المادة الأولى التي تعلم الناس استخدامها لتلبية احتياجاتهم كانت الحجر. ومع ذلك، في وقت لاحق، عندما أصبح الإنسان على دراية بخصائص المعادن، تحرك الحجر بعيدًا إلى الخلف. أصبحت هذه المواد وسبائكها المادة الأكثر أهمية والرئيسية في أيدي الناس. تم صنع الأدوات والأدوات المنزلية منها وتم بناء المباني. لذلك سنتعرف في هذا المقال على ما هي المعادن، الخصائص العامةوالتي تعتبر خصائصها وتطبيقاتها وثيقة الصلة حتى يومنا هذا. بعد كل شيء، مباشرة بعد العصر الحجري، اتبعت مجرة كاملة من المعادن: النحاس والبرونز والحديد.
المعادن: الخصائص العامة
ما الذي يوحد جميع ممثلي هذه المواد البسيطة؟ بالطبع، هذا هو هيكل الشبكة البلورية وأنواع الروابط الكيميائية وخصائص التركيب الإلكتروني للذرة. بعد كل شيء، ومن هنا الخصائص الفيزيائية المميزة التي تكمن وراء استخدام هذه المواد من قبل البشر.
بادئ ذي بدء، دعونا نفكر في المعادن العناصر الكيميائية الجدول الدوري. تقع فيها بحرية تامة، حيث تشغل 95 خلية من أصل 115 خلية معروفة اليوم. هناك العديد من الميزات لموقعها في النظام العام:
- وهي تشكل المجموعات الفرعية الرئيسية للمجموعتين الأولى والثانية، وكذلك المجموعة الثالثة، بدءًا من الألومنيوم.
- تتكون جميع المجموعات الفرعية الجانبية من المعادن فقط.
- وهي تقع تحت القطر التقليدي من البورون إلى الأستاتين.
وبناء على هذه البيانات، فمن السهل أن نرى أن المواد غير المعدنية يتم جمعها في الجزء العلوي الأيمن من النظام، وبقية المساحة تنتمي إلى العناصر التي ندرسها.
جميعهم لديهم العديد من الميزات للبنية الإلكترونية للذرة:
الخصائص العامة للمعادن وغير المعادن تجعل من الممكن تحديد الأنماط في بنيتها. لذا، خلية بلوريةالأول - المعدن، خاص. تحتوي عقدها على عدة أنواع من الجزيئات:
- الأيونات.
- الذرات.
- الإلكترونات.
تتراكم في الداخل سحابة مشتركة تسمى غاز الإلكترون، وهو ما يفسر جميع الخصائص الفيزيائية لهذه المواد. يكتب الرابطة الكيميائيةفي المعادن نفس الاسم معهم.
الخصائص الفيزيائية
هناك عدد من المعلمات التي توحد جميع المعادن. خصائصهم العامة الخصائص الفيزيائيةيبدو مثل هذا.
المعلمات المدرجة هي الخصائص العامة للمعادن، أي كل ما يوحدهم في عائلة واحدة كبيرة. ومع ذلك، ينبغي أن يكون مفهوما أن هناك استثناءات لكل قاعدة. علاوة على ذلك، هناك الكثير من العناصر من هذا النوع. لذلك، يوجد داخل الأسرة نفسها أيضًا انقسامات إلى مجموعات مختلفة، والتي سننظر فيها أدناه وسنشير إلى السمات المميزة لها.
الخواص الكيميائية
من وجهة نظر علم الكيمياء، جميع المعادن هي عوامل اختزال. وعلاوة على ذلك، قوية جدا. كلما قل عدد الإلكترونات في المستوى الخارجي وكبر نصف القطر الذري، كلما كان المعدن أقوى وفقًا لهذه المعلمة.
ونتيجة لذلك، فإن المعادن قادرة على التفاعل مع:
انه فقط مراجعة عامةالخواص الكيميائية. بعد كل شيء، لكل مجموعة من العناصر فهي فردية بحتة.
المعادن الأرضية القلوية
الخصائص العامة للمعادن القلوية الأرضية هي كما يلي:
هكذا، المعادن الأرضية القلوية- هذه عناصر مشتركة في عائلة s، وتظهر نشاطًا كيميائيًا عاليًا وهي عوامل اختزال قوية ومشاركين مهمين العمليات البيولوجيةفي الكائن الحي.
الفلزات القلوية
الخصائص العامة تبدأ باسمهم. لقد حصلوا عليه لقدرته على الذوبان في الماء وتكوين القلويات - هيدروكسيدات كاوية. ردود الفعل مع الماء عنيفة جدًا، وأحيانًا مع الالتهاب. لا توجد هذه المواد في الطبيعة بشكل حر، لأن نشاطها الكيميائي مرتفع جدًا. تتفاعل مع الهواء وبخار الماء واللافلزات والأحماض والأكاسيد والأملاح، أي مع كل شيء تقريبًا.
هذا يرجع إلى الهيكل الإلكتروني. على المستوى الخارجي، يوجد إلكترون واحد فقط، يمكن التخلي عنه بسهولة. هذه هي أقوى عوامل الاختزال، ولهذا السبب يتم الحصول عليها شكل نقياستغرق الأمر ما يكفي لفترة طويلة. تم القيام بذلك لأول مرة بواسطة همفري ديفي بالفعل في القرن الثامن عشر عن طريق التحليل الكهربائي لهيدروكسيد الصوديوم. الآن يتم استخراج جميع ممثلي هذه المجموعة باستخدام هذه الطريقة.
من الخصائص العامة للفلزات القلوية أنها تشكل المجموعة الأولى، المجموعة الفرعية الرئيسية للجدول الدوري. كلهم - عناصر مهمة، وتشكل العديد من القيمة مركبات طبيعيةيستخدمها البشر.
الخصائص العامة للمعادن من العائلتين d و f
تشمل هذه المجموعة من العناصر جميع العناصر التي يمكن أن تختلف حالات الأكسدة فيها. وهذا يعني أنه، اعتمادًا على الظروف، يمكن للمعدن أن يعمل كعامل مؤكسد وعامل اختزال. هذه العناصر لديها قدرة كبيرة على الرد. من بينها عدد كبير من المواد الأمفوتيرية.
الاسم الشائع لجميع هذه الذرات هو العناصر الانتقالية. لقد حصلوا عليها لأنهم، من حيث خصائصهم، يقفون حقًا في المنتصف، بين المعادن النموذجية لعائلة s وغير المعادن في عائلة p.
الخصائص العامة للمعادن الانتقالية تعني ضمناً تحديد خصائصها المماثلة. وهم على النحو التالي:
- عدد كبير من الإلكترونات في المستوى الخارجي.
- نصف قطر ذري كبير
- العديد من حالات الأكسدة (من +3 إلى +7)؛
- تكون في المستوى الفرعي d أو f؛
- شكل 4-6 فترات كبيرة من النظام.
باعتبارها مواد بسيطة، فإن معادن هذه المجموعة قوية جدًا وقابلة للطرق والطرق، وبالتالي فهي ذات أهمية صناعية كبيرة.
المجموعات الفرعية الجانبية للجدول الدوري
تتطابق الخصائص العامة لمعادن المجموعات الفرعية الجانبية تمامًا مع خصائص المعادن الانتقالية. وهذا ليس مفاجئًا، لأنهما في جوهرهما نفس الشيء تمامًا. إن الأمر مجرد أن المجموعات الفرعية الجانبية للنظام تتشكل على وجه التحديد من قبل ممثلي العائلتين d و f، أي المعادن الانتقالية. لذلك يمكننا القول أن هذه المفاهيم مترادفة.
الأكثر نشاطًا وأهمية منهم هو الصف الأول المكون من 10 ممثلين من السكانديوم إلى الزنك. ولجميعها أهمية صناعية مهمة وغالبًا ما يستخدمها البشر، خاصة في الصهر.
سبائك
الخصائص العامة للمعادن والسبائك تجعل من الممكن فهم أين وكيف يمكن استخدام هذه المواد. وقد شهدت مثل هذه المركبات تحولات كبيرة في العقود الأخيرة، حيث يتم اكتشاف وتصنيع إضافات جديدة لتحسين جودتها.
أشهر السبائك اليوم هي:
- نحاس؛
- دورالومين.
- الحديد الزهر؛
- فُولاَذ؛
- البرونزية.
- سيفوز؛
- نيتشروم وآخرون.
ما هي سبيكة؟ هذا خليط من المعادن يتم الحصول عليه عن طريق صهر الأخير في أجهزة أفران خاصة. يتم ذلك من أجل الحصول على منتج متفوق في الخصائص مواد نقية، تشكيلها.
مقارنة خصائص المعادن وغير المعادن
إذا تحدثنا عن الخصائص العامة، فإن خصائص المعادن وغير المعادن ستختلف في نقطة واحدة مهمة جدًا: بالنسبة للأخيرة، من المستحيل التمييز بين السمات المتشابهة، لأنها مختلفة جدًا في خصائصها الظاهرة، الفيزيائية والكيميائية.
ولذلك، فمن المستحيل خلق خاصية مماثلة لغير المعادن. يمكنك فقط النظر في ممثلي كل مجموعة على حدة ووصف خصائصهم.
1. تتفاعل المعادن مع غير المعادن.
2 أنا + نهال 2 → 2 ميهال ن
4Li + O2 = 2Li2O
تشكل الفلزات القلوية، باستثناء الليثيوم، بيروكسيدات:
2نا + يا 2 = نا 2 يا 2
2. تتفاعل المعادن التي تسبق الهيدروجين مع الأحماض (ما عدا أحماض النيتريك والكبريتيك) لتحرر الهيدروجين
أنا + حمض الهيدروكلوريك → ملح + H2
2 Al + 6 حمض الهيدروكلوريك → 2 AlCl3 + 3 H2
الرصاص + 2 حمض الهيدروكلوريك → PbCl2↓ + H2
3. تتفاعل المعادن النشطة مع الماء لتكوين قلويات وإطلاق الهيدروجين.
2Me+ 2 نح 2 يا → 2Me(OH) ن + نح 2
ناتج أكسدة المعدن هو هيدروكسيده – Me(OH) n (حيث n هي حالة أكسدة المعدن).
على سبيل المثال:
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
4. تتفاعل الفلزات متوسطة النشاط مع الماء عند تسخينها لتكوين أكسيد الفلز والهيدروجين.
2Me + nH 2 O → Me 2 O n + nH 2
منتج الأكسدة في مثل هذه التفاعلات هو أكسيد المعدن Me 2 O n (حيث n هي حالة أكسدة المعدن).
3Fe + 4H2O → Fe2O3FeO + 4H2
5. المعادن بعد الهيدروجين لا تتفاعل مع المحاليل المائية والأحماض (ما عدا تركيزات النيتريك والكبريت)
6. تحل المعادن الأكثر نشاطًا محل المعادن الأقل نشاطًا في محاليل أملاحها.
CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu
CuSO 4 + Fe = Fe SO 4 + Cu
المعادن النشطة - الزنك والحديد - تحل محل النحاس في الكبريتات وتكون الأملاح. تم أكسدة الزنك والحديد، وتم اختزال النحاس.
7. تتفاعل الهالوجينات مع الماء والمحلول القلوي.
الفلور، على عكس الهالوجينات الأخرى، يؤكسد الماء:
2 ح 2 يا+2ف 2 = 4HF + O 2 .
في البرد: Cl2+2KOH=KClO+KCl+H2OCl2+2KOH=KClO+KCl+H2O يتكون كلوريد وهيبوكلوريت
عند التسخين: 3Cl2+6KOH−→KClO3+5KCl+3H2O3Cl2+6KOH→t،∘CKClO3+5KCl+3H2O يتم تشكيل لوريد وكلورات
8 الهالوجينات النشطة (ما عدا الفلور) تحل محل الهالوجينات الأقل نشاطا من محاليل أملاحها.
9. الهالوجينات لا تتفاعل مع الأكسجين.
10. تتفاعل المعادن المذبذبة (Al، Be، Zn) مع محاليل القلويات والأحماض.
3Zn+4H2SO4= 3 ZnSO4+S+4H2O
11. يتفاعل المغنيسيوم مع ثاني أكسيد الكربون وأكسيد السيليكون.
2Mg + CO2 = C + 2MgO
SiO2+2Mg=Si+2MgO
12. تشكل المعادن القلوية (باستثناء الليثيوم) بيروكسيدات مع الأكسجين.
2نا + يا 2 = نا 2 يا 2
3. تصنيف المركبات غير العضوية
مواد بسيطة – المواد التي تتكون جزيئاتها من ذرات من نفس النوع (ذرات من نفس العنصر). وفي التفاعلات الكيميائية لا يمكنها أن تتحلل لتشكل مواد أخرى.
المواد المعقدة (أو مركبات كيميائية) – المواد التي تتكون جزيئاتها من ذرات من أنواع مختلفة (ذرات عناصر كيميائية مختلفة). وفي التفاعلات الكيميائية تتحلل لتشكل عدة مواد أخرى.
تنقسم المواد البسيطة إلى مجموعتين كبيرتين: المعادن واللافلزات.
المعادن – مجموعة من العناصر ذات خصائص معدنية مميزة: المواد الصلبة (باستثناء الزئبق) لها بريق معدني، وهي موصلة جيدة للحرارة والكهرباء، قابلة للطرق (الحديد (Fe)، النحاس (Cu)، الألومنيوم (Al)، الزئبق ( الزئبق)، والذهب (الاتحاد الأفريقي)، والفضة (حج)، وما إلى ذلك).
اللافلزات – مجموعة العناصر : الصلبة والسائلة (البروم) و المواد الغازيةوالتي ليس لها بريق معدني، فهي عوازل هشة.
والمواد المعقدة بدورها تنقسم إلى أربع مجموعات أو فئات: الأكاسيد والقواعد والأحماض والأملاح.
أكاسيد - وهي مواد معقدة تشتمل جزيئاتها على ذرات الأكسجين وبعض المواد الأخرى.
الأسباب - هي مواد معقدة ترتبط فيها ذرات المعدن بواحدة أو أكثر من مجموعات الهيدروكسيل.
من وجهة نظر نظرية التفكك الإلكتروليتي، فإن القواعد عبارة عن مواد معقدة، يؤدي تفككها في محلول مائي إلى إنتاج كاتيونات معدنية (أو NH4+) وأنيونات هيدروكسيد OH-.
الأحماض - وهي مواد معقدة تشتمل جزيئاتها على ذرات هيدروجين يمكن استبدالها أو استبدالها بذرات معدنية.
أملاح - وهي مواد معقدة تتكون جزيئاتها من ذرات معدنية وبقايا حمضية. الملح هو نتاج الاستبدال الجزئي أو الكامل لذرات الهيدروجين في الحمض بمعدن.
الخواص الكيميائية للمعادن: التفاعل مع الأكسجين والهالوجينات والكبريت وعلاقتها بالماء والأحماض والأملاح.
يتم تحديد الخواص الكيميائية للمعادن من خلال قدرة ذراتها على التخلي بسهولة عن الإلكترونات من مستوى الطاقة الخارجي، وتتحول إلى أيونات موجبة الشحنة. وهكذا، في التفاعلات الكيميائية، تثبت المعادن أنها عوامل اختزال نشطة. هذه هي الخاصية الكيميائية المشتركة الرئيسية.
تختلف القدرة على منح الإلكترونات بين ذرات العناصر المعدنية الفردية. كلما كان من السهل أن يتخلى المعدن عن إلكتروناته، كلما كان أكثر نشاطا، وتفاعل بقوة أكبر مع المواد الأخرى. بناءً على الأبحاث، تم ترتيب جميع المعادن حسب النشاط التنازلي. تم اقتراح هذه السلسلة لأول مرة من قبل العالم المتميز N. N. Beketov. تسمى سلسلة نشاط المعادن هذه أيضًا بسلسلة إزاحة المعادن أو السلسلة الكهروكيميائية للجهود المعدنية. تبدو هكذا:
Li، K، Ba، Ca، Na، Mg، Al، Zn، Fe، Ni، Sn، Pb، H2، Cu، Hg، Ag، Pt، Au
وبمساعدة هذه السلسلة، يمكنك اكتشاف المعدن النشط في معدن آخر. تحتوي هذه السلسلة على الهيدروجين، وهو ليس معدنًا. يتم أخذ خصائصه المرئية للمقارنة كنوع من الصفر.
نظرًا لوجود خصائص عوامل الاختزال، تتفاعل المعادن مع عوامل مؤكسدة مختلفة، خاصة مع المواد غير المعدنية. تتفاعل المعادن مع الأكسجين عندما الظروف العاديةأو عند تسخينها لتكوين أكاسيد، على سبيل المثال:
2Mg0 + O02 = 2Mg+2O-2
في هذا التفاعل، تتأكسد ذرات المغنيسيوم ويتم تقليل ذرات الأكسجين. المعادن النبيلة، الموجود في نهاية الصف، يتفاعل مع الأكسجين. تحدث تفاعلات نشطة مع الهالوجينات، على سبيل المثال، احتراق النحاس في الكلور:
Cu0 + Cl02 = Cu+2Cl-2
تحدث التفاعلات مع الكبريت غالبًا عند تسخينه، على سبيل المثال:
Fe0 + S0 = Fe+2S-2
تتفاعل المعادن النشطة في سلسلة نشاط المعادن بالمغنيسيوم مع الماء لتكوين القلويات والهيدروجين:
2Na0 + 2H+2O → 2Na+OH + H02
تتفاعل المعادن متوسطة النشاط من Al إلى H2 مع الماء تحت ظروف أكثر قسوة وتشكل أكاسيد وهيدروجين:
Pb0 + H+2O الخواص الكيميائية للمعادن: التفاعل مع الأكسجين Pb+2O + H02.
تعتمد قدرة المعدن على التفاعل مع الأحماض والأملاح في المحلول أيضًا على موقعه في سلسلة إزاحة المعادن. المعادن الموجودة في صف المعادن المزاح إلى يسار الهيدروجين عادة ما تحل محل (تقلل) الهيدروجين من الأحماض المخففة، في حين أن المعادن الموجودة على يمين الهيدروجين لا تحل محله. وهكذا، يتفاعل الزنك والمغنيسيوم مع المحاليل الحمضية، ويطلق الهيدروجين ويشكل الأملاح، لكن النحاس لا يتفاعل.
Mg0 + 2H+Cl → Mg+2Cl2 + H02
Zn0 + H+2SO4 → Zn+2SO4 + H02.
تعتبر ذرات المعدن في هذه التفاعلات عوامل اختزال، وأيونات الهيدروجين هي عوامل مؤكسدة.
تتفاعل المعادن مع الأملاح محاليل مائية. تحل المعادن النشطة محل المعادن الأقل نشاطًا في تركيبة الأملاح. يمكن تحديد ذلك من خلال سلسلة نشاط المعادن. منتجات التفاعل عبارة عن ملح جديد ومعدن جديد. لذلك، إذا تم غمر صفيحة حديدية في محلول من كبريتات النحاس (II)، فبعد مرور بعض الوقت سيتم إطلاق النحاس عليها على شكل طلاء أحمر:
Fe0 + Cu+2SO4 → Fe+2SO4 + Cu0.
لكن إذا غمرت صفيحة فضية في محلول كبريتات النحاس (II)، فلن يحدث أي تفاعل:
حج + CuSO4 ≠ .
لتنفيذ مثل هذه التفاعلات، من المستحيل استخدام المعادن النشطة للغاية (من الليثيوم إلى الصوديوم) التي يمكن أن تتفاعل مع الماء.
لذلك فإن المعادن قادرة على التفاعل مع اللافلزات والماء والأحماض والأملاح. في كل هذه الحالات، تتأكسد المعادن وتكون عوامل اختزال. للتنبؤ الحالية التفاعلات الكيميائيةبمشاركة المعادن، ينبغي استخدام سلسلة إزاحة المعادن.
معادلات تفاعل نسبة المعادن:
- أ) ل مواد بسيطة: الأكسجين، الهيدروجين، الهالوجينات، الكبريت، النيتروجين، الكربون؛
- ب) للمواد المعقدة: الماء والأحماض والقلويات والأملاح.
- تشمل المعادن عناصر المجموعة الأولى والثانية، وجميع عناصر s، وعناصر p المجموعة الثالثة(باستثناء البورون)، وكذلك القصدير والرصاص (المجموعة الرابعة)، البزموت (المجموعة الخامسة) والبولونيوم (المجموعة السادسة). المعادن في معظمها موجودة في الخارج مستوى الطاقة 1-3 إلكترونات. بالنسبة لذرات العناصر d، خلال فترات، تمتلئ المستويات الفرعية d للطبقة الخارجية السابقة من اليسار إلى اليمين.
- يتم تحديد الخواص الكيميائية للمعادن من خلال البنية المميزة لأغلفتها الإلكترونية الخارجية.
خلال فترة زمنية، مع زيادة الشحنة النووية، يتناقص نصف قطر الذرات التي لها نفس العدد من الأغلفة الإلكترونية. ذرات الفلزات القلوية لها أكبر أنصاف أقطار. كلما صغر نصف قطر الذرة زادت طاقة التأين وكلما زاد نصف قطر الذرة زادت طاقة التأين طاقة أقلالتأين. وبما أن ذرات المعدن لها أكبر نصف قطر ذري، فإنها تتميز بشكل أساسي بقيم منخفضة من طاقة التأين والألفة الإلكترونية. تظهر المعادن الحرة خصائص مختزلة حصريًا.
3) تشكل المعادن أكاسيد، على سبيل المثال:
تتفاعل الفلزات القلوية والقلوية الترابية فقط مع الهيدروجين لتشكل الهيدريدات:
تتفاعل المعادن مع الهالوجينات لتشكل الهاليدات، مع الكبريت - كبريتيدات، مع النيتروجين - نيتريدات، مع كربيدات الكربون.
مع زيادة القيمة الجبرية لجهد القطب القياسي للمعدن E 0 في سلسلة الجهد، تقل قدرة المعدن على التفاعل مع الماء. لذلك، الحديد يتفاعل مع الماء فقط في درجة حرارة عالية درجة حرارة عالية:
المعادن ذات الجهد الكهربائي القياسي الموجب، أي تلك التي تأتي بعد الهيدروجين في سلسلة الجهد، لا تتفاعل مع الماء.
تفاعلات المعادن مع الأحماض مميزة. المعادن ذات قيمة E0 السالبة تحل محل الهيدروجين من محاليل حمض الهيدروكلوريك، H2S04، H3P04، الخ.
المعدن ذو قيمة E0 الأقل يزيح المعدن ذو القيمة E0 الأكبر من المحاليل الملحية:
أهم مركبات الكالسيوم التي يتم الحصول عليها صناعيا وخصائصها الكيميائية وطرق إنتاجها.
يسمى أكسيد الكالسيوم CaO الجير الحي. يتم الحصول عليه عن طريق حرق الحجر الجيري CaC0 3 --> CaO + CO عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية. يتمتع أكسيد الكالسيوم بخصائص الأكسيد الأساسي:
أ) يتفاعل مع الماء ويطلق كمية كبيرة من الحرارة:
CaO + H 2 0 = Ca (OH) 2 (جير مطفأ).
ب) يتفاعل مع الأحماض لتكوين الملح والماء:
CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O
CaO + 2H + = Ca2+ + H2O
ج) يتفاعل مع أكاسيد الأحماض لتكوين الملح:
CaO + C02 = CaC03
يستخدم هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 في شكل الجير المطفأ وحليب الليمون وماء الليمون.
حليب الليمون هو ملاط يتكون عن طريق خلط الجير المطفأ الزائد مع الماء.
ماء الليمون هو محلول واضح يتم الحصول عليه عن طريق تصفية حليب الليمون. يستخدم في المختبر للكشف عن أول أكسيد الكربون (IV).
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O
مع المرور المطول لأول أكسيد الكربون (IV)، يصبح المحلول شفافًا، حيث يتكون ملح حمضي قابل للذوبان في الماء:
CaC0 3 + C0 2 + H 2 O = Ca(HCO 3 ) 2
إذا تم تسخين المحلول الشفاف الناتج من بيكربونات الكالسيوم، فإن التعكر يحدث مرة أخرى، حيث يترسب راسب CaC0 3:
