2.2. Металічні елементи та їх сполуки. Метали 2.2.1. Загальні відомості про металічні елементи

Відомо, що більшість хімічних елементів відносять до металів — 92 з 114 відомих елементів. Метали — це хімічні елементи, атоми яких віддають електрони зовнішнього (а деякі — і передзовнішнього) електронного шару і перетворюються на позитивні йони.

Ця властивість атомів металів визначається тим, що вони мають порівняно великі радіуси і малі числа електронів (від 1 до 3) на зовнішньому шарі.

Винятком є 6 металів: атоми Германію, Стануму, Плюмбуму на зовнішньому шарі мають 4 електрони, атоми Стібію, Бісмуту — 5, атоми Полонію — 6.

метали у періодичній системі

Порядок заповнення енергетичних рівнів атомів електронами відповідно до зростання за­рядів їх ядер припускає існування рядів елементів, що мають на зовнішньому рівні по два електрони. Ці елементи утворюють парні ряди у великих періодах (4—6) (див. «Періодична система») — елементи-метали. Малі (1—3) періоди і непарні ряди великих періодів також по­чинаються з металів, при цьому їх число приблизно дорівнює номеру періоду, тобто в першо­му періоді маємо один метал (Гідроген), в другому — два (Кі і Ве), в третьому — три ^а, Мд, А1), в непарному ряді четвертого періоду — чотири (Си, 2п, Оа, Ое) і т. д. Таким чином, число металів серед хімічних елементів значно перевищує число неметалів.

У періодичній системі метали розміщені нижче діагоналі Бор-Астат, а також вище неї у побічних підгрупах. У періодах і головних підгрупах діють відомі закономірності у зміні металів, отже, відновлювальних властивостей атомів елементів (див. «Періодична система»).

Хімічні елементи, що розташовані поблизу діагоналі Бор-Астат (Ве, А1, Ті, Ое, NЬ, 8Ь та ін.), мають подвійні властивості: в одних сполуках поводяться як метали, в інших — вияв­ляють властивості неметалів.

У побічних підгрупах відновні властивості металів зі збільшенням порядкового номера пе­реважно знижуються. Порівняйте активність відомих металів I групи побічної підгрупи: Си, Ад, Аи і II групи побічної підгрупи: 2п, Сгї, Нд.

Це пояснюється тим, що на сталість зв'язку валентних електронів з ядром атомів цих ме­талів значною мірою впливає величина заряду ядра, а не радіус атома. Величина заряду ядра істотно зростає, притягання електронів до ядра — посилюється. Радіус атома при цьому хоч і збільшується, але не так істотно, як у металів головних підгруп.

Особливості електронної будови металів

Атоми металів мають порівняно великі розміри, тому їх зовнішні електрони значно відда­лені від ядра і неміцно з ним пов'язані.

Друга особливість, яка властива атомам найбільш активних металів, — це наявність на зовнішньому енергетичному рівні 1—3 електронів. Атоми металів легко віддають зовнішні електрони (вони сильні відновники), а самі перетворюються на позитивні йони.

Спільним у будові металів є атомна кристалічна ґратка. Відірвані від атома електро­ни вільно переміщуються між позитивно зарядженими йонами металів. Між цими частин­ками утворюється зв'язок, який скріплює шари позитивно заряджених йонів і атомів, що розташовані у вузлах ґратки. Електрони перебувають у постійному русі, під час зіткнення утворюють нейтральні атоми, потім йони і т. ін. Ці електрони інколи називають електрон­ною хмарою, або електронним газом. Такі кристалічні ґратки і зв'язки, що виникають, на­зивають металічними.

Фізичні властивості металів

Основною фізичною ознакою металів є електронна провідність, пов'язаний з нею мета­лічний блиск, а також висока теплопровідність. Ці властивості металів визначаються наяв­ністю в масі металу йонної кристалічної ґратки, а також хмари електронів, що вільно перемі­щуються. Усі інші характеристики металів — міцність, пластичність, температури плавлення та кипіння — коливаються в широких межах і для металів не є характерними.

