Металеві хімічні властивості. Хімічні властивості металів із прикладами

Відновлювальні властивості- це основні хімічні характеристики, характерні всім металів. Вони проявляються у взаємодії з найрізноманітнішими окислювачами, у тому числі з окислювачами з навколишнього середовища. У загальному виглядівзаємодію металу з окислювачами можна виразити схемою:

Ме + Окислювач" Me(+Х),

Де (+Х) – це позитивний ступінь окислення Ме.

Приклади окиснення металів.

Fe + O 2 → Fe(+3) 4Fe + 3O 2 = 2 Fe 2 O 3

Ti + I 2 → Ti(+4) Ti + 2I 2 = TiI 4

Zn + H + → Zn(+2) Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2

Ряд активності металів

Відновлювальні властивості металів відрізняються одна від одної. Як кількісної характеристики відновлювальних властивостей металів використовують електродні потенціали Е.

Чим активніший метал, тим негативніший його стандартний електродний потенціал Е о.

Метали, розташовані в ряд у міру зменшення окислювальної активності, утворюють ряд активності.

Ряд активності металів

H 2

Me z+

Li +

K +

Ca 2+

Na +

Mg 2+

Al 3+

Mn 2+

Zn 2+

Cr 3+

Fe 2+

Ni 2+

Sn 2+

Pb 2+

H+

Cu 2+

Ag +

Au 3+

E o ,B

-3,0

-2,9

-2,87

-2,71

-2,36

-1,66

-1,18

-0,76

-0,74

-0,44

-0,25

-0,14

-0,13

+0,34

+0,80

+1,50

Метал, з більш негативним значеннямЕо здатний відновити катіон металу з більш позитивним електродним потенціалом.

Відновлення металу з розчину його солі з іншим металом з вищою відновлювальною активністю називається цементацією. Цементацію використовують у металургійних технологіях.

Зокрема, Cd одержують, відновлюючи його з розчину його солі цинком.

Zn + Cd 2+ = Cd + Zn 2+

3.3. 1. Взаємодія металів із киснем

Кисень – це сильний окислювач. Він може окислити переважну більшість металів, крімAuіPt . Метали, що знаходяться на повітрі, контактують з киснем, тому при вивченні хімії металів завжди звертають увагу на особливості взаємодії металу з киснем.

Всім відомо, що залізо у вологому повітрі покривається іржею - гідратованим оксидом заліза. Але багато металів у компактному стані при не надто високій температурі виявляють стійкість до окислення, тому що утворюють на своїй поверхні тонкі захисні плівки. Ці плівки з продуктів окислення неможливо окислювачу контактувати з металом. Явище утворення на поверхні металу захисних шарів, що перешкоджають окисненню металу, називається - пасивацією металу.

Підвищення температури сприяє окисленню металів киснем.. Активність металів підвищується у дрібнороздробленому стані. Більшість металів у вигляді порошку згоряють у кисні.

s-метали

Найбільшу відновлювальну активність виявляютьs-метали.Метали Na, K, Rb Cs здатні спалахувати на повітрі, і їх зберігають у запаяних судинах або під шаром гасу. Be та Mg у не високих температурахна повітрі пасивуються. Але при підпалюванні стрічка з Mg згоряє зі сліпучим полум'ям.

МеталиIIА-підгрупи та Li при взаємодії з киснем утворюють оксиди.

2Ca + O 2 = 2CaO

4 Li + O 2 = 2Li 2 O

Лужні метали, крімLiПри взаємодії з киснем утворюють не оксиди, а пероксиди.Me 2 O 2 та надпероксидиMeO 2 .

2Na + O 2 = Na 2 O 2

K + O 2 = KO 2

р-метали

Метали, що належатьp-Блок на повітрі пасивуються.

При горінні у кисні

метали ІІІА-підгрупи утворюють оксиди типу Ме 2 Про 3,
Sn окислюється до SnO 2 , а Pb - до PbO
Bi переходить у Bi 2 O 3.

d-метали

Усіd-метали 4 періоди окислюються киснем. Найлегше окислюються Sc, Mn, Fe. Особливо стійкі до корозії Ti, V, Cr.

При згорянні у кисні з усіхd

При згорянні у кисні з усіхd-Елементів 4 періоду тільки скандій, титан і ванадій утворюють оксиди, в яких Ме знаходиться у вищому ступені окислення, що дорівнює № групи.Інші d-метали 4 періоду при згорянні в кисні утворюють оксиди, в яких Ме знаходиться в проміжних, але стійких ступенях окиснення.

Типи оксидів, що утворюються d-металами 4 періоду при горінні в кисні:

МеОутворюють Zn, Cu, Ni, Co. (при Т>1000оС Cu утворює Cu 2 O),
Ме 2 Про 3, утворюють Cr, Fe та Sc,
МеО 2 - Mn, і Ti,
V утворює вищий оксид - V 2 O 5 .

d-метали 5 та 6 періодів, крім Y, La, Найбільше інших металів стійкі до окислення. Не реагують із киснем Au, Pt .

