2. Хімічні властивості

• При нагріванні кислі карбонати переходять в нормальні карбонати:

• При сильному нагріванні нормальні карбонати розкладаються на оксиди і вуглекислий газ :

• Карбонати реагують з кислотами сильніше вугільної (майже всі відомі кислоти, включаючи органічні) з виділенням вуглекислого газу :

3. Поширення в природі

Нормальні карбонати широко поширені в природі, наприклад: кальцит СаСО _3, доломіт CaMg (CO _{3) 2,} магнезит MgCO _3, сидерит FeCO _3, вітерит ВАЛТ _3,барітокальціт BaCa (CO _{3) 2} та ін Існують і мінерали, що представляють собою основні карбонати, наприклад, малахіт CuCO ₃ Cu (ОН) _2.

Гідрокарбонати натрію, кальцію і магнію зустрічаються в розчиненому вигляді в мінеральних водах, а також, у невеликій концентрації, у всіх природних водах, крім атмосферних опадів і льодовиків. Гідрокарбонати кальцію і магнію зумовлюють так звану тимчасову жорсткість води. При сильному нагріванні води (вище 60 C) гідрокарбонати кальцію і магнію розкладаються на вуглекислий газ і малорозчинні карбонати, що випадають в осад на нагрівальних елементах, дні і стінках посуду, внутрішніх поверхнях баків, бойлерів, труб, запірної арматури і т. д., утворюючи накип.

Практичне значення

Із солей карбонатної кислоти важливе значення має карбонат кальцію СаС0₃. Він зустрічається в природі у вигляді мармуру, вапняку, крейди. Мармур використовують як оздоблювальний матеріал у будівництві та скульптурі, вапняк — для добування вапна, яке також застосовується у будівництві, а крім того, вноситься у грунт для зниження кислотності і поліпшення його структури. Крейду застосовують для побілки, а також у скляній, гумовій та інших галузях промисловості.

Карбонат кальцію СаС0₃ у воді не розчиняється. Тому вапняна вода (розчин гідроксиду кальцію) внаслідок пропускання крізь неї оксиду карбону(IV) стає каламутною:

Са(ОН)₂ + С0₂ = СаС0₃↓+ Н₂0

Якщо в Періодичній системі провести діагональ від Берилію до Астату, то зліва внизу розміщуватимуться металічні елементи (до них також належать метали побічних підгруп — d-елементи).

Лужні елементи Літій, Натрій, Калій, Рубідій, Цезій і Францій утворюють головну підгрупу першої групи Періодичної системи елементів. Усі періоди (за винятком першого) починаються з лужних елементів. На зовнішньому електронному шарі атомів лужних елементів міститься один валентний електрон, тому лужні елементи — сильні відновники: всі вони легко окиснюються, вступаючи в реакції з киснем, галогенами і з сіркою та ін.

Елементи Кальцій, Стронцій, Барій називаються лужноземельними металічними елементами. Назва виникла за часів алхімії і пояснюється тим, що оксиди цих металів («землі» алхіміків) проявляють у водних розчинах лужні властивості.

Перехідні метали виділяють на підставі незавершеності внутрішніх електронних оболонок їх атомів. Термін «перехідні» пов'язаний з тим, що в періодах ці елементи розташовуються між s- та р-елементами. Перехідні метали, у свою чергу, підрозділяють на d-елементи, у яких відбувається заповнення 3d-, 4d-, 5d- і 6d-підоболонок, і f-елементи, у яких заповнюється 4f- (лантаноїди) або 5f-підоболонка (актиноїди).

Таким чином більшість елементів в Періодичній системі — металічні елементи.

Всі метали мають кристалічну будову. Розташовані тим або іншим способом, атоми утворюють елементарну комірку просторової кристалічної ґратки. Тип ґратки залежить від хімічної природи і фазового стану металу.