Висока електрична провідність металів обумовлена наявністю в їх кристалічних ґратках рухомих електронів, які спрямовано переміщуються під дією електричного поля. Під час на­грівання коливальні рухи йонів в кристалі зростають, що призводить до зниження електрич­ної провідності. Але під час охолодження електропровідність зростає і приблизно на рівні абсолютного нуля переходить у надпровідність. Найкращими провідниками є срібло та мідь, гіршими — марганець, свинець і ртуть.

Так змінюється і термопровідність металів, яка також обумовлена високою рухомістю вільних електронів: коли вони зіштовхуються у вузлах ґратки із йонами, відбувається обмін енергією. З підвищенням температури коливання йонів передається іншим йонам, і темпера­тура всього металу швидко вирівнюється.

Для гладкої поверхні металів характерний металевий блиск — результат відбивання світла променів. Алюміній, срібло та паладій мають найвищу відбивну здатність.

Найважливішою механічною властивістю металів є пластичність.

Пластичність — це властивість речовини змінювати під зовнішньою дією і зберігати форму після припинення цієї дії.

Пластичність металів обумовлена тим, що під механічним впливом одні шари іон-атомів у кристалах легко зміщуються (ковзають) по відношенню до інших без розриву зв'язків. Най­більш пластичні метали — золото, срібло, мідь.

Практичний інтерес являють такі фізичні властивості металів: щільність, температура плавлення, твердість. Найбільш тверді метали розташовані у побічній підгрупі VI групи. Так, твердість хрому наближається до алмазу. Найм'якші — лужні метали (їх можна різати ножем).

За щільністю метали поділяють на легкі (щільність < 5г/см³) та важкі (щільність > 5 г/см³). До легких відносять лужні, лужноземельні та алюміній. Найлегший метал — це літій (р = 0,53 г/см³). Найважчий — осмій (р = 22,6 г/см³).

Легкі метали зазвичай легкоплавкі (цезій і талій плавляться в руках), а важкі — тугоплавкі (температура плавлення вольфраму дорівнює 3380 °С).

У техніці метали поділяють на чорні (залізо та його сплави) і кольорові (решта). Золото, срібло та платину відносять до дорогоцінних металів.

хімічні властивості металів

З точки зору хімії, атоми або йони хімічних елементів вивляють металічні властивості, якщо під час хімічних реакцій віддають електрони.

Віддаючи валентні електрони, атоми або йони окиснюються, тобто є відновниками.

У зв'язку з цим метали:

а) реагують з окиснювачами (тобто неметалами), при цьому взаємодія металів з киснем призводить:

• для активних металів (Ма, К, КЬ, Сз, Са, Ва) — до утворення пероксидів:

К + о₂ = ко₂,

2Ма + 0₂ = Ма₂О₂;

• для менш активних металів (2п, А1, Ге і т. д.) — до утворення основних оксидів:

4А1 + 30₂ = 2А1₂0₃, 22п + 0₂ = 22пО;

б) під час взаємодії з іншими неметалами утворюються солі безоксигенових кислот:

2Ма + С1₂ = 2МаС1, 2Ма + 8 = Ма₂8.

Із складних речовин метали взаємодіють:

а) з основними оксидами (утворюється новий оксид):

СиО + 2п = 2пО + Си;

б) з основами (утворюються нові основи або луги):

2п(ОН)₂ + 2Ма = 2п + 2МаОН,

Ге(0Н)₃ + 2п = Ге + 2п(0Н)₂;

основа

в) з кислотами (з утворенням солей):

2п + 2НС1 = 2пС1₂ + Н₂;

г) з солями (утворюється нова сіль):

Си80₄ + 2п = 2п80₄ + Си.

Ряд активності (напруги) металів

Під час взаємодії зі складними речовинами (оксидами, гідроксидами, кислотами або соля­ми) атоми металів заміщають в них або атоми інших металів, або атоми Гідрогену. Ці реакції можуть протікати лише за умови, якщо метал, який заміщає, здатний замістити інший ме­тал або водень, тобто якщо він активніший.

2п + Си80₄ ^ Си + 2п80₄,

оскільки цинк більш активний метал, ніж мідь. Водночас реакція

2п80₄ + Си ХСи80₄ + 2п

неможлива, оскільки мідь менш активна, ніж цинк.