При згорянні у кисніd-металів 5 і 6 періодів, як правило, утворюють вищі оксиди, виняток становлять метали Ag, Pd, Rh, Ru.

Типи оксидів, що утворюються d-металами 5 і 6 періодів при горінні в кисні:

Ме 2 Про 3- утворюють Y, La; Rh;
МеО 2- Zr, Hf; Ir:
Me 2 O 5- Nb, Ta;
MeO 3- Mo, W
Me 2 O 7- Tc, Re
МеО 4 - Os
MeO- Cd, Hg, Pd;
Me 2 O- Ag;

Взаємодія металів із кислотами

У розчинах кислот катіон водню є окислювачем. Катіоном Н + можуть бути окислені метали, що стоять у ряду активності до водню, тобто. мають негативні електродні потенціали.

Багато металів, окислюючись, у кислих водних розчинах багато хто переходить у катіониMe z + .

Аніони низки кислот здатні виявляти окислювальні властивості, сильніші, ніж Н + . До таких окислювачів відносяться аніони та найпоширеніших кислот. H 2 SO 4 іHNO 3 .

Аніони NO 3 - виявляють окислювальні властивості при будь-якій їх концентрації в розчині, але продукти відновлення залежать від концентрації кислоти та природи металу, що окислюється.

Аніони SO 4 2- проявляють окислювальні властивості лише концентрованої H 2 SO 4 .

Продукти відновлення окислювачів: H + , NO 3 - , SO 4 2 -

2Н + + 2е - =Н 2

SO 4 2- з концентрованої H 2 SO 4 SO 4 2- + 2e - + 4 H + = SO 2 + 2 H 2 O

(можлива також освіта S, H 2 S)

NO 3 - з концентрованої HNO 3 NO 3 - + e - + 2H + = NO 2 + H 2 O
NO 3 - з розведеної HNO 3 NO 3 - + 3e - + 4H + =NO + 2H 2 O

(можлива також освіта N 2 O, N 2 , NH 4 +)

Приклади реакцій взаємодії металів із кислотами

Zn + H 2 SO 4 (розб.) " ZnSO 4 + H 2

8Al + 15H 2 SO 4 (к.) " 4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12H 2 O

3Ni + 8HNO 3 (розб.) "3Ni(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O

Cu + 4HNO 3 (к.) Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Продукти окислення металів у кислих розчинах

Лужні метали утворюють катіон типу Ме + , s-метали другої групи утворюють катіони.Ме 2+.

Метали р-блоку при розчиненні кислотах утворюють катіони, зазначені в таблиці.

Метали Pb та Bi розчиняють тільки в азотній кислоті.

Me	Al	Ga	In	Tl	Sn	Pb	Bi
Mez+	Al 3+	Ga 3+	In 3+	Tl +	Sn 2+	Pb 2+	Bi 3+
Eo,B	-1,68	-0,55	-0,34	-0,34	-0,14	-0,13	+0,317

Всі d-метали 4 періоди, крім Cu , можуть бути окислені іонамиН+ у кислих розчинах.

Типи катіонів, що утворюються d-металами 4 періоди:

Ме 2+(утворюють d-метали від Mn до Cu)
Ме 3+ (утворюють Sc, Ti, V, Cr і Fe в азотній кислоті).
Ti та V утворюють також катіони МеО 2+

d-елементи 5 і 6 періодів стійкіші до окислення, ніж 4d- Метали.

У кислих розчинах Н+ може окислити: Y, La, Cd.

HNO 3 можуть розчинятися: Cd, Hg, Ag. У гарячій HNO 3 розчиняються Pd, Tc, Re.

У гарячій H 2 SO 4 розчиняються: Ti, Zr, V, Nb, Tc, Re, Rh, Ag, Hg.

Метали: Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W зазвичай розчиняють у суміші HNO 3 + HF.

У царській горілці(суміші HNO 3 + HCl) можна розчинити Zr, Hf, Mo, Tc, Rh, Ir, Pt, Au та Os насилу). Причиною розчинення металів у царській горілці або суміші HNO 3 + HF є утворення комплексних сполук.

приклад. Розчинення золота в царській горілці стає можливим через утворення комплексу.

Au + HNO 3 + 4HCl = H + NO + 2H 2 O

Взаємодія металів із водою

Окисні властивості води обумовленіН(+1).

2Н 2 Про + 2е -" Н 2 + 2ОН -

Так як концентрація Н+ у воді мала, окислювальні властивості її невисокі. У воді здатні розчинятися метали зЕ< - 0,413 B. Число металлов, удовлетворяющих этому условию, значительно больше, чем число металлов, реально растворяющихся в воде. Причиной этого является образование на поверхности большинства металлов плотного слоя оксида, нерастворимого в воде. Если оксиды и гидроксиды металла растворимы в воде, то этого препятствия нет, поэтому щелочные и щелочноземельные металлы энергично растворяются в воде. Усіs-метали, крім Be та Mg легко розчиняються у воді.

