Z chemického hľadiska Kov je prvok, ktorý vykazuje kladný oxidačný stav vo všetkých zlúčeninách. Zo 109 v súčasnosti známych prvkov je 86 kovov. Hlavnou charakteristickou črtou kovov je prítomnosť voľných elektrónov, ktoré nie sú viazané na konkrétny atóm, v kondenzovanom stave. Tieto elektróny sa môžu pohybovať po celom objeme tela. Prítomnosť voľných elektrónov určuje celý súbor vlastností kovov. V pevnom stave má väčšina kovov vysoko symetrickú kryštalickú štruktúru jedného z nasledujúcich typov: kubická centrovaná na telo, kubická centrovaná tvárou alebo šesťuholníková tesne zbalená (obr. 1).
Ryža. 1. Typická štruktúra kovového kryštálu: a – kubický centrovaný na telo; b – kubický plošne centrovaný; c – hustý šesťuholníkový
Existuje technická klasifikácia kovov. Zvyčajne sa rozlišujú tieto skupiny: čierne kovy(Fe); ťažké neželezné kovy(Cu, Pb, Zn, Ni, Sn, Co, Sb, Bi, Hg, Cd), ľahké kovy s hustotou menšou ako 5 g/cm3 (Al, Mg, Ca atď.), vzácne kovy(Au, Ag a platinové kovy) A vzácne kovy(Be, Sc, In, Ge a niektoré ďalšie).
V chémii sa kovy klasifikujú podľa ich miesta v periodickej tabuľke prvkov. Existujú kovy hlavných a vedľajších podskupín. Kovy hlavných podskupín sa nazývajú intransition. Tieto kovy sa vyznačujú tým, že v ich atómoch sú postupne vyplnené elektrónové obaly s– a p–.
Typické kovy sú s-prvky(alkalické Li, Na, K, Rb, Cs, Fr a kovy alkalických zemín Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). Tieto kovy sa nachádzajú v podskupinách la a IIa (t. j. v hlavných podskupinách skupín I a II). Tieto kovy zodpovedajú konfigurácii valenčných elektrónových obalov ns 1 alebo ns 2 (n je hlavné kvantové číslo). Tieto kovy sa vyznačujú:
a) kovy majú na vonkajšej úrovni 1 – 2 elektróny, preto vykazujú konštantné oxidačné stavy +1, +2;
b) oxidy týchto prvkov sú zásaditej povahy (výnimkou je berýlium, pretože malý polomer iónu mu dáva amfotérne vlastnosti);
c) hydridy sú svojou povahou podobné soli a tvoria iónové kryštály;
d) excitácia elektronických podúrovní je možná len v kovoch skupiny IIA s následnou sp-hybridizáciou orbitálov.
TO p-kovy zahŕňajú prvky IIIa (Al, Ga, In, Tl), IVa (Ge, Sn, Pb), Va (Sb, Bi) a VIa (Po) skupiny s hlavnými kvantovými číslami 3, 4, 5, 6. Tieto kovy zodpovedajú konfiguračné valenčné elektrónové obaly ns 2 p z (z môže nadobúdať hodnotu od 1 do 4 a rovná sa číslu skupiny mínus 2). Tieto kovy sa vyznačujú:
a) tvorba chemických väzieb sa uskutočňuje pomocou s - a p - elektrónov v procese ich excitácie a hybridizácie (sp - a spd), avšak zhora nadol v skupinách sa schopnosť hybridizácie znižuje;
b) oxidy p–kovov, amfotérne alebo kyslé (zásadité oxidy len pre In a Tl);
c) hydridy p-kovov sú polymérnej povahy (AlH 3) n alebo plynné (SnH 4, PbH 4 atď.), čo potvrdzuje podobnosť s nekovmi, ktoré tieto skupiny otvárajú.
V atómoch kovov vedľajších podskupín, nazývaných prechodné kovy, dochádza k tvorbe d- a f- obalov, podľa ktorých sa delia na d-skupinu a dve f-skupiny, lantanoidy a aktinidy.
Prechodné kovy zahŕňajú 37 prvkov skupiny d a 28 kovov skupiny f. TO kovy d-skupiny zahŕňajú prvky 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) a VIII skupiny (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Rt, Hn, Mt, Db, Jl, Rf, Bh, Hn, Mt). Tieto prvky zodpovedajú konfigurácii 3d z 4s 2. Výnimkou sú niektoré atómy, vrátane atómov chrómu s polovyplneným obalom 3d 5 (3d 5 4s 1) a atómy medi s úplne vyplneným obalom 3d 10 (3d 10 4s 1). Tieto prvky majú niektoré spoločné vlastnosti:
1. všetky tvoria zliatiny medzi sebou a inými kovmi;
2. prítomnosť čiastočne vyplnených elektrónových obalov určuje schopnosť d-kovov vytvárať paramagnetické zlúčeniny;
3. pri chemických reakciách vykazujú premenlivú mocnosť (až na malé výnimky) a ich ióny a zlúčeniny sú zvyčajne sfarbené;
4. v chemických zlúčeninách sú d-prvky elektropozitívne. „Ušľachtilé“ kovy, ktoré majú vysokú kladnú hodnotu štandardného elektródového potenciálu (E>0), interagujú s kyselinami nezvyčajným spôsobom;
5. ióny d-kovov majú prázdne atómové orbitály valenčnej úrovne (ns, np, (n–1) d), preto vykazujú akceptorové vlastnosti, pôsobiace ako centrálny ión v koordinačných (komplexných) zlúčeninách.
Chemické vlastnosti prvkov sú určené ich polohou v Mendelejevovej periodickej tabuľke prvkov. Kovové vlastnosti sa teda v skupine zvyšujú zhora nadol, čo je spôsobené znížením sily interakcie medzi valenčnými elektrónmi a jadrom v dôsledku zväčšenia polomeru atómu a v dôsledku zvýšenia skríningu o elektróny nachádzajúce sa vo vnútorných atómových orbitáloch. To vedie k ľahšej ionizácii atómu. V určitom období sa vlastnosti kovu zľava doprava znižujú, pretože je to spôsobené zvýšením náboja jadra a tým zvýšením sily väzby medzi valenčnými elektrónmi a jadrom.
