Справочники / Врублевский А.И. Химия. Теоретический курс для подготовки к ЕГЭ

атомы металлов проявляют только положительные степени окисления от +1 (щелочные металлы, медь, серебро) до +8 (осмий). Напоминаем, что низшая степень окисления атомов металлов равна нулю.

В кристаллах простых веществ металлов реализуется осо­ бый вид химической связи, называемой металлической (см. 5.1).

Это ненаправленная ненасыщаемая многоцентровая (коллек­ тивная) связь, обусловленная электростатическим притяжени­ ем свободных электронов и положительно заряженных ионов металлов.

Наличие в кристаллах металлов свободных электронов обу­

словливает ряд общих физических свойств простых веществ

металлов. Это отличает их от простых веществ неметаллов,

для которых общие физические свойства выделить трудно.

Кобщим физическим свойствам металлов относятся:

•высокая (по сравнению с неметаллами) тепло- и электро­ проводность;

•ковкость и пластичность;

•характерный металлический блеск;

•способность образовывать сплавы;

•твердое агрегатное состояние (кроме ртути) при обычных условиях;

•непрозрачность.

Некоторые физические свойства металлов приведены в при­ ложении 1.

Сходство физических свойств металлов не означает их тож­ дества; свойства конкретных металлов отличаются вследствие особенностей электронного строения и расположения атомов

в кристаллической решетке.

Мерой прочности химических связей в металлах на качественном уровне может служить температура

плавления: чем она выше, тем прочнее металлическая

связь.

В технике железо и сплавы на его основе (чугун, сталь)

принято называть черными металлами (из-за черного цвета

пленки Fe2O3, покрывающей необработанные железо и его сплавы), а все остальные металлы и сплавы — цветными (медь, никель, бронза, припой).

Металлы IA-группы называют щелочными', часть металлов

ПА-группы (Са, Sr, Ba, Ra) — щелочноземельными', элементы 3—12-й групп (группы В) — переходными.

По химическим свойствам металлы делят: на очень актив­ ные (щелочные и щелочноземельные); активные (Mg, Al, Zn); металлы средней активности (Fe, Сг, Мп) и малоактивные (Си, Bi, Hg, Au, Ag, Pt). Иногда среди малоактивных металлов выделяют группу благородных металлов (Au, Pt, Ir, Pb), под­ черкивая тем самым их особую устойчивость к действию кис­ лот, щелочей и кислорода.

Распространенность металлов в земной коре весьма раз­ лична. Наиболее распространен алюминий, затем железо и кальций. Элементы, массовая доля которых в земной коре менее 0,01 %, называются редкими (редкими являются все лантаниды). Если элемент не образует собственных месторож­

дений (руд), то его называют рассеянным (Sc, Ga, In, Tl, HI).

В процессе выработки известных месторождений металл может стать рассеянным (ванадий), и, напротив, в результате откры­ тия новых месторождений он может быть исключен из списка рассеянных (цезий). Лантан и лантаниды, скандий и иттрий

объединены в группу редкоземельных металлов. Вплоть до середины XVII в. человек имел дело только с семью метал­

лами: Au, Ag, Hg, Sn, Pb, Си и Fe.

В организме взрослого человека массовая доля неоргани­ ческих веществ равна 6 %, эти вещества содержат разные металлы (Mg, Са, Na, К, Fe, Со, Мо и др.). Особенно много в организме человека Иа+-ионов (100 г) и К+-ионов (140 г). Ежесуточная потребность человека в ионах калия и натрия соответственно 1,5—7,0 г и 2—15 г. Ионы железа входят в состав гемоглобина крови, ионы кобальта в составе витамина Вр участвуют в процессах кроветворения. Ионы магния вхо­

дят в состав хлорофилла. Недостаток того или иного металла в организме человека приводит к нарушениям в работе раз­ личных органов и серьезным заболеваниям. Недостаток каль­ ция вызывает замедление роста скелета, магния — мышечные судороги, железа — анемию, нарушение иммунной системы и т. д.

17.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Металлы реагируют с неметаллами: водородом и галогена­ ми, кислородом и серой, азотом, фосфором, углеродом, крем­ нием, со сложными веществами: водой, кислотами, оксидами, солями. Уравнения соответствующих реакций приведены ранее.

На воздухе поверхность некоторых металлов (Al, Mg) по­ крывается тончайшей оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. В случае железа оксидная пленка рыхлая и не предохраняет металл от разрушения. Подобно галогенам, металлы могут взаимодействовать друг с другом. При этом образуются соединения нестехиометрического со­ става, которые называются интерметаллидами (например, CuZn3, Na3Pb7). В интерметаллидах сочетаются ионная, метал­ лическая и ковалентная связь.

