Металлы

Первый материал, который научились использовать люди для своих нужд – это камень. Однако позже, когда человеку стало известно о свойствах металлов, камень отошел далеко назад. Именно эти вещества и их сплавы стали самым важным и главным материалом в руках людей. Из них изготавливались предметы быта, орудия труда, строились помещения.

Уже в глубокой древности человеку были известны семь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть. Из этих металлов человек вначале познакомился с теми, которые в природе встречаются в самородном виде. Это золото, серебро и медь. Остальные четыре металла вошли в жизнь человека после того, как он научился добывать их из руд с помощью огня.

Часы истории человечества стали отсчитывать время быстрее, когда в его жизнь вошли металлы и их сплавы. Век каменный сменился веком медным, потом - бронзовым, а затем веком железным.

Нахождение металлов в природе

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%

В природе металлы встречаются в различном виде:

1) Только в свободном (самородном) виде (благородные металлы – золото, платина);

2) В самородном виде и в виде соединений (металлы малой активности, т.е. металлы, расположенные в электролитическом ряду напряжений между оловом и золотом);

3) Только в виде соединений (металлы, стоящие в ряду напряжений до олова):

– в виде оксидов: магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂О₃ и др.

– в виде смешанных оксидов: каолин Аl₂O₃∙2SiO₂∙2Н₂О, алунит (Na,K)₂O∙Аl₂О₃∙2SiO₂ и др.

– различных солей:

сульфидов: галенит PbS, киноварь НgS,

хлоридов: сильвин КС1, галит NaCl, сильвинит КСl∙NаСl, карналлит КСl∙МgСl₂∙6Н₂О,

сульфатов: барит ВаSO₄,

ангидрид Са₈О₄ фосфатов: апатит Са₃(РО₄)₂,

карбонатов: мел, мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃.

Многие металлы часто сопутствуют основным природным минералам: скандий входит в состав оловянных, вольфрамовых руд, кадмий — в качестве примеси в цинковые руды, ниобий и тантал — в оловянные. Железным рудам всегда сопутствуют марганец, никель, кобальт, молибден, титан, германий, ванадий.

В соответствии с местом, занимаемым в ПСХЭ Д.И. Менделеева различают металлы главных и побочных подгрупп. Металлы главных подгрупп (А подгрупп) называют также непереходными. Эти металлы характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение S- и p- электронных облаков. В атомах металлов побочных подгрупп (В подгрупп) - переходных металлах, происходит достраивание d- и f- оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы - лантаноиды и актиноиды.

Металлы IA — щелочные металлы Li, Na, К, Rb, Cs, Fr

Четыре металла IIA — щелочноземельные металлы Ca, Sr, Ba, Ra

В подгруппы В входят:

1) переходные металлы d-группы:

Cu, Ag, Au (IВ)

Zn, Cd, Hg (IIВ)

Sc, Y, La, Ac (IIIВ)

Ti, Zr, Hf, Db (IVB)

V, Nb, Ta, Jl (VB)

Cr, Mo, W, Rf (VIB)

Mn, Te, Re, Bh (VIIB)

Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, 0s, Ir, Pt, Hn, Mt, № 110 (VIIIВ)

2) 28 металлов f-группы (14 лантаноидов и 14 актиноидов)

Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск.

Что же объединяет всех представителей этих простых веществ? Это строение их кристаллической решетки, тип химической связей и особенности электронного строения атома. Ведь отсюда и характерные физические свойства, которые лежат в основе использования этих материалов человеком.

Особенности электронного строения атома:

1) Большой атомный радиус, вследствие чего связь внешнего электрона и ядра ослабевает, поэтому металлы легко его отдают, выступая в роли восстановителей.

2) Малое количество электронов на внешнем энергетическом слое 1 – 3ē, кроме Ge, Sn, Pb – 4ē на внешнем уровне, Sb, Bi – 5ē на внешнем уровне, Po – 6ē на внешнем уровне.

Металлическая кристаллическая решетка, в узлах находятся сразу несколько типов частиц: ионы и атомы, между которыми перемещаются свободные электроны.

Благодаря наличию свободных электронов в кристаллической решетки все металлы проявляют следующие характерные свойства:

Физические свойства металлов:

1) Агрегатное состояние: кроме ртути, все металлы твердые.

2) Электро- и теплопроводны

Ag, Cu, Au, Al, Zn, Fe, Pb, Mg, Hg → электро- и теплопроводность уменьшается

Электропроводность объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение свободных электронов.

Теплопроводность обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла.

3) Твердость различна.

Cr, W, Ni, Pt, Fe, Cu, Al, Ag, Zn, Au, Ca, Mg, Sn, Pb, K, Na → твёрдость уменьшается.

4) Плотность различна.

