Prześlij metale przedmiotowe do chemii. Metale: ogólna charakterystyka metali i stopów

Metale (z łac. metallum - moje, moje) to grupa pierwiastków w postaci prostych substancji o charakterystycznych właściwościach metalicznych, takich jak wysoka przewodność cieplna i elektryczna, dodatni współczynnik temperaturowy odporności, wysoka plastyczność i metaliczny połysk.

Spośród 118 pierwiastków chemicznych odkrytych w tej chwili (z których nie wszystkie są oficjalnie uznane), metale obejmują:

6 pierwiastków z grupy metali alkalicznych,
6 w grupie metali ziem alkalicznych,
38 w grupie metali przejściowych,
11 w grupie metali lekkich,
7 w grupie półmetali,
14 w grupie lantanowce + lantan,
14 w grupie aktynowców (właściwości fizyczne nie były badane dla wszystkich pierwiastków) + aktyn,
poza niektórymi grupami beryl i magnez.

Tak więc 96 pierwiastków ze wszystkich odkrytych może należeć do metali.

W astrofizyce termin „metal” może mieć inne znaczenie i oznaczać wszystko pierwiastki chemiczne cięższy niż hel

Charakterystyczne właściwości metali

Połysk metaliczny (typowy nie tylko dla metali: mają go również niemetale, jod i węgiel w postaci grafitu)
Dobra przewodność elektryczna
Możliwość łatwej obróbki
Wysoka gęstość (zwykle metale są cięższe niż niemetale)
Wysoka temperatura topnienia (wyjątki: rtęć, gal i metale alkaliczne)
Wysoka przewodność cieplna
W reakcjach są to najczęściej środki redukujące.

Właściwości fizyczne metali

Wszystkie metale (z wyjątkiem rtęci i konwencjonalnie Francji) w normalnych warunkach są w stan stały mają jednak różną twardość. Poniżej znajduje się twardość Mohsa niektórych metali.

Temperatury topnienia czyste metale w zakresie od -39 ° C (rtęć) do 3410 ° C (wolfram). Większość metali (z wyjątkiem alkaliów) ma wysoką temperaturę topnienia, ale niektóre „zwykłe” metale, takie jak cyna i ołów, można topić na konwencjonalnej kuchence elektrycznej lub gazowej.

W zależności od gęstość metale dzielą się na lekkie (gęstość 0,53 ÷ 5 g/cm³) i ciężkie (5 ÷ 22,5 g/cm³). Najlżejszym metalem jest lit (gęstość 0,53 g/cm³). Obecnie nie da się wymienić najcięższego metalu, ponieważ gęstości osmu i irydu - dwóch najcięższych metali - są prawie równe (około 22,6 g / cm³ - dokładnie dwa razy więcej niż gęstość ołowiu) i niezwykle trudno jest je obliczyć. dokładna gęstość: wymaga to całkowitego oczyszczenia metali, ponieważ wszelkie zanieczyszczenia zmniejszają ich gęstość.

Większość metali Plastikowy, czyli drut metalowy można zginać bez zerwania. Wynika to z przemieszczania się warstw atomów metalu bez zrywania wiązania między nimi. Najbardziej plastyczne są złoto, srebro i miedź. Folia o grubości 0,003 mm może być wykonana ze złota, które służy do złocenia wyrobów. Jednak nie wszystkie metale są plastyczne. Drut cynkowy lub cynowy chrupie podczas zginania; mangan i bizmut nie wyginają się w ogóle podczas deformacji, ale pękają natychmiast. Plastyczność zależy również od czystości metalu; tak więc bardzo czysty chrom jest bardzo plastyczny, ale zanieczyszczony nawet niewielkimi zanieczyszczeniami staje się kruchy i twardszy. Niektóre metale, takie jak złoto, srebro, ołów, aluminium, osm, mogą rosnąć razem, ale może to potrwać dziesiątki lat.

Wszystkie metale są dobre przewodzić prąd elektryczny; wynika to z obecności w ich sieciach krystalicznych ruchomych elektronów poruszających się pod działaniem pola elektrycznego. Srebro, miedź i aluminium mają najwyższą przewodność elektryczną; z tego powodu dwa ostatnie metale są najczęściej używane jako materiał na drut. Sód ma również bardzo wysoką przewodność elektryczną, w sprzęcie doświadczalnym znane są próby wykorzystania przewodników prądu sodowego w postaci cienkościennych rurek ze stali nierdzewnej wypełnionych sodem. Ze względu na niski ciężar właściwy sodu, przy równym oporze, „druty” sodowe są znacznie lżejsze niż miedziane, a nawet nieco lżejsze niż aluminiowe.

Wysoka przewodność cieplna metali zależy również od ruchliwości wolnych elektronów. Dlatego szereg przewodności cieplnych jest podobny do szeregu przewodności elektrycznych, a najlepszym przewodnikiem ciepła, podobnie jak elektryczność, jest srebro. Sód znajduje również zastosowanie jako dobry przewodnik ciepła; powszechnie znane jest np. stosowanie sodu w zaworach silników samochodowych w celu poprawy ich chłodzenia.

Kolor większość metali ma w przybliżeniu to samo - jasnoszary z niebieskawym odcieniem. Złoto, miedź i cez są odpowiednio żółte, czerwone i jasnożółte.

Właściwości chemiczne metali

Na zewnętrznym poziomie elektronicznym większość metali ma niewielką liczbę elektronów (1-3), dlatego w większości reakcji działają jako środki redukujące (czyli „oddają” swoje elektrony)

Reakcje z prostymi substancjami

Wszystkie metale reagują z tlenem, z wyjątkiem złota i platyny. Reakcja ze srebrem zachodzi w wysokich temperaturach, ale tlenek srebra (II) praktycznie nie powstaje, ponieważ jest niestabilny termicznie. W zależności od metalu, produkt może zawierać tlenki, nadtlenki, ponadtlenki:

tlenek litu

nadtlenek sodu

nadtlenek potasu

Aby uzyskać tlenek z nadtlenku, nadtlenek jest redukowany metalem:

W przypadku metali o średniej i niskiej aktywności reakcja zachodzi po podgrzaniu:

Tylko najbardziej aktywne metale reagują z azotem, tylko lit oddziałuje w temperaturze pokojowej, tworząc azotki:

Po podgrzaniu:

Wszystkie metale reagują z siarką, z wyjątkiem złota i platyny:

Żelazo reaguje z siarką po podgrzaniu, tworząc siarczek:

Z wodorem reagują tylko najbardziej aktywne metale, czyli metale z grup IA i IIA, z wyjątkiem Be. Reakcje są prowadzone przez ogrzewanie i tworzą się wodorki. W reakcjach metal działa jako czynnik redukujący, stopień utlenienia wodoru wynosi -1:

Tylko najbardziej aktywne metale reagują z węglem. W tym przypadku powstają acetylenki lub metanoniki. Acetyleny podczas interakcji z wodą dają acetylen, metanowce - metan.

Jeśli w układzie okresowym pierwiastków DI Mendelejewa narysujemy przekątną od berylu do astatynu, to po lewej stronie pod przekątną będą pierwiastki metalowe (są to także elementy podgrup bocznych, podświetlone na niebiesko), a po prawej u góry - elementy niemetalowe (podświetlone na żółto). Elementy znajdujące się w pobliżu przekątnej - półmetale lub metaloidy (B, Si, Ge, Sb itp.), mają podwójny charakter (podświetlone na różowo).

Jak widać na rysunku zdecydowana większość pierwiastków to metale.

Ze względu na swoją chemiczną naturę metale są pierwiastkami chemicznymi, których atomy oddają elektrony z zewnętrznego lub przed-zewnętrznego poziomu energii, tworząc w ten sposób dodatnio naładowane jony.

Prawie wszystkie metale mają stosunkowo duże promienie i niewielką liczbę elektronów (od 1 do 3) na zewnętrznym poziomie energii. Metale charakteryzują się niskimi wartościami elektroujemności i właściwościami redukującymi.

Najbardziej typowe metale znajdują się na początku okresów (począwszy od drugiego), dalej od lewej do prawej właściwości metaliczne słabną. W grupie od góry do dołu właściwości metaliczne są wzmocnione, ponieważ zwiększa się promień atomów (ze względu na wzrost liczby poziomów energetycznych). Prowadzi to do zmniejszenia elektroujemności (zdolności do przyciągania elektronów) pierwiastków i zwiększenia właściwości redukujących (zdolność oddawania elektronów innym atomom w reakcjach chemicznych).

Typowy metale są pierwiastkami s (pierwiastki grupy IA od Li do Fr. pierwiastki grupy PA od Mg do Ra). Ogólny wzór elektronowy ich atomów to ns 1-2. Charakteryzują się one odpowiednio stopniami utlenienia +I i +II.

Niewielka liczba elektronów (1-2) na zewnętrznym poziomie energii typowych atomów metali sugeruje niewielką utratę tych elektronów i przejaw silnych właściwości redukujących, które odzwierciedlają niskie wartości elektroujemności. W związku z tym właściwości chemiczne i metody otrzymywania typowych metali są ograniczone.

Charakterystyczną cechą typowych metali jest tendencja ich atomów do tworzenia kationów i jonowych wiązań chemicznych z atomami niemetali. Związkami typowych metali z niemetalami są kryształy jonowe „kation metalu anion niemetalu”, na przykład K + Br -, Ca 2+ O 2-. Kationy typowych metali są również zawarte w związkach ze złożonymi anionami - wodorotlenkami i solami, na przykład Mg 2+ (OH -) 2, (Li +) 2CO 3 2-.

Metale grup A tworzące przekątną amfoteryczności w Układ okresowy pierwiastków Be-Al-Ge-Sb-Po, jak również metale sąsiadujące (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) nie wykazują właściwości typowo metalicznych. Ogólny wzór elektronowy ich atomów ns 2 np 0-4 zakłada większą różnorodność stanów utlenienia, większą zdolność do zatrzymywania własnych elektronów, stopniowy spadek ich zdolności redukcyjnej oraz pojawianie się zdolności oksydacyjnej, zwłaszcza w wysokie stopnie utlenianie (typowymi przykładami są związki Tl III, Pb IV, Biv). Podobne zachowanie chemiczne jest typowe dla większości (pierwiastków d, tj. pierwiastków grup B układu okresowego ( typowe przykłady- pierwiastki amfoteryczne Cr i Zn).

Ta manifestacja dwoistości (amfoteryczności) właściwości, zarówno metalicznych (podstawowych), jak i niemetalicznych, wynika z natury wiązania chemicznego. W stanie stałym związki metali nietypowych z niemetalami zawierają głównie wiązania kowalencyjne (ale mniej silne niż wiązania między niemetalami). W roztworze wiązania te łatwo ulegają zerwaniu, a związki dysocjują na jony (w całości lub w części). Na przykład metal galu składa się z cząsteczek Ga 2 , w stanie stałym chlorki glinu i rtęci (II) AlCl 3 i HgCl 2 zawierają silnie kowalencyjne wiązania, ale w roztworze AlCl 3 dysocjuje prawie całkowicie, a HgCl 2 - do bardzo mały stopień (a następnie na jonach НgСl + i Сl -).

