Металлы, легко вступающие в реакции, называются активными металлами. К ним относятся щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий.
Положение в таблице Менделеева
Металлические свойства элементов ослабевают слева направо в периодической таблице Менделеева. Поэтому наиболее активными считаются элементы I и II групп.
Рис. 1. Активные металлы в таблице Менделеева.
Все металлы являются восстановителями и легко расстаются с электронами на внешнем энергетическом уровне. У активных металлов всего один-два валентных электрона. При этом металлические свойства усиливаются сверху вниз с возрастанием количества энергетических уровней, т.к. чем дальше электрон находится от ядра атома, тем легче ему отделиться.
Наиболее активными считаются щелочные металлы:
- литий;
- натрий;
- калий;
- рубидий;
- цезий;
- франций.
К щелочноземельным металлам относятся:
- бериллий;
- магний;
- кальций;
- стронций;
- барий;
- радий.
Узнать степень активности металла можно по электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен. Металлы, стоящие справа от водорода, малоактивны и могут взаимодействовать только с концентрированными кислотами.
Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.
К списку активных металлов в химии также относят алюминий, расположенный в III группе и стоящий левее водорода. Однако алюминий находится на границе активных и среднеактивных металлов и не реагирует с некоторыми веществами при обычных условиях.
Свойства
Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.
Основные химические свойства металлов представлены в таблице.
|
Реакция |
Уравнение |
Исключение |
|
Щелочные металлы самовозгораются на воздухе, взаимодействуя с кислородом |
K + O 2 → KO 2 |
Литий реагирует с кислородом только при высокой температуре |
|
Щелочноземельные металлы и алюминий на воздухе образуют оксидные плёнки, а при нагревании самовозгораются |
2Ca + O 2 → 2CaO |
|
|
Реагируют с простыми веществами, образуя соли |
Ca + Br 2 → CaBr 2 ; |
Алюминий не вступает в реакцию с водородом |
|
Бурно реагируют с водой, образуя щёлочи и водород |
|
Реакция с литием протекает медленно. Алюминий реагирует с водой только после удаления оксидной плёнки |
|
Реагируют с кислотами, образуя соли |
Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2 ; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2 |
|
|
Взаимодействуют с растворами солей, сначала реагируя с водой, а затем с солью |
2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 ; |
Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей - минералов, горных пород.
Рис. 3. Минералы и чистые металлы.
Что мы узнали?
К активным металлам относятся элементы I и II групп - щелочные и щелочноземельные металлы, а также алюминий. Их активность обусловлена строением атома - немногочисленные электроны легко отделяются от внешнего энергетического уровня. Это мягкие лёгкие металлы, быстро вступающие в реакцию с простыми и сложными веществами, образуя оксиды, гидроксиды, соли. Алюминий находится ближе к водороду и для его реакции с веществами требуются дополнительные условия - высокие температуры, разрушение оксидной плёнки.
Если вы хотя бы немного помните школьный курс физики, то легко вспомните, что самый активный металл это литий. Этот факт не вызывает удивления, до тех пор, пока вы не пытаетесь разобраться подробнее в этом вопросе. Правда, сложно представить себе ситуацию, в которой это вам потребуется такая информацию, но ради праздного интереса можно попробовать.
К примеру, что такое активность металла? Способность к быстрой и полной реакции с другими химическими элементами? Возможно. Тогда литий, хоть и будет одним из наиболее активных металлов, но явно не чемпионом. Но об этом дальше.
А вот если внести незначительное уточнение, сказать не «самый активный металл», а «самый электрохимически активный металл», тогда литий займет законное первое место.
Литий
В переводе с греческого «литий» означает «камень». Но это и не удивительно, ведь обнаружил его шведский химик Арфведсон как раз в камне, в минерале петалите, где кроме всего прочего, содержался и этот металл.
С этого момента и началось его изучение. А работать есть над чем. К примеру, его плотность в несколько раз меньше, чем у алюминия. В воде он, конечно же, потонет, но зато в керосине будет уверенно плавать.
При нормальных условиях литий – это мягкий, серебристого цвета металл. В ряду Бекетова (ряд электрохимической активности) литий занимает почетное первое место, опередив даже все остальные щелочные металлы. Это означает, что при химической реакции он будет вытеснять другие металлы, занимая вакантное место в соединениях. Именно это и определяет все остальные его свойства.