Z chemického hľadiska sa atómy všetkých kovov vyznačujú relatívnou ľahkosťou vzdania sa valenčných elektrónov (t. j. nízkou ionizačnou energiou) a nízkou elektrónovou afinitou (t. j. nízkou schopnosťou zadržať prebytočné elektróny). Dôsledkom toho je nízka hodnota elektronegativity, t.j. schopnosť tvoriť len kladne nabité ióny a vo svojich zlúčeninách vykazovať iba kladný oxidačný stav. V tomto ohľade sú kovy vo voľnom stave redukčnými činidlami.
Redukčná schopnosť rôznych kovov nie je rovnaká. Pre reakcie vo vodných roztokoch sa určuje hodnotou štandardného elektródového potenciálu kovu (t.j. polohou kovu v napäťovom rade) a koncentráciou (aktivitou) jeho iónov v roztoku.
Interakcia kovov s elementárnymi oxidačnými činidlami(F2, Cl2, O2, N2, S, atď.). Napríklad reakcia s kyslíkom zvyčajne prebieha nasledovne
2Me + 0,5n02 = Me20n,
kde n je valencia kovu.
Interakcia kovov s vodou. Kovy so štandardným potenciálom menším ako -2,71 V vytláčajú vodík z vody za studena za vzniku hydroxidov kovov a vodíka. Kovy so štandardným potenciálom –2,7 až –1,23 V vytláčajú vodík z vody pri zahrievaní
Me + nH20 = Me(OH)n + 0,5n H2.
Iné kovy s vodou nereagujú.
Interakcia s alkáliami. Kovy, ktoré produkujú amfotérne oxidy a kovy s vysokým oxidačným stavom, môžu reagovať s alkáliami v prítomnosti silného oxidačného činidla. V prvom prípade kovy tvoria anióny svojich kyselín. Reakciu medzi hliníkom a alkáliou teda zapíšeme rovnicou
2Al + 6H20 + 2NaOH = 2Na + 3H 2
v ktorom je ligandom hydroxidový ión. V druhom prípade vznikajú soli, napríklad K2Cr04.
Interakcia kovov s kyselinami. Kovy reagujú s kyselinami odlišne v závislosti od číselnej hodnoty štandardného elektródového potenciálu (E) (t. j. od polohy kovu v napäťovej sérii) a od oxidačných vlastností kyseliny:
· v roztokoch halogenovodíkov a zriedenej kyseliny sírovej je oxidačným činidlom iba ión H +, a preto kovy, ktorých štandardný potenciál je menší ako štandardný potenciál vodíka, interagujú s týmito kyselinami:
Me + 2nH+ = Men+ + nH2;
· koncentrovaná kyselina sírová rozpúšťa takmer všetky kovy bez ohľadu na ich polohu v sérii štandardných elektródových potenciálov (okrem Au a Pt). Vodík sa v tomto prípade neuvoľňuje, pretože Funkciu oxidačného činidla v kyseline plní síranový ión (SO 4 2–). V závislosti od koncentrácie a experimentálnych podmienok sa síranový ión redukuje na rôzne produkty. Zinok teda v závislosti od koncentrácie kyseliny sírovej a teploty reaguje takto:
Zn + H2S04 (zriedený) = ZnS04 + H2
Zn + 2H2S04 (konc.) = ZnS04 + S02 + H20
– pri zahrievaní 3Zn + 4H2SO4 (konc.) = 3ZnSO4 + S + 4H20
– pri veľmi vysokých teplotách 4Zn + 5H 2 SO 4 (konc.) = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O;
· v zriedenej a koncentrovanej kyseline dusičnej plní dusičnanový ión (NO 3 –) funkciu oxidačného činidla, preto produkty redukcie závisia od stupňa zriedenia kyseliny dusičnej a aktivity kovov. V závislosti od koncentrácie kyseliny, kovu (hodnota jeho štandardného elektródového potenciálu) a podmienok experimentu sa dusičnanový ión redukuje na rôzne produkty. Vápnik teda v závislosti od koncentrácie kyseliny dusičnej reaguje nasledovne:
4Ca +10HNO3(ultra zriedený) = 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
4Ca + 10HN03(konc) = 4Ca(N03)2 + N20 + 5H20.
Koncentrovaná kyselina dusičná nereaguje (pasivuje) so železom, hliníkom, chrómom, platinou a niektorými ďalšími kovmi.
Vzájomná interakcia kovov. Pri vysokých teplotách sú kovy schopné navzájom reagovať a vytvárať zliatiny. Zliatinami môžu byť tuhé roztoky a chemické (intermetalické) zlúčeniny (Mg 2 Pb, SnSb, Na 3 Sb 8, Na 2 K atď.).
Vlastnosti kovového chrómu (…3d 5 4s 1). Jednoduchá látka chróm je striebristý kov, ktorý sa pri rozbití leskne, dobre vedie elektrický prúd, má vysoký bod topenia (1890°C) a bod varu (2430°C), veľkú tvrdosť (v prítomnosti nečistôt je veľmi čistý chróm mäkký a hustota (7,2 g/cm3).
Pri bežných teplotách je chróm odolný voči elementárnym oxidačným činidlám a vode vďaka svojmu hustému oxidickému filmu. Pri vysokých teplotách chróm interaguje s kyslíkom a inými oxidačnými činidlami.
4Cr + 302® 2Cr203
2Cr + 3S (para) ® Cr2S 3
Cr + Cl 2 (plyn) ® CrCl 3 (malinová farba)
Cr + HCl (plyn)® CrCl 2
2Cr + N2® 2CrN (alebo Cr2N)
Pri tavení s kovmi vytvára chróm intermetalické zlúčeniny (FeCr 2, CrMn 3). Pri 600 °C chróm reaguje s vodnou parou:
2Cr + 3H20® Cr203 + 3H2
Elektrochemicky je kovový chróm blízky železu: Preto sa môže rozpúšťať v neoxidujúcich (aniónových) minerálnych kyselinách, ako sú hydrohalogenidy:
Cr + 2HCl® CrCl2 (modrá farba) + H2.
