Курс по неорганической химии

Общие свойства металлов: высокая электропро-

водность, теплопроводность, пластичность.

Коэффициент электропроводности характеризует способность металлов к проведению электричества; он зависит от строения и свойств металла.

Теория электропроводности: фактором электриче-

ского сопротивления металлов являются потери на излучение.

Металлы могут испускать электроны при высокой температуре (термоэлектронная эмиссия, она возникает также под воздействием других факторов: электромагнитное поле идр.). Перепадтемпературы в металлах провоцирует появление электрического тока. Движения электронов в металлах обуславливают их теплопроводность. Отношение теплопроводности металлов и их электрической проводимости является постоянной величиной для всех металлов. По магнитной восприимчивости металлы делятся на

диамагнетики и парамагнетики.

Металлы непрозрачны, обладают металлическим блеском, пластичны, прочны, тверды и упруги. Благодаря пластичности металлы подвергают различным воздействиям: ковке, вытягиванию, прокатке, штамповке.

Металлы обладают низким потенциалом ионизации и сродством к электрону, поэтому в химических реакциях выступают в качестве восстановителей, в

растворах образуют катионы. Электроотрицательностьниже, чем унеметаллов. Могутвходитьв состав сложных анионов или комплексов, но при этом являются центрами положительного заряда. Лишьуамфотерныхметаллов, Sn олово, Po полоний, Sb сурьма

и др., существуют соединения с отрицательной сте-

пенью окисления. Во всех химических соединениях

уметалловхимическаяковалентнаяполярнаясвязь.

Основная часть металлов взаимодействует с кислородом воздуха при комнатной температуре.

Щелочныеищелочноземельныеметаллывступают во взаимодействие с водой при комнатной температуре, другие (Zn цинк, Fe железо и др.) — при высоких температурах. Растворимые анионные комплексы бериллия, цинка, алюминия, галлия, олова вступают в реакцию с растворами щелочей.

Основная часть металлов окисляется определен-

нымикислотами. Металлы, стоящие в рядунапряжений до H, окисляются ионом H, входящего в состав кислот и образуют раствор соли, если не происходит образования нерастворимых продуктов реакции. Концентрированная азотная кислота пассивирует некоторые металлы (Fe), а разбавленная взаимодействует с ними, образуя катионные комплексы. Для получения раствора малоактивных металлов (золота, платины) используют смеси, содержащие окислитель и поставщика лигандов (царская водка,

смесь HNO3 и HF).

Важное свойство металлов— способностьобразо-

вывать основные оксиды и гидроксиды. В главных подгруппах периодической системы основность оксидов и гидроксидов идет на возрастание сверху вниз, а в побочных подгруппах (исключение составляют I–III) — снизу вверх. Металлы, имеющие несколько степеней окисления, имеют кислотные оксиды.

39 Металлы: способы получения

Большое количество металлов находится в природе в виде соединений.

Самородные металлы — это металлы, встреча-

ющиеся в свободном состоянии (золото, платина, ртуть, олово). Золото добывают 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, которые имеют в составе соединения металлов, пригодные для получения их промышленным способом (оксиды, сульфиды и карбонаты металлов).

Способы получения металлов:

1)из руд восстановлением оксидов металлов углем: Cu2O + C = 2Cu + CO;

2)выплавка чугуна из железных руд, получение

олова из оловянного камня SnO2, восстановление других металлов из оксидов;

3)из сернистых руд: сернистые руды сначала переводят в сернистые соединения с помощью обжигания в специальных печах:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2;

ZnO + C = Zn + CO.

Руду— сольугольной кислоты можно сразувосстанавливать при помощи угля:

ZnCO3 = ZnO + CO2.

Руды содержат много примесей: песок, известняк, глину. Чтобы облегчить выплавку металла, примеси убирают, добавляя разнообразные вещества (флюсы), образующие с нимилегкоплавкие соединения— шлаки.

Еслипримесейврудемного, тоееобогащаютпутем удаления части примесей. Флотация — самый рас-

пространенный способ обогащения. Например: руду, которая состоит из сернистого металла и пустой породы, измельчают, заливают водой, прибавляя малополярное органическое вещество (для образования пены) и небольшое количество реагента «коллектора», которыйадсорбируетсяповерхностьюминерала. 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 надно. Затем пену собирают, отжимают и получают руду с большим содержанием металла.

Гравитационное обогащение— обогащение, основанное на различии плотности и разнице падения частиц металлов и воды.

