При комнатной (20 °С) все металлы, кроме ртути, пребывают в твердом состоянии и хорошо проводят тепло и . На срезе металлы блестят и некоторые, как железо и никель, обладают магнитными свойствами. Многие металлы пластичны - из них можно делать проволоку - и ковки - им несложно придать другую форму.
Благородные металлы
Благородные металлы в земной коре встречаются в чистом виде, а не в составе соединений. К ним относятся медь, серебро, золото и платина. Они химически пассивны и с трудом вступают в с другими . Медь — благородный металл. Золото — один из самых инертных элементов. Из-за своей инертности благородные металлы не подвержены коррозии, поэтому из них делают украшения и монеты. Золото настолько инертно, что древние золотые изделия до сих пор ярко сияют.
Щелочные металлы
Группу 1 в периодической таблице составляют 6 очень активных металлов, в т.ч. натрий и калий. Они плавятся при сравнительно низкой температуре (температура плавления калия 64 °С) и настолько мягкие, что их можно резать ножом. Вступая в реакцию с водой, эти металлы образуют щелочной раствор и поэтому называются щелочными. Калий бурно реагирует с водой. При этом выделяется , который сгорает сиреневым пламенем.
Щелочноземельные металлы
Шесть металлов, составляющих 2-ю группу (в т.ч. магний и кальций), называются щелочноземельными. Эти металлы входят в состав множества минералов. Так, кальций имеется в кальците, прожилки которого можно обнаружить в известняке и меле. Щелочноземельные металлы менее активны, чем щелочные, они тверже и плавятся при более высокой температуре. Кальций содержится в ракушках, костях и губках. Магний входит в состав хлорофилла, зеленого пигмента, необходимого для фотосинтеза.
Металлы 3-й и 4-й групп
Семь металлов этих групп расположены в периодической таблице справа от переходных металлов. Алюминий - один из наименее плотных металлов, поэтому он легкий. А вот свинец очень плотный; из него делают экраны, защищающие от рентгеновских лучей. Все эти металлы довольно мягкие и плавятся при относительно низкой температуре. Многие из них используются в сплавах - создаваемых с определенными целями смесях металлов. Велосипеды и самолеты делают из алюминиевых сплавов.
Переходные металлы
Переходные металлы обладают типично металлическими свойствами. Они прочные, твердые, блестящие и плавятся при высоких температурах. Они менее активны, чем щелочные и щелочноземельные металлы. К ним относятся железо, золото, серебро, хром, никель, медь. Они все ковкие и широко применяются в промышленности - как в чистом виде, так и в виде сплавов. Около 77% от массы автомобиля составляют металлы, в основном сталь, т.е. сплав железа и углерода (см. статью « «). Ступицы колес делают из хромированной стали - для блеска и предохранения от коррозии. Корпус машины сделан из листовой стали. Стальные бамперы предохраняют автомобиль в случае столкновения.
Ряд активности
Положение металла в ряду активности показывает, насколько охотно металл вступает в реакции. Чем более активен металл, тем легче он отнимает кислород у менее активных металлов. Активные металлы трудно выделить из соединений, тогда как малоактивные металлы встречаются в чистом виде. Калий и натрий хранят в керосине, так как они моментально вступают в реакции с водой и воздухом. Медь – наименее активный металл из числа недорогих. Она используется в производстве труб, резервуаров для горячей воды и электрических проводов.
Металлы и пламя
Некоторые металлы, если поднести их к огню, придают пламени определенный оттенок. По цвету пламени можно определить присутствие в соединении того или иного металла. Для этого крупинку вещества помешают в пламя на конце проволоки из инертной платины. Соединении натрия окрашивают пламя в желтый цвет, соединения меди - в сине-зеленый, соединении кальции - в красный, и калия - в сиреневый. В состав фейерверков входят разные металлы, сообщающие пламени разные оттенки. Барий дает зеленый цвет, стронций - красный, натрий - желтый, а медь - сине-зеленый.