Vo vzduchu rýchlo nastáva táto fáza:
2CrCl2 + 1/202 + 2HCl® 2CrCl3 (zelený) + H20
Oxidačné (aniónom) minerálne kyseliny rozpúšťajú chróm na trojmocný stav:
2Cr + 6H2S04®Cr2(SO4)3 + 3SO2 + 6H20
V prípade HNO 3 (conc) dochádza k pasivácii chrómu - na povrchu sa vytvorí silný oxidový film - a kov nereaguje s kyselinou. (Pasívny chróm má vysoký redoxný potenciál = +1,3 V.)
Hlavnou oblasťou použitia chrómu je metalurgia: výroba chrómových ocelí. Do nástrojovej ocele sa teda pridáva 3 - 4 % chrómu, oceľ na guľôčkové ložiská obsahuje 0,5 - 1,5 % chrómu, nehrdzavejúca oceľ (jedna z možností): 18 - 25 % chrómu, 6 - 10 % niklu,< 0,14% углерода, ~0,8% титана, остальное – железо.
Vlastnosti kovového železa (…3d 6 4s 2).Železo je biely lesklý kov. Vytvára niekoľko kryštalických modifikácií, ktoré sú stabilné v určitom teplotnom rozsahu.
Chemické vlastnosti kovového železa sú určené jeho polohou v rade kovových napätí: .
Pri zahrievaní v atmosfére suchého vzduchu železo oxiduje:
2Fe + 3/202® Fe203
V závislosti od podmienok a aktivity nekovov môže železo vytvárať zlúčeniny podobné kovu (Fe 3 C, Fe 3 Si, Fe 4 N), soliam (FeCl 2, FeS) a tuhé roztoky (s C, Si N, B, P, H).
Železo vo vode intenzívne koroduje:
2Fe + 3/202 + nH20® Fe203 x nH20.
Pri nedostatku kyslíka vzniká zmiešaný oxid Fe 3 O 4:
3Fe + 202 + nH20 ® Fe304 × nH20
Zriedená kyselina chlorovodíková, sírová a dusičná rozpúšťa železo na dvojmocný ión:
Fe + 2HCl® FeCl2 + H2
4Fe + 10HNO 3 (ultra zriedený) ® 4Fe (NO 3) 2 + NH4NO3 + 3H20
Koncentrovanejšia kyselina dusičná a horúca koncentrovaná kyselina sírová oxidujú železo do trojmocného stavu (uvoľňuje sa NO a SO 2 ):
Fe + 4HN03® Fe(N03)3 + NO + 2H20
Veľmi koncentrovaná kyselina dusičná (hustota 1,4 g/cm3) a kyselina sírová (oleum) pasivujú železo a vytvárajú na povrchu kovu oxidové filmy.
Železo sa používa na výrobu zliatin železa a uhlíka. Biologický význam železa je veľký, pretože je súčasťou hemoglobínu v krvi. Ľudské telo obsahuje asi 3 g železa.
Chemické vlastnosti kovového zinku (…3d 10 4s 2). Zinok je modro-biely, tvárny a kujný kov, ale nad 200 °C sa stáva krehkým. Na vlhkom vzduchu je pokrytý ochranným filmom zo zásaditej soli ZnCO 3 × 3Zn(OH) 2 alebo ZnO a nedochádza k ďalšej oxidácii. Pri vysokých teplotách interaguje:
2Zn + O2® 2ZnO
Zn + Cl2® ZnCl2
Zn + H20 (para) ® Zn(OH)2 + H2.
Na základe hodnôt štandardných elektródových potenciálov zinok vytláča kadmium, ktoré je jeho elektronickým analógom, zo solí: Cd 2+ + Zn ® Cd + Zn 2+.
Kvôli amfotérnej povahe hydroxidu zinočnatého je kovový zinok schopný rozpúšťať sa v zásadách:
Zn + 2KOH + H20® K2 + H2
V zriedených kyselinách:
Zn + H2SO4® ZnSO4 + H2
4Zn + 10HN03® 4Zn(N03)2 + NH4N03 + 3H20
V koncentrovaných kyselinách:
4Zn + 5H2S04® 4ZnSO4 + H2S + 4H20
3Zn + 8HN03® 3Zn(N03)2 + 2NO + 4H20
Významná časť zinku sa používa na galvanizáciu výrobkov zo železa a ocele. Zliatiny zinku a medi (nikel striebro, mosadz) majú široké priemyselné využitie. Zinok je široko používaný pri výrobe galvanických článkov.
Chemické vlastnosti kovovej medi (…3d 10 4s 1). Kovová meď kryštalizuje v plošne centrovanej kubickej kryštálovej mriežke. Je to tvárny, mäkký, viskózny ružový kov s teplotou topenia 1083°C. Meď je po striebre na druhom mieste z hľadiska elektrickej a tepelnej vodivosti, čo určuje význam medi pre rozvoj vedy a techniky.
Meď reaguje z povrchu so vzdušným kyslíkom pri izbovej teplote, farba povrchu tmavne a v prítomnosti CO 2, SO 2 a vodnej pary sa pokryje zelenkastým filmom zásaditých solí (CuOH) 2 CO 3, (CuOH)2S04.
Meď sa priamo spája s kyslíkom, halogénmi, sírou:
2Cu + O2 
2 CuO
4Cu02Cu20 + O2
Cu + S® Cu2S
V prítomnosti kyslíka reaguje kovová meď s roztokom amoniaku pri bežnej teplote:
Meď, ktorá je v sérii napätia po vodíku, ho nevytláča zo zriedenej kyseliny chlorovodíkovej a sírovej. Avšak v prítomnosti vzdušného kyslíka sa meď rozpúšťa v týchto kyselinách:
2Cu + 4HCl + O2® 2CuCl2 + 2H20
Oxidačné kyseliny rozpúšťajú meď a premieňajú ju na dvojmocný stav:
Cu + 2H2S04® CuS04 + S02 + 2H20
3Cu + 8HN03(konc.)®3Cu(N03)2 + N02 + 4H20
Meď neinteraguje s alkáliami.
