Химические свойства металлов

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

Реакции с простыми веществами

• С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды,надпероксиды:

 оксид лития  пероксид натрия  надпероксид калия Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом: Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

• С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

При нагревании:

• С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

• С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

• С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.

107. коррозия металлов и способы борьбы с ней

Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример — кислородная коррозия железа в воде:

Гидроксид железа Fe(OН)₃ и является тем, что называют ржавчиной.

В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. Применительно к ним существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Например, старение резины из-за взаимодействия с кислородом воздуха или разрушение некоторых пластиков под воздействием атмосферных осадков, а также биологическая коррозия. Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.

Экономический ущерб от коррозии

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE^[6] ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.^[7]

Ржавчина является одной из наиболее распространенных причин аварий мостов. Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма проржавели внутри. Три водителя погибли при падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и не был почищен, а сточные воды проникли в опоры моста.^[8] 15 декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Поинт Плезант, штат Западная Виржиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьёзно пострадали. Помимо человеческих жертв и травм, был разрушен основной транспортный путь между Западной Виржинией и Огайо. Причиной обрушения стала коррозия.^[9]

Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 году от торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.

108 основные способы полученнния металлов

Большое количество металлов находится в природе в виде соединений. Самородными металлами называются те, которые встречаются в свободном состоянии (золото, платина, ртуть, олово). Золото добывают либо отделяя механически от примесей, либо извлекая из породы при помощи реагентов. Остальные металлы получают с помощью химической обработки их соединений. Руды – горные породы и минералы, имеющие в составе соединения металлов, пригодные для получения их промышленным способом (оксиды, сульфиды и карбонаты металлов).

Способы получения металлов:

1) одним из главных способов получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем: Cu2O + C = 2Cu + CO?;

2) производят выплавку чугуна из железных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов;

3) для получения металлов из сернистых руд, последние вначале переводят в сернистые соединения с помощью обжигания в специальных печах:

Руду, представляющую собой соль угольной кислоты, можно сразу восстанавливать при помощи угля: ZnCO3 = ZnO + CO2?.

Руды содержат в себе немало примесей (песок, известняк, глина). Для облегчения выплавки металла смеси устраняют, добавляя разнообразные вещества (флюсы), образующие с ними легкоплавкие соединения – шлаки. В тех случаях, когда примесей в руде много, ее обогащают путем удаления части примесей. Самый распространенный способ обогащения – флотация. Пример: руду, состоящую из сернистого металла и пустой породы, измельчают, заливают водой, прибавляя малополярное органическое вещество (для образования пены) и небольшое количество реагента «коллектора», который адсорбируется поверхностью минерала. Через смесь снизу пропускают струю воздуха. В результате частицы минерала со слоем молекул «коллектора» прилипают к пузырькам воздуха, а частицы пустой породы, смоченные водой, опускаются на дно. Затем пену собирают, отжимают и получают руду с большим содержанием металла. Существует также гравитационное обогащение, основанное на различии плотности и разнице падения частиц металлов и воды. Магнитный способ – разделение металлов по магнитным свойствам.

4) Металл можно получить путем электролиза. С его помощью получают одни из наиболее активных металлов.

5) Промышленные способы получения металлов: пирометаллургический, электрохимический, гидрометаллургический.

109. Щелочные металлы,их характеристика на основе положения в переодической системе и строения атома. Соединения натрия и калия в природе.Калийные удобрения,гидроксиды натрия и калия:химическое свойство,получение

Щелочны́е мета́ллы — это элементы 1-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы главной подгруппы I группы)^[1]: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs,франций Fr, и унуненний Uue. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щёлочами.

Общая характеристика. 1) Общая электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – ns¹; 2) атомы щелочных металлов характеризуются низким значением энергии ионизации; 3) металлические свойства выражены у щелочных металлов особенно резко; 4) с возрастанием порядкового номера  увеличивается легкость отдачи валентных электронов и усиливаются металлические свойства. Все металлы серебристого цвета, кроме цезия (желтый). Относятся к легким металлам. Очень мягкие – режутся ножом. Все щелочные металлы сильные восстановители. Реакционная способность возрастает в ряду литий – цезий. Самым активным является цезий, т. к. у него самый низкий потенциал ионизации. Щелочные металлы энергично реагируют с большинством неметаллов, разлагают воду, бурно реагируют с растворами кислот. Комплексообразование для щелочных металлов не характерно. В природе в свободном виде не встречаются ввиду их чрезвычайной активности. Литий существенно отличается от остальных элементов группы: он не имеет р-орбиталей. По ряду свойств он ближе к магнию, чем к щелочным металлам. Наиболее промышленно важные металлы – это калий и натрий. Основные способы получения – электролиз расплавов их солей в смеси с KCl, CaCl₂ (натрий) и NaCl (калий). Применяется также восстановление их оксидов, хлоридов, карбонатов алюминием, кремнием, кальцием, магнием при нагревании в вакууме:

6KCl + 4CaO + 2Al(Si) → 6K + 3CaCl₂ + CaO·Al₂O₃(CaO·SiO₂)

Химические свойства.  Реагируют со многими неметаллами:

4Li + O₂ → 2Li₂O;               2Na + O₂ → Na₂O₂

2K + Cl₂ → 2KCl;              2Na + S → Na₂S

3K + P → K₃P;                 2K + H₂ → 2KH

с водой:

2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑

с кислотами:

2Na + 2HCl → 2NaCl + H₂↑

со спиртами:

2C₂H₅OH + 2K → 2C₂H₅OK + H₂↑

Соединения натрия, калия в природе, их применение.

