1.7 Огляд елементів - металів

Значення розділу. У наш час для виготовлення машин і приладів застосовують переважно металеві матеріали, до яких належать метали, сплави металів з іншими металами та металів з неметалами. Матеріалознавцю необхідно бути обізнаним у властивостях металів. Очевидно, що розглянути індивідуальні характеристики кожного окремого металу у межах даного навчального курсу неможливо, тому дуже важливого значення набувають знання таких загальних закономірностей, як періодичність змінювання властивостей металічних елементів та їх сполук, залежність властивостей металів від типів і особливостей хімічного зв’язку в металах і сплавах на їх основі. Згадані закономірності є предметом вивчення теми «Огляд хімії елементів-металів».

Цілі вивчення розділу:

- поглиблення знань щодо залежності властивостей речовин від їх будови на прикладі розгляду металів;

- розгляд загальних способів добування та очищення металів;

- формування знань про типові властивості s-, p-, d-металів;

- прогнозування можливих галузей застосування металів залежно від їх властивостей.

Результати вивчення розділу

Необхідно знати:

1 Особливості електронної будови елементів-металів, металічний зв’язок, елементи зонної теорії, а також типові для металів кристалічні ґратки.

2 Основні способи добування і очищення металів.

3 Загальну характеристику металів (типові фізичні і хімічні властивості), оксидів та гідроксидів металів.

4 Характеристику s-металів.

5 Характеристику p-металів.

6 Загальну характеристику d-металів.

7 Закономірності у змінюванні властивостей елементів-металів у групах та періодах та їх сполук.

Необхідно вміти:

1 Пояснювати розміщення елементів-металів у ПС залежно від електронної будови їх атомів і складати електронні формули атомів елементів-металів.

2 Складати рівняння хімічних реакцій, які ілюструють хімічні властивості та способи добування металів.

3 Пояснювати галузі використання металів залежно від їх властивостей.

4 Складати формули оксидів і гідроксидів, прогнозувати і пояснювати їх властивості (кислотні, основні, амфотерні).

Література для підготовки теоретичного матеріалу

Опрацювати розділ 12 підручника [6] та 5.1-5.6, 5.8 посібника [3].

План вивчення розділу

1 Хімічні елементи-метали: електронна будова, розміщення у ПС, типові сполуки.

2 Загальна характеристика металів: будова, фізичні і хімічні властивості.

3 Способи добування і очищення металів.

4 Характеристика s-металів (лужні, лужноземельні, та ).

5 Характеристика p-металів ( , , ).

6 Характеристика d-металів (IV періоду, IV-VIII груп, I та II груп).

7 Приклади розв’язання типових задач і виконання завдань.

8 Завдання для самоперевірки.

Приклади розв’язання типових задач і виконання завдань

Приклад 1 Складіть рівняння хімічних реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення: алюміній оксид алюміній алюміній сульфат алюміній гідроксид натрій гексагідроксоалюмінат. Рівняння реакцій йонного обміну напишіть в молекулярному та йонно-молекулярному вигляді.

Розв’язання:

(молекулярне рівняння);

(повне йонне рівняння);

(скорочене йонне рівняння);

Приклад 2 Складіть рівняння хімічних реакцій, які ілюструють хімічні властивості натрію.

Розв’язання. Взаємодія з неметалами:

де

Взаємодія з водою

Взаємодія з кислотами

Приклад 3 Схарактеризуйте властивості хімічного елемента Цирконію за таким планом: а) хімічні властивості металу, утвореного цим елементом (можливість та умови взаємодії з галогенами, киснем, сіркою, азотом, водою, кислотами, лугами); б) склад і характер вищого оксиду та гідроксиду елемента; в) спосіб добування металу; г) застосування сполук.

