Тема. Загальна характеристика металічних елементів за їх
положенням у періодичній системі та будовою атомів. Метали як прості речовини.
Металічний зв’язок, металічні кристалічні ґратки. Загальні фізичні властивості
металів
Поширеність металічних елементів та їхніх сполук у природі
План.
1. Положення елементів металів у періодичній системі. Лужні, лужноземельні,
амфотерні та метали побічних підгруп.
2.Металічний
зв'язок, кристалічні гратки.
2.Фізичні
властивості металів.
3. Поширеність металічних елементів та їхніх сполук у природі.
Метали - клас хімічних
елементів з певними хімічними і фізичними
властивостями: метали
добре проводять електрику і тепло, непрозорі, але можуть відбивати світло; ковкі, що дозволяє надавати виробам з
них потрібну форму і розкатувати в плоскі пластинки, пластичні, що дає
можливість витягати тонкий дріт.
·Всі метали мають кристалічну будову. Розташовані
тим або іншим способом, атоми
утворюють елементарну комірку просторової кристалічної ґратки. Тип ґратки залежить від
хімічної природи і фазового стану металу.
·Елементарні комірки кожного даного кристала однаково орієнтовані в просторі, розташовуючись
послідовно, вони мають загальні з сусідніми комірками атоми й утворюють разом
просторову ґратку. Проте різні метали з ідентичною кристалічною ґраткою мають
різні параметри, тобто відстані між сусідніми атомами.
Фізичні властивості
Усі метали (за винятком ртуті) при звичайних
умовах є кристалічними
речовинами. Їхні атоми розташовані в певному геометричному
порядку і утворюють просторову кристалічну
ґратку. У вузлах кристалічної ґратки містяться іони металів. Валентні
електрони дуже слабо зв'язані з атомами і можуть легко
переміщатися по всьому об'єму металу, переходячи від одних іонів до інших.
Легкою рухливістю
валентних електронів пояснюється висока електропровідність
і теплопровідність
металів. На відміну від розчинів і розплавів при проходженні електричного
струму через металічний провідник переносу частинок речовини не
відбувається. Метали мають електронну електропровідність.
За електропровідністю і теплопровідністю метали розміщуються в однаковому
порядку. Найкращими провідниками електричного струму є срібло, мідь, золото і алюміній.
Характерна особливість
металів — металічний блиск, тобто здатність добре відбивати світло.
Але ця здатність проявляється лише тоді, коли метал утворює суцільну і
гладку (поліровану) поверхню.
Дуже важливою властивістю
більшості металів є пластичність,
тобто здатність змінювати зовнішню форму при дії сторонньої сили і
зберігати набуту форму після припинення впливу зовнішньої дії. На цій
здатності базуються різні способи механічної обробки металів: прокатка, ковка,
штамповка, волочіння тощо.
Однак ця властивість у різних металів виявляється не однаково. Здатність
розкатуватись у тоненькі листи і витягуватись у тоненький дріт найкраще виявляється у золота,
срібла, міді, алюмінію і олова, трохи гірше в
заліза і цинку. Деякі метали зовсім не
виявляють пластичності, вони дуже крихкі — це бісмут, манган
і особливо стибій (сурма). При
ударі вони розпадаються на шматочки.
За густиною метали умовно
поділяють на легкі (густина яких менша 5 г/см3) і важкі
(густина яких більша 5 г/см3). До найлегших металів належать
літій, калій і натрій. Легкі метали — манган, алюміній і титан.
Найважчими вважаються ртуть, золото, платина і осмій. За твердістю
метали теж дуже відрізняються один від одного. Найтвердішим
металом є хром, який дряпає скло. За ним іде вольфрам, нікель і ін. До
найм'ягших металів належать калій і натрій, які легко
ріжуться ножем. Дуже м'яким є також свинець. (Див. таблиця
густин речовин; таблиця відносної твердості речовин)
За забарвленням метали
умовно поділяють на чорні — залізо, манган та їх чисельні сплави (чавун, сталь) і кольорові,
до яких відносять усі інші метали. Відповідно до цього і промисловість,
яка їх добуває, називають чорною і кольоровою металургією.
Хімічні властивості
Характерною особливістю металів є здатність їх атомів віддавати свої
валентні електрони і утворювати позитивно заряджені іони. На відміну від
неметалів метали негативно заряджених іонів не утворюють. Отже, вільні метали є
відновниками. Чим легше даний метал віддає свої валентні електрони, тим він
активніший відновник. За хімічною активністю метали можна розподілити на три
групи: сильно активні — калій, натрій, барій, кальцій і ін., середньої активності —
цинк, залізо, нікель тощо і мало активні — срібло, золото і платина.
