Din punct de vedere chimic Un metal este un element care prezintă o stare de oxidare pozitivă în toți compușii. Din cele 109 elemente cunoscute în prezent, 86 sunt metale. Principala trăsătură distinctivă a metalelor este prezența în stare condensată a electronilor liberi care nu sunt legați de un anumit atom. Acești electroni sunt capabili să se miște pe întregul volum al corpului. Prezența electronilor liberi determină întregul set de proprietăți ale metalelor. În stare solidă, cele mai multe metale au o structură cristalină foarte simetrică de unul dintre următoarele tipuri: cubic centrat pe corp, cubic centrat pe față sau compactat hexagonal (Fig. 1).
Orez. 1. Structura tipică a unui cristal metalic: a – cubic centrat pe corp; b–fața cubică centrată; c – hexagonal dens
Există o clasificare tehnică a metalelor. De obicei, se disting următoarele grupuri: metale negre(Fe); metale grele neferoase(Cu, Pb, Zn, Ni, Sn, Co, Sb, Bi, Hg, Cd), metale ușoare cu o densitate mai mică de 5 g/cm 3 (Al, Mg, Ca, etc.), metale pretioase(Au, Ag și metale de platină) Și metale rare(Be, Sc, In, Ge și alții).
În chimie, metalele sunt clasificate în funcție de locul lor în tabelul periodic al elementelor. Există metale din subgrupele principale și secundare. Metalele principalelor subgrupe se numesc intranziție. Aceste metale se caracterizează prin faptul că în atomii lor învelișurile de electroni s– și p– sunt umplute secvenţial.
Metalele tipice sunt s-elemente(metale alcaline Li, Na, K, Rb, Cs, Fr și alcalino-pământoase Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). Aceste metale sunt situate în subgrupele Ia și IIa (adică în subgrupele principale ale grupelor I și II). Aceste metale corespund configurației învelișurilor de electroni de valență ns 1 sau ns 2 (n este numărul cuantic principal). Aceste metale se caracterizează prin:
a) metalele au 1 – 2 electroni la nivelul exterior, prin urmare prezintă stări constante de oxidare +1, +2;
b) oxizii acestor elemente sunt de natură bazică (excepția este beriliul, deoarece raza mică a ionului îi conferă proprietăți amfotere);
c) hidrurile sunt de natură asemănătoare sărurilor și formează cristale ionice;
d) excitarea subnivelurilor electronice este posibilă numai în metalele din grupa IIA cu hibridizarea sp ulterioară a orbitalilor.
LA p-metale includ elementele IIIa (Al, Ga, In, Tl), IVa (Ge, Sn, Pb), Va (Sb, Bi) și VIa (Po) grupări cu numere cuantice principale 3, 4, 5, 6. Aceste metale corespund configurația învelișurilor de electroni de valență ns 2 p z (z poate lua o valoare de la 1 la 4 și este egală cu numărul grupului minus 2). Aceste metale se caracterizează prin:
a) formarea legăturilor chimice este realizată de electronii s - și p - în procesul de excitare și hibridizare a acestora (sp - și spd), cu toate acestea, de sus în jos în grupuri, capacitatea de hibridizare scade;
b) oxizi ai p– metalelor, amfoteri sau acizi (oxizi bazici numai pentru In si Tl);
c) hidrururile p-metalice sunt de natură polimerică (AlH 3) n sau gazoase (SnH 4, PbH 4 etc.), ceea ce confirmă asemănarea cu nemetalele care deschid aceste grupări.
În atomii metalelor subgrupurilor laterale, numite metale de tranziție, are loc formarea de învelișuri d- și f-, conform cărora acestea sunt împărțite într-o grupă d și două grupe f, lantanide și actinide.
Metalele de tranziție includ 37 de elemente de grup d și 28 de metale de grup f. LA metale din grupa d includ elementele Ib (Cu, Ag, Au), IIb (Zn, Cd, Hg), IIIb (Sc, Y, La, Ac), IVb (Ti, Zr, Hf, Db), Vb (V, Nb, Ta, Jl), VIb (Cr, Mo, W, Rf), VIIb (Mn, Tc, Re, Bh) și grupele VIII (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Rt, Hn, Mt, Db, Jl, Rf, Bh, Hn, Mt). Aceste elemente corespund configurației 3d z 4s 2. Excepție fac unii atomi, inclusiv atomii de crom cu o înveliș 3d 5 pe jumătate (3d 5 4s 1) și atomii de cupru cu o înveliș 3d 10 complet umplut (3d 10 4s 1). Aceste elemente au câteva proprietăți comune:
1. toate formează aliaje între ei și alte metale;
2. prezența unor învelișuri de electroni parțial umplute determină capacitatea d-metalelor de a forma compuși paramagnetici;
3. în reacțiile chimice prezintă valență variabilă (cu puține excepții), iar ionii și compușii lor sunt de obicei colorați;
4. în compuşii chimici elementele d sunt electropozitive. Metalele „nobile”, având o valoare pozitivă ridicată a potențialului standard al electrodului (E>0), interacționează cu acizii într-un mod neobișnuit;
5. Ionii d-metali au orbitali atomici liberi de nivelul de valență (ns, np, (n–1) d), prin urmare prezintă proprietăți acceptoare, acționând ca un ion central în compușii de coordonare (complexi).
Proprietățile chimice ale elementelor sunt determinate de poziția lor în Tabelul Periodic al Elementelor al lui Mendeleev. Astfel, proprietățile metalice cresc de sus în jos în grup, ceea ce se datorează unei scăderi a forței de interacțiune dintre electronii de valență și nucleu datorită creșterii razei atomului și datorită creșterii ecranului prin electroni situati in orbitalii atomici interni. Acest lucru duce la o ionizare mai ușoară a atomului. Într-o perioadă, proprietățile metalice scad de la stânga la dreapta, deoarece aceasta se datorează unei creșteri a încărcăturii nucleului și, prin urmare, unei creșteri a forței legăturii dintre electronii de valență și nucleu.
