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. Поэтому в данной статье мы рассмотрим, что же собой представляют металлы, общая характеристика, свойства и применение которых так актуально по сей день. Ведь буквально сразу за каменным веком последовала целая плеяда металлических: медный, бронзовый и железный.
Металлы: общая характеристика
Что же объединяет всех представителей этих простых веществ? Конечно, это строение их кристаллической решетки, типы химических связей и особенности электронного строения атома. Ведь отсюда и характерные физические свойства, которые лежат в основе использования этих материалов человеком.
В первую очередь, рассмотрим металлы как химические элементы периодической системы. В ней они располагаются достаточно вольготно, занимая 95 ячеек из известных на сегодняшний день 115. Есть несколько особенностей их расположения в общей системе:
- Образуют главные подгруппы I и II групп, а так же III, начиная с алюминия.
- Все побочные подгруппы состоят только из металлов.
- Они располагаются ниже условной диагонали от бора до астата.
Опираясь на такие данные, легко проследить, что неметаллы собраны в верхней правой части системы, а все остальное пространство принадлежит рассматриваемым нами элементам.
Все они имеют несколько особенностей электронного строения атома:
Общая характеристика металлов и неметаллов позволяет выявить закономерности в их строении. Так, кристаллическая решетка первых - металлическая, особенная. В узлах ее находятся сразу несколько типов частиц:
- ионы;
- атомы;
- электроны.
Внутри скапливается общее облако, называемое электронным газом, которое и объясняет все физические свойства этих веществ. Тип химической связи в металлах одноименный с ними.
Физические свойства
Существует ряд параметров, которые объединяют все металлы. Общая характеристика их по физическим свойствам выглядит так.
Перечисленные параметры - это и есть общая характеристика металлов, то есть все то, что их объединяет в одно большое семейство. Однако следует понимать, что из всякого правила есть исключения. Тем более что элементов подобного рода слишком много. Поэтому внутри самого семейства также есть свои подразделения на различные группы, которые мы рассмотрим ниже и для которых укажем характерные особенности.
Химические свойства
С точки зрения науки химии, все металлы - это восстановители. Причем, очень сильные. Чем меньше электронов на внешнем уровне и чем больше атомный радиус, тем сильнее металл по указанному параметру.
В результате этого металлы способны реагировать с:
Это лишь общий обзор химических свойств. Ведь для каждой группы элементов они сугубо индивидуальны.
Щелочноземельные металлы
Общая характеристика щелочноземельных металлов следующая:
Таким образом, щелочноземельные металлы - это распространенные элементы s-семейства, проявляющие высокую химическую активность и являющиеся сильными восстановителями и важными участниками биологических процессов в организме.
Щелочные металлы
Общая характеристика начинается с их названия. Его они получили за способность растворяться в воде, формируя щелочи - едкие гидроксиды. Реакции с водой очень бурные, иногда с воспламенением. В свободном виде в природе данные вещества не встречаются, так как их химическая активность слишком высока. Они реагируют с воздухом, парами воды, неметаллами, кислотами, оксидами и солями, то есть практически со всем.
Это объясняется их электронным строением. На внешнем уровне всего один электрон, который они легко отдают. Это самые сильные восстановители, именно поэтому для их получения в чистом виде понадобилось достаточно долгое время. Впервые это было сделано Гемфри Дэви уже в XVIII веке путем электролиза гидроксида натрия. Сейчас всех представителей этой группы добывают именно таким методом.
Общая характеристика щелочных металлов заключается еще и в том, что они составляют первую группу главную подгруппу периодической системы. Все они - важные элементы, образующие много ценных природных соединений, используемых человеком.
Общая характеристика металлов d- и f-семейств
К этой группе элементов относятся все те, степень окисления которых может варьироваться. Это значит, что в зависимости от условий, металл может выступать в роли и окислителя, и восстановителя. У таких элементов велика способность вступать в реакции. Среди них большое количество амфотерных веществ.
Общее название всех этих атомов - переходные элементы. Они получили его за то, что по проявляемым свойствам действительно стоят как бы посередине, между типичными металлами s-семейства и неметаллами р-семейства.
Общая характеристика переходных металлов подразумевает обозначение сходных их свойств. Они следующие:
- большое количество электронов на внешнем уровне;
- большой атомный радиус;
- несколько степеней окисления (от +3 до +7);
- находятся на d- или f-подуровне;
- образуют 4-6 больших периодов системы.
Как простые вещества металлы данной группы очень прочные, тягучие и ковкие, поэтому имеют большое промышленное значение.
Побочные подгруппы периодической системы
Общая характеристика металлов побочных подгрупп полностью совпадает с таковой у переходных. И это неудивительно, ведь, по сути, это совершенно одно и то же. Просто побочные подгруппы системы образованы именно представителями d- и f-семейств, то есть переходными металлами. Поэтому можно сказать, что данные понятия - синонимы.
Самые активные и важные из них - первый ряд из 10 представителей от скандия до цинка. Все они имеют важное промышленное значение и часто используются человеком, особенно для выплавки.
Сплавы
Общая характеристика металлов и сплавов позволяет понять, где и как возможно использовать эти вещества. Такие соединения в последние десятки лет претерпели большие преобразования, ведь открываются и синтезируются все новые добавки для улучшения их качества.
Наиболее известными сплавами на сегодняшний день являются:
- латунь;
- дюраль;
- чугун;
- сталь;
- бронза;
- победит;
- нихром и прочие.
Что такое сплав? Это смесь металлов, получаемая при плавке последних в специальных печных устройствах. Это делается для того, чтобы получить продукт, превосходящий по свойствам чистые вещества, его образующие.
Сравнение свойств металлов и неметаллов
Если говорить об общих свойствах, то характеристика металлов и неметаллов будет отличаться одним очень существенных пунктом: для последних нельзя выделить схожих черт, так как они очень разнятся по проявляемым свойствам как физическим, так и химическим.
Поэтому для неметаллов создать подобную характеристику нельзя. Можно лишь по отдельности рассмотреть представителей каждой группы и описать их свойства.
1. Металлы реагируют с неметаллами.
2 Me + n Hal 2 → 2 MeHal n
4Li + O2 = 2Li2O
Щелочные металлы, за исключением лития, образуют пероксиды:
2Na + O 2 = Na 2 O 2
2. Металлы, стоящие до водорода, реагируют с кислотами (кроме азотной и серной конц.) с выделением водорода
Me + HCl → соль + H2
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2
Pb + 2 HCl → PbCl2↓ + H2
3. Активные металлы реагируют с водой с образованием щелочи и выделением водорода.
2Me + 2n H 2 O → 2Me(OH) n + n H 2
Продуктом окисления металла является его гидроксид – Me(OH) n (где n-степень окисления металла).
Например:
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
4. Металлы средней активности реагируют с водой при нагревании, образуя оксид металла и водород.
2Me + nH 2 O → Me 2 O n + nH 2
Продукт окисления в таких реакциях – оксид металла Me 2 O n (где n-степень окисления металла).
3Fe + 4H 2 O → Fe 2 O 3 ·FeO + 4H 2
5. Металлы, стоящие после водорода, с водой и растворами кислот (кроме азотной и серной конц.) не реагируют
6. Более активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
CuSO 4 + Zn = Zn SO 4 + Cu
CuSO 4 + Fe = Fe SO 4 + Cu
Активные металлы ‑ цинк и железо заместили медь в сульфате и образовали соли. Цинк и железо окислились, а медь восстановилась.
7. Галогены реагируют с водой и раствором щелочи.
Фтор в отличие от других галогенов воду окисляет:
2H 2 O + 2F 2 = 4HF + O 2 .
на холоде: Cl2+2KOH=KClO+KCl+H2OCl2+2KOH=KClO+KCl+H2O образуется хлорид и гипохлорит
при нагревании: 3Cl2+6KOH−→KClO3+5KCl+3H2O3Cl2+6KOH→t,∘CKClO3+5KCl+3H2O образуется лорид и хлорат
8 Активные галогены (кроме фтора) вытесняют менее активные галогены из растворов их солей.
9. Галогены не реагируют с кислородом.
10. Амфотерные металлы (Al, Be, Zn) реагируют с растворами щелочей и кислот.
3Zn+4H2SO4=3 ZnSO4+S+4H2O
11. Магний реагирует с углекислым газом и оксидом кремния.
2Мg + CO2 = C + 2MgO
SiO2+2Mg=Si+2MgO
12. Щелочные металлы (кроме лития) с кислородом образуют пероксиды.