2 Na + 2 HOH = H 2 + 2 OH -

Na енергійно взаємодіє з водою із виділенням тепла. Н 2, що виділяється, може спалахнути.

2H 2 +O 2 =2H 2 O

Mg розчиняється тільки в киплячій воді, Ве захищений від окислення інертним нерозчинним оксидом

Метали р-блоку – менш сильні відновники, ніжs.

Серед р-металів відновна активність вище у металів IIIА-підгрупи, Sn та Pb - слабкі відновники, Bi має Ео > 0 .

р-метали за звичайних умов у воді не розчиняються. При розчиненні захисного оксиду з поверхні лужних розчинах водою окислюються Al, Ga і Sn.

Серед d-металів водою окислюютьсяпри нагріванні Sc і Mn, La, Y. Залізо реагує з водяною парою.

Взаємодія металів із розчинами лугів

У лужних розчинах окислювачем виступає вода.

2Н 2 Про + 2е - =Н 2 + 2ОН -Ео = - 0,826 B (рН = 14)

Окисні властивості води зі зростанням рН знижуються, через зменшення концентрації Н + . Тим не менш, деякі метали, що не розчиняються у воді, розчиняються в розчинах лугів,наприклад, Al, Zn та деякі інші. Головна причинарозчинення таких металів у лужних розчинах полягає в тому, що оксиди та гідроксиди цих металів виявляють амфотерність, розчиняються в лугу, усуваючи бар'єр між окислювачем та відновником.

приклад. Розчинення Al у розчині NaOH.

2Al + 3H 2 O +2NaOH + 3H 2 O = 2Na + 3H 2

Завдяки наявності вільних електронів (“електронного газу”) у кристалічній решітці всі метали виявляють такі характерні загальні властивості:

1) Пластичність- Здатність легко змінювати форму, витягуватися в дріт, прокочуватися в тонкі листи.

2) Металевий блискта непрозорість. Це пов'язано із взаємодією вільних електронів з падаючим на метал світлом.

3) Електропровідність. Пояснюється спрямованим рухом вільних електронів від негативного полюса до позитивного під впливом невеликої різниці потенціалів. Під час нагрівання електропровідність зменшується, т.к. з підвищенням температури посилюються коливання атомів та іонів у вузлах кристалічних ґрат, що ускладнює спрямований рух “електронного газу”.

4) Теплопровідність.Зумовлена високою рухливістю вільних електронів, завдяки чому відбувається швидке вирівнюваннятемператури масою металу. Найбільша теплопровідність – у вісмуту та ртуті.

5) Твердість.Найтвердіший – хром (ріже скло); найм'якіші – лужні метали – калій, натрій, рубідій та цезій – ріжуться ножем.

6) Щільність.Вона тим менша, чим менше атомна масаметалу та більше радіус атома. Найлегший – літій (ρ=0,53 г/см3); найважчий – осмій (ρ=22,6 г/см3). Метали, що мають щільність менше 5 г/см3, вважаються “легкими металами”.

7) Температури плавлення та кипіння.Найлегший метал - ртуть (т.пл. = -39 ° C), найтугоплавкіший метал - вольфрам (t ° пл. = 3390 ° C). Метали з t°пл. вище 1000°C вважаються тугоплавкими, нижче низькоплавкими.

Загальні хімічні властивості металів

Сильні відновники: Me 0 - n → Me n +

Ряд напруг характеризує порівняльну активність металів в окисно-відновних реакціях у водних розчинах.

1. Реакції металів із неметалами

1) З киснем:
2Mg + O 2 → 2MgO

2) З сіркою:
Hg + S → HgS

3) З галогенами:
Ni + Cl 2 - t ° → NiCl 2

4) З азотом:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2

5) З фосфором:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2

6) З воднем (реагують тільки лужні та лужноземельні метали):
2Li + H 2 → 2LiH

Ca + H 2 → CaH 2

2. Реакції металів із кислотами

1) Метали, що стоять в електрохімічному ряду напруги до H відновлюють кислоти-неокислювачі до водню:

Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2

2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2

2) З кислотами-окислювачами:

При взаємодії азотної кислоти будь-якої концентрації та концентрованої сірчаної з металами водень ніколи не виділяється!

Zn + 2H 2 SO 4(К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

4Zn + 5H 2 SO 4(К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O

3Zn + 4H 2 SO 4(К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O

2H 2 SO 4(к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

4HNO 3 (к) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

3. Взаємодія металів із водою

1) Активні (лужні та лужноземельні метали) утворюють розчинну основу (луг) і водень:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

2) Метали середньої активності окислюються водою при нагріванні до оксиду:

Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2

3) Неактивні (Au, Ag, Pt) – не реагують.

