Положение металлов в периодической таблице
Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп), а справа вверху – элементы-неметаллы. Элементы, расположенные вблизи диагонали (Be, Al, Ti, Ge, Nb, Sb и др.), обладают двойственным характером.
Общие свойства металлов. Виды кристаллических решеток.
К элементам - металлам относятся s - элементы I и II групп, все d- и f - элементы, а также p- элементы главных подгрупп: III (кроме бора), IV (Ge, Sn, Pb), V (Sb,Bi) и VI (Po). Наиболее типичные элементы – металлы расположены в начале периодов (начиная со второго).Кристаллические решетки металлического типа содержат в узлах положительно заряженные ионы и нейтральные атомы; между ними передвигаются относительно свободные электроны.
Общие физические свойства
Объясняются особым строением кристаллической решетки - наличием свободных электронов ("электронного газа").
Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду Au,Ag,Cu,Sn,Pb,Zn,Fe уменьшается.
Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.
Электропроводность.Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду Ag,Cu,Al,Fe уменьшается.
При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа".Теплопроводность. Закономерность та же. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность - у висмута и ртути.
Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий - литий (r=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (r=22,6 г/см3).
Металлы, имеющие r < 5 г/см3 считаются "легкими металлами".Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39 0 C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t 0 пл. = 3390 0 C).
Металлы с t 0 пл. выше 1000 0 C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.Общие химические свойства металлов
Сильные восстановители: Me 0 – ne Me n+
I . Реакции с неметаллами
С кислородом:
С галогенами:
Ni + Cl 2 Ni+2Cl 2
С азотом:
3Ca + N 2 Ca3N2
С фосфором:
3Ca + 2P Ca 3 P 2
С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H 2 2LiH
Ca + H2 CaH2II . Реакции с кислотами
Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
Mg + 2HCl MgCl 2 + H 2
2Al+ 6HCl 2AlCl 3 + 3H 2
6Na + 2H3PO4 2Na 3 PO 4 + 3H 2
Не считая тех, которые синтезируются искусственным путем). Все они подразделяются на неметаллы и металлы. Последних заметно больше, чем первых.
Определение термина
Металлы в химии — это элементы, встречающиеся в природе в виде простых веществ и обладающие похожими физическими свойствами. Среди них, в зависимости от их особенностей и от того, в состав каких соединений они могут входить, выделяют щелочные, щелочноземельные, переходные, легкие, полуметаллы, лантаноиды и актиноиды. Химические свойства металлов всех групп похожи. Следует также отметить, что бериллий и магний не входят ни в одну из групп.
Физические свойства
Несмотря на то что химические свойства металлов мало чем отличаются, физические довольно разнятся. Для всех веществ данной группы характерен металлический блеск. Лучше всех металлов свет способны отражать серебро и алюминий, что позволяет использовать их в производстве зеркал. Плотность металла может быть различной. По этому критерию выделяют легкие и тяжелые. К первым можно отнести те, плотность которых составляет не более 5 г/см 3 . Такими являются литий, натрий, кальций, алюминий, магний. Первый — самый легкий из всех, его плотность почти в два раза меньше, чем у воды, а именно 0,53 г/см 3 . К тяжелым принадлежат железо, цинк, никель, свинец, хром, золото, серебро и другие. Самый тяжелый металл в природе — осмий. Его плотность составляет 22,6 г/см 3 . Также среди физических свойств металлов выделяют твердость. Существует шкала Мооса, по которой и определяется данный показатель.
Самые мягкие металлы: калий, цезий, натрий, рубидий — их можно разрезать ножом. Твердость натрия по шкале Мооса составляет 0,4. Самым твердым металлом, которым можно порезать стекло, является хром (9 по шкале Мооса). Следующий критерий, по которому можно охарактеризовать вещество данной группы, — пластичность. Самым высоким показателем в этом плане обладают золото, серебро, медь; средним — олово; низким — свинец, цинк, железо. Также металлы различаются по своей тугоплавкости. К легкоплавким относятся те, которые начинают превращаться в жидкость при температуре менее +1000 градусов по шкале Цельсия. Такими являются калий, натрий, свинец, олово, магний, цинк, алюминий, кальций. Самый легкоплавкий металл в природе — ртуть — она становится жидкой при температуре -39 градусов Цельсия. К тугоплавким относятся медь, золото, тантал, платина, железо, никель, молибден. Самая высокая температура плавления у вольфрама — +3410 градусов. По теплопроводности металлы также различаются. Железо, вольфрам, алюминий, золото, медь, серебро — вот последовательность в порядке увеличения теплопроводности. По возрастанию электропроводности также металлы можно расположить в ряд: он будет таким же, как и предыдущий, то есть самый низкий показатель — у железа, самый высокий — у серебра и меди.