Os (22,6 г/мл), Pt, Au, Hg, Pb, Ag, Cu, Ni, Fe, Sn, Zn, Al, Mg, Ca, Na, K, Li (0,53 г/мл) → Плотность уменьшается.

Металлы, имеющие плотность меньше 5 г/мл считаются легкими металлами, больше 5 г/мл – тяжелые.

Плотность тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома.

5) Температуры плавления и кипения различны.

W (3420), Pt (1772), Fe, Ni, Cu, Au, Ag, Ca, Al, Mg, Zn, Pb, Sn, Na, K (63,5), Ga (29,7), Cs (28,5), Hg (-39).

По температуре плавления металлы условно подразделяют на:

- легкоплавкие (температура плавления до 1000 °C);

- среднеплавкие (температура плавления от 1000 °C до 1600 °C);

- тугоплавкие (температура плавления выше 1600 °C).

6) Ковкость, пластичность, прочность:

пластичные – Au, Ag, Cu.

хрупкие – Cr, Mn.

Пластичность – способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.

7) Способность намагничиваться: Fe, Co, Ni;

слабо – Al, Cr, Ti;

не притягиваются – Sn, Cu, Bi.

8) Металлический блеск и непрозрачность. Связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.

Химические свойства металлов

Взаимодействие с простыми веществами

1) С кислородом большинство металлов (кроме золота и платины) образует оксиды – амфотерные и основные:

4Li + O₂ = 2Li₂O

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

Щелочные металлы, за исключением лития, а также барий образуют пероксиды:

2Na + O₂ = Na₂O₂

Железо с кислородом образует железную окалину Fe₃O₄ (смесь оксида железа (II) и оксида железа (III) – FeO∙Fe₂O₃)

2) С галогенами металлы образуют соли галогеноводородных кислот, например,

Cu + Cl₂ = CuCl₂

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

3) С водородом самые активные металлы (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют ионные гидриды – солеподобные вещества, в которых водород имеет степень окисления -1

2Na + H₂ = 2NaH

4) С серой металлы образуют сульфиды – соли сероводородной кислоты:

Zn + S = ZnS

Fe + S = FeS

5) С азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании (кроме лития):

3Mg + N₂ = Mg₃N₂.

6) С углеродом образуются карбиды:

4Al + 3C = Al₃C₄.

7) С фосфором – фосфиды:

3Ca + 2P = Ca₃P₂.

8) Металлы могут взаимодействовать между собой, образуя интерметаллические соединения:

2Na + Sb = Na₂Sb,

3Cu + Au = Cu₃Au.

Металлы могут растворяться друг в друге при высокой температуре без взаимодействия, образуя сплавы.

Взаимодействие со сложными веществами

1) С водой

а) Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при комнатной температуре с образованием щелочи и водорода

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

б) Алюминий и магний реагируют с водой при нагревании с образованием гидроксида металла и водорода

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂

в) Металлы, стоящие в ряду активности после алюминия до водорода реагируют с водой при нагревании с образованием оксида металла и водорода

Zn + H₂O = ZnO + H₂

г) Металлы, стоящие в ряду активности после водорода в реакцию с водой не вступают

2) С оксидами

а) При высокой температуре более активный металлы восстанавливают менее активные металлы из их оксидов

2Al + Fe₂O₃ = 2Fe + Al₂O₃

б) Железо при сплавлении с оксидом железа (III) или с железной окалиной восстанавливает трехвалентное железо до двухвалентного

Fe + Fe₂O₃ =3FeO

Fe + Fe₃O₄ = 4FeO

в) Металлы могут реагировать с некоторыми оксидами неметаллов, восстанавливая неметаллы до простых веществ

2Mg + CO₂ = 2MgO + C

2Mg + SiO₂ = 2MgO + Si

Cu + N₂O = CuO + N₂

4Cu + 2NO₂ = 4CuO + N₂

3) С растворами кислот (кроме азотной)

а) Металл, стоящий в ряду активности металлов до водорода способен вытеснять водород из кислоты, при этом образуется растворимая соль, в которой металл проявляет минимальную степень окисления

Fe +2HCl = FeCl₂ + H₂

б) Металлы, стоящие в ряду активности металлов после водорода не реагируют с растворами кислот

4) С солями

а) Более активные металлы способны вытеснять менее активные из растворов их солей (кроме щелочных и щелочноземельных металлов, т.к. они реагируют с водой)

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

б) Металлы реагируют с солями металлов, способных восстанавливаться до более низкой степени окисления

Cu + 2FeCl₃ = CuCl₂ + 2FeCl₂

Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

Zn + 2CrCl₃ = ZnCl₂ + 2CrCl₂

5) Со щелочами

Металлы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды способны реагировать со щелочами