К примеру, он абсолютно необходим для нормальной работы организма человека, хотя и в мизерных дозах. Повышенная концентрация может стать причиной отравления, пониженная – психической нестабильности.
Интересно, что известный напиток 7Up раньше содержал литий и позиционировался как средство от похмелья. Возможно, действительно помогал.
Цезий
Но если избавится от навязчивого уточнения «электрохимически», оставив просто «активный металл», то победителем можно назвать цезий.
Как известно, активность веществ в таблице Менделеева увеличивается справа налево и сверху вниз. Дело в том, что в веществах, которые находятся в первой группе (первый столбец) на внешнем слое вращается единственный одинокий электрон. Избавиться атому от него просто, что и происходит практически в любой реакции. Если бы их там было два, как у элементов из второй группы, то это бы потребовало уже больше времени, три - ещё больше, и так далее.
Но и в первой группе вещества не одинаково активны. Чем ниже находится вещество, тем больше диаметр его атома, и тем дальше от ядра вращается этот единственный свободный электрон. А это значит, что притяжение ядра на него воздействует слабее и оторваться ему легче. Всем этим условиям как раз и соответствует цезий.
Этот металл стал первым, который открыли с помощью спектроскопа. Ученые исследовали состав минеральной воды из целебного источника и увидели на спектроскопе ярко-голубую полосу, соответствующую неизвестному ранее элементу. Из-за этого цезий и получил свое название. Перевести его на русский можно как «небесно-голубой».
Из всех чистых металлов, которые можно добыть в значимых количествах, цезий обладает наибольшей химической активностью, а также множеством других интересных свойств. К примеру, он может расплавиться в руках человека. Но для этого он должен быть помещен в запаянную стеклянную капсулу, наполненную чистым аргоном, ведь в противном случае он просто загорится от контакта с воздухом. Этот металл нашел свое применение в самых разных областях: от медицины и до оптики.
Франций
А если не останавливаться на цезии и спуститься ещё ниже, то мы попадем на франций. Он сохраняет все свойства и особенности цезия, но выводит их на качественно новый уровень, ведь у него электронных орбит ещё больше, а значит и тот самый одинокий электрон находится ещё дальше от центра.
Долгое время он был теоретически предсказан и даже описан, но найти его или пролучит все не удавалось, что тоже не удивительно, ведь в природе он содержится в мизерных количествах (меньше – только астата). А даже если его получить, то из-за высокой радиоактивности и быстрого периода полураспада он остается крайне нестабильным.
Интересно, что во франции воплотилась мечта средневековых алхимиков, только наоборот. Они мечтали получать золото из других веществ, а здесь для получения используют золото, которое после бомбардировки электронами превращается в франций. Но даже так его можно получить в ничтожно малых количествах, недостаточных даже для тщательного изучения.
Таким образом, именно франций остается самым активным из металлов, далеко опережая все остальные. Конкуренцию ему может составить только цезий, да и то, исключительно за счет более весомого количества. Даже самый активный неметалл, фтор, значительно уступает ему.
Инструкция
Возьмите таблицу Менделеева, и с помощью линейки проведите линию, которая начинается в клетке с элементом Be (Бериллий), а заканчивается в клетке с элементом At (Астат).
Те элементы, которые будут находиться слева от этой линии – металлы. Причем чем «ниже и левее» находится элемент – тем более ярко выраженные металлические свойства он имеет. Легко убедиться, что в таблице Менделеева таким металлом является (Fr) – самый активный щелочной металл.
Соответственно, те элементы, которые справа от линии, имеют свойства . И здесь тоже действует аналогичное правило: чем «выше и правее» от линии находится элемент, тем более сильным неметаллом он является. Таким элементом в таблице Менделеева является фтор (F), сильнейший окислитель. Он настолько активен, что химики раньше давали ему уважительное, хоть и неофициальное, : «Все разгрызающий».
Могут возникнуть вопросы типа «А как же быть с теми элементами, которые находятся на самой линии или очень близко к ней?». Или, например, ««Справа и сверху» от линии находятся хром, . Неужели это неметаллы? Ведь их используют при производстве стали в качестве легирующих добавок. А ведь известно, что даже малые примеси неметаллов делают хрупкими». Дело в том, что элементы, расположенные на самой линии (например, алюминий, германий, ниобий, сурьма), имеют , то есть двойственный характер.