Din punct de vedere chimic, atomii tuturor metalelor sunt caracterizați prin relativă ușurință de a renunța la electroni de valență (adică, energie de ionizare scăzută) și afinitate electronică scăzută (adică, capacitatea scăzută de a reține electronii în exces). Ca o consecință a acestui fapt, o valoare scăzută a electronegativității, adică capacitatea de a forma numai ioni încărcați pozitiv și de a prezenta doar o stare de oxidare pozitivă în compușii lor. În acest sens, metalele în stare liberă sunt agenți reducători.
Capacitatea de reducere a diferitelor metale nu este aceeași. Pentru reacțiile în soluții apoase, este determinată de valoarea potențialului electrod standard al metalului (adică poziția metalului în seria de tensiune) și concentrația (activitatea) ionilor săi în soluție.
Interacțiunea metalelor cu agenții oxidanți elementali(F2, CI2, O2, N2, S etc.). De exemplu, reacția cu oxigenul decurge de obicei după cum urmează
2Me + 0,5nO 2 = Me 2 O n,
unde n este valența metalului.
Interacțiunea metalelor cu apa. Metalele cu un potențial standard mai mic de -2,71 V înlocuiesc hidrogenul din apă la rece pentru a forma hidroxizi metalici și hidrogen. Metalele cu un potențial standard de –2,7 până la –1,23 V înlocuiesc hidrogenul din apă atunci când sunt încălzite
Me + nH20 = Me(OH) n + 0,5n H2.
Alte metale nu reacţionează cu apa.
Interacțiunea cu alcalii. Metalele care produc oxizi amfoteri și metalele cu stări de oxidare ridicate pot reacționa cu alcalii în prezența unui agent oxidant puternic. În primul caz, metalele formează anioni ai acizilor lor. Astfel, reacția dintre aluminiu și alcali se va scrie prin ecuație
2Al + 6H2O + 2NaOH = 2Na + 3H2
în care ligandul este un ion hidroxid. În al doilea caz, se formează săruri, de exemplu K2Cr04.
Interacțiunea metalelor cu acizii. Metalele reacționează diferit cu acizii în funcție de valoarea numerică a potențialului electrodului standard (E) (adică de poziția metalului în seria de tensiuni) și de proprietățile oxidative ale acidului:
· în soluții de halogenuri de hidrogen și acid sulfuric diluat, doar ionul H + este un agent oxidant și, prin urmare, metalele al căror potențial standard este mai mic decât potențialul standard al hidrogenului interacționează cu acești acizi:
Me + 2n H + = Me n+ + n H2;
· acidul sulfuric concentrat dizolvă aproape toate metalele, indiferent de poziţia acestora în seria potenţialelor standard ale electrodului (cu excepţia Au şi Pt). Hidrogenul nu este eliberat în acest caz, deoarece Funcția unui agent oxidant într-un acid este îndeplinită de ionul sulfat (SO 4 2–). În funcție de concentrație și de condițiile experimentale, ionul sulfat este redus la diverși produse. Astfel, zincul, în funcție de concentrația de acid sulfuric și de temperatură, reacționează astfel:
Zn + H2S04 (diluat) = ZnS04 + H2
Zn + 2H2SO4 (conc.) = ZnSO4 + SO2 +H2O
– la încălzire 3Zn + 4H 2 SO 4 (conc.) = 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O
– la temperaturi foarte ridicate 4Zn + 5H 2 SO 4 (conc.) = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O;
· în acidul azotic diluat și concentrat, ionul azotat (NO 3 –) îndeplinește funcția de agent oxidant, de aceea produsele de reducere depind de gradul de diluție a acidului azotic și de activitatea metalelor. În funcție de concentrația de acid, metal (valoarea potențialului său standard de electrod) și condițiile experimentului, ionul de azotat este redus la diferiți produse. Astfel, calciul, în funcție de concentrația de acid azotic, reacționează astfel:
4Ca +10HNO3(ultra diluat) = 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
4Ca + 10HNO3(conc) = 4Ca(NO3)2 + N2O + 5H2O.
Acidul azotic concentrat nu reacționează (pasivează) cu fierul, aluminiul, cromul, platina și alte metale.
Interacțiunea metalelor între ele. La temperaturi ridicate, metalele sunt capabile să reacționeze între ele pentru a forma aliaje. Aliajele pot fi soluții solide și compuși chimici (intermetalici) (Mg 2 Pb, SnSb, Na 3 Sb 8, Na 2 K etc.).
Proprietățile cromului metalic (…3d 5 4s 1). Substanța simplă cromul este un metal argintiu care strălucește atunci când este spart, conduce bine electricitatea, are un punct de topire ridicat (1890°C) și un punct de fierbere (2430°C), duritate mare (în prezența impurităților, cromul foarte pur este moale). ) și densitate (7,2 g/cm3).
La temperaturi obișnuite, cromul este rezistent la agenții oxidanți elementari și la apă datorită filmului său dens de oxid. La temperaturi ridicate, cromul interacționează cu oxigenul și alți agenți oxidanți.
4Cr + 3O2® 2Cr2O3
2Cr + 3S (abur) ® Cr 2 S 3
Cr + Cl 2 (gaz) ® CrCl 3 (culoare zmeură)
Cr + HCI (gaz) ® CrCl 2
2Cr + N 2 ® 2CrN (sau Cr 2 N)
Atunci când este fuzionat cu metale, cromul formează compuși intermetalici (FeCr 2, CrMn 3). La 600°C, cromul reacţionează cu vaporii de apă:
2Cr + 3H2O® Cr2O3 + 3H2
Din punct de vedere electrochimic, cromul metalului este aproape de fier: Prin urmare, se poate dizolva în acizi minerali neoxidanți (prin anioni), cum ar fi hidrohalogenuri:
Cr + 2HCl® CrCl2 (culoare albastră) + H2.
