Esimene materjal, mida inimesed õppisid oma vajadusteks kasutama, oli kivi. Kuid hiljem, kui inimene sai teada metallide omadustest, nihkus kivi kaugele tagasi. Just need ained ja nende sulamid on muutunud inimeste käes kõige olulisemaks ja peamiseks materjaliks. Nendest valmistati majapidamistarbeid ja tööriistu ning ehitati ruume. Seetõttu vaatleme selles artiklis, mis on metallid, mille üldised omadused, omadused ja rakendus on tänapäevani nii olulised. Lõppude lõpuks järgnes sõna otseses mõttes kohe pärast kiviaega terve galaktika metalle: vask, pronks ja raud.
Metallid: üldised omadused
Mis ühendab kõiki nende lihtsate ainete esindajaid? Loomulikult on see nende kristallvõre struktuur, keemiliste sidemete tüübid ja aatomi elektroonilise struktuuri tunnused. Sellest tulenevad ju ka iseloomulikud füüsikalised omadused, mis on nende materjalide kasutamise aluseks inimeste poolt.
Kõigepealt käsitleme metalle perioodilisuse tabeli keemiliste elementidena. Selles paiknevad nad üsna vabalt, hõivates 95 lahtrit tänapäeval teadaolevast 115-st. Nende asukohal on üldises süsteemis mitmeid tunnuseid:
- Need moodustavad I ja II rühma, aga ka III peamise alarühma, alustades alumiiniumist.
- Kõik külgmised alarühmad koosnevad ainult metallidest.
- Need asuvad allpool tavapärase diagonaali boorist astiinini.
Selliste andmete põhjal on lihtne näha, et mittemetallid kogutakse süsteemi ülemisse paremasse ossa ja ülejäänud ruum kuulub elementidele, mida me kaalume.
Kõigil neil on mitu aatomi elektroonilise struktuuri tunnust:
Metallide ja mittemetallide üldised omadused võimaldavad tuvastada nende struktuuri mustreid. Seega on esimeste kristallvõre metalliline ja eriline. Selle sõlmed sisaldavad mitut tüüpi osakesi:
- ioonid;
- aatomid;
- elektronid.
Sisse koguneb tavaline pilv, mida nimetatakse elektrongaasiks, mis selgitab nende ainete kõiki füüsikalisi omadusi. Keemilise sideme tüüp metallides on sama mis neil.
Füüsikalised omadused
Kõiki metalle ühendavad mitmed parameetrid. Nende üldised omadused füüsikaliste omaduste osas näevad välja sellised.
Loetletud parameetrid on metallide üldised omadused, st kõik, mis ühendab need üheks suureks perekonnaks. Siiski tuleb mõista, et igal reeglil on erandeid. Pealegi on selliseid elemente liiga palju. Seetõttu on perekonnas endas ka jagunemised erinevatesse rühmadesse, mida me allpool käsitleme ja mille iseloomulikud tunnused toome välja.
Keemilised omadused
Keemiateaduse seisukohalt on kõik metallid redutseerijad. Pealegi väga tugev. Mida vähem elektrone on välistasandil ja mida suurem on aatomiraadius, seda tugevam on metall selle parameetri järgi.
Selle tulemusena suudavad metallid reageerida:
See on vaid üldine ülevaade keemilistest omadustest. Lõppude lõpuks on need iga elementide rühma jaoks puhtalt individuaalsed.
Leelismuldmetallid
Leelismuldmetallide üldised omadused on järgmised:
Seega on leelismuldmetallid s-perekonna tavalised elemendid, millel on kõrge keemiline aktiivsus ja mis on tugevad redutseerivad ained ja olulised osalejad organismis toimuvates bioloogilistes protsessides.
Leelismetallid
Üldised omadused algavad nende nimega. Nad said selle võime eest lahustuda vees, moodustades leeliseid - söövitavaid hüdroksiide. Reaktsioonid veega on väga ägedad, mõnikord koos põletikuga. Neid aineid vabas vormis looduses ei leidu, kuna nende keemiline aktiivsus on liiga kõrge. Nad reageerivad õhu, veeauru, mittemetallide, hapete, oksiidide ja sooladega, see tähendab peaaegu kõigega.