Meď interaguje so soľami aktívnejších kovov a táto redoxná reakcia je základom niektorých galvanických článkov:
Cu SO 4 + Zn® Zn SO 4 + Cu; Eo = 1,1 B
Mg + CuCl2® MgCl2 + Cu; Eo = 1,75 V.
Meď tvorí veľké množstvo intermetalických zlúčenín s inými kovmi. Najznámejšie a najcennejšie zliatiny sú: mosadz Cu–Zn (18 – 40 % Zn), bronz Cu–Sn (zvonový bronz – 20 % Sn), nástrojový bronz Cu–Zn–Sn (11 % Zn, 3 – 8 % Sn ), cupronickel Cu–Ni–Mn–Fe (68 % Cu, 30 % Ni, 1 % Mn, 1 % Fe).
Hľadanie kovov v prírode a spôsoby výroby. Kvôli svojej vysokej chemickej aktivite sa kovy v prírode nachádzajú vo forme rôznych zlúčenín a iba nízkoaktívne (ušľachtilé) kovy - platina, zlato atď. – nájdený v natívnom (slobodnom) stave.
Najbežnejšie prírodné zlúčeniny kovov sú oxidy (hematit Fe 2 O 3, magnetit Fe 3 O 4, kuprit Cu 2 O, korund Al 2 O 3, pyrolusit MnO 2 a pod.), sulfidy (galenit PbS, sfalerit ZnS, chalkopyrit CuFeS , rumelkový HgS atď.), ako aj soli kyselín obsahujúcich kyslík (uhličitany, kremičitany, fosforečnany a sírany). Alkalické kovy a kovy alkalických zemín sa vyskytujú predovšetkým vo forme halogenidov (fluoridov alebo chloridov).
Prevažná časť kovov sa získava spracovaním nerastov – rúd. Keďže kovy, ktoré tvoria rudy, sú v oxidovanom stave, získavajú sa redukčnou reakciou. Ruda sa najskôr čistí z odpadovej horniny.
Výsledný koncentrát oxidu kovu sa čistí z vody a sulfidy sa pre uľahčenie následného spracovania premenia na oxidy vypálením, napríklad:
2ZnS + 202 = 2ZnO + 2SO2.
Na oddelenie prvkov polymetalických rúd sa používa metóda chlorácie. Keď sa rudy upravujú chlórom v prítomnosti redukčného činidla, vznikajú chloridy rôznych kovov, ktoré sa vďaka značnej a meniacej sa prchavosti dajú od seba ľahko oddeliť.
Zhodnocovanie kovov v priemysle sa uskutočňuje rôznymi procesmi. Proces redukcie bezvodých zlúčenín kovov pri vysokých teplotách sa nazýva pyrometalurgia. Ako redukčné činidlá sa používajú kovy, ktoré sú aktívnejšie ako výsledný materiál alebo uhlík. V prvom prípade hovoria o metalotermii, v druhom o karbotermii, napríklad:
Ga203 + 3C = 2Ga + 3CO,
Cr203 + 2Al = 2Cr + Al203,
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.
Uhlík získal osobitný význam ako redukčné činidlo pre železo. Uhlík sa zvyčajne používa na redukciu kovov vo forme koksu.
Proces získavania kovov z vodných roztokov ich solí patrí do oblasti hydrometalurgie. Výroba kovov sa uskutočňuje pri bežných teplotách a ako redukčné činidlá môžu byť použité relatívne aktívne kovy alebo katódové elektróny počas elektrolýzy. Elektrolýzou vodných roztokov solí možno získať len relatívne málo aktívne kovy, ktoré sa nachádzajú v sérii napätí (štandardné elektródové potenciály) bezprostredne pred alebo za vodíkom. Aktívne kovy - alkálie, alkalické zeminy, hliník a niektoré ďalšie, sa získavajú elektrolýzou roztavených solí.
Chemické vlastnosti kovov: interakcia s kyslíkom, halogénmi, sírou a vzťah k vode, kyselinám, soliam.
Chemické vlastnosti kovov sú určené schopnosťou ich atómov ľahko odovzdávať elektróny z vonkajšej energetickej úrovne a meniť sa na kladne nabité ióny. V chemických reakciách sa teda kovy ukazujú ako energetické redukčné činidlá. Toto je ich hlavná spoločná chemická vlastnosť.
Schopnosť darovať elektróny sa líši medzi atómami jednotlivých kovových prvkov. Čím ľahšie sa kov vzdáva svojich elektrónov, tým je aktívnejší a tým prudšie reaguje s inými látkami. Na základe výskumu boli všetky kovy zoradené podľa klesajúcej aktivity. Túto sériu prvýkrát navrhol vynikajúci vedec N. N. Beketov. Tento rad aktivít kovov sa tiež nazýva séria posunov kovov alebo elektrochemická séria kovových napätí. Vyzerá to takto:
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au
Pomocou tejto série môžete zistiť, ktorý kov je aktívny v inom. Táto séria obsahuje vodík, ktorý nie je kov. Jeho viditeľné vlastnosti sa berú na porovnanie ako akási nula.
