Химични свойства на простите метали. Общи физични и химични свойства на металите

Металите са активни редуциращи агенти с положителна степен на окисление. Поради химичните си свойства металите намират широко приложение в промишлеността, металургията, медицината и строителството.

Метална дейност

В реакциите металните атоми даряват валентни електрони и се окисляват. Колкото повече енергийни нива и по-малко електрони има металният атом, толкова по-лесно е за него да дарява електрони и да влиза в реакции. Следователно металните свойства се увеличават отгоре надолу и отдясно наляво в периодичната таблица.

Ориз. 1. Промяна в металните свойства в периодичната таблица.

Активността на простите вещества е показана в електрохимичния ред от метални напрежения. Вляво от водорода са активни метали (активността се увеличава към левия ръб), вдясно - неактивни.

Най-активни са алкалните метали, които са в група I на периодичната таблица и са вляво от водорода в електрохимичния ред на напреженията. Те реагират с много вещества вече при стайна температура. Следват алкалоземните метали, които са включени във II група. Те реагират с повечето вещества при нагряване. Металите, които са в електрохимичния ред от алуминий до водород (средна активност), изискват допълнителни условия за влизане в реакции.

Ориз. 2. Електрохимичен ред на напреженията на металите.

Някои метали проявяват амфотерни свойства или двойственост. Металите, техните оксиди и хидроксиди реагират с киселини и основи. Повечето метали реагират само с определени киселини, за да заменят водорода и да образуват сол. Най-изразените двойни свойства показват:

• алуминий;
• водя;
• цинк;
• желязо;
• медни;
• берилий;
• хром.

Всеки метал е способен да измести друг метал вдясно от него в електрохимичния ред от соли. Металите вляво от водорода го изместват от разредените киселини.

Имоти

Характеристиките на взаимодействието на метали с различни вещества са представени в таблицата на химичните свойства на металите.

Металите взаимодействат един с друг и образуват интерметални съединения - 3Cu + Au → Cu 3 Au, 2Na + Sb → Na 2 Sb.

Приложение

Общите химични свойства на металите се използват за създаване на сплави, детергенти и се използват в каталитични реакции. Металите присъстват в батериите, електрониката и носещите конструкции.

Основните области на приложение са посочени в таблицата.

Ориз. 3. Бисмут.

Какво научихме?

От урока по химия в 9. клас научихме за основните химични свойства на металите. Способността за взаимодействие с прости и сложни вещества определя активността на металите. Колкото по-активен е металът, толкова по-лесно реагира при нормални условия. Активните метали реагират с халогени, неметали, вода, киселини, соли. Амфотерните метали взаимодействат с основи. Неактивните метали не реагират с вода, халогени и повечето неметали. Накратко прегледани областите на приложение. Металите се използват в медицината, промишлеността, металургията и електрониката.

Тематична викторина

Доклад за оценка

Среден рейтинг: 4.4. Общо получени оценки: 89.

Първият материал, който хората се научиха да използват за своите нужди, е камъкът. По-късно обаче, когато човек осъзнава свойствата на металите, камъкът се премества далеч назад. Именно тези вещества и техните сплави се превърнаха в най-важния и основен материал в ръцете на хората. От тях са изработени предмети за бита, оръдия на труда, построени са помещения. Ето защо в тази статия ще разгледаме какви са металите, общите характеристики, свойства и употреба на които са толкова актуални и до днес. Всъщност буквално веднага след каменната ера последва цяла плеяда метални: мед, бронз и желязо.

Метали: обща характеристика

Какво обединява всички представители на тези прости вещества? Разбира се, това е структурата на тяхната кристална решетка, видовете химични връзки и особеностите на електронната структура на атома. В крайна сметка, оттук и характерните физически свойства, които са в основата на използването на тези материали от хората.

На първо място, разгледайте металите като химически елементи на периодичната система. В него те са разположени доста свободно, заемайки 95 клетки от известни днес 115. Има няколко особености на тяхното местоположение в общата система:

• Те образуват основните подгрупи от групи I и II, както и III, като се започне от алуминия.
• Всички странични подгрупи се състоят само от метали.
• Те се намират под условния диагонал от бор до астат.

Въз основа на такива данни е лесно да се види, че в горната дясна част на системата са събрани неметали, а останалата част от пространството принадлежи на елементите, които разглеждаме.