În aer are loc rapid următoarea etapă:
2CrCl 2 + 1/2O 2 + 2HCl ® 2CrCl 3 (verde) + H 2 O
Acizii minerali oxidanți (prin anion) dizolvă cromul în stare trivalentă:
2Cr + 6H 2 SO 4 ® Cr 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
În cazul HNO 3 (conc), are loc pasivarea cromului - la suprafață se formează o peliculă puternică de oxid - iar metalul nu reacționează cu acidul. (Cromul pasiv are un potențial redox ridicat = +1,3 V.)
Domeniul principal de aplicare a cromului este metalurgia: crearea oțelurilor cu crom. Astfel, la oțelul de scule se adaugă 3 - 4% crom, oțelul pentru rulmenți cu bile conține 0,5 - 1,5% crom, oțel inoxidabil (una dintre opțiuni): 18 - 25% crom, 6 - 10% nichel,< 0,14% углерода, ~0,8% титана, остальное – железо.
Proprietățile fierului metalic (…3d 6 4s 2). Fierul este un metal alb lucios. Formează mai multe modificări cristaline care sunt stabile într-un anumit interval de temperatură.
Proprietățile chimice ale fierului metalic sunt determinate de poziția sa în seria tensiunilor metalice: .
Când este încălzit într-o atmosferă de aer uscat, fierul oxidează:
2Fe + 3/2O 2 ® Fe 2 O 3
În funcție de condițiile și de activitatea nemetalelor, fierul poate forma compuși asemănătoare metalelor (Fe 3 C, Fe 3 Si, Fe 4 N), săruri (FeCl 2, FeS) și soluții solide (cu C, Si , N, B, P, H).
Fierul se corodează intens în apă:
2Fe + 3/2O 2 + nH 2 O ® Fe 2 O 3 × nH 2 O.
Cu lipsa oxigenului se formează oxidul amestecat Fe 3 O 4:
3Fe + 2O 2 + nH 2 O ® Fe 3 O 4 ×nH 2 O
Acizii clorhidric, sulfuric și azotic diluați dizolvă fierul într-un ion bivalent:
Fe + 2HCI® FeCI2 + H2
4Fe + 10HNO 3 (ultra dil.) ® 4Fe (NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
Acizii azotici mai concentrați și acizii sulfuric concentrați fierbinți oxidează fierul în stare trivalentă (se eliberează, respectiv, NO și SO2):
Fe + 4HNO3® Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
Acidul azotic foarte concentrat (densitate 1,4 g/cm3) și acidul sulfuric (oleum) pasivează fierul, formând pelicule de oxid pe suprafața metalului.
Fierul este folosit pentru a produce aliaje fier-carbon. Semnificația biologică a fierului este mare, deoarece este o componentă a hemoglobinei din sânge. Corpul uman conține aproximativ 3 g de fier.
Proprietățile chimice ale zincului metalic (…3d 10 4s 2). Zincul este un metal alb-albăstrui, ductil și maleabil, dar peste 200°C devine casant. În aer umed, acesta este acoperit cu o peliculă protectoare de sare de bază ZnCO 3 × 3Zn(OH) 2 sau ZnO și nu mai are loc oxidarea. La temperaturi ridicate interacționează:
2Zn + O2® 2ZnO
Zn + Cl2® ZnCl2
Zn + H20 (abur)® Zn(OH)2 + H2.
Pe baza valorilor potențialelor standard ale electrodului, zincul înlocuiește cadmiul, care este analogul său electronic, din sărurile: Cd 2+ + Zn ® Cd + Zn 2+.
Datorită naturii amfoterice a hidroxidului de zinc, zincul metalului este capabil să se dizolve în alcalii:
Zn + 2KOH + H2O® K2 + H2
În acizi diluați:
Zn + H2S04® ZnS04 + H2
4Zn + 10HNO 3 ® 4Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
În acizi concentrați:
4Zn + 5H2SO4® 4ZnSO4 + H2S + 4H2O
3Zn + 8HNO 3 ® 3Zn(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
O parte semnificativă de zinc este utilizată pentru galvanizarea produselor din fier și oțel. Aliajele zinc-cupru (nichel-argint, alamă) sunt utilizate pe scară largă în industrie. Zincul este utilizat pe scară largă la fabricarea celulelor galvanice.
Proprietățile chimice ale cuprului metal (…3d 10 4s 1). Cuprul metalic cristalizează într-o rețea cristalină cubică centrată pe față. Este un metal roz maleabil, moale, vâscos, cu un punct de topire de 1083°C. Cuprul se află pe locul doi după argint în ceea ce privește conductivitatea electrică și termică, ceea ce determină importanța cuprului pentru dezvoltarea științei și tehnologiei.
Cuprul reacţionează de la suprafaţă cu oxigenul atmosferic la temperatura camerei, culoarea suprafeţei devine mai închisă, iar în prezenţa CO 2 , SO 2 şi vapori de apă se acoperă cu o peliculă verzuie de săruri bazice (CuOH) 2 CO 3, (CuOH)2S04.