Kovy, ktoré majú vlastnosti redukčných činidiel, reagujú s rôznymi oxidačnými činidlami, predovšetkým s nekovmi. Kovy reagujú s kyslíkom za normálnych podmienok alebo pri zahrievaní za vzniku oxidov, napríklad:
2Mg0 + 002 = 2Mg+20-2
Pri tejto reakcii sa oxidujú atómy horčíka a redukujú sa atómy kyslíka. Ušľachtilé kovy na konci série reagujú s kyslíkom. Aktívne sa vyskytujú reakcie s halogénmi, napríklad spaľovanie medi v chlóre:
Cuo + Cl02 = Cu+2Cl-2
Reakcie so sírou sa najčastejšie vyskytujú pri zahrievaní, napríklad:
Fe0 + SO = Fe+2S-2
Aktívne kovy v sérii aktivít kovov v Mg reagujú s vodou za vzniku alkálií a vodíka:
2Na0 + 2H+20 -> 2Na+OH + H02
Stredne aktívne kovy od Al po H2 reagujú s vodou za tvrdších podmienok a tvoria oxidy a vodík:
Pb0 + H+2O Chemické vlastnosti kovov: interakcia s kyslíkom Pb+2O + H02.
Schopnosť kovu reagovať s kyselinami a soľami v roztoku závisí aj od jeho polohy v rade vytesňovania kovov. Kovy v premiestňovanom rade kovov naľavo od vodíka zvyčajne vytláčajú (redukujú) vodík zo zriedených kyselín, zatiaľ čo kovy umiestnené napravo od vodíka ho nevytláčajú. Zinok a horčík teda reagujú s roztokmi kyselín, pričom sa uvoľňujú vodík a tvoria sa soli, ale meď nereaguje.
Mg0 + 2H+Cl -> Mg+2Cl2 + H02
Zn0 + H+2SO4 → Zn+2SO4 + H02.
Atómy kovov v týchto reakciách sú redukčné činidlá a vodíkové ióny sú oxidačné činidlá.
Kovy reagujú so soľami vo vodných roztokoch. Aktívne kovy vytláčajú menej aktívne kovy zo zloženia solí. Dá sa to určiť radom aktivity kovov. Reakčnými produktmi sú nová soľ a nový kov. Ak je teda železná platňa ponorená do roztoku síranu meďnatého, po určitom čase sa na nej uvoľní meď vo forme červeného povlaku:
Fe0 + Cu+2SO4 → Fe+2SO4 + Cu0.
Ak je však strieborná platňa ponorená do roztoku síranu meďnatého, nedôjde k žiadnej reakcii:
Ag + CuSO4 ≠ .
Na uskutočnenie takýchto reakcií nemôžete použiť príliš aktívne kovy (od lítia po sodík), ktoré môžu reagovať s vodou.
Preto sú kovy schopné reagovať s nekovmi, vodou, kyselinami a soľami. Vo všetkých týchto prípadoch sú kovy oxidované a sú redukčnými činidlami. Na predpovedanie priebehu chemických reakcií s kovmi by sa mala použiť séria vytesňovania kovov.
Najprv si pamätajte, že kovy sa vo všeobecnosti delia do troch skupín:
1) Reaktívne kovy: Tieto kovy zahŕňajú všetky alkalické kovy, kovy alkalických zemín, ako aj horčík a hliník.
2) Kovy strednej aktivity: patria sem kovy nachádzajúce sa medzi hliníkom a vodíkom v rade aktivít.
3) Nízko aktívne kovy: kovy nachádzajúce sa v sérii aktivít napravo od vodíka.
V prvom rade si treba uvedomiť, že nízkoaktívne kovy (t.j. tie, ktoré sa nachádzajú za vodíkom) nereagujú s vodou za žiadnych podmienok.
Alkalické kovy a kovy alkalických zemín reagujú s vodou za akýchkoľvek podmienok (aj pri bežnej teplote a v chlade) a reakciu sprevádza uvoľňovanie vodíka a tvorba hydroxidu kovu. Napríklad:
2Na + 2H20 = 2NaOH + H2
Ca + 2H20 = Ca(OH)2 + H2
Horčík vďaka tomu, že je pokrytý ochranným oxidovým filmom, reaguje s vodou až pri varení. Pri zahrievaní vo vode sa oxidový film pozostávajúci z MgO zničí a horčík pod ním začne reagovať s vodou. V tomto prípade je reakcia sprevádzaná aj uvoľňovaním vodíka a tvorbou hydroxidu kovu, ktorý je však v prípade horčíka nerozpustný:
Mg + 2H20 = Mg(OH)2↓ + H2
Hliník, podobne ako horčík, je pokrytý ochranným oxidovým filmom, ale v tomto prípade sa nedá zničiť varom. Na jeho odstránenie je potrebné buď mechanické čistenie (niektorým druhom abrazíva) alebo jeho chemické zničenie alkáliami, roztokmi solí ortuti alebo amónnych solí:
2Al + 6H20 = 2Al(OH)3 + 3H2
Stredne aktívne kovy reagujú s vodou iba vtedy, keď je v stave prehriatej vodnej pary. Samotný kov sa musí zahriať na rozžeravenú teplotu (asi 600-800 o C). Na rozdiel od aktívnych kovov kovy so strednou aktivitou reagujú s vodou za vzniku oxidov kovov namiesto hydroxidov. Redukčným produktom je v tomto prípade vodík:
Zn + H20 = ZnO + H2
3Fe + 4H20 = Fe304 + 4H2 alebo
Fe + H 2 O = FeO + H 2 (v závislosti od stupňa ohrevu)
Všeobecné vlastnosti kovov.
Prítomnosť valenčných elektrónov slabo viazaných na jadro určuje všeobecné chemické vlastnosti kovov. Pri chemických reakciách vždy pôsobia ako redukčné činidlo, jednoduché kovové látky nikdy nevykazujú oxidačné vlastnosti.
Získavanie kovov:
- redukcia z oxidov uhlíkom (C), oxidom uhoľnatým (CO), vodíkom (H2) alebo aktívnejším kovom (Al, Ca, Mg);
- redukcia z roztokov solí aktívnejším kovom;
- elektrolýza roztokov alebo tavenín zlúčenín kovov - redukcia najaktívnejších kovov (alkálie, kovy alkalických zemín a hliník) pomocou elektrického prúdu.
V prírode sa kovy nachádzajú najmä vo forme zlúčenín, len málo aktívne kovy sa nachádzajú vo forme jednoduchých látok (natívne kovy).