А что касается, например, ванадия, хрома, марганца, то свойства их соединений зависят от того, какую степень окисления имеют атомы этих элементов. Например, такие их высшие оксиды, как V2O5, CrO3, Mn2O7, имеют ярко выраженные . Именно поэтому они и располагаются на вроде бы «нелогичных» местах в таблице Менделеева. В «чистом» же виде эти элементы, безусловно, являются металлами и обладают всеми свойствами металлов.
Источники:
- металлы в таблице менделеева
Для школьников изучение таблицы Менделеева - страшный сон. Даже тридцать шесть элементов, которые обычно задают преподаватели, оборачиваются часами изнурительной зубрежки и головной болью. Многие даже не верят, что выучить таблицу Менделеева реально. Но применение мнемотехники способно значительно облегчить жизнь школярам.
Инструкция
Разобраться в теории и выбрать нужную техникуПравила, облегчающие запоминание материала, мнемоническими. Главная их хитрость - создание ассоциативных связей, когда абстрактная информация упаковывается в яркую картинку, звук или даже запах. Существует несколько мнемонических техник. Например, можно написать рассказ из элементов запоминаемой информации, поискать созвучные слова (рубидий - рубильник, цезий - Юлий Цезарь), включить пространственное воображение или просто зарифмовать элементы периодической таблицы Менделеева.
Баллада об азотеРифмовать элементы периодической таблицы Менделеева лучше со смыслом, по определенным признакам: по валентности, например. Так, щелочные рифмуются очень легко и звучат, как песенка: "Литий, калий, натрий, рубидий, цезий франций". "Магний, кальций, цинк и барий - их валентность равна паре" - неувядающая классика школьного фольклора. На ту же тему: "Натрий, калий, серебро - одновалентное добро" и "Натрий, калий и аргентум - одновалентны". Творчество в отличие от зубрежки, которой хватает максимум на пару дней, стимулирует долговременную память. А значит, больше про алюминий, стихов про азот и песен о валентности - и запоминание пойдет как по маслу.
Кислотный триллерДля облегчения запоминания придумывается , в которой элементы таблицы Менделеева превращаются в героев, детали пейзажа или сюжетные элементы. Вот, например, всем известный текст: «Азиат (Азот) стал лить (Литий) воду (Водород)в сосновый Бор (Бор). Но Не он (Неон) был нам нужен, а Магнолия (Магний)». Его можно дополнить историей о феррари (железо - феррум), в которой ехал секретный агент "Хлор ноль семнадцать" (17 - порядковый номер хлора), чтобы поймать маньяка Арсения (мышьяк - арсеникум), у которого было 33 зуба (33 - порядковый номер мышьяка), но что-то кислое попало ему в рот (кислород), это было восемь отравленных пуль (8 - порядковый номер кислорода)... Продолжать можно до бесконечности. Кстати, роман, написанный по мотивам таблицы Менделеева, можно пристроить учительнице литературы в качестве экспериментального текста. Ей наверняка понравится.
Построить дворец памятиЭто одно из названий довольно эффективной техники запоминания, когда включается пространственное мышление. Секрет ее в том, что все мы можем без труда описать свою комнату или путь от дома до магазина, школы, . Для того, последовательность элементов нужно разместить их по дороге (или в комнате), причем представить каждый элемент очень ясно, зримо, ощутимо. Вот - худосочный блондин с вытянутым лицом. Работяга, который кладет плитку - кремний. Группа аристократов в дорогой машине - инертные газы. И, конечно, воздушных шариков - гелий.
Обратите внимание
Не нужно заставлять себя запоминать информацию на карточках. Самое лучшее связать каждый элемент с неким ярким образом. Кремний - с Кремниевой долиной. Литий - с литиевыми батарейками в мобильном телефоне. Вариантов может быть множество. Но комбинация визуального образа, механического запоминания, тактильного ощущения от шероховатой или, наоборот, гладкой глянцевой карточки, поможет без труда поднять самые мельчайшие детали из недр памяти.
Полезный совет
Можно нарисовать такие же карточки с информацией об элементах, как были в свое время у Менделеева, но только дополнить их современной информацией: количеством электронов на внешнем уровне, например. Все, что нужно, это раскладывать их перед сном.
