Metaller
Metaller er blandt de vigtigste naturlige materialer, der bruges af menneskeheden.
Metallurgi – en af de basale industrier, der bestemmer landets økonomiske og militære potentiale. Nye legeringer med specificerede egenskaber skabes, og forskellige metaller bruges som tilsætningsstoffer.
Omkring 80 % af alle kendte kemiske grundstoffer i PSE er metaller. De mest almindelige metaller er: Al – 8,8%; Fe – 4,0%; Ca - 3,6%; Na - 2,64%; K - 2,6%; Mg - 2,1%; Ti – 0,64%.
Metaller er karakteriseret ved deres egne specifikke egenskaber, der adskiller dem fra metalloider: plasticitet, høj termisk og elektrisk ledningsevne, hårdhed, for de fleste metaller et højt smelte- og kogepunkt, metallisk glans.
Plasticitet kaldes metallers evne under påvirkning ydre kræfter undergår deformation, som forbliver selv efter afslutningen af denne handling. På grund af deres plasticitet er metaller udsat for smedning, valsning og stempling. Metaller har forskellig duktilitet.
Metallisk glans. Den glatte overflade af metaller reflekterer lysstråler. Jo mindre den absorberer disse stråler, jo større er den metalliske glans. Ifølge deres glans kan metaller arrangeres i følgende række: Ag, Pd, Cu, Au, Al, Fe.
Fremstillingen af spejle er baseret på denne egenskab ved metaller.
Metaller er også kendetegnet ved høje varme og elektrisk ledningsevne. Med hensyn til elektrisk ledningsevne er førstepladsen besat af Ag, Cu, Al.
Elektrisk ledningsevne falder med stigende temperatur, efterhånden som det intensiveres oscillerende bevægelse ioner i krystalgitterets noder, hvilket forhindrer elektronernes retningsbestemte bevægelse.
Elektrisk ledningsevne stiger med faldende temperatur og i området tæt på det absolutte nulpunkt udviser mange metaller superledningsevne.
Årsagen til metallers almindelige fysiske og kemiske egenskaber forklares af den fælles struktur af deres atomer og arten af metallers krystalgitre.
Metalatomer er større i størrelse sammenlignet med ikke-metaller. De ydre elektroner af metalatomer fjernes væsentligt fra kernen og er svagt bundet til den, derfor har metaller lave ioniseringspotentialer (de er reduktionsmidler).
Metallers specifikke egenskaber - plasticitet, termisk og elektrisk ledningsevne, glans - forklares ved, at metaller indeholder "frie" elektroner, der kan bevæge sig gennem krystallen.
Metaller er karakteriseret ved en metallisk binding (det er forklaret ud fra MO-metoden).
Metallers fysiske egenskaber.
Alle metaller, med undtagelse af kviksølv, er ved almindelige temperaturer faste stoffer med en karakteristisk metallisk glans.
De fleste metaller varierer i farve fra mørkegrå til sølvhvid. Guld og cæsium er gult, helt rent kobber er lyserødt, nogle metaller har en rødlig farvetone (vismut).
Densiteten af metaller kan variere meget; for eksempel densiteten af Li = 0,53 g/cm3 (den letteste), og Os er det tungeste metal 22,48 g/cm3.
Inden for en undergruppe af analoger stiger tæthedsværdierne som regel med stigende ladning af atomkernen.
I teknologi er metaller klassificeret efter densitet: lette, tunge, smeltelige og ildfaste.
At være i naturen.
I naturen findes metaller både i den oprindelige tilstand og i form af forskellige forbindelser. Kun kemisk lavaktive metaller - Pt, Ag, Au - findes i den oprindelige tilstand. Kemisk aktive metaller findes kun i form af forskellige forbindelser - malm
Malme er: oxid, sulfid og salte.
Malmen beriges først, det vil sige adskilles fra gråbjerg. Den mest almindelige metode er flotation, det er baseret på den forskellige befugtning af overfladen af mineraler med vand.
Metoder til at udvinde mineraler fra malme bestemmes af deres kemisk sammensætning. Alle metoder til fremstilling af metaller kommer ned til oxidations-reduktionsreaktioner.
Carbothermy. I denne metode til fremstilling af metaller er reduktionsmidlet kulstof - det billigste og mest tilgængelige. Kulstof bruges i form af koks, og oxideret kul fjernes let som CO2.
Kulstof bruges til at reducere relativt lavaktive metaller: Fe, Cu, Zn, Pb.
Når kulstof reducerer en blanding af jernmalm med Cr-, Mo-, W- eller Mn-oxider, producerer industrien legeringer, der indeholder cirka 70 % af disse metaller og en meget lille mængde kulstof. Disse er ferrolegeringer, der bruges til at fremstille speciallegeret stål. Kun oxider er egnede til reduktion med kulstof.
Sulfidmalme (zink, bly, kobber) udsættes først for oxidativ kalcinering:
2ZnS + 2O2 → 2ZnO + SO2
Li, Ca, Ba kan ligesom metallerne i gruppe III ikke opnås ved reduktion med kulstof, da de straks danner karbider efter isolering i fri tilstand med overskydende kulstof.
Metallotermi. Det er baseret på processerne for forskydning af et metal (mindre aktivt) af et andet (mere aktivt) fra de tilsvarende oxider, chlorider, sulfider.
Aluminium er en meget god reduktion af metaloxider på grund af dets høje affinitet for ilt. Processen kaldes aluminotermi.
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe
Aluminotermi producerer også andre metaller (Mn, Cr, Ti), som ikke kan fås i ren form reduktion af deres oxider med kul på grund af dannelsen af carbider. Ved en aluminotermisk reaktion frigives en stor mængde varme på meget kort tid, hvilket resulterer i høje temperaturer.
Elektrolytisk eller katodisk reduktion af metaller. For metaller, der er svære at reducere, er kul uegnet som reduktionsmiddel, i dette tilfælde anvendes katodisk reduktion, det vil sige separation ved elektrolyse. Sådanne metaller kan oxideres af vand, så deres forbindelser gennemgår elektrolyse ikke i vandige opløsninger, men i smelter eller opløsninger af andre opløsningsmidler.
For eksempel opnås metallisk Na, K, Ba, Ca, Mg, Be ved elektrolyse af smelter af de tilsvarende chlorider.
At opnå metaller med høj renhed.
På grund af den hurtige teknologiske udvikling var der behov for metaller af meget høj renhed. For eksempel, for pålidelig drift af en atomreaktor, er det nødvendigt, at urenheder såsom bor, cadmium osv. er indeholdt i fissile materialer i mængder, der ikke overstiger milliontedele af en procent. Rent zirconium, et af de bedste strukturelle materialer til atomreaktorer, bliver fuldstændig uegnet til dette formål, hvis det indeholder selv en ubetydelig blanding af hafnium.
Destillation i vakuum. Denne metode er baseret på den forskellige flygtighed af det metal, der renses, og de urenheder, der er til stede i det. Kildemetallet fyldes i en speciel beholder forbundet med en vakuumpumpe, og der skabes et vakuum i beholderen, hvorefter Nederste del beholderen varmes op. På de kolde dele af karret aflejres enten urenheder eller rent metal, alt efter hvad der er mere flygtigt.
Termisk nedbrydning.
1. Carbonylproces. Denne proces bruges hovedsageligt til at opnå rent nikkel og rent jern. De metalholdige urenheder opvarmes i nærvær af CO (carbonmonoxid), og det resulterende flygtige carbonyl afdestilleres fra ikke-flygtige urenheder. Carbonylerne nedbrydes derefter ved højere temperaturer for at danne metaller med høj renhed.
2. Jodproces gør det muligt at opnå metaller som zirconium og titanium.
3. Metalrensning(som sædvanligvis indeholder oxid som urenheder) i et vakuum, mens det opvarmes til en meget høj temperatur ved hjælp af en elektrisk lysbue.
Zonesmeltning. Denne metode består i at trække en blok af råt Tyskland gennem en smal ovn; Den smeltede zone, der dannes i dette tilfælde, når stangen bevæger sig gennem den, bevæger sig langs den og fjerner urenheder.
Ved at gentage denne proces mange gange kan der opnås en høj grad af renhed.
Metallers kemiske egenskaber.
Metaller har ikke evnen til at binde elektroner, derfor er metaller reduktionsmidler. Et mål for den kemiske aktivitet af metaller er ioniseringsenergien J.
Metaloxidationsmidler kan være: elementære stoffer, syrer, salte af mindre aktive metaller mv.
1. Interaktion med elementære stoffer.
2. Interaktion med syrer:
a) Oxidationsmiddel – H+ ion (HCl, H2SO4 (fortyndet), etc.);
b) En oxiderende syreanion (sådanne syrer indbefatter HNO3 og H2SO4 (konc.);
c) Interaktion med vand;
d) Interaktion med alkalier;
e) Interaktion med saltopløsninger.
Metaloxider
Alle oxygenatomer er direkte bundet til metalatomer og er ikke bundet til hinanden: Me * O2.
Klassificering af metaloxider
Grundlæggende – oxider af de mest aktive metaller (s - elementer i gruppe I og II) - ionbinding: Na2O, K2O, CaO, MgO osv.
Deres egenskaber: a) interagerer med syrer; b) med sure oxider; c) med vand.