Chemické vlastnosti kovov.
1. Interakcia s jednoduchými látkami, nekovmi:
Väčšina kovov môže byť oxidovaná nekovmi, ako sú halogény, kyslík, síra a dusík. Väčšina týchto reakcií však vyžaduje predhrievanie. Následne môže reakcia prebiehať s uvoľnením veľkého množstva tepla, čo vedie k vznieteniu kovu.
Pri izbovej teplote sú možné reakcie len medzi najaktívnejšími kovmi (alkalické a alkalické zeminy) a najaktívnejšími nekovmi (halogény, kyslík). Alkalické kovy (Na, K) reagujú s kyslíkom za vzniku peroxidov a superoxidov (Na2O2, KO2).
a) interakcia kovov s vodou.
Pri izbovej teplote interagujú alkalické kovy a kovy alkalických zemín s vodou. V dôsledku substitučnej reakcie sa vytvorí zásada (rozpustná zásada) a vodík: Kov + H2O = Me(OH) + H2
Pri zahrievaní ostatné kovy, ktoré sú naľavo od vodíka v sérii aktivít, interagujú s vodou. Horčík reaguje s vriacou vodou, hliníkom - po špeciálnej povrchovej úprave, čím vznikajú nerozpustné zásady - hydroxid horečnatý alebo hydroxid hlinitý - a uvoľňuje sa vodík. Kovy v rade aktivít od zinku (vrátane) po olovo (vrátane) interagujú s vodnou parou (t.j. nad 100 C) a vznikajú oxidy zodpovedajúcich kovov a vodík.
Kovy nachádzajúce sa v sérii aktivít napravo od vodíka neinteragujú s vodou.
b) interakcia s oxidmi:
aktívne kovy reagujú substitučnou reakciou s oxidmi iných kovov alebo nekovov a redukujú ich na jednoduché látky.
c) interakcia s kyselinami:
Kovy nachádzajúce sa v sérii aktivít naľavo od vodíka reagujú s kyselinami za uvoľnenia vodíka a vzniku zodpovedajúcej soli. Kovy nachádzajúce sa v sérii aktivít napravo od vodíka neinteragujú s roztokmi kyselín.
Zvláštne miesto zaujímajú reakcie kovov s dusičnou a koncentrovanou kyselinou sírovou. Všetky kovy okrem ušľachtilých (zlato, platina) môžu byť oxidované týmito oxidačnými kyselinami. Tieto reakcie budú vždy produkovať zodpovedajúce soli, vodu a redukčný produkt dusíka alebo síry.
d) s alkáliami
Kovy, ktoré tvoria amfotérne zlúčeniny (hliník, berýlium, zinok), sú schopné reagovať s taveninami (v tomto prípade vznikajú stredné soli hlinitany, beryláty alebo zinečnany) alebo alkalickými roztokmi (v tomto prípade vznikajú zodpovedajúce komplexné soli). Všetky reakcie budú produkovať vodík.
e) V súlade s polohou kovu v rade aktivít sú možné reakcie redukcie (vytesnenia) menej aktívneho kovu z roztoku jeho soli iným aktívnejším kovom. V dôsledku reakcie vzniká soľ aktívnejšieho kovu a jednoduchá látka – menej aktívny kov.
Všeobecné vlastnosti nekovov.
Nekovov je oveľa menej ako kovov (22 prvkov). Chémia nekovov je však oveľa zložitejšia v dôsledku väčšej obsadenosti vonkajšej energetickej hladiny ich atómov.
Fyzikálne vlastnosti nekovov sú rozmanitejšie: medzi nimi sú plynné (fluór, chlór, kyslík, dusík, vodík), kvapalné (bróm) a pevné látky, ktoré sa navzájom veľmi líšia v bode topenia. Väčšina nekovov nevedie elektrinu, ale kremík, grafit a germánium majú polovodičové vlastnosti.
Plynné, kvapalné a niektoré tuhé nekovy (jód) majú molekulárnu štruktúru kryštálovej mriežky, iné nekovy majú atómovú kryštálovú mriežku.
Fluór, chlór, bróm, jód, kyslík, dusík a vodík za normálnych podmienok existujú vo forme dvojatómových molekúl.
Mnohé nekovové prvky tvoria niekoľko alotropných modifikácií jednoduchých látok. Takže kyslík má dve alotropné modifikácie - kyslík O2 a ozón O3, síra má tri alotropické modifikácie - ortorombickú, plastickú a jednoklonnú síra, fosfor má tri alotropické modifikácie - červený, biely a čierny fosfor, uhlík - šesť alotropných modifikácií - sadze, grafit, diamant , karbín, fullerén, grafén.
Na rozdiel od kovov, ktoré vykazujú iba redukčné vlastnosti, nekovy môžu pri reakciách s jednoduchými a zložitými látkami pôsobiť ako redukčné činidlo aj ako oxidačné činidlo. Nekovy podľa svojej aktivity zaujímajú určité miesto v sérii elektronegativity. Fluór je považovaný za najaktívnejší nekov. Vykazuje iba oxidačné vlastnosti. Na druhom mieste v aktivite je kyslík, na treťom dusík, potom halogény a iné nekovy. Vodík má spomedzi nekovov najnižšiu elektronegativitu.
Chemické vlastnosti nekovov.
1. Interakcia s jednoduchými látkami:
Nekovy interagujú s kovmi. Pri takýchto reakciách pôsobia kovy ako redukčné činidlo a nekovy ako oxidačné činidlo. V dôsledku reakcie zlúčenín vznikajú binárne zlúčeniny - oxidy, peroxidy, nitridy, hydridy, soli bezkyslíkatých kyselín.
Pri vzájomných reakciách nekovov elektronegatívny nekov vykazuje vlastnosti oxidačného činidla a menej elektronegatívny vykazuje vlastnosti redukčného činidla. Reakciou zlúčenín vznikajú binárne zlúčeniny. Je potrebné mať na pamäti, že nekovy môžu vo svojich zlúčeninách vykazovať rôzne oxidačné stavy.
2. Interakcia s komplexnými látkami:
a) s vodou:
Za normálnych podmienok interagujú s vodou iba halogény.
b) s oxidmi kovov a nekovov:
Mnohé nekovy môžu reagovať pri vysokých teplotách s oxidmi iných nekovov a redukovať ich na jednoduché látky. Nekovy, ktoré sú naľavo od síry v sérii elektronegativity, môžu tiež interagovať s oxidmi kovov, čím sa kovy redukujú na jednoduché látky.
c) s kyselinami:
Niektoré nekovy môžu byť oxidované koncentrovanými kyselinami sírovou alebo dusičnou.
d) s alkáliami:
Pod vplyvom alkálií môžu niektoré nekovy podstúpiť dismutáciu, pričom sú oxidačným aj redukčným činidlom.
Napríklad pri reakcii halogénov s alkalickými roztokmi bez zahrievania: Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O alebo pri zahrievaní: 3Cl2 + 6NaOH = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O.
d) so soľami:
Pri interakcii sú silnými oxidačnými činidlami a vykazujú redukčné vlastnosti.
Halogény (okrem fluóru) vstupujú do substitučných reakcií s roztokmi solí halogenovodíkových kyselín: aktívnejší halogén vytláča menej aktívny halogén z roztoku soli.
Vlastnosti kovov.
1. Základné vlastnosti kovov.
Vlastnosti kovov sa delia na fyzikálne, chemické, mechanické a technologické.
Fyzikálne vlastnosti zahŕňajú: farbu, špecifickú hmotnosť, tavivosť, elektrickú vodivosť, magnetické vlastnosti, tepelnú vodivosť, rozťažnosť pri zahrievaní.
Chemické vlastnosti zahŕňajú oxidáciu, rozpustnosť a odolnosť proti korózii.
Mechanické - pevnosť, tvrdosť, elasticita, viskozita, plasticita.
Medzi technologické patrí kaliteľnosť, tekutosť, kujnosť, zvariteľnosť, obrobiteľnosť.
1. Fyzikálne a chemické vlastnosti.
Farba. Kovy sú nepriehľadné, t.j. nenechajte cez ne prejsť svetlo a v tomto odrazenom svetle má každý kov svoj špeciálny odtieň – farbu.
Z technických kovov je lakovaná len meď (červená) a jej zliatiny. Farba ostatných kovov sa pohybuje od oceľovo šedej až po strieborno-bielu. Najtenšie filmy oxidov na povrchu kovových výrobkov im dodávajú ďalšie farby.
Špecifická hmotnosť. Hmotnosť jedného kubického centimetra látky vyjadrená v gramoch sa nazýva špecifická hmotnosť.
Na základe ich špecifickej hmotnosti sa rozlišujú ľahké kovy a ťažké kovy. Z technických kovov je najľahší horčík (merná hmotnosť 1,74), najťažší je volfrám (špecifická hmotnosť 19,3). Špecifická hmotnosť kovov závisí do určitej miery od spôsobu ich výroby a spracovania.
Taviteľnosť. Schopnosť transformovať sa z pevného do kvapalného stavu pri zahrievaní je najdôležitejšou vlastnosťou kovov. Pri zahrievaní prechádzajú všetky kovy z pevného do kvapalného stavu a pri ochladzovaní roztaveného kovu z kvapalného do tuhého stavu. Teplota topenia technických zliatin nemá jeden konkrétny bod topenia, ale teplotný rozsah, niekedy dosť významný.
Elektrická vodivosť. Elektrická vodivosť zahŕňa prenos elektriny voľnými elektrónmi. Elektrická vodivosť kovov je tisíckrát vyššia ako elektrická vodivosť nekovových telies. So stúpajúcou teplotou elektrická vodivosť kovov klesá a pri jej znižovaní sa zvyšuje. Pri priblížení k absolútnej nule (- 273 0 C) sa elektrická vodivosť nekonečných kovov pohybuje od +232 0 (cín) do 3370 0 (volfrám). Väčšina sa zvyšuje (odpor klesne takmer na nulu).
Elektrická vodivosť zliatin je vždy nižšia ako elektrická vodivosť jednej zo zložiek tvoriacich zliatiny.
Magnetické vlastnosti. Iba tri kovy sú jednoznačne magnetické (feromagnetické): železo, nikel a kobalt, ako aj niektoré z ich zliatin. Pri zahriatí na určité teploty strácajú tieto kovy aj svoje magnetické vlastnosti. Niektoré zliatiny železa nie sú feromagnetické ani pri izbovej teplote. Všetky ostatné kovy sa delia na paramagnetické (priťahované magnetmi) a diamagnetické (magnety odpudzované).
Tepelná vodivosť. Tepelná vodivosť je prenos tepla v telese z viac vyhrievaného miesta na menej vyhrievané miesto bez viditeľného pohybu častíc tohto telesa. Vysoká tepelná vodivosť kovov umožňuje ich rýchle a rovnomerné zahrievanie a ochladzovanie.
Z technických kovov má najvyššiu tepelnú vodivosť meď. Tepelná vodivosť železa je oveľa nižšia a tepelná vodivosť ocele sa mení v závislosti od obsahu zložiek v nej. So zvyšovaním teploty sa tepelná vodivosť znižuje a so znižovaním teploty sa zvyšuje.
Tepelná kapacita. Tepelná kapacita je množstvo tepla potrebné na zvýšenie telesnej teploty o 10 .
Merná tepelná kapacita látky je množstvo tepla v kilogramoch – kalóriách, ktoré sa musí odovzdať 1 kg látky, aby sa jej teplota zvýšila o 10.
Špecifická tepelná kapacita kovov je v porovnaní s inými látkami nízka, vďaka čomu je pomerne ľahké ich ohriať na vysoké teploty.
