Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Главная > Документ

Металлы в периодической системе. Строение атомов-металлов. Общая характеристика металлов.

Положение металлов в периодической системе Если в таблице Д. И. Менделеева провести диагональ от бора к астату, то в главных подгруппах под диагональю окажутся атомы-металлы, а в побочных подгруппах все элементы ― металлы. Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают двойственными свойствами: в некоторых своих соединениях ведут себя как металлы; в некоторых ― как неметаллы.Строение атомов металлов В периодах и главных подгруппах действуют закономерности в изменении металлических свойств.Атомы многих металлов имеют 1, 2 или 3 валентных электрона, например:

Na (+ 11): 1S 2 2S 2 2p 6 3S 1

Са (+ 20): 1S 2 2S 2 2p 6 3S 2 3p 6 3d 0 4S 2

Щелочные металлы (1 группа, главная подгруппа): ...nS 1 .Щелочно-земельные (2 группа, главная подгруппа): ...nS 2 .Свойства атомов–металлов находятся в периодической зависимости от их местоположения в таблице Д. И. Менделеева. В ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЕ :

не изменяется .

Радиус атома увеличивается

Электроотрицательность уменьшается .

Восстановительные свойства усиливаются .

Металлические свойства усиливаются .

В ПЕРИОДЕ:

Заряды ядер атомов увеличиваются .

Радиусы атомов уменьшаются .

Число электронов на внешнем слое увеличивается .

Электроотрицательность увеличивается .

Восстановительные свойства уменьшаются .

Металлические свойства ослабевают .

Строение кристаллов металлов Большинство твердых веществ существует в кристаллической форме: их частицы расположены в строгом порядке, образуя регулярную пространственную структуру ― кристаллическую решетку.Кристалл ― твердое тело, частицы которого (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке (в узлах). При мысленном соединении узлов линиями образуется пространственный каркас ― кристаллическая решетка.Кристаллические структуры металлов в виде шаровых упаковок

а ― медь; б ― магний; в ― α-модификация железа

Атомы металлов стремятся отдать свои внешние электроны. В куске металла, слитке или металлическом изделии атомы металла отдают внешние электроны и посылают их в этот кусок, слиток или изделие, превращаясь при этом в ионы. «Оторвавшиеся» электроны перемещаются от одного иона к другому, временно снова соединяются с ними в атомы, снова отрываются, и этот процесс происходит непрерывно. Металлы имеют кристаллическую решетку, в узлах которой находятся атомы или ионы (+); между ними находятся свободные электроны (электронный газ). Схему связи в металле можно отобразить так:

М 0 ↔ nē + М n+ ,

атом ― ион

где n ― число внешних электронов, участвующих в связи (у Na ― 1 ē , у Са ― 2 ē , у Al ― 3 ē ).Наблюдается этот тип связи в металлах ― простых веществах-металлах и в сплавах.Металлическая связь ― это связь между положительно заряженными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов.Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, но и некоторое отличие, поскольку металлическая связь основана на обобществлении электронов (сходство), в обобществлении этих электронов принимают участие все атомы (отличие). Именно поэтому кристаллы с металлический связью пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск. Однако в парообразном состоянии атомы металлов связаны между собой ковалентной связью, пары металлов состоят из отдельных молекул (одноатомных и двухатомных).Общая характеристика металлов

Способность атомов отдавать электроны (окисляться)	← Возрастает
Взаимодействие с кислородом воздуха	Быстро окисляются при обычной температуре	Медленно окисляются при обычной температуре или при нагревании	Не окисляются
Взаимодействие с водой	При обычной температуре выделяется Н 2 и образуется гидроксид	При нагревании выделяется Н 2	Н 2 из воды не вытесняют
Взаимодействие с кислотами	Вытесняют Н 2 из разбавленных кислот	Не вытесняют Н 2 из разбавленных кислот
		Реагируют с конц. и разб. HNO 3 и с конц. H 2 SO 4 при нагревании		С кислотами не реагируют
Нахождение в природе	Только в соединениях	В соединениях и в свободном виде		Главным образом в свободном виде
Способы получения	Электролиз расплавов	Восстановлением углем, оксидом углерода(2), алюмотермия, или электролиз водных растворов солей
Способность ионов присоединять электроны (восстанавливаться)	Li K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
	Возрастает →

Электрохимический ряд напряжений металлов. Физические и химические свойства металлов