Amfotere oxider(mindre aktive metaller og d-elementer): Al2O3, ZnO, Cr2O3 osv.
Deres egenskaber: a) interaktion med syrer; b) interaktion med alkalier.
Syrlig – oxid af lavaktive metaller i højere grader oxidation (CrO3, Mn2O7 osv.). Deres egenskaber: a) interaktion med vand, danner syrer; b) interagerer med baser (alkalier).
Arten af ændringer i oxidernes egenskaber
Inden for en periode er der en svækkelse af grundlæggende egenskaber gennem amfotere og en stigning i sure fra venstre mod højre.
I en gruppe udviser det samme element den samme ændring i egenskaber.
Opnåelse af oxider.
1. Direkte oxidation af metaller - forbrænding.
Ca + O = CaO
4Na + O2 = 2Na2O
2. Oxidation af sulfider.
ZnS + O2 = ZnO + SO2
3. Oxidation af andre grundstoffer med oxider, hvis dannelsesvarmen af det resulterende oxid er større end dannelsesvarmen af det oprindelige (metallotermi).
Al + Cr2O3 = Cr + Al2O3 + Q
4. Dehydrering af de tilsvarende hydroxider.
Al(OH)3Al2O3 + H2O
5. Termisk nedbrydning af carbonater, nitrater, sulfater og andre salte.
CaCO3 CaO + CO2
Metalhydroxider.
Klassificering: basisk, amfoter, sur (svarende til oxider).
Naturen af ændringer i egenskaber i naturen ligner oxider.
Side 2
Jern, kobber og aluminium har en karakteristisk metallisk glans.
Når vi studerer faste stoffer, der ikke har en karakteristisk metallisk glans, bemærker vi, at deres elektriske ledningsevne er meget lav. Disse omfatter stoffer, som vi kalder ionisk - natriumchlorid, calciumchlorid, sølvnitrat og sølvklorid, samt molekylære krystaller som is. Isen vist i fig. 5 - 3, består af de samme molekyler, som findes i gasfasen, men rækkefølgen er placeret i krystalgitteret. Disse dårlige guider elektrisk strøm er meget forskellige fra metaller i næsten alle egenskaber. Således kan elektrisk ledningsevne bruges til at klassificere stoffer, hvilket er et af de mest berettigede.
Metaller er simple krystallinske stoffer, der har en karakteristisk metallisk glans, leder varme og elektrisk strøm godt og er i stand til at ændre deres form under påvirkning af ydre kræfter og opretholde den efter at have fjernet belastningen uden tegn på ødelæggelse. Af det samlede antal kemiske grundstoffer, der i øjeblikket er kendt, er firs grundstoffer klassificeret som metaller. Mest almindelig i jordskorpen metaller i form af kemiske forbindelser er aluminium, jern, magnesium, kalium, natrium og calcium. Rene metaller har begrænset anvendelse i teknologi, da de er ekstremt sjældne i naturen, og det er forbundet med store vanskeligheder at få dem fra kemiske forbindelser (malme).
Som følge af brintkorrosion mister ståloverfladen sin karakteristiske metalliske glans og bliver mat.
Polymerer er fint dispergerede farvede pulvere med en karakteristisk metallisk glans, kun opløselige i koncentreret svovlsyre.
Alle d-elementer er metaller med en karakteristisk metallisk glans. Sammenlignet med s-metaller er deres styrke meget højere.
Uopløst jod danner en tydeligt synlig film med en karakteristisk metallisk glans (svævende på overfladen af opløsningen) eller samler sig i bunden af kolben i form af sorte partikler. Da jodopløsningen er farvet intens rød og næsten ikke er gennemsigtig, skal den undersøges meget omhyggeligt, idet kolben holdes mod skarpt lys. elektrisk lampe hængende i loftet. For at gøre dette skal du stå under lampen, holde kolben i nakken i en skrå stilling mellem lampen og dit ansigt og prøve at se det lyse billede af lampen i den. På en sådan baggrund er uopløste jodkrystaller tydeligt synlige. Så vil krystallerne af begge stoffer samle sig ét sted, og der vil blive skabt en zone omkring jodkrystallerne koncentreret opløsning KJ, hvori jod hurtigt opløses.
Alle alkalimetaller- stoffer sølv- hvid, med en karakteristisk metallisk glans, god elektrisk og termisk ledningsevne, lave smeltepunkter og relativt lave kogepunkter, lav massefylde og stort volumen af atomer. I damptilstanden er deres molekyler monoatomiske; ioner er farveløse.
I udseende er de mørkelilla, næsten sorte krystaller med en karakteristisk metallisk glans. Det opløses godt i vand. Kaliumpermanganat er et af de stærke oxidationsmidler, som bestemmer dets desinfektionsegenskaber.
Metaller (fra latin metallum - mine, mine) er en gruppe af grundstoffer i form af simple stoffer med karakteristiske metalliske egenskaber, såsom høj termisk og elektrisk ledningsevne, positiv temperaturkoefficient for modstand, høj duktilitet og metallisk glans.
Af de 118 kemiske grundstoffer opdaget i dette øjeblik(ikke alle af dem er officielt anerkendt), metaller omfatter:
- 6 grundstoffer i alkalimetalgruppen,
- 6 i gruppen af jordalkalimetaller,
- 38 i gruppen af overgangsmetaller,
- 11 i gruppen af letmetaller,
- 7 i gruppen af halvmetaller,
- 14 i gruppen lanthanider + lanthan,
- 14 i gruppen actinider (de fysiske egenskaber af ikke alle grundstoffer er blevet undersøgt) + actinium,
- uden for visse grupper beryllium og magnesium.
Således kan 96 af alle opdagede grundstoffer være metaller.
I astrofysik kan udtrykket "metal" have en anden betydning og betyde alt kemiske elementer tungere end helium
Karakteristiske egenskaber for metaller
- Metallisk glans (karakteristisk ikke kun for metaller: ikke-metaller jod og kulstof i form af grafit har det også)
- God elektrisk ledningsevne
- Mulighed for nem bearbejdning
- Høj densitet (normalt er metaller tungere end ikke-metaller)
- Højt smeltepunkt (undtagelser: kviksølv, gallium og alkalimetaller)
- Stor varmeledningsevne
- De er oftest reduktionsmidler i reaktioner.
Metallers fysiske egenskaber
Alle metaller (undtagen kviksølv og, betinget, Frankrig) under normale forhold er i fast tilstand dog har de forskellig hårdhed. Nedenfor er hårdheden af nogle metaller på Mohs-skalaen.
Smeltepunkter rene metaller varierer fra -39 °C (kviksølv) til 3410 °C (wolfram). De fleste metaller (undtagen alkalier) har et højt smeltepunkt, men nogle "normale" metaller, såsom tin og bly, kan smeltes på et almindeligt el- eller gaskomfur.
Afhængigt af massefylde, metaller opdeles i lette (densitet 0,53 ÷ 5 g/cm³) og tunge (5 ÷ 22,5 g/cm³). Det letteste metal er lithium (densitet 0,53 g/cm³). Det er i øjeblikket umuligt at nævne det tungeste metal, da tæthederne af osmium og iridium - de to tungeste metaller - er næsten lige store (ca. 22,6 g/cm³ - nøjagtigt dobbelt så stor densitet som bly), og det er ekstremt vanskeligt at beregne deres nøjagtige massefylde: for dette skal du helt rense metallerne, fordi eventuelle urenheder reducerer deres tæthed.
De fleste metaller plast, det vil sige, at metaltråden kan bøjes uden at gå i stykker. Dette sker på grund af forskydning af lag af metalatomer uden at bryde bindingen mellem dem. De mest duktile er guld, sølv og kobber. Guld kan bruges til at lave folie 0,003 mm tyk, som bruges til forgyldning af produkter. Men ikke alle metaller er duktile. Tråd lavet af zink eller tin knuser, når det er bøjet; Når de er deformeret, bøjer mangan og vismut næsten ikke overhovedet, men går straks i stykker. Plasticiteten afhænger også af metallets renhed; Således er meget rent krom meget sejt, men forurenet med selv mindre urenheder bliver det skørt og hårdere. Nogle metaller som guld, sølv, bly, aluminium, osmium kan vokse sammen, men det kan tage årtier.
Alle metaller er gode lede elektrisk strøm; dette skyldes tilstedeværelsen i deres krystalgitter af mobile elektroner, der bevæger sig under påvirkning af et elektrisk felt. Sølv, kobber og aluminium har den højeste elektriske ledningsevne; af denne grund bruges de to sidstnævnte metaller oftest som trådmaterialer. Natrium har også meget høj elektrisk ledningsevne, i eksperimentelt udstyr kendes forsøg på at bruge natriumledere i form af tyndvæggede rustfri stålrør fyldt med natrium. Tak til lille specifik vægt natrium, med samme modstand, natrium "tråde" er meget lettere end kobber og endda noget lettere end aluminium.
Den høje termiske ledningsevne af metaller afhænger også af mobiliteten af frie elektroner. Derfor ligner serien af termiske ledningsevner serien af elektrisk ledningsevne, og den bedste leder af varme, såvel som elektricitet, er sølv. Natrium finder også anvendelse som en god varmeleder; almindeligt kendt, for eksempel brugen af natrium i ventiler bilmotorer for at forbedre deres afkøling.
