Строе­ние ато­мов ме­тал­лов (см. прил. №1).

Груп­пы ме­тал­лов.

II. Фи­зи­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов.

III. По­ня­тие о спла­вах.

IV. Хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов.

V. Кор­ро­зия ме­тал­лов.

VII. Применение металлов.

VIII. Биологическая роль металлов.

I. По­ло­же­ние ме­тал­лов в пе­рио­ди­че­ской сис­те­ме.

Строе­ние ато­мов ме­тал­лов (см. прил. №1).

Груп­пы ме­тал­лов.

В на­стоя­щее вре­мя из­вест­но 118 хи­ми­че­ских эле­мен­тов, боль­шин­ст­во из них - ме­тал­лы. По­след­ние весь­ма рас­про­стра­не­ны в при­ро­де и встре­ча­ют­ся в ви­де раз­лич­ных со­еди­не­ний в не­драх зем­ли, во­дах рек, озер, мо­рей, океа­нов, со­ста­ве тел жи­вот­ных, рас­те­ний и да­же в ат­мо­сфе­ре.

В пе­рио­ди­че­ской сис­те­ме Д.И.Мен­де­лее­ва ка­ж­дый пе­ри­од, кро­ме пер­во­го (он вклю­ча­ет в се­бя два эле­мен­та-не­ме­тал­ла – во­до­род и ге­лий), на­чи­на­ет­ся с ак­тив­но­го хи­ми­че­ско­го эле­мен­та-ме­тал­ла. Эти на­чаль­ные эле­мен­ты об­ра­зу­ют глав­ную под­груп­пу I груп­пы и на­зы­ва­ют­ся ще­лоч­ны­ми ме­тал­ла­ми. Своё на­зва­ние они по­лу­чи­ли от на­зва­ния со­от­вет­ст­вую­щих им гид­ро­кси­дов, хо­ро­шо рас­тво­ри­мых в во­де, - ще­ло­чей.

Ато­мы ще­лоч­ных ме­тал­лов со­дер­жат на внеш­нем энер­ге­ти­че­ском уров­не толь­ко один элек­трон, ко­то­рый они лег­ко от­да­ют при хи­ми­че­ских взаи­мо­дей­ст­ви­ях, по­то­му что яв­ля­ют­ся силь­ней­ши­ми вос­ста­но­ви­те­ля­ми. По­нят­но, что в со­от­вет­ст­вии с рос­том ра­диу­са ато­ма вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ст­ва ще­лоч­ных ме­тал­лов уси­ли­ва­ют­ся от ли­тия к фран­цию.

Сле­дую­щие за ще­лоч­ны­ми ме­тал­ла­ми эле­мен­ты, со­став­ляю­щие глав­ную под­груп­пу II груп­пы, так­же яв­ля­ют­ся ти­пич­ны­ми ме­тал­ла­ми, об­ла­даю­щи­ми силь­ной вос­ста­но­ви­тель­ной спо­соб­но­стью (их ато­мы со­дер­жат на внеш­нем уров­не два элек­тро­на). Из этих ме­тал­лов каль­ций, строн­ций, ба­рий и ра­дий на­зы­ва­ют ще­лоч­но­зе­мель­ны­ми ме­тал­ла­ми. Та­кое на­зва­ние эти ме­тал­лы по­лу­чи­ли по­то­му, что их ок­си­ды, ко­то­рые ал­хи­ми­ки на­зы­ва­ли «зем­ля­ми», при рас­тво­ре­нии в во­де об­ра­зу­ют ще­ло­чи.

К ме­тал­лам от­но­сят­ся эле­мен­ты глав­ной под­груп­пы III груп­пы, ис­клю­чая бор.

Из эле­мен­тов глав­ных под­групп сле­дую­щих групп к ме­тал­лам от­но­сят­ся: в IV груп­пе гер­ма­ний, оло­во, сви­нец (пер­вые два эле­мен­та – уг­ле­род и крем­ний – не­ме­тал­лы), в V груп­пе сурь­ма и вис­мут (пер­вые три эле­мен­та – не­ме­тал­лы), в VI груп­пе толь­ко по­след­ний эле­мент – по­ло­ний – яв­но вы­ра­жен­ный ме­талл. В глав­ных под­груп­пах VII и VIII групп все эле­мен­ты – ти­пич­ные не­ме­тал­лы.

Что ка­са­ет­ся эле­мен­тов по­боч­ных под­групп, то все они ме­тал­лы.

Та­ким об­ра­зом, ус­лов­ная гра­ни­ца ме­ж­ду эле­мен­та­ми-ме­тал­ла­ми и эле­мен­та­ми-не­ме­тал­ла­ми про­хо­дят по диа­го­на­ли B (бор) – Si (крем­ний) – As (мышь­як) – Te (тел­лур) – At (ас­тат).

Ато­мы ме­тал­лов име­ют срав­ни­тель­но боль­шие раз­ме­ры (ра­диу­сы), по­это­му и их внеш­ние элек­тро­ны зна­чи­тель­но уда­ле­ны от яд­ра и сла­бо с ним свя­за­ны. И вто­рая осо­бен­ность, ко­то­рая при­су­ща ато­мам наи­бо­лее ак­тив­ных ме­тал­лов, - это на­ли­чие на внеш­нем энер­ге­ти­че­ском уров­не 1 – 3 элек­тро­нов.

От­сю­да вы­те­ка­ет са­мое ха­рак­тер­ное свой­ст­во всех ме­тал­лов – их вос­ста­но­ви­тель­ная спо­соб­ность, т. е. спо­соб­ность ато­мов лег­ко от­да­вать внеш­ние элек­тро­ны, пре­вра­ща­ясь в по­ло­жи­тель­ные ио­ны. Ме­тал­лы не мо­гут быть окис­ли­те­ля­ми, т. е. ато­мы ме­тал­лов не мо­гут при­сое­ди­нять к се­бе элек­тро­ны.

II. Фи­зи­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов.

По сво­им свой­ст­вам ме­тал­лы рез­ко от­ли­ча­ют­ся от не­ме­тал­лов. Впер­вые это раз­ли­чие ме­тал­лов и не­ме­тал­лов оп­ре­де­лил М. В. Ло­мо­но­сов. «Ме­тал­лы, - пи­сал он, - те­ла твер­дые, ков­кие бле­стя­щие».

При­чис­ляя тот или иной эле­мент к раз­ря­ду ме­тал­лов, мы име­ем в ви­ду на­ли­чие у не­го оп­ре­де­лен­но­го ком­плек­са свойств:

1) Плот­ная кри­стал­ли­че­ская струк­ту­ра.

2) Ха­рак­тер­ный ме­тал­ли­че­ский блеск.

3) Вы­со­кая те­п­ло­про­вод­ность и элек­три­че­ская про­во­ди­мость.

4) Умень­ше­ние элек­три­че­ской про­во­ди­мо­сти с рос­том тем­пе­ра­ту­ры.

5) Низ­кие зна­че­ния по­тен­циа­ла ио­ни­за­ции, т.е. спо­соб­ность лег­ко от­да­вать элек­тро­ны.

6) Ков­кость и тя­гу­честь.

7) Спо­соб­ность к об­ра­зо­ва­нию спла­вов.

Все ме­тал­лы и спла­вы, при­ме­няе­мые в на­стоя­щее вре­мя в тех­ни­ке, мож­но раз­де­лить на две ос­нов­ные груп­пы. К пер­вой из них от­но­сят чер­ные ме­тал­лы - же­ле­зо и все его спла­вы, в ко­то­рых оно со­став­ля­ет ос­нов­ную часть. Эти­ми спла­ва­ми яв­ля­ют­ся чу­гу­ны и ста­ли. В тех­ни­ке час­то ис­поль­зу­ют так, на­зы­вае­мые, ле­ги­ро­ван­ные ста­ли. К ним от­но­сят­ся, ста­ли, со­дер­жа­щие хром, ни­кель, вольф­рам, мо­либ­ден, ва­на­дий, ко­бальт, ти­тан и дру­гие ме­тал­лы. Ино­гда в ле­ги­ро­ван­ные ста­ли вхо­дят 5-6 раз­лич­ных ме­тал­лов. Ме­то­дом ле­ги­ро­ва­ния по­лу­ча­ют, раз­лич­ные цен­ные ста­ли, об­ла­даю­щие в од­них слу­ча­ях по­вы­шен­ной проч­но­стью, в дру­гих - вы­со­кой со­про­тив­ляе­мо­стью к ис­ти­ра­нию, в треть­их - кор­ро­зи­он­ной ус­той­чи­во­стью, т.е. спо­соб­но­стью не раз­ру­шать­ся под дей­ст­ви­ем внеш­ней сре­ды.

Ко вто­рой груп­пе от­но­сят цвет­ные ме­тал­лы и их спла­вы. Они по­лу­чи­ли та­кое на­зва­ние по­то­му, что име­ют раз­лич­ную ок­ра­ску. На­при­мер, медь свет­ло-крас­ная; ни­кель, оло­во, се­реб­ро – бе­лые; сви­нец - го­лу­бо­ва­то-бе­лый, зо­ло­то - жел­тое. Из спла­вов в прак­ти­ке на­шли боль­шое при­ме­не­ние: брон­за - сплав ме­ди с оло­вом и дру­ги­ми ме­тал­ла­ми, ла­тунь - сплав ме­ди с цин­ком, баб­бит - сплав оло­ва с сурь­мой и ме­дью и др.

Это де­ле­ние на чер­ные и цвет­ные ме­тал­лы ус­лов­но.

На­ря­ду с чер­ны­ми и цвет­ны­ми ме­тал­ла­ми вы­де­ля­ют еще груп­пу бла­го­род­ных ме­тал­лов: се­реб­ро, зо­ло­то, пла­ти­ну, ру­те­ний и не­ко­то­рые дру­гие. Они на­зва­ны так по­то­му, что прак­ти­че­ски не окис­ля­ют­ся на воз­ду­хе да­же при по­вы­шен­ной тем­пе­ра­ту­ре и не раз­ру­ша­ют­ся при дей­ст­вии на них рас­тво­ров ки­слот и ще­ло­чей.

C внеш­ней сто­ро­ны ме­тал­лы, как из­вест­но, ха­рак­те­ри­зу­ют­ся, пре­ж­де все­го, осо­бым «ме­тал­ли­че­ским» бле­ском, ко­то­рый обу­слов­ли­ва­ет­ся их спо­соб­но­стью силь­но от­ра­жать лу­чи све­та. Од­на­ко этот блеск на­блю­да­ет­ся обык­но­вен­но толь­ко в том слу­чае, ко­гда ме­талл об­ра­зу­ет сплош­ную ком­пакт­ную мас­су. Прав­да, маг­ний и алю­ми­ний со­хра­ня­ют свой блеск, да­же бу­ду­чи пре­вра­щен­ны­ми, в по­ро­шок, но боль­шин­ст­во ме­тал­лов в мел­ко­раз­дроб­лен­ном ви­де име­ет чер­ный или тем­но-се­рый цвет. За­тем ти­пич­ные ме­тал­лы об­ла­да­ют вы­со­кой те­п­ло- и элек­тро­про­вод­но­стью, при­чем по спо­соб­но­сти про­во­дить те­п­ло и ток рас­по­ла­га­ют­ся в од­ном и том же по­ряд­ке: луч­шие про­вод­ни­ки - се­реб­ро и медь, худ­шие - сви­нец и ртуть. С по­вы­ше­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры элек­тро­про­вод­ность па­да­ет, при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры, на­обо­рот, уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Очень важ­ным свой­ст­вом ме­тал­лов яв­ля­ет­ся их срав­ни­тель­но лег­кая ме­ха­ни­че­ская де­фор­мация. Ме­тал­лы пла­стич­ны, они хо­ро­шо ку­ют­ся, вы­тя­ги­ва­ют­ся в про­во­ло­ку, про­ка­ты­ва­ют­ся в лис­ты и т.п.

Ха­рак­тер­ные фи­зи­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов на­хо­дят­ся в свя­зи с осо­бен­но­стя­ми их внут­рен­ней струк­ту­ры. Со­глас­но со­вре­мен­ным воз­зре­ни­ям, кри­стал­лы ме­тал­лов со­сто­ят из по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных ио­нов и сво­бод­ных элек­тро­нов, от­ще­пив­ших­ся от со­от­вет­ст­вую­щих ато­мов. Весь кри­сталл мож­но се­бе пред­ста­вить в ви­де про­стран­ст­вен­ной ре­шет­ки, уз­лы ко­то­рой за­ня­ты ио­на­ми, а в про­ме­жут­ках ме­ж­ду ио­на­ми на­хо­дят­ся лег­ко­под­виж­ные элек­тро­ны. Эти элек­тро­ны по­сто­ян­но пе­ре­хо­дят от од­них ато­мов к дру­гим и вра­ща­ют­ся во­круг яд­ра то од­но­го, то дру­го­го ато­ма. Так как элек­тро­ны не свя­за­ны с оп­ре­де­лен­ны­ми ио­на­ми, то уже под влия­ни­ем не­боль­шой раз­но­сти по­тен­циа­лов они на­чи­на­ют пе­ре­ме­щать­ся в оп­ре­де­лен­ном на­прав­ле­нии, т.е. воз­ни­ка­ет элек­три­че­ский ток.

На­ли­чи­ем сво­бод­ных элек­тро­нов обу­слов­ли­ва­ет­ся и вы­со­кая те­п­ло­про­вод­ность ме­тал­лов. На­хо­дясь в не­пре­рыв­ном дви­же­нии, элек­тро­ны по­сто­ян­но стал­ки­ва­ют­ся с ио­на­ми и об­ме­ни­ва­ют­ся с ни­ми энер­ги­ей. По­это­му ко­ле­ба­ния ио­нов, уси­лив­шие­ся в дан­ной час­ти ме­тал­ла вслед­ст­вие на­гре­ва­ния, сей­час же пе­ре­да­ют­ся со­сед­ним ио­нам, от них - сле­дую­щим и т.д., и те­п­ло­вое со­стоя­ние ме­тал­ла бы­ст­ро вы­рав­ни­ва­ет­ся; вся мас­са ме­тал­ла при­ни­ма­ет оди­на­ко­вую тем­пе­ра­ту­ру.

По плот­но­сти ме­тал­лы ус­лов­но под­раз­де­ля­ют­ся на две боль­шие груп­пы: лег­кие ме­тал­лы, плот­ность ко­то­рых не боль­ше 5 г/см 3 , и тя­же­лые ме­тал­лы - все ос­таль­ные. Плот­ность, а так­же тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния не­ко­то­рых ме­тал­лов при­ве­де­ны в приложении №2.