Ogólne właściwości fizyczne metali

Ze względu na obecność wolnych elektronów ("gazu elektronowego") w sieci krystalicznej, wszystkie metale wykazują następujące charakterystyczne właściwości ogólne:

1) Plastikowy- możliwość łatwej zmiany kształtu, wciągania w drut, zwijania w cienkie arkusze.

2) Metaliczny połysk i nieprzezroczystość. Wynika to z oddziaływania swobodnych elektronów ze światłem padającym na metal.

3) Przewodnictwo elektryczne... Wyjaśnia to kierunkowy ruch swobodnych elektronów od bieguna ujemnego do dodatniego pod wpływem niewielkiej różnicy potencjałów. Po podgrzaniu przewodność elektryczna spada, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury nasilają się drgania atomów i jonów w węzłach sieci krystalicznej, co komplikuje kierunkowy ruch „gazu elektronowego”.

4) Przewodność cieplna. Jest to spowodowane dużą ruchliwością wolnych elektronów, dzięki czemu następuje szybkie wyrównanie temperatury nad masą metalu. Bizmut i rtęć mają najwyższą przewodność cieplną.

5) Twardość. Najtwardszy jest chrom (przecina szkło); najdelikatniejsze - metale alkaliczne - potas, sód, rubid i cez - są cięte nożem.

6) Gęstość. Im mniej, tym mniej masa atomowa metal i większy promień atomu. Najlżejszy to lit (ρ = 0,53 g / cm3); najcięższy jest osm (ρ = 22,6 g / cm3). Metale o gęstości mniejszej niż 5 g/cm3 są uważane za „metale lekkie”.

7) Temperatura topnienia i wrzenia. Najniżej topiącym się metalem jest rtęć (temperatura topnienia = -39 ° C), najbardziej ogniotrwałym metalem jest wolfram (temperatura topnienia = 3390 ° C). Metale o t ° pl. powyżej 1000 ° C uważa się za ogniotrwałe, poniżej - niskotopliwe.

Ogólne właściwości chemiczne metali

Silne środki redukujące: Me 0 - nē → Me n +

Szereg naprężeń charakteryzuje aktywność porównawczą metali w reakcjach redoks w roztworach wodnych.

I. Reakcje metali z niemetalami

1) Z tlenem:
2Mg + O2 → 2MgO

2) Z szarym:
Hg + S → HgS

3) Z halogenami:
Ni + Cl 2 - t ° → NiCl 2

4) Z azotem:
3Ca + N 2 - t ° → Ca 3 N 2

5) Z fosforem:
3Ca + 2P - t ° → Ca 3 P 2

6) Z wodorem (reagują tylko metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych):
2Li + H2 → 2LiH

Ca + H 2 → CaH 2

II. Reakcje metali z kwasami

1) Metale w elektrochemicznym szeregu napięć do H redukują kwasy nieutleniające do wodoru:

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2

2) Z kwasami utleniającymi:

Z oddziaływaniem kwasu azotowego o dowolnym stężeniu i stężonego siarkowego z metalami wodór nigdy nie jest uwalniany!

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

4Zn + 5H2SO4 (К) → 4ZnSO4 + H2S + 4H2O

3Zn + 4H2SO4 (К) → 3ZnSO4 + S + 4H2O

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. Oddziaływanie metali z wodą

1) Aktywne (metale alkaliczne i ziem alkalicznych) tworzą rozpuszczalną zasadę (alkaliczną) i wodór:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

2) Metale o średniej aktywności utleniają się wodą po podgrzaniu do tlenku:

Zn + H 2 O - t ° → ZnO + H 2

3) Nieaktywne (Au, Ag, Pt) - nie reagują.

IV. Zastąpienie mniej aktywnych metali z roztworów ich soli przez bardziej aktywne metale:

Cu + HgCl2 → Hg + CuCl2

Fe + CuSO 4 → Cu + FeSO 4

W przemyśle często stosuje się nie czyste metale, ale ich mieszaniny - stopy, w którym korzystne właściwości jednego metalu uzupełniają korzystne właściwości innego. Tak więc miedź ma niską twardość i jest mało przydatna do produkcji części maszyn, podczas gdy stopy miedzi z cynkiem ( mosiądz) są już dość solidne i są szeroko stosowane w inżynierii mechanicznej. Aluminium ma wysoką ciągliwość i wystarczającą lekkość (mała gęstość), ale jest zbyt miękkie. Na jego podstawie przygotowywany jest stop z magnezem, miedzią i manganem - duraluminium (duraluminium), które bez utraty użyteczne właściwości aluminium, nabiera dużej twardości i nadaje się do budowy samolotów. Powszechnie znane są stopy żelaza z węglem (i dodatkami innych metali) żeliwo oraz stal.

Darmowe metale są środki redukujące. ale reaktywność niektóre metale są małe ze względu na to, że są pokryte warstwa tlenku powierzchniowego, w różnym stopniu odporny na działanie chemikaliów takich jak woda, roztwory kwasów i zasad.

Na przykład ołów jest zawsze pokryty warstwą tlenku; do jego przejścia do roztworu wymagane jest nie tylko działanie odczynnika (na przykład rozcieńczonego kwasu azotowego), ale także ogrzewanie. Powłoka tlenkowa na aluminium zapobiega jego reakcji z wodą, ale jest niszczona przez kwasy i zasady. Luźny film tlenkowy (rdza), powstający na powierzchni żelaza w wilgotnym powietrzu, nie przeszkadza w dalszym utlenianiu żelaza.

Pod wpływem stężony tworzą się kwasy na metalach stały film tlenkowy. Zjawisko to nazywa się pasywacja... Tak więc w skoncentrowanym Kwas Siarkowy metale takie jak Be, Bi, Co, Fe, Mg i Nb są pasywowane (a następnie nie reagują z kwasem), a metale A1, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb w stężonym kwasie azotowym, Cz i U.

Podczas interakcji z utleniaczami w roztworach kwaśnych większość metali przekształca się w kationy, których ładunek jest określony przez stabilny stan utlenienia danego pierwiastka w związkach (Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ i Fe 3 +)

Aktywność redukująca metali w kwaśnym roztworze jest przenoszona przez szereg napięć. Większość metali przekształca się w roztwór z kwasami solnym i rozcieńczonym siarkowym, ale Cu, Ag i Hg - tylko kwasy siarkowy (stężony) i azotowy, a Pt i Au - "aqua regia".

Korozja metali

Niepożądaną właściwością chemiczną metali jest ich aktywne niszczenie (utlenianie) w kontakcie z wodą i pod wpływem rozpuszczonego w niej tlenu (korozja tlenowa). Na przykład powszechnie znana jest korozja produktów żelaznych w wodzie, w wyniku której tworzy się rdza i produkty kruszą się na proszek.

Korozja metali występuje w wodzie również z powodu obecności rozpuszczonych gazów CO 2 i SO 2; powstaje środowisko kwaśne, a kationy H + są wypierane przez aktywne metale w postaci wodoru H 2 ( korozja wodorowa).

Miejsce kontaktu dwóch różnych metali ( korozja kontaktowa). Para galwaniczna powstaje między jednym metalem, takim jak Fe, a innym metalem, takim jak Sn lub Cu, umieszczonym w wodzie. Przepływ elektronów przechodzi od bardziej aktywnego metalu, który znajduje się na lewo w szeregu napięć (Fe), do mniej aktywnego metalu (Sn, Cu), a bardziej aktywny metal ulega zniszczeniu (korodowaniu).

Z tego powodu ocynowana powierzchnia puszek (żelazo pokryte cyną) rdzewieje podczas przechowywania w wilgotnej atmosferze i nieostrożnego obchodzenia się z nimi (żelazo szybko zapada się po pojawieniu się przynajmniej małej rysy, która umożliwia żelazo kontakt z wilgocią ). Wręcz przeciwnie, ocynkowana powierzchnia wiadra żelaznego nie rdzewieje przez długi czas, ponieważ nawet w przypadku zarysowań to nie żelazo koroduje, ale cynk (metal bardziej aktywny niż żelazo).

Odporność na korozję danego metalu jest zwiększona, gdy jest on pokryty bardziej aktywnym metalem lub gdy są one stopione; w ten sposób powlekanie żelaza chromem lub wytwarzanie stopu żelazo-chrom eliminuje korozję żelaza. Chromowane żelazo i stal zawierająca chrom ( Stal nierdzewna), mają wysoką odporność na korozję.

elektrometalurgia, czyli otrzymywanie metali przez elektrolizę roztopów (najbardziej aktywnych metali) lub roztworów soli;

pirometalurgia, czyli redukcja metali z rud w wysokich temperaturach (np. produkcja żelaza w proces domeny);

hydrometalurgia, czyli oddzielanie metali z roztworów ich soli z bardziej aktywnymi metalami (np. otrzymywanie miedzi z roztworu CuSO 4 poprzez działanie cynku, żelaza lub glinu).

Metale rodzime czasami występują w przyrodzie (typowe przykłady to Ag, Au, Pt, Hg), ale częściej metale występują w postaci związków ( Ruda metalu). Według rozpowszechnienia w Skorupa ziemska metale są różne: od najczęstszych - Al, Na, Ca, Fe, Mg, K, Ti) do najrzadszych - Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.

Metale to pierwiastki chemiczne, które mają właściwość wysokiej przewodności elektrycznej. Atomy metali mogą oddać pewną ilość swoich elektronów znajdujących się na zewnętrznych lub przed-zewnętrznych poziomach energii, jednocześnie tworząc jony (cząstki naładowane dodatnio).

Na dzień dzisiejszy znanych jest 114 pierwiastków chemicznych. Spośród nich 96 to metale. Bez metali życie na Ziemi byłoby niemożliwe, gdyż one w czystej postaci lub ich związkach są najważniejszym składnikiem środowiska organiczno-mineralnego, aktywnie uczestnicząc w procesach życiowych wszystkich żywych organizmów.

Cząsteczki wszystkich metali, z kilkoma wyjątkami, mają duże promienie i niewielką liczbę elektronów znajdujących się na zewnętrznym poziomie energii. Liczba takich elektronów może wynosić od jednego do trzech. Wyjątkiem są ołów, którego liczba elektronów na zewnętrznym poziomie wynosi 4; bizmut z 5 elektronami; polon z 6 elektronami; german, antymon i cyna.

Również charakterystyczna cecha Wszystkie elementy tej grupy to małe wartości elektroujemności i możliwości regeneracji.

