Общая характеристика металлов

Все элементы периодической системы условно делят на две группы: метал­лы и неметаллы.

Если в периодической таблице элементов провести диагональ от бора (поряд­ковый номер 5) к астату (порядковый номер 85), то слева от нее все элементы являются металлами. Справа от этой диагонали к металлам относятся элемен­ты побочных подгрупп, а элементы главных подгрупп — к неметаллам. Элемен­ты, расположенные вблизи этой диагонали (например, алюминий, титан, гал­лий, германий, олово, теллур, мышьяк), обладают амфотерными свойствами.

К металлам относятся элементы, на внешнем электронном уровне которых находится от одного до трех электронов, а также некоторые р-элементы, име­ющие большее количество электронов на внешнем уровне: германий, олово, свинец, сурьма, висмут, полоний.

Металлами являются все s-элементы типа ns¹ и ns² (кроме водорода и гелия), все d-элементы (элементы побочных подгрупп), все f-элементы (лантаноиды и актиноиды).

Среди р-элементов встречаются как металлы, так и неметаллы, при этом число элементов-металлов увеличивается с увеличением номера периода.

Физические свойства

Все металлы, за исключением ртути — твердые вещества, облагают метал­лическим блеском. Они являются хорошими проводниками электрического тока. Металлам свойственна пластичность, упругость, прочность, высокая теплопроводность. Большинство этих свойств обусловлено металлической связью.

Для металлов характерны низкая электроотрицательность и небольшая энергия ионизации.

Общие способы получения металлов

Большинство металлов встречаются в природе в виде различных соединений (оксиды, сульфиды, сульфаты, хлориды, карбонаты, фосфаты, нитраты и др.). Только наименее активные металлы встречаются в природе в свободном виде (Аи, Pt, Ag, Hg и др).

Область науки и техники, связанная с процессом получения металлов из их соединений, называется металлургией. В ходе всех металлургических процес­сов происходит восстановление ионов металлов.

Металлургия: 1) Пирометаллургия. 2) Гидрометаллургия. 3) Электрометаллургия

Пирометаллургия — получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей: углерода, оксида угле­рода (II), водорода, металлов (алюминия, магния и др.).

Пирометаллургия: 1) Карботермия (восстановители С и СО) Пример: FeO+C--t-->Fe+CO Fe₃O₄ + 4СО--t--->3Fe+4CO₂

2) Металлотермия (восстановители Al, Mg, Са и др.) пример: Сг₂О₃ + 2А1 --t-->2Cr+Al₂O₃ TiCl₄ + 2Mg --t--> Ti+2MgCl₂

3) Восстановление водородом. пример: WO₃ + ЗН₂ --t--> W+3H₂O

Гидрометаллургия — способ получения металлов, состоящий из двух про­цессов:

а) природное соединение металла переводится в раствор;

б) из полученного раствора данный металл вытесняется более активным металлом.

Например:

а) СuО + H₂SO₄ -»CuSO₄ + Н₂0 б) CuS0₄ + Fe -> Си + FeS0₄

Электрометаллургия — получение металлов с помощью электролиза ра­створов или расплавов их соединений.

Роль восстановителя в процессе электролиза играет электрический ток.

Химические свойства

Так как на внешнем электронном уровне у металлов небольшое количество электронов, то они, стремясь завершить свой внешний энергетический уровень, отдают электроны, являясь тем самым восстановителями. Поэтому в приро­де металлы встречаются в окисленном состоянии в виде руд.

Восстановительная сила металлов зависит от количества электронов на внешнем энергетическом уровне, а также от радиуса атома. В периодах слева направо она уменьшается, в главных подгруппах сверху вниз — увеличивает­ся. Самый сильный восстановитель — франций.

Восстановительная активность металлов в химических реакциях, протека­ющих в водных растворах, характеризуется их положением в электрохимичес-комряду напряжений металлов.

Электрохимический ряд напряжений иначе называется рядом стандарт­ных электродных потенциалов.

Электродный потенциал — это разность потенциалов, возникающая в двойном электрическом слое на границе «металл — раствор». Непосредствен­но измерить потенциал отдельного электрода (металла) невозможно. Поэто­му электродные потенциалы измеряют относительно стандартного водород­ного электрода — платиновой пластинки, погруженной в раствор, содержащий ионы водорода с концентрацией 1 моль/л (например, в раствор серной кисло­ты), и омываемой водородом при стандартных условиях. Потенциал водород­ного электрода принят равным нулю. Потенциал каждого электрода (металла) зависит от природы металла, концентрации его ионов в растворе, температуры.

Стандартным электродным потенциалом называется разность потенци­алов между металлом, погруженным в раствор своей соли с концентрацией ионов металла 1 моль/л, и стандартным водородным электродом.

Чем меньше алгебраическая величина потенциала, тем выше восстанови­тельная активность металла и меньше окислительная активность его катиона (например, щелочные металлы). Наоборот, чем больше величина потенциала, тем слабее восстановительные свойства самого металла и сильнее окислитель­ные свойства его катиона (например, золото).

Таким образом, каждый металл вытесняет из солей другие металлы, имею­щие большие значения стандартных электродных потенциалов. Кроме того, металлы, имеющие потенциал меньше нуля, способны вытеснять водород из кислот, а наиболее активные — и из воды.

I. Взаимодействие с неметаллами

1. При взаимодействии с кислородом металлы дают оксиды (основные или амфотерные).

2Ме + -- О₂ -> Ме₂0_х

2. Взаимодействие с галогенами приводит к образованию галогенидов:

Me + -- На1₂ --» MeHal_x (например, Ва + F₂ —> BaF₂) 2

3.Многие металлы (щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий и железо) при повышенной температуре (а литий — даже при обычных услови­ях) взаимодействуют с азотом, образуя вещества — нитриды:

ЗСа + N₂ ---> Ca₃N₂ ; 2A1 + N₂ --> 2A1N

4.При нагревании с серой металлы (например, щелочные и щелочноземель­ные металлы, железо, хром, алюминий и цинк) дают сульфиды:

2Ме + xS Me₂S_X

5. Взаимодействие металлов с фосфором приводит к образованию фосфидов:

ЗМе + хР --> Ме₃Р_X

6.Щелочные и щелочноземельные металлы образуют гидриды при взаимо­действии с водородом:

7. Реакция металлов с элементами IV группы — углеродом и кремнием — приводит к образованию карбидов и силицидов:

Са + 2С--»СаС₂ 4А1 + ЗС -> А1₄С₃ 2Mg + Si->Mg₂Si