Cuprul se combină direct cu oxigenul, halogenii, sulful:
2Cu + O2 
2CuO
4CuO 2Cu 2 O + O 2
Cu + S ® Cu 2 S
În prezența oxigenului, cuprul metalului reacționează cu o soluție de amoniac la temperatura obișnuită:
Fiind în seria tensiunii după hidrogen, cuprul nu îl înlocuiește de acizii clorhidric și sulfuric diluați. Cu toate acestea, în prezența oxigenului atmosferic, cuprul se dizolvă în acești acizi:
2Cu + 4HCl + O 2 ® 2CuCl 2 + 2H 2 O
Acizii oxidanți dizolvă cuprul, transformându-l într-o stare bivalentă:
Cu + 2H2SO4® CuS04 + SO2 + 2H2O
3Cu + 8HNO 3(conc.) ® 3Cu(NO 3) 2 + NO 2 + 4H 2O
Cuprul nu interacționează cu alcalii.
Cuprul interacționează cu sărurile metalelor mai active, iar această reacție redox stă la baza unor celule galvanice:
Cu SO 4 + Zn® Zn SO 4 + Cu; E o = 1,1 B
Mg + CuCl2® MgCl2 + Cu; E o = 1,75 V.
Cuprul formează un număr mare de compuși intermetalici cu alte metale. Cele mai cunoscute și valoroase aliaje sunt: alama Cu–Zn (18 – 40% Zn), bronzul Cu–Sn (bronz clopot – 20% Sn), bronzul scule Cu–Zn–Sn (11% Zn, 3 – 8% Sn). ), cupronical Cu–Ni–Mn–Fe (68% Cu, 30% Ni, 1% Mn, 1% Fe).
Găsirea metalelor în natură și metode de producție. Datorită activității lor chimice ridicate, metalele în natură se găsesc sub formă de diverși compuși și numai metale slab active (nobile) - platină, aur etc. – găsit într-o stare nativă (liberă).
Cei mai des întâlniți compuși metalici naturali sunt oxizii (hematit Fe 2 O 3 , magnetit Fe 3 O 4 , cuprită Cu 2 O , corindon Al 2 O 3 , piroluzit MnO 2 etc.), sulfuri (galena PbS, sfalerit ZnS, calcopirit CuFeS). , cinabru HgS etc.), precum și săruri ale acizilor care conțin oxigen (carbonați, silicați, fosfați și sulfați). Metalele alcaline și alcalino-pământoase apar în principal sub formă de halogenuri (fluoruri sau cloruri).
Cea mai mare parte a metalelor este obținută prin prelucrarea mineralelor - minereu. Deoarece metalele care alcătuiesc minereurile sunt în stare oxidată, acestea sunt obținute printr-o reacție de reducere. Minereul este mai întâi purificat din roca sterilă.
Concentratul de oxid de metal rezultat este purificat din apă, iar sulfurile, pentru confortul prelucrării ulterioare, sunt transformate în oxizi prin ardere, de exemplu:
2ZnS + 2O 2 = 2ZnO + 2SO 2.
Pentru separarea elementelor minereurilor polimetalice se folosește metoda clorării. Când minereurile sunt tratate cu clor în prezența unui agent reducător, se formează cloruri de diferite metale, care, datorită volatilității semnificative și variabile, pot fi ușor separate unele de altele.
Recuperarea metalelor în industrie se realizează prin diferite procese. Procesul de reducere a compușilor metalici anhidri la temperaturi ridicate se numește pirometalurgie. Metalele care sunt mai active decât materialul rezultat sau carbonul sunt utilizate ca agenți reducători. În primul caz se vorbește despre metalotermie, în al doilea - carbotermie, de exemplu:
Ga 2 O 3 + 3C = 2Ga + 3CO,
Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3,
TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.
Carbonul a căpătat o importanță deosebită ca agent reducător al fierului. Carbonul este de obicei folosit pentru reducerea metalelor sub formă de cocs.
Procesul de recuperare a metalelor din soluțiile apoase ale sărurilor acestora aparține domeniului hidrometalurgiei. Producerea metalelor se realizează la temperaturi obișnuite, iar metalele relativ active sau electronii catodici în timpul electrolizei pot fi utilizați ca agenți reducători. Prin electroliza soluţiilor apoase de săruri se pot obţine doar metale relativ scăzute, aflate într-o serie de tensiuni (potenţiale standard ale electrodului) imediat înainte sau după hidrogen. Metalele active - alcaline, alcalino-pământoase, aluminiu și altele, sunt obținute prin electroliza sărurilor topite.
Proprietățile chimice ale metalelor: interacțiunea cu oxigenul, halogenii, sulful și relația cu apa, acizi, săruri.
Proprietățile chimice ale metalelor sunt determinate de capacitatea atomilor lor de a ceda cu ușurință electronii de la un nivel de energie extern, transformându-se în ioni încărcați pozitiv. Astfel, în reacțiile chimice, metalele se dovedesc a fi agenți reducători energetici. Aceasta este principala lor proprietate chimică comună.
Capacitatea de a dona electroni variază între atomii elementelor metalice individuale. Cu cât un metal renunță mai ușor la electroni, cu atât este mai activ și reacționează mai puternic cu alte substanțe. Pe baza cercetărilor, toate metalele au fost aranjate în ordinea scăderii activității lor. Această serie a fost propusă pentru prima dată de remarcabilul om de știință N. N. Beketov. Această serie de activitate a metalelor se mai numește și seria de deplasare a metalelor sau seria electrochimică a tensiunilor metalice. Arata cam asa:
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au
Cu ajutorul acestei serii poți descoperi ce metal este activ în altul. Această serie conține hidrogen, care nu este un metal. Proprietățile sale vizibile sunt luate pentru comparație ca un fel de zero.