Всички те имат няколко характеристики на електронната структура на атома:

Общите характеристики на метали и неметали позволяват да се идентифицират модели в тяхната структура. И така, кристалната решетка на първата е метална, специална. Неговите възли съдържат няколко вида частици наведнъж:

• йони;
• атоми;
• електрони.

Вътре се натрупва общ облак, наречен електронен газ, което обяснява всички физични свойства на тези вещества. Видът на химичната връзка в металите е от едно и също име с тях.

Физически свойства

Има редица параметри, които обединяват всички метали. Техните общи характеристики по отношение на физичните свойства са както следва.

Изброените параметри са общите характеристики на металите, тоест всичко, което ги обединява в едно голямо семейство. Трябва обаче да се разбере, че има изключения от всяко правило. Освен това има твърде много елементи от този вид. Следователно в рамките на самото семейство също има разделения на различни групи, които ще разгледаме по-долу и за които ще посочим характерните особености.

Химични свойства

От гледна точка на науката химия всички метали са редуциращи агенти. И много силно. Колкото по-малко електрони във външното ниво и по-голям е атомният радиус, толкова по-здрав е металът според посочения параметър.

В резултат на това металите могат да реагират с:

Това е само общ преглед на химичните свойства. В крайна сметка, за всяка група елементи те са чисто индивидуални.

алкалоземни метали

Общите характеристики на алкалоземните метали са както следва:

По този начин алкалоземните метали са често срещани елементи от s-семейството, проявяващи висока химическа активност и са силни редуциращи агенти и важни участници в биологичните процеси в организма.

алкални метали

Общата характеристика започва с името им. Те го получиха за способността да се разтваря във вода, образувайки алкали - каустични хидроксиди. Реакциите с вода са много бурни, понякога запалими. Тези вещества не се срещат в свободна форма в природата, тъй като тяхната химическа активност е твърде висока. Те реагират с въздух, водна пара, неметали, киселини, оксиди и соли, тоест с почти всичко.

Това се дължи на тяхната електронна структура. На външното ниво има само един електрон, който те лесно раздават. Това са най-силните редуциращи агенти, поради което отне доста време за получаването им в чист вид. Това е направено за първи път от Хъмфри Дейви още през 18 век чрез електролиза на натриев хидроксид. Сега всички представители на тази група се добиват по този метод.

Общата характеристика на алкалните метали е също, че те съставляват първата група от основната подгрупа на периодичната система. Всички те са важни елементи, които образуват много ценни природни съединения, използвани от човека.

Обща характеристика на металите от d- и f-семейства

Тази група елементи включва всички онези, чието окислително състояние може да варира. Това означава, че в зависимост от условията металът може да действа както като окислител, така и като редуциращ агент. Такива елементи имат голяма способност да влизат в реакции. Сред тях има голям брой амфотерни вещества.

Общото име за всички тези атоми е преходни елементи. Те го получиха поради факта, че по своите свойства те наистина стоят сякаш по средата между типичните метали от s-семейството и неметалите от семейството p.

Общата характеристика на преходните метали предполага обозначаването на техните сходни свойства. Те са следните:

• голям брой електрони във външното ниво;
• голям атомен радиус;
• няколко степени на окисление (от +3 до +7);
• са на d- или f-подниво;
• образуват 4-6 големи периода на системата.

Като прости вещества, металите от тази група са много здрави, пластични и ковки, поради което имат голямо индустриално значение.

Странични подгрупи на периодичната система

Общите характеристики на металите от вторичните подгрупи напълно съвпадат с тези на преходните. И това не е изненадващо, защото всъщност това е абсолютно едно и също нещо. Просто страничните подгрупи на системата се формират именно от представители на d- и f-семействата, тоест преходни метали. Следователно можем да кажем, че тези понятия са синоними.

Най-активните и важни от тях са първият ред от 10 представители от скандий до цинк. Всички те имат голямо индустриално значение и често се използват от човека, особено за топене.

Сплави

Общите характеристики на металите и сплавите позволяват да се разбере къде и как е възможно да се използват тези вещества. Такива съединения са претърпели големи трансформации през последните десетилетия, тъй като все повече и повече нови добавки се откриват и синтезират за подобряване на тяхното качество.