Магнитный способ— разделение металлов по магнитным свойствам;

4)путем электролиза (с его помощью получают наиболее активные металлы);

5)промышленные способы: пирометаллургиче-

ский (восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических — кокс, оксид углерода (II), водород; металлических— алюминий, магний, кальций и другие металлы), электрохимический, гидрометал-

лургический (растворение природного соединения

сцелью получения раствора соли этого металла и вытеснение данного металла более активным).

40Металлы и сплавы втехнике

Впериодической системе Менделеева 88 элементов из 110 известных — это металлы. В XX веке с помощью ядерных реакций были получены радиоактивные металлы, не существующие в природе.

Всовременной металлургии получают более 60 металлов, на основе которых— 5000 сплавов. Металлическая связь (кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов) — основа структуры металлов. Именно она обуславливает физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск. Пластичность — способность металлов изменять форму; она уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe.

Высокая электропроводность металлов связана с наличием свободных электронов, которые под влияниемдаже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положитель-

ному. Лучший проводник электричества — серебро,

за ним идут медь, золото, алюминий, железо.

Легкие металлы — металлы с плотностью меньше 5 г/см3. Самый легкий металл — литий (плотность 0,53 г/см3). Тяжелые металлы — металлы с плотно-

стью больше 5 г/см3. Самый тяжелый металл — ос-

мий (22,6 г/см3).

Отличаются и температуры плавления металлов.

Металлы различаются по твердости. Самый твердый из них— хром (режет стекло), а самые мягкие — калий, рубидий и цезий (легко режутся ножом). Прочность металлической связи влияет на прочность, температуру плавления и твердость металлов.

Сплавы — системы, в состав которых входят два или более металлов, реже могут входить неметаллы (углерод, кремний, бор).

Втехнике сплавы на основе железа, т.е. чугун, сталь, а также само железо, называют черными металлами, все остальные металлы (например, латунь) называются цветными. Существуют и другие классификации металлов.

Компоненты, входящие в состав сплава:

1) механическая смесь (между простыми веществами без взаимодействия); 2) химические соединения (вещества в сплаве,

вступающие во взаимодействие); 3) твердые растворы (вещества взаиморастворяющиеся); 4) промежуточные соединения.

Врасплавленном состоянии большая часть метал-

лов при растворении друг в друге образуют однородный жидкий сплав. Но, кристаллизуясь, ведут себя по-разному. В твердом состоянии металлы не растворяются и не взаимодействуютдруг с другом. Сплав— механическая смесь из кристаллитов компонентов. Сплавляемыеметаллывступаютвреакцию друг с другом и образуют новое химическое соединение. Твердый раствор — образование однородных кристаллов в результате сохранения растворимости металлов друг в друге. Сталь — сплав железа и углерода, имеющий примеси марганца, кремния, серы и фосфора.

Возможности практического применения сплавов, обладающихуникальнымсвойствомзапоминатьформу, исключительно разнообразны: в авиации и кораблестроении (это значительно проще, чем сваривать или паять). Интересны возможности использования этих сплавов в медицине. Их применяют при операциях, связанныхсо сращиванием костныхпереломов.

41 Коррозия металлов

Коррозия металлов — физико-химическая реакция металлов и сплавов с окружающей средой, в результате они теряют свои свойства. В основе коррозии— реакция на границе раздела фаз между материалом и средой: 3Fe + 2О2 = Fe3O4.

По условиям протекания коррозия: контактная;

щелевая; по ватерлинии; в зонах обрызгивания; в зонах переменного смачивания; протекающая по конденсации кислых паров; радиационная; происходящая при теплоотдаче; образованная блуждающими токами.

Типы коррозии: химическая или газовая (металлы

исплавы разрушаются, взаимодействуя с кислородом, водородом и другими газами при отсутствии влаги), электрохимическая (возникновение контакта металла или сплава в растворе электролита).

Химическая: процессы окисления металла и вос-

становления агента коррозии: 2Ме + О2 = 2МеО. Газовая: при высоких температурах в сухих газах (продукты сгораниятоплива идр.). Факторы, воздействующие на скорость газовой коррозии: природа металла (сплава); состав газовой среды; механические свойства образующихся продуктов коррозии (оксидных пленок); температура. Электрохимическая: процессы окисления металла

ивосстановлениякоррозийногоагента, протекающие раздельно в электролитной среде (растворы солей, кислот, почва и др.). Электрохимическая коррозия в зависимости от коррозийной среды: атмосферная; почвенная; микробиологическая; жидкостная.