Având proprietăți de agenți reducători, metalele reacţionează cu diverși agenți oxidanți, în primul rând cu nemetale. Metalele reacţionează cu oxigenul în condiţii normale sau când sunt încălzite pentru a forma oxizi, de exemplu:
2Mg0 + O02 = 2Mg+2O-2
În această reacție, atomii de magneziu sunt oxidați și atomii de oxigen sunt redusi. Metalele nobile de la sfârșitul seriei reacționează cu oxigenul. Reacțiile cu halogenii apar în mod activ, de exemplu, arderea cuprului în clor:
Cu0 + Cl02 = Cu+2Cl-2
Reacțiile cu sulful apar cel mai adesea la încălzire, de exemplu:
Fe0 + S0 = Fe+2S-2
Metalele active din seria de activitate a metalelor din Mg reacţionează cu apa pentru a forma alcalii şi hidrogen:
2Na0 + 2H+2O → 2Na+OH + H02
Metalele cu activitate medie de la Al la H2 reacţionează cu apa în condiţii mai severe şi formează oxizi şi hidrogen:
Pb0 + H+2O Proprietăți chimice ale metalelor: interacțiunea cu oxigenul Pb+2O + H02.
Capacitatea unui metal de a reacționa cu acizii și sărurile în soluție depinde și de poziția sa în seria deplasării metalelor. Metalele din rândul de metale care se deplasează la stânga hidrogenului de obicei înlocuiesc (reduc) hidrogenul din acizii diluați, în timp ce metalele situate în dreapta hidrogenului nu îl înlocuiesc. Astfel, zincul și magneziul reacționează cu soluțiile acide, eliberând hidrogen și formând săruri, dar cuprul nu reacționează.
Mg0 + 2H+CI → Mg+2CI2 + H02
Zn0 + H+2SO4 → Zn+2SO4 + H02.
Atomii de metal din aceste reacții sunt agenți reducători, iar ionii de hidrogen sunt agenți de oxidare.
Metalele reacţionează cu sărurile în soluţii apoase. Metalele active înlocuiesc metalele mai puțin active din compoziția sărurilor. Acest lucru poate fi determinat de seria de activitate a metalelor. Produșii de reacție sunt o sare nouă și un metal nou. Deci, dacă o placă de fier este scufundată într-o soluție de sulfat de cupru (II), după un timp cuprul va fi eliberat pe ea sub forma unui strat roșu:
Fe0 + Cu+2SO4 → Fe+2SO4 + Cu0.
Dar dacă o placă de argint este scufundată într-o soluție de sulfat de cupru (II), atunci nu va avea loc nicio reacție:
Ag + CuSO4 ≠ .
Pentru a efectua astfel de reacții, nu puteți folosi metale prea active (de la litiu la sodiu) care pot reacționa cu apa.
Prin urmare, metalele sunt capabile să reacționeze cu nemetale, apa, acizii și sărurile. În toate aceste cazuri, metalele sunt oxidate și sunt agenți reducători. Pentru a prezice cursul reacțiilor chimice care implică metale, ar trebui utilizată o serie de deplasare a metalelor.
În primul rând, amintiți-vă că metalele sunt în general împărțite în trei grupuri:
1) Metale reactive: Aceste metale includ toate metalele alcaline, metalele alcalino-pământoase, precum și magneziul și aluminiul.
2) Metale cu activitate intermediară: acestea includ metalele situate între aluminiu și hidrogen în seria de activități.
3) Metale slab active: metale situate în seria de activitate în dreapta hidrogenului.
În primul rând, trebuie să rețineți că metalele slab active (adică cele situate după hidrogen) nu reacționează cu apa în nicio condiție.
Metalele alcaline și alcalino-pământoase reacționează cu apa în orice condiții (chiar și la temperaturi obișnuite și la rece), iar reacția este însoțită de eliberarea de hidrogen și formarea de hidroxid de metal. De exemplu:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
Magneziul, datorită faptului că este acoperit cu o peliculă de oxid protector, reacționează cu apa doar când este fiert. Când este încălzit în apă, filmul de oxid format din MgO este distrus și magneziul de dedesubt începe să reacționeze cu apa. În acest caz, reacția este însoțită și de eliberarea de hidrogen și formarea de hidroxid de metal, care, totuși, în cazul magneziului este insolubil:
Mg + 2H20 = Mg(OH)2↓ + H2
Aluminiul, ca și magneziul, este acoperit cu o peliculă de oxid de protecție, dar în acest caz nu poate fi distrus prin fierbere. Pentru a-l îndepărta, este necesară fie curățarea mecanică (cu un fel de abraziv), fie distrugerea sa chimică cu alcaline, soluții de săruri de mercur sau săruri de amoniu:
2Al + 6H20 = 2Al(OH)3 + 3H2
Metalele cu activitate medie reacţionează cu apa numai atunci când aceasta este în stare de vapori de apă supraîncălziţi. Metalul în sine trebuie încălzit la o temperatură roșie (aproximativ 600-800 o C). Spre deosebire de metalele active, metalele cu activitate intermediară reacţionează cu apa pentru a forma oxizi metalici în loc de hidroxizi. Produsul de reducere în acest caz este hidrogenul:
Zn + H2O = ZnO + H2
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2 sau
Fe + H 2 O = FeO + H 2 (în funcție de gradul de încălzire)
Proprietăți generale ale metalelor.
Prezența electronilor de valență legați slab de nucleu determină proprietățile chimice generale ale metalelor. În reacțiile chimice ele acționează întotdeauna ca un agent reducător; substanțele metalice simple nu prezintă niciodată proprietăți oxidante.
Obținerea metalelor:
- reducerea din oxizi cu carbon (C), monoxid de carbon (CO), hidrogen (H2) sau un metal mai activ (Al, Ca, Mg);
- reducerea din solutii sarate cu un metal mai activ;
- electroliza solutiilor sau topiturii compusilor metalici - reducerea celor mai active metale (metale alcaline, alcalino-pamantoase si aluminiu) cu ajutorul curentului electric.
În natură, metalele se găsesc în principal sub formă de compuși; doar metalele cu activitate scăzută se găsesc sub formă de substanțe simple (metale native).
Proprietățile chimice ale metalelor.