Farve De fleste metaller er omtrent ens - lysegrå med en blålig nuance. Guld, kobber og cæsium er henholdsvis gule, røde og lysegule.
Metallers kemiske egenskaber
På ydersiden elektronisk niveau De fleste metaller har et lille antal elektroner (1-3), så i de fleste reaktioner fungerer de som reduktionsmidler (det vil sige, at de "donerer" deres elektroner)
Reaktioner med simple stoffer
- Alle metaller undtagen guld og platin reagerer med ilt. Reaktionen med sølv sker ved høje temperaturer, men sølv(II)oxid dannes praktisk talt ikke, da det er termisk ustabilt. Afhængigt af metallet kan outputtet omfatte oxider, peroxider og superoxider:
lithiumoxid
natriumperoxid
kaliumsuperoxid
For at opnå et oxid fra peroxid reduceres peroxidet med et metal:
Med mellem- og lavaktive metaller sker reaktionen ved opvarmning:
- Kun de mest aktive metaller reagerer med nitrogen, når stuetemperatur Kun lithium reagerer og danner nitrider:
Ved opvarmning:
- Alle metaller undtagen guld og platin reagerer med svovl:
Jern reagerer med svovl ved opvarmning og danner sulfid:
- Kun de mest aktive metaller, det vil sige metaller fra grupperne IA og IIA undtagen Be, reagerer med hydrogen. Reaktioner opstår ved opvarmning, og der dannes hydrider. I reaktioner virker metallet som et reduktionsmiddel, hydrogenets oxidationstilstand er -1:
- Kun de mest aktive metaller reagerer med kulstof. I dette tilfælde dannes acetylenider eller methanider. Ved reaktion med vand giver acetylenider acetylen, methanider giver metan.
I processen med fremstilling af produkter ved hjælp af kunstnerisk metalforarbejdning bruges både ædel- og uædle metaller og deres legeringer. Ædelmetaller omfatter guld-, sølv-, platin- og platingruppemetaller: palladium, ruthenium, iridium, osmium, og ikke-ædelmetaller omfatter jernholdige metaller - stål, støbejern - og ikke-jernholdige metaller - kobber, messing, bronze, aluminium, magnesium , cupronickel, nikkel sølv, nikkel, zink, bly, tin, titanium, tantal, niobium. Cadmium, kviksølv, antimon, vismut, arsen, kobolt, krom, wolfram, molybdæn, mangan, vanadium bruges også i form af små tilsætningsstoffer til at ændre legerings egenskaber eller som belægninger.
Aluminium. Dette bløde sølv-hvide metal er let at rulle, strække og skære. For at øge styrken tilsættes silicium, kobber, magnesium, zink, nikkel, mangan og chrom til aluminiumslegeringer. Fra aluminiumslegeringer De producerer støbte arkitektoniske dele og skulpturer samt smykker.
Bronze. Det er en legering af kobber med zink, tin og bly. Der produceres også tinfri bronzer. I menneskehedens historie en hel epoke kaldes bronzealderen, hvor folk efter at have lært at smelte bronze lavede husholdningsartikler, våben, pengesedler (mønter) og smykker af det. I øjeblikket er monumenter, monumentale skulpturer samt indretningsgenstande til teatre, museer, paladser og underjordiske metrostationers lobbyer lavet af bronze.
Guld. Fra oldtiden til i dag har guld været det mest almindelige metal til fremstilling af smykker, service og interiør. Det er meget udbredt til forgyldning af jernholdige og ikke-jernholdige metaller samt til fremstilling af lodninger. Guld i sin rene form er et smukt gult metal. Guldlegeringer kan være hvide, røde, grønne eller sorte. Guld er et meget tyktflydende, duktilt og formbart metal. Guldlegeringer er nemme at skære, slibe og polere. Guld er ikke udsat for oxidation. Det opløses kun i selensyre og aqua regia - en blanding af koncentrerede syrer: en del salpetersyre og tre dele saltsyre.
Iridium. Dette metal ligner tin i udseende, men adskiller sig fra det ved sin høje hårdhed og skørhed. Iridium polerer godt, men er svært at bearbejde. Det påvirkes ikke af alkalier, syrer eller deres blandinger. Iridium bruges i smykker.
Messing. Dette er en legering af kobber og zink, der bruges til fremstilling af service og indretning (chasings), samt forskellige smykker, ofte forsølvede eller forgyldte. Messing kan med succes behandles ved at skære, let lodde, rulle, stemple, præge, forniklet, sølvbelagt, forgyldt, oxideret, "sammenlignet med rent kobber er de mere holdbare og hårde, meget billigere og mere elegante i farve Messing med lavt zinkindhold (fra 3 til 20%), kaldet tombak, har en rødgul farve.
Magnesium. Dette metal er fire gange lettere end bronze. Legeringer bestående af magnesium, aluminium, mangan, zink samt kobber og cadmium anvendes i På det sidste til produktion af boligindretningsartikler til industrianlæg.
Kobber. Det er et blødt, ekstremt sejt og sejt metal, der let kan modtages ved trykbehandling: tegning, rulning, stempling, prægning. Kobber kan godt slibes og poleres, men mister hurtigt sin glans; det er svært at slibe, bore, fræse. Rent eller rødt kobber bruges til fremstilling af filigransmykker og indretningsgenstande - mønt. Kobber bruges til at fremstille loddemidler (kobber, sølv, guld) og også som et tilsætningsstof til forskellige legeringer.
Nikkel. Hvidt, meget skinnende metal, kemisk resistent, ildfast, holdbart og duktilt; Den findes ikke i sin rene form i jordskorpen. Nikkel bruges hovedsageligt til dekorativ og beskyttende belægning af service og smykker, og nikkelbaserede legeringer (nikkelsølv og nikkelsølv), som har tilstrækkelig korrosionsbestandighed, styrke, duktilitet og evnen til let at blive rullet, præget, stemplet og poleret, bruges til fremstilling af genstande borddækning og boligindretning, samt smykker.
Niobium. Meget lig tantal. Modstandsdygtig over for syrer: det påvirkes ikke af regiavand, saltsyre, svovlsyre, salpetersyre, phosphorsyre, perchlorsyre. Niobium opløses kun i flussyre og dets blandinger med salpetersyre. For nylig er det begyndt at blive brugt i udlandet til fremstilling af smykker.
Tin. I oldtiden blev mønter præget af tin, og der blev lavet kar. Dette bløde og duktile metal er mørkere i farven end sølv og overlegen hårdhed i forhold til bly. I smykker bruges det til fremstilling af loddemidler og som en komponent i legeringer af ikke-jernholdige metaller og for nylig desuden til fremstilling af smykker og indretningsgenstande.
Osmium. Det er et skinnende, blågråt metal, der er meget hårdt og tungt. Osmium opløses ikke i syrer og deres blandinger. Det bruges i legeringer med platin.
Palladium. Dette hårde, duktile metal kan let smedes og rulles. Palladium er mørkere i farven end sølv, men lysere end platin. Det opløses i salpetersyre og royal vodka. Palladium bruges til at lave smykker og bruges også som tilsætningsstof i legeringer med guld, sølv og platin.
Platin. Platin bruges til at lave smykker og som en dekorativ belægning. Plasticitet, styrke, slidstyrke, farvespil - det er platinets egenskaber, der tiltrækker juvelerer så meget. Platin er et skinnende, hvidt metal, meget formbart, og opløses med stor besvær selv i kogende aqua regia - en blanding af tre dele salpeter og fem dele saltsyre. I naturen findes platin med blandinger af palladium, ruthenium, rhodium, iridium og osmium.
Rhodium. Et ret hårdt, men skørt metal, der i farve ligner aluminium. Rhodium opløses ikke i syrer og deres blandinger. Rhodium bruges til dekorativ belægning af smykker.
Ruthenium. Et metal, der næsten ikke ser anderledes ud end platin, men er mere skrøbeligt og hårdt. Det bruges i en legering med platin.
At føre. Et meget blødt og sejt metal, der er let at rulle, stemple, presse og støbe godt. Bly har været kendt siden oldtiden og blev meget brugt til fremstilling af skulpturer og dekorative arkitektoniske detaljer. I smykker bruges bly til fremstilling af lodninger og som en komponent i legeringer.
Sølv. Dette metal er meget udbredt til fremstilling af service og indretning, forskellige smykker, og bruges også til fremstilling af lodninger, som en dekorativ belægning og legering i guld, platin og palladium legeringer. Sølv har høj duktilitet og formbarhed; det kan skæres, poleres og rulles godt. Det er hårdere end guld, men blødere end kobber, kun opløseligt i salpetersyre og varme svovlsyrer.
Stål. Stål fremstilles ved omsmeltning af råjern (hvidt støbejern). Ved fremstilling af kunstneriske produkter anvendes rustfrit stål og mørkfarvet blåt stål (specielt behandlet). Rustfrit stål bruges til at lave service og interiørdekorationer, og for nylig smykker; blåt stål bruges til at lave smykker. For at give produkter i rustfrit stål et mere elegant udseende, er de forgyldte eller forsølvede.
Tantal. Metallet er gråt i farven med en let blyfarvet nuance, næst efter wolfram med hensyn til ildfasthed. Det er kendetegnet ved duktilitet, styrke, god svejsbarhed og korrosionsbestandighed. Smykkefirmaer vestlige lande tantal bruges til at lave individuelle arter smykker.