Защитаметалловисплавовоткоррозиивагрессивныхсредахосновывается: наповышениикоррозион-

нойстойкостисамогоматериала; сниженииагрессивности среды; предотвращении контакта материала со средой с помощью изолирующего покрытия; регулировании электродного потенциала защищаемого изделия в данной среде.

Методы защиты от электрохимической коррозии:

использование химически стойких сплавов; защита покрытием поверхности металла или сплава; снижение активности коррозийной среды; электрохимические методы.

Для покрытия металлов используются различные виды покрытий: металлические (хром, никель), неметаллические (лаки, краски), покрытия, образующиеся при электрохимической и химической обработке поверхности металлов (оксидные или солевые пленки).

Метод снижения агрессивности среды эффекти-

вен для изделий, используемых в малом количестве жидкости. Самые распространенные агрессивные среды — вода, водные растворы щелочей и кислот, почва, атмосфера. Физически кислород и углекислый газ можно удалить, нагревая воду при пониженном давлении, химически — пропуская через слой стальных или железных стружек или обрабатывая восстановителем. Еще агрессивность водных сред снимают, используя ингибиторы коррозии: анодные, катодные, органические.

Агрессивностьатмосферызависитотеевлажности и района (промышленный, сельский и др.). Влияние атмосферы зависит от гигроскопичности продуктов коррозии металла и пылевых частиц на поверхно-

сти. Коррозионная агрессивность почвы обусловли-

вается содержанием в ней О2, влажностью, электрической проводимостью, рН.

42 Подгруппалития

Подгруппа лития (1 группа, главная подгруппа) включает щелочные металлы: Li литий, Na натрий, K калий, Cs цезий, Rb рубидий, Fr франций. Литий получил свое название отгреческого слова lithos (камень). Открыт шведским химиком А. Арфведсоном в 1817 г. в минерале петалите (алюмосиликата лития).

Физические свойства элементов подгруппы ли-

тия: невысокие t плавления и кипения, малая плотность, мягкие, легко режутся, кристаллизуются в объемной кристаллической решетке. Металлы сере- бристо-белые, только цезий золотисто-желтого цвета. Пары металлов имеют разную окраску: Li — кирпичный, Na — желтый, K — фиолетовый, Cs — голубой, Rb — красный.

Химические и физические свойства щелочных металлов изменяются от Li к Fr. Атомная масса возрастает, вследствие чего растет плотность, увеличивается радиус атома, то есть ослабляются силы притяжения между атомами, снижается t плавления и кипения, уменьшается энергия атомизации атомов и энергия ионизации; сверху вниз ослабевают неметаллические свойства, металлические усиливаются. Химические свойства: вследствие повышения металлических свойств усиливается химическая активность металлов — они легко отдают один валентный электрон,которыйнаходитсянавнешнемs-подуровне.

Щелочныеметаллы—сильныевосстановители. Вкус-

ке металла связь металлическая. Взаимодействуют почти со всеми неметаллами. Соединения характеризуются преобладающим наличием ионной связи:

2R + Cl2 = 2RCl (хлорид); nR + C = RnC (карбид);

3R + P = R3P (фосфид).

Легко взаимодействуютссолями, вытесняядругие металлы:

2R + СuSO4 = R2SO4 + Сu.

С водосодержащими соединениями — со спирта-

ми, образуют алкоголяты:

2R + С2Н5ОН = 2С2Н5ОR + Н2 (этилат). Скислородом образуют оксиды:

2R + О2 = 2R2О.

Оксиды с водой дают основания— щелочи:

2R2О + Н2О = 2RОН.

Сводородом образуют гидриды:

2R + Н2 = 2RН.

Водород в гидридах имеет степень окисления –1, являясь окислителем.

Степень окисления щелочных металлов в соеди-

нениях равна +1, валентность– I.

Получение щелочных металлов: 1) восстановлением из их оксидов:

Si + 2RO = SiO2 + 2R;

2) электролизом расплава гидроксидов: 4ROH 4R+ + H2O + O2

K(–): R+ + e = R A( + ): 4OH– – 4e = 2H2O + O2

Нахождениевприроде: щелочные металлы встречаются в природе в виде хлоридов, алюмосиликатов, сульфатов и др. Наиболее распространены Na и К в виде солей в морской воде, а также поваренной соли. Li, Cs, Rb содержатся в незначительныхколичествах в калиевых и литиевых минералах.