У заліза, хрому, молібдену, вольфраму і деяких інших металів елементарна комірка є кубом із атомами у вершинах і додатковим — у центрі (об'ємноцентрована кубічна ґратка). При температурі понад 910°С у кристалічній структурі заліза відбувається перебудова, число атомів у елементарній комірці збільшується до 14-ти. В результаті перебудови симетрія елементарної комірки змінюється — атоми розміщуються у вершинах куба й додатково в центрі кожної грані (гранецентрована кубічна ґратка). Існування одного металу в декількох кристалічних формах називається поліморфізмом, чи алотропією, а температура, при якій метал переходить з одного стану в інший — температурою поліморфного перетворення. Залізо, наприклад, має дві температури поліморфного перетворення: 910 °C і 1400 °C. Цинк, магній, титан мають елементарну комірку в формі шестигранної призми. Як і залізо,олово, нікель, титан, кобальт та деякі інші метали зі зміною температури змінюють тип своїх ґраток. Наприклад, нікель може мати кубічну гранецентровану чи гексагональну ґратки, а кальцій — кубічну гранецентровану, гексагональну і кубічну об'ємно-центровану.

Елементарні комірки кожного даного кристала однаково орієнтовані в просторі, розташовуючись послідовно, вони мають загальні з сусідніми комірками атоми й утворюють разом просторову ґратку. Проте різні метали з ідентичною кристалічною ґраткою мають різні параметри, тобто відстані між сусідніми атомами. Параметр решітки (сторона куба або шестигранника) у міді 0,36 нм, в алюмінію 0,405 нм, у цинку 0,267 нм і т. д.

Перехід з рідкого стану у твердий для металів — це процес перетворення неупорядкованого розташування атомів у закономірне з утворенням кристалічних ґрат і, отже, кристалів. Такий процес називається первинною кристалізацією.

Установлено, що кристалізація складається з двох елементарних процесів, перебіг яких відбувається одночасно: перший — зародження центрів кристалізації, другий — ріст кристалів з цих центрів. У звичайних умовах кристали не можуть набути правильної форми тому, що їхній ріст обмежується суміжними кристалами. Кристали, що мають неправильні зовнішні обриси, називаються кристалітами, або зернами. Внутрішня будова зерен кристалічна.

На швидкість кристалізації та форму кристалів у процесі затвердіння металу важливий вплив роблять швидкість і напрям відводу тепла. У напрямку відводу тепла кристали ростуть швидше, утворюючи осі, від яких відгалужуються численні відростки. Такі деревоподібні кристали називають дендритами. Дендритна будова характерна для литого металу.

Метали складають понад 80% усіх хімічних елементів. Переважна більшість металів зустрічається в природі у вигляді різних сполук і лише деякі з них — у вільному стані. Це так званісамородні метали (золото і платина), а також інколи срібло, ртуть, мідь і інші метали.

Мінерали і гірські породи, придатні для добування з них металів заводським способом, називаються рудами. Важливішими рудами є оксиди (Fe₂O₃, Fe₃O₄, Al₂O₃ • nH₂O, MnO₂ тощо);сульфіди (ZnS, PbS, Cu₂S, HgS і ін.), солі (NaCl, KCl, MgCl₂ CaCO₃ і т. д.). Малоактивні метали зустрічаються переважно у вигляді оксидів і сульфідів, а активні (лужні і лужноземельні) — винятково у вигляді солей.

Металі́чний зв'язо́к — тип хімічного зв'язку, при якому валентні електрони атомів делокалізуються і починають взаємодіяти з атомнимиостовами усього тіла.

При встановленні металічного типу зв'язку з атомів утворюється метал, в якому позитивно заряджені іони занурені в електронний газ. Незважаючи на заряджений стан іонів, взаємодія між ними екранується рухливими електронами, й не поширюється на далекі відстані.

Наявність вільних електронів визначає всю сукупність власти­востей речовин у металічному стані: високу електро- і тепло­провідність; позитивний температурний коефіцієнт електроопору, здатність добре відбивати світлові хвилі (що зумовлює їхній ха­рактерний блиск і непрозорість), високу пластичність (ковкість), термоелектронну емісію, явище фотоефекту, магнітні властивості та ін.