Общие физические свойства металлов Общие физические свойства металлов определяются металлической связью и металлической кристаллической решеткой. Ковкость, пластичность Механическое воздействие на кристалл металла вызывает смещение слоев атомов. Так как электроны в металле перемещаются по всему кристаллу, то разрыва связей не происходит. Пластичность уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe . Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной не более 0,001 мм, которые используют для позолоты различных предметов. Алюминиевая фольга появилась сравнительно недавно и раньше чай, шоколад поковали в фольгу из олова, которая так и называлась ― станиоль. Однако не обладают пластичностью Mn и Bi: это хрупкие металлы. Металлический блеск Металлический блеск, который в порошке теряют все металлы, кроме Al и Mg . Самые блестящие металлы ― это Hg (из нее изготовляли в средние века знаменитые «венецианские зеркала»), Ag (из него теперь с помощью реакции «серебряного зеркала» изготовляют современные зеркала). По цвету (условно) различают металлы черные и цветные. Среди последних выделим драгоценные ― Au, Ag, Pt. Золото ― металл ювелиров. Именно на его основе изготовляли замечательные пасхальные яйца Фаберже. Звон Металлы звенят, и это свойство используется для изготовления колокольчиков (вспомните Царь-колокол в Московском Кремле). Самые звонкие металлы ― это Au, Ag, Cи. Медь звенит густым, гудящим звоном ― малиновым звоном. Это образное выражение не в честь ягоды-малины, а в честь голландского города Малина, где выплавлялись первые церковные колокола. В России потом русские мастера стали лить колокола даже лучшего качества, а жители городов и поселков жертвовали золотые и серебряные украшения, чтобы отливаемый для храмов колокол звучал лучше. В некоторых русских ломбардах определяли подлинность принимаемых на комиссию золотых колец по звону золотого обручального кольца, подвешенного на женском волосе (слышен очень долгий и чистый высокий звук). При нормальных условиях все металлы, кроме ртути Hg, ― твердые вещества. Самый твердый из металлов ― хром Cr: он царапает стекло. Самые мягкие ― щелочные металлы, они режутся ножом. Щелочные металлы хранят с большими предосторожностями ― Na ― в керосине, а Li ― в вазелине из-за своей легкости, керосин ― в стеклянной баночке, баночка ― в асбестовой крошке, асбест ― в жестяной баночке. Электропроводность Хорошая электрическая проводимость металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов приобретают направленное движение от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры усиливаются колебания атомов (ионов), что затрудняет направленное движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электрической проводимости. При низких же температурах колебательное движение, наоборот, сильно уменьшается и электрическая проводимость резко возрастает. Вблизи абсолютного нуля металлы проявляют сверхпроводимость. Наибольшей электрической проводимостью обладают Ag, Cu, Au, Al, Fe; худшие проводники ― Hg, Pb, W. Теплопроводность При обычных условиях теплопроводность металлов изменяется в основном в такой же последовательности, как их электрическая проводимость. Теплопроводность обусловливается высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Наибольшая теплопроводность ― у серебра и меди, наименьшая ― у висмута и ртути. Плотность Плотность металлов различна. Она тем меньше, чем меньше атомная масса элемента-металла и чем больше радиус его атома. Самый легкий из металлов ― литий (плотность 0,53 г/см 3), самый тяжелый ― осмий (плотность 22,6 г/см 3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см 3 называются легкими, остальные ― тяжелыми. Разнообразны температуры плавления и кипения металлов. Самый легкоплавкий металл ― ртуть (t кип = -38,9°С), цезий и галлий ― плавятся соответственно при 29 и 29,8°С. Вольфрам ― самый тугоплавкий металл (t кип = 3390°С). Понятие аллотропии металлов на примере олова Некоторые металлы имеют аллотропные модификации. Например, олово различают на:

α-олово, или серое олово («оловянная чума» ― превращение обычного β-олова в α-олово при низких температурах стало причиной гибели экспедиции Р. Скотта к Южному полюсу, который потерял все горючее, так как оно хранилось в баках, запаянных оловом), устойчиво при t <14°С, серый порошок. β-олово, или белое олово (t = 14 ― 161°С) очень мягкий металл, но тверже свинца, поддается литью и пайке. Используется в сплавах, например, для изготовления белой жести (луженого железа).

Электрохимический ряд напряжений металлов и два его правила Расположение атомов в ряд по их реакционной способности может быть представлен следующим образом: Li,K,Ca,Na,Mg,Al, Mn,Zn,Fe,Ni,Sn,Pb, Н 2 , Сu,Hg,Ag,Pt,Au . Положение элемента в электрохимическом ряду показывает, насколько легко он образует ионы в водном растворе, т. е. его реакционную способность. Реакционная способность элементов зависит от способности принимать или отдавать электроны, участвующие в образовании связи. 1-е правило ряда напряжений Если металл стоит в этом ряду до водорода, он способен вытеснять его из растворов кислот, если после водорода, то нет. Например, Zn, Mg, Al давали реакцию замещения с кислотами (они находятся в ряду напряжений до H ), а Cu нет (она после H ). 2-е правило ряда напряжений Если металл стоит в ряду напряжений до металла соли, то он способен вытеснить этот металл из раствора его соли. Например, CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. В таких случаях положение металла до или после водорода может не иметь значения, важно, чтобы вступающий в реакцию металл предшествовал металлу, образующему соль: Cu + 2AgNO 3 = 2Ag + Cu(NO 3) 2 . Общие химические свойства металлов В химических реакциях металлы являются восстановителями (отдают электроны). Взаимодействие с простыми веществами .

С галогенами металлы образуют соли ― галогениды:

Mg + Cl 2 = MgCl 2 ; Zn + Br 2 = ZnBr 2 .

С кислородом металлы образуют оксиды:

4Na + O 2 = 2 Na 2 O; 2Cu + O 2 = 2CuO.

С серой металлы образуют соли ― сульфиды:

Fe + S = FeS.

С водородом самые активные металлы образуют гидриды, например:

Са + Н 2 = СаН 2 .

с углеродом многие металлы образуют карбиды:

Са + 2С = СаС 2 . Взаимодействие со сложными веществами

Металлы, находящиеся в начале ряда напряжений (от лития до натрия), при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют щелочи, например:

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 .

Металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода, взаимодействуют с разбавленными кислотами (НCl, Н 2 SO 4 и др.), в результате чего образуются соли и выделяется водород, например:

2Al + 6НCl = 2AlCl 3 + 3H 2 .