1. Interacțiunea cu substanțe simple, nemetale:
Majoritatea metalelor pot fi oxidate de nemetale precum halogeni, oxigen, sulf și azot. Dar majoritatea acestor reacții necesită preîncălzire pentru a începe. Ulterior, reacția poate continua cu eliberarea unei cantități mari de căldură, ceea ce duce la aprinderea metalului.
La temperatura camerei, reacțiile sunt posibile doar între metalele cele mai active (alcaline și alcalino-pământoase) și cele mai active nemetale (halogeni, oxigen). Metalele alcaline (Na, K) reacţionează cu oxigenul pentru a forma peroxizi şi superoxizi (Na2O2, KO2).
a) interacţiunea metalelor cu apa.
La temperatura camerei, metalele alcaline și alcalino-pământoase interacționează cu apa. Ca rezultat al reacției de substituție, se formează alcali (bază solubilă) și hidrogen: Metal + H2O = Me(OH) + H2
Când sunt încălzite, alte metale care se află la stânga hidrogenului în seria de activități interacționează cu apa. Magneziul reactioneaza cu apa clocotita, aluminiul - dupa un tratament special de suprafata, rezultand formarea de baze insolubile - hidroxid de magneziu sau hidroxid de aluminiu - si se elibereaza hidrogen. Metalele din seria de activități de la zinc (inclusiv) la plumb (inclusiv) interacționează cu vaporii de apă (adică peste 100 C) și se formează oxizi ai metalelor corespunzătoare și hidrogen.
Metalele situate în seria de activitate din dreapta hidrogenului nu interacționează cu apa.
b) interacțiunea cu oxizii:
metalele active reacţionează prin reacţie de substituţie cu oxizi ai altor metale sau nemetale, reducându-le la substanţe simple.
c) interacțiunea cu acizii:
Metalele situate în seria de activitate din stânga hidrogenului reacţionează cu acizii pentru a elibera hidrogen şi formează sarea corespunzătoare. Metalele situate în seria de activitate din dreapta hidrogenului nu interacționează cu soluțiile acide.
Un loc aparte îl ocupă reacțiile metalelor cu acizii azotic și sulfuric concentrat. Toate metalele cu excepția celor nobile (aur, platină) pot fi oxidate de acești acizi oxidanți. Aceste reacții vor produce întotdeauna sărurile corespunzătoare, apă și produsul de reducere al azotului sau respectiv al sulfului.
d) cu alcalii
Metalele care formează compuși amfoteri (aluminiu, beriliu, zinc) sunt capabile să reacționeze cu topituri (în acest caz se formează săruri medii aluminați, berilați sau zincați) sau cu soluții alcaline (în acest caz se formează sărurile complexe corespunzătoare). Toate reacțiile vor produce hidrogen.
e) În conformitate cu poziția metalului în seria de activități, sunt posibile reacții de reducere (deplasare) a unui metal mai puțin activ dintr-o soluție a sării sale cu un alt metal mai activ. Ca rezultat al reacției, se formează o sare a unui metal mai activ și o substanță simplă - un metal mai puțin activ.
Proprietăți generale ale nemetalelor.
Există mult mai puține nemetale decât metale (22 de elemente). Cu toate acestea, chimia nemetalelor este mult mai complexă datorită ocupării mai mari a nivelului de energie exterior al atomilor lor.
Proprietățile fizice ale nemetalelor sunt mai diverse: printre acestea se numără substanțe gazoase (fluor, clor, oxigen, azot, hidrogen), lichide (brom) și solide, care diferă foarte mult între ele în punctul de topire. Majoritatea nemetalelor nu conduc electricitatea, dar siliciul, grafitul și germaniul au proprietăți semiconductoare.
Nemetale gazoase, lichide și unele solide (iodul) au o structură moleculară a unei rețele cristaline, alte nemetale au o rețea cristalină atomică.
Fluorul, clorul, bromul, iodul, oxigenul, azotul și hidrogenul în condiții normale există sub formă de molecule diatomice.
Multe elemente nemetalice formează mai multe modificări alotropice ale substanțelor simple. Deci oxigenul are două modificări alotropice - oxigenul O2 și ozonul O3, sulful are trei modificări alotrope - sulf ortorombic, plastic și monoclinic, fosforul are trei modificări alotropice - fosfor roșu, alb și negru, carbon - șase modificări alotrope - funingine, grafit, diamant , carbyne, fullerene, grafen.
Spre deosebire de metale, care prezintă doar proprietăți reducătoare, nemetalele, în reacții cu substanțe simple și complexe, pot acționa atât ca agent reducător, cât și ca agent oxidant. După activitatea lor, nemetalele ocupă un anumit loc în seria electronegativității. Fluorul este considerat cel mai activ non-metal. Prezintă numai proprietăți oxidante. Pe locul doi în activitate se află oxigenul, pe al treilea se află azotul, apoi halogenii și alte nemetale. Hidrogenul are cea mai scăzută electronegativitate dintre nemetale.
Proprietățile chimice ale nemetalelor.
1. Interacțiunea cu substanțe simple:
Nemetalele interacționează cu metalele. În astfel de reacții, metalele acționează ca un agent reducător, iar nemetalele acționează ca un agent de oxidare. Ca rezultat al reacției compusului, se formează compuși binari - oxizi, peroxizi, nitruri, hidruri, săruri ale acizilor fără oxigen.
În reacțiile nemetalelor între ele, nemetalul mai electronegativ prezintă proprietățile unui agent oxidant, iar cel mai puțin electronegativ prezintă proprietățile unui agent reducător. Reacția compusă produce compuși binari. Trebuie amintit că nemetalele pot prezenta diferite stări de oxidare în compușii lor.
