Металлы — простые вещества

Металлы — простые вещества
С развитием производства металлов (простых веществ и сплавов)
связано возникновение цивилизации («бронзовый век», «железный век»).
Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция,
затронувшая промышленность и социальную сферу, также тесно связана с
производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других
металлов были созданы коррозионно-стойкие, сверхтвердые, тугоплавкие
сплавы,
применение
которых
сильно
расширило
возможности
машиностроения.
Все же не следует забывать, что в большинство сплавов входит давно
известный металл железо, а основу многих легких сплавов составляют
сравнительно «молодые» металлы — алюминий и магний.
Сверхновыми являются композиционные материалы, представляющие,
например, полимер или керамику, которые внутри (как бетон железными
прутьями) упрочнены металлическими волокнами, которые могут быть из
вольфрама, молибдена, стали и других металлов и сплавов.
Физические свойства металлов. Металлический блеск, пластичность,
высокая электро- и теплопроводность, рост электрического сопротивления
при повышении температуры, высокие значения плотности, температуры
кипения и температуры плавления, твердости, магнитных характеристик —
все эти практически важные свойства, общие для всех металлов,
обусловлены металлической кристаллической решеткой и металлической
химической связью.
Все металлы — твердые вещества, кроме жидкой ртути, которая при
низких температурах становится твердой и ковкой, как свинец. Не обладают
пластичностью лишь хрупкие висмут и марганец.
Все металлы имеют серебристо-белый или серый цвет (цв. вклейка, рис.
30). Стронций, золото и медь в большей степени поглощают короткие волны
(близкие к фиолетовому цвету) и отражают длинные волны спектра, поэтому
имеют соответственно светло-желтый, желтый и «медный» цвет. Очень
тонкие листики серебра и золота имеют совершенно неожиданный вид —
они представляют собой голубовато-зеленую фольгу, а мелкие порошки
металлов кажутся темно-серыми, даже черными. И только магний и алюминий, как вы знаете, в порошке сохраняют серебристо-белый цвет.
Классификация металлов. В технике металлы принято классифицировать по различным физическим свойствам:
по плотности — легкие ( < 5 г/см3) и тяжелые ( > 5 г/см3) металлы;
температуре плавления — легкоплавкие и тугоплавкие металлы.
Железо и его сплавы в технике принято считать черными металлами, а
все остальные — цветными.
Существует классификация металлов и по химическим свойствам.
Металлы с низкой химической активностью называют благородными:
серебро, золото, платина и аналоги последней — осмий, иридий, рутений,
палладий, родий.
По близости химических свойств выделяют щелочные (металлы группы
IА), щелочноземельные (металлы группы IIА, начиная с кальция), а также
редкоземельные (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и
актиноиды) металлы.
Химические свойства металлов. Точно охарактеризовать химические
свойства металлов в целом можно следующим образом: все металлы
проявляют только восстановительные свойства.
Взаимодействие металлов с неметаллами. Все металлы являются
прекрасными восстановителями, т.е. они легко отдают свои электроны
неметаллам. Последние, разумеется, проявляют при этом окислительные
свойства. В результате образуются бинарные соединения.
Металлы взаимодействуют с галогенами с образованием солей:
2Na0 + Сl = 2Na+1Сl-1
В колбе, наполненной хлором, красиво вспыхивают и сгорают
кристаллики измельченной сурьмы, образуя при этом смесь двух хлоридов:
2Sb0 + Сl = 2Sb+3 Сl
2Sb0 + 5Сl = 2Sb+5 Сl
Алюминий с иодом и серой взаимодействует в присутствии катализатора, в роли которого выступает вода.
Характеризуя это свойство металлов, следует подчеркнуть, что в случае
переменной степени окисления металла состав продукта его взаимодействия
с неметаллом определяется окислительными свойствами последнего.
Например, при взаимодействии железа с серой образуется сульфид
железа(II), а с хлором — хлорид железа(III) (цв. вклейка, рис. 31):
Fе0 + S0 = Fе +2 S-2
2Fе0 + 3Сl = 2Fе+3Сl
Рис. 31. Взаимодействие железа с хлором.
Взаимодействие металлов с кислородом. Кислород — активнейший
неметалл, он играет такую важную роль в химии, что великий
Д.И.Менделеев предусмотрел для высших оксидов специальную графу в
своей таблице.
При взаимодействии с кислородом металлы образуют различные по
составу продукты: нормальные и смешанные оксиды, а также пероксиды.
Полученные в результате таких реакций оксиды проявляют основные или
амфотерные свойства.
Например, при горении лития и магния образуются основные оксиды:
4Li0 + O = 2Li O–2
2Мg0 + O = 2Мg+2O–2
Последняя реакция сопровождается выделением такого яркого света, что
использовалась первыми фотографами в качестве вспышки при съемке.
