6. Сформулируйте законы Фарадея. Какую величину называют выходом по току?

9.ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

9.1.Положение металлов в периодической таблице

Если в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева провести диагональ от бериллия к полонию, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к металлам также относятся все элементы побочных подгрупп), а справа вверху – элементы-неметаллы. Элементы, расположенные вблизи диагонали (Be, Al, Ge, Sb, Po), обла-

Кэлементам-металлам относятся s-элементыИI и II групп, все d-

иf-элементы, а также p-элементы главныхДподгрупп: III (кроме бора), IV (Ge, Sn, Pb), V (Sb, Bi) и VI (Po). Наиболее типичные элементыметаллы расположены в началеАпериодов (начиная со второго). На внешнем энергетическом уровне у металлов находится обычно 1 – 2,

реже 3 электрона.

Виды кристаллическихБрешеток представлены на рис. 11.И

Рис. 11. Виды кристаллических решеток

Кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, перемещающихся между ионами металлов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов

84

они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.

Характерные физические свойства металлов определяются особенностями их внутренней структуры (наличием «электронного газа»).

9.2.Физические свойства металлов

Кфизическим свойствам металлов относятся пластичность, металлический блеск, ковкость, тепло- и электропроводность, твердость, высокая плотность.

1. Пластичность – способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду Au,

Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe пластичность уменьшается.

2. Блеск, обычно серый цвет и непрозрачностьИ. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл электромагнитными волнами видимогоДсвета.

3. Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательногоА полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду Ag, Cu, Al, Fe

электропроводность уменьшается.

При нагревании электропроводностьБ уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решеткиИ, что затрудняет направленное движение «электронного газа».

4. ТеплопроводностьС обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшей теплопроводностью обладают Bi и Hg.

5. Твердость. Самый твердый металл – Cr (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы (K, Na, Rb, Cs), режутся ножом.

6. Плотность тем меньше, чем меньше атомная масса металла и

чем больше радиус его атома (самый легкий – Li; самый тяжелый – Os (табл. 15). Металлы, имеющие плотность ρ < 5 г/см3, считаются «легкими металлами».

7. Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий ме-

талл – Hg, самый тугоплавкий металл – W (см. табл. 15). Металлы с

t°пл выше 1000 °C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими. Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состояни-

ях, связаны особым типом химической связи – так называемой метал-

85

лической связью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электроны, их ионы всегда заряжены положительно.

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.

86

9.3. Химические свойства металлов

Все металлы являются сильными восстановителями:

Me0 – n e = Men +.

I. Для металлов характерны реакции с неметаллами:

1) с кислородом:

2 Mg0 + O2 = 2 Mg+2O;

2) с серой:

Hg0 + S = Hg+2S;

3) с галогенами:

Ni + Cl2 (t°) = Ni+2Cl2;

4) с азотом:

2Al0 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H20; (2Al0 + 6H+ = 2Al3+ + 3H 0);

6Na0 + 2H3PO4 = 2Na3+PO4 + 3H2;

(6Na0 + 6H+ = 6Na+ + 3H20).

III . Взаимодействие с водой.

1. Активные (щелочные и щелочно-земельные металлы) при

взаимодействии с водой образуют растворимое основание и водород:

2Na0 + 2H2O = 2Na+OH + H20;

(2Na0 + 2H2O = 2Na+ + 2OH- + H20);

Ca0 + 2H2O = Ca+2(OH)2 + H20;

(Ca0 + 2H2O = Ca2+ + 2OH- + H20).

2. Металлы средней активности (стандартный электродный потенциал принимает значение от –1 до 0 В) окисляются водой при нагревании до оксида:

87

Zn0 + H2O (t°) = Zn+2O + H20.

3. Неактивные (Cu, Au, Ag, Pt) с водой не реагируют.

IV. Вытеснение более активными металлами менее активных

Высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с ис-

Оборудование и материалы: магниевая и медная стружка, железная проволока или гвоздь, порошковые цинк и алюминий, цинк кусочками, 0,5СН растворы CuSO4, 2 Н растворы NaOH, H2SO4, HCl, HNO3, концентрированные NaOH, H2SO4, HCl, HNO3,

Опыт 1. Отношение металлов к кислороду.