Час­ти­цы ме­тал­лов, на­хо­дя­щих­ся в твер­дом и жид­ком со­стоя­нии, свя­за­ны осо­бым ти­пом хи­ми­че­ской свя­зи - так на­зы­вае­мой ме­тал­ли­че­ской свя­зью. Она оп­ре­де­ля­ет­ся од­но­вре­мен­ным на­ли­чи­ем обыч­ных ко­ва­лент­ных свя­зей ме­ж­ду ней­траль­ны­ми ато­ма­ми и ку­ло­нов­ским при­тя­же­ни­ем ме­ж­ду ио­на­ми и сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми. Та­ким об­ра­зом, ме­тал­ли­че­ская связь яв­ля­ет­ся свой­ст­вом не от­дель­ных час­тиц, а их аг­ре­га­тов.

Некоторые металлы кристаллизируются в двух или более кристаллических формах. Это свойство веществ – существовать в нескольких кристаллических модификациях – называют полиморфизмом. Полиморфизм для простых веществ известен под названием аллотропия.

Олово имеет две кристаллические модификации:

· α – устойчива ниже 13,2°С (ρ = 5,75 г/см 3). Это серое олово. Оно имеет кристаллическую решетку типа алмаза (атомную);

· β – устойчива выше 13,2°С (ρ = 6,55 г/см 3). Это белое олово.

Белое олово – серебристо-белый очень мягкий металл. При охлаждении ниже 13,2°С он рассыпается в серый порошок, так как при переходе из β в α значительно увеличивается его удельный объем. Это явление получило название оловянной чумы.

Металлы по-разному взаимодействуют с магнитным полем. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний, выделяются своей способностью намагничиваться и долго сохранять состояние намагниченности. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля – это парамагнетики. Металлы, выталкиваемые магнитным полем – диамагнетики (медь, серебро, золото, висмут).

III. По­ня­тие о спла­вах.

Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью ме­тал­лов яв­ля­ет­ся их спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать друг с дру­гом или с не­ме­тал­ла­ми спла­вы. Что­бы по­лу­чить сплав, смесь ме­тал­лов обыч­но под­вер­га­ют плав­ле­нию, а за­тем ох­ла­ж­да­ют с раз­лич­ной ско­ро­стью, ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет­ся при­ро­дой ком­по­нен­тов и из­ме­не­ни­ем ха­рак­те­ра их взаи­мо­дей­ст­вия в за­ви­си­мо­сти от тем­пе­ра­ту­ры. Ино­гда спла­вы по­лу­ча­ют спе­ка­ни­ем тон­ких по­рош­ков ме­тал­лов, не при­бе­гая к плав­ле­нию (по­рош­ко­вая ме­тал­лур­гия). Итак, спла­вы - это про­дук­ты хи­ми­че­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия ме­тал­лов.

Кри­стал­ли­че­ская струк­ту­ра спла­вов во мно­гом по­доб­на чис­тым ме­тал­лам, ко­то­рые, взаи­мо­дей­ст­вуя друг с дру­гом при плав­ле­нии и по­сле­дую­щей кри­стал­ли­за­ции, об­ра­зу­ют:

а) хи­ми­че­ские со­еди­не­ния, на­зы­вае­мые ин­тер­ме­тал­ли­да­ми;

б) твер­дые рас­тво­ры;

в) ме­ха­ни­че­скую смесь кри­стал­лов ком­по­нен­тов.

Тот или иной тип взаи­мо­дей­ст­вия оп­ре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем энер­гии взаи­мо­дей­ст­вия раз­но­род­ных и од­но­род­ных час­тиц сис­те­мы, то есть со­от­но­ше­ни­ем энер­гий взаи­мо­дей­ст­вия ато­мов в чис­тых ме­тал­лах и спла­вах.

Од­на­ко не­ко­то­рые при­ме­си ухуд­ша­ют ка­че­ст­во ме­тал­лов и спла­вов. Из­вест­но, на­при­мер, что чу­гун (сплав же­ле­за и уг­ле­ро­да) не об­ла­да­ет той проч­но­стью и твер­до­стью, ко­то­рая ха­рак­тер­на для ста­лей. По­ми­мо уг­ле­ро­да, на свой­ст­ва ста­ли, влия­ют до­бав­ки се­ры и фос­фо­ра, уве­ли­чи­ваю­щие ее хруп­кость.

Из цвет­ных спла­вов от­ме­тим брон­зу, ла­тунь, мель­хи­ор и дю­ра­лю­ми­ний.

Брон­за – сплав на ос­но­ве ме­ди с до­бав­кой (до 20%) оло­ва. Брон­за хо­ро­шо от­ли­ва­ет­ся, по­это­му ис­поль­зу­ет­ся в ма­ши­но­строе­нии, где из неё из­го­тав­ли­ва­ют под­шип­ни­ки, порш­не­вые коль­ца, кла­па­ны, ар­ма­ту­ру и т. д. Ис­поль­зу­ет­ся так­же для ху­до­же­ст­вен­но­го ли­тья.

Ла­тунь – так­же мед­ный сплав, со­дер­жа­щий от 10 до 50% цин­ка. При­ме­ня­ет­ся в мо­то­ро­строе­нии.

Мель­хи­ор – сплав, со­дер­жа­щий око­ло 80% ме­ди и 20% ни­ке­ля, по­хож по внеш­не­му ви­ду на се­реб­ро. Ис­поль­зу­ет­ся для из­го­тов­ле­ния срав­ни­тель­но не­до­ро­гих сто­ло­вых при­бо­ров и ху­до­же­ст­вен­ных из­де­лий.

Дю­ра­лю­ми­ний (дю­раль, ду­ра­лю­мин) – сплав на ос­но­ве алю­ми­ния, со­дер­жа­щий медь, маг­ний, мар­га­нец и ни­кель. Име­ет хо­ро­шие ме­ха­ни­че­ские свой­ст­ва, при­ме­ня­ет­ся в са­мо­лё­то­строе­ние и ма­ши­но­строе­ние.

Окружающие нас металлические предметы редко состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большинстве же других случаев люди имеют дело со сплавами. Так, различные виды железа и стали, содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специальную маркировку, т.к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют, стали различных составов. Простые конструкционные стали, состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07-0,5%) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10% других металлов, из них примерно 3% составляет углерод, а остальные - кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали, получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.

Никель наряду с хромом является важнейшим компонентом многих сплавов. Он придает сталям высокую химическую стойкость и механическую прочность. Так, известная нержавеющая сталь содержит в среднем 18% хрома и 8% никеля. Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников требуются сплавы, которые устойчивы при температурах выше 1000 °С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей. Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким содержанием никеля. Большую группу составляют медно-никелевые сплавы.

Сплав меди, известный с древнейших времен, - бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа и кремния.

Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Температура плавления мельхиора составляет 1170 °С. Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер - содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов - их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Латунь "60" содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.

По следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

Промышленные медно-никелевые сплавы условно можно разделить на две группы: конструкционные (или коррозионностойкие) и электротехнические (термоэлектродные сплавы и сплавы сопротивления).

К конструкционным сплавам относятся, куниаль, мельхиор, нейзильбер и др. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим компонентом которых является никель. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем. Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Куниалями называются сплавы тройной системы Cu-Ni-Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu-Ni-Al эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900 -1000 о С, а затем подвергают старению при 500-600 о С. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl. Мельхиор, нейзильбер, куниали отличаются высокими механическими и коррозионными свойствами, применяются для изготовления теплообменных аппаратов в морском судостроении (конденсаторные трубы и термостаты), медицинского инструмента, деталей точной механики и химической промышленности, деталей приборов в электротехнике, радиотехнике и для изготовления посуды. Мельхиор марки МН19 и нейзильбер марки МНЦ15-20 используются как резистивные сплавы.

К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления - манганин (МНМц3-12) и константан (МНМц40-1б5) и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель (МНМц43-0,5).

Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С.

Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия (кадмий лучше всего получить в гальванической мастерской). Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

В нашей маленькой печи мы можем получить немного латуни. Для этого расплавим медь с помощью бунзеновской или, лучше, стеклодувной горелки и затем добавим кусочки цинка; можно и сразу поместить кусочки обоих металлов в тигель. Латунь 60 содержит, например, 60 весовых частей мели и 40 весовых частей цинка (В СССР так называемые двойные латуни тоже маркируются по содержанию меди. Марка Л80, например, означает, что в латуни содержится 79-81 % меди, а остальное - цинк. - Прим. перев.).

Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди.

IV. Хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов.

Ос­нов­ным хи­ми­че­ским свой­ст­вом ме­тал­лов яв­ля­ет­ся спо­соб­ность их ато­мов лег­ко от­да­вать свои ва­лент­ные элек­тро­ны и пе­ре­хо­дить в по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные ио­ны. Ти­пич­ные ме­тал­лы ни­ко­гда не при­сое­ди­ня­ют элек­тро­нов; их ио­ны все­гда за­ря­же­ны по­ло­жи­тель­но.

Лег­ко от­да­вая при хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях свои ва­лент­ные элек­тро­ны, ти­пич­ные ме­тал­лы яв­ля­ют­ся энер­гич­ны­ми вос­ста­но­ви­те­ля­ми.

Спо­соб­ность к от­да­че элек­тро­нов про­яв­ля­ет­ся у от­дель­ных ме­тал­лов да­ле­ко не в оди­на­ко­вой сте­пе­ни. Чем лег­че ме­талл от­да­ет свои элек­тро­ны, тем он ак­тив­нее, тем энер­гич­нее всту­па­ет во взаи­мо­дей­ст­вие с дру­ги­ми ве­ще­ст­ва­ми.

Опус­тим ку­со­чек цин­ка в рас­твор ка­кой-ни­будь свин­цо­вой со­ли. Цинк на­чи­на­ет рас­тво­рять­ся, а из рас­тво­ра вы­де­ля­ет­ся сви­нец. Ре­ак­ция вы­ра­жа­ет­ся урав­не­ни­ем:

Zn + Pb(NO 3) 2 = Pb + Zn(NO 3) 2

Из урав­не­ния сле­ду­ет, что эта ре­ак­ция яв­ля­ет­ся ти­пич­ной ре­ак­ци­ей окис­ле­ния-вос­ста­нов­ле­ния. Сущ­ность ее сво­дит­ся к то­му, что ато­мы цин­ка от­да­ют свои ва­лент­ные элек­тро­ны ио­нам двух­ва­лент­но­го свин­ца, тем са­мым, пре­вра­ща­ясь в ио­ны цин­ка, а ио­ны свин­ца вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся и вы­де­ля­ют­ся в ви­де ме­тал­ли­че­ско­го свин­ца. Ес­ли по­сту­пить на­обо­рот, то есть по­гру­зить ку­со­чек свин­ца в рас­твор цин­ко­вой со­ли, то ни­ка­кой ре­ак­ции не про­изой­дет. Это по­ка­зы­ва­ет, что цинк бо­лее ак­ти­вен, чем сви­нец, что его ато­мы лег­че от­да­ют, а ио­ны труд­нее при­сое­ди­ня­ют элек­тро­ны, чем ато­мы и ио­ны свин­ца.

Вы­тес­не­ние од­них ме­тал­лов из их со­еди­не­ний дру­ги­ми ме­тал­ла­ми впер­вые бы­ло под­роб­но изу­че­но рус­ским уче­ным Бе­ке­то­вым, рас­по­ло­жив­шим ме­тал­лы по их убы­ваю­щей хи­ми­че­ской ак­тив­но­сти в так на­зы­вае­мый «вы­тес­ни­тель­ный ряд». В на­стоя­щее вре­мя вы­тес­ни­тель­ный ряд Бе­ке­то­ва но­сит на­зва­ние ря­да на­пря­же­ний.

В приложении №3 пред­став­ле­ны зна­че­ния стан­дарт­ных элек­трод­ных по­тен­циа­лов не­ко­то­рых ме­тал­лов. Сим­во­лом Me + /Me - обо­зна­чен ме­талл Me, по­гру­жен­ный в рас­твор его со­ли. Стан­дарт­ные по­тен­циа­лы элек­тро­дов, вы­сту­паю­щих как вос­ста­но­ви­те­ли по от­но­ше­нию к во­до­ро­ду, име­ют знак «-», а зна­ком «+» от­ме­че­ны стан­дарт­ные по­тен­циа­лы элек­тро­дов, яв­ляю­щих­ся окис­ли­те­ля­ми.

Ме­тал­лы, рас­по­ло­жен­ные в по­ряд­ке воз­рас­та­ния их стан­дарт­ных элек­трод­ных по­тен­циа­лов, и об­ра­зу­ют элек­тро­хи­ми­че­ский ряд на­пря­же­ний ме­тал­лов:

Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au

Ряд на­пря­же­ний ха­рак­те­ри­зу­ет хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов:

1) Чем мень­ше элек­трод­ный по­тен­ци­ал ме­тал­ла, тем боль­ше его вос­ста­но­ви­тель­ная спо­соб­ность.

2) Ка­ж­дый ме­талл спо­со­бен вы­тес­нять (вос­ста­нав­ли­вать) из рас­тво­ров со­лей те ме­тал­лы, ко­то­рые сто­ят в ря­ду на­пря­же­ний по­сле не­го:

Fe 0 + Cu +2 SO 4 = Fe +2 SO 4 + Cu 0

Cu 0 + Hg +2 Cl 2 = Hg 0 + Cu +2 Cl 2

3) Все ме­тал­лы, имею­щие от­ри­ца­тель­ный стан­дарт­ный элек­трод­ный по­тен­ци­ал, то есть на­хо­дя­щие­ся в ря­ду на­пря­же­ний ле­вее во­до­ро­да, спо­соб­ны вы­тес­нять его из рас­тво­ров ки­слот:

Zn 0 + 2H +1 Cl = Zn +2 Cl 2 + H 2 0

А вот медь не реа­ги­ру­ет с хло­ро­во­до­род­ной ки­сло­той. На­до пом­нить, что это пра­ви­ло име­ет ряд по­пра­вок:

а) пра­ви­ло со­блю­да­ет­ся, ес­ли в ре­ак­ции ме­тал­ла с ки­сло­той об­ра­зу­ет­ся рас­тво­ри­мая соль;

б) кон­цен­три­ро­ван­ная сер­ная ки­сло­та и азот­ная ки­сло­та лю­бой кон­цен­тра­ции реа­ги­ру­ет с ме­тал­ла­ми по-осо­бо­му, при этом во­до­род не об­ра­зу­ет­ся;

в) на ще­лоч­ные ме­тал­лы пра­ви­ло не рас­про­стра­ня­ет­ся, так как они лег­ко взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­дой (а ука­зан­ное пра­ви­ло от­но­сит­ся к ре­ак­ци­ям вод­ных рас­тво­ров ки­слот с ме­тал­ла­ми).