Металлы взаимодействуют с растворами солей менее активных металлов, в результате чего образуется соль более активного металла, а мене активный металл выделяется в свободном виде, например:

CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.

Металлы в природе.

Нахождение металлов в природе. Большинство металлов встречается в природе в виде различных соединений: активные металлы находятся только в виде соединений; малоактивные металлы ― в виде соединений и в свободном виде; благородные металлы (Аg, Рt, Аu...) в свободном виде.Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зерен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов ― самородки. Многие металлы в природе существуют в связанном состоянии в виде химических природных соединений ― минералов . Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк 2Fe 2 O 3 ∙ 3Н 2 О, магнитный железняк Fe 3 O 4 .Минералы входят в состав горных пород и руд. Рудами называют содержащие минералы природные образования, в которых металлы находятся в количествах, пригодных в технологическом и экономическом отношении для получения металлов в промышленности.По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.Обычно перед получением металлов из руды ее предварительно обогащают ― отделяют пустую горную породу, примеси, в результате образуется концентрат, служащий сырьем для металлургического производства.Способы получения металлов. Получение металлов из их соединений ― это задача металлургии. Любой металлургический процесс является процессом восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей, в результате чего получаются металлы в свободном виде. В зависимости от способа проведения металлургического процесса различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.Пирометаллургия ― это получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей: углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов (алюминия, магния) и др.Примеры восстановления металлов

углем:

ZnO + C → Zn + CO 2 ;

оксидом углерода:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 ;

водородом:

WO 3 + 3H 2 → W + 3Н 2 О; CoO + H 2 → Co + Н 2 О;

алюминием (алюмотермия):

4Al + 3MnO 2 → 2Al 2 O 3 + 3Mn; Cr 2 O 3 + 2Al = 2Al 2 O 3 + 2Cr;

магнием:

TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2 .Гидрометаллургия ― это получение металлов, которое состоит из двух процессов: 1) природное соединение металла растворяется в кислоте, в результате чего получается раствор соли металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняется более активным металлом. Например:

2CuS + 3О 2 = 2CuO + 2SО 2 .

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

CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.

Электрометаллургия ― это получение металлов при электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя в процессе электролиза играет электрический ток.

Общая характеристика металлов IА-группы.

К металлам главной подгруппы первой группы (IА-группы) относятся литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr). Эти металлы называются щелочными, так как они и их оксиды при взаимодействии с водой образуют щелочи.Щелочные металлы относятся к s-элементам. На внешнем электронном слое у атомов металлов один s-электрон (ns 1).Калий, натрий ― простые вещества

Щелочные металлы в ампулах:
а - цезий; б - рубидий; в - калий; г – натрийОсновные сведения об элементах IА группы

Элемент	Li литий	Na натрий	K калий	Rb рубидий	Cs цезий	Fr франций
Атомный номер	3	11	19	37	55	87
Строение внешних электрон-ных оболочек атомов	ns 1 np 0 ,где n = 2, 3, 4, 5, 6, 7, n ― номер периода
Степень окисления	+1	+1	+1	+1	+1	+1
Основные природные соединения	Li 2 O·Al 2 O 3 · 4SiO 2 (сподумен); LiAl(PO 4)F, LiAl(PO 4)OH (амблигонит)	NaCl (поварен-ная соль); Na 2 SO 4 · 10H 2 O (глауберо-ва соль, мираби-лит); КCl·NaCl (сильви-нит)	КCl (сильвин), КCl·NaCl (сильвинит); K (калиевый полевой шпат, ортоглаз); KCl·MgCl 2 ·6H 2 O (карналлит) ― содержится в растениях	В качестве изоаморф-ной примеси в минералах калия ― сильвини-те и кар-наллите	4Cs 2 O·4Al 2 O 3 ·18 SiO 2 · 2H 2 O (полу-цит); спутник минера-лов калия	Продукт α-распада актиния

Физические свойства Калий и натрий ― мягкие серебристые металлы (режутся ножом); ρ(К) = 860 кг/м 3 , Т пл (К) = 63,7°С, ρ(Na) = 970 кг/м 3 , Т пл (Na) = 97,8°С. Обладают высокой тепло- и электропроводностью, окрашивают пламя в характерные цвета: К ― в бледно-фиолетовый цвет, Na ― в желтый цвет.

В периодической системе более 3/4 мест занимают : они находятся в I, II, III группах, в побочных подгруппах всех групп. Кроме того, металлами являются наиболее тяжелые элементы IV, V, VI и VII групп. Надо отметить, однако, что многие обладают амфотер-ными свойствами и иногда могут вести себя как неметаллы.
Особенностью строения атомов металлов является небольшое количество электронов на внешнем электронном слое, не превышающее трех.
Атомы металлов имеют, как правило, большие атомные радиусы. В периодах наибольшие атомные радиусы у щелочных металлов. Отсюда их наиболее высокая химическая активность, т. е. атомы металлов легко отдают электроны, - являются хорошими восстановителями. Лучшие восстановители - I и II групп главных подгрупп.
В соединениях металлы проявляют всегда положительную степень окисления, обычно от +1 до +4.

Рис 70. Схема образования металлической связи в куске металла,

В соединениях с неметаллами типичные металлы образуют химическую связь ионного характера. В виде простого атомы металлов связаны между собой так называемой металлической связью.

Запишите в тетрадь этот термин.