Най-известните сплави днес са:

• месинг;
• дуралуминий;
• излято желязо;
• стомана;
• бронз;
• ще спечели;
• нихром и др.

Какво е сплав? Това е смес от метали, получена чрез топене на последните в специални пещни устройства. Това се прави, за да се получи продукт, който превъзхожда по свойства чистите вещества, които го образуват.

Сравнение на свойствата на метали и неметали

Ако говорим за общи свойства, тогава характеристиките на металите и неметалите ще се различават в една много важна точка: за последните подобни характеристики не могат да бъдат разграничени, тъй като те се различават значително по своите проявени свойства, както физически, така и химически.

Следователно е невъзможно да се създаде такава характеристика за неметали. Възможно е само отделно да се разгледат представителите на всяка група и да се опишат техните свойства.

Ако начертаем диагонал от берилий до астат в периодичната таблица на елементите на Д. И. Менделеев, тогава ще има метални елементи на диагонала в долния ляв ъгъл (те също включват елементи от вторични подгрупи, подчертани в синьо) и отгоре вдясно - неметални елементи (маркирани в жълто). Елементите, разположени близо до диагонала - полуметали или металоиди (B, Si, Ge, Sb и др.) имат двоен характер (маркирани в розово).

Както се вижда от фигурата, по-голямата част от елементите са метали.

По своята химическа природа металите са химични елементи, чиито атоми даряват електрони от външните или предвъншните енергийни нива, като по този начин образуват положително заредени йони.

Почти всички метали имат относително големи радиуси и малък брой електрони (от 1 до 3) на външно енергийно ниво. Металите се характеризират с ниски стойности на електроотрицателност и редуциращи свойства.

Най-типичните метали са разположени в началото на периодите (започвайки от втория), по-нататък отляво надясно, металните свойства отслабват. В група отгоре надолу металните свойства се засилват, тъй като радиусът на атомите се увеличава (поради увеличаване на броя на енергийните нива). Това води до намаляване на електроотрицателността (способността за привличане на електрони) на елементите и увеличаване на редукционните свойства (способността да се даряват електрони на други атоми при химични реакции).

типиченметалите са s-елементи (елементи от IA групата от Li до Fr. елементи от PA групата от Mg до Ra). Общата електронна формула на техните атоми е ns 1-2. Те се характеризират със степен на окисление + I и + II, съответно.

Малкият брой електрони (1-2) във външното енергийно ниво на типичните метални атоми предполага лесна загуба на тези електрони и проява на силни редукционни свойства, които отразяват ниските стойности на електроотрицателност. Това предполага ограничените химични свойства и методи за получаване на типични метали.

Характерна особеност на типичните метали е тенденцията на техните атоми да образуват катиони и йонни химични връзки с неметални атоми. Съединенията на типичните метали с неметали са йонни кристали "метален катион анион на неметал", например K + Br -, Ca 2+ O 2-. Типичните метални катиони също са включени в съединения със сложни аниони - хидроксиди и соли, например Mg 2+ (OH -) 2, (Li +) 2CO 3 2-.

Металите от А-групата, образуващи амфотерния диагонал в периодичната таблица Be-Al-Ge-Sb-Po, както и металите в съседство с тях (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) не проявяват типично метални свойства . Общата електронна формула на техните атоми ns 2 np 0-4 предполага по-голямо разнообразие от състояния на окисление, по-голяма способност да задържат собствените си електрони, постепенно намаляване на тяхната редукционна способност и поява на окислителна способност, особено при високи окислителни състояния (типични примери са съединения Tl III, Pb IV, Bi v ). Подобно химично поведение е характерно и за повечето (d-елементи, т.е. елементи от B-групите на периодичната таблица (типични примери са амфотерните елементи Cr и Zn).

Това проявление на двойствени (амфотерни) свойства, както метални (основни), така и неметални, се дължи на естеството на химичната връзка. В твърдо състояние съединенията на атипични метали с неметали съдържат предимно ковалентни връзки (но по-малко силни от връзките между неметали). В разтвор тези връзки лесно се разрушават и съединенията се дисоциират на йони (напълно или частично). Например металният галий се състои от молекули Ga 2, в твърдо състояние алуминий и живачен (II) хлориди AlCl 3 и HgCl 2 съдържат силно ковалентни връзки, но в разтвор AlCl 3 се дисоциира почти напълно, а HgCl 2 - до много малко степен (и дори тогава в HgCl + и Cl - йони).