Давным-давно кануло в прошлое такое применение реакции горения магния,
а у репортеров и писателей остался шаблон: «место происшествия было
освещено вспышками магния» (современные фотографы используют
электровспышку).
Алюминий сгорает ярким ослепительным пламенем, а потому в порошке
используется в качестве компонента зажигательных ракет, фейерверков,
салютов, бенгальских огней и других пиротехнических средств:
+3
4Аl0 + 3O02 = 2Аl2 O−2
3
Железо сгорает в кислороде с образованием смешанного оксида Fе3O4
(Fе O–2 ∙ Fe2+3O−2
3 ) — железной окалины:
+2
3Fе0 + 2O02 = Fe3+2,+3O4
А вот натрий при взаимодействии с кислородом образует не оксид, а
пероксид:
2Na0 + O02 = Na2+1O−1
2
Это удивительное вещество — пероксид натрия — обязательный
химикат на борту подводной лодки или космического корабля, так как
обладает уникальным свойством восстанавливать воздух, делать его
способным поддерживать дыхание:
2Na2O2 + 2СO2 = 2Nа2СO3 + О2
Нормальный оксид натрия может быть получен из пероксида при его
прокаливании с натрием:
+1 –2
0
Na2+1O−1
2 + 2Na = 2Na2 O
Взаимодействие металлов с водой. При обычных условиях щелочные и
щелочноземельные металлы энергично взаимодействуют с водой, образуя
при этом щелочь и водород, т.е. в полном соответствии с названием
подгрупп.
Скорость химической реакции щелочных металлов с водой зависит от
природы металла, и если водород, выделяющийся в результате реакции с
литием, можно собрать, накрывая кусочек металла пробиркой, то подобное
ни с натрием, пи с калием проделать нельзя, так как водород выделяется
очень активно и может загореться. В этом случае возможен взрыв и выброс
щелочи:
0
+1
2М0 + 2H+1
2 O = 2М ОН + H2 (М = Li, Na, К)
Аналогичным образом можно собирать водород и в реакциях магния и
кальция с водой.
Следует отметить, что реакция магния с водой протекает еле заметно, и
в воду необходимо поместить очень мелкую стружку металла:
0
+2
М0 + 2H+1
2 O = М (ОН)2 + H2 (М = Мg, Са)
Взаимодействие металлов с растворами кислот. Металлы взаимодействуют с растворами кислот, как вы знаете, при соблюдении ряда
условий:
• металл должен находиться левее водорода в ряду напряжений:
К, Са, Na, Мg, Аl, Zn, Fе, Sn, Рb (Н2) Сu, Нg, Аg, Аu
• в результате реакции должна образоваться растворимая соль, так как в
противном случае она покроет металл осадком и доступ кислоты к металлу
прекратится;
• для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы;
(Почему?)
• по-особому взаимодействуют с металлами концентрированная серная
кислота и азотная кислота любой концентрации.
Взаимодействие металлов с растворами солей. Металлы взаимодействуют с растворами кислот, как вы знаете, при соблюдении ряда
условий. Повторим эти условия:
• металл должен находиться в ряду напряжений левее металла,
образующего соль;
• в результате реакции должна образоваться растворимая соль, так как в
противном случае она покроет металл осадком и доступ реагента к металлу
прекратится;
• для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы.
(Почему?)
Например:
Fе0 + Сu+2SO4 = Fе,2SO4 + Сu0
Fе0 + Сu2+ = Fе+2 + Сu0
Металлотермия. Некоторые активные металлы — литий, магний,
кальций, алюминий — способны вытеснять другие металлы из их оксидов
при поджигании смеси. Это свойство используют для получения более
ценных металлов, а также для изготовления термитных смесей:
+3
2Аl0 + FOe2+3O3 = Аl2 O3 + 2Fе0
Вопросы
1. Почему положение металлов в электрохимическом ряду напряжений не всегда
соответствует
их
положению
в
Периодической
системе Д. И. Менделеева?
2. Какой объем воздуха (н.у.) потребуется для сжигания 36 г магния, содержащего 25% оксида
этого металла? (Напоминаем, что объемная доля кислорода в воздухе составляет 0,21.)
3. Какой объем водорода (н.у.) может быть получен при растворении в воде 120 мг
кальция, если выход газа составляет 80% от теоретически возможного?
4. Можно ли получить водород взаимодействием свинца с раствором серной кислоты?
Почему?
5. Определите коэффициенты в следующем уравнении реакции, используя метод
электронного баланса:
Са + НNO3 → Са(NО3)2 + NH4NO3 + Н2O
Какой ион проявляет в этой реакции окислительные свойства?