Seda seletatakse nende elektroonilise struktuuriga. Välistasandil on ainult üks elektron, millest nad kergesti loobuvad. Need on kõige tugevamad redutseerijad, mistõttu kulus nende puhtal kujul saamine üsna kaua aega. Seda tegi Humphry Davy esmakordselt juba 18. sajandil naatriumhüdroksiidi elektrolüüsi teel. Nüüd kaevandatakse selle meetodi abil kõik selle rühma esindajad.
Leelismetallide üldine omadus on see, et nad moodustavad perioodilisuse tabeli esimese rühma, peamise alarühma. Kõik need on olulised elemendid, mis moodustavad palju väärtuslikke looduslikke ühendeid, mida inimesed kasutavad.
D- ja f-perekonna metallide üldomadused
Sellesse elementide rühma kuuluvad kõik need, mille oksüdatsiooniaste võib varieeruda. See tähendab, et olenevalt tingimustest võib metall toimida nii oksüdeeriva ainena kui ka redutseerijana. Sellistel elementidel on suurepärane reageerimisvõime. Nende hulgas on suur hulk amfoteerseid aineid.
Kõigi nende aatomite üldnimetus on üleminekuelemendid. Nad said selle, sest oma omaduste poolest seisavad nad tõesti keskel, s-perekonna tüüpiliste metallide ja p-perekonna mittemetallide vahel.
Siirdemetallide üldised omadused eeldavad nende sarnaste omaduste määramist. Need on järgmised:
- suur hulk elektrone välistasandil;
- suur aatomiraadius;
- mitu oksüdatsiooniastet (+3 kuni +7);
- on d- või f-alatasemel;
- moodustavad süsteemi 4-6 suurt perioodi.
Lihtainetena on selle rühma metallid väga tugevad, tempermalmist ja tempermalmist ning seetõttu on neil suur tööstuslik tähtsus.
Perioodilise tabeli külgmised alarühmad
Kõrvalrühmade metallide üldised omadused langevad täielikult kokku siirdemetallide omadega. Ja see pole üllatav, sest sisuliselt on need täpselt samad. Lihtsalt süsteemi külgmised alamrühmad moodustavad täpselt d- ja f-perekonna esindajad, see tähendab siirdemetallid. Seetõttu võime öelda, et need mõisted on sünonüümid.
Neist kõige aktiivsemad ja olulisemad on 10 esindaja esimene rida skandiumist tsinkini. Kõigil neil on oluline tööstuslik tähtsus ja inimesed kasutavad neid sageli, eriti sulatamiseks.
Sulamid
Metallide ja sulamite üldised omadused võimaldavad mõista, kus ja kuidas neid aineid kasutada saab. Sellised ühendid on viimastel aastakümnetel läbi teinud suuri muutusi, kuna nende kvaliteedi parandamiseks avastatakse ja sünteesitakse uusi lisaaineid.
Tänapäeval on kõige kuulsamad sulamid:
- messing;
- duralumiinium;
- Malm;
- teras;
- pronks;
- võidab;
- nikroom ja teised.
Mis on sulam? See on metallide segu, mis saadakse viimaste sulatamisel spetsiaalsetes ahjuseadmetes. Seda tehakse selleks, et saada toode, mis on omadustelt parem kui seda moodustavatest puhastest ainetest.
Metallide ja mittemetallide omaduste võrdlus
Kui me räägime üldistest omadustest, siis metallide ja mittemetallide omadused erinevad ühes väga olulises punktis: viimaste puhul on võimatu eristada sarnaseid omadusi, kuna need erinevad suuresti nende füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest.
Seetõttu on mittemetallide jaoks sarnast omadust võimatu luua. Saate käsitleda ainult iga rühma esindajaid eraldi ja kirjeldada nende omadusi.
1. Metallid reageerivad mittemetallidega.
2 Mina + n Hal 2 → 2 MeHal n
4Li + O2 = 2Li2O
Leelismetallid, välja arvatud liitium, moodustavad peroksiide:
2Na + O 2 = Na 2 O 2
2. Vesinikule eelnevad metallid reageerivad hapetega (välja arvatud lämmastik- ja väävelhape), vabastades vesiniku
Me + HCl → sool + H2
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2
Pb + 2 HCl → PbCl2↓ + H2
3. Aktiivsed metallid reageerivad veega, moodustades leelise ja vabastades vesinikku.
2Me+ 2n H20 → 2Me(OH)n+ n H 2
Metalli oksüdatsiooni produkt on selle hüdroksiid – Me(OH) n (kus n on metalli oksüdatsiooniaste).