Не­об­хо­ди­мо от­ме­тить, что пред­став­лен­ный ряд ха­рак­те­ри­зу­ет по­ве­де­ние ме­тал­лов и их со­лей толь­ко в вод­ных рас­тво­рах и при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре. Кро­ме то­го, нуж­но иметь в ви­ду, что вы­со­кая элек­тро­хи­ми­че­ская ак­тив­ность ме­тал­лов не все­гда оз­на­ча­ет его вы­со­кую хи­ми­че­скую ак­тив­ность. На­при­мер, ряд на­пря­же­ний на­чи­на­ет­ся ли­ти­ем, то­гда как бо­лее ак­тив­ные в хи­ми­че­ском от­но­ше­нии металлы: ру­би­дий и ка­лий на­хо­дят­ся пра­вее ли­тия. Это свя­за­но с ис­клю­чи­тель­но вы­со­кой энер­ги­ей про­цес­са гид­ра­та­ции ио­нов ли­тия по срав­не­нию с ио­на­ми дру­гих ще­лоч­ных ме­тал­лов.

С кислородом воздуха легко взаимодействуют щелочные и щелочноземельные металлы:

4Li 0 + O 2 0 = 2Li 2 +1 O -2 (4е -)

2Ca 0 + O 2 0 = 2Ca +2 O -2 (4е -)

С кислородом натрий и калий образуют не оксиды, а пероксиды:

2Na 0 + O 2 0 = Na 2 +1 O 2 -1 (2е -)

2K 0 + O 2 0 = K 2 +1 O 2 -1 (2е -)

Железо, цинк, медь и другие, менее активные металлы энергично окисляются кислородом только при нагревании:

2Zn 0 + O 2 0 = 2Zn +2 O -2 (4е -)

2Cu 0 + O 2 0 = 2Cu +2 O -2 (4е -)

Зо­ло­то и пла­ти­но­вые ме­тал­лы не окис­ля­ют­ся ки­сло­ро­дом воз­ду­ха, ни при ка­ких ус­ло­ви­ях.

На воз­ду­хе при обыч­ной тем­пе­ра­ту­ре по­верх­ность бе­рил­лия и маг­ния по­кры­ва­ет­ся за­щит­ной ок­сид­ной плен­кой. Ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы взаи­мо­дей­ст­ву­ют с ки­сло­ро­дом воз­ду­ха бо­лее ак­тив­но, по­это­му их хра­нят под сло­ем ке­ро­си­на или в за­па­ян­ных со­су­дах, как и ще­лоч­ные ме­тал­лы.

При на­гре­ва­нии на воз­ду­хе все рас­смат­ри­вае­мые ме­тал­лы энер­гич­но сго­ра­ют с об­ра­зо­ва­ни­ем ок­си­дов:

2Be 0 + O 2 0 = 2Be +2 O -2 (4е -)

2Mg 0 + O 2 0 = 2Mg +2 O -2 (4е -)

Ре­ак­ция сжи­га­ния маг­ния со­про­во­ж­да­ет­ся ос­ле­пи­тель­ной вспыш­кой, рань­ше она при­ме­ня­лась при фо­то­гра­фи­ро­ва­нии объ­ек­тов в тем­ных по­ме­ще­ни­ях. В на­стоя­щее вре­мя ис­поль­зу­ют элек­три­че­скую вспыш­ку.

Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами. Используя общее обозначение для металлов Ме, запишем в общей форме уравнение реакций щелочных металлов с неметаллами – водородом, хлором и серой:

2Me 0 + H 2 0 = 2Me +1 H -1 (2е -)

2Me 0 + Cl 2 0 = 2Me +1 Cl -1 (2е -)

2Me 0 + S 0 = Me 2 +1 S -2 (2е -)

Щелочноземельные металлы при высоких температурах окисляются водородом до гидридов:

Me 0 + H 2 0 = Me +2 H 2 -1 (2е -)

Бериллий, магний и все щелочноземельные металлы взаимодействуют при нагревании с неметаллами – хлором, серой, азотом и т. д., образуя соответственно хлориды, сульфиды, нитриды:

Me 0 + Cl 2 0 = Me +2 Cl 2 -1 (2е -)

Me 0 + S 0 = Me +2 S -2 (2е -)

3Me 0 + N 2 0 = Me 3 +2 N 2 -3 (6е)

Все ще­лоч­ные ме­тал­лы ак­тив­но взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­дой, об­ра­зуя ще­ло­чи и вос­ста­нав­ли­вая во­ду до во­до­ро­да (ри­су­нок спра­ва). Ско­рость взаи­мо­дей­ст­вия ще­лоч­но­го ме­тал­ла с во­дой бу­дет уве­ли­чи­вать­ся от ли­тия к це­зию:

2Me 0 + 2H +1 OH = 2Me +1 OH + + H 2 0 (2е -)

Из всех ме­тал­лов глав­ной под­груп­пы II груп­пы толь­ко бе­рил­лий прак­ти­че­ски не взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­дой, маг­ний реа­ги­ру­ет с ней мед­лен­но, ос­таль­ные ме­тал­лы бур­но взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­дой в обыч­ных ус­ло­ви­ях:

Me 0 + 2H +1 OH = Me +2 (OH) 2 + H 2 0 (2е -)

Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определённых условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную плёнку:

2Al 0 + 6H 2 +1 0 = 2Al +3 (OH) 3 + 3H 2 0

Железо взаимодействует с водой только в раскаленном виде:

3Fe 0 + 4H 2 +1 O = (Fe +2 Fe 2 +3)O 4 + 4H 2 0

С кислотами в растворе (HCl, H 2 SO 4(разб.) , CH 3 COOH и др., кроме HNO 3) взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуется соль и водород.

2Al 0 + 6H +1 Cl = 2Al +3 Cl 3 + 3H 2 0

2CH 3 COOH +1 + Mg 0 = Mg +2 (CH 3 COO) 2 + H 2 0

С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой реакции образуется растворимая соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде:

Fe 0 + Cu +2 SO 4 = Fe +2 SO 4 + Cu 0

V. Кор­ро­зия ме­тал­лов.

Поч­ти все ме­тал­лы, при­хо­дя в со­при­кос­но­ве­ние с ок­ру­жаю­щей их га­зо­об­раз­ной или жид­кой сре­дой, бо­лее или ме­нее бы­ст­ро под­вер­га­ют­ся с по­верх­но­сти раз­ру­ше­нию. При­чи­ной его яв­ля­ет­ся хи­ми­че­ское взаи­мо­дей­ст­вие ме­тал­лов с на­хо­дя­щи­ми­ся в воз­ду­хе га­за­ми, а так­же во­дой и рас­тво­рен­ны­ми в ней ве­ще­ст­ва­ми.

Вся­кий про­цесс хи­ми­че­ско­го раз­ру­ше­ния ме­тал­лов под дей­ст­ви­ем ок­ру­жаю­щей сре­ды на­зы­ва­ют кор­ро­зи­ей.

Про­ще все­го про­те­ка­ет кор­ро­зия при со­при­кос­но­ве­нии ме­тал­лов с га­за­ми. На по­верх­но­сти ме­тал­ла об­ра­зу­ют­ся со­от­вет­ст­вую­щие со­еди­не­ния: ок­си­ды, сер­ни­стые со­еди­не­ния, ос­нов­ные со­ли уголь­ной ки­сло­ты, ко­то­рые не­ред­ко по­кры­ва­ют по­верх­ность плот­ным сло­ем, за­щи­щаю­щим ме­талл от даль­ней­ше­го воз­дей­ст­вия тех же га­зов.

Ина­че об­сто­ит де­ло при со­при­кос­но­ве­нии ме­тал­ла с жид­кой сре­дой - во­дой и рас­тво­рен­ны­ми в ней ве­ще­ст­ва­ми. Об­ра­зую­щие­ся при этом со­еди­не­ния мо­гут рас­тво­рять­ся, бла­го­да­ря че­му кор­ро­зия рас­про­стра­ня­ет­ся даль­ше вглубь ме­тал­ла. Кро­ме то­го, во­да, со­дер­жа­щая рас­тво­рен­ные ве­ще­ст­ва, яв­ля­ет­ся про­вод­ни­ком элек­три­че­ско­го то­ка, вслед­ст­вие че­го по­сто­ян­но воз­ни­ка­ют элек­тро­хи­ми­че­ские про­цес­сы, ко­то­рые яв­ля­ют­ся од­ним из глав­ных фак­то­ров, обу­слав­ли­ваю­щих и ус­ко­ряю­щих кор­ро­зию.

Чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа. Особенно сильно коррозирует металл во влажном воздухе и воде. Упрощенно этот процесс можно выразить с помощью следующего уравнения химической реакции:

4Fe + ЗО 2 + 6Н 2 O = 4Fe(ОН) 3

Для борь­бы с кор­ро­зи­ей су­ще­ст­ву­ет мно­го спо­со­бов. На­зо­ву не­ко­то­рые из них.

1) На­не­се­ние за­щит­ных по­кры­тий на по­верх­но­сти пре­до­хра­няе­мо­го от кор­ро­зии ме­тал­ла. Для это­го час­то ис­поль­зу­ют мас­ля­ные крас­ки, эма­ли, ла­ки. Эти не­ме­тал­ли­че­ские по­кры­тия де­ше­вые, но обыч­но не­дол­го­веч­ные. Раз в два го­да, а ино­гда и ча­ще их тре­бу­ет­ся об­нов­лять. Так, на­при­мер, кра­сят Эй­фе­ле­ву баш­ню в Па­ри­же.

Пре­до­хра­няе­мый ме­талл мож­но по­крыть сло­ем дру­го­го ме­тал­ла: зо­ло­та, се­реб­ра, хро­ма, ни­ке­ля, оло­ва, цин­ка и др. Один из са­мых ста­рых спо­со­бов - это лу­же­ние, или по­кры­тие же­лез­но­го лис­та сло­ем оло­ва. Та­кое же­ле­зо на­зы­ва­ют бе­лой же­стью.

2) Ис­поль­зо­ва­ние не­ржа­вею­щих ста­лей, со­дер­жа­щих спе­ци­аль­ные до­бав­ки. На­при­мер, «не­ржа­вей­ка», из ко­то­рой из­го­тав­ли­ва­ют сто­ло­вые при­бо­ры, со­дер­жит до 12% хро­ма и до 10% ни­ке­ля. Лег­кие не­ржа­вею­щие спла­вы вклю­ча­ют алю­ми­ний или ти­тан. Вся­кий, кто был во Все­рос­сий­ском вы­ста­воч­ном цен­тре, ви­дел пе­ред вхо­дом обе­лиск «По­ко­ри­те­лям кос­мо­са об­ли­цо­ван­ный пла­стин­ка­ми из ти­та­но­во­го спла­ва (рисунок слева). На его ма­то­вой бле­стя­щей по­верх­но­сти нет ни од­но­го пят­ныш­ка ржав­чи­ны.

3) Вве­де­ние в ра­бо­чую сре­ду, где на­хо­дят­ся ме­тал­ли­че­ские де­та­ли, ве­ществ, ко­то­рые в де­сят­ки и сот­ни раз умень­ша­ют аг­рес­сив­ность сре­ды. Та­кие ве­ще­ст­ва на­зы­ва­ют­ся ин­ги­би­то­ра­ми кор­ро­зии.

Ин­ги­би­то­ры кор­ро­зии вво­дят в замк­ну­тые сис­те­мы ох­ла­ж­де­ния, в неф­те­про­дук­ты и да­же вспры­ски­ва­ют в га­зо­про­во­ды для сни­же­ния кор­ро­зии труб из­нут­ри. Для пре­дот­вра­ще­ния кор­ро­зии же­ле­за в сер­ной ки­сло­те к ней до­бав­ля­ют в ка­че­ст­ве ин­ги­би­то­ра азот­ную ки­сло­ту.

4) Соз­да­ние кон­так­та с бо­лее ак­тив­ным ме­тал­лом - про­тек­то­ром. На­при­мер, для за­щи­ты сталь­ных кор­пу­сов мор­ских су­дов обыч­но ис­поль­зу­ют цинк. Да и на су­ше ме­тал­ли­че­скую кон­ст­рук­цию (тру­бу, ЛЭП и т. д.) со­еди­ня­ют с лис­том или кус­ком бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла. С этой же це­лью к де­та­лям кон­ст­рук­ции мос­тов при­ва­ри­ва­ют кус­ки цин­ка.

Чис­тые ме­тал­лы в боль­шин­ст­ве слу­ча­ев поч­ти не под­вер­га­ют­ся кор­ро­зии. Да­же та­кой ме­талл, как же­ле­зо, в со­вер­шен­но чис­том ви­де поч­ти не ржа­ве­ет. Но обык­но­вен­ные тех­ни­че­ские ме­тал­лы все­гда со­дер­жат раз­лич­ные при­ме­си, что соз­да­ет бла­го­при­ят­ные ус­ло­вия для кор­ро­зии.

Убыт­ки, при­чи­няе­мые кор­ро­зи­ей ме­тал­лов, ог­ром­ны. Вы­чис­ле­но, на­при­мер, что вслед­ст­вие кор­ро­зии, еже­год­но гиб­нет, та­кое ко­ли­че­ст­во ста­ли, ко­то­рое рав­но при­бли­зи­тель­но чет­вер­ти всей ми­ро­вой до­бы­чи его за год. По­это­му изу­че­нию про­цес­сов кор­ро­зии и оты­ска­нию наи­луч­ших средств ее пре­дот­вра­ще­ния уде­ля­ет­ся очень мно­го вни­ма­ния.

Спо­со­бы борь­бы с кор­ро­зи­ей чрез­вы­чай­но раз­но­об­раз­ны. Наи­бо­лее про­стой из них за­клю­ча­ет­ся в за­щи­те по­верх­но­сти ме­тал­ла от не­по­сред­ст­вен­но­го со­при­кос­но­ве­ния с ок­ру­жаю­щей сре­дой пу­тем по­кры­тия мас­ля­ной крас­кой, ла­ком, эма­лью или, на­ко­нец, тон­ким сло­ем дру­го­го ме­тал­ла. Осо­бый ин­те­рес с тео­ре­ти­че­ской точ­ки зре­ния пред­став­ля­ет по­кры­тие од­но­го ме­тал­ла дру­гим.

К ним от­но­сят­ся: ка­тод­ное по­кры­тие, ко­гда за­щи­щаю­щий ме­талл сто­ит в ря­ду на­пря­же­ний пра­вее за­щи­щаю­ще­го (ти­пич­ным при­ме­ром мо­жет слу­жить лу­же­ная, то есть по­кры­тая оло­вом, сталь); анод­ное по­кры­тие, на­при­мер по­кры­тие, ста­ли цин­ком.

Для за­щи­ты от кор­ро­зии це­ле­со­об­раз­но по­кры­вать по­верх­ность ме­тал­ла сло­ем бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла, чем сло­ем ме­нее ак­тив­но­го. Од­на­ко дру­гие со­об­ра­же­ния не­ред­ко за­став­ля­ют при­ме­нять так­же по­кры­тия из ме­нее ак­тив­ных ме­тал­лов.

На прак­ти­ке ча­ще все­го при­хо­дит­ся при­ни­мать ме­ры, к за­щи­те ста­ли как ме­тал­ла, осо­бен­но под­вер­жен­но­го кор­ро­зии. Кро­ме цин­ка, из бо­лее ак­тив­ных ме­тал­лов для этой це­ли ино­гда при­ме­ня­ют кад­мий, дей­ст­вую­щий по­доб­но цин­ку. Из ме­нее ак­тив­ных ме­тал­лов для по­кры­тия ста­ли, ча­ще все­го ис­поль­зу­ют оло­во, медь, ни­кель.

По­кры­тые ни­ке­лем сталь­ные из­де­лия име­ют кра­си­вый вид, чем объ­яс­ня­ет­ся ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние ни­ке­ли­ро­ва­ния. При по­вре­ж­де­нии слоя ни­ке­ля кор­ро­зия про­хо­дит ме­нее ин­тен­сив­но, чем при по­вре­ж­де­нии слоя ме­ди (или оло­ва), так как раз­ность по­тен­циа­лов для па­ры ни­кель-же­ле­зо го­раз­до мень­ше, чем для па­ры медь - же­ле­зо.

Из дру­гих спо­со­бов борь­бы с кор­ро­зи­ей су­ще­ст­ву­ет еще спо­соб про­тек­то­ров, за­клю­чаю­щий­ся в том, что за­щи­щае­мый ме­тал­ли­че­ский объ­ект при­во­дит­ся в кон­такт с боль­шой по­верх­но­стью бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла. Так, в па­ро­вые кот­лы вво­дят лис­ты цин­ка, на­хо­дя­щие­ся в кон­так­те со стен­ка­ми кот­ла и об­ра­зую­щие с ни­ми галь­ва­ни­че­скую па­ру.

VI. Спо­со­бы по­лу­че­ния ме­тал­лов.

Ог­ром­ное боль­шин­ст­во ме­тал­лов на­хо­дит­ся в при­ро­де в ви­де со­еди­не­ний с дру­ги­ми эле­мен­та­ми.

Толь­ко не­мно­гие ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии, и то­гда они на­зы­ва­ют­ся са­мо­род­ны­ми. Зо­ло­то и пла­ти­на встре­ча­ют­ся поч­ти ис­клю­чи­тель­но в са­мо­род­ном ви­де, се­реб­ро и медь - от­час­ти в са­мо­род­ном ви­де; ино­гда по­па­да­ют­ся так­же са­мо­род­ные ртуть, оло­во и не­ко­то­рые дру­гие ме­тал­лы.

До­бы­ва­ние зо­ло­та и пла­ти­ны про­из­во­дит­ся или по­сред­ст­вом ме­ха­ни­че­ско­го от­де­ле­ния их от той по­ро­ды, в ко­то­рой они за­клю­че­ны, на­при­мер про­мыв­кой во­ды, или пу­тем из­вле­че­ния их из по­ро­ды раз­лич­ны­ми реа­ген­та­ми с по­сле­дую­щим вы­де­ле­ни­ем ме­тал­ла из рас­тво­ра. Все ос­таль­ные ме­тал­лы до­бы­ва­ют­ся хи­ми­че­ской пе­ре­ра­бот­кой их при­род­ных со­еди­не­ний.

Ми­не­ра­лы и гор­ные по­ро­ды, со­дер­жа­щие со­еди­не­ния ме­тал­лов и при­год­ные для по­лу­че­ния этих ме­тал­лов за­во­дским пу­тем, но­сят на­зва­ние руд. Глав­ны­ми ру­да­ми яв­ля­ют­ся ок­си­ды, суль­фи­ды и кар­бо­на­ты ме­тал­лов.

Важ­ней­ший спо­соб по­лу­че­ния ме­тал­лов из руд ос­но­ван на вос­ста­нов­ле­нии их ок­си­дов уг­лем.

Ес­ли, на­при­мер, сме­шать крас­ную мед­ную ру­ду (ку­прит) Cu 2 O с уг­лем и под­верг­нуть силь­но­му на­ка­ли­ва­нию, то уголь, вос­ста­нав­ли­вая медь, пре­вра­тит­ся в ок­сид уг­ле­ро­да(II), а медь вы­де­лит­ся в рас­плав­лен­ном со­стоя­нии:

Cu 2 O + C = 2Cu + CO

По­доб­ным же об­ра­зом про­из­во­дит­ся вы­плав­ка чу­гу­на их же­лез­ных руд, по­лу­че­ние оло­ва из оло­вян­но­го кам­ня SnO 2 и вос­ста­нов­ле­ние дру­гих ме­тал­лов из ок­си­дов.

При пе­ре­ра­бот­ке сер­ни­стых руд сна­ча­ла пе­ре­во­дят сер­ни­стые со­еди­не­ния в ки­сло­род­ные пу­тем об­жи­га­ния в осо­бых пе­чах, а за­тем уже вос­ста­нав­ли­ва­ют по­лу­чен­ные ок­си­ды уг­лем. На­при­мер:

2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2

ZnO + C = Zn + CO

В тех слу­ча­ях, ко­гда ру­да пред­став­ля­ет со­бой соль уголь­ной ки­сло­ты, ее мож­но не­по­сред­ст­вен­но вос­ста­нав­ли­вать уг­лем, как и ок­си­ды, так как при на­гре­ва­нии кар­бо­на­ты рас­па­да­ют­ся на ок­сид ме­тал­ла и дву­окись уг­ле­ро­да. На­при­мер:

ZnCO 3 = ZnO + CO 2

Обыч­но ру­ды, кро­ме хи­ми­че­ско­го со­еди­не­ния дан­но­го ме­тал­ла, со­дер­жат еще мно­го при­ме­сей в ви­де пес­ка, гли­ны, из­вест­ня­ка, ко­то­рые очень труд­но пла­вят­ся. Что­бы об­лег­чить вы­плав­ку ме­тал­ла, к ру­де при­ме­ши­ва­ют раз­лич­ные ве­ще­ст­ва, об­ра­зую­щие с при­ме­ся­ми лег­ко­плав­кие со­еди­не­ния - шла­ки. Та­кие ве­ще­ст­ва на­зы­ва­ют­ся флю­са­ми. Ес­ли при­месь со­сто­ит из из­вест­ня­ка, то в ка­че­ст­ве флю­са упот­реб­ля­ют пе­сок, об­ра­зую­щий с из­вест­ня­ком си­ли­кат каль­ция. На­обо­рот, в слу­чае боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва пес­ка флю­сом слу­жит из­вест­няк.

Во мно­гих ру­дах ко­ли­че­ст­во при­ме­сей (пус­той по­ро­ды) так ве­ли­ко, что не­по­сред­ст­вен­ная вы­плав­ка ме­тал­лов из этих руд яв­ля­ет­ся эко­но­ми­че­ски не­вы­год­ной. Та­кие ру­ды пред­ва­ри­тель­но «обо­га­ща­ют», то есть уда­ля­ют из них часть при­ме­сей. Осо­бен­но ши­ро­ким рас­про­стра­не­ни­ем поль­зу­ет­ся фло­та­ци­он­ный спо­соб обо­га­ще­ния руд (фло­та­ция), ос­но­ван­ный на раз­лич­ной сма­чи­вае­мо­сти чис­той ру­ды и пус­той по­ро­ды.

Тех­ни­ка фло­та­ци­он­но­го спо­со­ба очень про­ста и в ос­нов­ном сво­дит­ся к сле­дую­ще­му. Ру­ду, со­стоя­щую, на­при­мер, из сер­ни­сто­го ме­тал­ла и пус­той си­ли­кат­ной по­ро­ды, тон­ко из­мель­ча­ют и за­ли­ва­ют в боль­ших ча­нах во­дой. К во­де при­бав­ля­ют ка­кое-ни­будь ма­ло­по­ляр­ное ор­га­ни­че­ское ве­ще­ст­во, спо­соб­ст­вую­щее об­ра­зо­ва­нию ус­той­чи­вой пе­ны при взбал­ты­ва­нии во­ды, и не­боль­шое ко­ли­че­ст­во спе­ци­аль­но­го реа­ген­та, так на­зы­вае­мо­го «кол­лек­то­ра», ко­то­рый хо­ро­шо ад­сор­би­ру­ет­ся по­верх­но­стью фло­ти­руе­мо­го ми­не­ра­ла и де­ла­ет ее не­спо­соб­ной сма­чи­вать­ся во­дой. По­сле это­го че­рез смесь сни­зу про­пус­ка­ют силь­ную струю воз­ду­ха, пе­ре­ме­ши­ваю­щую ру­ду с во­дой и при­бав­лен­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми, при­чем пу­зырь­ки воз­ду­ха ок­ру­жа­ют­ся тон­ки­ми мас­ля­ны­ми плен­ка­ми и об­ра­зу­ют пе­ну. В про­цес­се пе­ре­ме­ши­ва­ния час­ти­цы фло­ти­руе­мо­го ми­не­ра­ла по­кры­ва­ют­ся сло­ем ад­сор­би­ро­ван­ных мо­ле­кул кол­лек­то­ра, при­ли­па­ют к пу­зырь­кам про­ду­вае­мо­го воз­ду­ха, под­ни­ма­ют­ся вме­сте с ни­ми квер­ху и ос­та­ют­ся в пе­не; час­ти­цы же пус­той по­ро­ды, сма­чи­ваю­щие­ся во­дой, осе­да­ют на дно. Пе­ну со­би­ра­ют и от­жи­ма­ют, по­лу­чая ру­ду со зна­чи­тель­но боль­шим со­дер­жа­ни­ем ме­тал­ла.

Для вос­ста­нов­ле­ния не­ко­то­рых ме­тал­лов из их ок­си­дов при­ме­ня­ют вме­сто уг­ля во­до­род, крем­ний, алю­ми­ний, маг­ний и дру­гие эле­мен­ты.

Про­цесс вос­ста­нов­ле­ния ме­тал­ла из его ок­си­да с по­мо­щью дру­го­го ме­тал­ла на­зы­ва­ет­ся ме­тал­ло­тер­ми­ей. Ес­ли, в ча­ст­но­сти, в ка­че­ст­ве вос­ста­но­ви­те­ля при­ме­ня­ет­ся алю­ми­ний, то про­цесс но­сит на­зва­ние алю­ми­но­тер­мии.

Очень важ­ным спо­со­бом по­лу­че­ния ме­тал­лов яв­ля­ет­ся так­же элек­тро­лиз. Не­ко­то­рые наи­бо­лее ак­тив­ные ме­тал­лы по­лу­ча­ют­ся ис­клю­чи­тель­но пу­тем элек­тро­ли­за, так как все дру­гие сред­ст­ва ока­зы­ва­ют­ся не­дос­та­точ­но энер­гич­ны­ми для вос­ста­нов­ле­ния их ио­нов.

Рассмотрим электролиз раствора сульфата меди(II) на нерастворимом аноде:

CuSO 4 = Cu 2+ + SO 4 2-

Катод (–): Cu 2+ + 2e - = Cu 0 Анод (+): 2H 2 O – 4e - = O 2 + 4H +

Cu 2+ + 2e - = Cu 0 2

2H 2 O – 4e - = O 2 + 4H + 1

Суммарное ионное уравнение: 2Cu 2+ + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4H +

Суммарное молекулярное уравнение с учетом присутствия анионов SO 4 2- в растворе: 2CuSO 4 + 2H 2 O =(электролиз)= 2Cu 0 + O 2 + 4H 2 SO 4

VII. Применение металлов.

Сре­ди свойств спла­вов наи­бо­лее важ­ны­ми для прак­ти­че­ско­го при­ме­не­ния яв­ля­ют­ся жа­ро­проч­ность, кор­ро­зи­он­ная стой­кость, ме­ха­ни­че­ская проч­ность и др. Для авиа­ции боль­шое зна­че­ние име­ют лег­кие спла­вы на ос­но­ве маг­ния, ти­та­на или алю­ми­ния, для ме­тал­ло­об­ра­ба­ты­ваю­щей про­мыш­лен­но­сти - спе­ци­аль­ные спла­вы, со­дер­жа­щие вольф­рам, ко­бальт, ни­кель. В элек­трон­ной тех­ни­ке при­ме­ня­ют спла­вы, ос­нов­ным ком­по­нен­том ко­то­рых яв­ля­ет­ся медь. Сверх­мощ­ные маг­ни­ты уда­лось по­лу­чить, ис­поль­зуя про­дук­ты взаи­мо­дей­ст­вия ко­баль­та, са­ма­рия и дру­гих ред­ко­зе­мель­ных эле­мен­тов, а сверх­про­во­дя­щие при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах спла­вы - на ос­но­ве ин­тер­ме­тал­ли­дов, об­ра­зуе­мых нио­би­ем с оло­вом и др.

Со­вре­мен­ная тех­ни­ка ис­поль­зу­ет ог­ром­ное чис­ло спла­вов, при­чем в по­дав­ляю­щем боль­шин­ст­ве слу­ча­ев они со­сто­ят не из двух, а из трех, че­ты­рех и боль­ше­го чис­ла ме­тал­лов. Ин­те­рес­но, что свой­ст­ва спла­вов час­то рез­ко от­ли­ча­ют­ся от свойств ин­ди­ви­ду­аль­ных ме­тал­лов, ко­то­ры­ми они об­ра­зо­ва­ны. Так, сплав, со­дер­жа­щий 50% вис­му­та, 25% свин­ца, 12,5% оло­ва и 12,5% кад­мия, пла­вит­ся все­го при 60,5 гра­ду­сах Цель­сия, в то вре­мя как ком­по­нен­ты спла­ва име­ют со­от­вет­ст­вен­но тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния 271, 327, 232 и 321 гра­дус Цель­сия. Твер­дость оло­вян­ной брон­зы (90% ме­ди и 10% оло­ва) втрое боль­ше, чем у чис­той ме­ди, а ко­эф­фи­ци­ент ли­ней­но­го рас­ши­ре­ния спла­вов же­ле­за и ни­ке­ля в 10 раз мень­ше, чем у чис­тых ком­по­нен­тов.