4. Витиснення більш активними металами менш активних металів із розчинів їх солей:

Cu + HgCl 2 → Hg + CuCl 2

Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4

У промисловості часто використовують не чисті метали, а їх суміші. сплави, У яких корисні властивості одного металу доповнюються корисними властивостями іншого. Так, мідь має невисоку твердість і малопридатна для виготовлення деталей машин, сплави ж міді з цинком ( латунь) є вже досить жорсткими і широко використовуються в машинобудуванні. Алюміній має високу пластичність і достатню легкість (малу щільність), але занадто м'який. На його основі готують сплав із магнієм, міддю та марганцем – дуралюмін (дюраль), який, не втрачаючи корисних властивостейалюмінію, набуває високої твердості і стає придатним в авіабудуванні. Сплави заліза з вуглецем (і добавками інших металів) – це широко відомі чавуні сталь.

Метали у вільному вигляді є відновниками.Однак реакційна здатність деяких металів невелика через те, що вони покриті поверхневою оксидною плівкою, в різного ступенястійкою до дії таких хімічних реактивів, як вода, розчини кислот та лугів.

Наприклад, свинець завжди покритий оксидною плівкою, для його переходу в розчин потрібно не тільки вплив реактиву (наприклад, розведеної азотної кислоти), а й нагрівання. Оксидна плівка на алюмінії перешкоджає реакції з водою, але під дією кислот і лугів руйнується. Пухка оксидна плівка (іржа), що утворюється на поверхні заліза у вологому повітрі, не заважає подальшому окисленню заліза.

Під дією концентрованихкислот на металах утворюється стійкаоксидна плівка. Це явище називається пасивацією. Так, у концентрованій сірчаної кислотипасивуються (і після цього не реагують з кислотою) такі метали, як Ве, Вi, З, Fе, Мg і Nb, а в концентрованій азотній кислоті – метали А1, Ве, Вi, З, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ , Тh та U.

При взаємодії з окислювачами в кислих розчинах більшість металів переходить в катіони, заряд яких визначається стійким ступенем окислення даного елемента в сполуках (Nа + Са 2+ А1 3+ Fe 2+ і Fе 3+)

Відновлювальна активність металів у кислому розчині передається рядом напруг. Більшість металів переводиться в розчин соляної та розведеної сірчаної кислотами, але Сu, Аg та Нg – лише сірчаної (концентрованої) та азотної кислотами, а Рt та Аі – «царською горілкою».

Корозія металів

Небажаною хімічною властивістю металів є їх корозія, тобто активна руйнація (окислення) при контакті з водою та під впливом розчиненого в ній кисню (киснева корозія).Наприклад, широко відома корозія залізних виробів у воді, у результаті утворюється іржа, і вироби розсипаються на порошок.

Корозія металів протікає у воді також через присутність розчинених газів 2 і 2 ; створюється кислотне середовище, і катіони Н + витісняються активними металами у вигляді водню Н 2 ( воднева корозія).

Особливо корозійно-небезпечним може бути місце контакту двох різнорідних металів ( контактна корозія).Між одним металом, наприклад Fе, іншим металом, наприклад Sn або Сu, поміщеними у воду, виникає гальванічна пара. Потік електронів йде від активнішого металу, що стоїть ліворуч у ряді напруг (Ре), до менш активного металу (Sn, Сu), і більш активний метал руйнується (кородує).

Саме через це іржавіє луджена поверхня консервних банок(залізо, вкрите оловом) при зберіганні у вологій атмосфері та недбалому поводженні з ними (залізо швидко руйнується після появи хоча б невеликої подряпини, що допускає контакт заліза з вологою). Навпаки, оцинкована поверхня залізного відра довго не іржавіє, оскільки навіть за наявності подряпин корродує не залізо, а цинк (активніший метал, ніж залізо).

Опір корозії для даного металу посилюється при його покритті активнішим металом або при їх сплавленні; так, покриття заліза хромом чи виготовлення сплаву заліза з хромом усуває корозію заліза. Хромоване залізо та сталь, що містить хром ( нержавіюча сталь), мають високу корозійну стійкість.

Якщо в періодичній таблиці елементів Д. І. Менделєєва провести діагональ від берилію до астату, то зліва внизу по діагоналі будуть знаходитися елементи-метали (до них відносяться елементи побічних підгруп, виділені синім кольором), а праворуч вгорі – елементи-неметали (виділені жовтим кольором). Елементи, розташовані поблизу діагоналі - напівметали або металоїди (B, Si, Ge, Sb та ін), мають подвійний характер (виділені рожевим кольором).

Як очевидно з малюнка, переважна більшість елементів є металами.

За своєю хімічною природою метали – це хімічні елементи, Атоми яких віддають електрони із зовнішнього або переднього енергетичного рівнів, утворюючи при цьому позитивно заряджені іони.

Практично всі метали мають порівняно великі радіуси та малу кількість електронів (від 1 до 3) на зовнішньому енергетичному рівні. Для металів характерні низькі значення електронегативності та відновлювальні властивості.