Titanium. Det er et skinnende, sølvfarvet metal, der nemt kan forskellige typer forarbejdning: det kan bores, slibes, fræses, slibes, loddes, limes. Titaniums korrosionsbestandighed er sammenlignelig med værdifulde metaller. Den har høj styrke, har lav densitet, er ret nemt. For nylig er der i udlandet blevet lavet en lang række forskellige typer smykker af titanium.
Zink. Det er et gråhvidt metal med en blålig farvetone. De første kunstneriske produkter lavet af zink - dekorative skulpturer, basrelieffer - dukkede op i det 18. århundrede. I slutningen af XIXårhundreder blev lysestager, bordlamper, kandelabre og dekorative skulpturer lavet af zink ved hjælp af kunstnerisk støbning, som ofte var tonet bronze eller forgyldt. I smykker bruges zink til fremstilling af lodninger, og også som en af komponenterne i forskellige legeringer.
Støbejern. Eksisterer følgende typer støbejern: støberi (grå), råjern (hvid) og special. Til fremstilling af kunstneriske produkter anvendes kun støberi eller gråt støbejern. Grått støbejern er hovedmaterialet til kunstnerisk støbning. Der støbes vaser og små skulpturer, skrin og æsker, askebægre og lysestager, haveartikler og mange andre produkter.
Generel information om metaller
Du ved, at de fleste kemiske grundstoffer er klassificeret som metaller - 92 ud af 114 kendte grundstoffer.
Metaller er kemiske grundstoffer, hvis atomer afgiver elektroner fra det ydre (og nogle fra det ydre) elektronlag og bliver til positive ioner.
Denne egenskab ved metalatomer er som bekendt bestemt af, at de har relativt store radier og et lille antal elektroner (for det meste 1 til 3) i det ydre lag.
De eneste undtagelser er 6 metaller: germanium-, tin- og blyatomer på det ydre lag har 4 elektroner, antimon- og vismutatomer har 5, poloniumatomer har 6.
Metalatomer er karakteriseret ved små elektronegativitetsværdier (fra 0,7 til 1,9) og udelukkende genoprettende egenskaber, altså evnen til at donere elektroner.
Det ved du allerede i Periodiske system kemiske elementer af D.I. Mendeleev, metaller er placeret under bor-astatin-diagonalen, og jeg er også over den i sekundære undergrupper. I perioder og lerundergrupper gælder de mønstre, du kender til, ændringer i det metalliske og derfor de reducerende egenskaber af grundstoffernes atomer.
Kemiske elementer placeret nær bor-astatin-diagonalen har dobbelte egenskaber: i nogle af deres forbindelser opfører de sig som metaller, i andre udviser de egenskaberne af et ikke-metal.
I sideundergrupper øges metallernes reducerende egenskaber serienummer oftest falde. Sammenlign aktiviteten af metallerne i gruppe I i den sekundære undergruppe, du kender: Cu, Ag, Au; Gruppe II i den sekundære undergruppe - og du vil selv se.
Dette kan forklares ved, at styrken af bindingen mellem valenselektronerne og kernen af atomerne i disse metaller i høj grad påvirkes af størrelsen af kerneladningen, snarere end af atomets radius. Kerneladningen øges betydeligt, og tiltrækningen af elektroner til kernen øges. I dette tilfælde, selvom atomradius stiger, er den ikke så signifikant som for metallerne i hovedundergrupperne.
Simple stoffer dannet af kemiske elementer - metaller og komplekse metalholdige stoffer spiller en afgørende rolle i jordens mineralske og organiske "liv". Det er tilstrækkeligt at huske, at atomerne (ingen) af metalelementer er integreret del forbindelser, der bestemmer stofskiftet i kroppen hos mennesker, dyr og planter. For eksempel blev 76 grundstoffer fundet i menneskeligt blod, og kun 14 af dem er ikke metaller. I den menneskelige krop er nogle metalelementer (calcium, kalium, natrium, magnesium) til stede i store mængder, det vil sige, at de er makroelementer. Og metaller som chrom, mangan, jern, kobolt, kobber, zink, molybdæn er til stede i små mængder, det vil sige, disse er sporstoffer. Hvis en person vejer 70 kg, så indeholder hans krop (i gram): calcium - 1700, kalium - 250, natrium - 70, magnesium - 42, jern - 5. zink - 3. Alle metaller er ekstremt vigtige, sundhedsproblemer opstår og med deres mangel og med deres overskud.
For eksempel regulerer natriumioner vandindholdet i kroppen og overførslen af nerveimpulser. Dens mangel fører til hovedpine, svaghed, dårlig hukommelse, tab af appetit, og dens overskud fører til øget blodtryk, hypertension og hjertesygdomme. Ernæringseksperter anbefaler ikke at indtage mere end 5 g (1 teskefuld) bordsalt (NaCl) pr. voksen pr. dag. Effekten af metaller på dyrs og planters tilstand kan ses i tabel 16.
Simple stoffer - metaller
Udviklingen af produktionen af metaller (simple stoffer) og legeringer var forbundet med fremkomsten af civilisationen (“ bronzealderen", jernalder).
Startede for omkring 100 år siden videnskabelig og teknologisk revolution, som ramte både industri og sociale sfære, er også tæt forbundet med produktion af metaller. Baseret på wolfram, molybdæn, titanium og andre metaller begyndte de at skabe korrosionsbestandige, superhårde, ildfaste legeringer, hvis brug i høj grad udvidede maskinteknikens muligheder. Inden for nuklear- og rumteknologi bruges wolfram- og rheniumlegeringer til at fremstille dele, der fungerer ved temperaturer op til 3000 ºС. I medicin bruges kirurgiske instrumenter lavet af tantal og platinlegeringer og unikke keramik baseret på titanium- og zirconiumoxider.
Og selvfølgelig må vi ikke glemme, at de fleste legeringer bruger det længe kendte metaljern (fig. 37), og grundlaget for mange lette legeringer er relativt "unge" metaller: aluminium og magnesium.
Supernovaer blev til kompositmaterialer, der repræsenterer for eksempel polymer eller keramik, som indeni (som beton med jernstænger) er forstærket med metalfibre, som kan være lavet af wolfram, molybdæn, stål og andre metaller og legeringer - det hele afhænger af målet og egenskaberne af det nødvendige materiale for at opnå det.
Du har allerede en idé om arten af kemiske bindinger i metalkrystaller. Lad os bruge eksemplet på en af dem - natrium - for at se, hvordan det dannes.
Figur 38 viser et diagram over krystalgitteret af natriummetal. I den er hvert natriumatom omgivet af otte naboer. Natriumatomer har som alle metaller mange tomme valensorbitaler og få valenselektroner.
Den eneste valenselektron i natriumatomet 3s 1 kan optage enhver af de ni frie orbitaler, fordi de ikke adskiller sig meget i energiniveau. Når atomer nærmer sig hinanden, når der dannes et krystalgitter, overlapper valensorbitaler af naboatomer, på grund af hvilke elektroner ikke bevæger sig frit fra en orbital til en anden, hvilket etablerer en binding mellem alle atomer i metalkrystallen.
Denne type kemisk binding kaldes metallisk. En metallisk binding dannes af grundstoffer, hvis atomer på det ydre lag har få valenselektroner ift. et stort antal ydre orbitaler, der er energisk tætte. Deres valenselektroner holdes svagt i atomet. Elektronerne, der udfører kommunikationen, socialiseres og bevæger sig gennem krystalgitteret i det generelt neutrale metal.
Stoffer med metalbinding iboende metalkrystalgitre, som normalt er afbildet skematisk i teak, som vist på figuren; knuderne indeholder kationer og metalatomer. Socialiserede elektroner tiltrækker elektrostatisk metalkationer placeret i krystalgitteret, hvilket sikrer dets stabilitet og styrke (socialiserede elektroner er afbildet som små sorte kugler).
En metallisk binding er en binding i metaller og legeringer mellem metalatomer placeret i krystalgitterknuderne, som udføres af delte valenselektroner.
Nogle metaller krystalliserer i to eller flere krystallinske former. Denne egenskab ved stoffer - at eksistere i flere krystallinske modifikationer - kaldes polymorfi. Polymorfi for simple stoffer er kendt for dig som allotropi.
Tin har to krystallinske modifikationer:
alfa - stabil under 13,2 ºС med en densitet p - 5,74 g/cm3. Dette er gråt tin. Det har krystalgitter Almaav-type (atomkraft):
betta - stabil over 13,2 ºС med en densitet p - 6,55 g/cm3. Dette er hvidt tin.
Hvid tin - meget blødt metal. Når den afkøles til under 13,2 ºС, går den i opløsning gråt pulver, da dens specifikke volumen under overgangen |1 » n øges betydeligt. Dette fænomen kaldes tinpest. Sikkert, særlig slags kemiske bindinger og typen af krystalgitter af metaller skal bestemme og forklare deres fysiske egenskaber.
Hvad er de? Disse er metallisk glans, plasticitet, høj elektrisk og termisk ledningsevne, en stigning i elektrisk modstand med stigende temperatur, såvel som sådan praktisk talt væsentlige egenskaber, såsom tæthed, smelte- og kogepunkter, hårdhed, magnetiske egenskaber.
Lad os prøve at forklare grundene, der bestemmer de grundlæggende fysiske egenskaber af metaller. Hvorfor er metaller formbare?