В пламя спиртовки по очереди внести стружку или порошок магния и медную стружку. Написать уравнения реакций горения. Что образуется на поверхности меди при нагревании? Сделать вывод об активности металлов в реакции окисления кислородом в зависимости от их положения в ряду напряжений.

Опыт 2. Взаимодействие металлов с раствором солей.

Налить в пробирку 1…2 см3 раствора сульфата меди и опустить железный гвоздь, предварительно зачищенный наждачной бумагой. Что наблюдается? Написать уравнение реакции, сделать вывод.

88

Опыт 3. Взаимодействие металлов с растворами щелочей.

В две пробирки налить концентрированный раствор щелочи NaOH и добавить в одну цинковую пыль, в другую – алюминиевый порошок. Содержимое пробирок можно немного подогреть. Составить уравнения реакций, учитывая, что образуются комплексные соли соответственно тетрагидроксоцинкат и тетрагидроксоалюминат натрия.

Опыт 4. Взаимодействие металлов с кислотами.

В шесть пробирок поместить по кусочку металлического цинка и добавить по 1 см3 соляной, серной и азотной кислот: в первые три – разбавленные, во вторые три – концентрированные. Опыт с концентрированными кислотами проводить в вытяжном шкафу!

Повторить опыт, взяв вместо цинка медную стружку.

Составить уравнения всех реакций. Сделать вывод о том, как реагируют с концентрированными и разбавленными кислотами металлы,

10. ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА. ЭКОСИСТЕМЫ

Термин «экология» был введен в 1866 г. немецким ученым Э. Геккелем. Дословно этот термин обозначает науку о доме, т. е. «oikos» – дом, а «logos» – слово. В настоящее время экологию опреде-

ляют как науку о взаимоотношениях живых организмов друг с другом и средой их обитания с учетом влияния на них человеческой деятель-

ности. Экология состоит из двух больших разделов: общей и прикладной экологии. Общая экология изучает законы взаимодействия

89

живой и неживой природы. В зависимости от объектов исследования

врамках общей экологии различают аутоэкологию (изучает взаимодействие отдельных организмов с факторами внешней среды), демэкологию (экология популяций), синэкологию (изучает сообщества организмов разных видов) и глобальную экологию, или учение о биосфере. Прикладная экология изучает воздействие человека на природные системы в различных сферах хозяйственной деятельности. Исходя из видов человеческой деятельности есть инженерная, промыш-

ленная, транспортная, сельскохозяйственная, медицинская, социаль-

ная и другие разделы экологии.

Главным объектом изучения экологии являются экосистемы. Этот термин в 1935 г. предложил английский ботаник Артур Тенсли.

В настоящее время экосистема – это безразмерная устойчивая система, состоящая из живых организмов и средыИих обитания, объединённых круговоротом веществ, обменом энергии и информации.

Как следует из определения, любаяДэкосистема состоит из живой (биотической) и неживой (абиотической) частей. Биотическая часть экосистемы получила названиеАбиота. Неживая составляющая экосистемы называется экотоп. Экосистемы бывают природные, об-

разовавшиеся и функционирующие без участия человека, и антропогенные, созданные человекомБили коренным образом преобразованные природные системы. Среди природных экосистем различают наземные (или биогеоценозыИ), водные (пресноводные и морские). Наземные экосистемы обычно классифицируют по ландшафтному признаку (как и географическиеС зоны). Водные экосистемы различаются

взависимости от количества растворенных солей и от подвижности в них воды. Пресноводные экосистемы со стоячей водой (озёра, пруды) называются лентическими. Экосистемы с текучей пресной водой относятся к лотическим. В отдельную группу выделяют болота и заболоченные участки. К морским экосистемам относятся прибрежные эстуарии (дельты рек, заливы, лиманы, бухты), континентальный (или материковый) шельф, зоны апвеллинга, которые характеризуются течениями, поднимающими со дна большую массу органического вещества, и зоны аутвеллинга, характеризующиеся привносом в морскую экосистему органического вещества с суши. Глубоководная часть Мирового океана называется пелагической зоной (пелагиаль).

По размерам экосистемы подразделяются на микроэкосистемы (например, ствол поваленного ветром дерева, обросший мхом, заселен-

90

ный насекомыми), мезоэкосистемы (озеро, опушка леса, болото), макроэкосистемы (природные зоны) и глобальную экосистему (биосфера).

Антропогенные экосистемы в зависимости от цели преобразования их человеком бывают модифицированные (измененные не целенаправленно, а как косвенный результат антропогенной деятельности), трансформированные (целенаправленно измененные человеком) и искусственные (полностью созданные человеком). В зависимости от вида антропогенной деятельности различают агроценозы (сельскохозяйственные экосистемы: поля, пастбища, фермы), урбоэкосистемы (городские экосистемы), индустриальные экосистемы (крупные промышленные комплексы) и техногенные экосистемы (образованные в результате действия крупной техники). Антропогенные

то есть могут долгое время существовать без вмешательства извне, то

экосистемы отличаются от природных меньшим видовым разнообразием, нарушением связей между компонентамиИв экосистемах, разо-

рванными биогеохимическими циклами и, как результат, меньшей устойчивостью. Если природные экосистемыДявляются автономными,

антропогенные экосистемы самостоятельноА существовать не могут,

требуют от человека энергетических и материальных затрат. Экоси-

стемы, которые существуют за счет привнесения вещества и энергии извне, называются субсидированнымиБ . Примером субсидированной

экосистемы может служить агроценоз, в который человек вкладывает энергию топлива (наИнем работают сельскохозяйственные машины), вносит удобрения, борется с вредителями и т.п.

ПовыситьСустойчивость антропогенных экосистем можно, приближая их по свойствам к природным. Необходимо уменьшать негативное воздействие на экосистемы, увеличивать видовое разнообразие, способствовать развитию связей между компонентами экосистемы. Например, в городской экосистеме надо уменьшать количество выбросов от предприятий, автотранспорта, объектов теплоэнергетики, озеленять городские кварталы, создавать скверы, парки.

Биогеоценоз по своему смыслу очень близок к понятию «экосистема», но в отличие от экосистемы всегда относится к определенному участку земной поверхности и включает в себя растительное сообщество. Биотическая часть биогеоценоза называется биоценоз. Он состоит из фитоценоза, или растительного сообщества, зооценоза, или сообщества животных, и микробоценоза, сообщества микроорганизмов. Абиотическая часть биогеоценоза называется биотоп. В состав биотопа входят климатоп (совокупность климатических факто-

91

ров и условий, характерных для данной территории), эдафотоп (почвы, характерные для данного биогеоценоза) и гидратоп (совокупность водных ресурсов территории).

Кроме того, биоценоз имеет пространственную и видовую структуру. Видовая структура характеризует распределение в биоценозе видов в зависимости от их численности и массы. Самые многочисленные виды называют доминантными. В биогеоценозе обычно таких видов немного. Те из доминантных видов, которые оказывают средообразующее влияние на всю экосистему, называются эдификаторами. Так, в еловом лесу ель является и доминантным видом, и эдификатором, так как создает особый микроклимат, влияет на тип почвы, а черника, в большом количестве встречающаяся в еловом лесу, является доми-

человек резко уменьшает в экосистеме численность эдификаторов, это

нантным видом, но эдификатором не является. Виды, которые зависят от доминантных, например, питаются ими илиИих частями (семенами),

используют в качестве убежища или жилища, называются предоминантными. Малочисленные виды называютДвторостепенными. Если

приведет к деградации и гибелиАвсей экосистемы. Если уменьшить

численность доминантных видов, это приведет к снижению численно-

сти предоминантных. Значение второстепенных видов заключается в том, что чем больше такихБвидов в экосистеме, тем выше видовое разнообразие и тем устойчивее экосистема в целом.