Найбільш типові метали розташовані на початку періодів (починаючи з другого), далі зліва направо металеві властивості слабшають. У групі зверху донизу металеві властивості посилюються, тому що збільшується радіус атомів (за рахунок збільшення числа енергетичних рівнів). Це призводить до зменшення електронегативності (здатності притягувати електрони) елементів та посилення відновлювальних властивостей (здатність віддавати електрони іншим атомам у хімічних реакціях).

Типовимиметалами є s-елементи (елементи IА-групи від Li до Fr. Елементи ПА-групи від Мg до Rа). Загальна електронна формула їх атомів ns 1-2. Їх характерні ступеня окислення + I і +II відповідно.

Невелика кількість електронів (1-2) на зовнішньому енергетичному рівні атомів типових металів передбачає легку втрату цих електронів та прояв сильних відновлювальних властивостей, що відбивають низькі значення електронегативності. Звідси випливає обмеженість хімічних властивостей та способів одержання типових металів.

Характерною особливістю типових металів є прагнення їх атомів утворювати катіони та іонні хімічні зв'язки з атомами неметалів. Сполуки типових металів з неметалами — це іонні кристали «катіон металааніон неметалу», наприклад, К + Вг — , Сa 2+ Про 2-. Катіони типових металів входять також до складу сполук зі складними аніонами - гідроксидів і солей, наприклад Мg 2+ (ON -) 2 , (Li +) 2СО 3 2-.

Метали А-груп, що утворюють діагональ амфотерності в Періодичній системі Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а також метали, що примикають до них (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не виявляють типово металевих властивостей. Загальна електронна формула їх атомів ns 2 np 0-4 передбачає більшу різноманітність ступенів окислення, більшу здатність утримувати власні електрони, поступове зниження їх відновлювальної здатності та поява окислювальної здатності, особливо у високих ступенях окислення ( характерні приклади- З'єднання Тl III, Рb IV, Vi v). Подібна хімічна поведінка характерна і для більшості (d-елементів, т. Е. Елементів Б-груп Періодичної системи (типові приклади - амфотерні елементи Сr і Zn).

Це прояв двоїстості (амфотерності) властивостей, одночасно металевих (основних) та неметалічних, обумовлено характером хімічного зв'язку. У твердому стані з'єднання нетипових металів з неметалами містять переважно ковалентні зв'язки (але менш міцні ніж зв'язки між неметалами). У розчині ці зв'язки легко розриваються, а сполуки дисоціюють на іони (повністю або частково). Наприклад, метал галій складається з молекул Ga 2 , у твердому стані хлориди алюмінію і ртуті (II) АlСl 3 і НgСl 2 містять сильно ковалентні зв'язки, але в розчині АlСl 3 дисоціює майже повністю, а НgСl 2 - дуже мало (та й то на іони НgСl + і Сl -).

Загальні фізичні властивості металів

Завдяки наявності вільних електронів («електронного газу») у кристалічній решітці всі метали виявляють такі характерні загальні властивості:

1) Пластичність- Здатність легко змінювати форму, витягуватися в дріт, прокочуватися в тонкі листи.

4) Теплопровідність.Зумовлена високою рухливістю вільних електронів, завдяки чому відбувається швидке вирівнювання температури маси металу. Найбільша теплопровідність – у вісмуту та ртуті.

6) Щільність.Вона тим менша, чим менша атомна маса металу і більший радіус атома. Найлегший – літій (ρ=0,53 г/см3); найважчий – осмій (ρ=22,6 г/см3). Метали, що мають щільність менше 5 г/см3, вважаються «легкими металами».

Загальні хімічні властивості металів

Сильні відновники: Me 0 - n → Me n +

Ряд напруг характеризує порівняльну активність металів в окисно-відновних реакціях у водних розчинах.

I. Реакції металів із неметалами

1) З киснем:
2Mg + O 2 → 2MgO

2) З сіркою:
Hg + S → HgS

3) З галогенами:
Ni + Cl 2 - t ° → NiCl 2

4) З азотом:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2

5) З фосфором:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2

6) З воднем (реагують тільки лужні та лужноземельні метали):
2Li + H 2 → 2LiH

Ca + H 2 → CaH 2

ІІ. Реакції металів із кислотами

1) Метали, що стоять в електрохімічному ряду напруги до H відновлюють кислоти-неокислювачі до водню:

Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2

2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2

2) З кислотами-окислювачами:

Zn + 2H 2 SO 4(К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

4Zn + 5H 2 SO 4(К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O

3Zn + 4H 2 SO 4(К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O

2H 2 SO 4(к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

4HNO 3 (к) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

ІІІ. Взаємодія металів із водою

1) Активні (лужні та лужноземельні метали) утворюють розчинну основу (луг) і водень:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

2) Метали середньої активності окислюються водою при нагріванні до оксиду:

Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2

3) Неактивні (Au, Ag, Pt) – не реагують.