Металлическая связь - особый вид связи, присущий исключительно металлам. Сущность ее в том, что от атомов металлов постоянно отрываются электроны, которые перемещаются по всей массе куска металла (рис. 70). Атомы металла, лишенные электронов, превращаются в положительные ионы, которые стремятся снова притянуть к себе свободно движущиеся электроны. Одновременно другие атомы металла отдают электроны. Таким образом, внутри куска металла постоянно циркулирует так называемый электронный газ, который прочно связывает между собой все атомы металла. Электроны оказываются как бы обобществленными одновременно всеми атомами металла. Такой особый тип химической связи между атомами металлов обусловливает как физические, так и химические свойства металлов.

■ 1.Чем объяснить малую электроотрицательность металлов?
2. Как возникает металлическая связь?
3. В чем отличие металлической связи от ковалентной?

Рис. 71. Сравнение температур плавления разных металлов

Металлы обладают рядом сходных физических свойств, отличающих их от неметаллов. Чем больше валентных электронов имеет металл, тем прочнее металлическая связь, тем прочнее кристаллическая решетка, тем прочнее и тверже металл, тем выше его температура плавления и кипения и т. д. Ниже рассматриваются особенности физических свойств металлов.
Все они обладают более или менее ярко выраженным блеском, который принято называть металлическим. Металлический блеск характерен для куска металла в целом. В порошке металлы темного цвета, за исключением магния и алюминия, которые сохраняют серебристо-белый цвет, в связи с чем алюминиевая пыль используется для изготовления краски «под серебро». Многие неметаллы обладают жирным или стеклянным блеском.
Цвет металлов довольно однообразен: он либо серебристо-белый ( , ), либо серебристо-серый ( , ). Только желтого цвета, а - красного. Неметаллы имеют весьма разнообразную окраску: - лимонно-желтая, - красно-бурый, - красный или белый, - черный.

Таким образом, по цвету металлы условно делят на черные и цветные. К черным металлам относятся и его . Все остальные металлы называются цветными.

При обычных условиях металлы представляют собой твердые с кристаллической структурой. Среди неметаллов встречаются как твердые ( , ), так и жидкие () и газообразные ( , ) .
Все металлы, за исключением ртути, - твердые вещества, поэтому температура плавления их выше нуля, только температура плавления ртути -39°. Наиболее тугоплавким металлом является , температура плавления которого 3370°. Температура плавления остальных металлов лежит в этих пределах (рис. 71).
Температуры плавления неметаллов значительно ниже, чем металлов, например кислорода -219°, водорода -259,4°, фтора -218°, хлора -101°, брома -5,7°.

Рис. 72. Сравнение твердости металлов с твёрдостью алмаза.

Металлы обладают различной твердостью, которую сопоставляют с твердостью алмаза. Показатель твердости металла определяют специальным прибором - твердомером. При этом в массу металла вдавливают стальной шарик или, в случае большей твердости металла, алмазный конус. По силе давления и глубине образовавшейся лунки определяют твердость металла.
Наиболее твердым металлом является . Мягкие металлы - , - легко режутся ножом. Твердость отдельных металлов по общепринятой десятибалльной шкале,твердости представлена на рис. 72.

Металлы в большей или меньшей степени обладают пластичностью (ковкостью). У неметаллов это свойство отсутствует. Наиболее ковким металлом является . Из него можно выковать золотую фольгу толщиной 0,0001 мм - в 500 раз тоньше человеческого волоса. В же время весьма хрупка; ее можно даже растереть в ступке в порошок.
Пластичностью называют способность к сильной деформации без нарушения механической прочности. Пластичность металлов используется при их прокатке, когда огромные раскаленные металлические болванки пропускают между обжимными валами, приготовляя из них листы, при волочении, когда из них вытягивают проволоку, при прессовании, штамповке, когда под действием

Рис. 73. Сравнение металлов по плотности.

давления нагретому металлу придают определенную форму, которую он сохраняет при охлаждении. Пластичность зависит от структуры кристаллической решетки металлов.
Все металлы нерастворимы в воде, но зато растворимы друг в друге в расплавах. Твердый раствор одного металла в другом называется сплавом.

По плотности металлы разделяются на тяжелые и легкие. Тяжелыми считают те, плотность которых больше 3 г/см3 (рис. 73). Самым тяжелым металлом является . Наиболее легкие металлы - , .- имеют плотность даже меньше единицы. Большое применение в промышленности получили легкие металлы - и .
Металлы характеризуются высокой электро- и теплопроводностью (рис. 74), тогда как неметаллы обладают этими свойствами в слабой степени. Наибольшей электро-и теплопроводностью обладает , на втором месте стоит . Довольно высоки эти свойства у алюминия.

Рис. 74. Сравнение электропроводности и теплопроводности разных металлов

Следует отметить, что металлы с высокой электропроводностью имеют и высокую теплопроводность.
Металлы проявляют магнитные свойства. Если при соприкосновении с магнитом металл притягивается к нему и после этого сам становится магнитом, мы говорим, что металл намагничивается. Хорошо намагничиваются , и их . Такие металлы и называют ферромагнитными. Неметаллы магнитными свойствами не обладают.