Общи физични свойства на металите

Поради наличието на свободни електрони ("електронен газ") в кристалната решетка, всички метали проявяват следните характерни общи свойства:

1) Пластмасов- способността лесно да променя формата си, да се разтяга в тел, да се навива на тънки листове.

2) метален блясъки непрозрачност. Това се дължи на взаимодействието на свободни електрони със светлина, падаща върху метала.

3) Електропроводимост. Обяснява се с насоченото движение на свободните електрони от отрицателния към положителния полюс под въздействието на малка потенциална разлика. При нагряване електрическата проводимост намалява, т.к. с повишаване на температурата се увеличават вибрациите на атоми и йони във възлите на кристалната решетка, което затруднява насоченото движение на „електронния газ“.

4) Топлопроводимост.Това се дължи на високата подвижност на свободните електрони, поради което температурата бързо се изравнява с масата на метала. Най-висока топлопроводимост е в бисмута и живака.

5) Твърдост.Най-твърдият е хромът (реже стъкло); най-меките - алкалните метали - калий, натрий, рубидий и цезий - се режат с нож.

6) Плътност.То е толкова по-малко, колкото по-малка е атомната маса на метала и толкова по-голям е радиусът на атома. Най-лекият е литиевият (ρ=0,53 g/cm3); най-тежък е осмият (ρ=22,6 g/cm3). Металите с плътност по-малка от 5 g/cm3 се считат за „леки метали“.

7) Точки на топене и кипене.Най-топимият метал е живакът (т.т. = -39°C), най-огнеупорният метал е волфрамът (t°m. = 3390°C). Метали с t°pl. над 1000°C се считат за огнеупорни, под - ниска точка на топене.

Общи химични свойства на металите

Силни редуциращи агенти: Me 0 – nē → Me n +

Редица напрежения характеризират сравнителната активност на металите в редокс реакции във водни разтвори.

I. Реакции на метали с неметали

1) С кислород:
2Mg + O 2 → 2MgO

2) Със сяра:
Hg + S → HgS

3) С халогени:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2

4) С азот:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2

5) С фосфор:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2

6) С водород (само алкални и алкалоземни метали реагират):
2Li + H 2 → 2LiH

Ca + H 2 → CaH 2

II. Реакции на метали с киселини

1) Металите, стоящи в електрохимичната серия от напрежения до H, редуцират неокисляващите киселини до водород:

Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2

2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2

2) С окислителни киселини:

При взаимодействието на азотна киселина с всякаква концентрация и концентрирана сярна киселина с метали водородът никога не се отделя!

Zn + 2H 2 SO 4 (K) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

4Zn + 5H 2 SO 4(K) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O

3Zn + 4H 2 SO 4(K) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O

2H 2 SO 4 (c) + Cu → Cu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

4HNO 3 (c) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

III. Взаимодействие на метали с вода

1) Активни (алкални и алкалоземни метали) образуват разтворима основа (алкал) и водород:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

2) Металите със средна активност се окисляват от вода при нагряване до оксид:

Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2

3) Неактивни (Au, Ag, Pt) - не реагират.

IV. Изместване с по-активни метали на по-малко активни метали от разтвори на техните соли:

Cu + HgCl 2 → Hg + CuCl 2

Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4

В промишлеността често се използват не чисти метали, а техните смеси - сплавипри което полезните свойства на един метал се допълват от полезните свойства на друг. Така медта има ниска твърдост и е малко полезна за производството на машинни части, докато медните сплави с цинк ( месинг) вече са доста твърди и се използват широко в машиностроенето. Алуминият има висока пластичност и достатъчна лекота (ниска плътност), но е твърде мек. На негова основа се приготвя сплав с магнезий, мед и манган - дуралуминий (дуралуминий), който, без да губи полезните свойства на алуминия, придобива висока твърдост и става подходящ в авиационната индустрия. Сплавите на желязо с въглерод (и добавки от други метали) са широко известни излято желязои стомана.

Металите в свободна форма са редуциращи агенти.Въпреки това, реактивността на някои метали е ниска поради факта, че са покрити с повърхностен оксиден филм, в различна степен устойчиви на действието на такива химически реагенти като вода, разтвори на киселини и основи.