Коррозия
Коррозия - это химическая реакция, происходящая при контакте металла с воздухом или водой. Металл взаимодействует с кислородом воздуха, и на его поверхности образуется оксид. Металл теряет блеск и покрывается налетом. Высокоактивные металлы подвергаются коррозии быстрее, чем менее активные. Рыцари смазывали стальные доспехи маслом или воском, чтобы они не ржавели (сталь содержит много железа). Для предохранения от ржавчины стальной корпус автомобиля покрывают несколькими слоями краски. Некоторые металлы (например, алюминий) покрываются защищающей их плотной оксидной пленкой. Железо при коррозии образует неплотную пленку оксида, которая при реакции с водой дает ржавчину. Слой ржавчины легко осыпается, и процесс коррозии распространяется вглубь. Для предохранения от коррозии стальные консервные банки покрывают слоем олова - менее активного металла. Крупные сооружения, например мосты, спасает от коррозии краска. Движущиеся части машин, например велосипедные цепи, смазывают маслом, чтобы спасти от коррозии.
Способ предохранения стали от коррозии путем покрытия слоем цинка называется гальванизацией. Цинк активнее стати, поэтому он «оттягивает» от нее кислород. Даже если цинковый слой поцарапается, кислород воздуха будет быстрее взаимодействовать с цинком, чем с железом. Для зашиты судов от коррозии к их корпусам прикрепляют блоки цинка или магния, которые корродируют сами, но защищают судно. Для дополнительной защиты от коррозии стальные листы корпуса автомобилей чисто гальванизируют перед покраской. С внутренней стороны их иногда покрывают пластиком.
Как открывали металлы
Вероятно, люди узнали, как получить металлы, случайно, когда металлы выделялись из минералов при нагревании их в печах с древесным углем. Чистый металл выделяется из соединения при реакции восстановления. 
На таких реакциях основано действие доменных печей. Около 4000 г. до н.э. Шумеры (узнайте больше в статье « «) делали золотые, серебряные и медные шлемы и кинжалы. Раньше всего люди научились обрабатывать медь, золото и серебро, т.е. благородные металлы, поскольку они встречаются в чистом виде. Около 3500 г. до н.э. шумеры научились делать бронзу - сплав меди и олова. Бронза прочнее благородных металлов. Железо было открыто позднее, так как для извлечения его из соединений нужны весьма высокие температуры. На рисунке справа изображены бронзовый топор (500 г. до н.э.) и шумерская бронзовая чаша.
До 1735 г. люди знали всего несколько металлов: медь, серебро, золото, железо, ртуть, олово, цинк, висмут, сурьму и свинец. Алюминий был открыт в 1825 г. В наши дни ученые синтезировали ряд новых металлов, облучая в ядерном реакторе урана нейтронами и другими элементарными частицами. Эти элементы нестабильны и очень быстро распадаются.
Когда люди слышат слово «металл», то обычно оно ассоциируется с холодным и твердым веществом, проводящим электрический ток. Однако металлы и их сплавы могут очень сильно отличаться между собой. Есть те, которые относятся к группе тяжелых, эти вещества имеют самую высокую плотность. А некоторые, к примеру, литий, настолько легки, что могли бы плавать в воде, если бы только не вступали с ней в активную реакцию.
Какие металлы активны наиболее всего?
Но какой металл проявляет наиболее интенсивные свойства? Самый активный металл - это цезий. По активности среди всех металлов он занимает первое место. Также его «собратьями» считаются франций, находящийся на втором месте, и унуненний. Но о свойствах последнего ученым пока известно мало.
Свойства цезия
Цезий - это элемент, который, подобно легко расплавить в руках. Сделать это, правда, можно лишь при одном условии: если цезий находится в стеклянной ампуле. В противном случае металл может быстро вступить в реакцию с окружающим воздухом - воспламенится. А взаимодействие цезия с водой сопровождается взрывом - таков в своем проявлении самый активный металл. Это ответ на вопрос о том, почему так сложно помещать в контейнеры цезий.
Для того чтобы его поместить внутрь пробирки, необходимо, чтобы она была изготовлена из специального стекла и наполнена аргоном или водородом. Температура плавления цезия составляет 28,7 о С. При комнатной температуре металл находится в полужидком состоянии. Цезий представляет собой вещество золотисто-белого цвета. В жидком состоянии металл хорошо отражает свет. Пары цезия имеют зеленовато-синий оттенок.
Каким способом был открыт цезий?
Самый активный металл был первым химическим элементом, наличие которого в поверхности земной коры было обнаружено при помощи метода спектрального анализа. Когда ученые получили спектр металла, то в нем они увидели две линии небесно-голубого цвета. Таким образом и получил свое название этот элемент. Слово caesius в переводе с латинского языка значит «небесно-голубой».