Источники:
- Мнемонические правила по химии
- как запомнить таблицу менделеева
Проблема определения далеко не праздная. Едва ли будет приятно, если в ювелирном магазине вместо дорогой золотой вещицы вам захотят подсунуть откровенную подделку. А разве не представляет интереса, из какого металла сделана вышедшая из строя автомобильная деталь или найденный предмет старины?
Инструкция
Вот, к примеру, как определяется наличие меди в сплаве. Нанесите на очищенную поверхность металла каплю (1:1) азотной кислоты. В результате реакции начнет выделяться газ. Спустя несколько секунд промокните капельку фильтровальной бумагой, после чего подержите ее над , где находится концентрированный раствор аммиака. Медь прореагирует, окрасив пятно в темно-голубой цвет.
А вот как отличить бронзу от латуни. Кусочек металлической стружки или опилки поместите в мензурку с 10 мл раствора (1:1) азотной кислоты и накройте ее стеклом. Немного подождите, чтобы полностью растворился, и затем нагревайте полученную жидкость почти до кипения в течение 10-12 минут. О бронзе напомнит белый осадок, а мензурка с латунью останется .
Никель вы можете определить почти таким же способом, как и медь. Каплю раствора азотной кислоты (1:1) нанесите на поверхность металла и подождите 10-15 секунд. Промокните каплю фильтровальной бумагой и затем подержите ее над парами концентрированного аммиака. На образовавшееся темно- пятно капните 1% раствором диметилглиоксина на спирту.
Никель «просигнализирует» вам характерным красным цветом. Свинец можно определить с помощью кристалликов хромовой кислоты и нанесенной на него капельки охлажденной уксусной кислоты и спустя минуту – капли воды. Если вы увидите желтый осадок, знайте, что это хромат свинца.
Определить наличие железа также несложно. Возьмите кусочек металла и нагрейте его в соляной кислоте. При положительном результате содержимое колбы должно окраситься в желтый цвет. Если же вы не в ладах с химией, возьмите обычный магнит. Знайте, что все железосодержащие сплавы притягиваются к нему.
Согласно общепринятым взглядам, кислоты - это сложные вещества, состоящие из одного или нескольких атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов и кислотных остатков. Они подразделяются на бескислородные и кислородосодержащие, одноосновные и многоосновные, сильные, слабые и т.д. Как определить, имеет то или иное вещество кислотные свойства?
Вам понадобится
- - индикаторная бумага или раствор лакмуса;
- - соляная кислота (лучше разбавленная);
- - порошок углекислого натрия (соды кальцинированной);
- - немного азотнокислого серебра в растворе;
- - плоскодонные колбы или лабораторные стаканы.
Инструкция
Первый и самый простой тест – испытание с помощью индикаторной лакмусовой бумаги или раствора лакмуса. Если бумажная полоска или раствор имеет розовый оттенок, значит, в исследуемом веществе есть водородные ионы, а это верный признак кислоты. Легко можно понять, что чем интенсивнее окраска (вплоть до красно-бордовой), тем кислота.
Есть множество других способов проверки. Например, перед вами поставлена задача определить, является ли прозрачная жидкость соляной кислотой. Как это сделать? Вам известна реакция на хлорид-ион. Он обнаруживается путем добавления даже самых малых количеств раствора ляписа - AgNO3.
Отлейте в отдельную емкость немного исследуемой жидкости и капните чуть-чуть раствора ляписа. При этом мгновенно выпадет «творожистый» белый осадок нерастворимого хлорида серебра. То есть хлорид-ион в составе молекулы вещества точно есть. Но, может быть, это все-таки не , а раствор какой-то хлорсодержащей соли? Например, хлорида натрия?
Вспомните еще одно свойство кислот. Сильные кислоты (а к их числу, безусловно, относится и соляная) могут вытеснять слабые кислоты из их . Поместите в колбу или лабораторный стакан немного порошка соды – Na2CO3 и потихоньку приливайте исследуемую жидкость. Если сразу же раздастся шипение и порошок буквально «вскипит» - никаких сомнений уже не останется - это соляная кислота.
Каждому элементу в таблице присвоен определенный порядковый номер (H - 1, Li - 2, Be - 3 и т.д.). Этот номер соответствует ядра (количеству протонов в ядре) и числу электронов, вращающихся вокруг ядра. Число протонов, таким образом, равно числу электронов, и это говорит о том, что в обычных условиях атом электрически .