2. Interacțiunea cu substanțe complexe:
a) cu apa:
În condiții normale, numai halogenii interacționează cu apa.
b) cu oxizi de metale și nemetale:
Multe nemetale pot reacționa la temperaturi ridicate cu oxizii altor nemetale, reducându-le la substanțe simple. Nemetalele care se află în stânga sulfului în seria electronegativității pot interacționa și cu oxizii metalici, reducând metalele la substanțe simple.
c) cu acizi:
Unele nemetale pot fi oxidate cu acizi sulfuric sau azotic concentrați.
d) cu alcalii:
Sub influența alcalinelor, unele nemetale pot suferi dismutări, fiind atât un agent oxidant, cât și un agent reducător.
De exemplu, în reacția halogenilor cu soluții alcaline fără încălzire: Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O sau cu încălzire: 3Cl2 + 6NaOH = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O.
d) cu săruri:
Când interacționează, sunt agenți oxidanți puternici și prezintă proprietăți reducătoare.
Halogenii (cu excepția fluorului) intră în reacții de substituție cu soluții de săruri ale acizilor hidrohalici: un halogen mai activ înlocuiește un halogen mai puțin activ din soluția de sare.
Proprietățile metalelor.
1. Proprietăţile de bază ale metalelor.
Proprietățile metalelor sunt împărțite în fizice, chimice, mecanice și tehnologice.
Proprietățile fizice includ: culoare, greutate specifică, fuzibilitate, conductivitate electrică, proprietăți magnetice, conductivitate termică, expansiune la încălzire.
Proprietățile chimice includ rezistența la oxidare, solubilitate și coroziune.
Mecanic - rezistență, duritate, elasticitate, vâscozitate, plasticitate.
Cele tehnologice includ călibilitatea, fluiditatea, maleabilitatea, sudarea, prelucrabilitatea.
1. Proprietăți fizice și chimice.
Culoare. Metalele sunt opace, adică nu lăsați lumina să treacă prin ele, iar în această lumină reflectată, fiecare metal are propria sa nuanță specială - culoare.
Dintre metalele tehnice, numai cuprul (roșu) și aliajele sale sunt vopsite. Culoarea altor metale variază de la gri-oțel la alb-argintiu. Cele mai subțiri pelicule de oxizi de pe suprafața produselor metalice le conferă culori suplimentare.
Gravitație specifică. Greutatea unui centimetru cub dintr-o substanță, exprimată în grame, se numește greutate specifică.
Pe baza greutății lor specifice, se disting metalele ușoare și metalele grele. Dintre metalele tehnice, cel mai ușor este magneziul (gravitate specifică 1,74), cel mai greu este wolfram (gravitate specifică 19,3). Greutatea specifică a metalelor depinde într-o oarecare măsură de metoda de producere și prelucrare a acestora.
Fuzibilitatea. Capacitatea de a se transforma dintr-o stare solidă în stare lichidă atunci când este încălzită este cea mai importantă proprietate a metalelor. Când sunt încălzite, toate metalele trec de la o stare solidă la una lichidă, iar atunci când un metal topit este răcit, de la o stare lichidă la o stare solidă. Punctul de topire al aliajelor tehnice nu are un punct de topire specific, ci un interval de temperatură, uneori destul de semnificativ.
Conductivitate electrică. Conductivitatea electrică implică transferul de energie electrică de către electroni liberi. Conductivitatea electrică a metalelor este de mii de ori mai mare decât conductivitatea electrică a corpurilor nemetalice. Pe măsură ce temperatura crește, conductivitatea electrică a metalelor scade, iar pe măsură ce scade, crește. Când se apropie de zero absolut (- 273 0 C), conductivitatea electrică a metalelor infinite variază de la +232 0 (staniu) la 3370 0 (tungsten). Majoritatea cresc (rezistența scade la aproape zero).
Conductivitatea electrică a aliajelor este întotdeauna mai mică decât conductivitatea electrică a uneia dintre componentele care compun aliajele.
Proprietăți magnetice. Doar trei metale sunt clar magnetice (feromagnetice): fier, nichel și cobalt, precum și unele dintre aliajele lor. Când sunt încălzite la anumite temperaturi, aceste metale își pierd și proprietățile magnetice. Unele aliaje de fier nu sunt feromagnetice chiar și la temperatura camerei. Toate celelalte metale sunt împărțite în paramagnetice (atrase de magneți) și diamagnetice (respinse de magneți).
Conductivitate termică. Conductivitatea termică este transferul de căldură într-un corp dintr-un loc mai încălzit într-un loc mai puțin încălzit, fără mișcarea vizibilă a particulelor acestui corp. Conductivitatea termică ridicată a metalelor le permite să fie încălzite și răcite rapid și uniform.
Dintre metalele tehnice, cuprul are cea mai mare conductivitate termică. Conductivitatea termică a fierului este mult mai mică, iar conductivitatea termică a oțelului variază în funcție de conținutul componentelor din acesta. Pe măsură ce temperatura crește, conductivitatea termică scade, iar pe măsură ce temperatura scade, aceasta crește.
Capacitate termica. Capacitatea termică este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura corpului cu 1 0 .
Capacitatea termică specifică a unei substanțe este cantitatea de căldură în kilograme - calorii care trebuie împărțite la 1 kg dintr-o substanță pentru a-i crește temperatura cu 10.
Capacitatea termică specifică a metalelor este scăzută în comparație cu alte substanțe, ceea ce face relativ ușor încălzirea acestora la temperaturi ridicate.
Extensibilitate la încălzire. Raportul dintre creșterea lungimii unui corp atunci când este încălzit cu 1 0 la lungimea sa inițială se numește coeficient de dilatare liniară. Pentru diferite metale, coeficientul de dilatare liniară variază foarte mult. De exemplu, wolfram are un coeficient de expansiune liniar de 4,0·10 -6, iar plumbul 29,5·10 -6.