На відміну від ковалентних і іонних сполук у металах невелике число електронів одночасно зв'язує велике число атомних ядер. Успільненням валентних електронів металічний зв'язок дещо нагадує ковалентний. Проте у металів спільні електрони не належать окремим парам атомів, вони повністю делокалізовані. Цим пояснюється відсутність просторової напрямленості та наси­чуваності металічного зв'язку. Делокалізація валентних електронів є наслідком багатоцентрового характеру металічного зв'язку й причиною високої електро- та теплопровідності металів.

Отже, металічний зв'язок є багатоцентровим хімічним зв'язком з дефіцитом електронів і базується на узагальненні зовнішніх електронів атомів. Тому він характерний лише для конденсованого стану речовини. У газуватому стані атоми всіх речовин, у тому числі й металів, зв'язані між собою тільки ковалентним зв'язком.

Більшість металів утворює одну з наступних високосиметричних ґраток з щільною упаковкою атомів: кубічну об'ємно центровану, кубічну гранецентрировану і гексагональну. У кубічної об'ємно центрованої ґратки атоми розташовані у вершинах куба і один атом в центрі обсягу куба. Кубічну об'ємно центровану грати мають метали: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba та ін. У кубічної гранецентрованої ґратки атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Грати такого типу мають метали: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, γ-Fe, Cu, α-Co та ін. У гексагональної ґратки атоми розташовані у вершинах і центрі шестигранних основ призми, а три атома - у середній площині призми. Таку упаковку атомів мають метали: : Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca та ін. Вільно рухомі електрони зумовлюють високу електро-і теплопровідність. Речовини, що володіють металічним зв'язком, часто поєднують міцність з пластичністю, тому що при зміщенні атомів один щодо одного не відбувається розрив зв'язків.

Фізичні властивості металів

Пластичність. Механічна дія на кристал із металічним зв’язком викликає зсув шарів атомів, але завдяки переміщенню валентних електронів по всьому зразку металу розриву зв’язків не відбувається. Найпластичніший метал — золото. Марганець і бісмут — крихкі метали. Металічний блиск, непрозорість. Вільні електрони взаємодіють із квантами світла, які падають на метал. Електрична провідність. Вільні електрони під впливом різниці потенціалів набувають направленого руху від негативного полюса до позитивного. Найбільшу електричну провідність мають срібло і мідь. Теплопровідність. Зумовлена рухом вільних електронів. Найбільша теплопровідність у срібла й міді, найменша — у бісмуту та ртуті. Густина, температури плавлення   і кипіння  , твердість металів різні. Метали з густиною, меншою за 5 г/см³, називаються легкими, інші — важкими. Метали з температурою плавлення понад 1000 °С називаються тугоплавкими, нижче — легкоплавкими. 

Метал є одним з найнеобхідніших матеріалів в промисловості, будівництві, сільському господарстві та інших видах життєдіяльності людини. Незважаючи на те, що сьогодні все більш популярним матеріалом стає пластик, труби з нього можуть використовуватися тільки в приміщеннях, а конструкції, що проходять під землею, можна виготовляти тільки з металу.

Найчастіше в промисловості та будівництві використовуються не чисті метали, а їх сплави, в основі яких лежить небудь елемент і різноманітні добавки, що поліпшують його якості – надійність, міцність і т.д. Найпоширенішими сплавами є сталь, чавун, а також матеріали, в основі яких лежить мідь і алюміній.

Сталь є найбільш затребуваним металом. Подібний висновок можна зробити, проаналізувавши щорічні обсяги виробництва того або іншого металу. У більшості випадків, сталь являє собою сплав заліза з вуглецем, кількість якого сягає двох відсотків. Сплави сталі підрозділяються на кілька видів: маловуглецевої, рівень вуглецю в яких не перевищує 0,25%, високовуглецеві з вмістом вуглецю понад 0,55% і леговані, доповнені нікелем, хромом, ванадієм. Для того щоб значення стали в житті людини стало для вас більш явним, спробуйте пригадати всі металеві предмети, які ви використовували протягом дня, – ножі, бритву і т.д. всі вони виготовлені зі сталі.