Näiteks:
Ca + 2H 2O → Ca(OH)2 + H2
4. Keskmise aktiivsusega metallid reageerivad kuumutamisel veega, moodustades metallioksiidi ja vesinikku.
2Me + nH 2 O → Me 2 O n + nH 2
Selliste reaktsioonide oksüdatsiooniproduktiks on metallioksiid Me 2 O n (kus n on metalli oksüdatsiooniaste).
3Fe + 4H2O → Fe2O3FeO + 4H2
5. Metallid pärast vesinikku ei reageeri vee ja happelahustega (välja arvatud lämmastiku ja väävli kontsentratsioonid)
6. Aktiivsemad metallid tõrjuvad välja vähemaktiivsed oma soolade lahustest.
CuSO 4 + Zn = Zn SO 4 + Cu
CuSO 4 + Fe = Fe SO 4 + Cu
Aktiivsed metallid - tsink ja raud - asendasid sulfaadis vase ja moodustasid soolad. Tsink ja raud oksüdeerusid ning vask redutseeriti.
7. Halogeenid reageerivad vee ja leeliselahusega.
Erinevalt teistest halogeenidest oksüdeerib fluor vett:
2H 2 O+2F 2 = 4HF + O 2 .
külmas: tekivad Cl2+2KOH=KClO+KCl+H2OCl2+2KOH=KClO+KCl+H2O kloriid ja hüpoklorit
kuumutamisel: 3Cl2+6KOH−→KClO3+5KCl+3H2O3Cl2+6KOH→t,∘CKClO3+5KCl+3H2O loriid ja kloraat
8 Aktiivsed halogeenid (va fluor) tõrjuvad välja vähemaktiivsed halogeenid oma soolalahustest.
9. Halogeenid ei reageeri hapnikuga.
10. Amfoteersed metallid (Al, Be, Zn) reageerivad leeliste ja hapete lahustega.
3Zn+4H2SO4= 3 ZnSO4+S+4H2O
11. Magneesium reageerib süsinikdioksiidi ja ränioksiidiga.
2Mg + CO2 = C + 2MgO
SiO2+2Mg=Si+2MgO
12. Leelismetallid (v.a liitium) moodustavad hapnikuga peroksiide.
2Na + O 2 = Na 2 O 2
3. Anorgaaniliste ühendite klassifikatsioon
Lihtsad ained – ained, mille molekulid koosnevad sama tüüpi aatomitest (sama elemendi aatomitest). Keemilistes reaktsioonides ei saa nad laguneda, moodustades teisi aineid.
Komplekssed ained (või keemilised ühendid) on ained, mille molekulid koosnevad erinevat tüüpi aatomitest (erinevate keemiliste elementide aatomitest). Keemilistes reaktsioonides lagunevad nad mitmete teiste ainete moodustamiseks.
Lihtained jagunevad kahte suurde rühma: metallid ja mittemetallid.
Metallid – iseloomulike metalliliste omadustega elementide rühm: tahked ained (välja arvatud elavhõbe) on metallilise läikega, head soojus- ja elektrijuhid, tempermalmist (raud (Fe), vask (Cu), alumiinium (Al), elavhõbe ( Hg), kuld (Au), hõbe (Ag) jne).
Mittemetallid – elementide rühm: tahked, vedelad (broomi) ja gaasilised ained, millel puudub metalliline läige, mis on isolaatorid ja haprad.
Ja kompleksained jagunevad omakorda nelja rühma ehk klassi: oksiidid, alused, happed ja soolad.
Oksiidid - need on keerulised ained, mille molekulid sisaldavad hapnikuaatomeid ja mõnda muud ainet.
Põhjused - need on komplekssed ained, milles metalliaatomid on ühendatud ühe või mitme hüdroksüülrühmaga.
Elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooria seisukohalt on alused kompleksained, mille dissotsiatsioonil vesilahuses tekivad metallikatioonid (ehk NH4+) ja hüdroksiidianioonid OH-.