Układ okresowy pierwiastków bardzo warunkowo dzieli wszystkie pierwiastki na metale i niemetale. Aby dowiedzieć się, czy dana substancja należy do metali, musisz narysować przekątną astatynowo-borową. Po prawej stronie, w głównych podgrupach, będą znajdować się niemetale, a po lewej - metale (z wyjątkiem gazów obojętnych). Wszystkie pierwiastki znajdujące się w bliskiej odległości od tej linii nazywane są metaloidami, co oznacza, że mają właściwości zarówno metaliczne, jak i niemetaliczne. Takimi pierwiastkami są bor, krzem, arsen, german, tellur, antymon i polon.

Metale dzielą się również na przejściowe i nieprzejściowe. Klasyfikacja ta opiera się na lokalizacji pierwiastka w tabeli okresowości. Metale przejściowe są klasyfikowane jako podgrupy drugorzędowe, a metale nieprzechodnie są określane jako główne. Cząsteczki metali głównych podgrup mają podpoziomy s i p wypełnione elektronami; a cząsteczki podgrup bocznych mają poziomy d i f.

Zgodnie z ich właściwościami chemicznymi, wszystkie metale wyróżniają się łatwym powrotem elektronów walencyjnych, tworząc jony dodatnie. Dlatego wszystkie metale w stanie wolnym należą do czynników redukujących.

Ta zdolność do regeneracji jest różna dla każdego pierwiastka i jest określona przez położenie metalu w szeregu napięć elektrochemicznych. Szereg ten daje charakterystykę aktywności chemicznej metali, którą wykazują one podczas reakcji redoks zachodzących w środowisku wodnym i ma następującą postać:

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

Pierwsze z rzędu to metale o maksymalnych właściwościach redukujących i minimalnych zdolnościach utleniania. W porządku malejącym właściwości redukujące pierwiastków maleją, a właściwości utleniające wzrastają.

Metale alkaliczne łatwo utleniają się tlenem w powietrzu. Reagują również z prostymi substancjami, podczas gdy miedź i żelazo zareagują tylko po podgrzaniu, a platyna i złoto w ogóle się nie utleniają. Niektóre metale tworzą na powierzchni warstewkę tlenkową i nie będzie dalszego procesu utleniania.

Rozejrzyj się przez chwilę... Ile metalowych przedmiotów widzisz? Zwykle, kiedy myślimy o metalach, myślimy o substancjach, które są błyszczące i trwałe. Jednak znajdują się one również w naszym jedzeniu iw naszych ciałach. Poznajmy się pełna lista metale, znany nauce, poznaj ich podstawowe właściwości i dowiedz się, dlaczego są tak wyjątkowe.

Pierwiastki, które łatwo tracą elektrony, które są błyszczące (odblaskowe), plastyczne (można je formować w inne kształty) i uważane są za dobre przewodniki ciepła i elektryczności, nazywane są metalami. Mają kluczowe znaczenie dla naszego stylu życia, ponieważ są nie tylko częścią konstrukcji i technologii, ale są również niezbędne do produkcji prawie wszystkich przedmiotów. Jest nawet metal w Ludzkie ciało... Patrząc na etykietę formuły multiwitaminy, zobaczysz dziesiątki wymienionych związków.

Być może nie wiedziałeś, że pierwiastki takie jak sód, wapń, magnez i cynk są niezbędne do życia, a jeśli zabraknie ich w naszym ciele, nasze zdrowie może być poważnie zagrożone. Na przykład wapń jest niezbędny dla zdrowych kości, a magnez jest niezbędny dla metabolizmu. Cynk wspomaga działanie układu odpornościowego, a żelazo pomaga komórkom krwi przenosić tlen w organizmie. Jednak metale w naszych ciałach różnią się od metalu w łyżce lub mostku stalowym tym, że straciły elektrony. Nazywane są kationami.

Metale mają również właściwości antybiotyczne, dlatego też często z tych elementów wykonuje się balustrady i uchwyty w miejscach publicznych. Wiadomo, że wiele instrumentów jest wykonanych ze srebra, aby zapobiec rozwojowi bakterii. Sztuczne stawy wykonane są ze stopów tytanu, które jednocześnie zapobiegają infekcjom i wzmacniają biorców.

Metale w układzie okresowym

Wszystkie elementy w Dmitrij Mendelejew są podzielone na dwie duże grupy: metale i niemetale. Pierwsza jest najliczniejsza. Większość elementów to metale (kolor niebieski). Niemetale w tabeli przedstawiono na żółtym tle. Istnieje również grupa pierwiastków, które są klasyfikowane jako metaloidy (czerwony). Wszystkie metale są zgrupowane po lewej stronie stołu. Zauważ, że wodór jest zgrupowany z metalami w lewym górnym rogu. Mimo to jest uważany za niemetaliczny. Jednak niektórzy naukowcy teoretyzują, że w jądrze Jowisza może znajdować się metaliczny wodór.

Klejenie metali

Wiele wspaniałych i korzystnych właściwości pierwiastka ma związek z tym, jak jego atomy łączą się ze sobą. W takim przypadku powstają pewne połączenia. Metaliczne oddziaływanie atomów prowadzi do powstania struktur metalicznych. Dowolna próbka tego przedmiotu w Życie codzienne, od samochodu po monety w kieszeni, zawiera metalowe połączenie.

Podczas tego procesu atomy metalu dzielą się równomiernie swoimi zewnętrznymi elektronami. Elektrony przepływające między dodatnio naładowanymi jonami z łatwością przenoszą ciepło i elektryczność, dzięki czemu pierwiastki te są dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności. Do zasilania wykorzystywane są przewody miedziane.

Reakcje metali

Reaktywność odnosi się do tendencji pierwiastka do reagowania z chemikaliami w jego otoczeniu. Może być inaczej. Niektóre metale, takie jak potas i sód (w kolumnach 1 i 2 układu okresowego pierwiastków), łatwo reagują z wieloma różnymi chemikaliami i rzadko występują w czystej, pierwiastkowej postaci. Oba zwykle występują tylko w związkach (związanych z jednym lub więcej innymi pierwiastkami) lub jako jony (naładowana wersja ich formy pierwiastkowej).

Z drugiej strony istnieją inne metale, nazywane są również biżuterią. Złoto, srebro i platyna nie są bardzo reaktywne i zwykle znajdują się w czystej postaci. tracą elektrony łatwiej niż niemetale, ale nie tak łatwo jak metale reaktywne, takie jak sód. Platyna jest stosunkowo niereaktywna i wysoce odporna na reakcje z tlenem.

Właściwości elementu

Kiedy uczyłeś się alfabetu w Szkoła Podstawowa, okazało się, że wszystkie litery mają swój własny, unikalny zestaw właściwości. Na przykład niektóre miały linie proste, inne krzywe, a jeszcze inne oba rodzaje linii. To samo można powiedzieć o elementach. Każdy z nich posiada unikalny zestaw właściwości fizycznych i chemicznych. Właściwości fizyczne to cechy charakterystyczne dla niektórych substancji. Błyszczący czy nie, jak dobrze przewodzi ciepło i elektryczność, w jakiej temperaturze topi się, ile ma gęstości.

Właściwości chemiczne obejmują te cechy, które obserwuje się podczas reakcji na działanie tlenu, jeśli się palą (jak trudno będzie im zachować elektrony podczas reakcji chemicznej). Różne elementy mogą mieć wspólne właściwości. Na przykład żelazo i miedź są pierwiastkami przewodzącymi prąd. Nie mają jednak tych samych właściwości. Na przykład, gdy żelazo jest wystawione na działanie wilgotnego powietrza, rdzewieje, ale gdy miedź jest wystawiona na te same warunki, przyjmuje specyficzną zieloną powłokę. Dlatego Statua Wolności jest zielona, a nie zardzewiała. Jest wykonany z miedzi, a nie z żelaza.)

Organizacja elementów: metale i niemetale

Fakt, że elementy mają pewne wspólne i unikalne właściwości, pozwala posortować je w ładny, uporządkowany wykres zwany układem okresowym. Organizuje pierwiastki na podstawie ich liczby atomowej i właściwości. Tak więc w układzie okresowym znajdujemy zgrupowane pierwiastki, które mają wspólne właściwości. Żelazo i miedź są blisko siebie, oba są metalami. Żelazo oznaczono przez „Fe”, a miedź oznaczono przez „Cu”.

Większość pierwiastków w układzie okresowym - i zwykle znajdują się po lewej stronie układu. Są one zgrupowane, ponieważ mają określone właściwości fizyczne i chemiczne. Na przykład metale są gęste, błyszczące, są dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności i łatwo tracą elektrony w reakcjach chemicznych. Natomiast niemetale mają przeciwstawne właściwości. Nie są gęste, nie przewodzą ciepła i elektryczności i mają tendencję do przyjmowania elektronów, a nie ich oddawania. Kiedy spojrzymy na układ okresowy, widzimy, że większość niemetali jest zgrupowana po prawej stronie. Są to pierwiastki takie jak hel, węgiel, azot i tlen.

Co to są metale ciężkie?

Lista metali jest dość liczna. Niektóre z nich mogą gromadzić się w organizmie i nie uszkadzać go, np. naturalny stront (formuła Sr), który jest analogiem wapnia, ponieważ odkłada się produktywnie w tkance kostnej. Które z nich nazywane są ciężkimi i dlaczego? Rozważ cztery przykłady: ołów, miedź, rtęć i arsen.

Gdzie znajdują się te elementy i jak wpływają na środowisko i zdrowie człowieka? Metale ciężkie to naturalnie występujące związki metaliczne, które mają bardzo dużą gęstość w porównaniu z innymi metalami – co najmniej pięciokrotnie większą niż gęstość wody. Są toksyczne dla ludzi. Nawet małe dawki mogą mieć poważne konsekwencje.