En mekanisk effekt på en krystal med et metalkrystalgitter forårsager en forskydning af lagene af ion-atomer i forhold til hinanden, da elektroner bevæger sig gennem krystallen, bindingsbrud forekommer ikke, derfor er metaller karakteriseret ved større plasticitet.
Lignende indvirkning på solid med sammenhængende bindinger (atomkrystalgitter) fører til brud kovalente bindinger. Brydning af bindinger i iongitteret fører til gensidig frastødning af ens ladede ioner (fig. 40). Derfor er stoffer med atomære og ioniske krystalgitre skrøbelige.
De mest duktile metaller er Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. De trækkes let ind i tråd, kan smedes, presses eller rulles til plader. For eksempel kan guldfolie med en tykkelse på 0,008 nm fremstilles af guld, og en tråd på 1 km kan trækkes fra 0,5 g af dette metal .
Selv kviksølv er som bekendt flydende ved stuetemperatur, kl lave temperaturer I fast tilstand bliver formbar, ligesom bly. Kun Bi og Mn har ikke plasticitet; de er skøre.
Hvorfor har metaller en karakteristisk glans og er også uigennemsigtige?
Elektroner, der fylder det interatomiske rum, reflekterer lysstråler (i stedet for at transmittere dem som glas), og de fleste metaller i ligeligt sprede alle stråler af den synlige del af spektret. Derfor er de sølvhvide eller grå i farven. Strontium, guld og kobber absorberer korte bølgelængder (tæt på lilla farve) og reflekterer lange bølger af lysspektret, derfor har de henholdsvis lysegule, gule og kobberfarver.
Selvom metal i praksis, du ved, ikke altid virker som en let krop for os. For det første kan dens overflade oxidere og miste sin glans. Derfor fremstår naturligt kobber som en grønlig sten. Og for det andet skinner selv rent metal muligvis ikke. Meget tynde ark af sølv og guld har et helt uventet udseende - de har en blågrøn farve. Og fine metalpulvere fremstår mørkegrå, endda sorte.
Sølv, aluminium og palladium har den største reflektionsevne. De bruges til fremstilling af spejle, herunder spotlights.
Hvorfor har metaller høj elektrisk ledningsevne og leder varme?
Kaotisk bevægende elektroner i et metal under påvirkning af en påført Elektrisk spænding erhverve retningsbestemt bevægelse, det vil sige, at de leder elektrisk strøm. Efterhånden som bladlusens temperatur stiger, stiger vibrationsamplituderne af atomer og ioner placeret ved krystalgitterets noder. Det gør det svært for elektroner at bevæge sig, og metallets elektriske ledningsevne falder. Ved lave temperaturer reduceres den oscillerende bevægelse tværtimod kraftigt, og metallers elektriske ledningsevne øges kraftigt. Nær det absolutte nul har metaller praktisk talt ingen modstand; de fleste metaller udviser superledning.
Det skal bemærkes, at ikke-metaller, der har elektrisk ledningsevne (for eksempel grafit), ved lave temperaturer, tværtimod, ikke leder elektrisk strøm på grund af manglen på frie elektroner. Og først med stigende temperatur og ødelæggelse af nogle kovalente bindinger begynder deres elektriske ledningsevne at stige.
Sølv, kobber samt guld og aluminium har den højeste elektriske ledningsevne; mangan, bly og kviksølv har den laveste.
Oftest ændres den termiske ledningsevne af metaller med samme mønster som elektrisk ledningsevne.
De skyldes den høje mobilitet af frie elektroner, som, der kolliderer med vibrerende ioner og atomer, udveksler energi med dem. Derfor udlignes temperaturen gennem hele metalstykket.
Mekanisk styrke, densitet og smeltepunkt af metaller er meget forskellige. Desuden med en stigning i antallet af enheder. forbinder ion-atomer, og ved at mindske den interatomiske afstand i krystaller øges indikatorerne for disse egenskaber.
Således er alkalimetaller, hvis atomer har en valenselektron, bløde (skåret med en kniv) med lav densitet (lithium er det mest letmetal med p - 0,53 g/cm3) og smeltes ved lave temperaturer (cæsiums smeltepunkt er f.eks. 29 "C). Det eneste metal, der er flydende kl. normale forhold. - kviksølv - har et smeltepunkt på 38,9 "C.
Calcium, som har to elektroner i det ydre energiniveau af sine atomer, er meget hårdere og smelter ved en højere temperatur (842º C).
Endnu mere buet er krystalgitteret dannet af skandiumatomer, som har tre valenselektroner.
Men de mest farverige krystalgitre, høje tætheder og smeltetemperaturer observeres i metaller fra sekundære undergrupper V, VI, VII, MP. Dette forklares med dette. at metaller fra sideundergrupper, der har ikke-gemte valenselektroner på d-subniveau, er karakteriseret ved dannelsen af meget stærke kovalente bindinger mellem atomer, udover den metalliske, udført af elektroner i det ydre lag fra s-orbitalerne.
Husk det mest tung metal- er osmium (en komponent af superhårde og slidbestandige legeringer), mest ildfast metal- dette er wolfram (bruges til at lave glødelamper), mest hårdt metal- dette er krom Cr (ridser glas). De er en del af de materialer, som metalskærende værktøjer, bremseklodser på tunge maskiner osv. fremstilles af.
Metaller adskiller sig ift magnetiske felter. Men ifølge denne funktion er de opdelt i tre grupper:
Ferromagnetisk I stand til at blive magnetiseret under påvirkning af selv svage magnetiske felter (jern - alfaform, kobolt, nikkel, gadolinium);
Paramagnetiske materialer udviser en svag evne til at magnetisere (aluminium, krom, titanium, næsten alle lanthanider);
Diamagnetiske dem tiltrækkes ikke af en magnet, og afvises endda lidt fra den (tin, strandet, vismut).
Lad os huske på, at når vi overvejede den elektroniske struktur af metaller, opdelte vi metaller i metaller fra hovedundergrupperne (k- og p-elementer) og metaller fra sekundære undergrupper.
I teknologi er det sædvanligt at klassificere metaller efter forskellige fysiske egenskaber:
a) tæthed - lys (s< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);
b) smeltepunkt - lavtsmeltende og ildfast.
Klassificering af metaller efter kemiske egenskaber
Metaller med lav kemisk aktivitet kaldes ædel (sølv, guld, platin og dets analoger - osmium, iridium, ruthenium, palladium, rhodium).
Baseret på ligheden mellem kemiske egenskaber skelnes alkaliske metaller (gruppe I-metaller). hovedundergruppe), jordalkalimetaller (calcium, strontium, barium, radium) samt sjældne jordarters metaller (scandium, yttrium, lanthan og lanthanider, actinium og actinider).
Almindelige kemiske egenskaber af metaller
Metalatomer opgiver relativt let valenselektroner og bliver positivt ladede nononer, det vil sige, at de oxideres. Dette er som bekendt hovedsagen almen ejendom både atomer og simple stoffer - metaller.
Metaller er altid reduktionsmidler i kemiske reaktioner. Den reducerende evne af atomer af simple stoffer - metaller dannet af kemiske elementer fra en periode eller en hovedundergruppe af D. I. Mendeleevs periodiske system ændrer sig naturligt.
Reduktionsaktiviteten af et metal i kemiske reaktioner, der forekommer i vandige opløsninger, afspejles af dets position i den elektrokemiske spændingsrække af metaller.
1. Jo længere til venstre metallet er i denne række, jo kraftigere et reduktionsmiddel er det.
2. Hvert metal er i stand til at fortrænge (reducere) og salte i opløsning de metaller, der er placeret efter det (til højre) i rækken af spændinger.
3. Metaller placeret i spændingsrækken til venstre for brint er i stand til at fortrænge det fra syrer i opløsning.
4. Metaller, der er mest stærke reduktionsmidler(alkalisk og jordalkali), i alle vandige opløsninger interagerer de primært med vand.
Et metals reduktionsaktivitet, bestemt af den elektrokemiske serie, svarer ikke altid til dets position i det periodiske system. Dette forklares med dette. At når man bestemmer et metals position i en række spændinger, tages der ikke kun hensyn til energien fra elektronabstraktion fra individuelle atomer, men også den energi, der bruges på ødelæggelsen af krystalgitteret, samt den energi, der frigives under hydrering af ioner.
For eksempel er lithium mere aktivt i vandige opløsninger end natrium (selvom Na er et mere aktivt metal ifølge dets position i det periodiske system). Faktum er, at hydreringsenergien af Li+ ioner er meget større end hydreringsenergien af Na+ ioner. derfor er den første proces energimæssigt mere gunstig.
Efter at have overvejet generelle bestemmelser at karakterisere de reducerende egenskaber af metaller, lad os gå videre til specifikke kemiske reaktioner.
Interaktion med simple ikke-metalstoffer
1. Med oxygen danner de fleste metaller oxider - basiske og amfotere. Sure oxider af overgangsmetaller, såsom chromoxid eller manganoxid, dannes ikke ved direkte oxidation af metallet med oxygen. De opnås indirekte.
Alkalimetaller Na og K reagerer aktivt med atmosfærisk oxygen og danner peroxider.
Natriumoxid opnås indirekte ved at kalcinere peroxider med de tilsvarende metaller:
Lithium og jordalkalimetaller interagerer med atmosfærisk ilt og danner basiske oxider.