Rozšíriteľnosť pri zahrievaní. Pomer zväčšenia dĺžky telesa pri jeho zahriatí o 10 k jeho pôvodnej dĺžke sa nazýva koeficient lineárnej rozťažnosti. Pre rôzne kovy sa koeficient lineárnej rozťažnosti značne líši. Napríklad volfrám má koeficient lineárnej rozťažnosti 4,0 · 10 -6 a olovo 29,5 · 10 -6.
Odolnosť proti korózii. Korózia je deštrukcia kovu v dôsledku jeho chemickej alebo elektrochemickej interakcie s vonkajším prostredím. Príkladom korózie je hrdzavenie železa.
Vysoká odolnosť proti korózii (odolnosť voči korózii) je dôležitou prirodzenou vlastnosťou niektorých kovov: platiny, zlata a striebra, preto sa nazývajú ušľachtilé. Nikel a iné neželezné kovy tiež dobre odolávajú korózii. Železné kovy korodujú silnejšie a rýchlejšie ako neželezné kovy.
2. Mechanické vlastnosti.
Pevnosť. Sila kovu je jeho schopnosť odolávať vonkajším silám bez porušenia.
Tvrdosť. Tvrdosť je schopnosť telesa odolávať prieniku iného, tvrdšieho telesa.
Elasticita. Elasticita kovu je jeho schopnosť obnoviť svoj tvar po ukončení pôsobenia vonkajších síl, ktoré spôsobili zmenu tvaru (deformáciu).
Viskozita. Húževnatosť je schopnosť kovu odolávať rýchlo rastúcim (nárazovým) vonkajším silám. Viskozita je opačná vlastnosť krehkosti.
Plastové. Plasticita je vlastnosť kovu deformovať sa bez deštrukcie pod vplyvom vonkajších síl a zachovať si nový tvar po skončení pôsobenia sily. Plasticita je opačná vlastnosť elasticity.
V tabuľke 1 sú znázornené vlastnosti technických kovov.
Stôl 1.
Vlastnosti technických kovov.
| Kovový názov | Špecifická hmotnosť (hustota) gsm 3 | Teplota topenia 0 C | Tvrdosť podľa Brinella | Pevnosť v ťahu (dočasná odolnosť) kgmm 2 | % relatívneho rozšírenia | Relatívne zúženie prierezu % |
| hliníkVolfrámŽelezokobaltmagnéziummangánMeďnikelCínViesťChromiumZinok | 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 Krehké22 40-50 2-4 1,8 Krehké11,3-15 | 40 - 21-55 3 15 Krehké60 40 40 50 Krehké5-20 | 85 - 68-55 - 20 Krehké75 70 74 100 Krehké- |
3. Význam vlastností kovov.
Mechanické vlastnosti. Prvou požiadavkou na akýkoľvek výrobok je dostatočná pevnosť.
Kovy majú v porovnaní s inými materiálmi vyššiu pevnosť, preto sú zaťažované časti strojov, mechanizmov a konštrukcií zvyčajne vyrobené z kovov.
Mnohé výrobky musia mať okrem všeobecnej pevnosti aj špeciálne vlastnosti charakteristické pre prevádzku tohto výrobku. Napríklad rezné nástroje musia mať vysokú tvrdosť. Nástrojové ocele a zliatiny sa používajú na výrobu iných rezných nástrojov.
Na výrobu pružín a pružín sa používajú špeciálne ocele a zliatiny s vysokou elasticitou
Viskózne kovy sa používajú v prípadoch, keď sú časti počas prevádzky vystavené rázovému zaťaženiu.
Plasticita kovov umožňuje ich spracovanie tlakom (kovanie, valcovanie).
Fyzikálne vlastnosti. Pri konštrukcii lietadiel, automobilov a kočiarov je často najdôležitejšou charakteristikou hmotnosť dielov, preto sú tu hliník a najmä zliatiny horčíka nenahraditeľné. Špecifická pevnosť (pomer pevnosti v ťahu k špecifickej hmotnosti) pre niektoré zliatiny, napríklad hliník, je vyššia ako pre mäkkú oceľ.
Taviteľnosť používa sa na výrobu odliatkov liatím roztaveného kovu do foriem. Nízkotaviteľné kovy (napríklad olovo) sa používajú ako kaliace médium pre oceľ. Niektoré zložité zliatiny majú takú nízku teplotu topenia, že sa topia v horúcej vode. Takéto zliatiny sa používajú na odlievanie typografických matríc a v zariadeniach používaných na ochranu pred požiarmi.
Kovy s vysokým elektrická vodivosť(meď, hliník) sa používajú v elektrotechnike, na stavbu elektrických vedení a zliatiny s vysokým elektrickým odporom sa používajú na žiarovky a elektrické vykurovacie zariadenia.
Magnetické vlastnosti kovy hrajú primárnu úlohu v elektrotechnike (dynamá, motory, transformátory), pre komunikačné zariadenia (telefónne a telegrafné zariadenia) a používajú sa v mnohých ďalších typoch strojov a zariadení.
Tepelná vodivosť kovy umožňuje vytvárať ich fyzikálne vlastnosti. Tepelná vodivosť sa využíva aj pri spájkovaní a zváraní kovov.
Niektoré kovové zliatiny majú koeficient lineárnej expanzie, blízko nule; Takéto zliatiny sa používajú na výrobu presných prístrojov a rádiových trubíc. Pri konštrukcii dlhých konštrukcií, ako sú mosty, sa musí brať do úvahy rozťažnosť kovov. Malo by sa tiež vziať do úvahy, že dve časti vyrobené z kovov s rôznymi koeficientmi rozťažnosti a navzájom spojené sa môžu pri zahrievaní ohnúť a dokonca zlomiť.
Chemické vlastnosti. Odolnosť proti korózii je dôležitá najmä pre produkty pracujúce vo vysoko oxidačnom prostredí (mriežky, časti chemických strojov a nástrojov). Na dosiahnutie vysokej odolnosti proti korózii sa vyrábajú špeciálne nerezové, kyselinovzdorné a žiaruvzdorné ocele a používajú sa aj ochranné nátery.