Prowadzić. Jest to metal ciężki, który jest toksyczny dla ludzi, zwłaszcza dzieci. Zatrucie tą substancją może prowadzić do problemów neurologicznych. Choć kiedyś był bardzo atrakcyjny ze względu na swoją elastyczność, wysoką gęstość i zdolność pochłaniania szkodliwego promieniowania, ołów został wycofany na wiele sposobów. Ten miękki, srebrzysty metal znajdujący się na Ziemi jest niebezpieczny dla ludzi i z czasem gromadzi się w ciele. Najgorsze jest to, że nie możesz się go pozbyć. Siedzi tam, gromadzi się i stopniowo zatruwa organizm. Ołów jest toksyczny dla układu nerwowego i może powodować poważne uszkodzenia mózgu u dzieci. Był szeroko stosowany w XIX wieku do tworzenia makijażu i był używany jako jeden ze składników farby do włosów do 1978 roku. Obecnie ołów jest używany głównie w dużych bateriach jako osłony dla promienie rentgenowskie lub izolacja dla materiałów radioaktywnych.
Miedź. Jest to czerwonobrązowy heavy metal, który ma wiele zastosowań. Miedź jest nadal jednym z najlepszych przewodników elektryczności i ciepła, a wiele przewodów elektrycznych jest wykonanych z tego metalu i pokrytych plastikiem. Z tego elementu układu okresowego wyrabiane są również monety, w większości drobne drobne. Ostre zatrucie miedzią jest rzadkie, ale podobnie jak ołów, może gromadzić się w tkankach, prowadząc ostatecznie do toksyczności. Zagrożone są również osoby narażone na duże ilości miedzi lub pyłu miedzianego.
Rtęć. Metal ten jest toksyczny w każdej postaci i może nawet zostać wchłonięty przez skórę. Jego wyjątkowość polega na tym, że jest płynny w temperaturze pokojowej, bywa nazywany „szybkim srebrem”. Widać to w termometrze, ponieważ jako ciecz pochłania ciepło, zmieniając objętość przy nawet najmniejszej różnicy temperatur. Pozwala to rtęci unosić się lub opadać w szklanej rurce. Ponieważ ta substancja jest silną neurotoksyną, wiele firm przechodzi na barwniki na czerwono.
Arsen. Od czasów Cesarstwa Rzymskiego aż do epoki wiktoriańskiej arszenik uważany był za „król trucizn”, a także „truciznę królów”. Historia jest pełna niezliczonych przykładów zarówno członków rodziny królewskiej, jak i zwykłych ludzi, którzy popełniają morderstwa dla osobistych korzyści, używając związków arsenu, które nie mają zapachu, koloru ani smaku. Pomimo wszystko negatywne wpływy, metaloid ten ma również swoje własne zastosowania, nawet w medycynie. Na przykład trójtlenek arsenu jest bardzo skutecznym lekiem stosowanym w leczeniu osób z ostrą białaczką promielocytową.

Co to jest metal szlachetny?

Metal szlachetny to metal, który może być rzadki lub trudny do wydobycia, a także jest bardzo cenny ekonomicznie. Jaka jest lista metali szlachetnych? Są trzy z nich:

Platyna. Pomimo swojej niemożliwości zastosowania jest stosowany w biżuterii, elektronice, samochodach, procesy chemiczne a nawet w medycynie.
Złoto. Ten szlachetny metal jest używany do wyrobu biżuterii i złotych monet. Ma jednak wiele innych zastosowań. Znajduje zastosowanie w medycynie, sprzęcie produkcyjnym i laboratoryjnym.
Srebro. Ten srebrno-biały metal szlachetny jest bardzo plastyczny. w czystej postaci jest dość ciężki, lżejszy od ołowiu, ale cięższy od miedzi.

Metale: rodzaje i właściwości

Większość elementów można uznać za metale. Są zgrupowane pośrodku po lewej stronie stołu. Metale to alkaliczne, ziem alkalicznych, przejściowe, lantanowce i aktynowce.

Wszystkie mają kilka wspólnych właściwości, są to:

ciało stałe w temperaturze pokojowej (z wyłączeniem rtęci);
zwykle błyszczące;
o wysokiej temperaturze topnienia;
dobry przewodnik ciepła i elektryczności;
o niskiej zdolności do jonizacji;
o niskiej elektroujemności;
giętki (może przybrać określony kształt);
plastik (można wciągnąć w drut);
duża gęstość;
substancja, która w reakcjach traci elektrony.

Lista metali znanych nauce

lit;
beryl;
sód;
magnez;
aluminium;
potas;
wapń;
skand;
tytan;
wanad;
chrom;
mangan;
żelazo;
kobalt;
nikiel;
Miedź;
cynk;
gal;
rubid;
stront;
itr;
cyrkon;
niob;
molibden;
technet;
ruten;
rod;
paladium;
srebro;
kadm;
ind;
kopernik;
cez;
bar;
cyna;
żelazo;
bizmut;
Ołów;
Rtęć;
wolfram;
złoto;
platyna;
osm;
hafn;
german;
iryd;
niob;
ren;
antymon;
tal;
tantal;
frans;
wątrobymore.

W sumie znanych jest około 105 pierwiastków chemicznych, z których większość to metale. Te ostatnie są bardzo powszechnym pierwiastkiem w przyrodzie, który występuje zarówno w czystej postaci, jak i we wszelkiego rodzaju związkach.

Metale leżą we wnętrzu ziemi, można je znaleźć w różnych zbiornikach wodnych, w ciałach zwierząt i ludzi, w roślinach, a nawet w atmosferze. W układzie okresowym znajdują się one od litu (metalu o wzorze Li) i kończąc na livermorium (Lv). Wciąż uzupełnia stół o nowe elementy, głównie metale.

Ogólne informacje o metalach

Wiesz, że większość pierwiastków chemicznych jest klasyfikowana jako metale – 92 ze 114 znanych pierwiastków.

Metale to pierwiastki chemiczne, których atomy oddają elektrony zewnętrznej (i część przed-zewnętrznej) warstwy elektronowej, zamieniając się w jony dodatnie.

Ta właściwość atomów metali, jak wiadomo, wynika z faktu, że mają one stosunkowo duże promienie i niewielką liczbę elektronów (głównie od 1 do 3) na zewnętrznej warstwie.

Jedynymi wyjątkami są 6 metali: atomy germanu, cyny, ołowiu na warstwie zewnętrznej mają 4 elektrony, atomy antymonu i bizmutu -5, atomy polonu - 6.

Atomy metali charakteryzują się małymi wartościami elektroujemności (od 0,7 do 1,9) i wyłącznie właściwościami redukcyjnymi, czyli zdolnością do oddawania elektronów.

Wiesz już, że w układzie okresowym pierwiastków chemicznych D.I. Mendelejewa metale znajdują się poniżej przekątnej borowo-astatynowej, a ja również jestem powyżej niej w podgrupach bocznych. W okresach i podgrupach gliny działają znane wam prawidłowości w przemianie metalicznej, a zatem i redukujących właściwościach atomów pierwiastków.

Pierwiastki chemiczne znajdujące się w pobliżu przekątnej bor-statat mają dwojakie właściwości: w niektórych ich związkach zachowują się jak metale, w innych wykazują właściwości niemetalu.

W podgrupach bocznych najczęściej zmniejszają się właściwości redukujące metali wraz ze wzrostem numeru seryjnego. Porównaj aktywność metali z grupy I znanej ci podgrupy drugorzędowej: Cu, Ag, Au; II grupa podgrupy bocznej - i sam się przekonasz.

Można to wytłumaczyć faktem, że siła wiązania elektronów walencyjnych z jądrem atomów tych metali w w większym stopniu wpływa na wielkość ładunku jądrowego, a nie promień atomu. Wielkość ładunku jądrowego znacznie wzrasta, zwiększa się przyciąganie elektronów do jądra. Jednocześnie zwiększa się promień atomu, ale nie tak znacząco, jak w przypadku metali głównych podgrup.

Proste substancje utworzone przez pierwiastki chemiczne - metale, n złożone substancje zawierające metal grają kluczowa rola w mineralnym i organicznym „życiu” Ziemi. Wystarczy pamiętać, że atomy (żany) pierwiastków metalowych są część związki determinujące metabolizm w organizmie człowieka, zwierząt, roślin. Na przykład w ludzkiej krwi znaleziono 76 pierwiastków, a tylko 14 z nich nie jest metalami. W organizmie człowieka niektóre pierwiastki metali (wapń, potas, sód, magnez) są obecne w duża liczba, czyli są makroelementami. A metale takie jak chrom, mangan, żelazo, kobalt, miedź, cynk, molibden występują w niewielkich ilościach, to znaczy są to pierwiastki śladowe. Jeśli człowiek waży 70 kg, to jego organizm zawiera (w gramach): wapń - 1700, potas - 250, sód - 70, magnez - 42, żelazo - 5. cynk - 3. Wszystkie metale są niezwykle ważne, pojawiają się problemy zdrowotne i z ich brakiem iz nadmiarem.

Na przykład jony sodu regulują zawartość wody w organizmie, przekazywanie impulsów nerwowych. Jej niedobór prowadzi do bólów głowy, osłabienia, słabej pamięci, utraty apetytu, a nadmiar prowadzi do wzrostu ciśnienia krwi, nadciśnienia, chorób serca. Dietetycy zalecają spożywanie nie więcej niż 5 gramów (1 łyżeczka) chlorku sodu (NaCl) dziennie na osobę dorosłą. Wpływ metali na stan zwierząt i roślin można znaleźć w tabeli 16.

Proste substancje - metale

Rozwój produkcji metali (prostych substancji) i stopów wiązał się z pojawieniem się cywilizacji („epoka brązu”, epoka żelaza).

Rewolucja naukowo-technologiczna, która rozpoczęła się około 100 lat temu, która dotknęła zarówno przemysł, jak i sferę społeczną, jest również ściśle związana z produkcją metali. Na bazie wolframu, molibdenu, tytanu i innych metali zaczęto tworzyć odporne na korozję, supertwarde stopy ogniotrwałe, których zastosowanie znacznie rozszerzyło możliwości inżynierii mechanicznej. W technologii jądrowej i kosmicznej stopy wolframu i renu są wykorzystywane do wytwarzania części, które działają w temperaturach do 3000 ºС. w medycynie używa się narzędzi chirurgicznych ze stopów tantalu i platyny, unikalnej ceramiki na bazie tlenków tytanu i cyrkonu.

I oczywiście nie powinniśmy zapominać, że większość stopów wykorzystuje od dawna znane żelazo metaliczne (ryc. 37), a podstawę wielu stopów lekkich stanowią stosunkowo „młode” metale: aluminium i magnez.

Supernowe stały się materiałami kompozytowymi, reprezentującymi np. polimer lub ceramikę, które wewnątrz (jak beton z żelaznymi prętami) wzmocnione są włóknami metalowymi, które mogą pochodzić z wolframu, molibdenu, stali i innych metali i stopów – wszystko zależy od cel, który jest niezbędny do osiągnięcia jego właściwości materiałowych.

Masz już pojęcie o naturze wiązania chemicznego w kryształach metalu. Przypomnijmy na przykładzie jednego z nich - sodu, jak powstaje.
Rysunek 38 przedstawia schemat sieci krystalicznej metalicznego sodu. W nim każdy atom sodu jest otoczony ośmioma sąsiednimi. Atomy sodu, jak wszystkie metale, mają wiele wolnych orbitali walencyjnych i niewiele elektronów walencyjnych.

Jedyny elektron walencyjny atomu sodu Zs 1 może zajmować dowolny z dziewięciu wolnych orbitali, ponieważ nie różnią się one zbytnio poziomem energii. Gdy atomy zbliżają się do siebie, gdy tworzy się sieć krystaliczna, orbitale walencyjne sąsiednich atomów nakładają się, dzięki czemu elektrony swobodnie przemieszczają się z jednego orbity na drugi, tworząc wiązanie między wszystkimi atomami kryształu metalu.

