4.7 Раздел: Общая характеристика металлов. Сплавы

Цель: изучить общие свойства металлов и их соединений.

Если в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева провести диагонали от бора к астату, то в правой части периодической системы будут находиться неметаллы (исключая элементы побочных подгрупп), а в левой нижней – металлы. Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают двойственным характером (промежуточными свойствами).

Согласно современным представлениям, металлическое состояние вещества характеризуется наличием у них легкоподвижных электронов и как следствие – проявление восстановительных свойств в –химических реакциях.

Подвижность валентных электронов металлов обусловлена строением их атомов.

Атомы металлических элементов, в отличие от неметаллов, обладают значительно большими размерами атомных радиусов и малым количеством электронов на внешнем энергетическом уровне. Поэтому атомы металлов сравнительно легко отдают при химических реакциях эти электроны, образуя положительно заряженные ионы, а в соединениях проявляют только положительную степень окисления. Ме⁰ - ne  Me^+ne

Металлическую кристаллическую решетку можно представить как совокупность катионов металла, расположенных в узлах (часть атомов остается в нейтральном состоянии), и связанных обобществленными валентными электронами (отрицательно заряженным «электронным газом).

металлическая

кристаллическая решетка

Металлическая связь сохраняется при переходе металла в жидкое состояние.

Общие физические свойства:

1)     Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду - Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe уменьшается. 2)     Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света. 3)     Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду - Ag, Cu, Al, Fe уменьшается. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа". 4)     Теплопроводность. Закономерность та же. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность - у висмута и ртути. 5)     Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом. 6)     Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий - литий (r=0,53 г/см³); самый тяжелый – осмий (r=22,6 г/см³). Металлы, имеющие r < 5 г/см³ считаются "легкими металлами". 7)     Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.

Все металлы являются восстановителями. Для металлов главных подгрупп восстановительная активность (способность отдавать электроны) возрастает сверху вниз и справа налево. Например, Натрий и кальций вытесняют водород из воды уже при обычных условиях:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂­ ; 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂⁰

А магний при повышении температуры:

Mg + H₂O  =^t=  MgO + H₂

Восстановительная способность и химическая активность элементов побочных подгрупп увеличивается снизу вверх по группе (например, серебро на воздухе окисляется, а золото нет; медь вытесняет серебро из его соли):

Cu + 2AgNO₃ → 2Ag ↓ + Cu(NO₃)₂

Cu⁰ -2 ē → Cu⁺² 1 О.О.В.

Ag⁺ + ē → Ag⁰ 2 В.В.О.

Восстановительная способность металлов находятся в прямой зависимости от числа электронов на внешнем энергетическом уровне. Наиболее активным восстановителями являются металлы главной подгруппы I группы (щелочные). О степени активности металлов можно судить по значениям их стандартных электродных потенциалов (Табл. ).

Электродные потенциалы мало активных металлов выражаются положительными значениями, а более активных металлов – отрицательными.

Расположив металлы в порядке возрастания величин стандартных потенциалов получают ряд напряжений металлов:

Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, H₂, Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Восстановительная способность увеличивается

В этом ряду 1) каждый металл вытесняет все последующие металлы из растворов их солей: CuSO₄ + Fe = Cu + FeSO₄;

все металлы, расположенные левее водорода, вытесняют его из кислот, не обладающих окислительными свойствами: Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂;

с кислотами-окислителями (НNO_3разб., НNO_3конц., H₂SO_4конц.) взаимодействуют все металлы (кроме Au, Pt, Zr, Rh и Ta), но водород при этом не выделяется. Состав продуктов реакции зависит от активности металла и условий протекания.

Кислота	Примерные продукты восстановления кислот-окислителей в зависимости от расположения металлов в ряду активности
	Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe	H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au
H2SO4конц	H2S-2, S0	S+4O2
НNO3разб	N-3H3 N20, N2+O	N+2O
НNO3конц	N+4O2	N+4O2

Например, Cu + 4HNO_3конц. = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + H₂O

3Cu + 8HNO_3разб. = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO+ 4H₂O

Cu + 2H₂SO_4конц. = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

На холоду и при обычной температуре HNO_3конц. и H₂SO_4конц. не действуют на Fe, Co, Ni, Cr и Al, а также на нержавеющие стали вследствие пассивации.

Самые активные металлы (от Сs до Са) при обычных условиях реагируют с водой: 2Na⁰ + 2H₂⁺O = 2Na⁺OH + H₂⁰

^щелочь

Металлы, гидроксиды которых амфотерны взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂

Al + KOH + H₂O = K[Al(OH)₄] + H₂

^{тетрагидроксоалюминат калия}

Металлы, как восстановители вступают в реакции с различными простыми веществами:

2Fe + O₂ = 2FeO

Ca + Cl₂ = CaCl₂

3Ca + 2Р = Ca₃P₂

Ca + H₂ = CaH₂

Fe + S = FeS

3Mg + N₂ = Mg₃N₂

Высшая положительная степень окисления для металлов главных подгрупп в их соединениях равна номеру группы (например, NaCl, MgCl₂, AlCl₃, SnCl₄), а для металлов побочных подгрупп в их кислородосодержащих соединениях также часто совпадает с номером группы (например, ZnO, TiO₂, V₂O₅, CrO₃, KMnO₄).

Свойства оксидов металлов слева направо по периоду и снизу вверх по группе изменяются от основных к амфотерным для металлов главных подгрупп (Na2O и MgO – основные оксиды, Al2O3 и BeO – амфотерные). Для металлов побочных подгрупп свойства оксидов, в которых металлы проявляют свою высшую степень окисления, изменяются от основных через амфотерные к кислотным ( CuO - основной, ZnO - амфотерный, CrO₃ - кислотный).

Сила оснований, образуемых металлами главных подгрупп увеличивается справа налево по периоду и сверху вниз по группе ( Be(OH)₂ и Al(OH)₃– амфотерные гидроксиды, Mg(OH)₂ - слабое основание, NaOHи – Ca(OH)2 сильные основания). Гидраты оксидов металлов побочных подгрупп с высшими степенями окисления металла вдоль периода слева направо меняют свои свойства от оснований через амфотерные гидроксиды к кислотам ( Cu(OH)₂ - основание, Zn(OH)₂ - амфотерный гидроксид, H₂CrO₄ - кислота).

В природе металлы встречаются в основном в виде соединений – оксидов или солей. Исключение составляют такие малоактивные металлы, как серебро, золото, платина, которые встречаются в самородном состоянии.

Все способы получения металлов основаны на процессах их восстановления из природных соединений.

Способы получения металлов.

Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее: алюминия — 8,2%; железа — 4,1%; кальция — 4,1%; натрия — 2,3%; магния — 2,3%; калия - 2,1%; титана — 0,56%.

Большое количество натрия и магния содержится в морской воде: — 1,05%, — 0,12%. В природе металлы встречаются в различном виде: — в самородном состоянии: серебро, золото, платина, медь , иногда ртуть — в виде оксидов: магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂О₃ и др. — в виде смешанных оксидов: каолин Аl₂O₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О, алунит (Na,K)₂O • АlО₃ • 2SiO₂ и др. — различных солей: сульфидов: галенит PbS, киноварь НgS, хлоридов: сильвин КС1, галит NaCl, сильвинит КСl• NаСl, карналлит КСl • МgСl₂ • 6Н₂О, сульфатов: барит ВаSO₄, ангидрид Са₈О₄ фосфатов: апатит Са₃(РО₄)₂, карбонатов: мел, мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃.

Многие металлы часто сопутствуют основным природным минералам: скандий входит в состав оловянных, вольфрамовых руд, кадмий — в качестве примеси в цинковые руды, ниобий и тантал — в оловянные. Железным рудам всегда сопутствуют марганец, никель, кобальт, молибден, титан, германий, ванадий.

Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.

Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов.

Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении

их оксидов углем.

Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu2O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:

Cu₂O + C = 2Cu + CO

Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO₂ и восстановление других металлов из оксидов.

При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

ZnO + C = Zn + CO

В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода.Например:

ZnCO₃ = ZnO + CO₂

Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция.

Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк.

Во многих рудах количество примесей (пустой породы) так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной. Такие руды предварительно «обогащают», то есть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд (флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.

Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого «коллектора», который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этого через смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене; частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержанием металла.

Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы.

Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии.

Очень важным способом получения металлов является также электролиз.

Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.