■ 4. Составьте и заполните следующую таблицу:

Химические свойства металлов. Коррозия

Химические и физические свойства металлов определяются атомной структурой и особенностями металлической связи. Все металлы отличаются способностью легко отдавать валентные электроны. В связи с этим они проявляют ярко выраженные восстановительные свойства. Степень восстановительной активности металлов отражает электрохимический ряд напряжений (см. приложение III, п. 6).
Зная положение металла в этом ряду, можно сделать вывод о сравнительной величине энергии, затрачиваемой на отрыв от атома валентных электронов. Чем ближе к началу ряда, тем легче окисляется металл. Наиболее активные металлы вытесняют из воды при обычных условиях с образованием щелочи:
2Na + 2Н2О = 2NaOH + H2
Менее активные металлы вытесняют из воды в виде перегретого пара и образуют
2Fe + 4Н2О = Fe3О4 + 4H2
реагируют с разбавленными и бескислородными кислотами, вытесняя из них водород:
Zn + 2НСl = ZnCl2 + H2
Металлы, стоящие после водорода, не могут вытеснять его из воды и из кислот, а вступают с кислотами в окислительно-восстановительные реакции без вытеснения водорода:
Сu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + Н2O
Все предшествующие металлы вытесняют последующие из их солей:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Сu

Fe0 + Сu2+ = Fe2+ + Сu0
Во всех случаях вступающие в реакции металлы окисляются. Окисление металлов наблюдается и при непосредственном взаимодействии металлов с неметаллами:
2Na + S = Na2S
2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3
Большинство металлов активно реагируют с кислородом, образуя разного состава (см. стр. 38).

■ 5. Как можно охарактеризовать восстановительную активность металла, пользуясь рядом напряжений?

6. Приведите примеры металлов, реагирующих с водой по типу натрия, железа. Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.

7. Сравните взаимодействие с водой активных металлов и активных неметаллов.
8. Перечислите химические свойства металлов, подтверждая свой ответ уравнениями реакций.
9. С какими из перечисленных ниже веществ будет реагировать железо: а) , б) гашеная известь, в) карбонат меди, г) , д) сульфат цинка, е) ?
10. Какой газ и в каком объеме может быть получен при действии на 5 кг смеси меди и окиси меди концентрированной азотной кислотой, если окиси меди в смеси 20%?

Окисление металлов часто приводит к их разрушению. Разрушение металлов под действием окружающей среды называется коррозией.

Запишите в тетрадь определение коррозии.

Происходит под влиянием кислорода, влаги и углекислоты, а также окислов азота и пр. Коррозия, вызванная непосредственным взаимодействием металла с веществом окружающей его среды, называется химической, или газовой, коррозией. Например, на химических производствах металл иногда контактирует с кислородом, хлором, окислами азота и т. д., в результате чего образуются соли и металла:
2Сu + О2 = 2СuО
Кроме газовой, или химической, коррозии, существует еще электрохимическая коррозия, которая встречается гораздо чаще. Для того чтобы понять схему электрохимической коррозии, рассмотрим гальваническую пару - .

Возьмем цинковую и медную пластинки (рис. 75) и опустим их в раствор серной кислоты, которая, как нам известно, содержится в растворе в виде ионов:
H2SO4 = 2Н+ + SO 2 4 —
Соединив цинковую и медную пластинки через гальванометр, мы обнаружим наличие в цепи электрического тока. Это объясняется тем, что атомы цинка, отдавая электроны, в виде ионов переходят в раствор:
Zn 0 - 2е — → Zn +2
Электроны через проводник переходят на медь, а с меди - на ионы водорода:
Н + + е — → Н 0

Водород в виде нейтральных атомов выделяется на медной пластинке, а постепенно растворяется. Таким образом, медь, как бы оттягивая электроны с цинка, заставляет последний быстрее растворяться, т. е. способствует окислению. В же время совершенно чистый может некоторое время находиться в кислоте, совершенно не подвергаясь ее действию.

Рис. 75. Схема образова­ния гальванической пары при электрохимической коррозии. 1 - цинк; 2 - медь; 3 - пузырь­ки водорода на медном элек­троде; 4 - гальванометр

По такой же схеме происходит коррозия такого металла, как железо, только электролитом на воздухе является , а примеси к железу играют роль второго электрода гальванической пары. Эти пары микроскопические, поэтому разрушение металла идет гораздо медленнее. Разрушению обычно подвергается более активный металл. Таким образом, электрохимическая коррозия - это окисление металла, сопровождающееся возникновением гальванических пар. причиняет большой ущерб народному хозяйству.

12. Дайте определение коррозии.
11. Можно ли считать коррозией то, что на воздухе быстро окисляется, взаимодействие цинка с соляной кислотой, взаимодействие алюминия с окисью железа при термитной сварке, получение водорода при взаимодействии железа с перегретым водяным паром.

13. Какая разница между химической и электрохимической коррозией?
Для борьбы с коррозией существует много способов. Металлы (в частности, железо) покрывают масляной краской, образующей на поверхности металла плотную пленку, не пропускающую и пары воды. Можно покрывать металлы, например медную проволоку, лаком, который одновременно защищает металл от коррозии и служит изолятором.

Воронение - это процесс, при котором железо подвергают действию сильных окислителей, в результате чего металл покрывается не проницаемой для газов пленкой окислов, предохраняющей его от воздействия внешней среды. Чаще всего это бывает магнитная окись Fe304, которая глубоко внедряется в слой металла и защищает его от окисления лучше всякой краски. Уральское кровельное железо, подвергнутое воронению, продержалось на кровле без ржавления более 100 лет. Чем лучше отполирован металл, тем плотнее и прочнее образованная на его поверхности пленка окислов.

