Металлы Металлы относятся к основным природным

Металлы
Металлы относятся к основным природным материалам используемым человечеством.
Металлургия – одна из базовых отраслей промышленности, определяющих
экономический и военный потенциал страны. Создаются новые сплавы с заданными свойствами, в
качестве добавок используются различные металлы.
Около 80% всех известных химических элементов ПСЭ составляют металлы. Наиболее
распространенными металлами являются: Al – 8,8%; Fe – 4,0%; Ca – 3,6%; Na – 2,64%; K – 2,6%;
Mg – 2,1%; Ti – 0,64%.
Для металлов характерны свой специфические свойства, отличающие их от металлоидов:
пластичность, высокая тепло- и электропроводность, твердость, для большинства металлов
высокая температура плавления и кипения, металлический блеск.
Пластичностью называется способность металлов под действием внешних сил
подвергаться деформации, которая остается и после прекращения этого действия. Благодаря
пластичности металлы подвергаются ковке, прокатке, штамповке. Металлы имеют различную
пластичность.
Металлический блеск. Гладкая поверхность металлов отражает световые лучи. Чем
меньше она эти лучи поглощает, тем больше металлический блеск. По блеску металлы можно
расположить в следующий ряд: Ag, Pd, Cu, Au, Al, Fe.
На этом свойстве металлов основано производство зеркал.
Металлы характеризуются также высокой тепло- и электропроводностью. По
электропроводности I место занимает Ag, Cu, Al.
С повышением температуры электропроводность уменьшается, так как усиливается
колебательное движение ионов в узлах кристаллической решетки, что препятствует
направленному движению электронов.
С понижением температуры электропроводность увеличивается и в области близкой к
абсолютному нулю у многих металлов наблюдается сверхпроводимость.
Причиной общности физических и химических свойств металлов объясняется общностью
строения их атомов и природой кристаллических решеток металлов.
Атомы металлов имеют большее, по сравнению с неметаллами размеры. Внешние
электроны атомов металлов значительно удалены от ядра и связаны с ним слабо, поэтому металлы
имеют низкие потенциалы ионизации (являются восстановителями).
Специфические свойства металлов – пластичность, тепло- и электропроводность, блеск
объясняются тем, что в металлах имеются «свободные» электроны, способные перемещаться по
всему кристаллу.
Для металлов характерна металлическая связь (она объясняется на основе метода МО).
Физические свойства металлов.
Все металлы, за исключением ртути, при обыкновенной температуре являются твердыми
веществами с характерным металлическим блеском.
Большинство металлов имеют цвет от темно-серого, до серебристо-белого. Золото и цезий
имеют желтый цвет, совершенно чистая медь – светло-розовый, некоторые металлы обладают
красноватым оттенком (висмут).
Плотность металлов может колебаться в широких пределах; например плотность Li =
0,53г/см3 (самый легкий), а Os является самым тяжелым металлом 22,48г/см3.
В пределах одной подгруппы аналогов величины плотностей, как правило, растут с
возрастанием заряда ядра атома.
В технике металлы классифицируются по плотности: легкие, тяжелые, легкоплавкие и
тугоплавкие.
Нахождение в природе.
В природе металлы встречаются как в самородном состоянии, так и в виде различных
соединений. В самородном состоянии находятся только химически малоактивные металлы – Pt,
Ag, Au. Химически активные металлы встречаются только в виде различных соединений – руд.
Руды бывают: окисные, сульфидные и соли.
Предварительно руду обогащают, то есть отделяют от пустой породы. Самый
распространенный метод – флотационный, он основан на различной смачиваемости поверхности
минералов водой.
Методы извлечения минералов из руд определяются их химическим составом. Все способы
получения металлов сводятся к реакциям окисления – восстановления.
Карботермия. В этом методе получения металлов восстановителем служит углерод самый дешевый и самый доступный. Углерод применяют в виде кокса, а окисленный углерод
легко удаляется в виде СО2.
Углерод применяется для восстановления сравнительно малоактивных металлов: Fe, Cu,
Zn, Pb.
При восстановлении углеродом смеси железной руды с оксидами Cr, Mo, W или Mn в
промышленности получают сплавы, содержащие примерно 70% указанных металлов и очень
небольшое количество углерода. Это ферросплавы, служат для получения специальных
легированных сталей. Для восстановления углеродом пригодны только окиси.
Сульфидные руды (цинковые, свинцовые, медные) сначала подвергают окислительному
прокаливанию:
2ZnS + 2O2 → 2ZnO + SO2
Li, Ca, Ba также, как и металлы III группы, не могут быть получены восстановлением
углеродом, так как они сразу же после выделения в свободном состоянии с избытком углерода
образуют карбиды.
Металлотермия. Основана на процессах вытеснения одного металла (менее активного)
другим (более активным) из соответствующих окислов, хлоридов, сульфидов.
Очень хорошим восстановителем окислов металлов вследствие большого сродства к
кислороду является алюминий. Процесс называется алюминотермия.