История открытия
Его открытие принадлежит немецким исследователям Р. Бунзену и Г. Кирхгофу. Уже тогда ученые интересовались, какие металлы активные, а какие - нет. В 1860 году исследователи изучали состав воды из Дюркгеймского водохранилища. Делали они это при помощи спектрального анализа. В образце воды ученые обнаружили такие элементы, как стронций, магний, литий, кальций.
Затем они решили проанализировать каплю воды при помощи спектроскопа. Тогда они и увидели две ярко-голубые линии, находящиеся недалеко друг от друга. Одна из них по своему положению практически совпадала с линией металла стронция. Ученые решили, что выявленное ими вещество является неизвестным и отнесли его к группе щелочных металлов.
В том же году Бунзен написал письмо своему коллеге-фотохимику Г. Роско, в котором рассказывал об этом открытии. А официально о цезии было сообщено 10 мая 1860 года на заседании ученых Берлинской академии. Через шесть месяцев Бунзен смог выделить около 50 граммов хлороплатинита цезия. Ученые переработали 300 тонн минеральной воды и выделили порядка 1 кг хлорида лития в качестве побочного продукта, чтобы в конечном счете получить самый активный металл. Это говорит о том, что цезия в минеральных водах содержится очень мало.
Сложность получения цезия постоянно толкает ученых на поиск содержащих его минералов, одним из которых является поллуцит. Но извлечение цезия из руд всегда оказывается неполным, в процессе эксплуатации цезий очень быстро рассеивается. Это делает его одним из самых труднодоступных веществ в металлургии. В земной коре, к примеру, содержится 3,7 граммов цезия на одну тонну. А в одном литре морской воды лишь 0,5 мкг вещества представляют собой самый активный металл. Это приводит к тому, что извлечение цезия является одним из самых трудоемких процессов.
Получение в России
Как было указано, главным минералом, из которого получают цезий, является поллуцит. А также этот наиболее активный металл можно получить из редкого авогадрита. В промышленности используется именно поллуцит. Добыча его после распада Советского Союза в России не велась, несмотря на то что еще в те времена были обнаружены гигантские запасы цезия в Вороньей тундре под Мурманском.
К тому моменту, когда отечественная промышленность смогла позволить себе добычу цезия, лицензия на разработку этого месторождения была приобретена компанией из Канады. Сейчас извлечение цезия производит новосибирская компания ЗАО «Завод редких металлов».
Использование цезия
Этот металл используется для изготовления различных фотоэлементов. А также соединения цезия применяются в специальных отраслях оптики - в изготовлении инфракрасных приборов, Цезий используют в изготовлении прицелов, которые позволяют заметить технику и живую силу врага. Также его применяют для изготовления особых металлогалогенных ламп.
Но этим не исчерпывается круг его применения. На основе цезия был создан также ряд медицинских препаратов. Это лекарства для лечения дифтерии, язвенных болезней, шоков и шизофрении. Как и соли лития, соли цезия обладают нормотимическими свойствами - или, попросту, способны стабилизировать эмоциональный фон.
Металл франций
Еще одним из металлов с самыми интенсивными свойствами является франций. Он получил свое название в честь родины первооткрывательницы металла. М. Пере, родившаяся во Франции, открыла новый химический элемент в 1939 году. Он принадлежит к числу таких элементов, о которых даже сами исследователи-химики затрудняются делать какие-либо выводы.
Франций является самым тяжелым металлом. При этом и самый активный металл - это франций, наряду с цезием. Этим редким сочетанием - высокой химической активностью и низкой ядерной устойчивостью и обладает франций. У его самого долгоживущего изотопа период полураспада составляет всего лишь 22 минуты. Франций используется для обнаружения другого элемента - актиния. А также соли франция раньше предлагалось применять для обнаружения раковых опухолей. Однако из-за высокой стоимости эту соль невыгодно производить.
Сравнение самых активных металлов
Унуненний - это пока еще не открытый металл. Он будет занимать первое место в восьмой строке периодической системы. Разработка и исследования этого элемента проводятся в России в Объединенном институте ядерных исследований. Этот металл должен будет обладать также очень высокой активностью. Если же сравнивать уже известные франций и цезий, то самым высоким потенциалом ионизации - 380 кДж/моль - будет обладать франций.
У цезия этот показатель составляет 375 кДж/моль. Но реагирует франций все же не так быстро, как цезий. Таким образом, цезий - самый активный металл. Это - ответ (химия чаще всего является тем предметом, в программе которого можно встретить подобный вопрос), который может быть полезным как на уроке в школе, так и в профессионально-техническом училище.
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.
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