Эмалирование - очень хороший вид защиты от коррозии различной посуды. Эмаль не поддается не только действию кислорода и воды, но даже сильных кислот и щелочей. К сожалению, эмаль весьма хрупка и при ударе и быстрой смене температур довольно легко трескается.
Очень интересными способами защиты металлов от коррозии являются , а также никелирование и лужение.
- это покрытие металла слоем цинка (так защищают главным образом железо). При таком покрытии в случае нарушения поверхностной пленки цинка коррозии подвергается сначала цинк как более активный металл, но цинк хорошо сопротивляется коррозии, так как его поверхность покрыта не проницаемой для воды и кислорода защитной пленкой окиси.
При никелировании (покрытии никелем) и лужении (покрытии оловом) ржавление железа не происходит до тех пор, пока не нарушен слой покрывающего его металла. Как только он нарушается, начинается коррозия железа как наиболее активного металла. Но - металл, сравнительно мало подвергающийся коррозии, поэтому его пленка держится на поверхности очень долго. Лудят чаще всего медные предметы, и тогда гальваническая пара медь - всегда приводит к коррозии олова, а не меди, которая менее активна как металл. При лужении железа получают «белую жесть» для консервной промышленности.

Для защита oт коррозии можно воздействовать не только на металл, но и на среду, которая его окружает. Если к соляной кислоте примешать некоторое количество хромата натрия, то реакция соляной кислоты с железом настолько замедлится, что практически кислоту можно перевозить в железных цистернах, тогда, как обычно это невозможно. Вещества, замедляющие коррозию, а иногда и практически полностью останавливающие ее, называются ингибиторами - замедлителями (от латинского слова inhibere - тормозить).

Характер действия ингибиторов различен. Они либо создают на поверхности металлов защитную пленку, либо уменьшают агрессивность среды. К первому типу относятся, например, NaNО2, замедляющий коррозию стали в воде и растворах солей, замедляющие коррозию алюминия в серной кислоте, ко второму - органическое соединение CO(NH2)2 - мочевина, которая очень замедляет растворение в азотной кислоте меди и других металлов. Ингибиторными свойствами обладают животные белки, некоторые высушенные растения - чистотел, лютик и т. д.
Иногда, чтобы усилить устойчивость металла к коррозии, а также придать ему некоторые более ценные свойства, из него изготовляют сплавы с другими металлами.

■ 14. Запишите в тетрадь перечисленные способы защиты металла от коррозии.
15. Чем определяется выбор способа защиты металла от коррозии?
16. Что такое ингибитор? Чем ингибитор отличается от катализатора?

Способы выплавки металлов из руд

Металлы в природе могут встречаться в самородном состоянии. Это в основном , например . Его извлекают путем механической отмывки от окружающих пород. Однако подавляющее большинство металлов встречается в природе в виде соединений. Вместе с тем не всякий природный минерал годится для получения содержащегося в нем металла. Следовательно, не всякий минерал можно назвать металлической рудой.
Горная порода или минерал, содержащие тот или иной металл в количестве, которое делает экономически выгодным его промышленное получение, называются рудами данного металла.

Запишите определение руд.

Из руд металлы получаются различными способами.
1. Если руда представляет собой окисел, то ее восстанавливают каким-либо восстановителем - чаще всего углеродом или окисью углерода СО, реже - водородом, например:
FesO4 + 4СО = 3Fe + 4CO2
2. Если руда представляет собой сернистое соединение, то ее сначала обжигают:
2PbS + 3О2 = 2РbO + 2SO2
затем полученный окисел восстанавливают углем:
РbО + С = РbО + CO
Из хлоридов металлы выделяют электролизом из расплавов. Например, при плавлении поваренной соли NaCl происходит термическая диссоциация вещества.
NaCl ⇄ Na + + Cl —
При пропускании постоянного электрического тока через этот расплав идут следующие процессы:
а) на катоде:
Na + + е — → Na 0
б) на аноде
Сl — - е — → Сl 0
Этим способом можно получить металлы и из других солей.
4. Иногда металлы можно восстановить из окислов путем вытеснения при высокой температуре другим, более активным металлом. Этот способ получил особенно широкое распространение при восстановлении металлов алюминием и потому сначала был назван алюминотермией:
2Аl + Fe2O3 = Аl2O3 + 2Fe.
Подробнее алюминотермия будет рассмотрена ниже.
Во многих случаях руда может оказаться смешанной с большим количеством пустой породы, для удаления которой, т. е. для «обогащения» руды, существуют различные методы, в частности метод пенной флотации. Для этой цели применяются минеральные масла, обладающие свойством избирательной адсорбции. Это значит, что частицы руды они поглощают, а пустую породу нет. В огромные чаны с водой помещают измельченную вместе с пустой породой руду и минеральное масло. После этого воду сильно вспенивают воздухом. Масло окружает пузырьки воздуха, образуя на них пленку. Получается устойчивая пена. Частицы, руды адсорбируются и вместе с пузырьками воздуха поднимаются наверх. Пена вместе с рудой сливается, а пустая порода остается на дне чана. В дальнейшем руду легко освобождают от масла, которое снова используется для флотации.

■ 17. Что такое пенная ?
18. Какими свойствами должен обладать металл, чтобы находиться в природе в самородном состоянии?
19. Можно ли назвать рудой любой минерал или горную породу, содержащую в своем составе тот или иной металл?
20. Перечислите, какие виды металлических руд вам известны.
21. Цинк встречается в природе в виде минерала цинковой обманки, содержащей сульфид цинка. Предложите способ получения цинка из цинковой обманки.
22. Из 2 т магнитного железняка, содержащего 80% магнитной окиси железа Fe3O4 получено 1,008 т железа. Рассчитайте практический выход железа.
23. Какие металлы могут быть получены электролизом растворов солей?
24. Из железа, полученного при восстановлении 5 т магнитного железняка, содержащего 13% примесей, приготовили сплав, содержащий 4% углерода. Сколько сплава при этом удалось получить?
25. Какое количество цинка и серной кислоты можно получить из 242,5 т цинковой обманки ZnS, содержащей 20% пустой породы?