Например, оловото винаги е покрито с оксиден филм; преминаването му в разтвор изисква не само излагане на реагент (например разредена азотна киселина), но и нагряване. Оксидният филм върху алуминия предотвратява реакцията му с вода, но се разрушава под действието на киселини и основи. Разхлабен оксиден филм (ръжда), образуван на повърхността на желязо във влажен въздух, не пречи на по-нататъшното окисление на желязото.

Под влиянието концентриранкиселини се образуват върху метали устойчивиоксиден филм. Това явление се нарича пасивиране. И така, в концентриран сярна киселинапасивирани (и след това не реагират с киселина) такива метали като Be, Bi, Co, Fe, Mg и Nb, а в концентрирана азотна киселина - метали A1, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th и U.

При взаимодействие с окислители в киселинни разтвори повечето метали се превръщат в катиони, чийто заряд се определя от стабилното окислително състояние на даден елемент в съединения (Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ и Fe 3 +)

Редукционната активност на металите в киселинен разтвор се предава от поредица от напрежения. Повечето метали се превръщат в разтвор на солна и разредена сярна киселина, но Cu, Ag и Hg - само сярна (концентрирана) и азотна киселини, а Pt и Au - "царска вода".

Корозия на метали

Нежелано химично свойство на металите е тяхното активно разрушаване (окисляване) при контакт с вода и под въздействието на разтворения в нея кислород. (кислородна корозия).Например, корозията на железните продукти във вода е широко известна, в резултат на което се образува ръжда и продуктите се разпадат на прах.

Корозията на металите протича и във вода поради наличието на разтворени газове CO 2 и SO 2; създава се киселинна среда и H + катиони се изместват от активни метали под формата на водород H 2 ( водородна корозия).

Точката на контакт между два различни метала може да бъде особено корозивна ( контактна корозия).Между един метал, като Fe и друг метал, като Sn или Cu, поставен във вода, се появява галванична двойка. Потокът от електрони преминава от по-активния метал, който е вляво в поредицата от напрежения (Re), към по-малко активния метал (Sn, Cu) и по-активният метал се разрушава (корозира).

Именно поради това калайдисаната повърхност на консервите (калаено желязо) ръждясва, когато се съхраняват във влажна атмосфера и небрежно се боравят (желязото бързо се срутва след появата дори на малка драскотина, което позволява контакт на желязото с влага). Напротив, поцинкованата повърхност на желязната кофа не ръждясва дълго време, защото дори и да има драскотини, не желязото корозира, а цинкът (по-активен метал от желязото).

Устойчивостта на корозия за даден метал се повишава, когато е покрит с по-активен метал или когато те са стопени; например покриването на желязото с хром или направата на сплав на желязо с хром елиминира корозията на желязото. Хромирано желязо и стомана, съдържащи хром ( неръждаема стомана) имат висока устойчивост на корозия.

електрометалургият.е. получаване на метали чрез електролиза на стопилки (за най-активните метали) или солни разтвори;

пирометалургият.е. извличане на метали от руди при висока температура (например производство на желязо в процеса на доменни пещи);

хидрометалургият.е. изолирането на метали от разтвори на техните соли от по-активни метали (например получаване на мед от разтвор на CuSO 4 чрез действието на цинк, желязо или алуминий).

Самородни метали понякога се срещат в природата (типични примери са Ag, Au, Pt, Hg), но по-често металите са под формата на съединения ( метални руди). По разпространение в земната кора металите са различни: от най-разпространените - Al, Na, Ca, Fe, Mg, K, Ti) до най-редките - Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.

Възстановяващи свойства- Това са основните химични свойства, характерни за всички метали. Те се проявяват във взаимодействие с голямо разнообразие от оксиданти, включително оксиданти от околната среда. Най-общо взаимодействието на метал с окислители може да се изрази със схемата:

Аз + окислител" аз(+X),

Където (+X) е положителното окислително състояние на Me.

Примери за окисление на метали.

Fe + O 2 → Fe (+3) 4Fe + 3O 2 \u003d 2 Fe 2 O 3

Ti + I 2 → Ti(+4) Ti + 2I 2 = TiI 4

Zn + H + → Zn(+2) Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2