17.3. СПЛАВЫ. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Большинство металлов смешиваются между собой и с не­ которыми неметаллами с образованием однородных твердых систем — сплавов. Физические свойства сплавов существенно отличаются от свойств индивидуальных металлов. Например, сплав меди и цинка — латунь — гораздо тверже и меди, и цинка; добавки меди к золоту придают ему твердость. Сверх­ твердым является победит — сплав карбидов вольфрама WC, кобальта СоС и титана TiC. Из победита изготавливают нако­ нечники сверл для обработки твердых материалов.

Температура плавления сплава, как правило, ниже, чем отдельных металлов (см. приложение 2).

Отсюда

х = w(V) = 0,067 моль,

т(\) = 0,067 • 51 = 3,42 (г),

Ответ: 3,62 %.

В рудах металлы находятся в окисленном состоянии, по­

этому все способы получения металлов из руд сводятся к их восстановлению. В зависимости от характера восстановитель­ ного процесса промышленные способы получения металлов делятся на три группы: пирометаллургия; гидрометаллургия; электрометаллургия.

Пирометаллургия объединяет группу методов получения

металлов с помощью высокотемпературных реакций восста­ новления. В качестве восстановителей могут использоваться:

водород — водородотермия; металлы — металлотермия

(конкретно — алюмотермия, магниетермия и др.); углерод и

оксид углерода(П) — карботермия', кремний — кремниетермия.

Водородотермия используется для получения малоактивных металлов (медь, вольфрам, молибден):

CuO + Н, = Си + Н2О,

wo3 + зн2 = W + зн2о.

С помощью водорода нельзя провести реакцию вос­ становления оксидов очень активных и активных металлов (щелочных, щелочноземельных, алюминия, магния), а также хрома, титана, бериллия.

Восстановительные свойства алюминия и кальция выраже­ ны сильнее, чем водорода. Методом алюмотермии получают хром, кальций, а методом калъциетермии — цезий:

4СаО + 2А1 = Са(А1О2)2 + ЗСа,

Флюсы взаимодействуют с примесями (соединения Si, Р, S) и превращаются в легкоплавкие шлаки, которые всплывают на поверхность расплавленного железа:

SiO2 + СаСО3 = CaSiO3 + CO2t,

Р2О, + ЗСаСО3 = Са3(РОЭ, + ЗСОЛ

Полученный чугун перерабатывают в сталь, выжигая из­ быточный углерод кислородом в мартеновских печах, конвер­ терах или электропечах.

Если в руде металл находится в виде сульфидных соеди­ нений, то руду вначале подвергают обжигу, при этом сульфи­ ды переходят в оксиды:

3ZnS + ЗО2 = 2ZnO + 2SO2T.

Карбонатные руды с этой же целью предварительно про­ каливают:

СаСО3 = СаО + CO2t.

Калий получают из хлорида калия восстановлением пара­ ми натрия и при высокой температуре благодаря более высо­ кой летучести калия:

Na + КС1 = NaCl + Kt.

Гидрометаллургия — способы получения металлов из водных растворов солей, когда металл из руды сначала пере­ водят в раствор, а затем извлекают его из этого раствора. Так,

например, получают медь:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + Н2О (перевод в раствор),

CuSO4 + Fe = Cut + FeSO4 (извлечение из раствора).

Электрометаллургия — получение металлов с помощью

электролиза. Электрический ток на катоде — самый сильный восстановитель. Электролизом получают наиболее чистые металлы и многие активные металлы, в первую очередь ще­ лочные, щелочноземельные, магний и алюминий. В этом слу­ чае проводят электролиз расплавов галогенов:

2КС1 2К + С1,Т,

д

СаС12 = Са + С12Т.

В промышленности алюминий получают исключительно электролизом расплава А12О3 в криолите Na3AlF6, который понижает /пл оксида:

2А12О3 i 4А1 + ЗО2Т.

Решение. Воспользовавшись приложением 3, находим, что натрий входит только в состав глауберовой соли Na2SO4 • ЮН2О.

Ответ: г).

Из образца боксита А12О3 • «Н2О массой 100 г получили алюминий химическим количеством 1,08 моль (вы­ ход равен 85 %). Установите формулу боксита.

Решение.

/И(А12О3) =102 г/моль;

М(Н2О) =18 г/моль.

Находим:

Из схемы

х1,27 моль

Д12О3 — 2А1