Rezistență la coroziune. Coroziunea este distrugerea unui metal din cauza interacțiunii sale chimice sau electrochimice cu mediul extern. Un exemplu de coroziune este ruginirea fierului.
Rezistența ridicată la coroziune (rezistența la coroziune) este o proprietate naturală importantă a unor metale: platina, aurul și argintul, motiv pentru care sunt numite nobile. Nichelul și alte metale neferoase rezistă bine la coroziune. Metalele feroase se corodează mai puternic și mai rapid decât metalele neferoase.
2. Proprietăţi mecanice.
Putere. Forța unui metal este capacitatea sa de a rezista forțelor externe fără a se rupe.
Duritate. Duritatea este capacitatea unui corp de a rezista la pătrunderea altui corp, mai dur.
Elasticitate. Elasticitatea unui metal este capacitatea sa de a-și restabili forma după încetarea acțiunii forțelor externe care au cauzat o schimbare a formei (deformare).
Viscozitate. Duritatea este capacitatea unui metal de a rezista forțelor externe (de impact) în creștere rapidă. Vâscozitatea este proprietatea opusă a fragilității.
Plastic. Plasticitatea este proprietatea unui metal de a se deforma fără distrugere sub influența forțelor externe și de a păstra o nouă formă după ce forța încetează. Plasticitatea este proprietatea opusă a elasticității.
În tabel 1 prezintă proprietățile metalelor tehnice.
Tabelul 1.
Proprietățile metalelor tehnice.
| Nume de metal | Greutate specifică (densitate) gsm 3 | Punct de topire 0 C | Duritatea Brinell | Rezistenta la tractiune (rezistenta temporara) kgmm 2 | % extensie relativă | Îngustarea relativă a secțiunii transversale % |
| AluminiuTungstenFierCobaltMagneziuManganCupruNichelStaniuConduceCromZinc | 2,7 19,3 7,87 8,9 1,74 7,44 8,84 8,9 7,3 11,34 7,14 7,14 | 658 3370 1530 1490 651 1242 1083 1452 232 327 1550 419 | 20-37 160 50 125 25 20 35 60 5-10 4-6 108 30-42 | 8-11 110 25-33 70 17-20 Fragil22 40-50 2-4 1,8 Fragil11,3-15 | 40 - 21-55 3 15 Fragil60 40 40 50 Fragil5-20 | 85 - 68-55 - 20 Fragil75 70 74 100 Fragil- |
3. Importanta proprietatilor metalelor.
Proprietăți mecanice. Prima cerință pentru orice produs este rezistența suficientă.
Metalele au o rezistență mai mare în comparație cu alte materiale, astfel încât părțile încărcate ale mașinilor, mecanismelor și structurilor sunt de obicei realizate din metale.
Multe produse, pe lângă rezistența generală, trebuie să aibă și proprietăți speciale caracteristice funcționării acestui produs. De exemplu, uneltele de tăiere trebuie să aibă duritate mare. Oțelurile și aliajele pentru scule sunt utilizate pentru fabricarea altor scule de tăiere.
Pentru fabricarea arcurilor și arcurilor se folosesc oțeluri și aliaje speciale cu elasticitate ridicată
Metalele vâscoase sunt utilizate în cazurile în care piesele sunt supuse sarcinilor de șoc în timpul funcționării.
Plasticitatea metalelor face posibilă prelucrarea lor prin presiune (forjare, laminare).
Proprietăți fizice.În construcția de avioane, automobile și vagoane, greutatea pieselor este adesea cea mai importantă caracteristică, prin urmare aluminiul și mai ales aliajele de magneziu sunt de neînlocuit aici. Rezistența specifică (raportul dintre rezistența la tracțiune și greutatea specifică) pentru unele, cum ar fi aliajele de aluminiu, este mai mare decât pentru oțelul moale.
Fuzibilitatea folosit pentru a produce piese turnate prin turnarea metalului topit în matrițe. Metalele cu punct de topire scăzut (de exemplu, plumbul) sunt folosite ca mediu de călire pentru oțel. Unele aliaje complexe au un punct de topire atât de scăzut încât se topesc în apă fierbinte. Astfel de aliaje sunt folosite pentru turnarea matricelor tipografice și în dispozitivele folosite pentru a proteja împotriva incendiilor.
Metale cu înaltă conductivitate electrică(cuprul, aluminiul) sunt folosite în electrotehnică, pentru construcția liniilor electrice, iar aliajele cu rezistență electrică mare sunt folosite pentru lămpi cu incandescență și dispozitive electrice de încălzire.
Proprietăți magnetice metalele joacă un rol primordial în electrotehnică (dinamo, motoare, transformatoare), pentru dispozitivele de comunicații (aparate telefonice și telegrafice) și sunt utilizate în multe alte tipuri de mașini și dispozitive.
Conductivitate termică metalele fac posibilă producerea proprietăților lor fizice. Conductivitatea termică este, de asemenea, utilizată în lipirea și sudarea metalelor.
Unele aliaje metalice au coeficient de dilatare liniară, aproape de zero; Astfel de aliaje sunt utilizate pentru fabricarea instrumentelor de precizie și a tuburilor radio. Expansiunea metalelor trebuie luată în considerare atunci când se construiesc structuri lungi, cum ar fi podurile. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că două părți din metale cu coeficienți de dilatare diferiți și fixate împreună se pot îndoi și chiar rupe atunci când sunt încălzite.
Proprietăți chimice. Rezistența la coroziune este deosebit de importantă pentru produsele care funcționează în medii puternic oxidante (grile, părți ale mașinilor și instrumentelor chimice). Pentru a obține o rezistență ridicată la coroziune, sunt produse oțeluri speciale inoxidabile, rezistente la acizi și rezistente la căldură și sunt utilizate și acoperiri de protecție.