Happed - need on keerulised ained, mille molekulid sisaldavad vesinikuaatomeid, mida saab asendada või asendada metalliaatomitega.
soolad - need on komplekssed ained, mille molekulid koosnevad metalliaatomitest ja happejääkidest. Sool on happe vesinikuaatomite osalise või täieliku asendamise saadus metalliga.
Metallide keemilised omadused: interaktsioon hapniku, halogeenide, väävliga ja seos veega, hapetega, sooladega.
Metallide keemilised omadused määrab ära nende aatomite võime väliselt energiatasemelt kergesti ära anda elektrone, muutudes positiivselt laetud ioonideks. Seega osutuvad metallid keemilistes reaktsioonides energeetiliseks redutseerijaks. See on nende peamine ühine keemiline omadus.
Elektronide loovutamise võime on üksikute metalliliste elementide aatomite vahel erinev. Mida kergemini metall oma elektronidest loobub, seda aktiivsem ta on ja seda jõulisemalt reageerib see teiste ainetega. Uuringute põhjal olid kõik metallid järjestatud aktiivsuse vähenemise järjekorras. Selle seeria pakkus esmakordselt välja silmapaistev teadlane N. N. Beketov. Seda metallide tegevusseeriat nimetatakse ka metallide nihkereaks või metallipingete elektrokeemiliseks jadaks. See näeb välja selline:
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au
Selle sarja abil saate avastada, milline metall on teises aktiivne. See seeria sisaldab vesinikku, mis ei ole metall. Selle nähtavaid omadusi võetakse võrdluseks omamoodi nulliks.
Omades redutseerivate ainete omadusi, reageerivad metallid erinevate oksüdeerivate ainetega, eelkõige mittemetallidega. Metallid reageerivad hapnikuga normaalsetes tingimustes või kuumutamisel, moodustades oksiide, näiteks:
2Mg0 + O02 = 2Mg + 2O-2
Selles reaktsioonis magneesiumiaatomid oksüdeeritakse ja hapnikuaatomid redutseeritakse. Seeria lõpus olevad väärismetallid reageerivad hapnikuga. Reaktsioonid halogeenidega toimuvad aktiivselt, näiteks vase põlemine klooris:
Cu0 + Cl02 = Cu+2Cl-2
Reaktsioonid väävliga tekivad kõige sagedamini kuumutamisel, näiteks:
Fe0 + S0 = Fe+2S-2
Mg-s sisalduvate metallide aktiivsussarjas olevad aktiivsed metallid reageerivad veega, moodustades leelised ja vesinik:
2Na0 + 2H+2O → 2Na+OH + H02
Keskmise aktiivsusega metallid Al-st H2-ni reageerivad veega raskemates tingimustes ning moodustavad oksiide ja vesinikku:
Pb0 + H+2O Metallide keemilised omadused: vastastikmõju hapnikuga Pb+2O + H02.
Metalli võime reageerida lahuses olevate hapete ja sooladega sõltub ka selle asukohast metallide nihkereas. Vesinikust vasakul asuvas tõrjuvas metallireas olevad metallid tõrjuvad (redutseerivad) tavaliselt vesinikku lahjendatud hapetest, samas kui vesinikust paremal asuvad metallid seda välja ei tõrju. Seega reageerivad tsink ja magneesium happelahustega, vabastades vesinikku ja moodustades sooli, kuid vask ei reageeri.
Mg0 + 2H + Cl → Mg + 2Cl2 + H02
Zn0 + H+2SO4 → Zn+2SO4 + H02.
Nende reaktsioonide metalliaatomid on redutseerivad ained ja vesinikuioonid on oksüdeerivad ained.
Metallid reageerivad vesilahustes olevate sooladega. Aktiivsed metallid tõrjuvad soolade koostisest välja vähemaktiivsed metallid. Seda saab määrata metallide aktiivsusrea abil. Reaktsiooniproduktid on uus sool ja uus metall. Niisiis, kui raudplaat kastetakse vask(II)sulfaadi lahusesse, vabaneb sellele mõne aja pärast punase katte kujul vask:
Fe0 + Cu+2SO4 → Fe+2SO4 + Cu0.
Kuid kui hõbeplaat kastetakse vask(II)sulfaadi lahusesse, siis reaktsiooni ei toimu:
Ag + CuSO4 ≠ .
