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.
Металами є прості речовини
більшості хімічних елементів
(приблизно 80 %). Найпоширенішим хімічним елементом-металом, у земній корі
є алюміній.
Широко використовуються такі типи металів:
- чорні метали
— залізо, манган,
хром.
- дорогоцінні метали: золото, срібло і платина,
використовуються переважно в ювелірній промисловості;
- важкі метали: мідь, цинк, олово і свинець,
застосовуються в машинобудуванні;
- рідкісні важкі метали:
нікель, кадмій, вольфрам, молібден, манган,
кобальт, ванадій, вісмут,
використовуються в сплавах з важкими металами;
- легкі метали: алюміній, титан
і магній;
- лужні метали: калій, натрій і літій
- лужноземельні метали:
кальцій, барій і стронцій,
застосовуються в хімії,
·
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.
·
У заліза, хрому, молібдену, вольфраму і деяких
інших металів елементарна комірка
є кубом із атомами у вершинах і додатковим -
у центрі (об'ємноцентрована
кубічна ґратка). При температурі понад
910°С у кристалічній структурі заліза відбувається перебудова, число атомів у
елементарній комірці збільшується до 14-ти. В результаті перебудови симетрія
елементарної комірки змінюється - атоми розміщуються у вершинах куба й
додатково в центрі кожної грані (гранецентрована
кубічна ґратка). Цинк, магній, титан мають
елементарну комірку в формі шестигранної призми.
·
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 температурами
плавлення метали теж різко відрізняються один від одного.
Найнижчу температуру плавлення має ртуть (—39°С), за нею йде цезій
(28,5 °C), рубідій
(38,5 °C), калій
(62,3 °C), а найвищу — вольфрам (3410 °C). (Див. таблиця температур плавлення 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:
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:
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:
- Cu + 2H2SO4 = CuSO4
+ 2H2O + SO2 ↑
Що ж стосується нітратної кислоти, то
при взаємодії її
з усіма металами, незалежно від їх місця в ряду напруг, водень з HNO3
не виділяється, а утворюються оксиди азоту і сіль металу. Наприклад:
- 3Zn + 2HNO3 + 6HNO3
= 3Zn(NO3)2 + 2NO ↑ + 4H2O
- 3Ag + HNO3 + 3HNO3 =
3AgNO3 + NO ↑ + 2H2O
Метали в природі
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.
|