Na 2 CO 3 – карбонат натрия, образует кристаллогидрат Na 2 CO 3 * 10H 2 O, известный под названием кристаллическая сода, которая применяется в производстве стекла, бумаги, мыла. Это средняя соль.

В быту более известна кислая соль – гидрокарбонат натрия NaHCO3, она применяется в пищевой промышленности (пищевая сода) и в медицине (питьевая сода).

K 2 CO 3 – карбонат калия, техническое название – поташ, и используется в производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве удобрения.

Магний и кальций применяют для производства редких металлов и легких сплавов. Например, магний входит в состав дюралюминия, а кальций – одним из компонентов свинцовых сплавов, необходимых для изготовления подшипников и оболочек кабелей.

В технике оксид кальция CaO называют негашеной известью, а MgO – жженой магнезией. Оба эти оксида используются в производстве строительных материалов.

Если порошок алюминия или тонкую алюминиевую фольгу сильно нагреть, то они воспламеняются и сгорают ослепительным пламенем:

4Al 0 + 3O 2 0 = 2Al 2 +3 O 3 -2

Это реакция используется для изготовления бенгальских огней и фейерверков.

Алюминий широко используется в металлургии для получения металлов – хрома, марганца, ванадия, титана, циркония из их оксидов. Этот способ носит название алюминотермии. На практике часто применяется термит – смесь Fe 3 O 4 с порошком алюминия. Если эту смесь поджечь, например, с помощью магниевой ленты, то происходит энергичная реакция с выделением большого количества теплоты:

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe

Же­ле­зо – это ос­но­ва со­вре­мен­ной тех­ни­ки и сель­ско­хо­зяй­ст­вен­но­го ма­ши­но­строе­ния, транс­пор­та и средств свя­зи, кос­ми­че­ских ко­раб­лей и во­об­ще всей со­вре­мен­ной про­мыш­лен­но­сти и ци­ви­ли­за­ции. Боль­шин­ст­во из­де­лий, на­чи­ная от швей­ной иг­лы и кон­чая кос­ми­че­ски­ми ап­па­ра­та­ми, не мо­жет быть из­го­тов­ле­но без при­ме­не­ния же­ле­за.

Суль­фи­ды ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов, со­дер­жа­щие в ма­лых ко­ли­че­ст­вах при­ме­сей тя­же­лых ме­тал­лов, по­сле пред­ва­ри­тель­но­го ос­ве­ще­ния на­чи­на­ют све­тить­ся раз­лич­ным цве­том – крас­ным, оран­же­вым, го­лу­бым, зе­ле­ным. Они вхо­дят в со­став спе­ци­аль­ных све­тя­щих­ся кра­сок, ко­то­рые на­зы­ва­ют фос­фо­ра­ми. Их используют для изготовления светящихся дорожных знаков, циферблатов и т.п.

CaCO 3 – карбонат кальция – одно из самых распространенных на Земле соединений. Нам ши­ро­ко из­вест­ны та­кие со­дер­жа­щие его ми­не­ра­лы, как мел, мра­мор, из­вест­няк. Так­же его при­ме­ня­ют для из­го­тов­ле­ния по­бел­ки.

Са­мый важ­ный из этих ми­не­ра­лов – из­вест­няк, без ко­то­ро­го не об­хо­дит­ся ни од­но строи­тель­ст­во. Во-пер­вых, он сам яв­ля­ет­ся пре­крас­ным строи­тель­ным кам­нем (вспом­ним зна­ме­ни­тые одес­ские ка­та­ком­бы – быв­шие ка­ме­но­лом­ни, в ко­то­рых до­бы­ва­ли ка­мень для строи­тель­ст­ва го­ро­да), во-вто­рых, это сы­рье для по­лу­че­ния дру­гих ма­те­риа­лов: це­мен­та, га­ше­ной и не­га­ше­ной из­вес­ти, стек­ла и др.

Известняковой щебенкой укрепляют дороги, а порошком – уменьшают кислотность почв.

Природный мел представляет собой остатки раковин древних животных (рисунок на странице 15 (слева)). Один из примеров использования мела мы хорошо знаем – это школьные мелки, зубные пасты. Мел используют в производстве бумаги, а также резины.

Мрамор – это минерал скульпторов, архитекторов и облицовщиков. Из мрамора создавал свои прекрасные творения Микеланджело (рисунок на странице 15(справа)), стены всемирно- известного индийского мавзолея Тадж-Махал выложены из мрамора, мрамором облицованы многие станции московского метро.

MgCO 3 – карбонат магния, широко применяется в производстве стекла, цемента, кирпича, а также в металлургии для перевода пустой породы, т.е. не содержащей соединения металла, в шлак.

CaSO 4 – сульфат кальция, встречается в природе в виде минерала гипса CaSO 4 * 2H 2 O, представляющего собой кристаллогидрат. Используется в строительстве, в медицине для наложения неподвижных гипсовых повязок, для получения слепков. Для этого применяют полуводный гипс 2CaSO 4 * H 2 O – алебастр, который при взаимодействии с водой образует двуводный гипс:

2CaSO 4 * H 2 O + H 2 O = 2CaSO 4 * H 2 O

Эта реакция идет с выделением теплоты.

MgSO 4 – сульфат магния, известный под названием горькая или английская соль, используемый в медицине в качестве слабительно средства. Содержится в морской воде и придает ей горький вкус.

BaSO 4 – сульфат бария благодаря нерастворимости и способности задерживать рентгеновские лучи применяется в рентгенодиагностике («баритовая каша») при заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Ca 3 (PO 4) 2 – фосфат кальция, входит в состав фосфоритов (горная порода) и апатитов (минералов), а также в состав костей и зубов в организме взрослого человека содержится более 1 кг. кальция в виде соединения Ca 3 (PO 4) 2 .

Корунд – минерал состава Al 2 O 3 , обладает очень высокой твердостью, его мелкозернистая разновидность, содержащая примеси, - наждак, применяется как абразивный (шлифовочный) материал.

Хо­ро­шо из­вест­ны про­зрач­ные ок­ра­шен­ные при­ме­ся­ми кри­стал­лы ко­рун­да: крас­ный – ру­би­ны и си­ние – сап­фи­ры, ко­то­рые ис­поль­зу­ют как дра­го­цен­ные кам­ни. В на­стоя­щее вре­мя их по­лу­ча­ют ис­кус­ст­вен­но и при­ме­ня­ют не толь­ко для ук­ра­ше­ний, но и для тех­ни­че­ских це­лей, на­при­мер, для из­го­тов­ле­ния де­та­лей ча­сов и дру­гих точ­ных при­бо­ров. Кри­стал­лы ру­би­нов при­ме­ня­ют в ла­зе­рах.

FeS 2 – не служит железной рудой для получения металлов, но применяется для производства серной кислоты.

Кристаллогидрат сульфата железа(II) FeSO * 7H 2 O, известны под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок и в других целях.

Хлорид железа(III) FeCl 3 используют в качестве протравы при крашении тканей.

Сульфат железа(III) Fe 2 (SO 4) 3 * 9H 2 O применяется для очистки воды и в других целях.

Нитрат серебра AgNO 3 , называемый также ляписом. Образует бесцветные прозрачные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяется в производстве фотоматериалов, при изготовлении зеркал, в гальванотехнике и в медицине.

VIII. Биологическая роль металлов.

Тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, мышьяк, ртуть, кадмий, хром, алюминий и др.) в микроколичествах необходимы организму и в основном они находятся в активных центрах коферментов (Л.Р. Ноздрюхина,1977, J.R.Glaister,1986).

При превышении допустимых концентраций они нарушают многие процессы в организме, начиная с клеточных мембран, т.к. многовалентные ионы металлов могут связываться со специфическими участками фосфолипидных полярных частей (В.А.Тутельян и др.,1987, F.W.Oehme,1978, L.J.Casaret et al.,1975). В результате этого взаимодействия происходит расширение или сжатие поверхности мембраны и, следовательно, изменение её обычных свойств (В.Калоус, З.Павличек,1985). Особенно опасны металлорганические соединения, т.к. они гораздо лучше проходят барьеры внутри организма. Некоторые металлы, например- свинец, стронций, иттрий, кадмий замещают в организме кальций, а это приводит к хрупкости костей.

Количество биологически активных химических элементов в организмах животных и тканях в основном зависит от их места обитания и особенностей потребления кормов (С.Ф. Тютиков и др., 1997). В большинстве случаях сельскохозяйственные животные страдают от дефицита и несбалансированности микроэлементов (К.К.Заневский, 1992). При содержании тяжелых металлов в почве выше допустимых норм отмечают повышение поступления указанных металлов в рационы и соответственно в продукцию животноводства, ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. Например, в пригородных хозяйствах при содержании в рационе тяжелых металлов- свинца, никеля, хрома и фтора в 2-7 раз выше ПДК содержание их в молоке оказалось в 1,25-2 раза выше допустимых (Н.И.Морозова, 1998). В Вологодской области из-за нехватки селена при избытке железа, марганца, кадмия отмечено поступление молока на молокозаводы с низкой титруемой кислотностью (В.И.Иванов,1995). Основной причиной являются выбросы предприятий Череповецкой промышленной зоны. Наличие тяжелых металлов влияет на качество сыра, при этом нарушается технология производства. В частности, ухудшается его вкус и запах становится нечистым, сыр легко крошится, творог становится мажущим (О.Ф.Сорокина и др., 1995). У овец, разводимых в промышленной зоне Ирака, отмечается депонирование в организме ртути, кадмия и свинца (Аббас,1991). У пятилетних овец содержание ртути и кадмия в мускулатуре выше МДУ (максимально допустимого уровня). На ингаляционное поступление этих тяжелых металлов указывали повышенные содержания кадмия и свинца в легких. Этот же автор указывает, что у овец, разводимых в сельскохозяйственных районах Ирака, содержание тяжелых металлов в тканях и органах оказались в 2-7 раз меньше, чем у животных, разводимых в промышленной зоне.

Авторы указывают, что поступление тяжелых металлов из почвы в растения возрастает параллельно с увлечением кислотности почвы. Это происходит потому, что их соединения лучше растворяются в кислой среде (Ge Y., Murray P., Hendershot W.H, 2000, Planquart P., Bonin G., Prone A., Massiani C., 1999). Доказано, что всасывание тяжелых металлов из тонкого отдела кишечника зависит от их растворимости в воде (C.A.Kan,1994). Известно, что длительное использование высоких доз азотных удобрений приводит к снижению микроэлементов в рационе (В.Т.Самохин и др., 1996). При техногенном загрязнении почвы тяжелыми металлами одновременно в ней возрастает доля их подвижных форм (В.А.Вострокнутов и др., 1998). Однако, с ростом доз азотных удобрений в почве отмечено небольшое увеличение концентрации Hg, Mn, Zn (А.А.Григорьев, В.В.Окороков, 1995). Почвенные микроорганизмы могут переводить нерастворимые формы солей в растворимые.

Таким образом, ещё многие и многие годы человечество будет использовать металлы, которые продолжают играть ведущую роль в развитии всех областей его жизнедеятельности.

Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать коррозионно-стойкие, сверхтвердые, тугоплавкие сплавы, применение которых сильно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплавов вольфрама и рения делают детали, работающие при температурах до 3000°С, в медицине используют хирургические инструменты из сплавов тантала и платины, уникальной керамики на основе оксидов титана и циркония.

IX. Спи­сок ис­поль­зо­ван­ной ли­те­ра­ту­ры.

1. «Общая химия»; Н.Л. Глинка; из­да­тель­ст­во «Интеграл-Пресс»; 2007 год.

2. «Не­обыч­ные свой­ст­ва обыч­ных ме­тал­лов»; В.А. Зай­мов­ский, Т.Л. Ко­лу­пае­ва; биб­лио­те­ка «Квант»; 1997 год.

3. «Маг­ни­ты из спла­вов ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лов с ко­баль­том»;
перевод Р.С. Торчиновой, Э.М. Лазарева; из­да­тель­ст­во «Москва»;1995 год.

4. «Уни­вер­саль­ный спра­воч­ник по хи­мии школь­ни­кам и аби­ту­ри­ен­там»; А.А. Пет­ров; из­да­тель­ст­во «Лист Нью»; 2003 год.

5. «Открой для себя мир химии. Часть 1»; Р.М. Голубева, Е.А. Алферова, Е.Ю. Раткевич, В. Шефер, П. Бенеш, Г.Н. Мансуров; издательство «Экомир»; Москва; 2004 год.

6. «Открой для себя мир химии. Часть 3»; Р.М. Голубева, Е.А. Алферова, Е.Ю. Раткевич, В. Шефер, П. Бенеш, Г.Н. Мансуров; издательство «Экомир»; Москва; 2004 год.

7. «Хи­мия. 10 класс»; О.С. Габ­рие­лян; Ф. М. Маскаев; из­да­тель­ст­во «Дро­фа»; Москва; 2005 год.

8. «Хи­мия. 11 класс»; О.С. Габ­рие­лян; Г. Г. Лысова; из­да­тель­ст­во «Дро­фа»; Москва; 2006 год.

9. «На­столь­ная кни­га для учи­те­ля по хи­мии. 9 класс»; О.С. Габ­рие­лян,
И.Г. Ост­ро­умов; из­да­тель­ст­во «Дро­фа»; Москва; 2005 год.

10. «На­столь­ная кни­га для учи­те­ля по хи­мии. 11 класс (часть II)»; О.С. Габ­рие­лян, Г.Г. Лысова; из­да­тель­ст­во «Дро­фа»; Москва; 2006 год.

11. «Общая и неорганическая химия»; Н.С. Ахметов; из­да­тель­ст­во «Высшая школа»; Москва; 2005 год.

Германий проявляет и некоторые неметаллические свойства, занимая промежуточное положение между металлами и неметаллами.

Взаимодействие натрия с водой.

Препятствует защитная плёнка на его поверхности.

Обелиск «Покорителям космоса» (облицовка из титана).

Мел под микроскопом.

Скульптуры Микеланджело (мрамор): «Раб, рвущий путы» (справа), «Давид» (слева).