Selliste reaktsioonide läbiviimiseks ei saa kasutada liiga aktiivseid metalle (liitiumist naatriumini), mis võivad veega reageerida.
Seetõttu on metallid võimelised reageerima mittemetallide, vee, hapete ja sooladega. Kõigil neil juhtudel on metallid oksüdeerunud ja on redutseerijad. Metallidega seotud keemiliste reaktsioonide käigu ennustamiseks tuleks kasutada metallide nihkerida.
Metalli suhte reaktsioonivõrrandid:
- a) lihtainetele: hapnik, vesinik, halogeenid, väävel, lämmastik, süsinik;
- b) kompleksainetele: vesi, happed, leelised, soolad.
- Metallide hulka kuuluvad I ja II rühma s-elemendid, kõik s-elemendid, III rühma p-elemendid (v.a boor), samuti tina ja plii (IV rühm), vismut (V rühm) ja poloonium (VI rühm). Enamiku metallide välisenergia tasemes on 1-3 elektroni. D-elementide aatomite puhul täidetakse perioodide piires eelväliskihi d-alatasandid vasakult paremale.
- Metallide keemilised omadused on määratud nende välise elektronkesta iseloomuliku struktuuriga.
Perioodi jooksul, kui tuumalaeng suureneb, vähenevad sama arvu elektronkihtidega aatomite raadiused. Leelismetallide aatomid on suurima raadiusega. Mida väiksem on aatomi raadius, seda suurem on ionisatsioonienergia ja mida suurem on aatomi raadius, seda väiksem on ionisatsioonienergia. Kuna metalliaatomitel on suurimad aatomiraadiused, iseloomustavad neid peamiselt madalad ionisatsioonienergia ja elektronide afiinsuse väärtused. Vabadel metallidel on eranditult redutseerivad omadused.
3) Metallid moodustavad oksiide, näiteks:
Vesinikuga reageerivad ainult leelis- ja leelismuldmetallid, moodustades hüdriide:
Metallid reageerivad halogeenidega, moodustades halogeniide, väävliga sulfiide, lämmastikuga nitriide, süsiniku karbiide.
Metalli E 0 standardse elektroodipotentsiaali algebralise väärtuse suurenemisega pingereas väheneb metalli võime reageerida veega. Seega reageerib raud veega ainult väga kõrgetel temperatuuridel:
Positiivse metallid, st need, mis asuvad pingereas vesiniku järel, ei reageeri veega.
Iseloomulikud on metallide reaktsioonid hapetega. Negatiivse E0 väärtusega metallid tõrjuvad välja vesiniku HCl, H2S04, H3P04 jne lahustest.
Madalama E0 väärtusega metall tõrjub soolalahustest välja suurema E0 väärtusega metalli:
Tööstuslikult saadud olulisemad kaltsiumiühendid, nende keemilised omadused ja tootmismeetodid.
Kaltsiumoksiidi CaO nimetatakse kustutamata lubjaks. Seda saadakse lubjakivi CaC0 3 --> CaO + CO põletamisel temperatuuril 2000° C. Kaltsiumoksiidil on aluselise oksiidi omadused:
a) reageerib veega, eraldades suurel hulgal soojust:
CaO + H 2 0 = Ca (OH) 2 (kustutatud lubi).
b) reageerib hapetega, moodustades soola ja vett:
CaO + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O
CaO + 2H+ = Ca 2+ + H2O
c) reageerib happeoksiididega, moodustades soola:
CaO + C0 2 = CaC0 3
Kaltsiumhüdroksiidi Ca(OH) 2 kasutatakse kustutatud lubja, lubjapiima ja lubjavee kujul.
Lubjapiim on läga, mis tekib liigse kustutatud lubja segamisel veega.
Lubjavesi on selge lahus, mis saadakse lubjapiima filtreerimisel. Kasutatakse laboris süsinikmonooksiidi (IV) tuvastamiseks.
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O
Süsinikmonooksiidi (IV) pikaajalisel läbimisel muutub lahus läbipaistvaks, kuna moodustub vees lahustuv happeline sool:
CaC03 + C02 + H2O = Ca(HCO3)2
Kui saadud läbipaistvat kaltsiumvesinikkarbonaadi lahust kuumutatakse, tekib uuesti hägusus, kuna sadestub CaC0 3 sade:
