bi v). Подобно химично поведение е типично за повечето (d-елементи, т.е. елементи от B-групи на периодичната таблица ( типични примери- амфотерни елементи Cr и Zn).

Това проявление на двойствеността (амфотерността) на свойствата, както метални (основни), така и неметални, се дължи на естеството на химичната връзка. В твърдо състояние съединенията на атипични метали с неметали съдържат предимно ковалентни връзки (но по-малко силни от връзките между неметали). В разтвор тези връзки лесно се разрушават и съединенията се дисоциират на йони (изцяло или частично). Например металният галий се състои от молекули Ga 2, в твърдо състояние алуминий и живачен (II) хлориди AlCl 3 и HgCl 2 съдържат силно ковалентни връзки, но в разтвор на AlCl 3 той се дисоциира почти напълно, а HgCl 2 - до много малка степен (и след това върху йони НgСl + и Сl -).

Общи физични свойства на металите

Поради наличието на свободни електрони ("електронен газ") в кристалната решетка, всички метали проявяват следните характерни общи свойства:

1) Пластмасов- способността лесно да променя формата си, да се изтегля в тел, да се навива на тънки листове.

2) Метален блясъки непрозрачност. Това се дължи на взаимодействието на свободни електрони със светлина, падаща върху метала.

3) Електропроводимост... Обяснява се с насоченото движение на свободните електрони от отрицателния към положителния полюс под въздействието на малка потенциална разлика. При нагряване електрическата проводимост намалява, т.к с повишаване на температурата се засилват вибрациите на атомите и йоните във възлите на кристалната решетка, което усложнява насоченото движение на "електронния газ".

4) Топлопроводимост.Причинява се от високата подвижност на свободните електрони, поради което има бързо изравняване на температурата спрямо масата на метала. Бисмутът и живакът имат най-висока топлопроводимост.

5) Твърдост.Най-твърдият е хромът (реже стъкло); най-меките - алкалните метали - калий, натрий, рубидий и цезий - се режат с нож.

6) Плътност.Колкото по-малко е, толкова по-малко атомна масаметал и по-голям радиус на атома. Най-лекият е литиевият (ρ = 0,53 g / cm3); най-тежкият е осмият (ρ = 22,6 g / cm3). Металите с плътност по-малка от 5 g / cm3 се считат за "леки метали".

7) Точки на топене и кипене.Най-нискотопимият метал е живакът (точка на топене = -39 ° C), най-огнеупорният метал е волфрам (точка на топене = 3390 ° C). Метали с t° pl. над 1000 ° C се считат за огнеупорни, под - ниско топими.

Общи химични свойства на металите

Силни редуциращи агенти: Me 0 - nē → Me n +

Редица напрежения характеризират сравнителната активност на металите в редокс реакции във водни разтвори.

I. Реакции на метали с неметали

1) С кислород:
2Mg + O 2 → 2MgO

2) Със сиво:
Hg + S → HgS

3) С халогени:
Ni + Cl 2 - t ° → NiCl 2

4) С азот:
3Ca + N 2 - t ° → Ca 3 N 2

5) С фосфор:
3Ca + 2P - t ° → Ca 3 P 2

6) С водород (само алкални и алкалоземни метали реагират):
2Li + H 2 → 2LiH

Ca + H 2 → CaH 2

II. Реакции на метали с киселини

1) Металите в електрохимичната серия от напрежения до H редуцират неокисляващите киселини до водород:

Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2

2) С окислителни киселини:

С взаимодействието на азотна киселина с всякаква концентрация и концентрирана сярна с метали водородът никога не се отделя!

Zn + 2H 2 SO 4 (К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

4Zn + 5H 2 SO 4 (К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O

3Zn + 4H 2 SO 4 (К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O

2H 2 SO 4 (k) + Cu → Cu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

10HNO 3 + 4Mg → 4Mg (NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

4HNO 3 (c) + Cu → Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

III. Взаимодействие на метали с вода

1) Активни (алкални и алкалоземни метали) образуват разтворима основа (алкал) и водород:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

2) Металите със средна активност се окисляват от вода при нагряване до оксид:

Zn + H 2 O - t ° → ZnO + H 2

3) Неактивни (Au, Ag, Pt) - не реагират.

IV. Изместване на по-малко активни метали от разтвори на техните соли с по-активни метали:

Cu + HgCl 2 → Hg + CuCl 2

Fe + CuSO 4 → Cu + FeSO 4

В промишлеността често се използват не чисти метали, а техните смеси - сплави, при което полезните свойства на един метал се допълват от полезните свойства на друг. Така медта има ниска твърдост и е малко полезна за производството на машинни части, докато медно-цинковите сплави ( месинг) вече са доста здрави и намират широко приложение в машиностроенето. Алуминият има висока пластичност и достатъчна лекота (ниска плътност), но твърде мек. На негова основа се приготвя сплав с магнезий, мед и манган - дуралуминий (дуралуминий), който, без да губи полезни свойстваалуминий, придобива висока твърдост и става подходящ в самолетостроенето. Сплавите на желязо с въглерод (и добавки на други метали) са широко известни излято желязои стомана.

Свободните метали са редуциращи агенти.но реактивностнякои метали са малки поради факта, че са покрити повърхностен оксиден филм, в различна степен, устойчиви на действието на химикали като вода, разтвори на киселини и основи.

Например, оловото винаги е покрито с оксиден филм; за преминаването му в разтвор е необходимо не само действието на реагент (например разредена азотна киселина), но и нагряване. Оксидният филм върху алуминия не му позволява да реагира с вода, но се разрушава от киселини и основи. Разхлабен оксиден филм (ръжда), образуван на повърхността на желязо във влажен въздух, не пречи на по-нататъшното окисление на желязото.

Под влиянието концентриранобразуват се киселини върху металите стабиленоксиден филм. Това явление се нарича пасивиране... И така, в концентриран сярна киселинаметали като Be, Bi, Co, Fe, Mg и Nb се пасивират (и след това не реагират с киселина), а металите A1, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb в концентрирана азотна киселина, Th и U.

При взаимодействие с окислители в киселинни разтвори повечето метали се превръщат в катиони, чийто заряд се определя от стабилното окислително състояние на даден елемент в съединения (Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ и Fe 3 +)

Редуциращата активност на металите в кисел разтвор се предава чрез поредица от напрежения. Повечето от металите се превръщат в разтвор със солна и разредена сярна киселина, но Cu, Ag и Hg - само сярна (концентрирана) и азотна киселини, а Pt и Au - "царска вода".

Корозия на метали

Нежелано химично свойство на металите е тяхното активно разрушаване (окисляване) при контакт с вода и под въздействието на разтворения в нея кислород. (кислородна корозия).Например, корозията на железни продукти във вода е широко известна, в резултат на което се образува ръжда и продуктите се раздробяват на прах.

Корозията на металите възниква и във водата поради наличието на разтворени газове CO 2 и SO 2; създава се киселинна среда и H + катиони се изместват от активни метали под формата на водород H 2 ( водородна корозия).

Мястото на контакт на два различни метала ( контактна корозия).Галванична двойка възниква между един метал, като Fe и друг метал, като Sn или Cu, поставен във вода. Потокът от електрони преминава от по-активния метал, който е вляво в поредицата от напрежения (Fe), към по-малко активния метал (Sn, Cu), а по-активният метал се разрушава (корозира).

Именно поради това консервираната повърхност на консервите (желязо с калайдисано покритие) ръждясва, когато се съхраняват във влажна атмосфера и небрежно боравене с тях (желязото бързо се срутва след появата на поне малка драскотина, която позволява на желязото да влезе в контакт с влага ). Напротив, поцинкованата повърхност на желязната кофа не ръждясва дълго време, защото дори и при наличие на драскотини, не желязото корозира, а цинкът (по-активен метал от желязото).

Устойчивостта на корозия за даден метал се повишава, когато е покрит с по-активен метал или когато те са стопени; по този начин, покриването на желязо с хром или направата на сплав желязо-хром елиминира корозията на желязото. Хромирано желязо и стомана, съдържащи хром ( неръждаема стомана), имат висока устойчивост на корозия.

електрометалургият.е. получаване на метали чрез електролиза на стопилки (за най-активните метали) или солни разтвори;

пирометалургият.е. редуцирането на метали от рудите при високи температури (например производството на желязо в домейн процес);

хидрометалургият.е. отделяне на метали от разтвори на техните соли с по-активни метали (например получаване на мед от разтвор на CuSO 4 чрез действието на цинк, желязо или алуминий).

Самородни метали понякога се срещат в природата (типични примери са Ag, Au, Pt, Hg), но по-често металите са под формата на съединения ( метални руди). По разпространение в земна кораметалите са различни: от най-разпространените - Al, Na, Ca, Fe, Mg, K, Ti) до най-редките - Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.

Металите са химични елементи, които имат свойството на висока електропроводимост. Металните атоми могат да дарят определено количество от своите електрони, разположени на външни или предвъншни енергийни нива, като същевременно създават йони (положително заредени частици).

Към днешна дата са известни 114 химични елемента. От тях 96 са метали. Без метали животът на Земята би бил невъзможен, тъй като те в чист вид или техните съединения са най-важният компонент на органичната и минерална среда, активно участващи в жизнените процеси на всички живи организми.

Молекулите на всички метали, с малки изключения, имат големи радиуси и малък брой електрони, разположени на външно енергийно ниво. Броят на такива електрони може да бъде от един до три. Изключение правят оловото, броят на електроните на външното ниво на което е 4; бисмут с 5 електрона; полоний с 6 електрона; германий, антимон и калай.

Също характерна чертаВсички елементи от тази група са с малки стойности на електроотрицателност и възможност за възстановяване.

Периодичната таблица разделя всички елементи на метали и неметали много условно. За да разберете дали дадено вещество принадлежи към метали, трябва да начертаете диагонал астат-бор. Вдясно, в основните подгрупи, ще бъдат разположени неметали, а отляво - метали (с изключение на инертните газове). Всички елементи, които са в непосредствена близост до тази линия, се наричат ​​металоиди, което означава, че имат както метални, така и неметални свойства. Такива елементи са бор, силиций, арсен, германий, телур, антимон и полоний.

Металите също се делят на преходни и непреходни. Тази класификация се основава на местоположението на елемента в таблицата на периодичността. Преходните метали се класифицират като вторични подгрупи, а непреходните метали са посочени като основни. Металните молекули от основните подгрупи имат s и p поднива, изпълнени с електрони; и молекулите на страничните подгрупи са d- и f-нива.

Според химичните си свойства всички метали се отличават с лесно връщане на валентни електрони, образуващи положителни йони. Следователно всички метали в свободно състояние принадлежат към редуциращи агенти.

Тази възстановителна способност е различна за всеки елемент и се определя от местоположението на метала в електрохимичната серия на напрежението. Тази серия дава характеристика на химичната активност на металите, която те проявяват при протичане на редокс реакции във водна среда и има следната форма:

Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au

Първите в редицата са метали с максимални редукционни свойства и минимални окислителни способности. В низходящ ред редуциращите свойства на елементите намаляват и се увеличават окислителните свойства.

Алкалните метали могат лесно да се окисляват от кислорода във въздуха. Те също реагират с прости вещества, докато медта и желязото ще реагират само при нагряване, а платината и златото изобщо няма да се окисляват. Някои метали създават оксиден филм на повърхността и няма да има по-нататъшен процес на окисление.

Огледайте се за секунда... Колко метални неща можете да видите? Обикновено, когато мислим за метали, се сещаме за вещества, които са лъскави и издръжливи. Те обаче се намират и в храната ни и в телата ни. Да се ​​запознаем пълен списъкметали, известни на науката, разберете основните им свойства и разберете защо са толкова специални.

Елементи, които лесно губят електрони, които са лъскави (отразителни), ковки (могат да бъдат формовани в други форми) и се считат за добри проводници на топлина и електричество, се наричат ​​метали. Те са от решаващо значение за нашия начин на живот, тъй като не само са част от конструкции и технологии, но са и от съществено значение за производството на почти всички артикули. Има дори метал човешкото тяло... Разглеждайки етикета на мултивитаминна формула, ще видите десетки изброени съединения.

Може би не сте знаели, че елементи като натрий, калций, магнезий и цинк са от съществено значение за живота и ако те липсват в телата ни, здравето ни може да бъде в сериозна опасност. Например, калцият е от съществено значение за здрави кости, а магнезият е от съществено значение за метаболизма. Цинкът подобрява функцията на имунната система, а желязото помага на кръвните клетки да пренасят кислород в тялото. Въпреки това, металите в телата ни се различават от метала в лъжица или стоманен мост по това, че са загубили електрони. Те се наричат ​​катиони.

Металите също имат антибиотични свойства, поради което парапетите и дръжките на обществени места често се правят от тези елементи. Известно е, че много инструменти са направени от сребро, за да се предотврати развитието на бактерии. Изкуствените стави са направени от титаниеви сплави, които едновременно предотвратяват инфекцията и правят реципиентите по-силни.

Метали в периодичната таблица

Всички елементи в Дмитрий Менделеев са разделени на две големи групи: метали и неметали. Първият е най-многобройният. Повечето от елементите са метали (сини). Неметалите в таблицата са показани на жълт фон. Съществува и група елементи, които са класифицирани като металоиди (червени). Всички метали са групирани от лявата страна на масата. Имайте предвид, че водородът е групиран с метали в горния ляв ъгъл. Въпреки това, той се счита за неметален. Някои учени обаче предполагат, че може да има метален водород в ядрото на планетата Юпитер.

Метално свързване

Много от прекрасните и полезни качества на даден елемент са свързани с това как неговите атоми се свързват един с друг. В този случай възникват определени връзки. Металното взаимодействие на атомите води до създаване на метални структури. Всяка извадка от този артикул в Ежедневието, от кола до монети в джоба ви, включва метална връзка.

По време на този процес металните атоми споделят своите външни електрони равномерно един с друг. Електроните, протичащи между положително заредени йони, пренасят лесно топлина и електричество, което прави тези елементи толкова добри проводници на топлина и електричество. За захранване се използват медни проводници.

Метални реакции

Реактивността се отнася до тенденцията на даден елемент да реагира с химикали в околната среда. Може да е различно. Някои метали, като калий и натрий (в колони 1 и 2 на периодичната таблица), реагират лесно с много различни химикали и рядко се срещат в чистата им, елементарна форма. И двете обикновено съществуват само в съединения (свързани с един или повече други елементи) или като йони (заредена версия на тяхната елементарна форма).

От друга страна има и други метали, наричат ​​се още бижута. Златото, среброто и платината не са много реактивни и обикновено се срещат в чиста форма. губят електрони по-лесно от неметалите, но не толкова лесно, колкото реактивните метали като натрий. Платината е относително нереактивна и силно устойчива на реакции с кислород.

Свойства на елемента

Когато сте изучавали азбуката в начално училище, открихте, че всички букви имат свой собствен уникален набор от свойства. Например, някои имаха прави линии, някои имаха криви, а други имаха и двата вида линии. Същото може да се каже и за елементите. Всеки от тях има уникален набор от физични и химични свойства. Физичните свойства са качества, присъщи на определени вещества. Блестящ или не, колко добре провежда топлина и електричество, при каква температура се топи, каква плътност има.

Химичните свойства включват онези качества, които се наблюдават при реакция на излагане на кислород, ако изгорят (колко трудно ще им бъде да запазят електроните си по време на химическа реакция). Различните елементи могат да споделят общи свойства. Например желязото и медта са елементи, които провеждат електричество. Те обаче нямат същите свойства. Например, когато желязото е изложено на влажен въздух, то ръждясва, но когато медта е изложена на същите условия, тя придобива специфично зелено покритие. Ето защо Статуята на свободата е зелена, а не ръждясала. Направен е от мед, а не от желязо.)

Организация на елементите: метали и неметали

Фактът, че елементите имат някои общи и уникални свойства, ви позволява да ги сортирате в хубава, подредена диаграма, наречена периодична таблица. Той организира елементите въз основа на техния атомен номер и свойства. И така, в периодичната таблица намираме елементи, групирани заедно, които имат общи свойства. Желязото и медта са близо един до друг, и двете са метали. Желязото се означава с "Fe", а медта - с "Cu".

Повечето от елементите в периодичната таблица - и те са склонни да се намират от лявата страна на таблицата. Те са групирани заедно, тъй като имат специфични физични и химични свойства. Например, металите са плътни, лъскави, те са добри проводници на топлина и електричество и лесно губят електрони при химични реакции. За разлика от тях, неметалите имат противоположни свойства. Те не са плътни, не провеждат топлина и електричество и са склонни да приемат електрони, а не да ги раздават. Когато погледнем периодичната таблица, можем да видим, че повечето неметали са групирани вдясно. Това са елементи като хелий, въглерод, азот и кислород.

Какво представляват тежките метали?

Списъкът с метали е доста голям. Някои от тях могат да се натрупват в тялото и да не му навредят, като например естествен стронций (формула Sr), който е аналог на калция, тъй като се отлага продуктивно в костната тъкан. Кои се наричат ​​тежки и защо? Помислете за четири примера: олово, мед, живак и арсен.

Къде се намират тези елементи и как влияят на околната среда и човешкото здраве? Тежките метали са естествено срещащи се метални съединения, които имат много висока плътност в сравнение с други метали - поне пет пъти по-голяма от плътността на водата. Те са токсични за хората. Дори малки дози могат да имат сериозни последици.

• Водя. Това е тежък метал, който е токсичен за хората, особено за децата. Отравянето с това вещество може да доведе до неврологични проблеми. Въпреки че някога е бил много привлекателен поради своята гъвкавост, висока плътност и способност да абсорбира вредните лъчения, оловото е било постепенно премахнато по много начини. Този мек, сребрист метал, открит на Земята, е опасен за хората и се натрупва в тялото с течение на времето. Най-лошото е, че не можете да се отървете от него. Той седи там, натрупва се и постепенно отравя тялото. Оловото е токсично за нервната система и може да причини сериозно увреждане на мозъка при деца. Той е бил широко използван през 1800 г. за създаване на грим и е бил използван като една от съставките в боята за коса до 1978 г. Днес оловото се използва главно в големи батерии като щитове за рентгенови лъчиили изолация за радиоактивен материал.
• медни. Това е червеникавокафяв тежък метал, който има много приложения. Медта все още е един от най-добрите проводници за електричество и топлина и много електрически проводници са направени от този метал и покрити с пластмаса. От този елемент на периодичната таблица се правят и монети, предимно дребни пари. Острото отравяне с мед е рядко, но подобно на олово, то може да се натрупва в тъканите, което в крайна сметка води до токсичност. Хората, които са изложени на големи количества мед или меден прах, също са изложени на риск.
• Живак. Този метал е токсичен под всякаква форма и дори може да се абсорбира от кожата. Неговата уникалност се крие във факта, че е течен при стайна температура, понякога се нарича "бързо сребро". Може да се види в термометър, защото като течност абсорбира топлина, променяйки обема дори при най-малката разлика в температурата. Това позволява на живака да се издига или пада в стъклената тръба. Тъй като това вещество е мощен невротоксин, много компании преминават към боядисани в червено.
• арсен. От времето на Римската империя до Викторианската епоха арсенът се смята за „цар на отровите“, както и за „отровата на кралете“. Историята е наситена с безброй примери на кралски особи и обикновени хора, които извършват убийство за лична изгода, използвайки съединения на арсен, които нямат мирис, цвят или вкус. Въпреки всичко негативни влияния, този металоид също има свои собствени приложения, дори в медицината. Например арсеновият триоксид е много ефективно лекарство, използвано за лечение на хора с остра промиелоцитна левкемия.

Какво е благороден метал?

Благородният метал е метал, който може да бъде рядък или труден за добив, а също така е икономически много ценен. Какъв е списъкът с благородни метали? Има три от тях:

• платина. Въпреки своята нетопливост, той се използва в бижута, електроника, автомобили, химични процесии дори в медицината.
• злато. Този благороден метал се използва за направата на бижута и златни монети. Въпреки това, той има много други приложения. Използва се в медицината, производството и лабораторното оборудване.
• Сребро. Този сребристо-бял благороден метал е много ковък. в чист вид е доста тежък, по-лек е от олово, но по-тежък от мед.

Метали: видове и свойства

Повечето от елементите могат да се разглеждат като метали. Те са групирани в средата от лявата страна на масата. Металите са алкални, алкалоземни, преходни, лантаноиди и актиниди.

Всички те имат няколко общи свойства, а именно:

• твърдо вещество при стайна температура (с изключение на живак);
• обикновено лъскави;
• с висока точка на топене;
• добър проводник на топлина и електричество;
• с ниска йонизираща способност;
• с ниска електроотрицателност;
• гъвкав (способен да приеме дадена форма);
• пластмаса (може да се издърпа в тел);
• висока плътност;
• вещество, което губи електрони в реакции.

Списък на металите, известни на науката

1. литий;
2. берилий;
3. натрий;
4. магнезий;
5. алуминий;
6. калий;
7. калций;
8. скандий;
9. титан;
10. ванадий;
11. хром;
12. манган;
13. желязо;
14. кобалт;
15. никел;
16. медни;
17. цинк;
18. галий;
19. рубидий;
20. стронций;
21. итрий;
22. цирконий;
23. ниобий;
24. молибден;
25. технеций;
26. рутений;
27. родий;
28. паладий;
29. сребро;
30. кадмий;
31. индий;
32. коперник;
33. цезий;
34. барий;
35. калай;
36. желязо;
37. бисмут;
38. водя;
39. Живак;
40. волфрам;
41. злато;
42. платина;
43. осмий;
44. хафний;
45. германий;
46. иридий;
47. ниобий;
48. рений;
49. антимон;
50. талий;
51. тантал;
52. франций;
53. черен дроб.

Общо са известни около 105 химични елемента, повечето от които са метали. Последните са много често срещан елемент в природата, който се среща както в чиста форма, така и във всички видове съединения.

Металите се намират в недрата на земята, те могат да бъдат намерени в различни водни тела, в телата на животни и хора, в растенията и дори в атмосферата. В периодичната таблица те са разположени от литий (метал с формула Li) и завършващ с ливерморий (Lv). Тя продължава да попълва масата с нови елементи и главно метали.

Обща информация за металите

Знаете, че повечето от химичните елементи са класифицирани като метали - 92 от 114 известни елемента.

Металите са химични елементи, чиито атоми даряват електрони на външния (и някои от пред-външния) електронен слой, превръщайки се в положителни йони.

Това свойство на металните атоми, както знаете, се определя от факта, че те имат относително големи радиуси и малък брой електрони (главно от 1 до 3) върху външния слой.

Единствените изключения са 6 метала: германий, калай, оловни атоми на външния слой имат 4 електрона, антимон и бисмут -5, полониеви атоми - 6.

Металните атоми се характеризират с малки стойности на електроотрицателност (от 0,7 до 1,9) и изключително редукционни свойства, тоест способност да даряват електрони.

Вече знаете, че в Периодичната таблица на химичните елементи на Д. И. Менделеев металите са под диагонала бор-астатин, а аз също съм над него в странични подгрупи. В периодите и глинестите подгрупи действат познатите ви закономерности в смяната на метала и следователно редуциращите свойства на атомите на елементите.

Химическите елементи, разположени близо до диагонала бор-статат, имат двойни свойства: в някои от съединенията си те се държат като метали, в други проявяват свойствата на неметал.

В страничните подгрупи редукционните свойства на металите с увеличаване на серийния номер най-често намаляват. Сравнете активността на металите от I група на познатата ви вторична подгрупа: Cu, Ag, Au; II група на странична подгрупа - и ще се убедите сами.

Това може да се обясни с факта, че силата на връзката на валентните електрони с ядрото на атомите на тези метали в в по-голяма степенвеличината на ядрения заряд влияе, а не радиусът на атома. Големината на ядрения заряд се увеличава значително, привличането на електрони към ядрото се увеличава. В същото време радиусът на атома се увеличава, но не толкова значително, колкото при металите от основните подгрупи.

Играят прости вещества, образувани от химични елементи - метали, n сложни металосъдържащи вещества решаваща роляв минералния и органичен „живот” на Земята. Достатъчно е да запомним, че атомите (никои) на металните елементи са част отсъединения, които определят метаболизма в човешкото тяло, животните, растенията. Например в човешката кръв са открити 76 елемента и само 14 от тях не са метали. В човешкото тяло някои метални елементи (калций, калий, натрий, магнезий) присъстват в Голям брой, тоест те са макронутриенти. А метали като хром, манган, желязо, кобалт, мед, цинк, молибден присъстват в малки количества, тоест това са микроелементи. Ако човек тежи 70 кг, тогава тялото му съдържа (в грамове): калций - 1700, калий - 250, натрий - 70, магнезий - 42, желязо - 5. цинк - 3. Всички метали са изключително важни, възникват здравословни проблеми и с тяхната липса и с излишък.

Например, натриевите йони регулират съдържанието на вода в тялото, предаването на нервните импулси. Недостигът му води до главоболие, слабост, лоша памет, загуба на апетит, а излишъкът до повишено кръвно налягане, хипертония, сърдечни заболявания. Диетолозите препоръчват да приемате не повече от 5 грама (1 чаена лъжичка) натриев хлорид (NaCl) на възрастен на ден. Ефектът на металите върху състоянието на животните и растенията може да бъде намерен в Таблица 16.

Прости вещества - метали

Развитието на производството на метали (прости вещества) и сплави е свързано с появата на цивилизацията ("бронзовата епоха", желязната епоха).

Научно-технологичната революция, започнала преди около 100 години, която засегна както индустрията, така и социалната сфера, също е тясно свързана с производството на метали. На базата на волфрам, молибден, титан и други метали те започнаха да създават устойчиви на корозия, свръхтвърди, огнеупорни сплави, чието използване значително разшири възможностите на машиностроенето. В ядрената и космическата техника волфрамовите и рениеви сплави се използват за направата на части, които работят при температури до 3000 ºС. в медицината се използват хирургически инструменти от тантал и платинени сплави, уникална керамика на основата на титаниеви и циркониеви оксиди.

И, разбира се, не трябва да забравяме, че повечето сплави използват добре познатото метално желязо (фиг. 37), а основата на много леки сплави е съставена от относително „млади“ метали: алуминий и магнезий.

Свръхновите са се превърнали в композитни материали, представляващи например полимер или керамика, които отвътре (като бетон с железни пръти) са подсилени с метални влакна, които могат да бъдат от волфрам, молибден, стомана и други метали и сплави - всичко зависи от целта, която е необходима за постигането му материални свойства.

Вече имате представа за естеството на химическата връзка в металните кристали. Нека си припомним, използвайки примера на един от тях - натрий, как се образува.
Фигура 38 показва диаграма на кристалната решетка на метален натрий. В него всеки натриев атом е заобиколен от осем съседни. Натриевите атоми, както всички метали, имат много свободни валентни орбитали и малко валентни електрони.

Единственият валентен електрон на натриевия атом Zs 1 може да заема някоя от деветте свободни орбитали, тъй като те не са много различни по енергийно ниво. Когато атомите се приближават един към друг, когато се образува кристална решетка, валентните орбитали на съседните атоми се припокриват, поради което електроните свободно се движат от една орбитала към друга, създавайки връзка между всички атоми на металния кристал.

Този тип химическа връзка се нарича метална връзка. Метална връзка се образува от елементи, чиито атоми във външния слой имат малко валентни електрони в сравнение с голям брой външни енергийно близки орбитали. Техните валентни електрони са слабо задържани в атома. Електроните, които правят връзката, се социализират и се движат в цялата кристална решетка на неутралния метал като цяло.

Веществата с метална връзка са присъщи на металните кристални решетки, които обикновено са изобразени схематично от тиково дърво, както е показано на фигурата, възлите са катиони и метални атоми. Социализираните електрони електростатично привличат метални катиони, разположени на ръба на тяхната кристална решетка, осигурявайки нейната стабилност и здравина (социализираните електрони са изобразени като черни малки топчета).

Металната връзка е връзка в метали и сплави между метални атоми-йони, разположени в кристалната решетка ullah, която се осъществява от споделени валентни електрони.

Някои метали кристализират в две или повече кристални форми. Това свойство на веществата - да съществуват в няколко кристални модификации - се нарича полиморфизъм. Полиморфизмът за прости вещества ви е известен като алотропия.

Калайът има две кристални модификации:
алфа е стабилен под 13,2 ºС с плътност р - 5,74 g / cm3. Това е сив калай. То има кристална решеткатип almaav (атомен):
betta е стабилна над 13,2 ºС с плътност p - 6,55 g / cm3. Това е бял калай.

Белият калай е много мек метал. При охлаждане под 13,2 ºС той се разпада в сив прах, тъй като при прехода | 1 "n специфичният му обем се увеличава значително. Това явление се нарича калаена чума. Разбира се, специалният вид химическа връзка и видът на кристалната решетка на металите трябва да определят и обясняват техните физични свойства.

Какво са те? Това са метален блясък, пластичност, висока електропроводимост и топлопроводимост, увеличаване на електрическото съпротивление с повишаване на температурата, както и такива практически значими свойства като плътност, точки на топене и кипене, твърдост и магнитни свойства.

Нека се опитаме да обясним причините, които определят основните физични свойства на металите. Защо металите са пластични?

Механичното действие върху кристал с метална кристална решетка причинява изместване на слоевете от йонни атоми един спрямо друг, тъй като електроните се движат в целия кристал, не настъпва скъсване на връзката, следователно, високата пластичност е характерна за металите.

Подобен ефект върху твърдо вещество със свързани връзки (атомна кристална решетка) води до разкъсване ковалентни връзки... Разрушаването на връзките в йонната решетка води до взаимно отблъскване на еднакво заредени йони (фиг. 40). Следователно веществата с атомни и йонни кристални решетки са крехки.

Най-пластичните метали са Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Те лесно се изтеглят в тел, поддават се на коване, пресоване, валцоване на листове - Например, златно фолио с дебелина 0,008 nm може да се направи от злато, а от 0,5 g от този метал може да се изтегли нишка с дължина 1 km.

Дори живакът, който, както знаете, е течен при стайна температура, става ковък при ниски температури, като олово. Само Bi и Mn нямат пластичност, те са крехки.

Защо металите имат характерен блясък и освен това са непрозрачни?

Електроните, които запълват междуатомното пространство, отразяват светлинните лъчи (вместо да ги предават, като стъкло), като повечето метали разсейват еднакво всички лъчи от видимата част на спектъра. Следователно те имат сребристо бяло или сив цвят... Стронций, злато и мед поглъщат в по-голяма степен късите вълни (близо до лилаво) и отразяват дълги вълни от светлинния спектър, поради което имат съответно светложълт, жълт и меден цвят.

Въпреки че на практика, знаете, металът не винаги ни изглежда като леко тяло. Първо, повърхността му може да се окисли и да загуби своя блясък. Следователно самородната мед изглежда като зеленикав камък. И второ, дори чистият метал може да не блести. Много тънки листове от сребро и злато имат напълно неочакван вид - имат синкаво-зелен цвят. И фините метални прахове изглеждат тъмно сиви, дори черни.

Среброто, алуминият, паладият имат най-висока отразяваща способност. Използват се при производството на огледала, включително прожектори.

Защо металите имат висока електрическа и топлопроводимост?

Хаотично движещи се електрони в метал под въздействието на приложено електрическо напрежение придобиват насочено движение, тоест провеждат електрически ток. С повишаване на температурата на мета-листната въшка се увеличават амплитудите на вибрациите на атомите и йоните, разположени във възлите на кристалната решетка. Това затруднява движението на електроните, електрическата проводимост на метала спада. При ниски температури вибрационното движение, напротив, силно намалява и електрическата проводимост на металите рязко се увеличава. Близо до абсолютната нула, практически няма съпротивление в металите, а в повечето метали се появява свръхпроводимост.

Трябва да се отбележи, че неметали с електрическа проводимост (например графит), напротив, не провеждат електрически ток при ниски температури поради липсата на свободни електрони. И само с повишаване на температурата и разрушаване на някои ковалентни връзки, тяхната електрическа проводимост започва да се увеличава.

Среброто, медта, а също и златото, алуминият имат най-висока електрическа проводимост, най-ниска - манган, олово, живак.

Най-често, със същата редовност като електрическата проводимост, топлопроводимостта на металите се променя.

Те се дължат на високата подвижност на свободните електрони, които, сблъсквайки се с вибриращи йони и атоми, обменят енергия с тях. Следователно температурата се изравнява в цялото парче метал.

Механичната якост, плътността и точката на топене на металите са много различни. Освен това с увеличаване на броя на еекгроните. свързващи йонни атоми и с намаляване на междуатомното разстояние в кристалите индексите на тези свойства се увеличават.

И така, алкалните метали, чиито атоми имат един валентен електрон, са меки (нарязват се с нож), с ниска плътност (литият е най-лекият метал с p - 0,53 g / cm3) и се топят при ниски температури (например топенето точката на цезия е 29 "C) Единственият метал, който е течен при нормални условия, е живак, който има точка на топене 38,9 "C.

Калцият, който има два електрона на външното енергийно ниво на атомите, е много по-твърд и се топи при по-висока температура (842 ° C).

Още по-извита е кристалната решетка, образувана от скандиеви атоми, които имат три валентни електрона.

Но най-страшните кристални решетки, висока плътност и точки на топене се наблюдават в металите от страничните подгрупи V, VI, VII, MP групи. Това е така, защото. че за метали от странични подгрупи с незапазени валентни електрони на d-подниво е характерно образуването на много силни ковалентни връзки между атомите, в допълнение към металната, осъществявани от електроните на външния слой от s-орбиталите .

Не забравяйте, че най-тежкият метал е осмият (компонент от свръхтвърди и устойчиви на износване сплави), най-огнеупорният метал е волфрамът (използван за направата на нишки за лампи), най-твърдият метал е Cr Cr (драска стъкло). Те са част от материалите, от които се изработват металорежещи инструменти, спирачни накладки на тежки машини и др.

Металите се различават по отношение на магнитни полета... Но за тази функция те са разделени на три групи:

Феромагнитни Способни да се намагнитват под въздействието дори на слаби магнитни полета (желязо - алфа форма, кобалт, никел, гадолиний);

Парамагнитните показват слаба способност за магнетизиране (алуминий, хром, титан, почти всички лантаноиди);

Диамагнитните не се привличат към магнита, дори леко се отблъскват от него (калаени, увити, бисмут).

Припомнете си, че когато разглеждаме електронната структура на металите, ние подразделихме металите на метали от основните подгрупи (k- и p-елементи) и метали от вторични подгрупи.

В технологията е обичайно металите да се класифицират според различни физически свойства:

а) плътност - бели дробове (стр< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);
б) температура на топене - топими и огнеупорни.

Класификация на металите по химични свойства

Металите с ниска химическа активност се наричат ​​благородни метали (сребро, злато, платина и нейният аналог - осмий, иридий, рутений, паладий, родий).
Алкалните (метали от група I на основната подгрупа), алкалоземните (калций, стронций, барий, радий), както и редкоземните метали (скандий, итрий, лантан и лантаноиди, анемони и актиниди) се отличават с близостта на химически Имоти.

Общи химични свойства на металите

Металните атоми относително лесно даряват валентни електрони и преминават в положително заредени, тоест се окисляват. Това, както знаете, е основното общо свойство както на атомите, така и на простите вещества, метали.

Металите в химичните реакции винаги са редуциращ агент. Редукционната способност на атомите на простите вещества - метали, образувани от химични елементи от един период или една основна подгрупа от периодичната таблица на Д. И. Менделеев, се променя естествено.

Редуциращата активност на метала в химичните реакции, които протичат във водни разтвори, отразява позицията му в електрохимичната серия от метални напрежения.

1. Колкото по-вляво е металът в този ред, толкова по-мощен редуциращ агент е той.
2. Всеки метал е способен да измести (редуцира) и да разтваря в разтвор тези метали, които са в поредицата от напрежения след него (вдясно).
3. Металите, разположени в поредицата от напрежения вляво от водорода, са способни да го изместят от киселините в разтвора.
4. Металите, които са най-силните редуциращи агенти (алкални и алкалоземни), във всеки воден разтвор взаимодействат предимно с вода.

Редукционната активност на метал, определена от електрохимичния ред, не винаги съответства на позицията му в периодичната таблица. Това е така, защото. Че при определяне на позицията на метал в поредица от напрежения, не само енергията на отделяне на електрони от отделни атоми, но и енергията, изразходвана за разрушаване на кристалната решетка, както и енергията, освободена по време на хидратацията на йони, се вземат предвид.

Например, литият е по-активен във водни разтвори от натрия (въпреки че, според позицията му в периодичната таблица, Na е по-активен метал). Въпросът е, че енергията на хидратация на Li + йони е много по-висока от енергията на хидратация на Na + йони. следователно първият процес е енергийно по-полезен.
След като разгледахме общите положения, характеризиращи редукционните свойства на металите, се обръщаме към специфични химични реакции.

Взаимодействие с прости неметални вещества

1. С кислорода повечето метали образуват оксиди – основни и амфотерни. Киселинни оксиди на преходни метали като хромов оксид или манганов оксид не се образуват чрез директно окисление на метала с кислород. Те се получават косвено.

Алкалните метали Na, K активно реагират с атмосферния кислород, образувайки пероксиди.

Натриевият оксид се получава индиректно чрез калциниране на пероксиди със съответните метали:

Литият и алкалоземните метали взаимодействат с атмосферния кислород, за да образуват основни оксиди.

Метали, различни от златото и платинените метали, които обикновено не се окисляват от атмосферния кислород, взаимодействат с него по-малко активно или при нагряване.

2. С халогените металите образуват соли на халогеноводородни киселини.

3. С водорода най-активните метали образуват хидриди - йонни солеви вещества, в които водородът има степен на окисление -1, например:
калциев хидрид.

Много преходни метали образуват хидриди с водород специален тип- има вид разтваряне или въвеждане на водород в кристалната решетка на металите между атоми и йони, докато металът запазва своята външен вид, но се увеличава по обем. Абсорбираният водород е в метала, очевидно в атомна форма. Има и междинни метални хидриди.

4. Със сярата металите образуват соли – сулфиди.

5. Металите реагират с азота малко по-трудно, тъй като химическата връзка в азотната молекула T ^ r е много силна и се образуват нитриди. При нормални температури само литият взаимодейства с азота.

Взаимодействие със сложни вещества

1. С вода. При нормални условия алкалните и алкалоземните метали изместват водорода от водата и образуват разтворими алкални основи.

Други метали, които стоят в поредицата от напрежения преди водорода, също могат да изместят водорода от водата при определени условия. Но алуминият реагира бурно с вода само ако оксидният филм се отстрани от повърхността му.

Магнезият взаимодейства с водата само при кипене, докато водородът също се отделя. Ако към водата се добави горящ магнезий, тогава горенето продължава, докато реакцията протича: водородът изгаря. Желязото взаимодейства с водата само когато е гореща.

2. Металите в серия от напрежения до водород взаимодействат с киселини в разтвор. Това произвежда сол и водород. Но оловото (и някои други метали), въпреки позицията си в поредицата от напрежения (отляво на водорода), е почти неразтворимо в разредена сярна киселина, тъй като полученият оловен сулфат PbSO е неразтворим и създава защитен филм върху металната повърхност .

3. Със соли на по-малко активни метали в разтвор. В резултат на тази реакция се образува сол на по-активен метал и по-малко активен метал се освобождава в свободна форма.

Трябва да се помни, че реакцията протича в случаите, когато получената сол е разтворима. Изместването на металите от техните съединения от други метали е изследвано за първи път в детайли от Н. Н. Бекетов, виден руски физикохимик. Той подреди металите според тяхната химическа активност в "отрицателния ред", който стана прототип на редица метални напрежения.

4.В органична материя... Взаимодействието с органични киселини е подобно на реакциите с минерални киселини. Алкохолите, от друга страна, могат да проявяват слаби киселинни свойства при взаимодействие с алкални метали.

Металите участват в реакции с халоалкани, които се използват за получаване на нисши циклоалкани и за синтези, по време на които въглеродният скелет на молекулата става по-сложен (реакция на А. Вюрц):

5. Металите, чиито хидроксиди са амфотерни, взаимодействат с алкали в разтвор.

6. Металите могат да се образуват химични съединенияедин с друг, които са получили общо име - интерметални съединения. Те най-често не показват степените на окисление на атомите, които са характерни за съединенията на метали с неметали.

Интерметалните съединения обикновено нямат постоянен състав, химичната връзка в тях е предимно метална. Образуването на тези съединения е по-характерно за метали от странични подгрупи.

Метални оксиди и хидроксиди

Оксидите, образувани от типичните метали, се класифицират като солеобразуващи, с основни свойства. Както знаете, хидроксидите отговарят на тях. които са основи, които са разтворими във вода в случай на алкални и алкалоземни метали, са силни електролити и се наричат ​​алкални.

Оксидите и хидроксидите на някои метали са амфотерни, тоест могат да проявяват както основни, така и киселинни свойства в зависимост от веществата, с които взаимодействат.

Например:

Много метали от странични подгрупи, които имат променлива степен на окисление в съединенията, могат да образуват няколко оксида и хидроксиди, чиято природа зависи от степента на окисление на метала.

Например, хромът в съединенията проявява три степени на окисление: +2, +3, +6, така че образува три серии от оксиди и хидроксиди и с увеличаване на степента на окисление киселинният характер се засилва и основният се отслабва .

Корозия на метали

Когато металите взаимодействат с вещества заобикаляща средаПовърхностите им са образувани от съединения с напълно различни свойства от самите метали. Обикновено използваме думите "ръжда", "ръждясване", виждайки кафяво-червен цвят върху предмети, изработени от желязо и неговите сплави. Ръждането е често срещан случай на корозия.

Корозията е процес на спонтанно разрушаване на метали, а не) алиях на околната среда (от лат. - корозия).

Въпреки това, почти всички метали се разрушават и в резултат на това много от техните свойства се влошават (или са напълно загубени): силата, пластичността, блясъкът намалява, електрическата проводимост намалява и триенето между движещите се части на mnins също се увеличава, размерите на частите промяна и др.

Корозията на металите е непрекъсната и локална.

Nerven не е толкова опасен, колкото втория, неговите прояви могат да се вземат предвид при проектирането на конструкции и устройства. Локалната корозия е много по-опасна, въпреки че загубите на метал тук могат да бъдат малки. Един от най-опасните от неговите видове е точка. Те се състоят в образуването на проходни лезии, тоест точкови кухини - ями, докато здравината на отделните участъци намалява, надеждността на конструкциите, апаратите, конструкциите намалява.

Корозията на металите причинява големи икономически щети. Човечеството понася огромни материални загуби при повторното унищожаване на тръбопроводи, машинни части, кораби, мостове и различно оборудване.

Корозията води до намаляване на надеждността на работата на металните конструкции - Като се има предвид възможното разрушаване, е необходимо да се надцени здравината на някои продукти (например части на самолети, лопатки на турбини), което означава увеличаване на разхода на метал, а това изисква допълнителни икономически разходи.

Корозията води до прекъсване на производството поради подмяна на неизправно оборудване, до загуба на суровини и продукти в резултат на разрушаване на ореол, нефтопроводи и водопроводи. Невъзможно е да не се вземат предвид щетите за природата, а следователно и за човешкото здраве, причинени в резултат на изтичане на нефтопродукти и др. химични вещества... Корозията може да доведе до замърсяване) на продукта и следователно до намаляване на качеството му. Разходите за възстановяване на загубите поради корозия са огромни. Те представляват около 30% от годишното производство на метали в световен мащаб.

От всичко казано следва, че много важен проблем е да се намерят начини за защита на металите и сплавите от корозия.

Те са много разнообразни. Но за техния избор е необходимо да се знае и вземе предвид химическата същност на корозионните процеси.

Но химическата природа на корозията е окислително-редукционен процес. Различават се няколко вида корозия в зависимост от средата, в която протича.

Най-често срещаните видове корозия: химическа и електрохимична.

I. Химическата корозия възниква в непроводима среда. Този вид корозия се проявява при взаимодействие на метали със сухи газове или течности - неелектролити (бензин, керосин и др.) Части и възли на двигатели, газови турбини, ракетни установки подлежат на такова разрушаване. При обработката на метали при високи температури често се наблюдава химическа корозия.

Повечето метали се окисляват от атмосферния кислород, образувайки оксидни филми на повърхността. Ако този филм е здрав, плътен, добре свързан с метала, тогава той предпазва метала от по-нататъшно разрушаване. В желязото е насипно, поресто, лесно се отделя от повърхността и следователно не е в състояние да предпази метала от по-нататъшно разрушаване.

II. Електрохимичната корозия възниква в проводяща среда (в електролит) с появата вътре в системата електрически ток... По правило металите и сплавите са хетерогенни и съдържат включвания на различни примеси. Когато влязат в контакт с електролити, някои части от повърхността започват да играят ролята на анод (отдават електрони), докато други играят ролята на катод (получават електрони).

В един случай ще се наблюдава отделяне на газ (Ng). В другия, образуването на ръжда.

И така, електрохимичната корозия е реакция, която се случва в среди, които провеждат ток (за разлика от химическата корозия). Процесът възниква, когато два метала влязат в контакт или върху повърхността на метал, съдържащ включвания, които са по-малко активни проводници (това може да бъде и неметал).

При анода (по-активен метал) металните атоми се окисляват с образуването на катиони (разтваряне).

При катода (по-малко активен проводник) има редукция на водородни йони или кислородни молекули с образуването съответно на Н2 или ОН-хидроксидни йони.

Водородните катиони и разтвореният кислород са най-важните окислители, причиняващи електрохимична корозия.

Скоростта на корозия е по-висока, колкото повече различни метали (метал и примеси) се различават по своята активност (за металите - толкова по-далеч един от друг са разположени в поредицата от напрежения). Корозията се увеличава значително с повишаване на температурата.

Може да служи като електролит морска вода, речна вода, кондензирана влага и, разбира се, добре познати на всички електролити - разтвори на соли, киселини, основи.

Очевидно си спомняте, че през зимата индустриалната сол се използва за отстраняване на сняг и лед от тротоарите (натриев хлорид, понякога калциев хлорид и др.) - Получените разтвори се оттичат в канализационните тръбопроводи, като по този начин създават благоприятна среда за електрохимична корозия на подземните комунални услуги .

Методи за защита от корозия

Още по време на проектирането на метални конструкции тяхното производство предвижда мерки за защита срещу корозия.

1. Шлайфане на повърхностите на продукта, така че влагата да не се задържа върху тях.
2. Използването на легирани сплави, съдържащи специални добавки: хром, никел, които при високи температури върху металната повърхност образуват стабилен оксиден слой. Добре познати легирани стомани - неръждаема стомана, от които се изработват предмети за бита (вилици, лъжици), машинни части, инструменти.
3. Нанасяне на защитни покрития.

Нека разгледаме техните видове.

Неметални - неокисляващи масла, специални лакове, бои. Вярно, те са краткотрайни, но евтини.

Химически - изкуствено създадени повърхностни филми: оксидни, лимонени, силицидни, полимерни и др. Например, всички малки оръжия В детайлите на много прецизни инструменти, полирането е процесът на получаване на най-тънкия филм от железни оксиди върху повърхността на стоманен продукт . Полученият филм от изкуствен оксид е много издръжлив и придава на продукта красив черен и син нюанс. Полимерните покрития са направени от полиетилен, поливинилхлорид и полиамидни смоли. Те се прилагат по два начина: нагрятият продукт се поставя в полимерен прах, който се топи и се заварява към метала, или металната повърхност се обработва с полимерен разтвор в разтворител с нисък добив, който бързо се изпарява, и полимерът филм остава върху продукта.

Метални - това са покрития с други метали, върху чиято повърхност под действието на окислители се образуват стабилни защитни филми.

Нанасяне на хром върху повърхността - хромиране, никел - никелиране, поцинковане, калайдисване и др. Покритието може да бъде и химически пасивен метал - злато, сребро, мед.

4. Електрохимични методи на защита.

Защитен (аноден) – към защитената метална конструкция се прикрепя парче по-активен метал (протектор), което служи като анод и се разрушава при наличие на електролит. Магнезият, алуминият, цинкът се използват като протектор за защита на корабни корпуси, тръбопроводи, кабели и други стилни продукти;

Катодна - металната конструкция е свързана към катода на външен източник на ток, което изключва възможността за нейното анодно разрушаване

5. Специална обработка на електролита или средата, в която се намира защитената метална конструкция.

Майсторите на дамаски са известни с премахването на котлен камък и
ръжда използва разтвори на сярна киселина с добавка на бирена мая, брашно, нишесте. Те донасят и са сред първите инхибитори. Те не позволиха на киселината да действа върху метала на оръжието, в резултат на което се разтвориха само котлен камък и ръжда. Уралските оръжейници са използвали за тези цели кисели супи - разтвори на сярна киселина с добавка на брашнени трици.

Примери за използване на съвременни инхибитори: солната киселина по време на транспортиране и съхранение е идеално "опитомена" от бутиламинови производни. а сярна киселина- азотна киселина; летливият диетиламин се инжектира в различни контейнери. Имайте предвид, че инхибиторите действат само върху метала, което го прави пасивен по отношение на средата, например към киселинен разтвор. Науката познава повече от 5 хиляди инхибитори на корозията.

Отстраняване на кислород, разтворен във вода (обезвъздушаване). Този процес се използва при приготвянето на вода, постъпваща в котелни инсталации.

Методи за получаване на метали

Значителната химическа активност на металите (взаимодействие с атмосферен кислород, други неметали, вода, солеви разтвори, киселини) води до факта, че в земната кора те се намират главно под формата на съединения: оксиди, сулфиди, сулфати, хлориди , карбонати и др.

В свободна форма има метали, разположени в серия от напрежения вдясно от водорода, въпреки че много по-често мед и живак могат да бъдат намерени в природата под формата на съединения.

Минерали и скалисъдържащи метали и техните съединения, от които отделянето на чисти метали е технически възможно и икономически осъществимо, се наричат ​​руди.

Получаването на метали от руди е задача на металургията.
Металургията също е наука за промишлените методи за получаване на метали от руди. и индустрия.
Всеки металургичен процес е процес на редуциране на метални йони с помощта на различни редуциращи агенти.

За да се реализира този процес, е необходимо да се вземе предвид активността на метала, да се избере редуциращ агент, да се вземе предвид технологичната осъществимост, икономическите и екологичните фактори. Съответно има следните начиниполучаване на метали: пирометалургични. хидрометалургични, електрометалургични.

Пирометалургия - редукция на метали от руди при високи температури с помощта на въглерод, въглероден оксид (P). водород, метали - алуминий, магнезий.

Например калайът се редуцира от каситерит, докато медта се редуцира от куприт чрез калциниране с въглища (кокс). Сулфидните руди предварително се подлагат на изпичане при достъп на въздух, след което полученият оксид се редуцира с въглища. Металите също се изолират от карбонатни руди чрез изпомпване на въглища, тъй като карбонатите се разлагат при нагряване, превръщайки се в оксиди, а последните се редуцират от въглища.

Хидрометалургията е извличане на метали от техните соли в разтвор. Процесът протича на 2 етапа:

1) естественото съединение се разтваря в подходящ реагент за образуване на солев разтвор на този метал;
2) този метал се измества от получения rakhtvory по-активен или редуциран чрез електролиза. Например, за да се получи мед за руди, съдържащи меден оксид CuO, тя се обработва с разреден сярен килограм.

След това медта се отстранява от солевия разтвор или чрез електролиза, или сулфатът се измества с желязо. По този начин се получава сребро, цинк, молибден, злато, уран.

Електрометалургията е редукция на метали в хода на електролиза на разтвори или стопилки на техните съединения.

Електролиза

Ако електродите се спуснат в разтвор или разтопен електролит и се пропусне постоянен електрически ток, тогава йоните ще се движат по насочен начин: катиони - към катода (отрицателно зареден електрод), аниони - към анода (положително зареден електрод).

На катода катионите приемат електрони и се редуцират на анода, анионите даряват електрони и се окисляват. Този процес се нарича електролиза.
Електролизата е окислително-редукционен процес, който протича по време на електрически ток, преминаващ през електролит или електролитен разтвор.

Най-простият пример за такива процеси е електролизата на разтопени соли. Помислете за процеса на електролиза на стопилка на натриев хлорид. Процесът на термична дисоциация протича в стопилката. Под действието на електрически ток катионите се придвижват към катода и получават електрони от него.
На катода се образува метален натрий, а на анода - газообразен хлор.

Основното нещо, което трябва да запомните: в процеса на електролиза поради електрическа енергия се извършва химическа реакция, която не може да протече спонтанно.

Ситуацията е по-сложна в случай на електролиза на електролитни разтвори.

В солевия разтвор, освен метални йони и киселинен остатък, присъстват водни молекули. Следователно, когато се разглеждат процесите върху електродите, е необходимо да се вземе предвид тяхното участие в електролизата.

За определяне на продуктите от електролиза водни разтвориелектролити се прилагат следните правила.

1. Процесът на катода не зависи от материала на катода, върху който е направен, а от позицията на метала (електролитния катион) в електрохимичната серия от напрежения, докато ако:

1.1. Електролитният катион се намира в поредицата от напрежения в началото на серията (по протежение на Al включително), след това на катода настъпва процесът на редукция на водата (освобождава се водород). Металните катиони не се редуцират, те остават в разтвор.
1.2. Катионът на електролита е в поредица от напрежения между алуминий и водород, след което както металните несъдържания, така и водните молекули се редуцират на катода.
1.3. Катионът на електролита е в поредицата от напрежения след водорода, след което металните катиони се редуцират на катода.
1.4. Разтворът съдържа катиони от различни метали, след което изтегленият метален катион се редуцира, стоящ в серия от напрежения

Тези правила са отразени в диаграма 10.

2. Процесът на анода зависи от материала на анода и от естеството на анода (схема 11).