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe
Алюминотермией получают и другие металлы (Mn, Cr, Ti), которые не могут быть
получены в чистом виде восстановлением их окисей углем из-за образования карбидов. В
алюмотермической реакции выделяется большое количество тепла за очень короткое время,
вследствие чего развивается высокая температура.
Электролитическое
или
катодное
восстановление
металлов.
Для
трудновосстанавливаемых металлов уголь как восстановитель непригоден и в этом случае
применяют катодное восстановление, то есть выделение путем электролиза. Такие металлы могут
окисляться водой, поэтому их соединения подвергаются электролизу не в водных растворах, а в
расплавах или растворах других растворителей.
Например, металлические Na, K, Ba, Ca, Mg, Be получают электролизом расплавов
соответствующих хлоридов.
Получение металлов высокой чистоты.
В связи с бурным развитием техники потребовались металлы, обладающие очень высокой
чистотой. Например, для надежной работы ядерного реактора необходимо, чтобы в
расщепляющихся материалах такие примеси как бор, кадмий и др., содержались в количестве, не
превышающих миллионных долей процента. Чистый цирконий – один из лучших
конструкционных материалов для атомных реакторов – становится совершенно непригодным для
этой цели, если в нем содержится даже ничтожная примесь гафния.
Перегонка в вакууме. Этот метод основан на различной летучести очищаемого металла и
имеющихся в нем примесей. Исходный металл загружается в специальный сосуд, соединенный с
вакуумным насосом и в сосуде создают вакуум, после чего нижняя часть сосуда нагревается. На
холодных частях сосуда осаждаются либо примеси, либо чистый металл, в зависимости от того,
что является более летучим.
Термическое разложение.
1. Карбонильный процесс. Этот процесс используют в основном для получения чистого
никеля и чистого железа. Металл содержащий примеси, нагревают в присутствии СО (окиси
углерода) и получающийся летучий карбонил отгоняют от нелетучих примесей. Затем карбонилы
разлагают при более высоких температурах с образованием высокочистых металлов.
2. Йодистый процесс дает возможность получать такие металлы, как цирконий, титан.
3. Очистка металла (обычно содержащего в качестве примесей окисел) в вакууме при
нагревании его до очень высокой температуры при помощи электрической дуги.
Зонная плавка. Этот метод заключается в протягивании бруска неочищенного германия
через узкую печь; образующаяся при этом расплавленная зона, по мере продвижения бруска через
нее перемещается вдоль него и уносит за собой примеси.
Многократным повторением этого процесса можно достигнуть высокой степени чистоты.
Химические свойства металлов.
У металлов отсутствует способность присоединять электроны, следовательно металлы
являются восстановителями. Мерой химической активности металлов является энергия ионизации
J.
Окислителями металлов могут быть: элементарные вещества, кислоты, соли менее
активных металлов и т.д.
1. Взаимодействие с элементарными веществами.
2. Взаимодействие с кислотами:
а) Окислитель – ион Н+ (HCl, H2SO4 (разб.) и т.д.);
б) Окислитель анион кислоты (к таким кислотам относятся HNO3 и H2SO4 (конц.);
в) Взаимодействие с водой;
г) Взаимодействие со щелочами;
д) Взаимодействие с растворами солей.
Оксиды металлов
Все атомы кислорода непосредственно связаны с атомами металла и не связаны друг с
другом: Ме * О2.
Классификация оксидов металлов
Основные – оксиды наиболее активных металлов (s- элементы I и II групп) – связь ионная:
Na2O, K2O, CaO, MgO и т.д.
Их свойства: а) взаимодействуют с кислотами; б) с кислотными оксидами; в) с водой.
Амфотерные оксиды (менее активных металлов и d- элементов): Al2O3, ZnO, Cr2O3 и т.д.
Их свойства: а) взаимодействие с кислотами; б) взаимодействие со щелочами.
Кислотные – оксида малоактивных металлов в высших степенях окисления (CrO3, Mn2O7 и
др.). Их свойства: а) взаимодействие с водой, образуя кислоты; б) взаимодействуют с основаниями
(щелочами).
Характер изменения свойств оксидов
В пределах одного периода происходит ослабление основных свойств через амфотерные и
усиление кислотных слева на право.
В группе у одного и того же элемента наблюдается такое же изменение свойств.
Получение оксидов.
1. Непосредственное окисление металлов – горение.
Са + О = СаО
4Na + O2 = 2Na2O
2. Окисление сульфидов.
ZnS + O2 = ZnO + SO2
3. Окисление оксидами других элементов, если теплота образования получающегося оксида
больше теплоты образования исходного (металлотермия).
Al + Cr2O3 = Cr + Al2O3 + Q
4. Обезвоживание соответствующих гидроксидов.
t0
Al(OH)3 
Al2O3 + H2O
5. Термическое разложение карбонатов, нитратов, сульфатов и других солей.
t0
СаСО3 
СаО + СО2
Гидроксиды металлов.
Классификация: основные, амфотерные, кислотные (соответствуют оксидам).
Характер изменения свойств в природе – аналогично оксидам.