Ten rodzaj wiązania chemicznego nazywa się wiązaniem metalicznym. Wiązanie metaliczne tworzą pierwiastki, których atomy na zewnętrznej warstwie mają niewiele elektronów walencyjnych w porównaniu z dużą liczbą zewnętrznych energetycznie bliskich orbitali. Ich elektrony walencyjne są słabo utrzymywane w atomie. Elektrony tworzące połączenie są uspołecznione i poruszają się po całej sieci krystalicznej neutralnego metalu jako całości.

Substancje z wiązaniem metalicznym są nieodłącznie związane z metalicznymi sieciami krystalicznymi, które są zwykle przedstawiane schematycznie za pomocą drewna tekowego, jak pokazano na rysunku, węzły to kationy i atomy metali. Uspołecznione elektrony elektrostatycznie przyciągają kationy metali znajdujące się na krawędzi ich sieci krystalicznej, zapewniając jej stabilność i siłę (uspołecznione elektrony są przedstawione jako czarne kuleczki).

Wiązanie metaliczne to wiązanie w metalach i stopach pomiędzy atomami metali-jonami znajdującymi się w sieci krystalicznej ullah, które jest realizowane przez wspólne elektrony walencyjne.

Niektóre metale krystalizują w dwóch lub więcej formach krystalicznych. Ta właściwość substancji – istnienie w kilku krystalicznych modyfikacjach – nazywana jest polimorfizmem. Polimorfizm dla prostych substancji jest znany jako alotropia.

Cyna ma dwie krystaliczne modyfikacje:
alfa jest stabilny poniżej 13,2 ºС przy gęstości р - 5,74 g / cm3. To jest szara cyna. To ma sieci krystalicznej wpisz almaav (atomowe):
betta jest stabilna powyżej 13,2 ºС przy gęstości p - 6,55 g / cm3. To jest biała puszka.

Biała cyna to bardzo miękki metal. Po schłodzeniu poniżej 13,2 ºС rozpada się na szary proszek, ponieważ przy przejściu | 1 "n jego objętość właściwa znacznie wzrasta. Zjawisko to nazywa się plagą cynową. Oczywiście szczególny rodzaj wiązania chemicznego i rodzaj sieci krystalicznej metali powinien określać i wyjaśniać ich właściwości fizyczne.

Czym oni są? Są to metaliczny połysk, plastyczność, wysoka przewodność elektryczna i przewodność cieplna, wzrost oporności elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury, a także tak istotne właściwości jak gęstość, temperatura topnienia i wrzenia, twardość oraz właściwości magnetyczne.

Spróbujmy wyjaśnić przyczyny, które determinują podstawowe właściwości fizyczne metali. Dlaczego metale są plastyczne?

Mechaniczne oddziaływanie na kryształ z metalową siecią krystaliczną powoduje przemieszczenie warstw atomów jonów względem siebie, ponieważ elektrony poruszają się w krysztale, nie dochodzi do zerwania wiązania, dlatego metale charakteryzują się dużą plastycznością.

Podobny wpływ na ciało stałe z połączonymi wiązaniami (atomowa sieć krystaliczna) prowadzi do pęknięcia wiązania kowalencyjne... Zerwanie wiązań w sieci jonowej prowadzi do wzajemnego odpychania się podobnie naładowanych jonów (rys. 40). Dlatego substancje o atomowych i jonowych sieciach krystalicznych są kruche.

Najbardziej plastycznymi metalami są Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Można je łatwo wciągnąć w drut, podatne na kucie, prasowanie, zwijanie w arkusze - Na przykład złota folia o grubości 0,008 nm może być wykonana ze złota, a nić o długości 1 km można wyciągnąć z 0,5 g tego metalu.

Nawet rtęć, która, jak wiadomo, jest płynna w temperaturze pokojowej, staje się plastyczna w niskich temperaturach, jak ołów. Tylko Bi i Mn nie mają plastyczności, są kruche.

Dlaczego metale mają charakterystyczny połysk, a także są nieprzezroczyste?

Elektrony wypełniające przestrzeń międzyatomową odbijają promienie świetlne (zamiast je przepuszczać, jak szkło), przy czym większość metali równomiernie rozprasza wszystkie promienie widzialnej części widma. Dlatego mają srebrzystobiały lub szary kolor... Stront, złoto i miedź w większym stopniu pochłaniają fale krótkie (blisko fioletowy) i odbijają długie fale widma światła, dlatego mają odpowiednio jasnożółty, żółty i miedziany kolor.

Chociaż w praktyce, wiecie, metal nie zawsze wydaje nam się ciałem świetlistym. Po pierwsze, jego powierzchnia może się utleniać i tracić połysk. Dlatego rodzima miedź wygląda jak zielonkawy kamień. Po drugie, nawet czysty metal może nie świecić. Bardzo cienkie arkusze srebra i złota mają zupełnie nieoczekiwany wygląd - mają niebiesko-zielony kolor. A drobne proszki metali wydają się ciemnoszare, a nawet czarne.

Srebro, aluminium, pallad mają najwyższy współczynnik odbicia. Wykorzystywane są do produkcji luster, w tym reflektorów punktowych.

Dlaczego metale mają wysoką przewodność elektryczną i cieplną?

Chaotycznie poruszające się w metalu elektrony pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego nabierają ruchu kierunkowego, czyli przewodzą prąd elektryczny. Wraz ze wzrostem temperatury metamszycy wzrastają amplitudy drgań atomów i jonów znajdujących się w węzłach sieci krystalicznej. Utrudnia to ruch elektronom, przewodność elektryczna metalu spada. Natomiast w niskich temperaturach ruch wibracyjny jest znacznie zmniejszony, a przewodność elektryczna metali gwałtownie wzrasta. W pobliżu zera absolutnego metale praktycznie nie mają oporu, aw większości metali pojawia się nadprzewodnictwo.

Należy zauważyć, że niemetale o przewodności elektrycznej (na przykład grafit), wręcz przeciwnie, nie przewodzą prądu elektrycznego w niskich temperaturach z powodu braku wolnych elektronów. I dopiero wraz ze wzrostem temperatury i zniszczeniem niektórych wiązań kowalencyjnych ich przewodność elektryczna zaczyna wzrastać.

Srebro, miedź, a także złoto, aluminium mają najwyższą przewodność elektryczną, najniższą – mangan, ołów, rtęć.

Najczęściej, z taką samą regularnością, jak przewodnictwo elektryczne, zmienia się przewodnictwo cieplne metali.

Wynikają one z dużej ruchliwości swobodnych elektronów, które zderzając się z drgającymi jonami i atomami wymieniają z nimi energię. Dlatego temperatura jest wyrównana na całym kawałku metalu.

Wytrzymałość mechaniczna, gęstość i temperatura topnienia metali są bardzo różne. Co więcej, wraz ze wzrostem liczby eekgronów. wiązanie atomów jonów, a wraz ze spadkiem odległości międzyatomowej w kryształach, wskaźniki tych właściwości rosną.

Tak więc metale alkaliczne, których atomy mają jeden elektron walencyjny, są miękkie (cięte nożem), o niskiej gęstości (lit jest najlżejszym metalem o p - 0,53 g / cm3) i topią się w niskich temperaturach (np. temperatura cezu wynosi 29 "C) Jedynym metalem, który jest płynny w normalnych warunkach jest rtęć, która ma temperaturę topnienia 38,9 "C.

Wapń, który ma dwa elektrony na zewnętrznym poziomie energetycznym atomów, jest znacznie twardszy i topi się w wyższej temperaturze (842 ° C).

Jeszcze bardziej łukowata jest sieć krystaliczna utworzona przez atomy skandu, które mają trzy elektrony walencyjne.

Jednak najbardziej zniechęcające sieci krystaliczne, wysokie gęstości i temperatury topnienia obserwuje się w metalach podgrup bocznych V, VI, VII, MP. To dlatego, że. że dla metali podgrup bocznych z niezapisanymi elektronami walencyjnymi na podpoziomie d charakterystyczne jest powstawanie bardzo silnych wiązań kowalencyjnych między atomami, oprócz metalowego, realizowanego przez elektrony warstwy zewnętrznej z orbitali s .

Pamiętaj, że najcięższym metalem jest osm (składnik super twardych i odpornych na zużycie stopów), najbardziej ogniotrwałym metalem jest wolfram (używany do produkcji żarników lamp), najtwardszym metalem jest Cr Cr (rysowane szkło). Są częścią materiałów, z których wykonane są narzędzia do skrawania metalu, klocki hamulcowe ciężkich maszyn itp.

Metale różnią się w stosunku do pola magnetyczne... Ale dla tej funkcji są one podzielone na trzy grupy:

Ferromagnetyk Zdolny do namagnesowania pod wpływem nawet słabych pól magnetycznych (żelazo – forma alfa, kobalt, nikiel, gadolin);

Paramagnetyki wykazują słabą zdolność magnetyzacji (aluminium, chrom, tytan, prawie wszystkie lantanowce);

Te diamagnetyczne nie są przyciągane do magnesu, nawet lekko od niego odpychane (cyna, linka, bizmut).

Przypomnijmy, że rozważając budowę elektronową metali, metale podzieliliśmy na metale głównych podgrup (pierwiastków k i p) oraz metale podgrup drugorzędnych.

W technologii zwyczajowo klasyfikuje się metale według różnych właściwości fizycznych:

a) gęstość - płuca (p< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);
b) temperatura topnienia - topliwy i ogniotrwały.

Klasyfikacja metali według właściwości chemicznych

Metale o niskiej aktywności chemicznej nazywane są metalami szlachetnymi (srebro, złoto, platyna i jej odpowiednik - osm, iryd, ruten, pallad, rod).
Alkaliczne (metale I grupy głównej podgrupy), ziem alkalicznych (wapń, stront, bar, rad), a także metale ziem rzadkich (skand, itr, lantan i lantanowce, zawilce i aktynowce) wyróżnia bliskość chemiczna nieruchomości.

Ogólne właściwości chemiczne metali

Atomy metali stosunkowo łatwo oddają elektrony walencyjne i przechodzą w dodatnio naładowane żadne, czyli ulegają utlenieniu. To, jak wiadomo, jest główną wspólną właściwością zarówno atomów, jak i prostych substancji, metali.

Metale w reakcjach chemicznych są zawsze reduktorem. Zdolność redukcyjna atomów prostych substancji - metali, utworzonych przez pierwiastki chemiczne jednego okresu lub jednej głównej podgrupy układu okresowego DI Mendelejewa, zmienia się naturalnie.

Aktywność redukująca metalu w reakcjach chemicznych zachodzących w roztworach wodnych odzwierciedla jego pozycję w elektrochemicznym szeregu napięć metali.