ПространственнаяИструктура заключается в распределении ви-

дов по вертикали и горизонтали. Расслоение биоценоза по вертикали на разновысокиеСструктурные части получило название ярусность. В лиственном лесу может быть шесть - семь ярусов: высококронные деревья, или главные породы, деревья средней высоты, низкокронные деревья и высокие кустарники, низкие кустарники, высокие травы, низкие травы, мхи. В каждом ярусе живут свои обитатели, то есть зооценоз и микробоценоз также имеют пространственную структуру. Ярусность во многом обусловлена разной потребностью растений в солнечной энергии и позволяет полнее её использовать.

Расслоение биоценоза по горизонтали на микрогруппировки называется мозаичностью. Мозаичность может быть вызвана разными условиями освещения, количеством влаги, рельефом, типом почв, а также деятельностью животных и человека.

Экосистемы не имеют четко выраженных границ. Переходные зоны между двумя соседними экосистемами получили название экотон. В экотоне встречаются виды, характерные для обеих соседних

92

экосистем, поэтому эта зона отличается повышенным видовым разнообразием. Это явление получило название краевого эффекта.

Каждый вид в экосистеме имеет свое место не только в пространстве, но и в сообществе. Совокупность территориальных и функциональных характеристик, обусловливающих место вида в экосистеме,

называется экологической нишей. Различают фундаментальную эколо-

гическую нишу, которая определяется физиологическими потребностями организма. Часто на одну и ту же нишу претендуют несколько разных видов. Закон конкурентного исключения утверждает, что одну экологическую нишу может занимать только один вид. Если два вида претендуют на одну нишу, между ними возникает конкурентная борьба, которая заканчивается либо вытеснением более слабого вида, либо

Цели работы: усвоить основные экологические понятия, выяс-

нить отличие природных и антропогенных экосистем, показать опасность бездумного вмешательстваИ в природные экосистемы.

ОборудованиеСи материалы: компьютерный класс, системные тре-

бования: Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ ; Windows XP/Vista/7 ; DVD-ROM; 1 ГБ свободного места на жестком диске ; программа для чтения pdf-файлов

Adobe Acrobat Reader.

Задание 1. Из перечисленного списка экосистем выпишите: а) естественные наземные экосистемы; б) естественные пресноводные лентические экосистемы;

в) естественные пресноводные лотические экосистемы; г) естественные морские экосистемы; д) антропогенные ландшафты.

Тайга; континентальный шельф; поле, засеянное пшеницей; саванна; озеро; родник; прерия; горно-обогатительный комбинат; дельта реки; заливной луг; берёзовая роща; зона апвеллинга; экваториаль-

93

ный лес; ручей; океан; степь; городская застройка; пустыня; высокогорье; песчаный карьер.

Задание 2. Из перечисленного списка экосистем выпишите: а) микроэкосистемы; б) мезоэкосистемы; в) макроэкосистемы.

Тундра; озеро; океан; пень, заросший мхом; опушка леса; лесостепь; болото; аквариум; космический корабль; ручей; цветочная клумба; смешанный лес; лужа; кустарниковая пустыня.

Задание 3. Укажите, какие из перечисленных экосистем являются антропогенными.

Озеро; бореальный хвойный лес; водохранилище; эстуарии; плодовый сад; снегозадерживающие лесополосы; река; пустыня; космический корабль; море; дендрарий; горные вершины.

Задание 4. Что из перечисленного не является экосистемой? Лесная чаща; стая птиц; открытый океан; болото; ливень; город-

ской квартал; ботанический сад; вирусы; озеро; хвойный лес; зубр;

щие; рыбы; песчаное дно; ручьи; птицы; атмосферные осадки; сапрофиты; океан; ветер; вирусыИ; кустарники; травы; ледяной покров; люди.

СКонтрольные вопросы и задания

1. Дайте определение экосистемы. Как называются биотическая и абиотическая части экосистемы?

2. На какие виды экосистемы подразделяются по размерам?

3. Укажите принципиальное отличие антропогенных экосистем от природных. Устойчивость каких экосистем выше и почему?

4. Что необходимо предпринять для повышения устойчивости экосистем?

5. Назовите основные виды антропогенных ландшафтов. Что такое «субсидированные экосистемы»?

6. Что называется биогеоценозом? Укажите принципиальное отличие биогеоценоза от экосистемы. Как называют биотическую и абиотическую части биогеоценоза?

94