2Na + O 2 = Na 2 O 2
3. Классификация неорганических соединений
Простые вещества – вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида (атомов одного элемента). В химических реакциях не могут разлагаться с образованием других веществ.
Сложные вещества (или химические соединения) – вещества, молекулы которых состоят из атомов разного вида (атомов различных химических элементов). В химических реакциях разлагаются с образованием нескольких других веществ.
Простые вещества разбиваются на две большие группы: металлы и неметаллы.
Металлы – группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами: твёрдые вещества (исключение составляет ртуть) имеют металлический блеск, являются хорошими проводниками теплоты и электричества, ковкие (железо (Fe), медь (Cu), алюминий (Al), ртуть (Hg), золото (Au), серебро (Ag) и др.).
Неметаллы – группа элементов: твёрдые, жидкие (бром) и газообразные веществ, которые не обладают металлическим блеском, являются изоляторы, хрупкие.
А сложные вещества в свою очередь подразделятся на четыре группы, или класса: оксиды, основания, кислоты и соли.
Оксиды – это сложные вещества, в состав молекул которых входят атомы кислорода и какого – нибудь другого вещества.
Основания – это сложные вещества, в которых атомы металлов соединены с одной или несколькими гидроксильными группами.
С точки зрения теории электролитической диссоциации, основания – сложные вещества, при диссоциации которых в водном растворе образуются катионы металла (или NH4+) и гидроксид – анионы OH-.
Кислоты – это сложные вещества, в состав молекул которых входят атомы водорода, способные замещаться или обмениваться на атомы металла.
Соли – это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов металлов и кислотных остатков. Соль представляет собой продукт частичного или полного замещения атомов водорода кислоты металлом.
Химические свойства металлов: взаимодействие с кислородом, галогенами, серой и отношение к воде, кислот, солей.
Химические свойства металлов обусловлены способностью их атомов легко отдавать электроны с внешнего энергетического уровня, превращаясь в положительно заряженные ионы. Таким образом в химических реакциях металлы проявляют себя энергичными восстановителями. Это является их главной общей химической свойством.
Способность отдавать электроны у атомов отдельных металлических элементов различна. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, и тем энергичнее реагирует с другими веществами. На основе исследований все металлы были расположены в ряд по уменьшению их активности. Этот ряд впервые предложил выдающийся ученый Н. Н. Бекетов. Такой ряд активности металлов называют еще вытеснительный рядом металлов или электрохимическим рядом напряжений металлов. Он имеет следующий вид:
Li, K, Ва, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2 , Cu, Hg, Ag, Рt, Au
С помощью этого ряда можно обнаружить какой металл является активным другого. В этом ряду присутствует водород, который не является металлом. Его видны свойства приняты для сравнения за своеобразный ноль.
Имея свойства восстановителей, металлы реагируют с различными окислителями, прежде всего с неметаллами. С кислородом металлы реагируют при нормальных условиях или при нагревании с образованием оксидов, например:
2Mg0 + O02 = 2Mg+2O-2
В этой реакции атомы магния окисляются, атомы кислорода восстанавливаются. Благородные металлы, находящиеся в конце ряда, с кислородом реагируют. Активно происходят реакции с галогенами, например, сгорания меди в хлоре:
Cu0 + Cl02 = Cu+2Cl-2
Реакции с серой, чаще всего происходят при нагревании, например:
Fe0 + S0 = Fe+2S-2
Активные металлы, находящиеся в ряду активности металлов в Mg, реагируют с водой с образованием щелочей и водорода:
2Na0 + 2H+2O → 2Na+OH + H02
Металлы средней активности от Al до H2 реагируют с водой в более жестких условиях и образуют при этом оксиды и водород:
Pb0 + H+2O Химические свойства металов: взаимодействие с кислородом Pb+2O + H02.
Способность металла реагировать с кислотами и солями в растворе зависит также от его положения в вытеснительный ряде металлов. Металлы, стоящие в вытеснительный ряде металлов левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород из разбавленных кислот, а металлы, стоящие правее водорода, его не вытесняют. Так, цинк и магний реагируют с растворами кислот, выделяя водород и образуя соли, а медь не реагирует.
Mg0 + 2H+Cl → Mg+2Cl2 + H02
Zn0 + H+2SO4 → Zn+2SO4 + H02.
Атомы металлов в этих реакциях являются восстановителями, а ионы водорода — окислителями.
Металлы реагируют с солями в водных растворах. Активные металлы вытесняют менее активные металлы из состава солей. Определить это можно по ряду активности металлов. Продуктами реакции являются новая соль и новый металл. Так, если железную пластинку погрузить в раствор меди (II) сульфата, через некоторое время на ней выделится медь в виде красного налета:
Fe0 + Cu+2SO4 → Fe+2SO4 + Cu0 .
Но если в раствор меди (II) сульфата погрузить серебряную пластину, то никакой реакции не произойдет:
Ag + CuSO4 ≠ .
Для проведения таких реакции нельзя брать слишком активные металлы (от лития до натрия), которые способны реагировать с водой.
Следовательно, металлы способны реагировать с неметаллами, водой, кислотами и солями. Во всех этих случаях металлы окисляются и являются восстановителями. Для прогнозирования течения химических реакций с участием металлов следует использовать вытеснительный ряд металлов.
Уравнения реакций отношения металлов:
- а) к простым веществам: кислороду, водороду, галогенам, сере, азоту, углероду;
- б) к сложным веществам: воде, кислотам, щелочам, солям.
- К металлам относятся s-элементы I и II групп, все s-элементы, р-элементы III группы (кроме бора), а также олово и свинец (IV группа), висмут (V группа) и полоний (VI группа). Металлы в большинстве своем имеют на внешнем энергетическом уровне 1-3 электрона. У атомов d-элементов внутри периодов слева направо происходит заполнение d-подуровней предвнешнего слоя.
- Химические свойства металлов обусловлены характерным строением их внешних электронных оболочек.
В пределах периода с увеличением заряда ядра радиусы атомов при одинаковом числе электронных оболочек уменьшаются. Наибольшими радиусами обладают атомы щелочных металлов. Чем меньше радиус атома, тем больше энергия ионизации, а чем больше радиус атома, тем меньше энергия ионизации. Так как атомы металлов обладают наибольшими радиусами атомов, то для них характерны в основном низкие значения энергии ионизации и сродства к электрону. Свободные металлы проявляют исключительно восстановительные свойства.
3) Металлы образуют оксиды, например:
С водородом реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы, образуя гидриды:
Металлы реагируют с галогенами, образуя галогениды, с серой - сульфиды, с азотом - нитриды, с углеродом - карбиды.
С увеличением алгебраического значения стандартного электродного потенциала металла Е 0 в ряду напряжений способность металла реагировать с водой уменьшается. Так, железо реагирует с водой только при очень высокой температуре:
Металлы с положительным значением стандартного электродного потенциала, то есть стоящие после водорода в ряду напряжений, не реагируют с водой.
Характерны реакции металлов с кислотами. Металлы с отрицательным значением Е 0 вытесняют водород из растворов НСl, H 2 S0 4 , H 3 P0 4 и т. д.
Металл с меньшим значением Е 0 вытесняет металл с большим значением Е 0 из растворов солей:
Важнейшие соединения кальция, получаемые в промышленности, их химические свойства и способы получения.
Оксид кальция СаО называют негашеной известью. Его получают обжигом известняка СаС0 3 --> СаО + СО, при температуре 2000° С. Оксид кальция обладает свойствами основного оксида:
а) реагирует с водой с выделением большого количества теплоты:
СаО + Н 2 0 = Са(ОН) 2 (гашеная известь).
б) реагирует с кислотами, образуя соль и воду:
СаО + 2НСl = СаСl 2 + Н 2 О
СаО + 2Н + = Са 2+ + Н 2 О
в) реагирует с кислотными оксидами с образованием соли:
СаО + С0 2 = СаС0 3
Гидроксид кальция Са(ОН) 2 применяется в виде гашеной извести, известкового молока и известковой воды.
Известковое молоко - это взвесь, образованная при смешивании избытка гашеной извести с водой.
Известковая вода - прозрачный раствор, полученный при фильтровании известкового молока. Используется в лаборатории для обнаружения оксида углерода (IV).
Са(ОН) 2 + СО 2 = СаСО 3 + Н 2 О
При длительном пропускании оксида углерода (IV) paствор становится прозрачным, так как образуется кислая соль, растворимая в воде:
СаС0 3 + С0 2 + Н 2 О = Са(НСО 3 ) 2
Если полученный прозрачный раствор гидрокарбоната кальция нагреть, то снова происходит помутнение, так как выпадает осадок СаС0 3 :