Сильно активні метали з киснем повітря енергійно взаємодіють вже при звичайній
температурі, утворюючи оксиди, наприклад:
2Ca + O2 = 2CaO
Тому лужні і лужноземельні метали зберігають під шаром гасу, щоб запобігти
їх окисненню киснем повітря. Метали середньої активності окиснюються киснем
повітря лише з поверхні, вкриваючись тонкою оксидною плівкою, яка запобігає
дальшому окисненню металу. Наприклад:
2Zn + O2 = 2ZnO
Але при високій температурі вони енергійно взаємодіють з киснем і
перетворюються в оксиди.
Малоактивні (благородні) метали з киснем безпосередньо не реагують взагалі.
Більшість металів може безпосередньо реагувати з сіркою, хлором і майже з усіма
неметалами, особливо при високій температурі. З водою сильно активні (лужні і
лужноземельні) метали взаємодіють вже при звичайній температурі з виділенням
водню і утворенням розчинних гідроксидів (лугів), наприклад:
2Na + 2H2O =
2NaOH + H2 ↑
Ba + 2H2O =
Ba(OH)2 + H2 ↑
Метали середньої активності, наприклад залізо, реагують з водою (водяною
парою) лише при сильному розжаренні:
3Fe + 4H2O = Fe3O4
+ 4H2 ↑
Мало активні метали з водою не реагують ні при яких умовах. Відношення
металів до кислот визначається їх місцем в електрохімічному ряду напруг (ряду
активності). Усі метали, що займають місце в ряду напруг лівіше від водню
взаємодіють з кислотами з утворенням солі і виділенням водню (з нітратної
кислоти водень не виділяється!) Метали, що займають місце в ряду напруг правіше
від водню, водню з кислот не витісняють. Але деякі з них можуть реагувати з
концентрованою сульфатною кислотою при нагріванні з утворенням солі і
виділенням діоксиду сірки SO2, наприклад:
Метали складають понад 80% усіх хімічних елементів. Переважна більшість
металів зустрічається в природі у вигляді різних сполук і лише деякі з них — у
вільному стані. Це так звані самородні метали (золото і платина), а також інколи срібло, ртуть,
мідь
і інші метали.
Мінерали і гірські породи, придатні для добування з них металів заводським
способом, називаються рудами. Важливішими рудами є оксиди (Fe2O3,
Fe3O4, Al2O3 • nH2O, MnO2
тощо); сульфіди (ZnS, PbS, Cu2S, HgS і ін.), солі (NaCl, KCl, MgCl2
CaCO3 і т. д.). Малоактивні метали зустрічаються переважно у вигляді
оксидів і сульфідів, а активні (лужні і лужноземельні) — винятково у вигляді
солей.
В більшості випадків руди містять різні домішки у вигляді піску, глини,
вапняку тощо. Ці домішки називають пустою породою. Коли в руді багато пустої
породи, тобто коли руда є бідною на корисну речовину, таку руду піддають
збагаченню, тобто видаляють з неї частину пустої породи. Різні руди збагачують
різними способами.
Для збагачення сульфідних руд звичайно застосовують спосіб флотації
(спливання). При цьому способі руду розмелюють у тонкий порошок і заливають у
великих чанах водою. До води додають певні органічні речовини (наприклад,
соснове масло, вищі жирні кислоти тощо), молекули яких добре адсорбуються
частинками сульфідів, і вкривають їх тонкою плівкою, внаслідок чого вони не
змочуються водою. Крізь воду продувають повітря, пухирці якого з маслом
утворюють піну, а також прилипають до частинок сульфідів, і вони спливають та
збираються зверху разом з піною, а змочені водою частинки пустої породи
осідають на дно (див. мал. Схема флотаційного апарату). Піну з сульфідами металів
зливають з чану і віджимають сульфіди. Так одержують збагачену на корисну
речовину руду.
Fe2O3
+ 3C = 2Fe + 3CO ↑
Fe2O3
+ 3CO = 2Fe + 3CO2 ↑
SnO2 + C = Sn +
CO2 ↑
2Cu2O + C = 4Cu
+ CO2 ↑
Інколи відновником служать активні метали. Наприклад, при добуванні хрому,
берилію, мангану і ін. як відновник застосовують алюміній (алюмінотермія):
Cr2O3
+ 2Al = 2Cr + Al2O3
3MnO2 + 4Al =
3Mn + 2Al2O3
У деяких випадках як відновник використовують водень, зокрема при добуванні
молібдену, вольфраму, порошкоподібного заліза тощо:
Fe2O3
+ 3H2 = 2Fe + 3H2O
WO3 + 3H2
= W + 3H2O
Сульфідні руди спочатку обпалюють, переводячи їх в оксиди металів, які потім
відновлюють. Наприклад:
2PbS + 3O2 =
2PbO + 2SO2 ↑
PbO + C = Pb + CO ↑
Найактивніші метали — калій, натрій, кальцій і ін. — не можна одержати
способом хімічного відновлення їх сполук. Ці метали одержують лише електролізом
їх розплавлених солей.