а) В растворе образуется комплексная соль

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

б) В расплаве образуется средняя соль

Zn + 2NaOH_(тв.) = Na₂ZnO₂ + H₂

2Al + 6NaOH_(тв.) = 2Na₂O + 2NaAlO₂ + 3H₂

6) С концентрированной серной кислотой

Взаимодействие металлов с концентрированной серной кислотой протекает по схеме: Me + H₂SO_4(конц.) → соль + вода + продукт восстановления H₂SO₄ (SO₂, S, H₂S)

а) Металлы, стоящие в ряду напряжения после серебра в реакцию с H₂SO_4(конц.) не вступают

б) Металлы, стоящие в раду напряжения после водорода восстанавливают H₂SO_4(конц.) до SO₂

Cu + 2H₂SO_4(конц.) = CuSO₄ + 2H₂O + SO₂

в) Щелочные, щелочноземельные металлы, Mg, Zn восстанавливают H₂SO_4(конц.) до S, H₂S

4Mg + 5H₂SO_4(конц.) = 4MgSO₄ + 4H₂O + H₂S

г) Al, Fe, Cr только при нагревании (на холоду пассивируются) восстанавливают H₂SO_4(конц.) до S, SO₂

2Fe + 4H₂SO_4(конц.) = Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O + S

7) С азотной кислотой

Взаимодействие металлов с азотной кислотой протекает по схеме: Me + HNO₃ → соль + вода + продукт восстановления HNO₃ (NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄NO₃)

Глубина восстановления азотной кислоты зависит от природы восстановителя и от концентрации азотной кислоты.

а) Металлы, стоящие в ряду напряжения после серебра в реакцию с HNO₃ разбавленной или концентрированной не вступают

б) Металлы, стоящие в раду напряжения после водорода восстанавливают HNO_3(конц.) до NO₂, HNO_3(разб.) до NO

Cu + 4HNO_3(конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NO₂

3Cu + 8HNO_3(разб.) = 3Cu(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO

в) Щелочные, щелочноземельные металлы, Mg восстанавливают HNO_3(конц.) до N₂O, HNO_3(разб.) до NH₄NO₃

4Ca + 10HNO_3(конц.) = 4Ca(NO₃)₂ + 5H₂O + N₂O

4Ca + 10HNO_3(разб.) = 4Ca(NO₃)₂ + 3H₂O + 2NH₄NO₃

г) Остальные металлы, стоящие до водорода в ряду напряжения восстанавливают HNO₃ до NH₄NO₃, N₂, N₂O, NO, NO₂

Zn + 4HNO₃(60%) = Zn(NO₃)₂ + 2H₂O + NO₂

3Zn + 8HNO₃(30%) = 3Zn(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO

4Zn + 10HNO₃(20%) = 4Zn(NO₃)₂ + 5H₂O + N₂O

5Zn + 12HNO₃(10%) = 5Zn(NO₃)₂ + 6H₂O + N₂

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

д) Al, Fe, Cr только при нагревании (на холоду пассивируются) восстанавливают HNO_3(конц.) до NO₂

Fe + 6HNO_3(конц.) = Fe(NO₃)₃ + 3H₂O + 3NO₂

Царская водка: V(HNO₃) : V(HCl) = 1 : 3 растворяет благородные металлы

HNO₃ + 4HCl + Au = H[AuCl₄] + NO + 2H₂O

4HNO₃ + 18HCl + 3Pt = 3H₂[PtCl₆] + 4NO + 8H₂O

Металлургия – наука и отрасль промышленности, изучающая получение металлов из руд.

Что такое руды? Руды – это минералы, содержащие металл в количествах, достаточных для получения его в промышленности. Руды бывают оксидные, сульфидные, карбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты. Наиболее пригодны для получения металлов оксидные руды, затем сульфидные, следующие карбонатные руды и сульфаты. Например, железо получают именно из оксидных руд, поэтому такие руды имеют наибольшее значение. Следующими считаются сульфидные руды железа. Среди оксидных руд железа наиболее удобен для переработки магнитный железняк Fe₃O₄, так как там наибольший процент содержания железа по сравнению с другими образцами.

Лабораторная работа

«Исследование физических свойств оксидных руд железа»

1. Внимательно рассмотрите образец коллекции, выданный под номером.

2. Обратите внимание на внешний вид образцов , определите цвет и блеск,

свои наблюдения запишите в таблицу

3. Возьмите фарфоровую ступку и куском руды нанесите на ее поверхность черту. Исследуйте какой след оставляют образцы на фарфоре, наблюдения занесите в таблицу

4. Протестируйте выраженность магнитных свойств образцов, для этого поднесите кусок руды к компасу. Откланяется ли стрелка компаса? Если да, то велико ли отклонение? Наблюдения занесите в таблицу

5. Обсудите результаты в группе, сделайте вывод, запишите в лист наблюдений

Лист наблюдений