2.1. Ако анодът се разтвори (желязо, цинк. мед, сребро и всички метали, които се окисляват по време на електролиза), тогава анодният метал се окислява, въпреки естеството на аниона. 2.2. Ако анодът не се разтваря (нарича се инертен - графит, злато, платина), тогава:
а) по време на електролизата на разтвори на соли на аноксидни киселини (прометориди), анионът се окислява на анода;
б) по време на електролизата на разтвори на соли на кислород-съдържаща киселина и флуориди, процесът на окисляване на водата протича на анода. Анионите не се окисляват, остават в разтвор;

Електролизата на стопилки и разтвори на вещества се използва широко в промишлеността:

1. За производството на метали (алуминий, магнезий, натрий, кадмий се получават само чрез електролиза).
2. За производство на водород, халогени, алкали.
3. За пречистване на метали - рафиниране (пречистването на мед, никел, олово се извършва по електрохимичен метод).
4. За защита на металите от корозия - нанасяне на защитни покрития под формата на тънък слой от друг устойчив на корозия метал (хром, никел, мед, сребро, злато) - галванично покритие.
5. Получаване на метални копия, плочи - галванопластика.

Практическа задача

1. Как структурата на металите е свързана с тяхното подреждане в основната и вторичната подгрупи на периодичната таблица на химичните елементи на Д. И. Менделеев?
2. Защо алкалните и алкалоземните метали имат единична степен на окисление в съединенията: съответно (+1) и (+2), а металите от страничните подгрупи, като правило, проявяват различни степени на окисление в съединенията?
3. Какви степени на окисление може да проявява манганът? Какви оксиди до хидроценти съответстват на мангана в тези степени на окисление? Каква е тяхната природа?
4. Сравнете електронната структура на атомите на елементите от VII група: манган и хлор. Обяснете разликата в химичните им свойства и наличието на различни степени на окисление на атомите и за двата елемента.
5. Защо позицията на металите в електрохимичния ред от напрежения не винаги съответства на позицията им в Периодичната система на Д. И. Менделеев?
9. Направете уравненията за реакциите на натрий и магнезий с оцетна киселина. В кой случай и защо скоростта на реакцията ще бъде по-висока?
11. Какви методи за получаване на метали познавате? Каква е същността на всички методи?
14. Какво е корозия? Какви видове корозия познавате? Кое представлява физикохимичен процес?
15. Могат ли да се считат за корозия следните процеси: а) окисляване на желязото при електрозаваряване, б) взаимодействие на цинк със солна киселина при получаване на гравирана киселина за запояване? Дайте аргументиран отговор.
17. Мангановият продукт е във вода и влиза в контакт с медния продукт. И двете ще останат ли непроменени?
18. Ще бъде ли защитена желязната конструкция от електрохимична корозия във вода, ако върху нея се стъпи пластина от друг метал: а) магнезий, б) олово, в) никел?
19. С каква цел повърхността на резервоарите за съхранение на петролни продукти (бензин, керосин) се боядисва със сребро – смес от алуминиев прах с едно от растителните масла?
20. На повърхността на подкиселената почва на градинския учеткл има железни тръби с вкарани месингови кранове. Какво ще корозира: тръбата за кран Yiyang? Къде разрушаването е най-силно изразено?
21. Каква е разликата между електролизата на стопилки и електролизата на водни разтвори?
22 *. Какви метали могат да бъдат получени чрез електролиза на техните солни стопилки и не могат да бъдат получени чрез електролиза на водни разтвори на тези вещества?
23 *. Направете уравненията за електролизата на бариев хлорид в: а) стопилка, б) разтвор
28. Към разтвор, съдържащ 27 g меден (II) хлорид се добавят 1-4 g железни стърготини. Каква маса мед се отделя в резултат на тази реакция?
Отговор: 12,8 гр.
29. Каква маса цинков сулфат може да се получи при взаимодействие на излишъка от цинк с 500 ml 20% разтвор на сярна киселина с плътност 1,14 g/ml?
Отговор: 187,3 g.
31. При обработката на 8 g смес от магнезий и магнезиев оксид със солна киселина се отделят 5,6 литра водород (n, u.). Какво е масова част(в%) ЮНИ в оригиналната смес?
Отговор: 75%.
34. Определете масовата част (в проценти) на въглерода в стоманата (сплав от желязо с въглерод), ако по време на изгарянето на нейната проба с тегло 10 g в поток от кислород, 0,28 литра въглероден оксид (IV) (стандарт) бяха събрани.
Отговор: 1,5%.
35. Проба от 0,5 g натрий се поставя във вода. Нито за неутрализиране на получения разтвор се изразходват 29,2 g 1,5% солна киселина. Каква е масовата част (процентът) на натрия в пробата?
Отговор: 55,2%.
36. Сплав от мед и алуминий се обработва с излишък от разтвор на натриев хидроксид, докато се отделя газ с обем 1,344 L (стандартна единица) Остатъкът след реакцията се разтваря в азотна киселина, след което разтворът се изпарява и калциниран до постоянно тегло, което се оказа равно на 0,4 г. състав на сплавта? Отговор: 1,08 g Al 0,32 g Cu или 77,14 % Al 22,86 % Cu.
37. Каква маса чугун, съдържащ 94% желязо, може да се получи от 1 тон червена желязна руда (Fe2O3), съдържаща 20% примеси?
Отговор: 595,74 кг.

Метали в природата

Ако сте изучавали внимателно химията в предишните класове, тогава знаете, че периодичната таблица има повече от деветдесет вида метали и около шестдесет от тях могат да бъдат намерени в естествена среда.

Естествено срещащите се метали могат грубо да бъдат разделени на следните групи:

Метали, които могат да се намерят в природата в свободна форма;
метали, открити като съединения;
метали, които могат да бъдат намерени в смесена форма, тоест те могат да бъдат както в свободна форма, така и под формата на съединения.

За разлика от други химични елементи, металите доста често се срещат в природата под формата на прости вещества. Обикновено имат роден щат. Такива метали, които са представени под формата на прости вещества, включват злато, сребро, мед, платина, живак и други.

Но не всички метали, открити в естествената среда, присъстват в естественото си състояние. Някои метали могат да бъдат намерени под формата на съединения и се наричат ​​минерали.

В допълнение, химически елементи като сребро, живак и мед могат да бъдат намерени както в естествено състояние, така и в състояние на вид на съединения.

Всички онези минерали, от които могат да се получат метали в бъдеще, се наричат ​​руди. В природата има руда, която включва желязо. Това съединение се нарича желязна руда. И ако съставът съдържа мед, но съответно, такова съединение се нарича медна руда.

Разбира се, най-често срещаните метали в природата са метали, които активно взаимодействат с кислорода и сярата. Те се наричат ​​метални оксиди и сулфиди.

Алуминият е толкова често срещан елемент, който образува метал. Алуминият се намира в глината, а също и в скъпоценни камъни като сапфир и рубин.

Вторият най-популярен и разпространен метал е желязото. Той, като правило, се среща в природата под формата на съединения, а в естествената си форма може да се намери само в състава на метеоритни камъни.

Следващите по честота в естествената среда, или по-скоро в земната кора, са метали като магнезий, калций, натрий, калий.

Държейки монети в ръката си, вероятно сте забелязали, че те излъчват характерна миризма. Но се оказва, че това не е миризмата на метал, а миризмата, която идва от съединенията, която се образува, когато металът влезе в контакт с човешката пот.

Знаете ли, че Швейцария е установила производството на златни кюлчета под формата на шоколад, които могат да се натрошат на филийки и да се използват като подарък или средство за плащане? Компанията произвежда такива шоколадови блокчета от злато, сребро, платина и паладий. Ако такава плочка се счупи на филийки, тогава всяка от тях тежи само един грам.

И все пак доста интересно свойство притежава такава метална сплав като нитинол. Той е уникален с това, че има ефект на памет и при нагряване деформиран продукт, изработен от тази сплав, може да се върне в първоначалния си вид. Такива особени материали с така наречената памет се използват за производството на втулки. Те имат свойството да се свиват при ниски температури, а при стайна температура тези ръкави се изправят и тази връзка е дори по-надеждна от заваряването. И това явление възниква поради факта, че тези сплави имат термоеластична структура.

Чудили ли сте се защо е прието да добавяте сплав от сребро или мед към златните бижута? Оказва се, че това е така, защото златото в чист вид е много меко и лесно се надраска дори с нокът.