Оглавление: I. По­ло­же­ние ме­тал­лов в пе­рио­ди­че­ской сис­те­ме. Строе­ние ато­мов ме­тал­лов (см. прил. №1). Груп­пы ме­тал­лов. II. Фи­зи­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов. III. По­ня­тие о спла­вах. IV. Хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме

Металлы - это элементы, проявляющие в своих соединениях только положительные степени окисления, и в простых веществах которые имеют металлические связи. Металлическая кристаллическая решетка - решетка, образованная нейтральными атомами и ионами металлов, связанными между собой свободными электронами. У металлов в узлах кристаллической решетки находятся атомы и положительные ионы. Электроны, отданные атомами, находятся в общем владении атомов и положительных ионов. Такая связь называется металлической . Для металлов наиболее характерны следующие физические свойства: металлический блеск, твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла и электричества. Теплопроводность и электропроводность уменьшается в ряду металлов: Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg .

Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее: алюминия -- 8,2%; железа -- 4,1%; кальция -- 4,1%; натрия -- 2,3%; магния -- 2,3%; калия - 2,1%; титана -- 0,56%.

С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым “металлическим” блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы - все остальные.

Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

Химические свойства металлов

Взаимодействие с простыми веществами:

1. с галогенами:

Na + Cl2 ? 2NaCl

2. с кислородом:

4Al + 3O2 ? 2Al2O3

В реакциях с галогенами и кислородом металлы наиболее энергично проявляют восстановительные способности.

3. с серой:

4. с азотом:

3Mg + N2 ? Mg3N2

5. с фосфором:

3Ca + 2P ? Ca3P2

6. с водородом:

Наиболее активные металлы главных подгрупп являются сильными восстановителями, поэтому восстанавливают водород до степени окисления -1 и образуют гидриды.

Взаимодействие со сложными веществами:

1. с кислотами:

2Al +3H2SO4 ? Al2(SO4)3 + 3H2

2Al + 6H + 3SO4 ? 2Al + 3SO4 + 3H2

2Al + 6H ? 2Al + 3H2

Металлы, которые в электрохимическом ряду напряжений металлов находятся до водорода, восстанавливают ионы водорода из разбавленных кислот, а те, которые находятся после водорода, восстанавливают атом основного элемента, образующего данную кислоту.

2. с водными растворами солей:

Zn + Pb(NO3)2 ? Zn(NO3)2 + Pb

Zn + Pb + 2NO3 = Zn + 2NO3 + Pb

Zn + Pb = Zn + Pb

При взаимодействии с водными растворами солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее, восстанавливают металлы, находящиеся в этом ряду правее от них. Однако металлы с сильными восстановительными свойствами (Li, Na, K, Ca) в этих условиях будут восстанавливать водород воды, а не металл соответствующей соли.

3. с водой:

Самые активные металлы реагируют с водой при обычных условиях, и в результате этих реакций образуются растворимые в воде основания и выделяется водород.

2Na + 2HOH ? 2NaOH + H2

Менее активные металлы реагируют с водой при повышенной температуре с выделением водорода и образованием оксида соответствующего металла.

Zn + H2O ? ZnO +H2

Характеристика металлов главной подгруппы I группы .

Главную подгруппу I группы периодической системы составляют литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.

Все щелочные металлы имеют один s-электрон на внешнем электронном слое, который при химических реакциях легко теряют, проявляя степень окисления +1. Поэтому щелочные металлы являются сильными восстановителями. Радиусы их атомов возрастают от лития к францию. Электрон внешнего слоя с возрастанием радиуса атома находится все дальше от ядра, силы притяжения ослабевают и, следовательно, увеличивается способность к отдаче этого электрона, т.е. химическая активность. В электрохимическом ряду напряжений металлов все щелочные металлы стоят левее водорода. Все щелочные металлы в твердом состоянии хорошо проводят электрический ток. Они легкоплавки, быстро окисляются на воздухе, поэтому их хранят без доступа воздуха и влаги, чаще всего под керосином. Щелочные металлы образуют соединения с преимущественно ионной связью. Оксиды щелочных металлов - твердые гигроскопичные вещества, легко взаимодействующие с водой. При этом образуются гидроксиды - твердые вещества, хорошо растворимые в воде. Соли щелочных металлов, как правило, тоже хорошо растворяются в воде.

Все щелочные металлы - очень сильные восстановители, в соединениях проявляют единственную степень окисления +1. Восстановительная способность увеличивается в ряду --Li-Na-K-Rb-Cs.
Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер.
Практически все соли растворимы в воде.

1. Активно взаимодействуют с водой:

2Na + 2H2O ? 2NaOH + H2-
2Li + 2H2O ? 2LiOH + H2-

2. Реакция с кислотами:

2Na + 2HCl ? 2NaCl + H2

3. Реакция с кислородом:

4Li + O2 ? 2Li2O(оксид лития)
2Na + O2 ? Na2O2(пероксид натрия)
K + O2 ? KO2(надпероксид калия)

На воздухе щелочные металлы мгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей (керосин и др.).

4. В реакциях с другими неметаллами образуются бинарные соединения:

2Li + Cl2 > 2LiCl(галогениды)
2Na + S ? Na2S(сульфиды)
2Na + H2 > 2NaH(гидриды)
6Li + N2 ? 2Li3N(нитриды)
2Li + 2C > 2Li2C2(карбиды)

Реагируют со спиртами и галогенопроизводными углеводородов (смотри "Органическую химию")

5. Качественная реакция на катионы щелочных металлов - окрашивание пламени в следующие цвета:

Li+ - карминово-красный
Na+ - желтый
K+, Rb+ и Cs+ - фиолетовый

II группы.

Главную подгруппу II группы Периодической системы элементов составляют бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.

Атомы этих элементов имеют на внешнем электронном уровне два s-электрона: ns2. В хим. реакциях атомы элементов подгруппы легко отдают оба электрона внешнего энергетического уровня и образуют соединения, в которых степень окисления элемента равна +2.

Все элементы этой подгруппы относятся к металлам. Кальций, стронций, барий и радий называются щелочноземельными металлами.

В свободном состоянии эти металлы в природе не встречаются. К числу наиболее распространенных элементов относятся кальций и магний. Основными кальцийсодержащими минералами являются кальцит CaCO3 (его разновидности - известняк, мел, мрамор), ангидрит CaSO4, гипс CaSO4 · 2H2O , флюорит CaF2 и фторапатит Ca5(PO4)3F. Магний входит в состав минералов магнезита MgCO3, доломита MgCO3 · CaCo3, карналлита KCl · MgCl2 · 6H2O. Соединения магния в больших количествах содержатся в морской воде.

Свойства. Бериллий, магний, кальций, барий и радий - металлы серебристо-белого цвета. Стронций имеет золотистый цвет. Эти металлы легкие, особенно низкие плотности имеют кальций, магний, бериллий.

Радий является радиоактивным химическим элементом.

Бериллий, магний и особенно щелочноземельные элементы - химически активные металлы. Они являются сильными восстановителями. Из металлов этой подгруппы несколько менее активен бериллий, что обусловлено образованием на поверхности этого металла защитной оксидной пленки.

1. Взаимодействие с простыми веществами. Все легко взаимодействуют с кислородом и серой, образуя оксиды и сульфаты:

Бериллий и магний реагируют с кислородом и серой при нагревании, остальные металлы - при обычных условиях.

Все металлы этой группы легко реагируют с галогенами:

Mg + Cl2 = MgCl2

При нагревании все реагируют с водородом, азотом, углеродом, кремнием и другими неметаллами:

Ca + H2 = CaH2 (гидрид кальция)

3Mg + N2 = Mg3N2 (нитрид магния)

Ca + 2C = CaC2 (карбид кальция)

Карибит кальция - бесцветное кристаллическое вещество. Технический карбит, содержащий различные примеси, может иметь цвет серый, коричневый и даже черный. Карбит кальция разлагается водой с образованием газа ацетилена C2H2 - важного продукта хим. промышленности:

CaC2 + 2H2O = CaOH)2 + C2H2

Расплавленные металлы могут соединяться с другими металлами, образуя интерметаллические соединения, например CaSn3, Ca2Sn.

2. Взаимодействуют с водой. Бериллий с водой не взаимодействует, т.к. реакции препятствует защитная пленка оксида на поверхности металла. Магний реагирует с водой при нагревании:

Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2

Остальные металлы активно взаимодействуют с водой при обычных условиях:

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2

3. Взаимодействие с кислотами. Все взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной серной кислотами с выделением водорода:

Be + 2HCl = BeCl2 + H2

Разбавленную азотную кислоту металлы восстанавливают главным образом до аммиака или нитрата аммония:

2Ca + 10HNO3(разб.) = 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

В концентрированных азотной и серной кислотах (без нагревания) бериллий пассивирует, остальные металлы реагируют с этими кислотами.

4. Взаимодействие с щелочами. Бериллий взаимодействует с водными растворами щелочей с образованием комплексной соли и выделением водорода:

Be + 2NaOH + 2H2O = Na2 + H2

Магний и щелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.

5. Взаимодействие с оксидами и солями металлов. Магний и щелочноземельные металлы могут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей:

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

V2O5 + 5Ca = 2V + 5CaO

Бериллий, магний и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их хлоридов или термическим восстановлением их соединений:

BeF2 + Mg = Be + MgF2

MgO + C = Mg + CO

3CaO + 2Al = 2Ca + Al2O3

3BaO + 2Al = 3Ba + Al2O3

Радий получают в виде сплава с ртутью электролизом водного раствора RaCl2 с ртутным катодом.

Получение:

1) Окисление металлов (кроме Ba, который образует пероксид)

2) Термическое разложение нитратов или карбонатов

CaCO3 -t°? CaO + CO2-

2Mg(NO3)2 -t°? 2MgO + 4NO2- + O2-

Характеристика элементов главной подгруппы III группы. Алюминий.

Алюминий находится в главной подгруппе III группы периодической системы. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеются свободные р-орбитали, что позволяет ему переходить в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атом алюминия образует три ковалентные связи или полностью отдает три валентных электрона, проявляя степень окисления +3.

Алюминий является самым распространенным металлом на Земле: его массовая доля в земной коре составляет 8,8%. Основная масса природного алюминия входит в состав алюмосиликатов - веществ, главными компонентами которых являются оксиды кремния и алюминия.

Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета, плавится при 600°C, очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в листы и фольгу. По электропроводности алюминий устпает лишь серебру и меди.

Взаимодействие с простыми веществами:

1. с галогенами:

2Al + 3Cl2 ? 2AlCl3

2. с кислородом:

4Al + 3O2 ? 2Al2O3

3. с серой:

2Al + 3S ? Al2S3

4. с азотом:

С водородом алюминий непосредственно не реагирует, но его гидрид AlH3 получен косвенным путем.

Взаимодействие со сложными веществами:

1. с кислотами:

2Al + 6HCl ? 2AlCl3 + 3H2

2. со щелочами:

2Al + 2NaOH + 6H2O ? 2Na + 3H2

Если NaOH в твердом состоянии:

2Al + 2NaOH + 6H2O ? 2NaAlO2 + 3H2

3. с водой:

2Al + 6H2O ? 2Al(OH)3 + 3H2

Свойства оксида и гидроксида алюминия :

Оксид алюминия, или глинозем, Al2O3 представляет собой белый порошок. Оксид алюминия можно получить, сжигая металл или прокаливая гидроксид алюминия:

2Al(OH)3 ? Al2O3 + 3H2O

Оксид алюминия практически не растворяется в воде. Соответствующий этому оксиду гидроксид Al(OH)3 получают действием гидроксида аммония или растворов щелочей, взятых в недостатке, на растворы солей алюминия:

AlCl3 + 3NH3 · H2O ? Al(OH)3 ? + 3NH4Cl

Оксид и гидроксид этого металла являются амфотерными, т.е. проявляют как основные, так и кислотные свойства.

Основные свойства:

Al2O3 + 6HCl ? 2AlCl3 + 3H2O

2Al(OH)3 + 3H2SO4 ? Al2(SO4)3 + 6H2O

Кислотные свойства :

Al2O3 + 6KOH +3H2O ? 2K3

2Al(OH)3 + 6KOH ? K3

Al2O3 + 2NaOH ? 2NaAlO2 + H2O

Алюминий получают электролитическим методом. Он не может быть выделен из водных растворов солей, т.к. является очень активным металлом. Поэтому основным промышленным методом получения металлического алюминия является электролиз расплава, содержащего оксид алюминия и криолит.

Металлический алюминий широко используется в промышленности, по объему производства занимает второе место после железа. Основная масса алюминия идет на изготовление сплавов:

Дуралюмин - сплав алюминия, содержащий медь и небольшое количество магния, марганца и других компонентов. Дуралюмины - легкие прочные и коррозионностойкие сплавы. Используют в авиа- и машиностроении.

Магналин - сплав алюминия с магнием. Используют в авиа- и машиностроении, в строительстве. Стоек к коррозии в морской воде, поэтому его применяют в судостроении. Силумин - сплав алюминия, содержащий кремний. Хорошо подвергается литью. Этот сплав используют в автомобиле-, авиа- и машиностроении, производстве точных приборов. Алюминий - пластичный металл, поэтому из него изготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехнических изделий и для упаковки товаров. Из алюминия делают провода, краски «под серебро».

Переходные металлы.

Железо.

В периодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе VIII группы.

Порядковый номер - 26, электронная формула 1s2 2s2 2p6 3d6 4s2.

Валентные электроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s2) и предпоследнем (3d6). В химических реакциях железо может отдавать эти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и, иногда, +6.

Железо является вторым по распространенности металлом в природе (после алюминия).Наиболее важные природные соединения: Fe2O3 3H2O - бурый железняк;Fe2O3 - красный железняк;Fe3O4(FeO Fe2O3) - магнитный железняк;FeS2 - железный колчедан (пирит).Соединения железа входят в состав живых организмов.

Железо - серебристо серый металл, обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами. Плотность железа - 7,87 г/см3, температура плавления 1539С.

В промышленности железо получают восстановлением его из железных руд углеродом (коксом) и оксидом углерода (II) в доменных печах. Химизм доменного процесса следующий:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2,

FeO + CO = Fe + CO2.

В реакциях железо является восстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже с самыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но при нагревании становится активным и реагирует с ними:

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Хлорид железа (III)

3Fe + 2O2 = Fe3O4(FeO Fe2O3) Оксид железа (II,III)

Fe + S = FeS Сульфид железа (II)

При очень высокой температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором:

3Fe + C = Fe3C Карбид железа (цементит)

3Fe + Si = Fe3Si Силицид железа

3Fe + 2P = Fe3P2 Фосфид железа (II)

Во влажном воздухе железо быстро окисляется (корродирует):

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3,

Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности. Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

Железо реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами, вытесняя из кислот водород:

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

При обычной температуре железо не взаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею. При нагревании концентрированная H2SO4 окисляет железо до сульфита железа (III):

2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.

Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа (III):

Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O.

Концентрированная азотная кислота пассивирует железо.

Из растворов солей железо вытесняет металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu, Fe0 + Cu2+ = Fe2+ + Cu0.

Оксид железа (II) FeO - черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксида железа(II,III) оксидом углерода (II):

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2.

Оксид железа (II) - основной оксид, легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа(II):

FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O, FeO + 2H+ = Fe2+ + H2O.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 - порошок белого цвета, не растворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их со щелочами:

FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4,

Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:

Fe(OH)2 + 2HCl = FeCl2 + 2H2O,

Fe(OH)2 + 2H+ = Fe2+ + 2H2O.

При нагревании гидроксид железа (II) разлагается:

Fe(OH)2 = FeO + H2O.

Соединения со степенью окисления железа +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe2+ легко окисляются до Fe+3:

Fe+2 - 1e = Fe+3

Так, свежеполученный зеленоватый осадок Fe(OH)2 на воздухе очень быстро изменяет окраску - буреет. Изменение окраски объясняется окислением Fe(OH)2 в Fe(OH)3 кислородом воздуха:

4Fe+2(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe+3(OH)3.

Оксид железа (III) Fe 2 O 3 - порошок бурого цвета, не растворяется в воде. Оксид железа (III) получают:

А) разложением гидроксида железа (III):

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O

Б) окислением пирита (FeS2):

4Fe+2S2-1 + 11O20 = 2Fe2+3O3 + 8S+4O2-2.

Оксид железа (III) проявляет амфотерные свойства:

А) взаимодействует с твердыми щелочами NaOH и KOH и с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:

Fe2O3 + 2NaOH = 2NaFeO2 + H2O,

Fe2O3 + 2OH- = 2FeO2- + H2O,

Fe2O3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2.

Феррит натрия

Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) при взаимодействии их со щелочами:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl,

Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3.

Гидроксид железа (III) является более слабым основанием, чем Fe(OH)2, и проявляет амфотерные свойства (с преобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH)3 легко образует соответствующие соли:

Fe(OH)3 + 3HCl FeCl3 + H2O

2Fe(OH)3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 6H2O

Fe(OH)3 + 3H+ Fe3+ + 3H2O

Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании.

Соединения со степенью окисления железа +3 проявляют окислительные свойства, так как под действием восстановителей Fe+3 превращается в Fe+2:

Fe+3 + 1e = Fe+2.

Так, например, хлорид железа (III) окисляет йодид калия до свободного йода:

2Fe+3Cl3 + 2KI = 2Fe+2Cl2 + 2KCl + I20

Хром.

Хром находится в побочной подгруппе VI группы Периодической системы. Строение электронной оболочки хрома: Cr3d54s1.

Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,02%. Важнейшими минералами, входящими в состав хромовых руд, являются хромит, или хромистый железняк, и его разновидности, в которых железо частично заменено на магний, а хром - на алюминий.

Хром - серебристо серый металл. Чистый хром достаточно пластичный, а технический самый твердый из всех металлов.

Хром химически малоактивен. В обычных условиях он реагирует только с фтором (из неметаллов), образуя смесь фторидов. При высоких температурах (выше 600°C) взаимодействует с кислородом, галогенами, азотом, кремнием, бором, серой, фосфором:

4Cr + 3O2 -t°? 2Cr2O3

2Cr + 3Cl2 -t°? 2CrCl3

2Cr + N2 -t°? 2CrN

2Cr + 3S -t°? Cr2S3

В азотной и концентрированной серной кислотах он пассивирует, покрываясь защитной оксидной пленкой. В хлороводородной и разбавленной серной кислотах растворяется, при этом, если кислота полностью освобождена от растворенного кислорода, получаются соли хрома(II), а если реакция протекает на воздухе - соли хрома (III):

Cr + 2HCl ? CrCl2 + H2-

2Cr + 6HCl + O2 ? 2CrCl3 + 2H2O + H2-

Оксид хрома (II) и гидроксид хрома (II) имеют основной характер.

Cr(OH)2 + 2HCl ? CrCl2 + 2H2O

Соединения хрома (II) - сильные восстановители; переходят в соединения хрома (III) под действием кислорода воздуха.

2CrCl2 + 2HCl ? 2CrCl3 + H2-

4Cr(OH)2 + O2 + 2H2O ? 4Cr(OH)3

Соединения трёхвалентного хрома

Оксид хрома (III) Cr2O3 - зелёный, нерастворимый в воде порошок. Может быть получен при прокаливании гидроксида хрома (III) или дихроматов калия и аммония:

2Cr(OH)3 -t°? Cr2O3 + 3H2O

4K2Cr2O7 -t°? 2Cr2O3 + 4K2CrO4 + 3O2-

(NH4)2Cr2O7 -t°? Cr2O3 + N2-+ 4H2O-

Амфотерный оксид. При сплавлении Cr2O3 со щелочами, содой и кислыми солями получаются соединения хрома со степенью окисления (+3):

Cr2O3 + 2NaOH ? 2NaCrO2 + H2O

Cr2O3 + Na2CO3 ? 2NaCrO2 + CO2-

Cr2O3 + 6KHSO4 ? Cr2(SO4)3 + 3K2SO4 + 3H2O

При сплавлении со смесью щёлочи и окислителя получают соединения хрома в степени окисления (+6):

2Cr2O3 + 4KOH + KClO3 ? 2K2Cr2O7(дихромат калия) + KCl + 2H2O

Гидроксид хрома (III) Cr(OH)3 - нерастворимое в воде вещество зелёного цвета.

Cr2(SO4)3 + 6NaOH ?2Cr(OH)3Ї + 3Na2SO4

Обладает амфотерными свойствами - растворяется как в кислотах, так и в щелочах:

2Cr(OH)3 + 3H2SO4 ? Cr2(SO4)3 + 6H2O

Cr(OH)3 + KOH ? K

Оксид хрома (VI) CrO3 - ярко-красные кристаллы, растворимые в воде.

Получают из хромата (или дихромата) калия и H2SO4(конц.).

K2CrO4 + H2SO4 ? CrO3 + K2SO4 + H2O

K2Cr2O7 + H2SO4 ? 2CrO3 + K2SO4 + H2O

CrO3 - кислотный оксид, со щелочами образует жёлтые хроматы CrO42-:

CrO3 + 2KOH ? K2CrO4 + H2O

В кислой среде хроматы превращаются в оранжевые дихроматы Cr2O72-:

2K2CrO4 + H2SO4 ? K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O

В щелочной среде эта реакция протекает в обратном направлении:

K2Cr2O7 + 2KOH ? 2K2CrO4 + H2O

Все соединения хрома (VI) - сильные окислители.

4CrO3 + 3S ? 3SO2- + 2Cr2O3

Медь.

Медь находится в побочной подгруппе I группы Периодической системы. Строение электронных оболочек атомов элементов этой подгруппы выражается формулой (n-1)d10ns1. На внешнем энергетическом уровне атома находится один электрон, однако в образовании хим. связей могут принимать участие и электроны с d-подуровня предпоследнего уровня. Поэтому они могут проявлять степени окисления +1, +2, +3, для меди наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +2.

Медь - мягкий пластичный металл, имеет розово-красную окраску. Обладает высокой электрической проводимостью.

Медь - химически малоактивный металл. С кислородом реагирует только при нагревании:

Не реагирует с водой, растворами щелочей, хлороводородной и разбавленной серной кислотами. Медь растворяется в кислотах, являющихся сильными окислителями:

3Cu + 8HNO3 (разб.) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Cu + 2H2SO4 (конц.) = CuSO4 + SO2 +2H2O

Во влажной атмосфере, содержащей диоксид углерода, поверхность меди обычно покрывается зеленоватым налетом основного карбоната меди:

2Cu + O2 + CO2 +H2O = Cu(OH)2 · CuCO3

Оксид меди (II) CuO - черное вещество, может быть получен из простых веществ или путем нагревания гидроксида меди (II):

Cu(OH)2 = CuO + H2O

Гидроксид меди (II) представляет собой малорастворимое в воде соединение голубого цвета. Легко растворяется в кислотах и при нагревании в концентрированных растворах щелочей, т.е. проявляет свойства амфотерного гидроксида:

Cu(OH)2 + H2SO4 = CuSO4 + 2H2O

Cu(OH)2 + 2KOH = K2

Основная масса производимой меди используется в электротехнической промышленности. В больших количествах медь идет на производство сплавов.

Цинк.

Цинк находится в побочной подгруппе II группы. Атомы элементов этой подгруппы имеют следующую электронную оболочку: (n-1)s2p6d10ns2. Проявляют в соединениях степень окисления +2.

Цинк - серебристо-белый металл. Обладает хорошей электро- и теплопроводимостью. На воздухе цинк покрывается защитной пленкой оксидов и гидроксидов, которая ослабляет его металлический блеск.

Цинк - химически активный металл. При нагревании легко взаимодействует с неметаллами (серой, хлором, кислородом):

Растворяется в разбавленных и концентрированных кислотах HCl, H2SO4, HNO3 и в водных растворах щелочей:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 + H2

Оксид цинка - белое вещество, практически нерастворимое в воде. Оксид и гидроксид цинка являются амфотерными соединениями; они реагируют с кислотами и щелочами:

ZnO +2HCl = ZnCl2 + H2O

ZnO + 2KOH + H2O = K2

Гидроксид цинка растворяется в водном растворе аммиака, образуя комплексное соединение:

Zn(OH)2 + 6NH3 = (OH)2

При получение цинка его руды подвергают обжигу:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

ZnO + C = Zn + CO

Для получения более чистого металла оксид цинка растворяют в серной кислоте и выделяют электролизом.

Цинк используют для производства сплавов. Цинком покрывают стальные и чугунные изделия для защиты их от коррозии.

Понятие о сплавах.

Характерной особенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергают плавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяется природой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости от температуры. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, не прибегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы - это продукты химического взаимодействия металлов.

Кристаллическая структура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуя друг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а) химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в) механическую смесь кристаллов компонентов.

Тот или иной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействия разнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергий взаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.

Современная техника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаев они состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов. Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойств индивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5 градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температуры плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов.

Однако некоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которые характерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы и фосфора, увеличивающие ее хрупкость.

Среди свойств сплавов наиболее важными для практического применения являются жаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, для металлообрабатывающей промышленности - специальные сплавы, содержащие вольфрам, кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентом которых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продукты взаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, а сверхпроводящие при низких температурах сплавы - на основе интерметаллидов, образуемых ниобием с оловом и др.

Качественное изготовление металлоизделий в Москве на современных станках.

План лекции

1. Положение металлов в периодической системе.

2. Особенности электронного строения их атомов.

3. Металлическая химическая связь.

4. Физические свойства металлов

5. Химические свойства металлов.

6. Способы получения металлов.

1. Особенности электронного строения металлов.

Металлы - это химические элементы, атомы которых отдают электроны внешнего (а иногда предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы. Металлы – восстановители Ме 0 – nе = Ме n+ . Это обусловлено небольшим числом электронов внешнего слоя (в основном 1 - 3), большим радиусом атомов, вследствие чего эти электроны слабо удерживаются с ядром.

2. Положение металлов в ПСХЭ.

Легко увидеть, что большинство элементов ПСХЭ – металлы (92 из 114).

Металлы размещены в левом нижнем углу ПСХЭ. Это все элементы, расположенные ниже диагонали В – А t , даже те у которых на внешнем слое 4 электрона (Je , Sn , Pb ), 5 электронов (Sb , Di ), 6 электронов (Po ), так как они отличаются большим радиусом. Среди них есть s и p -элементы – металлы главных подгрупп, а также d и f металлы, образующие побочные подгруппы.

В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе, различают переходные (элементы побочных подгрупп) и непереходные металлы (элементы главных подгрупп). Металлы главных подгрупп характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение электронных s- и р-подуровней. В атомах металлов побочных подгрупп происходит достраивание d- и f-подуровней.

Закономерности в изменении свойств элементов – металлов.

Признаки сравнения	В главной подгруппе	В периоде
Число электронов на внешнем слое	не изменяется	увеличивается
Радиус атома	увеличивается	уменьшается
Электроотрицательность	уменьшается	увеличивается
Восстановительные свойства	усиливаются	уменьшаются
Металлические свойства	усиливаются	уменьшаются

У элементов – металлов побочных подгрупп свойства чуть-чуть другие.

В побочных подгруппах (Cu , Ag , Au ) – активност ь элементов – металлов падает. Эта закономерность наблюдается и у элементов второй побочной подгруппы Zn , Cd , Hg . У элементов побочных подгрупп – это элементы 4-7 периодов – с увеличением порядкового элемента радиус атомов изменятся мало, а величина заряда ядра увеличивается значительно, поэтому прочность связи валентных электронов с ядром усиливается, восстановительные свойства ослабевают.

3. Металлическая химическая связь. Кристаллические решетки.

Связь в металлах между («атом-ионами») посредством (большого количества не связанных с ядрами подвижных электронов) называется (металлической связью) .

Все металлы являются кристаллическими телами, имею­щими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ ). Такой тип структуры называется металлической связью .

Тип ре­шетки определяется формой элементарного геометриче­ского тела, многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку данного кристал­лического тела.

Обобщим сведения о типе химической связи, образуемой атомами металлов и строение кристаллической решетки:

Сравнительно небольшое количество электронов одновременно связывают множество ядер, связь делаколизована;

Валентные электроны свободно перемещаются по всему куску металла, который в целом электронейтрален;

Металлическая связь не обладает направляемостью и насыщенностью.

4. Физические свойства металлов

В соответствие именно с таким строением металлы характеризуются общими физическими свойствами.

А) твердость – все металлы кроме ртути, при обычных условиях твердые вещества. Самые мягкие – натрий, калий. Их можно резать ножом; самый твердый хром – царапает стекло.

Б) плотность. Металлы делятся на мягкие (5г/см³) и тяжелые (меньше 5г/см³).

В) плавкость. Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

Г) электропроводность, теплопроводность металлов обусловлена их строением. Хаотически движущиеся электроны под действием электрического напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает электрический ток.

При повышении температуры амплитуда движения атомов и ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки резко возрастает, и это мешает движению электронов, и электропроводность металлов падает.