Деление на семь периодов происходит по числу энергетических уровней атома. Атомы первого периода имеют одноуровневую электронную оболочку, второго - двухуровневую, третьего - трехуровневую и т.д. При заполнении нового энергетического уровня начинается новый период.
Первые элементы всякого периода характеризуются атомами, имеющими по одному электрону на внешнем уровне, - это атомы щелочных металлов. Заканчиваются периоды атомами благородных газов, имеющими полностью заполненный электронами внешний энергетический уровень: в первом периоде инертные газы имеют 2 электрона, в последующих - 8. Именно по причине похожего строения электронных оболочек группы элементов имеют сходные физико- .
В таблице Д.И. Менделеева присутствует 8 главных подгрупп. Такое их количество обусловлено максимально возможным числом электронов на энергетическом уровне.
Внизу периодической системы выделены лантаноиды и актиноиды в качестве самостоятельных рядов.
С помощью таблицы Д.И. Менделеева можно пронаблюдать периодичность следующих свойств элементов: радиуса атома, объема атома; потенциала ионизации; силы сродства с электроном; электроотрицательности атома; ; физических свойств потенциальных соединений.
Четко прослеживаемая периодичность расположения элементов в таблице Д.И. Менделеева рационально объясняется последовательным характером заполнения электронами энергетических уровней.
Источники:
- Таблица Менделеева
Периодический закон, являющийся основой современной химии и объясняющий закономерности изменения свойств химических элементов, был открыт Д.И. Менделеевым в 1869 году. Физический смысл этого закона вскрывается при изучении сложного строения атома.
В XIX веке считалось, что атомная масса является главной характеристикой элемента, поэтому для классификации веществ использовали именно ее. Сейчас атомы определяют и идентифицируют по величине заряда их ядра (числу и порядковому номеру в таблице Менделеева). Впрочем, атомная масса элементов за некоторыми исключениями (например, атомная масса меньше атомной массы аргона) увеличивается соразмерно их заряду ядра.
При увеличении атомной массы наблюдается периодическое изменение свойств элементов и их соединений. Это металличность и неметалличность атомов, атомный радиус , потенциал ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степени окисления, соединений (температуры кипения, плавления, плотность), их основность, амфотерность или кислотность.
Сколько элементов в современной таблице Менделеева
Таблица Менделеева графически выражает открытый им закон. В современной периодической системе содержится 112 химических элементов (последние – Мейтнерий, Дармштадтий, Рентгений и Коперниций). По последним данным, открыты и следующие 8 элементов (до 120 включительно), но не все из них получили свои названия, и эти элементы пока еще мало в каких печатных изданиях присутствуют.
Каждый элемент занимает определенную клетку в периодической системе и имеет свой порядковый номер, соответствующий заряду ядра его атома.
Как построена периодическая система
Структура периодической системы представлена семью периодами, десятью рядами и восемью группами. Каждый период начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом. Исключения составляют первый период, начинающийся водородом, и седьмой незавершенный период.
Периоды делятся на малые и большие. Малые периоды (первый, второй, третий) состоят из одного горизонтального ряда, большие (четвертый, пятый, шестой) – из двух горизонтальных рядов. Верхние ряды в больших периодах называются четными, нижние – нечетными.
В шестом периоде таблицы после (порядковый номер 57) находятся 14 элементов, похожих по свойствам на лантан, – лантаноидов. Они вынесены в нижнюю часть таблицы отдельной строкой. То же самое относится и к актиноидам, расположенным после актиния (с номером 89) и во многом повторяющим его свойства.
Четные ряды больших периодов (4, 6, 8, 10) заполнены только металлами.
Элементы в группах проявляют одинаковую высшую в оксидах и других соединениях, и эта валентность соответствует номеру группы. Главные вмещают в себя элементы малых и больших периодов, – только больших. Сверху вниз усиливаются, неметаллические – ослабевают. Все атомы побочных подгрупп – металлы.
Таблица периодических химических элементов стала одним из важнейших событий в истории науки и принесла своему создателю, российскому ученому Дмитрию Менделееву, мировую славу. Этот неординарный человек сумел объединить в единую концепцию все химические элементы, но как же ему удалось открыть свою знаменитую таблицу?