1. Im bardziej na lewo znajduje się metal w tym rzędzie, tym silniejszy jest środek redukujący.
2. Każdy metal jest zdolny do wypierania (redukowania) i zasolenia w roztworze tych metali, które znajdują się w szeregu napięć za nim (po prawej).
3. Metale znajdujące się w szeregu napięć na lewo od wodoru są w stanie wyprzeć go z kwasów w roztworze.
4. Metale, które są najsilniejszymi reduktorami (alkalia i ziemie alkaliczne), w każdym roztworze wodnym oddziałują przede wszystkim z wodą.

Aktywność redukująca metalu, określona szeregiem elektrochemicznym, nie zawsze odpowiada jego pozycji w układzie okresowym. To dlatego, że. Że przy określaniu położenia metalu w szeregu napięć nie tylko energia oderwania elektronów od poszczególnych atomów, ale także energia zużyta na zniszczenie sieci krystalicznej, a także energia uwalniana podczas hydratacji jonów, są brane pod uwagę.

Na przykład lit jest bardziej aktywny w roztworach wodnych niż sód (chociaż zgodnie z jego pozycją w układzie okresowym, Na jest bardziej aktywnym metalem). Chodzi o to, że energia hydratacji jonów Li + jest znacznie wyższa niż energia hydratacji jonów Na +. dlatego pierwszy proces jest energetycznie bardziej korzystny.
Po rozważeniu ogólnych przepisów charakteryzujących właściwości redukujące metali, przechodzimy do konkretnych reakcji chemicznych.

Oddziaływanie z prostymi substancjami niemetalicznymi

1. Z tlenem większość metali tworzy tlenki - zasadowe i amfoteryczne. Kwaśne tlenki metali przejściowych, takie jak tlenek chromu lub tlenek manganu, nie powstają w wyniku bezpośredniego utleniania metalu tlenem. Uzyskuje się je pośrednio.

Metale alkaliczne Na, K aktywnie reagują z tlenem atmosferycznym, tworząc nadtlenki.

Tlenek sodu otrzymuje się pośrednio przez kalcynację nadtlenków z odpowiednimi metalami:

Metale litu i ziem alkalicznych oddziałują z tlenem atmosferycznym, tworząc tlenki zasadowe.

Metale inne niż złoto i platyna, które na ogół nie są utleniane przez tlen atmosferyczny, oddziałują z nim mniej aktywnie lub po podgrzaniu.

2. W przypadku halogenów metale tworzą sole kwasów halogenowodorowych.

3. Z wodorem najbardziej aktywne metale tworzą wodorki - jonowe substancje solankowe, w których wodór ma stopień utlenienia -1, na przykład:
wodorek wapnia.

Wiele metali przejściowych tworzy wodorki z wodorem specjalny typ- zachodzi rodzaj rozpuszczania lub wprowadzania wodoru do sieci krystalicznej metali pomiędzy atomami i jonami, podczas gdy metal zachowuje swoją wygląd zewnętrzny, ale zwiększa się głośność. Zaabsorbowany wodór znajduje się w metalu, najwyraźniej w postaci atomowej. Istnieją również pośrednie wodorki metali.

4. Z siarką metale tworzą sole - siarczki.

5. Metale reagują z azotem nieco trudniej, ponieważ wiązanie chemiczne w cząsteczce azotu T ^ r jest bardzo silne i tworzą się azotki. W normalnych temperaturach tylko lit oddziałuje z azotem.

Interakcja ze złożonymi substancjami

1.Z wodą. W normalnych warunkach metale alkaliczne i ziem alkalicznych wypierają wodór z wody i tworzą rozpuszczalne zasady alkaliczne.

Inne metale, które znajdują się w szeregu napięć przed wodorem, mogą również w pewnych warunkach wypierać wodór z wody. Ale aluminium reaguje gwałtownie z wodą tylko wtedy, gdy warstwa tlenku zostanie usunięta z jego powierzchni.

Magnez oddziałuje z wodą tylko podczas wrzenia, podczas gdy wydziela się również wodór. Jeśli spalający się magnez zostanie dodany do wody, spalanie jest kontynuowane w miarę postępu reakcji: spala się wodór. Żelazo wchodzi w interakcję z wodą tylko wtedy, gdy jest gorąca.

2. Metale w szeregu napięć do wodoru oddziałują z kwasami w roztworze. Powoduje to wytwarzanie soli i wodoru. Ale ołów (i niektóre inne metale), pomimo swojego położenia w szeregu napięć (na lewo od wodoru), prawie nie rozpuszcza się w rozcieńczonym kwasie siarkowym, ponieważ powstały siarczan ołowiu PbSO jest nierozpuszczalny i tworzy warstwę ochronną na powierzchni metalu.

3. Z solami metali mniej aktywnych w roztworze. W wyniku tej reakcji powstaje sól bardziej aktywnego metalu, a mniej aktywny metal jest uwalniany w postaci wolnej.

Należy pamiętać, że reakcja zachodzi w przypadkach, gdy uzyskana sól jest rozpuszczalna. Wypieranie metali z ich związków przez inne metale po raz pierwszy szczegółowo zbadał N.N. Beketov, wybitny rosyjski fizykochemik. Ułożył metale zgodnie z ich aktywnością chemiczną w „ujemnym rzędzie”, który stał się prototypem szeregu napięć metali.

4.C materia organiczna... Oddziaływanie z kwasami organicznymi jest podobne do reakcji z kwasami mineralnymi. Z drugiej strony alkohole mogą wykazywać słabe właściwości kwasowe podczas interakcji z metalami alkalicznymi.

Metale biorą udział w reakcjach z haloalkanami, które służą do otrzymywania niższych cykloalkanów oraz do syntez, podczas których szkielet węglowy cząsteczki staje się bardziej złożony (reakcja A. Würza):

5. Metale, których wodorotlenki są amfoteryczne, oddziałują z alkaliami w roztworze.

6. Metale mogą się tworzyć związki chemiczne ze sobą, które otrzymały wspólną nazwę - związki międzymetaliczne. Najczęściej nie wykazują stanów utlenienia atomów, które są charakterystyczne dla związków metali z niemetalami.

Związki międzymetaliczne zwykle nie mają stałego składu, wiązanie chemiczne w nich jest głównie metaliczne. Powstawanie tych związków jest bardziej typowe dla metali z podgrup bocznych.

Tlenki i wodorotlenki metali

Tlenki utworzone przez typowe metale są klasyfikowane jako tworzące sól, o podstawowych właściwościach. Jak wiadomo, odpowiadają im wodorotlenki. które są zasadami, które są rozpuszczalne w wodzie w przypadku metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych, są silnymi elektrolitami i nazywane są alkaliami.

Tlenki i wodorotlenki niektórych metali są amfoteryczne, to znaczy mogą wykazywać zarówno właściwości zasadowe, jak i kwasowe, w zależności od substancji, z którymi wchodzą w interakcje.

Na przykład:

Wiele metali podgrup bocznych, które mają w związkach zmienny stopień utlenienia, może tworzyć kilka tlenków i wodorotlenków, których charakter zależy od stopnia utlenienia metalu.

Np. chrom w związkach wykazuje trzy stopnie utlenienia: +2, +3, +6, a więc tworzy trzy serie tlenków i wodorotlenków, a wraz ze wzrostem stopnia utlenienia wzmacnia się charakter kwasowy, a osłabia zasadowy .

Korozja metali

Kiedy metale wchodzą w interakcje z substancjami środowisko Ich powierzchnie tworzą związki o zupełnie innych właściwościach niż same metale. W zwykłym tonie często używamy słów „rdza”, „rdzewieje”, widząc brązowo-czerwony nalot na przedmiotach wykonanych z żelaza i jego stopów. Rdzewienie jest częstym przypadkiem korozji.

Korozja to proces samoistnego niszczenia metali, a nie alijahsmu środowiska (od łac. - korozja).

Jednak prawie wszystkie metale ulegają zniszczeniu, w wyniku czego wiele ich właściwości ulega pogorszeniu (lub zostaje całkowicie utraconych): wytrzymałość, plastyczność, spadek połysku, zmniejsza się przewodność elektryczna, wzrasta również tarcie między ruchomymi częściami mninów, wymiary części zmiana itp.

Korozja metali ma charakter ciągły i lokalny.

Nerven nie jest tak niebezpieczny jak drugi, jego przejawy można brać pod uwagę przy projektowaniu konstrukcji i urządzeń. Miejscowa korozja jest znacznie bardziej niebezpieczna, chociaż straty metalu mogą być tutaj niewielkie. Jednym z najniebezpieczniejszych jego rodzajów jest punkt. Polegają one na tworzeniu zmian przelotowych, czyli ubytków punktowych - wgłębień, podczas gdy zmniejsza się wytrzymałość poszczególnych odcinków, spada niezawodność struktur, aparatury, struktur.

Korozja metali powoduje ogromne szkody ekonomiczne. Ludzkość ponosi ogromne straty materialne podczas ponownego niszczenia rurociągów, części maszyn, statków, mostów i różnego sprzętu.

Korozja prowadzi do obniżenia niezawodności działania konstrukcji metalowych - Biorąc pod uwagę możliwe zniszczenia, konieczne jest przeszacowanie wytrzymałości niektórych wyrobów (np. części samolotów, łopatek turbin), co oznacza zwiększenie zużycia metalu, a to wymaga dodatkowych kosztów ekonomicznych.

Korozja prowadzi do przestojów produkcyjnych z powodu wymiany niedziałającego sprzętu, do utraty surowców i produktów w wyniku zniszczenia halo, rurociągów naftowych i wodnych. Nie sposób nie brać pod uwagę szkód wyrządzonych przyrodzie, a tym samym zdrowiu ludzi, powstałych w wyniku wycieku produktów naftowych i innych substancje chemiczne... Korozja może prowadzić do zanieczyszczenia) produktu, a tym samym do obniżenia jego jakości. Koszt zwrotu strat spowodowanych korozją jest ogromny. Stanowią one około 30% rocznej produkcji metali na całym świecie.

Ze wszystkiego, co zostało powiedziane, wynika, że bardzo ważnym problemem jest znalezienie sposobów ochrony metali i stopów przed korozją.

Są bardzo różnorodne. Ale do ich wyboru konieczne jest poznanie i uwzględnienie chemicznej istoty procesów korozyjnych.

Jednak chemiczna natura korozji to proces oksydacyjno-redukcyjny. Wyróżnia się kilka rodzajów korozji w zależności od środowiska, w którym płynie.

Najczęstsze rodzaje korozji: chemiczna i elektrochemiczna.

I. Korozja chemiczna występuje w środowisku nieprzewodzącym. Ten rodzaj korozji objawia się w przypadku oddziaływania metali z suchymi gazami lub cieczami - nieelektrolitami (benzyna, nafta itp.) Takiemu zniszczeniu podlegają części i zespoły silników, turbin gazowych, wyrzutni rakiet. Korozja chemiczna jest często obserwowana podczas obróbki metali w wysokich temperaturach.