Д) металлический блеск – электроны, заполняющие межатомное пространство отражают световые лучи, а не пропускают как стекло. Поэтому все металлы в кристаллическом состоянии имеют металлический блеск. Для большинства металлов в ровной степени рассеиваются все лучи видимой части спектра, поэтому они имеют серебристо-белый цвет. Только золото и медь в большой степени поглощают короткие волны и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют желтый цвет. Самые блестящие металлы – ртуть, серебро, палладий. В порошке все металлы, кроме Al и Mg , теряют блеск и имеют черный или темно-серый цвет.

Е) пластичность. Механическое воздействие на кристалл с металлической решеткой вызывает только смещение слоев атомов и не сопровождается разрывом связи, и поэтому металл характеризуется высокой пластичностью.

Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и др. способны по достижении определенных температур изменять кристаллическое строение. Это явление получило название аллотропии или полиморфизма , а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.

5.
Химические свойства металлов.

Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов: чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.

А) Взаимодействие с неметаллами ( в названиях полученных веществ окончание

-иды)

2Mg 0 +O 2 0 ->2Mg 2+ O 2- (оксид магния)

Fe 0 + S 0 -> Fe 2+ S 2- (сульфид железа II )

Б) Взаимодействие с водой. Самые активные металлы реагируют с водой при обычных условиях, и в результате этих реакций образуются растворимые в воде основания и выделяется водород

2 Na + 2 HOH = 2 NaOH + H 2

2 Li 0 +2 H 2 + O 2– -> 2 Li + O 2- H + + H 2 0

Менее активные металлы реагируют с водой при повышенной температуре с выделением водорода и образованием оксида соответствующего металла Zn + H 2 O = ZnO +H 2

В) Взаимодействие с растворами кислот. Происходит при соблюдении ряда условий

· Металл должен находиться левее в ряду напряжений металлов;

· Для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они взаимодействуют с водой в растворе кислоты;

· По особому взаимодействуют с металлами концентрированные азотная и серная кислоты;

2H + Cl – +Zn0 → Zn 2+ Cl 2 - +H 2 0

Г) Взаимодействие с растворами солей. При этом соблюдаются следующие условия

· Металл должен находиться в ряду напряжений левее металла, образующего соль;

· В результате реакции должна образовываться растворимая соль, иначе металл покроется осадком и доступ кислоты к металлу прекратиться;

· Для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они взаимодействуют с водой в растворе соли;

Fe 0 +Cu 2+ Cl 2 – →Fe 2+ Cl 2 – +Cu 0

Д) Взаимодействие со щелочами (только амфотерные)

Be + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2

Магний и щелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.

Е) Взаимодействие с оксидами металлов (металлотермия).

Некоторые активные металлы способны вытеснять другие металлы из их оксидов при поджигании смеси.

2Al 0 + Fe 2 O 3 = Al 2 O 3 +2 Fe 0

Ж) Коррозия (будет рассмотрена на другом занятии).

6. Способы получения металлов

Существуют несколько основных способов получения - металлов.
а) Пирометаллургия – это получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей (C, CO, H 2 , Al, Mg и др.).

Из их оксидов углем или оксидом углерода (II)
ZnО + С = Zn + СО
Fе 2 О 3 + ЗСО = 2Fе + ЗСО 2
- водородом
WO 3 + 3H 2 =W + 3H 2 O
СоО + Н 2 = Со + Н 2 О
- алюминотермия
4Аl + ЗМnО 2 = 2А1 2 О 3 + ЗМn

б) Гидрометаллургия – это получение металлов, которое состоит из двух процессов: сначала природное соединение металла (оксид) растворяют в кислоте, в результате чего получают соль металла. Затем из полученного раствора необходимый металл вытесняют более активным металлом. Например:

CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O,

CuSO 4 + Zn = ZnSO 4 + Cu.

Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов (например, углем):
2ZnS + ЗО 2 = 2ZnО + 2SО 2
ZnО + С = СО + Zn

в) Электрометаллургия – это получение металлов при электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя при этом играет электрический ток .

СuСl 2 → Сu 2 + 2Сl -
Катод (восстановление): Сu 2+ - 2е - = Сu 0

Анод (окисление): 2Cl - - 2е - = Сl° 2

Контрольные вопросы

1. Где расположены металлы в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?

2. Каковы особенности строения атомов металлов?
3. В чём различие в строении внешнего энергетического уровня у металлов и неметаллов?
4. Сколько наружных электронов имеют атомы металлов главных и побочных подгрупп?
5. В каких формах могут находиться металлы в природе?
6. Как устроена кристаллическая решетка металлов?
7. Каковы физические свойства металлов?

8. Как можно получить металлы из их соединений?
9. Как ведут себя атомы металлов в химических реакциях и почему?
10. Какие свойства – окислителей или восстановителей – проявляют металлы в химических реакциях?
11. Расскажите об электрохимическом ряде напряжений металлов.
12. Перечислите реакции, в которые могут вступать металлы.
13. Каково значение металлов в жизни человека?

Подавляющее большинство (93 из 117) известных в настоящее время химических элементов относится к металлам.
Атомы различных металлов имеют много общего в строении, а образуемые ими простые и сложные вещества имеют схожие свойства (физические и химические).

Положение в периодической системе и строение атомов металлов.

В периодической системе металлы располагаются левее и ниже условной ломаной линии, проходящей от бора к астату (см. таблицу ниже). К металлам относятся почти все s-элементы (за исключением Н, Не), примерно половина р -элементов, все d — и f -элементы (лантаниды и актиниды ).

У большинства атомов металлов на внешнем энергетическом уровне содержится небольшое число (до 3) электронов, только у некоторых атомов р-элементов (Sn, Pb, Bi, Ро) их больше (от четырех до шести). Валентные электроны атомов металлов слабо (по сравнению с атомами неметаллов) связаны с ядром. Поэтому атомы металлов относительно легко отдают эти электроны другим атомам, выступая в химических реакциях только в качестве восстановителей и превращаясь при этом в положительно заряженные катионы:

Me - пе – = Ме n+ .

В отличие от неметаллов для атомов металлов характерны только положительные степени окисления от +1 до +8.

Легкость, с которой атомы металла отдают свои валентные электроны другим атомам, характеризует восстановительную активность данного металла. Чем легче атом металла отдает свои электроны, тем он более сильный восстановитель. Если расположить в ряд металлы в порядке уменьшения их восстановительной способности в водных растворах, мы получим известный нам вытеснительный ряд металлов , который называется также электрохимическим рядом напряжений (или рядом активности ) металлов (см. таблицу ниже).

Распространенность м еталлов в природе .

В первую тройку наиболее распространенных в земной коре (это поверхностный слой нашей планеты толщиной примерно 16 км) металлов входят алюминий, железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.

железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.

Распространенность металлов в земной коре

Металл		Металл	Массовая доля в земной коре, %
Al	8,8	Cr	8,3 ∙ 10 -3
Fe	4,65	Zn	8,3 ∙ 10 -3
Ca	3,38	Ni	8 ∙ 10 -3
Na	2,65	Cu	4,7 ∙ 10 -3
K	2,41	Pb	1,6 ∙ 10 -3
Mg	2,35	Ag	7 ∙ 10 -6
Ti	0,57	Hg	1,35 ∙ 10 -6
Mn	0,10	Au	5 ∙ 10 -8

Элементы, массовая доля которых в земной коре составляет менее 0,01 %, называются редкими . К числу редких металлов относятся, например, все лантаниды. Если элемент не способен концентрироваться в земной коре, т. е. не образует собственных руд, а встречается в качестве примеси с другими элементами, то его относят к рассеянным элементам. Рассеянными, например, являются следующие металлы: Sc, Ga, In, Tl, Hf.

В 40-х годах XX в. немецкие ученые Вальтер и Ида Нолла к высказали мысль о том. что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все химические элементы периодической системы. Вначале эти слова были встречены их коллегами далеко не с единодушным одобрением. Однако по мере появления все более точных методов анализа ученые все больше убеждаются в справедливости этих слов.

Поскольку все живые организмы находятся в тесном контакте с окружающей средой, то и в каждом из них должны содержаться если не все, то большая часть химических элементов периодической системы. Например, в организме взрослого человека массовая доля неорганических веществ составляет 6 %. Из металлов в этих соединениях присутствуют Mg, Са, Na, К. В составе многих ферментов и иных биологически активных органических соединений в нашем организме содержатся V, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Mo, Сг и некоторые другие металлы.

В организме взрослого человека содержится в среднем около 140 г ионов калия и около 100 г ионов натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 г до 7 г ионов калия и от 2 г до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах натрия настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу. Значительная потеря ионов натрия (в виде NaCl с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют пить минеральную воду. Однако и избыточное содержание соли в пище негативно сказывается на работе наших внутренних органов (в первую очередь, сердца и почек).

Вам необходимо включить JavaScript, чтобы проголосовать

Свойства химических элементов позволяют объединять их в соответствующие группы. На этом принципе была создана периодическая система, изменившая представление о существующих веществах и позволившая предположить существование новых, ранее неизвестных элементов.

Вконтакте

Периодическая система Менделеева

Периодическая таблица химических элементов была составлена Д. И. Менделеевым во второй половине XIX века. Что такое это, и для чего она нужна? Она объединяет все химические элементы по возрастанию атомного веса, причем, все они расставлены так, что их свойства изменяются периодическим образом.

Периодическая система Менделеева в свела в единую систему все существующие элементы, прежде считавшиеся просто отдельными веществами.

На основании ее изучения были предсказаны, а впоследствии - синтезированы новые химические вещества. Значение этого открытия для науки невозможно переоценить , оно значительно опередило свое время и дало толчок к развитию химии на многие десятилетия.

Существует три наиболее распространенных варианта таблицы, которые условно именуются «короткая», «длинная» и «сверхдлинная». Основной считается длинная таблица, она утверждена официально. Отличием между ними является компоновка элементов и длина периодов.

Что такое период

Система содержит 7 периодов . Они представлены графически в виде горизонтальных строк. При этом, период может иметь одну или две строки, называемые рядами. Каждый последующий элемент отличается от предыдущего возрастанием заряда ядра (количества электронов) на единицу.

Если не усложнять, период - это горизонтальная строка периодической таблицы. Каждый из них начинается металлом и заканчивается инертным газом. Собственно, это и создает периодичность - свойства элементов изменяются внутри одного периода, вновь повторяясь в следующем. Первый, второй и третий периоды - неполные, они называются малыми и содержат соответственно 2, 8 и 8 элементов. Остальные - полные, они имеют по 18 элементов.

Что такое группа

Группа - это вертикальный столбец , содержащий элементы с одинаковым электронным строением или, говоря проще, с одинаковой высшей . Официально утвержденная длинная таблица содержит 18 групп, которые начинаются со щелочных металлов и заканчиваются инертными газами.

Каждая группа имеет свое название, облегчающее поиск или классификацию элементов. Усиливаются металлические свойства в независимости от элемента по направлению сверху-вниз. Это связано с увеличением количества атомных орбит — чем их больше, тем слабее электронные связи, что делает более ярко выраженной кристаллическую решетку.

Металлы в периодической таблице

Металлы в таблице Менделеева имеют преобладающее количество, список их достаточно обширен. Они характеризуются общими признаками, по свойствам они неоднородны и делятся на группы. Некоторые из них имеют мало общего с металлами в физическом смысле, а иные могут существовать только доли секунды и в природе абсолютно не встречаются (по крайней мере, на планете ), поскольку созданы, точнее, вычислены и подтверждены в лабораторных условиях, искусственно. Каждая группа имеет собственные признаки , название и довольно заметно отличается от других. Особенно это различие выражено у первой группы.

Положение металлов

Какого положение металлов в периодической системе? Элементы расположены по увеличению атомной массы или количества электронов и протонов. Их свойства изменяются периодически, поэтому аккуратного размещения по принципу «один к одному» в таблице нет. Как определить металлы, и возможно ли это сделать по таблице Менделеева? Для того, чтобы упростить вопрос, придуман специальный прием: условно по местам соединения элементов проводится диагональная линия от Бора до Полония (или до Астата). Те, что оказываются слева - металлы, справа - неметаллы. Это было бы очень просто и здорово, но есть исключения - Германий и Сурьма.

Такая «методика» - своего рода шпаргалка, она придумана лишь для упрощения процесса запоминания. Для более точного представления следует запомнить, что список неметаллов составляет всего 22 элемента, поэтому отвечая на вопрос, сколько всего металлов всего содержится в таблице Менделеева

На рисунке можно наглядно увидеть, какие элементы являются неметаллами и как они располагаются в таблице по группам и периодам.

Общие физические свойства

Существуют общие физические свойства металлов. К ним относятся:

• Пластичность.
• Характерный блеск.
• Электропроводность.
• Высокая теплопроводность.
• Все, кроме ртути, находятся в твердом состоянии.

Следует понимать, что свойства металлов очень различаются относительно их химической или физической сути. Некоторые из них мало похожи на металлы в обыденном понимании этого термина. Например, ртуть занимает особенное положение. Она при обычных условиях находится в жидком состоянии, не имеет кристаллической решетки, наличию которой обязаны своими свойствами другие металлы. Свойства последних в этом случае условны, с ними ртуть роднят в большей степени химические характеристики.

Интересно! Элементы первой группы, щелочные металлы, в чистом виде не встречаются, находясь в составе различных соединений.

Самый мягкий металл, существующий в природе - цезий - относится к этой группе. Он, как и другие щелочные подобные вещества, мало общего имеет с более типичными металлами. Некоторые источники утверждают, что на самом деле, самый мягкий металл калий, что сложно оспорить или подтвердить, поскольку ни тот, ни другой элемент не существует сам по себе — будучи выделенным в результате химической реакци они быстро окисляются или вступают в реакцию.

Вторая группа металлов - щелочноземельные - намного ближе к основным группам. Название «щелочноземельные» происходит из древних времен, когда окислы назывались «землями», поскольку они имеют рыхлую рассыпчатую структуру. Более-менее привычными (в обиходном смысле) свойствами обладают металлы начиная с 3 группы. С увеличением номера группы количество металлов убывает , замещаясь неметаллическими элементами. Последняя группа состоит из инертных (или благородных) газов.

Определение металлов и неметаллов в таблице Менделеева. Простые и сложные вещества.

Простые вещества (металлы и неметаллы)

Вывод

Соотношение металлов и неметаллов в таблице Менделеева явно перевешивает в пользу первых. Такое положение свидетельствует о том, что группа металлов объединена слишком широко и требует более подробной классификации, что признается научным сообществом.