Химические свойства металлов
Здесь необходимо учесть то, что все они делятся на активные и неактивные. Первые стоят в электрохимическом ряду левее водорода, вторые — правее. Химические свойства металлов, которые обладают высокой активностью, не характерны для вторых.
Реакции замещения
Они свойственны только активным металлам. Такой процесс происходит при добавлении последних к кислоте. Вследствие этого образуется соль данного металла и водород, который выделяется в виде газа. Выразить это можно с помощью такого уравнения: 2К + 2НСІ = 2КСІ + Н 2 . Кроме того, такого типа реакции происходят между металлами и солями. Для этого металл, который добавляют в раствор, должен быть активнее, чем тот, который входит в состав соли. В этом случае образуется новая соль, а металл из предыдущей выпадет в виде осадка. Примером подобного рода химического взаимодействия может служить следующее уравнение: 2К + СаСІ 2 = 2КСІ + Са.
Металл плюс кислород
Для таких реакций необходимо нагреть реагенты до высокой температуры. В этом процессе образуется оксид. Пример уравнения: 2Са + О 2 = 2СаО. Однако в случае с калием реакция происходит без нагревания. Ее уравнение выглядит так: 4К + О 2 = 2К 2 О. Поэтому данный металл необходимо хранить в специальных условиях, иначе на его срезе моментально образуется пленка из оксида.
Реакции с галогенами
Это такие вещества, как СІ 2 , Br 2 , І 2 и др. При подобного рода взаимодействиях образуется соль, например, хлорид. 2К + СІ 2 = 2КСІ.
Металлы и другие простые вещества
По типу описанной выше реакции может происходить и взаимодействие с другими химическими соединениями, состоящими из одного элемента. Для этого необходимо нагревание. Это могут быть такие вещества, как сера, фосфор, азот, водород. Вследствие реакций образуются сульфиды, фосфиды, нитриды и гидриды соответственно. Во взаимодействие с водородом вступают только металлы первой и второй групп периодической системы. Уравнения: 3Са + 2Р = Са 3 Р 2 ; 2К + Н 2 = 2КН.
Что будет, если добавить к металлу воду?
В реакции с этим веществом также вступают только активные металлы, а также обладающие средней активностью при нагревании. Вследствие этого образуется либо гидроксид (в первом случае), либо оксид (во втором) и водород. Примеры уравнений: 2К + 2Н 2 О = 2КОН + Н 2 ; Zn + Н 2 О = ZnO + Н 2 .
Кислоты и неактивные металлы
К таким относятся висмут, медь, серебро и др.
Они могут взаимодействовать только с концентрированными растворами серной и азотной кислот. При этом образуется сульфат/нитрат металла, диоксид сульфура/нитрогена и вода.
Заключение
Из всех приведенных выше примеров химических свойств металлов можно сделать вывод, что они являются сильными восстановителями.
Металлы (от лат. metallum - шахта, рудник) - группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:
- 6 элементов в группе щелочных металлов,
- 6 в группе щёлочноземельных металлов,
- 38 в группе переходных металлов,
- 11 в группе лёгких металлов,
- 7 в группе полуметаллов,
- 14 в группе лантаноиды + лантан,
- 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
- вне определённых групп бериллий и магний.
Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.
В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия
Характерные свойства металлов
- Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
- Хорошая электропроводность
- Возможность лёгкой механической обработки
- Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
- Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
- Большая теплопроводность
- В реакциях чаще всего являются восстановителями.
Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности , металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия - двух самых тяжёлых металлов - почти равны (около 22.6 г/см³ - ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Большинство металлов пластичны , то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый - светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
Химические свойства металлов
На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)
Реакции с простыми веществами
- С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:
оксид лития
пероксид натрия
надпероксид калия
Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:
- С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:
При нагревании:
- С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:
Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:
- С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:
- С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды - метан.