Все металлы, в зависимости от их окислительно-восстановительной активности объединяют в ряд, который называется электрохимическим рядом напряжения металлов (так как металлы в нем расположены в порядке увеличения стандартных электрохимических потенциалов) или рядом активности металлов:
Li, K, Ва, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H 2 , Cu, Hg, Ag, Рt, Au
Наиболее химически активные металлы стоят в ряду активности до водорода, причем, чем левее расположен металл, тем он активнее. Металлы, занимающие в ряду активности, место после водорода считаются неактивными.
Алюминий
Алюминий представляет собой серебристо-белого цвета. Основные физические свойства алюминия – легкость, высокая тепло- и электропроводность. В свободном состоянии при пребывании на воздухе алюминий покрывается прочной пленкой оксида Al 2 O 3 , которая делает его устойчивым к действию концентрированных кислот.
Алюминий относится к металлам p-семейства. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 3s 2 3p 1 . В своих соединениях алюминий проявляет степень окисления равную «+3».
Алюминий получают электролизом расплава оксида этого элемента:
2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2
Однако из-за небольшого выхода продукта, чаще используют способ получения алюминия электролизом смеси Na 3 и Al 2 O 3 . Реакция протекает при нагревании до 960С и в присутствии катализаторов – фторидов (AlF 3 , CaF 2 и др.), при этом на выделение алюминия происходит на катоде, а на аноде выделяется кислород.
Алюминий способен взаимодействовать с водой после удаления с его поверхности оксидной пленки (1), взаимодействовать с простыми веществами (кислородом, галогенами, азотом, серой, углеродом) (2-6), кислотами (7) и основаниями (8):
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 (1)
2Al +3/2O 2 = Al 2 O 3 (2)
2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 (3)
2Al + N 2 = 2AlN (4)
2Al +3S = Al 2 S 3 (5)
4Al + 3C = Al 4 C 3 (6)
2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 (7)
2Al +2NaOH +3H 2 O = 2Na + 3H 2 (8)
Кальций
В свободном виде Ca – серебристо-белый металл. При нахождении на воздухе мгновенно покрывается желтоватой пленкой, которая представляет собой продукты его взаимодействия с составными частями воздуха. Кальций – достаточно твердый металл, имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку.
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 4s 2 . В своих соединениях кальций проявляет степень окисления равную «+2».
Кальций получают электролизом расплавов солей, чаще всего – хлоридов:
CaCl 2 = Ca + Cl 2
Кальций способен растворяются в воде с образованием гидроксидов, проявляющих сильные основные свойства (1), реагировать с кислородом (2), образуя оксиды, взаимодействовать с неметаллами (3 -8), растворяться в кислотах (9):
Ca + H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 (1)
2Ca + O 2 = 2CaO (2)
Ca + Br 2 =CaBr 2 (3)
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (4)
2Ca + 2C = Ca 2 C 2 (5)
2Ca + 2P = Ca 3 P 2 (7)
Ca + H 2 = CaH 2 (8)
Ca + 2HCl = CaCl 2 + H 2 (9)
Железо и его соединения
Железо – металл серого цвета. В чистом виде оно довольно мягкое, ковкое и тягучее. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 3d 6 4s 2 . В своих соединениях железо проявляет степени окисления «+2» и «+3».
Металлическое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид (II, III) Fe 3 O 4:
3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2
На воздухе железо легко окисляется, особенно в присутствии влаги (ржавеет):
3Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3
Как и другие металлы железо вступает в реакции с простыми веществами, например, галогенами (1), растворяется в кислотах (2):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (2)
Железо образует целый спектр соединений, поскольку проявляет несколько степеней окисления: гидроксид железа (II), гидроксид железа (III), соли, оксиды и т.д. Так, гидроксид железа (II) можно получить при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:
FeSO 4 + 2NaOH = Fe(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4
Гидроксид железа (II) растворим в кислотах и окисляется до гидроксида железа (III) в присутствии кислорода.
Соли железа (II) проявляют свойства восстановителей и превращаются в соединения железа (III).
Оксид железа (III) нельзя получить по реакции горения железа в кислороде, для его получения необходимо сжигать сульфиды железа или прокаливать другие соли железа:
4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8SO 2
2FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 2 + 3H 2 O
Соединения железа (III) проявляют слабые окислительные свойства и способны вступать в ОВР с сильными восстановителями:
2FeCl 3 + H 2 S = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl
Производство чугуна и стали
Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали– Cr, V, Ni, а чугун – Si.
Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.
Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.
В зависимости от формы содержания углерода в чугуне — цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.
Области применения чугунов обширны – из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Сплав магния и алюминия массой 26,31 г растворили в соляной кислоте. При этом выделилось 31,024 л бесцветного газа. Определите массовые доли металлов в сплаве. |
| Решение | Вступать в реакцию с соляной кислотой способны оба металла, в результате чего выделяется водород:
Mg +2HCl = MgCl 2 + H 2 2Al +6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 Найдем суммарное число моль выделившегося водорода: v(H 2) =V(H 2)/V m v(H 2) = 31,024/22,4 = 1,385 моль Пусть количество вещества Mg – х моль, а Al –y моль. Тогда, исходя из уравнений реакций можно записать выражение для суммарного числа моль водорода: х + 1,5у = 1,385 Выразим массу металлов, находящихся в смеси: Тогда, масса смеси будет выражаться уравнением: 24х + 27у = 26,31 Получили систему уравнений: х + 1,5у = 1,385 24х + 27у = 26,31 Решим её: 33,24 -36у+27у = 26,31 v(Al) = 0,77 моль v(Mg) = 0,23моль Тогда, масса металлов в смеси: m(Mg) = 24×0,23 = 5,52 г m(Al) = 27×0,77 = 20.79 г Найдем массовые доли металлов в смеси: ώ =m(Me)/m sum ×100% ώ(Mg) = 5,52/26,31 ×100%= 20,98% ώ(Al) = 100 – 20,98 = 79,02% |
| Ответ | Массовые доли металлов в сплаве: 20,98%, 79,02% |
По своей химической активности металлы очень сильно различаются. О химической активности металла можно примерно судить по его положению в .
Самые активные металлы расположены в начале этого ряда (слева), самые малоактивные - в конце (справа).
Реакции с простыми веществами. Металлы вступают в реакции с неметаллами с образованием бинарных соединений. Условия протекания реакций, а иногда и их продукты сильно различаются для разных металлов.
Так, например, щелочные металлы активно реагируют с кислородом (в том числе в составе воздуха) при комнатной температуре с образованием оксидов и пероксидов
4Li + O 2 = 2Li 2 O;
2Na + O 2 = Na 2 O 2
Металлы средней активности реагируют с кислородом при нагревании. При этом образуются оксиды:
2Mg + O 2 = t 2MgO.
Малоактивные металлы (например, золото, платина) с кислородом не реагируют и поэтому на воздухе практически не изменяют своего блеска.
Большинство металлов при нагревании с порошком серы образуют соответствующие сульфиды:
Реакции со сложными веществами. С металлами реагируют соединения всех классов - оксиды (в том числе вода), кислоты, основания и соли.
Активные металлы бурно взаимодействуют с водой при комнатной температуре:
2Li + 2H 2 O = 2LiOH + H 2 ;
Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2 .
Поверхность таких металлов, как, например, магний и алюминий, защищена плотной пленкой соответствующего оксида. Это препятствует протеканию реакции с водой. Однако если эту пленку удалить или нарушить ее целостность, то эти металлы также активно вступают в реакцию. Например, порошкообразный магний реагирует с горячей водой:
Mg + 2H 2 O = 100 °C Mg(OH) 2 + H 2 .
При повышенной температуре с водой вступают в реакцию и менее активные металлы: Zn, Fe, Mil и др. При этом образуются соответствующие оксиды. Например, при пропускании водяного пара над раскаленными железными стружками протекает реакция:
3Fe + 4H 2 O = t Fe 3 O 4 + 4H 2 .
Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, реагируют с кислотами (кроме HNO 3) с образованием солей и водорода. Активные металлы (К, Na, Са, Mg) реагируют с растворами кислот очень бурно (с большой скоростью):
Ca + 2HCl = CaCl 2 + H 2 ;
2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 .
Малоактивные металлы часто практически не растворяются в кислотах. Это обусловлено образованием на их поверхности пленки нерастворимой соли. Например, свинец, стоящий в ряду активности до водорода, практически не растворяется в разбавленной серной и соляной кислотах вследствие образования на его поверхности пленки нерастворимых солей (PbSO 4 и PbCl 2).
Вам необходимо включить JavaScript, чтобы проголосовать