IV. Витіснення більш активними металами менш активних металів із розчинів їх солей:

Cu + HgCl 2 → Hg + CuCl 2

Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4

У промисловості часто використовують не чисті метали, а їх суміші. сплави, У яких корисні властивості одного металу доповнюються корисними властивостями іншого. Так, мідь має невисоку твердість і малопридатна для виготовлення деталей машин, сплави ж міді з цинком ( латунь) є вже досить жорсткими і широко використовуються в машинобудуванні. Алюміній має високу пластичність і достатню легкість (малу щільність), але занадто м'який. На його основі готують сплав із магнієм, міддю та марганцем — дуралюмін (дюраль), який, не втрачаючи корисних властивостей алюмінію, набуває високої твердості та стає придатним в авіабудуванні. Сплави заліза з вуглецем (і добавками інших металів) – це широко відомі чавуні сталь.

Метали у вільному вигляді є відновниками.Однак реакційна здатність деяких металів невелика через те, що вони покриті поверхневою оксидною плівкою, різною мірою стійкою до дії таких хімічних реактивів, як вода, розчини кислот та лугів.

Під дією концентрованихкислот на металах утворюється стійкаоксидна плівка. Це явище називається пасивацією. Так, у концентрованій сірчаної кислотипасивуються (і після цього не реагують з кислотою) такі метали, як Ве, Вi, З, Fе, Мg і Nb, а в концентрованій азотній кислоті - метали А1, Ве, Вi, З, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ , Тh та U.

Відновлювальна активність металів у кислому розчині передається рядом напруг. Більшість металів переводиться в розчин соляної та розведеної сірчаною кислотами, але Сu, Аg та Нg – лише сірчаною (концентрованою) та азотною кислотами, а Рt та Аі – «царською горілкою».

Корозія металів

Небажаною хімічною властивістю металів є їх , тобто активне руйнування (окислення) при контакті з водою та під впливом розчиненого в ній кисню (киснева корозія).Наприклад, широко відома корозія залізних виробів у воді, у результаті утворюється іржа, і вироби розсипаються на порошок.

Саме через це іржавіє луджена поверхня консервних банок (залізо, вкрите оловом) при зберіганні у вологій атмосфері та недбалому поводженні з ними (залізо швидко руйнується після появи хоча б невеликої подряпини, що допускає контакт заліза з вологою). Навпаки, оцинкована поверхня залізного відра довго не іржавіє, оскільки навіть за наявності подряпин корродує не залізо, а цинк (активніший метал, ніж залізо).

електрометалургія, Т. е. отримання металів електролізом розплавів (для найбільш активних металів) або розчинів солей;

пірометалургія, Т. е. відновлення металів з руд при високій температурі (наприклад, отримання заліза в доменному процесі);

гідрометалургія, Т. е. виділення металів з розчинів їх солей більш активними металами (наприклад, отримання міді з розчину СуSO 4 дією цинку, заліза або алюмінію).

У природі іноді зустрічаються самородні метали (характерні приклади - Аg, Аu, Рt, Нg), але частіше метали знаходяться у вигляді сполук ( металеві руди). За поширеністю в земної кориметали різні: від найпоширеніших - Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до рідкісних - Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.

Перший матеріал, який навчилися використовувати люди для своїх потреб – це камінь. Однак пізніше, коли людині стало відомо про властивості металів, камінь відійшов далеко назад. Саме ці речовини та їх сплави стали найважливішим та головним матеріалом у руках людей. У тому числі виготовлялися предмети побуту, знаряддя праці, будувалися приміщення. Тому в даній статті ми розглянемо, що ж являють собою метали, загальна характеристика, властивості та застосування яких так актуально до сьогодні. Адже буквально одразу за кам'яним віком пішла ціла плеяда металевих: мідний, бронзовий та залізний.

Метали: загальна характеристика

Що ж поєднує всіх представників цих простих речовин? Звичайно, це будова їх кристалічних ґрат, типи хімічних зв'язків та особливості електронної будови атома. Адже звідси й характерні фізичні властивості, що лежать в основі використання цих матеріалів людиною.

Насамперед, розглянемо метали як хімічні елементи періодичної системи. У ній вони розташовуються досить вільно, займаючи 95 осередків з відомих на сьогоднішній день 115. Є кілька особливостей їх розташування в загальній системі:

Утворюють головні підгрупи I та II груп, а також III, починаючи з алюмінію.
Усі побічні підгрупи складаються лише з металів.
Вони розташовуються нижче від умовної діагоналі від бору до астату.

Спираючись на такі дані, легко простежити, що неметали зібрані у верхній правій частині системи, а решта іншого простір належить аналізованим нами елементам.

Усі вони мають кілька особливостей електронної будови атома:

Загальна характеристика металів та неметалів дозволяє виявити закономірності у їх будові. Так, кристалічні грати перших - металеві, особливі. У вузлах її знаходяться відразу кілька типів частинок:

іони;
атоми;
електрони.

Усередині накопичується загальна хмара, яка називається електронним газом, яка і пояснює всі фізичні властивості цих речовин. Тип хімічного зв'язку в металах однойменний із нею.

Фізичні властивості

Існує низка параметрів, які об'єднують усі метали. Загальна характеристика їх по фізичним властивостямвиглядає так.

Перелічені параметри - це і є загальна характеристика металів, тобто все те, що їх поєднує в велике сімейство. Проте слід розуміти, що з будь-якого правила є винятки. Тим більше, що елементів такого роду занадто багато. Тому всередині сімейства також є свої підрозділи на різні групи, які ми розглянемо нижче і для яких вкажемо характерні особливості.

Хімічні властивості

З погляду науки хімії, всі метали – це відновники. Причому дуже сильні. Чим менше електронів на зовнішньому рівні і чим більший атомний радіус, тим сильніший метал за вказаним параметром.

В результаті цього метали здатні реагувати з:

Це лише загальний огляд хімічних властивостей. Адже кожної групи елементів вони суто індивідуальні.

Лужноземельні метали

Загальна характеристика лужноземельних металів:

Таким чином, лужноземельні метали – це поширені елементи s-родини, що виявляють високу хімічну активність і є сильними відновниками та важливими учасниками біологічних процесів в організмі.

Лужні метали

Загальна характеристика починається з їхньої назви. Його вони отримали за здатність розчинятися у воді, формуючи луги – їдкі гідроксиди. Реакції з водою дуже бурхливі, іноді із запаленням. У вільному вигляді в природі дані речовини не зустрічаються, тому що їхня хімічна активність занадто висока. Вони реагують із повітрям, парами води, неметалами, кислотами, оксидами та солями, тобто практично з усім.

Це їх електронним будовою. На зовнішньому рівні лише один електрон, який вони легко віддають. Це найсильніші відновники, саме тому для їх отримання чистому виглядізнадобився досить довгий час. Вперше це було зроблено Гемфрі Деві вже у XVIII столітті шляхом електролізу гідроксиду натрію. Наразі всіх представників цієї групи добувають саме таким методом.

Загальна характеристика лужних металів полягає ще й у тому, що вони становлять першу групу головної підгрупи періодичної системи. Усі вони - важливі елементи, що утворюють багато цінних природних сполук, що використовуються людиною.

Загальна характеристика металів d- та f-сімейств

До цієї групи елементів відносяться всі ті, ступінь окислення яких може змінюватись. Це означає, що в залежності від умов метал може виступати в ролі і окислювача, і відновника. Такі елементи мають велику здатність вступати в реакції. Серед них велика кількістьамфотерних речовин

Загальна назва всіх цих атомів – перехідні елементи. Вони отримали його за те, що за властивостями, що виявляються, дійсно стоять як би посередині, між типовими металами s-родини і неметалами р-родини.

Загальна характеристика перехідних металів має на увазі позначення подібних їх властивостей. Вони такі:

велика кількість електронів на зовнішньому рівні;
великий атомний радіус;
кілька ступенів окиснення (від +3 до +7);
знаходяться на d-або f-підрівні;
утворюють 4-6 великих періодів системи.

Як прості речовиниметали цієї групи дуже міцні, тягучі та ковкі, тому мають велике промислове значення.

Побічні підгрупи періодичної системи

Загальна характеристика металів побічних підгруп повністю збігається з такою у перехідних. І це не дивно, адже, по суті, це зовсім те саме. Просто побічні підгрупи системи утворені саме представниками d- та f-родин, тобто перехідними металами. Тому можна сказати, що дані поняття – синоніми.

Найактивніші та найважливіші з них – перший ряд із 10 представників від скандію до цинку. Всі вони мають важливе промислове значення і часто використовуються людиною, особливо для виплавки.

Сплави

Загальна характеристика металів та сплавів дозволяє зрозуміти, де і як можна використовувати ці речовини. Такі сполуки в останні десятки років зазнали великих перетворень, адже відкриваються і синтезуються нові добавки для поліпшення їх якості.

Найбільш відомими сплавами на сьогоднішній день є:

латунь;
дюраль;
чавун;
сталь;
бронза;
переможе;
ніхром та інші.

Що таке метал? Це суміш металів, одержувана при плавці останніх у спеціальних пічних пристроях. Це робиться для того, щоб отримати продукт, що перевершує за властивостями чисті речовини, що його утворюють.

Порівняння властивостей металів та неметалів

Якщо говорити про загальні властивості, то характеристика металів і неметалів буде відрізнятися одним дуже істотних пунктом: для останніх не можна виділити подібних рис, так як вони дуже відрізняються за властивостями, що виявляються як фізичним, так і хімічним.

Тому для неметалів створити подібну характеристику не можна. Можна лише окремо розглянути представників кожної групи та описати їх властивості.