Andre metaller, undtagen guld- og platinmetaller, som slet ikke oxideres af luftilt, interagerer med det mindre aktivt eller ved opvarmning.
2. Metaller danner salte af halogenbrintesyrer med halogener.
3. Med brint danner de mest aktive metaller hydrider - ioniske salte, hvor brint har en oxidationstilstand på -1, for eksempel:
calciumhydrid.
Mange overgangsmetaller danner hydrider af en særlig type med brint - det er som om brint opløses eller indføres i krystalgitteret af metaller mellem atomer og ioner, mens metallet bevarer sin udseende, men stiger i volumen. Det absorberede brint er i metallet, tilsyneladende i atomform. Der er også mellemliggende metalhydrider.
4. Metaller danner salte med svovl - sulfider.
5. Metaller reagerer noget vanskeligere med nitrogen, da kemisk binding i et nitrogenmolekyle er G^r meget stærk, og der dannes nitrider. Ved almindelige temperaturer reagerer kun lithium med nitrogen.
Interaktion med komplekse stoffer
1. Med vand. Under normale forhold fortrænger alkali- og jordalkalimetaller hydrogen fra vand og danner opløselige alkalibaser.
Andre metaller, der er i spændingsrækken før brint, kan også under visse forhold fortrænge brint fra vand. Men aluminium reagerer kun voldsomt med vand, hvis oxidfilmen fjernes fra overfladen.
Magnesium reagerer kun med vand, når det koges, hvilket også frigiver brint. Hvis der tilsættes brændende magnesium til vand, fortsætter forbrændingen, mens der sker en reaktion: brint brænder. Jern interagerer kun med vand, når det er varmt.
2. Metaller i spændingsrækken op til brint interagerer med syrer i opløsning. Dette producerer salt og brint. Men bly (og nogle andre metaller) er trods sin placering i spændingsrækken (til venstre for brint) næsten uopløseligt i fortyndet svovlsyre, da det resulterende blysulfat PbSO er uopløseligt og danner en beskyttende film på metaloverfladen.
3. Med salte af mindre aktive metaller i opløsning. Som et resultat af denne reaktion dannes et salt af et mere aktivt metal, og et mindre aktivt metal frigives i fri form.
Det skal huskes, at reaktionen sker i tilfælde, hvor det resulterende salt er opløseligt. Forskydningen af metaller fra deres forbindelser med andre metaller blev først undersøgt i detaljer af N. N. Beketov, en fremtrædende russisk fysisk kemiker. Han arrangerede metaller efter deres kemiske aktivitet i en "overlegen serie", som blev prototypen på en række metalspændinger.
4. C organiske stoffer. Interaktion organiske syrer ligner reaktioner med mineralske syrer. Alkoholer kan udvise svage syreegenskaber når de interagerer med alkalimetaller.
Metaller deltager i reaktioner med haloalkaner, som bruges til at opnå lavere cycloalkaner og til synteser, hvorunder molekylets kulstofskelet bliver mere komplekst (A. Wurtz-reaktion):
5. Metaller, hvis hydroxider er amfotere, interagerer med alkalier i opløsning.
6. Der kan dannes metaller kemiske forbindelser med hinanden, der modtog almindeligt navn- intermetalliske forbindelser. De udviser oftest ikke oxidationstilstande af atomer, som er karakteristiske for forbindelser af metaller med ikke-metaller.
Intermetalliske forbindelser har normalt ikke en konstant sammensætning; den kemiske binding i dem er hovedsageligt metallisk. Dannelsen af disse forbindelser er mere typisk for metaller fra sekundære undergrupper.
Metaloxider og -hydroxider
Oxider dannet af typiske metaller er klassificeret som saltdannende, grundlæggende i karakter af deres egenskaber. Som du ved, svarer de til hydroxider. er baser, som for alkali- og jordalkalimetaller er opløselige i vand, er stærke elektrolytter og kaldes alkalier.
Oxider og hydroxider af nogle metaller er amfotere, det vil sige, at de kan udvise både basiske og sure egenskaber afhængigt af de stoffer, de interagerer med.
For eksempel:
Mange metaller fra sekundære undergrupper, som har en variabel oxidationstilstand i deres forbindelser, kan danne flere oxider og hydroxider, hvis natur afhænger af metallets oxidationstilstand.
For eksempel udviser chrom i forbindelser tre oxidationstilstande: +2, +3, +6, derfor danner det tre serier af oxider og hydroxider, og med stigende oxidationsgrad bliver den sure karakter stærkere og den basiske svækkes.
Metalkorrosion
Når metaller interagerer med stoffer miljø På deres overflader dannes forbindelser, der har helt andre egenskaber end metallerne selv. I almindelige årer bruger vi ofte ordene "rust", "korrosion", idet vi ser en brunlig-rød belægning på produkter fremstillet af jern og dets legeringer. Rust er et almindeligt tilfælde af korrosion.
Korrosion er en proces med selvforskyldt ødelæggelse af metaller og ødelæggelse af det ydre miljø (fra lat. - korrosion).
Men næsten alle metaller er udsat for ødelæggelse, og som et resultat forringes mange af deres egenskaber (eller går helt tabt): styrke, duktilitet, glans falder, elektrisk ledningsevne falder, friktion mellem bevægelige dele af maskiner øges også, dimensionerne af deleskift osv.
Korrosion af metaller kan være kontinuerlig eller lokal.
Nerve er ikke så farlig som den anden; dens manifestationer kan tages i betragtning, når man designer strukturer og enheder. Lokal korrosion er meget farligere, selvom metaltab her kan være små. En af dens farligste typer er spot one. De består i dannelsen af gennemgående læsioner, det vil sige præcise hulrum - fordybninger, mens styrken af individuelle sektioner falder, pålideligheden af strukturer, enheder og strukturer falder.
Metalkorrosion forårsager stor økonomisk skade. Menneskeheden lider store materielle tab på grund af ødelæggelsen af rørledninger, maskindele, skibe, broer og forskelligt udstyr.
Korrosion fører til et fald i pålideligheden af metalstrukturer. Under hensyntagen til mulig ødelæggelse er det nødvendigt at overvurdere styrken af nogle produkter (for eksempel flydele, turbineblade) og derfor øge metalforbruget, hvilket kræver yderligere økonomiske omkostninger .
Korrosion fører til produktionsstop på grund af udskiftning af fejlbehæftet udstyr og til tab af råmaterialer og produkter som følge af ødelæggelse af halo-, olie- og vandrørledninger. Det er umuligt ikke at tage hensyn til de skader på naturen, og dermed på menneskers sundhed, forårsaget som følge af lækage af olieprodukter og andre kemiske stoffer. Korrosion kan føre til forurening af produkter og følgelig til en forringelse af deres kvalitet. Omkostningerne til at kompensere for tab forbundet med korrosion er enorme. De tegner sig for omkring 30 % af verdens årlige metalproduktion.
Af alt det, der er blevet sagt, følger det, at et meget vigtigt problem er at finde måder at beskytte metaller og legeringer mod korrosion.
De er meget forskellige. Men for at vælge dem skal du kende og tage hensyn kemisk essens korrosionsprocesser.
Men kemisk natur korrosion er en redoxproces. Afhængigt af miljøet, hvor det forekommer, skelnes der flere typer af korrosion.
De mest almindelige typer af korrosion er kemiske og elektrokemiske.
I. Kemisk korrosion forekommer i et ikke-ledende miljø. Denne type korrosion opstår, når metaller interagerer med tørre gasser eller væsker - ikke-elektrolytter (benzin, petroleum osv.) Dele og komponenter til motorer, gasturbiner og raketkastere er genstand for en sådan ødelæggelse. Kemisk korrosion observeres ofte under metalbearbejdning ved høje temperaturer.
De fleste metaller oxideres af atmosfærisk oxygen og danner oxidfilm på overfladen. Hvis denne film er stærk, tæt og godt bundet til metallet, så beskytter den metallet mod yderligere ødelæggelse. I jern er det løst, porøst, let adskilles fra overfladen og er derfor ikke i stand til at beskytte metallet mod yderligere ødelæggelse.
II. Elektrokemisk korrosion forekommer i et ledende medium (i en elektrolyt) med udseendet af en elektrisk strøm inde i systemet. Som regel er metaller og legeringer heterogene og indeholder indeslutninger af forskellige urenheder. Når de kommer i kontakt med elektrolytter, begynder nogle områder af overfladen at fungere som en anode (donere elektroner), mens andre fungerer som en katode (modtager elektroner).
I et tilfælde vil gasudvikling (NG) blive observeret. I den anden - dannelsen af rust.
Så elektrokemisk korrosion er en reaktion, der opstår i miljøer, der leder strøm (i modsætning til kemisk korrosion). Processen opstår, når to metaller kommer i kontakt eller på overfladen af et metal, der indeholder indeslutninger, der er mindre aktive ledere (det kan også være et ikke-metal).
Ved anoden (et mere aktivt metal) sker oxidation af metalatomer med dannelse af kationer (opløsning).
Ved katoden (en mindre aktiv leder) reduceres hydrogenioner eller oxygenmolekyler til dannelse af henholdsvis H2- eller OH-hydroxidioner.
Brintkationer og opløst oxygen er de vigtigste oxidationsmidler, der forårsager elektrokemisk korrosion.