За здатністю витісняти один одного або водень з їх сполук метали розміщують у ряд активності (ряд напруги):

^і К Ва 8г Са ^ Мд А1 Мп 2п Сг Ге Со Nі 8п РЬ Н Си Нд Ад Рі Аи

Ряд активності металів має певні властивості:

• Чим ближче до лівого краю стоїть метал у цьому ряді, тим сильнішим відновником він є.

• Кожен метал може витісняти (відновлювати) зі сполук у розчині ті метали, які в ряді напруги металів стоять після нього (ближче до правого краю).

• Метали, що розміщені в ряді напруги ближче до лівого краю від Гідрогену, можуть витісняти водень із розчинів кислот; а розташовані після нього витісняються ним з ок­сидів, гідроксидів, солей.

• Чим далі розташовані один від одного метали в ряді активності, тим активніше поперед­ній витісняє наступний.

методи одержання металів

Зазвичай метали зустрічаються в природі у вигляді різних сполук — оксидів, солей, без- оксигенових і оксигеновмісних кислот, що утворюють великі скупчення, які називають руд­ними тілами. Дуже часто одне рудне тіло складається з багатьох різних металів (так звані поліметалічні руди). Іноді метали існують в природному, тобто вільному стані (Рі, Аи, Аз, Си), але і в цьому випадку вони мають різні домішки, переважно елементи однієї підгрупи.

Тому завданнями металургії є:

• одержання сировини для виробництва того або іншого металу в найчистішому вигляді;

• одержання самого металу;

• одержання сумішей металів (сплавів) із заданими властивостями.

Перше завдання вирішується такими численними і різноманітними засобами, що вони не можуть бути не тільки коротко викладені, а й перелічені. Кінцева мета цієї стадії — одержання оксиду металу. В промисловості використовують переважно випал для сульфідів або термічну обробку для солей оксигеновмісних кислот:

Си8 + 0₂ = Си + 80.

На другій стадії одержання металу здійснюють відновлення з його оксиду. За відновники використовують вуглець (кокс), карбон (II) оксид, водень, більш активні метали (алюміно- термія):

Сг₂0₃ + 3С = 2Сг + 3СО, ГеО + СО = Ге + С0₂, СиО + Н₂ = Си + Н₂О, 3Ге₃О₄ + 8А1 = 9Ге + 4А1₂О₃.

Лужні або лужноземельні метали, а також алюміній, які в розплавленому стані реагують із зазначеними відновниками, одержують електролізом розплавів їх солей або оксидів:

2_МаС1 ————— > 2Ма_{( )} + С1_{2( )},

розплав (катод) 2(анод) У

2А1 о ^{електроліз} 4А1 + ЗО

^2А12^О3 розплав * ^4А1(катод) + ^3О2(анод) .

Див. «Електроліз розплавів і розчинів».

Сплави

У широкій практиці метали рідко використовують у чистому вигляді, тому що їх влас­тивості (ковкість, міцність, корозійна стійкість) не відповідають тим чи іншим практичним завданням. Зазвичай, до металів додають ті або інші метали в різній кількості й одержують сплави. Склад сплавів надзвичайно різноманітний, тому перелічимо деякі:

• чавун — сплав заліза з нікелем, манганом, хромом тощо, який має більше ніж 1,7 % вуглецю;

• сталь — сплав, основою якого є залізо, у ньому менше ніж 1,7 % вуглецю і легувальних домішок (це можуть бути будь-які метали, а також кремній);

• бронза — сплав міді з оловом (до 20 %);

• латунь — сплав міді з цинком (від 10 до 50 %);

• дюралюміній — сплав алюмінію, міді (3—5 %), нікелю, мангану, магнію (по 1 %);

• силумін — сплав алюмінію з кремнієм (12—14 %).

Одержання чавуну

Чавун одержують із залізних руд у спеціальних доменних печах, що мають висоту декіль­ка десятків метрів та об'єм до 5 тис. м³.