Атоми металів порівняно легко віддають валентні електрони та переходять у позитивно заряджені іони. Тож метали є відновниками. Метали взаємодіють із простими речовинами: Са + С12 - СаС12, Активні метали реагують із водою: 2Na + 2Н20 = 2NaOH + H2f. Метали, що стоять у ряді стандартних електродних потенціалів до водню, взаємодіють з розчинами розбавлених кислот (крім HN03) з виділенням водню: Zn + 2НС1 = ZnCl2 + H2f. Метали реагують з водними розчинами солей менш активних металів: Ni + CuS04 = NiS04 + Сі J. Метали реагують з кислотами-окислювачами: С. Способи одержання металів Сучасна металургія отримує понад 75 металів та численні сплави на їх основі. Залежно від способів отримання металів розрізняють пірогідро- та електрометалургію. ГГ) Пірометалургія охоплює способи отримання металів з руд за допомогою реакцій відновлення, що проводяться при високих температурах. Як відновники застосовують вугілля, активні метали, оксид вуглецю (ІІ), водень, метан. Cu20 + С - 2Сі + СО, t° Cu20 + СО - 2Cu + С02, t° Сг203 + 2А1 - 2Сг + А1203, (алюмотермія) t° TiCl2 + 2Mg - Ti + 2MgCl2, (магнійтермія) t° W+3H20. (водородотермія) |Ц Гідрометалургія - це одержання металів із розчинів їх солей. Наприклад, при обробці розведеної сірчаною кислотою мідної руди, що містить оксид міді (І), мідь переходить у розчин у вигляді сульфату: CuO + H2S04 = CuS04 + Н20. Потім мідь витягають із розчину або електролізом, або витісненням за допомогою порошку заліза: CuS04 + Fe = FeS04 + Сі. [З] Електрометалургія – це способи отримання металів з їх розплавлених оксидів або солей за допомогою електролізу: електроліз 2NaCl – 2Na + Cl2. Запитання та завдання для самостійного вирішення 1. Вкажіть становище металів у періодичній системі Д. І. Менделєєва. 2. Покажіть фізичні та хімічні властивості металів. 3. Поясніть причину спільності властивостей металів. 4. Покажіть зміну хімічної активності металів головних підгруп І та ІІ груп періодичної системи. 5. Яким чином змінюються металеві властивості у елементів ІІ та ІІІ періодів? Назвіть найтугоплавкіший і легкоплавкі метали. 7. Вкажіть, які метали зустрічаються в природі у самородному стані та які – лише у вигляді сполук. Чим це можна пояснити? 8. Яка природа сплавів? Як склад металу впливає його властивості. Покажіть на прикладах. Вкажіть найважливіші способиотримання металів із руд. 10l Назвіть різновиди пірометалургії. Які відновники використовують у кожному конкретному способі? Чому? 11. Назвіть метали, які одержують за допомогою гідрометалургії. У чому сутність та які переваги даного методуперед іншими? 12. Наведіть приклади одержання металів за допомогою електрометалургії. У якому разі використовують цей спосіб? 13. Які сучасні способиотримання металів високого ступеня чистоти? 14. Що таке «електродний потенціал»? Який з металів має найбільший і який найменший електродні потенціали у водному розчині? 15. Охарактеризуйте низку стандартних електродних потенціалів? 16. Чи можна витіснити металеве залізоіз водного розчину його сульфату за допомогою металевого цинку, нікелю, натрію? Чому? 17. Яким є принцип роботи гальванічних елементів? Які метали можуть у них використовуватися? 18. Які процеси належать до корозійних? Які види корозії вам відомі? 19. Що називається електрохімічною корозією? Які засоби захисту від неї вам відомі? 20. Як впливає корозію заліза його контакти з іншими металами? Який метал руйнуватиметься першим на пошкодженій поверхні лудженого, оцинкованого та нікельованого заліза? 21. Який процес називають електролізом? Напишіть реакції, що відображають процеси, що відбуваються на катоді та аноді при електролізі розплаву натрію хлориду, водних розчинів хлориду натрію, сульфату міді, сульфату натрію, сірчаної кислоти. 22. Яку роль грає матеріал електродів під час перебігу процесів електролізу? Наведіть приклади процесів електролізу, що протікають з розчинними та нерозчинними електродами. 23. Сплав, що йде на виготовлення мідних монет, містить 95 % міді. Визначте другий метал, що входить до сплаву, якщо при обробці однокопійкової монети надлишком соляної кислоти виділилося 62,2 мл водню (н. у.). алюміній. 24. Наважка карбіду металу масою 6 г спалена в кисні. При цьому утворилося 2,24 л оксиду вуглецю (IV) (н. у.). Визначте який метал входив до складу карбіду. 25. Покажіть, які продукти виділяться при електролізі водного розчину нікелю сульфату, якщо процес протікає: а) з вугільними; б) із нікелевими електродами? 26. При електролізі водного розчину мідного купоросуна аноді виділилося 2,8 л газу (н. у.). Який це газ? Що і в якій кількості виділилося на катоді? 27. Складіть схему електролізу водного розчину нітрату калію, що протікає на електродах. Чому дорівнює кількість пропущеної електрики, якщо на аноді виділилося 280 мл газу (н. у.)? Що і в якій кількості виділилося на катоді?