На другому місці за обсягом виробництва знаходиться чавун, який також являє собою сплав заліза і вуглецю. Тільки на відміну від сталі, кількість останнього в чавуні дещо більше. Для додання сплаву міцності в чавун додається кремній. Особливо широке поширення чавун отримав в будівництві: він використовується для виготовлення трубопровідної арматури, кришок люків і інших елементів, основною вимогою яких є міцність. Крім цього, з чавуну виробляється і деяка посуд: так, в радянський час у кожної господині на кухні була сковорода з чавуну.

Хоча сплави з алюмінію не так поширені, як матеріали, названі вище, деякі їхні переваги роблять їх незамінними для деяких операцій. Перш за все, сплави з алюмінію відрізняє економічність, легкість в обробці й іншому використанні, а також легкодоступність. Такі сплави без праці піддаються куванню, зварці, штампуванню і іншим подібним операціям, а також добре піддаються обробці на металорізальних верстатах. Використання алюмінієвих сплавів обмежено лише тим, що при високих температурах вони втрачають ряд своїх властивостей. Так, температура двісті градусів за Цельсієм уже є для них високою, між тим, як термостійкість – це дуже важлива властивість металу. До достоїнств алюмінієвих сплавів відноситься їх нешкідливість і екологічність, завдяки чому їх можна використовувати навіть для зберігання і перевезення харчових продуктів, стійкість до появи корозії, висока відбивна здатність, а також немагнитность. Найбільш часто алюмінієві сплави застосовуються в харчовій промисловості та машинобудуванні. Крім цього, вони необхідні для створення високовольтних ліній і виготовлення деяких архітектурно-оздоблювальних матеріалів.

Більшість крупних машинобудівних та інших промислових підприємств, а також будівельних фірм не працює безпосередньо з металом, купує необхідний для їх виробництва металопрокат, виготовлений металургійними заводами, згідно ГОСТам або за індивідуальними кресленнями замовника.

У результаті взаємодії металів із зовнішнім середовищем їх поверхня вкривається тонким шаром (плівкою) різних хімічних сполук (продуктів корозії): оксидів, хлоридів, сульфідів і т. д. Інколи цей шар такий щільний, що крізь нього не може проникати агресивне середовище. В таких випадках з часом швидкість корозії зменшується, а то й зовсім припиняється. Наприклад, алюміній в атмосфері повітря кородує значно повільніше від заліза, хоч за своїми хімічними властивостями він активніший від заліза. Це пояснюється тим, що поверхня алюмінію вкривається суцільною, досить щільною і міцною оксидною плівкою, яка ізолює метал від доступу кисню, а оксидна плівка заліза, навпаки, є крихкою і ламкою, містить багато пор і тріщин, через що кисень повітря крізь неї легко проникає до поверхні заліза, і тим обумовлюється безперервне його руйнування. Одним з найпоширеніших способів боротьби з корозією є покриття металу (головним чином заліза) масляними фарбами. Захисна дія фарби основується на тому, що оліфа, піддаючисьполімеризації, утворює на поверхні металу суцільну еластичну плівку, яка ізолює метал від дії атмосферних хімічних агентів. Інколи для захисту металу від корозії (наприклад, алюмінію і деяких стальних виробів) штучно створюють оксидну плівку обробкою їх поверхні сильними окисниками.