Находятся в природе только в виде соединений. Натрий — каменная соль NaCl, сильвинит NaCl ∙ KCl,  глауберова соль Na ₂SO ₄ ∙10H₂O, натриевая селитра NaNO₃, в морской воде.

Калий – сильвинит NaCl∙KCl,  карналлит KCl∙MgCl₂∙6H₂O, ортоклаз K₂O∙Al₂O₃∙6SiO₂

Калийные удобрения. Природные вещества и продукты их переработки- сильвинит, хлорид и сульфат калия, калийная селитра KNO₃, поташ K₂CO₃ в золе при сжигании растений.

Щелочные металлы и их соединения – важнейшие компоненты различных химических производств. Они используются в металлотермическом производстве различных металлов, таких как Ti, Zr, Nb, Ta. Соединения натрия и калия находят применение в мыловарении (Na₂CO₃), производстве стекла (Na₂CO₃, K₂CO₃, Na₂SO₄, Li₂O), используются для отбелки и дезинфекции (Na₂O₂), в качестве удобрений (KCl, KNO₃). Из поваренной соли получают многие важные химические соединения: Na₂CO₃, NaOH, Cl₂.

Калий улучшает водный режим растений, способствует обмену веществ и образованию углеводов, повышает морозо- и засухоустойчивость. Содержание калия выражается в пересчете на К₂О. Стандартным считается удобрение, содержащее 41,6% К₂О. Важнейшими калийными удобрениями являются хлорид и сульфат калия. Хлорид калия содержит 50-60% К₂О и его получают из минералов, используя его особую растворимость. Сульфат калия содержит 45-52% К₂О и получается следующим образом:

2KCl + 2MgSO₄ → K₂SO₄·MgSO₄ + MgCl₂

K₂SO₄·MgSO₄ + 2KCl → 2K₂SO₄ + MgCl₂

110.Общая характеристика элементов подгруппы IIА.Соединения в преродеФизические и химические свойства элементов,их применение и получение.

В этой группе располагаются следующие элементы: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. Они имеют общую электронную конфигурацию: (n-1)p6ns2, кроме Ве 1s22s2. В силу последнего, свойства Ве немного отличаются от свойств подгруппы в целом. Свойства магния тоже отличаются от свойств подгруппы, но в меньшей степени. В ряду Са – Sr – Ba – Ra свойства меняются последовательно. Относительная электроотрицательность в ряду Ве – Ra падает т.к. с увеличением размера атома валентные электроны отдаются охотнее. Свойства элементов IIА подгруппы определяются легкостью отдачи двух ns-электронов. При этом образуются ионы Э2+. При изучении дифракции рентгеновских лучей выяснилось, что в некоторых соединениях элементы IIА подгруппы проявляют одновалентность. Примером таких соединения являются ЭГ, которые получаются при добавлении Э к расплаву ЭГ2. Все элементы этого ряда не встречаются в природе в свободном состоянии ввиду высокой активности. 

Физические и химические свойства. Все элементы подгруппыIIA химически активны и поэтому в свободном состоянии в природе не существуют. Щелочноземельные металлы энергично реагируют с водой, вытесняя водород и образуя гидроксиды, как и щелочные металлы. Магний взаимодействует только с кипящей водой, а бериллий не реагирует даже с парами при высокой температуре. Бериллий отличается от остальных элементов подгруппы и даже от магния по химическим и многим физическим свойствам. Такое отличие характерно для всех элементов, начинающих подгруппы А, что объясняется малым радиусом иона и соответственно высокой зарядовой плотностью.

Источники сырья и применение. Все металлы подгруппы и их соединения находят различное промышленное применение. Бериллий получают из минерала берилла, отделяя гидроксид от сопутствующего алюминия. Гидроксид переводят в хлорид или фторид, и металл получают электролизом расплава галогенида. Добавки бериллия к меди приводят к получению твердого, не искрящего, прочного сплава, который широко используется в специальных пружинах и инструментах для работы во взрывоопасной атмосфере. Металл прозрачен для рентгеновского излучения и поэтому из него изготовляют окна в рентгеновских трубках. Ядро бериллия имеет низкое поперечное сечение захвата нейтронов, поэтому бериллий используется как оболочка урановых стержней в ядерных реакторах.

Получение металлического магния – важный технологический процесс. Металл трудно обрабатывать и сваривать из-за его воспламеняемости. Многие сплавы магния находят применение в промышленности. Чистый металл получают из морской воды или богатых рассолов осаждением в виде Mg(OH)₂. Гидроксид прокаливают, образующийся оксид переводят в хлорид MgCl₂, который подвергают электролизу, выделяя чистый магний. Для этих же целей можно получать оксид магния прокаливанием доломита, содержащего MgCO₃. Во время Второй мировой войны был разработан процесс получения Mg восстановлением MgO угольной пылью и парами нефти.

111.Алюминий.характеристика элемента и его соединений на основе положения в переодической системе.Соединения алюминия в природе,его роль в технике.

Алюми́ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).