Розв’язання: а) у вигляді чистого компактного металу цирконій виявляє високу стійкість майже до всіх хімічних реагентів, що зумовлюється наявністю на його поверхні щільної оксидної плівки. У порошкоподібному стані реакційна здатність цирконію підвищується. За звичайних температур цирконій вступає в реакцію лише з і розчиняється у суміші плавикової та нітратної кислот за схемами:

З нітратною і концентрованою (вище 50%) сульфатною кислотами, а також з царською водою взаємодія починається при температурі якнайменше :

При високих температурах порошок цирконію сполучається не тільки з галогенами, але і з сіркою, азотом, вугіллям, окиснюючись до ступеня окиснення +4 чи +3 і утворюючи відповідно галогеніди, сульфіди, нітриди, карбіди:

Поглинаючи водень, цирконій набуває ступеня окиснення +2 і утворює гідрид:

Порошок цирконію самозаймається на повітрі вже при :

б) Цирконій утворює вищій оксид складу , якому відповідає гідроксид . За високих температур виявляє слабкі амфотерні властивості:

Для цирконій (IV) гідроксиду теж характерні амфотерні властивості, але все ж таки основний характер переважає:

Цирконій (IV) гідроксид підлягає розкладу при нетривалому прожарюванні:

в) у вільному вигляді цирконій одержують відновленням магнієм чи натрієм із хлоридів:

Особливо чисті зразки цирконію одержують шляхом термічного розкладання Цирконій(IV) йодиду на розжареній вольфрамовій дротині в умовах низького тиску:

г) практичне значення цирконію особливо велике у металургії спеціальних сталей – додавання всього 0,1% підвищує твердість і в’язкість сталі, що є важливим для виготовлення броньованих плит і щитів. Як самостійний конструкційний матеріал цирконій застосовують при спорудженні атомних реакторів. Використовують його також у вигляді сплавів з Сплав цирконію з залізом – фероцирконій – містить 1550 % . Порошок цирконію є складовою частиною патронних запалів, а у суміші з застосовується у світлових сигналах, які при згорянні дають багато світла майже без диму. Завдяки гідрофобним властивостям поверхні цирконій використовують в конденсаційних установках, а завдяки корозійній стійкості – в нейрохірургії для виготовлення кровозупинних затискачів, інструментів і ниток для накладання швів при операціях на мозку. Широке застосування мають і сполуки цирконію. Так, – п’єзоелектрик у багатьох радіотехнічних приладах. Цирконій діоксид застосовують в освітлювальній техніці як стрижень накалювання. У промисловості виготовляють вогнеупори, керамічні вироби, скло і фарфор із додаванням

Зауважимо, що приклади типових завдань до розділу 1.7 ви також можете знайти, переглянувши відповідну рубрику у розділах 1.2 та 1.6.

Завдання для самоперевірки

Завдання № 1-20 мають чотири варіанти відповіді, з яких тільки одна правильна.

1 Виберіть рядок, в якому перелічені виключно металічні елементи:

А Б

В Г

2 Виберіть електронну формулу зовнішнього електронного шару атомів лужних металів:

А Б В Г

3 Виберіть електронну формулу атома Феруму:

А Б

В Г

4 Виберіть самородні метали:

А золото і платина; Б залізо і хром;

В калій і натрій; Г магній і кальцій .

5 Назвіть тип кристалічних ґраток у лужних металів – калію, рубідію, цезію:

А об’ємноцентрована кубічна;

Б гексагональна щільна упаковка;

В гранецентрована кубічна;

Г різні кубічні модифікації.

6 Яка властивість металічного зв’язку забезпечує високу теплопровідність металів:

А багатоцентровість; Б багатоелектронність;

В ненасиченість; Г ненапрямленість?

7 Виберіть сплав заліза з найбільшим вмістом вуглецю:

А чавун;

Б вуглецева сталь;

В легована сталь;

Г нержавіюча сталь.

8 Виберіть тип реакцій, які покладено в основу всіх металургійних процесів:

А розкладу; Б окисно-відновні; В обміну; Г сполучення.

9 Назвіть процес, за допомогою якого алюміній добувають у промисловості:

А металотермічний; Б пірометалургійний;

В електрометалургійний; Г гідрометалургійний.

10 Виберіть твердження, яке характеризує атоми металів у реакціях.

А приймають електрони і відновлюються;

Б не змінюють ступінь окиснення;

В віддають електрони і окиснюються;

Г віддають електрони і відновлюються.

11 Виберіть характеристику лужних металів.

А мають найбільші значення електронегативності;

Б плавляться при кімнатній температурі;

В хімічно найактивніші;

Г в електрохімічному ряді напруг розміщені після водню.

12 Реакція відбувається за такою схемою:

Назвіть загальне (сумарне) число атомів у формульній одиниці продукту реакції, який містить елемент-метал:

А 7; Б 3; В 5; Г 4.

13 Виберіть метал, для якого взаємодія з киснем найімовірніше відбувається за схемою

:

А Б В Г Li.

14 Зазначте коефіцієнт перед формулою окисника у рівнянні хімічної реакції, що відбувається за такою схемою:

А 5; Б 8; В 9; Г 10.

15 Виберіть формулу речовини, яка є найсильнішою основою:

А Б В Г

16 Визначте коефіцієнт перед формулою води у рівнянні хімічної реакції, що відбувається за такою схемою:

А 2; Б 4; В 6; Г 8.

17 Метал утворює тільки два чистих (не змішаних) оксиди: MeO і MeO₂, які при розчинені у надлишку лугу дають комплексні сполуки і відповідно. Назвіть метал:

А Ca; Б Pb; В Fe; Г Cu.

18 Виберіть твердження, що відповідає властивостям заліза:

А реагує з концентрованою нітратною кислотою;

Б взаємодіє з киснем з утворенням солей;

В реагує з солями більш активних металів;

Г реагує з солями менш активних металів.

19 Утворення яких продуктів найвірогідніше внаслідок взаємодії міді з розведеною нітратною кислотою:

А Б

В Г ?

20 Назвіть метал, здатний брати участь у перетвореннях за схемою:

А Б В Г

Завдання № 21–29 мають на меті встановлення відповідності. До кожного рядка, позначеного цифрою, оберіть відповідь, позначену буквою.

21 З’ясуйте відповідність забарвлення полум’я катіонами металів.

Забарвлення полум’я	Катіон металу
1 фіолетове;	А ;
2 зелене;	Б ;
3 червоне;	В ;
4 жовте.	Г .

22 З’ясуйте відповідність катіонів металів електронним формулам.

Електронна формула	Катіон металу
1 ;	А ;
2 ;	Б ;
3 ;	В ;
4 .	Г .

23 З’ясуйте відповідність металу його властивості.

Метал	Властивість металу
1 ;	А активно розчиняється в розчинах лугів;
2 ;	Б пасивується у концентрованій сульфатній кислоті;
3 ;	В активно реагує з водою за кімнатної температури;
4 .	Г за звичайних умов не окиснюється киснем.

24 З’ясуйте відповідність металу та властивості його сполуки.

Метал	Властивість сполуки
1 ;	А сульфат – нерозчинна у воді речовина;
2 ;	Б один із гідроксидів має характерне синє забарвлення;
3 ;	В оксид існує у вигляді плівки міцної та інертної;
4 .	Г вищий оксид має кислотні властивості.

25 З’ясуйте відповідність металу та властивості його сполуки.

Метал	Властивість сполуки
1 ;	А гідроксид – луг;
2	Б сполуки двовалентного металу є окисниками;
3 ;	В гідроксид – амфотерна сполука;
4 .	Г оксид дуже енергійно взаємодіє з водою.

26 З’ясуйте відповідність катіона металу та реактиву для якісного визначення.

Катіон металу	Реактив
1 ;	А ;
2 ;	Б ;
3 ;	В ;
4 .	Г .

27 З’ясуйте відповідність між реагентами і продуктами реакцій.

Реагенти	Продукти реакції
1 ;	А ;
2 ;	Б ;
3 ;	В ;
4 .	Г .

28 З’ясуйте відповідність між реагентами і продуктами реакцій.

Реагенти	Продукти реакції
1 ;	А ;
2 ;	Б ;
3 ;	В ;
4 .	Г .

29 З’ясуйте відповідність між складом сплаву та його назвою.

Склад сплаву	Назва
1 ;	А бронза;
2 ;	Б монетний сплав;
3 ;	В латунь;
4 .	Г мельхіор.

Завдання № 30-34 мають на меті розташування відповідей у певному порядку згідно із запропонованим завданням.

30 Розташуйте метали за зростанням їх відновних властивостей у водних розчинах:

А Б В Г .

31 Розташуйте гідроксиди металів у послідовності посилення основних властивостей:

А Б В Г

32 Розташуйте метали у послідовності зменшення максимального ступеня окиснення у сполуках:

А Б В Г

33 Розташуйте метали у послідовності зростання поширеності у земній корі:

А Б ; В Г

34 Розташуйте метали у послідовності зростання температури плавлення:

А Б В Г