Korrosionshastigheden er større, jo mere forskellige metallerne (metal og urenheder) er i deres aktivitet (for metaller, jo længere fra hinanden er de placeret i spændingsrækken). Korrosion øges markant med stigende temperatur.
Havvand kan tjene som en elektrolyt. flodvand, kondenseret fugt og selvfølgelig velkendte elektrolytter - opløsninger af salte, syrer, alkalier.
Du husker tydeligvis, at om vinteren bruges industrisalt (natriumchlorid, nogle gange calciumchlorid osv.) til at fjerne sne og is fra fortove.De resulterende løsninger strømmer ind i kloakrørledninger og skaber derved et gunstigt miljø for elektrokemisk korrosion af underjordisk kommunikation.
Metoder til beskyttelse mod korrosion
Allerede ved design af metalkonstruktioner og deres fremstilling er der tilvejebragt foranstaltninger til beskyttelse mod korrosion.
1. Slibning af produktets overflader, så der ikke forbliver fugt på dem.
2. Anvendelse af legerede legeringer indeholdende specielle additiver: krom, nikkel, som ved høje temperaturer danner et stabilt oxidlag på metaloverfladen. Legeret stål er velkendt - rustfrit stål, hvoraf husholdningsartikler (sakse, gafler, skeer), maskindele og værktøj fremstilles.
3. Påføring af beskyttende belægninger.
Lad os overveje deres typer.
Ikke-metalliske - ikke-oxiderende olier, specielle lakker, maling. Sandt nok er de kortvarige, men de er billige.
Kemisk - kunstigt skabte overfladefilm: oxid, citrat, silicid, polymer osv. For eksempel alle håndvåben Delene i mange præcisionsinstrumenter udsættes for blåning - dette er processen med at opnå den tyndeste film af jernoxider på overfladen af et stålprodukt. Den resulterende kunstige oxidfilm er meget holdbar og giver produktet en smuk sort farve og blå nuance. Polymerbelægninger er lavet af polyethylen, polyvinylchlorid og polyamidharpikser. De påføres på to måder: det opvarmede produkt placeres i polymerpulver, som smelter og svejses til metallet, eller metaloverfladen behandles med en opløsning af polymeren i et lavtemperaturopløsningsmiddel, som hurtigt fordamper, og polymeren film forbliver på produktet.
Metalliske belægninger er belægninger med andre metaller, på hvis overflade der dannes stabile beskyttelsesfilm under påvirkning af oxidationsmidler.
Påføring af krom på overfladen - forkromning, nikkel - fornikling, zink - galvanisering, tin - fortinning osv. Belægningen kan også være passiv i kemisk metal - guld, sølv, kobber.
4. Elektrokemiske metoder beskyttelse.
Beskyttende (anodisk) - et stykke af et mere aktivt metal (beskytter) er fastgjort til den beskyttede metalstruktur, der tjener som en anode og ødelægges i nærvær af en elektrolyt. Magnesium, aluminium og zink bruges som beskyttere til at beskytte skibsskrog, rørledninger, kabler og andre stilfulde produkter;
Katode - metalstrukturen er forbundet med katoden på en ekstern strømkilde, hvilket eliminerer muligheden for dens anodisk ødelæggelse
5. Særlig behandling af elektrolytten eller det miljø, hvori den beskyttede metalstruktur er placeret.
Det er kendt, at Damaskus håndværkere til at fjerne skala og
For at bekæmpe rust brugte de opløsninger af svovlsyre med tilsætning af ølgær, mel og stivelse. Disse bringer og var en af de første hæmmere. De tillod ikke syren at virke på våbenmetallet; som et resultat opløstes kun kalk og rust. Til disse formål brugte Ural våbensmede bejdse supper - opløsninger af svovlsyre med tilsætning af mel klid.
Eksempler på brugen af moderne inhibitorer: saltsyre under transport og opbevaring er perfekt "tæmmet" af butylaminderivater. og svovlsyre - salpetersyre; flygtig diethylamin sprøjtes ind i forskellige containere. Bemærk, at inhibitorer kun virker på metallet, hvilket gør det passivt i forhold til miljøet, for eksempel til en syreopløsning. Videnskaben kender mere end 5 tusinde korrosionshæmmere.
Fjernelse af ilt opløst i vand (afluftning). Denne proces bruges til fremstilling af vand, der kommer ind i kedelanlæg.
Metoder til fremstilling af metaller
Væsentlig kemisk aktivitet metaller (interaktion med atmosfærisk ilt, andre ikke-metaller, vand, saltopløsninger, syrer) fører til, at de i jordskorpen hovedsageligt findes i form af forbindelser: oxider, sulfider, sulfater, chlorider, carbonater osv.
Metaller placeret i spændingsrækken til højre for brint findes i fri form, selvom der langt oftere kan findes kobber og kviksølv i naturen i form af forbindelser.
Mineraler og sten, der indeholder metaller og deres forbindelser, hvorfra isolering af rene metaller er teknisk mulig og økonomisk gennemførlig, kaldes malme.
At opnå metaller fra malme er metallurgiens opgave.
Metallurgi er også videnskaben om industrielle metoder til at opnå metaller fra malme. og industrisektoren.
Enhver metallurgisk proces er en proces til reduktion af metalioner ved hjælp af forskellige reduktionsmidler.
For at implementere denne proces er det nødvendigt at tage højde for metallets aktivitet, vælge et reduktionsmiddel, overveje teknologisk gennemførlighed, økonomisk og miljømæssige faktorer. I overensstemmelse med dette er der følgende metoder til at opnå metaller: pyrometallurgisk. hydrometallurgisk, elektrometallurgisk.
Pyrometallurgi er reduktion af metaller fra malme ved høje temperaturer ved hjælp af kulstof, kuloxid (II). brint, metaller - aluminium, magnesium.
For eksempel genvindes tin fra cassiterit og kobber fra cuprit ved kalcinering med kul (koks). Sulfidmalme ristes først i nærværelse af luft, og derefter reduceres det resulterende oxid med kul. Metaller isoleres også fra karbonatmalme ved at pumpe dem med kul, da karbonater nedbrydes ved opvarmning og bliver til oxider, og sidstnævnte reduceres med kul.
Hydrometallurgi er reduktion af metaller med deres salte i opløsning. Processen foregår i 2 faser:
1) en naturlig forbindelse opløses i et passende reagens for at opnå en opløsning af metalsaltet;
2) fra den resulterende opløsning dette metal erstattet af en mere aktiv eller genoprettet ved elektrolyse. For at opnå kobber fra malm indeholdende kobberoxid CuO behandles det for eksempel med fortyndet svovldioxid.
Derefter fjernes kobber fra saltopløsningen enten ved elektrolyse eller ved at erstatte sulfatet med jern. På denne måde opnås sølv, zink, molybdæn, guld og uran.
Elektrometallurgi er reduktion af metaller i processen med elektrolyse af opløsninger eller smelter af deres forbindelser.
Elektrolyse
Hvis elektroder sænkes ned i en opløsning eller smelte af en elektrolyt, og en konstant elektrisk strøm ledes, vil ionerne bevæge sig retningsbestemt: kationer - mod katoden (negativt ladet elektrode), anioner - mod anoden (positivt ladet elektrode).
Ved katoden accepterer kationer elektroner og reduceres; ved anoden afgiver anioner elektroner og oxideres. Denne proces kaldes elektrolyse.
Elektrolyse er en redoxproces, der opstår på en elektrisk overflade, når en elektrisk strøm passerer gennem en væske- eller elektrolytopløsning.
Det enkleste eksempel på sådanne processer er elektrolyse af smeltede salte. Lad os overveje processen med elektrolyse af smeltet natriumchlorid. Smelten gennemgår en proces med termisk dissociation. Under påvirkning af en elektrisk strøm bevæger kationer sig til katoden og accepterer elektroner fra den.
Natriummetal dannes ved katoden, og klorgas dannes ved anoden.
Det vigtigste du skal huske: under elektrolyseprocessen pga elektrisk energi udført kemisk reaktion, som ikke kan gå spontant.
Situationen er mere kompliceret i tilfælde af elektrolyse af elektrolytopløsninger.
I en saltopløsning, foruden metalioner og syrerest, er vandmolekyler til stede. Derfor, når man overvejer processer på elektroder, er det nødvendigt at tage hensyn til deres deltagelse i elektrolyse.
For at bestemme produkterne fra elektrolyse af vandige opløsninger af elektrolytter findes følgende regler.
1. Processen ved katoden afhænger ikke af materialet i katoden, hvorpå den er lavet, men af metallets (elektrolytkation) position i den elektrokemiske spændingsserie, og hvis:
1.1. Elektrolytkationen er placeret i spændingsrækken i begyndelsen af serien (langs Al inklusive), derefter ved katoden sker processen med vandreduktion (brint frigives). Metalkationer reduceres ikke, de forbliver i opløsning.
1.2. Elektrolytkationen er i spændingsområdet mellem aluminium og brint, så ved katoden reduceres både metal- og vandmolekyler samtidigt.
1.3. Elektrolytkationen er i spændingsrækken efter brint, derefter reduceres metalkationer ved katoden.
1.4. Opløsningen indeholder kationer af forskellige metaller, hvorefter kationen af et metal, der står i spændingsserien, reduceres
Disse regler er afspejlet i diagram 10.
2. Processen ved anoden afhænger af anodematerialet og arten af annonen (skema 11).
2.1. Hvis anoden opløses (jern, zink, kobber, sølv og alle metaller, der oxideres under elektrolyse), så oxideres anodens metal, på trods af anionens natur. 2.2. Hvis anoden ikke opløses (det kaldes inert - grafit, guld, platin), så:
a) under elektrolyse af saltopløsninger iltfrie syrer(om mig fluorider) anionoxidationsprocessen sker ved anoden;
b) under elektrolysen af opløsninger af oxygenholdige salte og fluorider sker processen med vandoxidation ved anoden. Anioner oxiderer ikke, de forbliver i opløsning;
Elektrolyse af smelter og opløsninger af stoffer er meget udbredt i industrien:
1. For at opnå metaller (aluminium, magnesium, natrium, cadmium opnås kun ved elektrolyse).
2. At fremstille brint, halogener, alkalier.
3. Til rensning af metaller - raffinering (rensning af kobber, nikkel, bly udføres ved hjælp af den elektrokemiske metode).
4. For at beskytte metaller mod korrosion - påføring af beskyttende belægninger i form af et tyndt lag af et andet metal, der er modstandsdygtigt over for korrosion (krom, nikkel, kobber, sølv, guld) - galvanisering.
5. Indhentning af metalkopier og -plader - galvanisering.
Praktisk opgave
1. Hvordan er strukturen af metaller relateret til deres placering i hoved- og sekundære undergrupper af D. I. Mendeleevs periodiske system over kemiske grundstoffer?
2. Hvorfor har alkali- og jordalkalimetaller en enkelt oxidationstilstand i forbindelser: henholdsvis (+1) og (+2), og metaller fra sideundergrupper optræder som regel i forbindelser forskellige grader oxidation?
3. Hvilke oxidationstilstande kan mangan udvise? Hvilke oxider af kulbrinter svarer til mangan i disse oxidationstilstande? Hvad er deres karakter?
4. Sammenlign den elektroniske struktur af grundstoffers atomer VII gruppe: mangan og klor. Forklar forskellen i deres kemiske egenskaber og tilstedeværelsen af forskellige grader af oxidation af atomer i begge grundstoffer.
5. Hvorfor svarer positionen af metaller i den elektrokemiske spændingsrække ikke altid til deres position i D.I. Mendeleevs periodiske system?
9. Nedskriv ligninger for reaktionerne af natrium og magnesium med eddikesyre. I hvilket tilfælde og hvorfor vil reaktionshastigheden være større?
11. Hvilke metoder til at opnå metaller kender du? Hvad er essensen af alle metoder?
14. Hvad er korrosion? Hvilke typer korrosion kender du? Hvilken af dem repræsenterer en fysisk-kemisk proces?
15. Kan følgende processer betragtes som korrosion: a) oxidation af jern ved elektrisk svejsning, b) interaktion af zink med saltsyre ved fremstilling af bejdset syre til lodning? Giv et begrundet svar.
17. Et manganprodukt er i vand og i kontakt med et kobberprodukt. Vil de begge forblive uændrede?
18. Vil en jernstruktur være beskyttet mod elektrokemisk korrosion i vand, hvis en plade af et andet metal placeres på den: a) magnesium, b) bly, c) nikkel?
19. Til hvilket formål er overfladen af tanke til opbevaring af petroleumsprodukter (benzin, petroleum) malet med sølv - en blanding af aluminiumspulver med en af de vegetabilske olier?
20. På overfladen af havehavens forsurede jord er der jernrør med indsatte messinghaner. Hvad vil blive udsat for korrosion: rør og vandhane? Hvor er ødelæggelsen mest udtalt?
21. Hvordan adskiller elektrolyse af smelter sig fra elektrolyse af vandige opløsninger?
22*. Hvilke metaller kan opnås ved elektrolyse af smeltede salte og kan ikke opnås ved elektrolyse af vandige opløsninger af disse stoffer?
23*. Skriv ligningerne for elektrolyse af bariumchlorid i: a) smelte, b) opløsning
28. 1-4 g jernspåner blev tilsat til en opløsning indeholdende 27 g kobber(II)chlorid. Hvilken masse af kobber blev frigivet som et resultat af denne reaktion?
Svar: 12,8 g.
29. Hvilken masse zinksulfat kan opnås ved at reagere overskydende zink med 500 ml af en 20% opløsning af svovlsyre med en densitet på 1,14 g/ml?
Svar: 187,3 g.
31. Når 8 g af en blanding af magnesium og magnesiumoxid blev behandlet med saltsyre, blev 5,6 liter hydrogen (n, y.) frigivet. Hvad er massefraktionen (i %) af JUNI i den oprindelige blanding?
Svar: 75%.
34. Bestem massefraktionen (i procent) af kulstof i stål (en legering af jern og kulstof), hvis der ved afbrænding af en prøve deraf, der vejer 10 g i en strøm af oxygen, 0,28 l kulstof(IV)oxid (n.s.) blev indsamlet.
Svar: 1,5 %.
35. En natriumprøve, der vejede 0,5 g, blev anbragt i vand. Hverken neutralisering af den resulterende opløsning forbrugte 29,2 g af 1,5 % af saltsyre. Hvad er massefraktionen (procentdelen) af natrium i prøven?
Svar: 55,2%.
36. En legering af kobber og aluminium blev behandlet med et overskud af natriumhydroxidopløsning, og en gas med et volumen på 1.344 l (n.s.) blev frigivet.Remanensen efter reaktionen blev opløst i salpetersyre, derefter blev opløsningen inddampet og brændt til konstant masse, som viste sig at være lig med 0,4 g. Hvad er sammensætningen af legeringen? Svar: 1,08 g Al 0,32 g Cu eller 77,14 % Al 22,86 % Cu.
37. Hvilken masse af støbejern indeholdende 94% jern kan opnås fra 1 ton rød jernmalm (Fe2O3) indeholdende 20% urenheder?
Svar: 595,74 kg.
Metaller i naturen
Hvis du omhyggeligt studerede kemi i tidligere klasser, ved du, at det periodiske system indeholder mere end halvfems typer metaller, og cirka tres af dem kan findes i det naturlige miljø.
Naturligt forekommende metaller kan groft opdeles i følgende grupper:
Metaller, der kan findes i naturen i fri form;
metaller forekommende i form af forbindelser;
metaller, der kan findes i blandet form, det vil sige, de kan enten være i fri form eller i form af forbindelser.
I modsætning til andre kemiske grundstoffer findes metaller ret ofte i naturen i form af simple stoffer. De har normalt en indfødt stat. Sådanne metaller, som præsenteres i form af simple stoffer, omfatter guld, sølv, kobber, platin, kviksølv og andre.
Men ikke alle metaller, der findes i det naturlige miljø, er til stede i den oprindelige stat. Nogle metaller kan findes i form af forbindelser og kaldes mineraler.
Derudover kan kemiske grundstoffer som sølv, kviksølv og kobber findes både i den oprindelige tilstand og i forbindelsernes tilstand.
Alle de mineraler, hvorfra metaller senere kan fås, kaldes malme. I naturen er der malme, der indeholder jern. Denne forbindelse kaldes jernmalm. Og hvis sammensætningen indeholder kobber, kaldes en sådan forbindelse kobbermalm.
Naturligvis er de mest almindelige metaller i naturen dem, der aktivt interagerer med ilt og svovl. De kaldes normalt metaloxider og sulfider.
Et almindeligt element, der danner et metal, er aluminium. Aluminium findes i ler og findes også i ædelstene som safir og rubin.
Det næstmest populære og udbredte metal er jern. Den findes normalt i naturen i form af forbindelser, og i sin oprindelige form kan den kun findes som en del af meteoritsten.
De næstmest almindelige metaller i det naturlige miljø, eller rettere sagt i jordskorpen, er magnesium, calcium, natrium og kalium.
Når du holder mønter i hånden, har du sikkert bemærket, at der kommer en karakteristisk lugt fra dem. Men det viser sig, at dette ikke er lugten af metal, men lugten, der kommer fra forbindelser, der dannes, når metal kommer i kontakt med menneskelig sved.
Vidste du, at Schweiz producerer guldbarrer i form af en chokoladebar, som kan brækkes i skiver og bruges som gave eller betalingsmiddel? Virksomheden producerer sådanne chokoladebarer af guld, sølv, platin og palladium. Hvis en sådan flise er brudt i skiver, vejer hver af dem kun et gram.
Og også ganske interessant ejendom besidder en metallegering såsom nitinol. Det er unikt ved, at det har en memory-effekt, og når det opvarmes, er et deformeret produkt fremstillet af denne legering i stand til at vende tilbage til sin oprindelige form. Sådanne unikke materialer med såkaldt hukommelse bruges til at lave bøsninger. De har den egenskab, at de krymper ved lave temperaturer, og ved stuetemperatur retter disse bøsninger sig ud, og denne forbindelse er endnu mere pålidelig end svejsning. Og dette fænomen opstår på grund af det faktum, at disse legeringer har en termoelastisk struktur.
Har du nogensinde undret dig over, hvorfor det er sædvanligt at tilføje en legering af sølv eller kobber til guldsmykker? Det viser sig, at det skyldes, at rent guld er meget blødt og nemt kan ridses selv med en negl.