Większość metali utlenia się tlenem atmosferycznym, tworząc na powierzchni warstwy tlenków. Jeśli ten film jest mocny, gęsty, dobrze związany z metalem, to chroni metal przed dalszym zniszczeniem. W żelazie jest luźny, porowaty, łatwo oddziela się od powierzchni i dlatego nie jest w stanie uchronić metalu przed dalszym zniszczeniem.

II. Korozja elektrochemiczna występuje w środowisku przewodzącym (w elektrolicie) i pojawia się wewnątrz układu prąd elektryczny... Z reguły metale i stopy są niejednorodne i zawierają wtrącenia różnych zanieczyszczeń. W kontakcie z elektrolitami niektóre części powierzchni zaczynają pełnić rolę anody (oddają elektrony), podczas gdy inne pełnią rolę katody (odbierają elektrony).

W jednym przypadku będzie obserwowane wydzielanie gazu (Ng). Z drugiej strony powstawanie rdzy.

Tak więc korozja elektrochemiczna jest reakcją zachodzącą w środowiskach przewodzących prąd (w przeciwieństwie do korozji chemicznej). Proces zachodzi, gdy dwa metale stykają się lub znajdują się na powierzchni metalu zawierającego wtrącenia, które są mniej aktywnymi przewodnikami (może to być również niemetal).

Na anodzie (bardziej aktywny metal) atomy metali są utleniane z tworzeniem kationów (rozpuszczanie).

Na katodzie (mniej aktywny przewodnik) następuje redukcja jonów wodorowych lub cząsteczek tlenu z utworzeniem odpowiednio jonów H2 lub OH- wodorotlenowych.

Najważniejszymi utleniaczami powodującymi korozję elektrochemiczną są kationy wodoru i rozpuszczony tlen.

Szybkość korozji jest tym większa, im bardziej różne metale (metal i zanieczyszczenia) różnią się swoją aktywnością (w przypadku metali – im dalej od siebie znajdują się w szeregu naprężeń). Korozja znacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Może służyć jako elektrolit woda morska, woda rzeczna, skondensowana wilgoć i oczywiście dobrze znane wszystkim elektrolity - roztwory soli, kwasów, zasad.

Oczywiście pamiętasz, że zimą sól przemysłowa służy do usuwania śniegu i lodu z chodników (chlorek sodu, czasem chlorek wapnia itp.) - Powstałe roztwory spływają do rurociągów kanalizacyjnych, tworząc tym samym sprzyjające środowisko dla korozji elektrochemicznej instalacji podziemnych .

Metody ochrony przed korozją

Już podczas projektowania konstrukcji metalowych ich produkcja zapewnia środki ochrony przed korozją.

1. Szlifowanie powierzchni produktu, aby nie pozostała na nich wilgoć.
2. Zastosowanie stopów stopowych zawierających specjalne dodatki: chrom, nikiel, które w wysokich temperaturach na powierzchni metalu tworzą stabilną warstwę tlenku. Znane stale stopowe - stal nierdzewna, z której powstają artykuły gospodarstwa domowego (pochwa widelce, łyżki), części maszyn, narzędzia.
3. Nakładanie powłok ochronnych.

Rozważmy ich typy.

Niemetaliczne - oleje nieutleniające, lakiery specjalne, farby. To prawda, że są krótkotrwałe, ale tanie.

chemiczne - sztucznie wytworzone warstwy powierzchniowe: tlenkowe, cytrynowe, krzemkowe, polimerowe itp. Np. wszystkie bronie strzeleckie W detalach wielu precyzyjnych przyrządów nagniatanie jest procesem uzyskiwania najcieńszej warstwy tlenków żelaza na powierzchni wyrobu stalowego . Powstała warstwa sztucznego tlenku jest bardzo trwała i nadaje produktowi piękny czarno-niebieski odcień. Powłoki polimerowe wykonane są z polietylenu, polichlorku winylu i żywic poliamidowych. Stosuje się je na dwa sposoby: ogrzany produkt umieszcza się w proszku polimerowym, który topi się i zgrzewa z metalem, lub powierzchnię metalu traktuje się roztworem polimeru w niskowydajnym rozpuszczalniku, który szybko odparowuje, oraz film pozostaje na produkcie.

Metaliczny - są to powłoki z innymi metalami, na których powierzchni pod działaniem utleniaczy tworzą się stabilne filmy ochronne.

Zastosowanie chromu na powierzchni - chromowanie, niklowanie - niklowanie, cynkowanie - cynkowanie, cynowanie - cynowanie itp. Powłoką może być również metal pasywny chemicznie - złoto, srebro, miedź.

4. Elektrochemiczne metody ochrony.

Ochronny (anodowy) - kawałek bardziej aktywnego metalu (protektora) jest przymocowany do chronionej metalowej konstrukcji, która służy jako anoda i ulega zniszczeniu w obecności elektrolitu. Magnez, aluminium, cynk są stosowane jako ochraniacz do ochrony kadłubów statków, rurociągów, kabli i innych stylowych produktów;

Katodowy - metalowa konstrukcja jest połączona z katodą zewnętrznego źródła prądu, co wyklucza możliwość jej anodowego zniszczenia

5. Specjalna obróbka elektrolitu lub środowiska, w którym znajduje się chroniona konstrukcja metalowa.

Rzemieślnicy z adamaszku są znani z odkamieniania i
rdza stosowano roztwory kwasu siarkowego z dodatkiem drożdży piwnych, mąki, skrobi. Te przynoszą i były jednymi z pierwszych inhibitorów. Nie pozwolili, aby kwas działał na metal broni, w wyniku czego rozpuściły się tylko kamień i rdza. Płatnerze z Uralu używali do tych celów zup kiszonych - roztworów kwasu siarkowego z dodatkiem otrębów mącznych.

Przykłady zastosowania nowoczesnych inhibitorów: kwas solny podczas transportu i przechowywania jest doskonale „okiełznany” przez pochodne butyloaminy. a Kwas siarkowy- kwas azotowy; lotna dietyloamina jest wstrzykiwana do różnych pojemników. Należy zauważyć, że inhibitory działają tylko na metal, czyniąc go pasywnym w stosunku do medium, na przykład w stosunku do roztworu kwasu. Nauka zna ponad 5 tysięcy inhibitorów korozji.

Usuwanie tlenu rozpuszczonego w wodzie (odpowietrzanie). Proces ten jest wykorzystywany do przygotowania wody wpływającej do kotłowni.

Metody otrzymywania metali

Znaczna aktywność chemiczna metali (oddziaływanie z tlenem atmosferycznym, innymi niemetalami, wodą, roztworami soli, kwasami) prowadzi do tego, że w skorupie ziemskiej występują one głównie w postaci związków: tlenków, siarczków, siarczanów, chlorków , węglany itp.

W postaci wolnej znajdują się metale znajdujące się w szeregu napięć na prawo od wodoru, choć znacznie częściej miedź i rtęć można znaleźć w przyrodzie w postaci związków.

Minerały i skały zawierające metale i ich związki, z których oddzielenie czystych metali jest technicznie możliwe i ekonomicznie wykonalne, nazywane są rudami.

Pozyskiwanie metali z rud to zadanie metalurgii.
Metalurgia to także nauka o przemysłowych metodach pozyskiwania metali z rud. i przemysł.
Każdy proces metalurgiczny to proces redukcji jonów metali za pomocą różnych środków redukujących.

Do realizacji tego procesu konieczne jest uwzględnienie aktywności metalu, dobór środka redukującego, uwzględnienie wykonalności technologicznej, czynników ekonomicznych i środowiskowych. W związku z tym istnieją następujące sposoby pozyskiwanie metali: pirometalurgiczne. hydrometalurgia, elektrometalurgia.

Pirometalurgia - redukcja metali z rud w wysokich temperaturach za pomocą węgla, tlenku węgla (P). wodór, metale - aluminium, magnez.

Na przykład cyna jest redukowana z kasyterytu, podczas gdy miedź jest redukowana z kuprytu poprzez kalcynację z węglem (koksem). Rudy siarczkowe są wstępnie poddawane prażeniu pod dostępem powietrza, a następnie powstały tlenek redukowany jest węglem. Metale są również izolowane z rud węglanowych przez pompowanie węgla, ponieważ węglany rozkładają się po podgrzaniu, zamieniając się w tlenki, a te ostatnie są redukowane przez węgiel.

Hydrometalurgia to odzyskiwanie metali z ich soli w roztworze. Proces przebiega w 2 etapach:

1) związek naturalny rozpuszcza się w odpowiednim odczynniku z wytworzeniem roztworu soli tego metalu;
2) ten metal jest wypierany z otrzymanego rakhtvory bardziej aktywnego lub redukowany przez elektrolizę. Na przykład, aby uzyskać miedź dla rud zawierających tlenek miedzi CuO, poddaje się ją obróbce rozcieńczonym kiglotem siarkowym.

Następnie miedź jest usuwana z roztworu soli albo przez elektrolizę, albo siarczan jest zastępowany żelazem. W ten sposób uzyskuje się srebro, cynk, molibden, złoto, uran.

Elektrometalurgia to redukcja metali w trakcie elektrolizy roztworów lub stopów ich związków.

Elektroliza

Jeżeli elektrody zostaną zanurzone w roztworze lub roztopionym elektrolicie i popłynie stały prąd elektryczny, to jony będą przemieszczać się kierunkowo: kationy - do katody (elektroda naładowana ujemnie), aniony - do anody (elektroda naładowana dodatnio).

Na katodzie kationy przyjmują elektrony i są redukowane na anodzie, aniony oddają elektrony i są utleniane. Ten proces nazywa się elektrolizą.
Elektroliza to proces oksydacyjno-redukcyjny, który zachodzi podczas przepływu prądu elektrycznego przez elektrolit lub roztwór elektrolitu.

Najprostszym przykładem takich procesów jest elektroliza stopionych soli. Rozważ proces elektrolizy stopionego chlorku sodu. W stopie zachodzi proces dysocjacji termicznej. Pod wpływem prądu elektrycznego katody przemieszczają się do katody i odbierają z niej elektrony.
Na katodzie powstaje metaliczny sód, a na anodzie gazowy chlor.

Najważniejsze, o czym musisz pamiętać: w procesie elektrolizy pod wpływem energii elektrycznej zachodzi reakcja chemiczna, która nie może przebiegać samoistnie.

Sytuacja jest bardziej skomplikowana w przypadku elektrolizy roztworów elektrolitów.

W roztworze soli oprócz jonów metali i pozostałości kwasowej obecne są cząsteczki wody. Dlatego przy rozpatrywaniu procesów na elektrodach należy wziąć pod uwagę ich udział w elektrolizie.

Do oznaczania produktów elektrolizy roztwory wodne elektrolity, obowiązują następujące zasady.

1. Proces na katodzie nie zależy od materiału katody, z którego jest wykonana, ale od położenia metalu (kationu elektrolitu) w elektrochemicznym szeregu napięć, przy czym jeżeli:

1.1. Kation elektrolitu znajduje się w szeregu napięć na początku szeregu (wzdłuż Al włącznie), wówczas na katodzie zachodzi proces redukcji wody (uwalnia się wodór). Kationy metali nie ulegają redukcji, pozostają w roztworze.
1.2. Kation elektrolitu znajduje się w szeregu napięć między glinem a wodorem, a następnie na katodzie redukowane są zarówno metale, jak i cząsteczki wody.
1.3. Kation elektrolitu znajduje się w szeregu napięć za wodorem, a następnie kationy metali ulegają redukcji na katodzie.
1.4. Roztwór zawiera kationy różnych metali, następnie pobierany kation metalu ulega redukcji, stojąc w szeregu napięć

Zasady te są odzwierciedlone na diagramie 10.

2. Proces na anodzie zależy od materiału anody i rodzaju anody (Schemat 11).

2.1. Jeśli anoda się rozpuści (żelazo, cynk, miedź, srebro i wszystkie metale, które utleniają się podczas elektrolizy), to metal anody ulega utlenieniu, pomimo natury anionu. 2.2. Jeśli anoda nie rozpuszcza się (nazywa się to obojętną - grafit, złoto, platyna), to:
a) podczas elektrolizy roztworów soli kwasów beztlenowych (prometorydów) anion utlenia się na anodzie;
b) podczas elektrolizy roztworów soli kwasu zawierającego tlen i fluorków na anodzie zachodzi proces utleniania wody. Aniony nie są utleniane, pozostają w roztworze;

Elektroliza stopów i roztworów substancji znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle:

1. Do produkcji metali (aluminium, magnez, sód, kadm uzyskuje się tylko przez elektrolizę).
2. Do produkcji wodoru, halogenów, alkaliów.
3. Do oczyszczania metali - rafinacja (oczyszczanie miedzi, niklu, ołowiu odbywa się metodą elektrochemiczną).
4. Ochrona metali przed korozją - nakładanie powłok ochronnych w postaci cienkiej warstwy innego metalu odpornego na korozję (chrom, nikiel, miedź, srebro, złoto) - galwanizacja.
5. Pozyskiwanie kopii metalowych, płyt - galwanizacja.

Zadanie praktyczne

1. Jaka jest struktura metali związana z ich rozmieszczeniem w głównych i drugorzędnych podgrupach układu okresowego pierwiastków chemicznych DI Mendelejewa?
2. Dlaczego metale alkaliczne i ziem alkalicznych mają w związkach jeden stopień utlenienia: odpowiednio (+1) i (+2), a metale podgrup bocznych z reguły wykazują różne stopnie utlenienia w związkach?
3. Jakie stany utlenienia może wykazywać mangan? Jakie tlenki do hydrocentów odpowiadają manganowi na tych stopniach utlenienia? Jaka jest ich natura?
4. Porównaj budowę elektronową atomów pierwiastków grupy VII: manganu i chloru. Wyjaśnij różnicę w ich właściwościach chemicznych oraz obecność różnych stopni utlenienia atomów dla obu pierwiastków.
5. Dlaczego pozycja metali w elektrochemicznych szeregach napięć nie zawsze odpowiada ich pozycji w układzie okresowym DI Mendelejewa?
9. Wykonaj równania reakcji sodu i magnezu z kwasem octowym. W jakim przypadku i dlaczego szybkość reakcji będzie wyższa?
11. Jakie znasz metody pozyskiwania metali? Jaka jest istota wszystkich metod?
14. Co to jest korozja? Jakie znasz rodzaje korozji? Który z nich reprezentuje proces fizykochemiczny?
15. Czy za korozję można uznać następujące procesy: a) utlenianie żelaza podczas spawania elektrycznego, b) oddziaływanie cynku z kwasem solnym przy otrzymywaniu kwasu trawionego do lutowania? Udziel uzasadnionej odpowiedzi.
17. Produkt manganowy znajduje się w wodzie i wchodzi w kontakt z produktem miedziowym. Czy oba pozostaną niezmienione?
18. Czy żelazna konstrukcja będzie chroniona przed korozją elektrochemiczną w wodzie, jeśli nadepnie się na nią płytkę z innego metalu: a) magnezu, b) ołowiu, c) niklu?
19. W jakim celu powierzchnia zbiorników do przechowywania produktów ropopochodnych (benzyna, nafta) malowana jest srebrem - mieszaniną proszku aluminiowego z jednym z olejów roślinnych?
20. Na powierzchni zakwaszonej gleby uchetkl ogrodowej znajdują się żelazne rury z włożonymi mosiężnymi kranami. Co będzie korodować: rura kranu yiyang? Gdzie zniszczenie jest najbardziej widoczne?
21. Jaka jest różnica między elektrolizą stopów a elektrolizą roztworów wodnych?
22 *. Jakie metale można otrzymać przez elektrolizę ich stopionych soli, a nie można ich otrzymać przez elektrolizę wodnych roztworów tych substancji?
23 *. Wykonaj równania elektrolizy chlorku baru w: a) stopie, b) roztworze
28. Do roztworu zawierającego 27 g chlorku miedzi (II) dodano 1-4 g opiłków żelaza. Jaka masa miedzi została uwolniona w wyniku tej reakcji?
Odpowiedź: 12,8 g.
29. Jaką masę siarczanu cynku można uzyskać poddając reakcji nadmiar cynku z 500 ml 20% roztworu kwasu siarkowego o gęstości 1,14 g/ml?
Odpowiedź: 187,3 g.
31. Podczas przetwarzania 8 g mieszaniny magnezu i tlenku magnezu z kwasem solnym uwolniono 5,6 litra wodoru (n, u.). Co jest ułamek masowy(w%) CZERWIEC w oryginalnej mieszance?
Odpowiedź: 75%.
34. Wyznacz ułamek masowy (w procentach) węgla w stali (stop żelaza z węglem), jeżeli podczas spalania jego próbki o masie 10 g w strumieniu tlenu 0,28 litra tlenku węgla (IV) (standard) zostały zebrane.
Odpowiedź: 1,5%.
35. Próbkę 0,5 g sodu umieszczono w wodzie. Ani zobojętnienie powstałego roztworu nie zużyło 29,2 g 1,5% kwasu solnego. Jaki jest ułamek masowy (procent) sodu w próbce?
Odpowiedź: 55,2%.
36. Stop miedzi i aluminium potraktowano nadmiarem roztworu wodorotlenku sodu, przy czym wydzielił się gaz o objętości 1,344 L (jednostka standardowa) Pozostałość po reakcji rozpuszczono w kwasie azotowym, a następnie roztwór odparowano i kalcynowany do stałej masy, która okazała się równa 0,4 g. skład stopu? Odpowiedź: 1,08 g Al 0,32 g Cu lub 77,14% Al 22,86% Cu.
37. Jaką masę żeliwa zawierającego 94% żelaza można uzyskać z 1 tony rudy żelaza czerwonego (Fe2O3) zawierającej 20% zanieczyszczeń?
Odpowiedź: 595,74 kg.

Metale w przyrodzie

Jeśli dokładnie studiowałeś chemię na poprzednich zajęciach, to wiesz, że układ okresowy pierwiastków zawiera ponad dziewięćdziesiąt rodzajów metali, a około sześćdziesiąt z nich można znaleźć w środowisko naturalne.

Metale występujące w przyrodzie można z grubsza podzielić na następujące grupy:

Metale, które można znaleźć w naturze w postaci wolnej;
metale występujące jako związki;
metale, które można znaleźć w postaci mieszanej, to znaczy mogą występować zarówno w postaci wolnej, jak i w postaci związków.

W przeciwieństwie do innych pierwiastków chemicznych, metale dość często występują w przyrodzie w postaci prostych substancji. Zwykle mają stan ojczysty. Do takich metali, które są prezentowane w postaci prostych substancji, należą złoto, srebro, miedź, platyna, rtęć i inne.

Jednak nie wszystkie metale występujące w środowisku naturalnym są obecne w swoim naturalnym stanie. Niektóre metale występują w postaci związków i nazywane są minerałami.

Ponadto pierwiastki chemiczne takie jak srebro, rtęć i miedź można znaleźć zarówno w stanie natywnym, jak i w postaci związków.

Wszystkie te minerały, z których w przyszłości będzie można pozyskiwać metale, nazywane są rudami. W naturze występuje ruda zawierająca żelazo. Ten związek nazywa się rudą żelaza. A jeśli kompozycja zawiera miedź, ale odpowiednio, taki związek nazywa się rudą miedzi.

Oczywiście najczęstszymi metalami w przyrodzie są metale, które aktywnie oddziałują z tlenem i siarką. Nazywane są tlenkami i siarczkami metali.

Aluminium jest tak powszechnym pierwiastkiem, który tworzy metal. Aluminium znajduje się w glinie, a także w kamieniach szlachetnych, takich jak szafir i rubin.

Drugim najpopularniejszym i najbardziej rozpowszechnionym metalem jest żelazo. Z reguły występuje w naturze w postaci związków, a w swojej rodzimej postaci można ją znaleźć jedynie w składzie kamieni meteorytowych.

Kolejnymi najczęściej występującymi w środowisku naturalnym, a właściwie w skorupie ziemskiej są metale takie jak magnez, wapń, sód, potas.

Trzymając w dłoni monety, zapewne zauważyłeś, że wydzielają charakterystyczny zapach. Okazuje się jednak, że nie jest to zapach metalu, ale zapach pochodzący od związków, który powstaje, gdy metal wchodzi w kontakt z ludzkim potem.

Czy wiesz, że Szwajcaria ustanowiła produkcję sztabek złota w formie tabliczki czekolady, którą można połamać na plasterki i wykorzystać jako prezent lub środek płatniczy? Firma produkuje takie tabliczki czekolady ze złota, srebra, platyny i palladu. Jeśli taka płytka zostanie połamana na plasterki, to każdy z nich waży tylko jeden gram.

A jednak taki stop metalu jak nitinol ma dość interesującą właściwość. Jest wyjątkowy, ponieważ ma efekt pamięci, a po podgrzaniu odkształcony produkt wykonany z tego stopu jest w stanie powrócić do swojej pierwotnej postaci. Do produkcji tulei wykorzystywane są takie osobliwe materiały z tzw. pamięcią. Posiadają właściwość kurczenia się w niskich temperaturach, a w temperaturze pokojowej te tuleje są prostowane i to połączenie jest jeszcze pewniejsze niż spawanie. A to zjawisko wynika z faktu, że stopy te mają strukturę termoelastyczną.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego zwyczajowo dodaje się do złotej biżuterii stop srebra lub miedzi? Okazuje się, że dzieje się tak dlatego, że złoto w czystej postaci jest bardzo miękkie i łatwe do zarysowania nawet paznokciem.