Розглянемо основні хімічні реакції, що відбуваються в доменній печі. У піч завантажують залізну руду, змішану з флюсами (СаО, СаСО₃), кокс; знизу подають суміш повітря з киснем; починається горіння коксу:

С + О₂ = СО₂ + я.

Ця реакція ендотермічна, вона забезпечує енергією усі інші процеси. Температура сягає 1600 °С — вища за температуру плавлення заліза.

Далі вуглекислий газ відновлюється надлишком коксу:

СО₂ + С = 2СО - я, і карбон (II) оксид, що утворився, відновлює залізо:

Ге₂0₃ + 3С0 = 2Ге + 3С0₂.

Під час стикання з вуглецем рідке залізо розчиняє його так, що утворюється сплав заліза з великим вмістом вуглецю — чавун.

Основною домішкою до оксидів заліза в руді є пісок 8і0₂. Це тугоплавка речовина, і для того щоб відділити її у вигляді легкоплавкого шлаку, до шахти вводять вапняк:

8Ю2(к_Р.₎ + СаСОз(кр.) = Са8ІОз + СО2Т - Я.

Кальцій силікат — рідина з меншою густиною, ніж розплав чавуну, він утворює рідкий шар, який виводять з печі. Чавун — твердий, але крихкий матеріал, який не витримує ударів.

Одержання сталі

Сталь відрізняється від чавуну вмістом вуглецю. В сталі його повинно бути не більше ніж 2 %. Для виведення надлишку вуглецю його окиснюють, додають до розплаву чавуну залізний лом і продувають киснем.

Відбувається окиснення не тільки вуглецю, але й заліза та домішок:

2С + 0₂ = 2С0, 2Ге + 0₂ = 2ГеО

2Мп + 0₂ = 2Мп0₂ 8 + 0₂ = 80₂

Ферум (II) оксид також окиснює домішки:

С + ГеО = Ге + С0₂ Т , 8і + 2ГеО = 2Ге + 8і0₂.

Вапняком віддаляють оксиди кремнію та фосфору, а надлишок ферум (II) оксиду виводять за допомогою розкиснювача феромарганцю.

Щоб одержати сплави різного призначення, до розплаву додають домішки інших металів.

Корозія металів

Поверхня металічних виробів, яка стикається із зовнішнім середовищем, може руйнувати­ся. Цей процес називають корозією. Розрізняють корозію хімічну та електрохімічну.

Під час хімічної корозії атоми металів вступають у взаємодію з атомами або молекулами зовнішнього середовища, окиснюються ними та у вигляді йонів вилучаються з поверхні ме­талу:

Ме⁰ - пе ^ Ме^п+.

Під час електрохімічної корозії відбувається руйнування металу, який утворює з іншими металами гальванічну пару. Наприклад, якщо залізо ввести у контакт з цинком (оцинковане залізо), то воно утворює гальванічну пару, де цинк, який є більш активним металом, віддає частину своїх електронів залізу:

У результаті на цинку з'являється позитивний заряд, цинк стає анодом, а на залізі — нега­тивний (катод). Якщо таку пару змочувати водою, то йони Гідрогену будуть підходити до катода і там відновлюватися, тобто забирати електрони, які цинк передав залізу. Щоб ком­пенсувати ці втрати, цинк буде виділяти у розчин йони (2п - 2е ^ 2п²+), а сам руйнуватися. Цей процес відбуватиметься доти, доки весь цинк, що контактує із залізом, не зруйнується.

Боротьба з корозією

Корозія руйнує щорічно приблизно 30 % металів, що видобуваються. Для боротьби з ко­розією змінюють склад зовнішнього середовища або захищають поверхню металів матеріала­ми, що послаблюють вплив зовнішнього середовища. Це можуть бути різні покриття (ґрунту­вання, фарбування, фосфатування), пасивація поверхні металу або нанесення плівки іншого металу — нікелю (нікелювання), міді (оміднення), алюмінію (алітування). У найвідповідаль­ніших випадках застосовують золочення, платування або сріблення.

Для боротьби з електрохімічною корозією застосовують протекторний захист — у елект­ричний контакт з виробом, який треба захистити, вводять деяку кількість більш активного металу (протектор) і спостерігають за процесом. Коли протектор зруйнується, його замінюють.