Схема корозії оцинкованого заліза

Значного поширення одержав також спосіб покриття одного металу іншим. Наприклад, дахове залізо покривають тонким шаром цинку. З цією метою залізні листи занурюють на короткий час у розплавлений цинк. Сам по собі цинк в атмосфері повітря не піддається корозії, оскільки на його поверхні утворюється досить стійка захисна оксидна плівка ZnO. При пошкодженні цинкового шару (тріщини, подряпини тощо) цинк з залізом у присутності вологи повітря утворює гальванічну пару. При цьому електрохімічному корозійному руйнуванню піддається цинк як активніший метал, а залізо не руйнується доти, поки не буде зруйнований весь захисний шар цинку. Конкуренцію традиційному цинкуванню складає покриття сталевих листів алюцинком.

На цьому ж принципі основується і так званий протекторний спосіб захисту металів від корозії. Суть цього способу полягає в тому, що металеву конструкцію сполучають металічним провідником з активнішим металом, який піддається корозійному руйнуванню. Наприклад, у парові котли інколи вводять листи цинку, які сполучають залізними стержнями з стінками котла. При цьому утворюється в середовищі води гальванічна пара, внаслідок чого цинк, як активніший метал руйнується, а залізні стінки котла не піддаються корозії. Так само можна захищати і підземні трубопроводи.

Схема корозії луженого заліза

Інколи металеві вироби вкривають захисним шаром менш активного металу. Прикладом цього може служити біла жерсть, з якої виробляють консервні банки. Її одержують зануренням на короткий час залізних листів у розплавлене олово. Оловодуже добре захищає залізо доти, поки його шар суцільний. Але коли захисний шар пошкоджується і залізо приходить у дотик з агресивним середовищем, воно з оловом утворює гальванічну пару і залізо як активніший метал піддається корозійному руйнуванню. При цьому залізо кородує значно скоріше, ніж у тому випадку, коли воно не вкрите шаром олова.

Досить поширеним є гальванічний спосіб покриття одного металу іншим (шляхом електролізу). Цим способом покривають нікелем (нікелювання), хромом (хромування), міддю (міднення), сріблом (сріблення), золотом (золочення) і іншими металами. Гальванічним способом можна наносити дуже тонкий і рівномірний шар захищаючого металу. Гальванічні покриття не тільки захищають металічні вироби від корозії, а й надають їм гарного зовнішнього вигляду.

Для боротьби з корозією в середовищі рідин застосовують спеціальні добавки, так звані інгібітори, тобто сповільнювачі корозії. Інгібіторами можуть бути різні речовини: хромат натрію, дихромат калію, фосфат натрію тощо, а також желатин, клей та інші органічні речовини. Інгібітори сприяють утворенню на кородуючій поверхні металу міцної захисної плівки, внаслідок чого швидкість корозії може зменшуватись у десятки і сотні разів. Особливо важливу роль відіграють інгібітори при взаємодії металів з кислотами. Так, наприклад, коли додати деякі інгібітори до хлоридної кислоти, то її можна зберігати в стальній тарі, хоч хлоридна кислота з залізом взагалі реагує досить енергійно. Крім того, останнім часом стали широко застосовувати сплави з високими антикорозійними властивостями. Такі сплави одержують шляхом добавок до основного металу інших металів — нікелю, кобальту, хрому і ін. Прикладом антикорозійних сплавів може служити сталь із вмістом 15—20% Зі. Така сталь цілком стійка до дії кислот. З неї виготовляють різну хімічну апаратуру.

Лу́жні мета́ли — елементи групи 1 періодичної системи, за старою класифікацією головної підгрупи I групи. Назва пов'язана з тим, що при взаємодії лужних металів з водою утворюється їдкий луг. До лужних металів належать (у порядку збільшення атомного номера) літій (Li), натрій (Na), калій (K), рубідій (Rb), цезій (Cs) ,францій (Fr).

Фізичні властивості [ред.]

Лужні метали — м'які (натрій ріжеться ножем, як вершкове масло, інші трохи жорсткіші) метали від сріблясто-білого до сірого кольору з характерним блиском, які дуже швидко тьмяніють на повітрі. Легкоплавкі й рухливі. Агресивні, вибухонебезпечні (зберігаються в атмосфері інертного газу або під шаром гасу)