Химические свойства металлов: взаимодействие с кислородом, галогенами, серой и отношение к воде, кислот, солей
Химические свойства металлов обусловлены способностью их атомов легко отдавать электроны с внешнего энергетического уровня, превращаясь в положительно заряженные ионы. Таким образом в химических реакциях металлы проявляют себя энергичными восстановителями. Это является их главной общей химической свойством.
Способность отдавать электроны у атомов отдельных металлических элементов различна. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, и тем энергичнее реагирует с другими веществами. На основе исследований все металлы были расположены в ряд по уменьшению их активности. Этот ряд впервые предложил выдающийся ученый Н. Н. Бекетов. Такой ряд активности металлов называют еще вытеснительный рядом металлов или электрохимическим рядом напряжений металлов. Он имеет следующий вид:
Li, K, Ва, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2 , Cu, Hg, Ag, Рt, Au
С помощью этого ряда можно обнаружить какой металл является активным другого. В этом ряду присутствует водород, который не является металлом. Его видны свойства приняты для сравнения за своеобразный ноль.
Имея свойства восстановителей, металлы реагируют с различными окислителями, прежде всего с неметаллами. С кислородом металлы реагируют при нормальных условиях или при нагревании с образованием оксидов, например:
2Mg0 + O02 = 2Mg+2O-2
В этой реакции атомы магния окисляются, атомы кислорода восстанавливаются. Благородные металлы, находящиеся в конце ряда, с кислородом реагируют. Активно происходят реакции с галогенами, например, сгорания меди в хлоре:
Cu0 + Cl02 = Cu+2Cl-2
Реакции с серой, чаще всего происходят при нагревании, например:
Fe0 + S0 = Fe+2S-2
Активные металлы, находящиеся в ряду активности металлов в Mg, реагируют с водой с образованием щелочей и водорода:
2Na0 + 2H+2O → 2Na+OH + H02
Металлы средней активности от Al до H2 реагируют с водой в более жестких условиях и образуют при этом оксиды и водород:
Pb0 + H+2O Химические свойства металов: взаимодействие с кислородом Pb+2O + H02.
Способность металла реагировать с кислотами и солями в растворе зависит также от его положения в вытеснительный ряде металлов. Металлы, стоящие в вытеснительный ряде металлов левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород из разбавленных кислот, а металлы, стоящие правее водорода, его не вытесняют. Так, цинк и магний реагируют с растворами кислот, выделяя водород и образуя соли, а медь не реагирует.
Mg0 + 2H+Cl → Mg+2Cl2 + H02
Zn0 + H+2SO4 → Zn+2SO4 + H02.
Атомы металлов в этих реакциях являются восстановителями, а ионы водорода — окислителями.
Металлы реагируют с солями в водных растворах. Активные металлы вытесняют менее активные металлы из состава солей. Определить это можно по ряду активности металлов. Продуктами реакции являются новая соль и новый металл. Так, если железную пластинку погрузить в раствор меди (II) сульфата, через некоторое время на ней выделится медь в виде красного налета:
Fe0 + Cu+2SO4 → Fe+2SO4 + Cu0 .
Но если в раствор меди (II) сульфата погрузить серебряную пластину, то никакой реакции не произойдет:
Ag + CuSO4 ≠ .
Для проведения таких реакции нельзя брать слишком активные металлы (от лития до натрия), которые способны реагировать с водой.
Следовательно, металлы способны реагировать с неметаллами, водой, кислотами и солями. Во всех этих случаях металлы окисляются и являются восстановителями. Для прогнозирования течения химических реакций с участием металлов следует использовать вытеснительный ряд металлов.
Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются восстановителями. Металлы взаимодействуют с простыми веществами: Са + С12 - СаС12, Активные металлы реагируют с водой: 2Na + 2Н20 = 2NaOH + H2f. Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов до водорода, взаимодействуют с разбавленными растворами кислот (кроме HN03) с выделением водорода: Zn + 2НС1 = ZnCl2 + H2f. Металлы реагируют с водными растворами солей менее активных металлов: Ni + CuS04 = NiS04 + Си J. Металлы реагируют с кислотами-окислителями: С. Способы получения металлов Современная металлургия получает более 75 металлов и многочисленные сплавы на их основе. В зависимости от способов получения металлов различают пирогидро- и электрометаллургию. ГГ) Пирометаллургия охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют уголь, активные металлы, оксид углерода (II), водород, метан. Cu20 + С - 2Си + СО, t° Cu20 + СО - 2Cu + С02, t° Сг203 + 2А1 - 2Сг + А1203, (алюмотермия) t° TiCl2 + 2Mg - Ti + 2MgCl2, (магнийтермия) t° W03 + 3H2 = W + 3H20. (водородотермия) |Ц Гидрометаллургия - это получение металлов из растворов их солей. Например, при обработке разбавленной серной кислотой медной руды, содержащей оксид меди (И), медь переходит в раствор в виде сульфата: CuO + H2S04 = CuS04 + Н20. Затем медь извлекают из раствора либо электролизом, либо вытеснением с помощью порошка железа: CuS04 + Fe = FeS04 + Си. [з] Электрометаллургия - это способы получения металлов из их расплавленных оксидов или солей с помощью электролиза: электролиз 2NaCl - 2Na + Cl2. Вопросы и задачи для самостоятельного решения 1. Укажите положение металлов в периодической системе Д. И. Менделеева. 2. Покажите физические и химические свойства металлов. 3. Объясните причину общности свойств металлов. 4. Покажите изменение химической активности металлов главных подгрупп I и II групп периодической системы. 5. Каким образом изменяются металлические свойства у элементов II и III периодов? Назовите самый тугоплавкий и самый легкоплавкий металлы. 7. Укажите, какие металлы встречаются в природе в самородном состоянии и какие - только в виде соединений. Чем это можно объяснить? 8. Какова природа сплавов? Как состав сплава влияет на его свойства. Покажите на конкретных примерах. Укажите важнейшие способы получения металлов из руд. 10l Назовите разновидности пирометаллургии. Какие восстановители используют в каждом конкретном способе? Почему? 11. Назовите металлы, которые получают с помощью гидрометаллургии. В чем сущность и каковы преимущества данного метода перед другими? 12. Приведите примеры получения металлов с помощью электрометаллургии. В каком случае используют этот способ? 13. Каковы современные способы получения металлов высокой степени чистоты? 14. Что такое «электродный потенциал»? Какой из металлов имеет наибольший и какой - наименьший электродные потенциалы в водном растворе? 15. Охарактеризуйте ряд стандартных электродных потенциалов? 16. Можно ли вытеснить металлическое железо из водного раствора его сульфата с помощью металлического цинка, никеля, натрия? Почему? 17. Каков принцип работы гальванических элементов? Какие металлы могут в них использоваться? 18. Какие процессы относятся к коррозионным? Какие виды коррозии вам известны? 19. Что называется электрохимической коррозией? Какие способы защиты от нее вам известны? 20. Как влияет на коррозию железа его контакт с другими металлами? Какой металл будет разрушаться первым на поврежденной поверхности луженого, оцинкованного и никелированного железа? 21. Какой процесс называют электролизом? Напишите реакции, отражающие процессы, происходящие на катоде и аноде при электролизе расплава хлорида натрия, водных растворов хлорида натрия, сульфата меди, сульфата натрия, серной кислоты. 22. Какую роль играет материал электродов при протекании процессов электролиза? Приведите примеры процессов электролиза, протекающих с растворимыми и нерастворимыми электродами. 23. Сплав, идущий на приготовление медных монет, содержит 95 % меди. Определите второй металл, входящий в сплав, если при обработке однокопеечной монеты избытком соляной кислоты выделилось 62,2 мл водорода (н. у.). алюминий. 24. Навеска карбида металла массой 6 г сожжена в кислороде. При этом образовалось 2,24 л оксида углерода (IV) (н. у.). Определите, какой металл входил в состав карбида. 25. Покажите, какие продукты выделятся при электролизе водного раствора сульфата никеля, если процесс протекает: а) с угольными; б) с никелевыми электродами? 26. При электролизе водного раствора медного купороса на аноде выделилось 2,8 л газа (н. у.). Какой это газ? Что и в каком количестве выделилось на катоде? 27. Составьте схему электролиза водного раствора нитрата калия, протекающего на электродах. Чему равно количество пропущенного электричества, если на аноде выделилось 280 мл газа (н. у.)? Что и в каком количестве выделилось на катоде?