лекция 4 общие свойства металлов

Общие свойства металлов

Строение электронных оболочек металлов

У металлов сравнительно большие радиусы атомов. На внешнем электронном слое у большинства металлов находится небольшое число электронов (от 1 до 3). Их наружный слой далёк до завершения. Металлам характерны низкие значения электроотрицательности (<2 по шкале Поллинга). Валентные электроны металлов слабо связаны с ядром и легко покидают атом. 

Для того, чтобы приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа (а все элементы к этому и стремятся), металлам необходимо отдать один или два электрона, в зависимости от периода, в котором находится металл: 

Li: [He]2s¹ Ca: [Ar]3s² Al: [Ne]3s²3p¹  Mg: [Ne] 3s²  K: [Ar] 4s¹  Fe: [Ar] 3d⁶ 4s²  Zn: [Ar] 3d¹⁰ 4s²

Внешний энергетический уровень металла обуславливает его окислительно-восстановительные свойства, как и то, какую степень окисления металл способен принимать. Например, Li ⁺¹  Ca⁺² Al⁺³

Физические свойства металлов 

1. Отсутствие цвета и характерный металлический блеск. Это объясняется высокой подвижностью электронов, имеющих разную скорость и энергию → электроны способны поглощать всю линию спектра (не окрашены). При снятии возбуждения электрона происходит излучение света (блеск). 

2. Металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью. Это хорошо объясняется высокой подвижностью электронов, находящихся в составе металлической кристаллической решётки. 

3. Вследствие большой прочности металлической связи металлы обладают высокими температурами плавления  и значительной твёрдостью. (В металлах с низкой валентностью прочность связи ниже → эти металлы легкоплавкие и мягкие. Например, литий.)

4. Пластичность. Благодаря особенностям кристаллической решётки металлы в результате механического воздействия способны не разрушаться, образуя порошок, а менять форму. 

5. Магнетизм. Создается неравномерным распределением электронов в атомах некоторых металлических элементов. Неравномерное вращение и движение, вызванное этим неравномерным распределением электронов, перемещает заряд внутри атома вперед и назад, создавая магнитные диполи.

Химические свойства металлов 

Благодаря тому, что металлам проще лишиться электронов на своём внешнем энергетическом слое, в реакциях металлы-простые вещества будут выступать исключительно в роли восстановителей.

В зависимости от активности, металлы традиционно подразделяют на три группы: Li, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al – активные металлы; Mn, Zn, Cr, Cd, Co, Ni, Pb – металлы средней активности; H2, Cu, Ag, Hg, Au, Pt – малоактивные металлы. Чем активнее металл, тем проще он будет отдавать электроны → будет проявлять более сильные восстановительные свойства и первым взаимодействовать с окислителем. 

Активный металл	легко отдает электроны	сильные восстановительные свойства	взаимодействует с окислителями охотнее
Неактивный металл	тяжело отдает электроны	слабые восстановительные свойства	взаимодействует с окислителем менее охотно

Взаимодействие металлов с

• простыми веществами-неметаллами

• водой

• растворами кислот

  • с кислотами-окислителями

• солями

• щелочами

с простыми веществами-неметаллами

Металлы вступают в ОВР с простыми веществами-неметаллами, образуя бинарные соединения, в которых металл имеет положительную степень окисления, а неметалл — отрицательную.

2Na + Cl₂           →              2NaCl

2Mg + O₂           →              2MgO

Zn + S               →               ZnS

Вступают в реакцию: O₂ (кроме благородных Me), Hal₂, N₂, S, P, C и др. Li — единственный реагирует с азотом без нагревания с обр Li₃N

Во взаимодействии щелочных металлов с кислородом есть особенность: все они, кроме лития, образуют пероксиды и надпероксиды. 

4Li + O₂ → 2Li₂O (оксид)

2Na + O₂ →  Na₂O₂ (пероксид)

K + O₂ → KO₂ (надпероксид)

с водой

C жидкой водой взаимодействуют активные металлы. Результатом этой ОВР является образование щелочей.

2Na + H₂O         →        2NaOH + H₂

Cu + H₂O ↛

Металлы правее водорода (не активные) не вступают в реакцию с водой.

с растворами кислот

Те металлы, которые стоят в ряду активности левее водорода, способны вытеснять его, образуя с кислотным остатком соль. 

Zn + 2HCl         →       ZnCl₂ + H₂

3Fe + 4H₃PO₄       →          Fe₃(PO₄)₄ + 6H₂

Hg + H₃PO₄ ↛

Кислоты HNO₃ и H₂SO₄ являются сильными окислителями за счет кислотного остатка и с металлами будут реагировать специфичнее (например, окислять неактивные металлы).

с кислотами-окислителями

H₂SO₄(конц)

В разбавленном виде серная кислота является окислителем за счёт протона. Продукты восстановления серной кислоты зависят от активности металла, с которым она реагирует. 

H₂SO₄(конц)

+ активный Me (Li-Zn) → Соль + H₂S⁻² + H₂O

                      + металл средней активности (Cd-Pb) → Соль + S⁰ + H₂O

                      + неактивный металл (после H₂ и Fe) → Соль + S⁺⁴O₂ + H₂O

Более подробно о реакциях металлов с серной кислотой можно прочитать в статье.

HNO₃

И разбавленные, и концентрированные растворы азотной кислоты являются окислителями за счёт атома N⁺⁵

Концентрированная азотная кислота даёт один продукт, для разбавленной тенденция образования продуктов реакции аналогична серной кислоте.

HNO₃(конц)  + Me(независимо от активности) → Соль + NO₂ + H₂O

HNO₃(разб)  

+ активный Me (Li-Zn) → Соль + N₂⁰ + H₂O                      

+ металл средней активности (Fe-Pb) → Соль + N₂⁺¹O + H₂O

+ неактивный металл (после H₂ и Fe) → Соль + N⁺²O + H₂O

HNO₃(оч разб) +  активный Me (Li-Zn) → Соль + N⁻³H₄NO₃ + H₂O 

Более подробно о реакциях металлов с азотной кислотой можно прочитать в статье.

с солями

Металлы способны вступать в реакцию с солями, вытесняя менее активный металл и образуя с кислотным остатком новую соль.

Ca + ZnCl₂       →     CaCl₂ + Zn

K + CuI         →         KI + Cu

Fe + Mg(NO₃)₂     ↛

с щелочами

Особенностью амфотерных металлов (Be, Al, Zn и др) является их способность взаимодействовать как с кислотами, так и с щелочами с образованием комплексов.

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

Be + 2NaOH + 2H₂O → Na2[Be(OH)₄] + H₂

Zn + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

При нагревании комплексы не образуются.

2Al + 2NaOH + 2H₂O → 3H₂ + 2NaAlO₂ (алюминат натрия)

Be + 2KOH → H₂ + 2NaAlO₂ (бериллат калия)

Zn + 2KOH → 2H₂ + K₂ZnO₂ (цинкат калия)