31

Обоснование периодической системы элементов Поскольку электроны в атоме располагаются на различных энергетических уровнях и образуют квантовые слои, логично предположить, что...

Вторая группа периодической системы

Как вам уже известно из курса химии 8 класса, большинство химических элементов относят к металлам (рис. 24 и 25).

Рис. 24.
Положение химических элементов-металлов в Периодической системе Д. И. Менделеева (короткопериодный вариант)

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 элементы образуют главную подгруппу I группы (IA группу) и называются щелочными металлами. Своё название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, - щелочей.

Рис. 25.
Положение химических элементов-металлов в Периодической системе Д. И. Менделеева (длиннопериодный вариант)

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

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

К металлам относят и химические элементы главной подгруппы III группы (IIIA группы), исключая бор.

Из элементов главных подгрупп следующих групп к металлам относят: в IVA группе - германий * , олово, свинец (первые два элемента - углерод и кремний - неметаллы), в VA группе - сурьму и висмут (первые три элемента - неметаллы), в VIA группе только последний элемент - полоний - явно выраженный металл. В главных подгруппах VIIA и VIIIA групп все элементы - типичные неметаллы.

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

Что касается элементов побочных подгрупп, то все они металлы.

Таким образом, условная граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами проходит по диагонали В (бор) - Si (кремний) - As (мышьяк) - Те (теллур) - At (астат) (проследите её в таблице Д. И. Менделеева).

Атомы металлов имеют сравнительно большие размеры (радиусы), поэтому их внешние электроны значительно удалены от ядра и слабо с ним связаны. Вторая особенность, которая присуща атомам наиболее активных металлов, - это наличие на внешнем энергетическом уровне 1-3 электронов. Отсюда вытекает самое характерное химическое свойство всех металлов - их восстановительная способность, т. е. способность атомов легко отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы. Металлы - свободные атомы и простые вещества - не могут быть окислителями, т. е. атомы металлов не могут присоединять к себе электроны.

Следует, однако, иметь в виду, что деление химических элементов на металлы и неметаллы условно. Вспомните, например, свойства аллотропных модификаций олова: серое олово, или α-олово, - неметалл, а белое олово, или β-олово, - металл. Другой пример - модификации углерода: алмаз - неметалл, а графит имеет некоторые характерные свойства металла, например электропроводность. Хром, цинк и алюминий - типичные металлы, но образуют оксиды и гидроксиды амфотерного характера. И наоборот, теллур и иод - типичные неметаллы, но образованные ими простые вещества обладают некоторыми свойствами, присущими металлам.

Новые слова и понятия

1. Диагональ В-Si-As-Те-At.
2. Щелочные и щёлочноземельные металлы.
3. Восстановительные свойства металлов.
4. Относительность деления химических элементов на металлы и неметаллы.

Задания для самостоятельной работы

Бо льшая часть известных химических элементов образует простые вещества металлы.

К металлам относятся все элементы побочных (Б) подгрупп, а также элементы главных подгрупп, расположенные ниже диагонали «бериллий - астат» (Рис. 1). Кроме того, химические элементы металлы образуют группы лантаноидов и актиноидов.

Рис. 1. Расположение металлов среди элементов подгрупп А (выделены синим)

По сравнению с атомами неметаллов, атомы металлов имеют бо льшие размеры и меньшее число внешних электронов, обычно оно равно 1-2. Следовательно, внешние электроны атомов металлов слабо связаны с ядром, металлы их легко отдают, проявляя в химических реакциях восстановительные свойства.

Рассмотрим закономерности изменения некоторых свойств металлов в группах и периодах.

В периодах с увеличением заряда ядра радиус атомов уменьшается. Ядра атомов все сильнее притягивают внешние электроны, поэтому возрастает электроотрицательность атомов, металлические свойства уменьшаются. Рис. 2.

Рис. 2. Изменение металлических свойств в периодах

В главных подгруппах сверху вниз в атомах металлов возрастает число электронных слоев, следовательно, увеличивается радиус атомов. Тогда внешние электроны будут слабее притягиваться к ядру, поэтому наблюдается уменьшение электроотрицательности атомов и увеличение металлических свойств. Рис. 3.

Рис. 3. Изменение металлических свойств в подгруппах

Перечисленные закономерности характерны и для элементов побочных подгрупп, за редким исключением.

Атомы элементов металлов склонны к отдаче электронов. В химических реакциях металлы проявляют себя только как восстановители, они отдают электроны и повышают свою степень окисления.

Принимать электроны от атомов металлов могут атомы, составляющие простые вещества неметаллы, а также атомы, входящие в состав сложных веществ, которые способны понизить свою степень окисления. Например:

2Na 0 + S 0 = Na +1 2 S -2

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

Не все металлы обладают одинаковой химической активностью. Некоторые металлы при обычных условиях практически не вступают в химические реакции, их называют благородными металлами. К благородным металлам относятся: золото, серебро, платина, осмий, иридий, палладий, рутений, родий.

Благородные металлы очень мало распространены в природе и встречаются почти всегда в самородном состоянии (Рис. 4). Несмотря на высокую устойчивость к коррозии-окислению, эти металлы все же образуют оксиды и другие химические соединения, например, всем известны соли хлориды и нитраты серебра.

Рис. 4. Самородок золота

Подведение итога урока

На этом уроке вы рассмотрели положение химических элементов металлов в Периодической системе, а также особенности строения атомов этих элементов, определяющие свойства простых и сложных веществ. Вы узнали, почему химических элементов металлов значительно больше, чем неметаллов.

Список литературы

1. Оржековский П.А. Химия: 9-й класс: учеб для общеобр. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. - М.: Астрель, 2013. (§28)
2. Рудзитис Г.Е. Химия: неорган. химия. Орган. химия: учеб. для 9 кл. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§34)
3. Хомченко И.Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008. (с. 86-87)
4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003.

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (видеоопыты по теме) ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().

Домашнее задание

1. с. 195-196 №№ 7, А1-А4 из учебника П.А. Оржековского «Химия: 9-й класс» / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. - М.: Астрель, 2013.
2. Какими свойствами (окислительными или восстановительными) может обладать ион Fe 3+ ? Ответ проиллюстрируйте уравнениями реакций.
3. Сравните радиус атомов, электроотрицательность и восстановительные свойства натрия и магния.

Классификации:

Все неорганические соединения делятся на две большие группы:

Простые вещества - состоят из атомов одного элемента;

Сложные вещества - состоят из атомов двух или более элементов.

Простые вещества

• неметаллы

  амфотерные простые вещества

  благородные газы

Сложные вещества по химическим свойствам делятся на:

осно́вные оксиды

кислотные оксиды

амфотерные оксиды

двойные оксиды

несолеобразующие оксиды

Гидроксиды;

основания

• амфотерные гидроксиды

средние соли

кислые соли

осно́вные соли

двойные и/или комплексные соли

бинарные соединения:

бескислородные кислоты

бескислородные соли

прочие бинарные соединения

Неорганические вещества, содержащие углерод:

Данные вещества традиционно относятся к области неорганической химии:

Карбонаты

• Оксиды углерода

• Неорганические тиоцианаты (роданиды)

  Селеноцианаты

Карбонилы металлов

Металлы - группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами , такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Характерные свойства металлов

Металлический блеск

Хорошая электропроводность

Возможность лёгкой механической

Высокая плотность

Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)

Большая теплопроводность

В реакциях чаще всего являются восстановителями окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

Неметаллы - химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы.

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов, и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.

Вопрос 25:

Электрохимический ряд активности (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) металлов - последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения ихстандартных электрохимических потенциалов, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла

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 сравнительную активность металлов в

Соли взаимодействуют с металлами - более активные металлы, расположенные левее в электрохимическом ряду напряжений**, вытесняют из солей менее активные металлы. Например, железо вытесняет медь из раствора хлорида меди (II): Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu↓

Вопрос 28: Металлы, их положение в периодической системе химических элементов д.И. Менделеева, строение их атомов, металлические связи. Общие химические свойства металлов.

Положение металлов в периодической системе.

Все химические элементы принято делить на металлы и неметаллы. Большинство элементов (более 85 из 109 известных) - это металлы.

К металлам относятся s–элементы (элементы IA и IIA групп за исключением водорода и гелия); некоторые p–элементы (Al, Sn, Pb и другие); все d–элементы (элементы побочных подгрупп); все f–элементы (лантаноиды и актиноиды).

Так как металлические свойства элементов с увеличением заряда ядра их атомов в периодах ослабевают, а в главных подгруппах усиливаются, то наиболее активные металлы сосредоточены в левом нижнем углу периодической системы элементов.

Строение металлов .

Отличительные особенности в строении атомов металлов - их большие по сравнению с неметаллами размеры (радиус) и небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (как правило, 1-2 электрона, реже 3 или 4). Этим объясняется слабая связь внешних (валентных) электронов с ядром и способность атомов металлов легко отдавать эти электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Этот процесс обратим, катионы металлов могут вновь притягивать к себе электроны (не только «свои», но и «чужие», то есть «потерянные» другими атомами). Иными словами, электроны свободно перемещаются в объеме металла, являются общими, «коллективными», называемыми также «электронным газом». Эти электроны и обеспечивают химическую связь металлов. В отличие от ковалентной связи (чаще всего образуемой парой электронов между двумя соседними атомами), металлическая связь делокализована (многоцентровая).

Металлическая связь - это связь в металлах между атомами и ионами, образованная за счет обобществления электронов.

Металлическая связь бывает не только в чистых металах но также характерна для смесей разных металов, сплавов в разных агрегатных состояниях. Металлическая связь имеет важное значение и обуславливает основные свойства металлов - электропроводность – беспорядочное движение електронов в объеме металла. Но при небольшой разности потенциалов, чтобы электроны двигались упорядоченно. Металами с лучшей проводимостью являются Ag, Cu, Au, Al. - пластичность Связи между слоями металла не очень значительны, это позволяет перемещать слои под нагрузкой (деформировать металл не ломая его). Наилучше деформирующиеся металы (мягкие)Au, Ag, Cu. - металлический блеск Электронный газ отражает почти все световые лучи. Вот почему чистые металлы так сильно блестят и чаще всего имеют сенрый или белый цвет. Металы являющиеся наилучшими отражателями Ag, Cu, Al, Pd, H

Сильные восстановители: Me 0 – nē ® Me n+