Металлы

Положение в ПС
Деление всех химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева на металлы и неметаллы является условным. Если в ПС провести диагональ через бор и астат, то в главных подгруппах справа от диагонали, будут неметаллы, а в главных подгруппах слева от диагонали, побочных подгруппах и в восьмой группе (кроме инертных газов) — металлы.
Элементы рядом с разделительной линией являются металлоидами, т.е. веществами с промежуточными свойствами (металлов и неметаллов). К ним относятся: бор В, кремний Si, германий Gе, мышьяк Аs, сурьма Sb, теллур Те, полоний Ро.
В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе, различают переходные (элементы побочных подгрупп) и непереходные металлы (элементы главных подгрупп).
Металлы главных подгрупп характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение электронных s- и р-подуровней.
В атомах металлов побочных подгрупп происходит достраивание d- и f-подуровней.

Изменение свойств элементов-металлов
Сравните восстановительную способность металлов, принадлежащих к одному периоду, одной подгруппе
Прочность связи валентных электронов с ядром зависит от:
Величины заряда ядра
Радиуса атома
Радиус атома уменьшается, заряд увеличивается, восстановительные свойства Ме уменьшаются
период
Г
Р
У
П
П
А
Радиус атома увеличивается, заряд ядра увеличивается, восстановительные свойства Ме увеличиваются
1 2 3 4 5 6 7

Изменение свойств атомов металлов побочных подгрупп
С увеличением порядкового номера элемента радиус атома изменяется мало
Величина заряда изменяется значительно
Прочность связи валентных электронов с ядром усиливаются
Восстановительные свойства ослабевают

ОТКРЫТИЕ МЕТАЛЛОВ
Было открыто затем и железо и золото с медью,
Веское также еще серебро и свинцовая сила,
После того, как огонь истребил, охвативши пожаром,
Лес на высоких горах... недра земли распалялись,
И, в углубленья ее собираясь, по жилам кипящим
Золото, медь, серебро потекли раскаленным потоком
Вместе с ручьями свинца. А когда на земле появились
Слитки застывшие их, отливавшие ярко, то люди
Начали их поднимать, плененные глянцем блестящим,
И замечали притом, что из них соответствует каждый
В точности впадине той, которая их заключала.
Тит Лукреций Кар

Это внушило ту мысль, что, расплавив, металлы возможно
В форму любую отлить и любую придать им фигуру;
И до любой остроты, и до тонкости также возможно
Лезвий края довести, постепенно сжимая их ковкой,
Чтобы оружье иметь и орудья для рубки деревьев,
Чтобы обтесывать лес и выстругивать гладкие брусья,
Чтобы буравить, долбить и просверливать в дереве дыры.
Это они серебром или золотом делать пытались
Так же сначала, как силой могучей и мощною меди.
Тщетно: слабей была стойкость у этих металлов, и с медью
Вровень они не могли выдерживать грубой работы.
Ценной была тогда медь, а золото было в пpезреньи,
Как бесполезная вещь с лезвеё, от удара тупевшим.

Ныне в презрении медь, а золото в высшем почете.
Так обращенье времен изменяет значенье предметов:
Что было раньше в цене, то лишается вовсе почета,
Следом другое растет, выходя из ничтожества к блеску...
Далее, как естество железа было открыто
Это и сам без труда ты понять в состоянии, Меммий.
Древним оружьем людей были руки, ногти и зубы,
Камни, а также лесных деревьев обломки и сучья,
Пламя, затем и огонь, как только узнали их люди.
Силы железа потом и меди были открыты,
Но применение меди скорей, чем железа, узнали:
Легче ее обработка, а также количество больше.
Медью и почву земли бороздили, и медью волненье
Войн поднимали, и медь наносила глубокие раны;
Ею и скот и поля отнимали: легко человекам,
Вооруженным в бою, безоружное все уступало.
Мало-помалу затем одолели мечи из железа,
Вид же из меди серпа становился предметом насмешек;
Стали железом потом и земли обрабатывать почву
И одинаковым все оружием в битвах сражаться.

МЕТАЛЛЫ — это вещества, обладающие высокой электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском.
Эти характерные свойства металла обусловлены наличием свободно перемещающихся электронов в его кристаллической решетке.
Из известных в настоящее время 118 химических элементов 96 относятся к металлам.

Кристаллические решетки
Гранецентрированная, объемноцентрированная,
кубическая
Гексагональная

Физические свойства
Металлический блеск,
Твердость,
Пластичность,
Ковкость
Тепло- и электропроводимость
Теплопроводность и
электропроводность уменьшается в ряду металлов:
Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg
Для всех металлов характерна металлическая кристаллическая решетка: в ее узлах находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны. Наличие последних объясняет высокую электропроводность и теплопроводность, а также способность поддаваться механической обработке.

Fe
Cr
Mn
ρ<5г/см3
ρ>5г/см3
Cu
Металлическая связь:
Делокализована, связывает множество атомных ядер
Не обладает направленностью, насыщаемостью
Валентные электроны свободные, перемещаются по всему куску металла

По электропроводности
С высокой электропроводностью
С низкой электропроводностью
Серебро, медь, золото, алюминий
Марганец, свинец, ртуть, вольфрам
Металлический блеск – результат отражения световых лучей
В порошке теряют блеск, приобретая серую или черную окраску
Алюминий и магний сохраняют блеск и в порошке
Алюминий, серебро, палладий – высокая отражательная способность – зеркала, прожекторы

По цвету
Имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления и относительно высокую твердость
Черные металлы
Имеют характерную окраску: красную, желтую, белую; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления
Цветные металлы

По плотности
Легкие
(плотность не более 5 г/см3 )
Тяжелые
(плотность
более 5 г/см3 )
Щелочные металлы:
литий, натрий, калий и другие - магний, кальций, цезий, алюминий, барий
Самый легкий металл — литий,
плотность 0,534 г/см3
Цинк, медь, железо, олово, свинец, серебро, золото, ртуть и др.
Самый тяжелый металл — осмий, плотность 22,5 г/см3

По твердости
Мягкие:
режутся даже ножом
(натрий, калий, индий)
Твердые:
металлы сравниваются по твердости с алмазом, твердость которого равна 10.
Хром — самый твердый металл, режет стекло

По температуре плавления
Легкоплавкие
(температура плавления
до 1539°С)
Тугоплавкие
(температура плавления
выше 1539°С)
Ртуть — tпл.=—38,9°С;
Галлий tпл.=+29,78°С;
Цезий — tпл.=+28,5°С;
и другие металлы
Хром — tпл.=1890°С;
Молибден — tпл.=2620°С;
Ванадий — tпл.=1900°С;
Тантал — tпл.=3015°С; и многие другие металлы
Самый тугоплавкий металл вольфрам — tпл.=3420°С

Причины различных физических свойств
Разные типы кристаллических решеток
Полиморфизм (аллотропия) у некоторых металлов
Разное число валентных электронов (1 или 2) образуют металлическую связь
Разные радиусы атомов (ионов) металлов
Атомы металлов побочных подгрупп образуют металлическую и ковалентную связи (d-e)
Сплавы обладают другими свойствами, чем составляющие их чистые металлы
Дюралюминий – сплав Al, Cu, Mg, Ni, Mn
Малая плотность (Al, Mg), коррозионная стойкость (Ni, Al), твердость (Mn)
Мельхиор – сплав Cu и Ni
По внешнему виду похож на серебро, но значительно дешевле его

Нахождение металлов в природе
Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее:
алюминия — 8,2%
железа — 4,1%
кальция — 4,1%
натрия — 2,3%
магния — 2,3%
калия - 2,1 %
титана — 0,56%
Большое количество натрия и магния содержится в морской воде:
Na — 1,05%,
Mg — 0,12%.

Нахождение металлов в природе
— в самородном состоянии: серебро , золото , платина , медь , иногда ртуть
— в виде оксидов: магнетит Fe3O4, гематит Fe2О3 и др.
— в виде смешанных оксидов: каолин Аl2O3 • 2SiO2 • 2Н2О, алунит (Na,K)2O • Аl2О3 • 2SiO2 и др.
— различных солей:
сульфидов: галенит PbS, киноварь НgS,
хлоридов: сильвин КСl, галит NaCl, сильвинит КСl• NаСl, карналлит КСl • МgСl2 • 6Н2О,
сульфатов: барит ВаSO4, ангидрид СаSО4
фосфатов: апатит Са3(РО4)2,
карбонатов: мел, мрамор СаСО3, магнезит МgСО3.
Многие металлы часто сопутствуют основным природным минералам: скандий входит в состав оловянных, вольфрамовых руд, кадмий — в качестве примеси в цинковые руды, ниобий и тантал — в оловянные.
Железным рудам всегда сопутствуют марганец, никель, кобальт, молибден, титан, германий, ванадий.

Способы получения металлов
Восстановление:
— из их оксидов углем или оксидом углерода (II) ZnО + С = Zn + СО Fе2О3 + ЗСО = 2Fе + ЗСО2
— водородом
WO3 + 3H2 =W + 3H2O
СоО + Н2 = Со + Н2О
— алюминотермия, кальцийтермия, магнийтермия 4Аl + ЗМnО2 = 2А12О3 + ЗМn

Способы получения металлов
Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов (например, углем)
2ZnS + ЗО2 = 2ZnО + 2SО2
ZnО + С = СО + Zn
Пирометаллургия-методы переработки руд, основанные на химических реакциях, происходящих при высоких температурах (греч. «пирос» - огонь)

Способы получения металлов
Электролизом расплавов солей
СuСl2 ? Сu2++ 2Сl-
Катод (восстановление):
Сu2+ 2е- = Сu0
Анод (окисление):
2Cl- - 2е- = Сl°2
Электрометаллургия – методы получения металлов, основанные на электролизе, т.е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений с помощью постоянного электрического тока

Гидрометаллургия
Методы получения металлов, основанные на химических реакциях, происходящих в растворах
1 стадия – перевод нерастворимых руд металлов в растворы (например, + H2SO4)
2 стадия – восстановление из растворов с помощью другого металла
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
2 Al + 3 ZnSO4 = Al2(SO4)3 + 3 Zn

Химические свойства металлов
В химическом отношении все металлы характеризуются сравнительной легкостью отдачи валентных электронов и способностью образовывать положительно заряженные ионы. Следовательно, металлы в свободном состоянии являются восстановителями
Me0 – ne → Men+

Химические свойства металлов
Восстановительная способность различных металлов неодинакова и определяется положением в электрохимическом ряду напряжения металлов Бекетова:
Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au
Металлы размещены в порядке убывания их восстановительных свойств и усиления окислительных свойств их ионов. Этот ряд характеризует химическую активность металлов только в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в водной среде.
В периодах – с ↑ № активность Ме ↓
В главных подгруппах - с ↑ № активность Ме ↑
В побочных подгруппах – чаще всего с ↑ № активность Ме ↓

Химические свойства металлов

Химические свойства металлов
ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К ОКИСЛИТЕЛЯМ - ПРОСТЫМ ВЕЩЕСТВАМ
Восстановление неметаллов
Реакции с галогенами и кислородом воздуха протекают с различными скоростями и при различных температурах с разными металлами.
Щелочные металлы легко окисляются кислородом воздуха и взаимодействуют с простыми веществами, железо и медь взаимодействуют с простыми веществами только при нагревании, золото и платиновые металлы не окисляются вообще.
Многие металлы образуют на поверхности оксидную пленку, которая защищает их от дальнейшего окисления.
2Мg + О2 = 2МgО
4Аl + ЗО2 = 2А12О3
2К + Сl2 = 2КСl

Химические свойства металлов
Менее энергично металлы взаимодействуют с серой:
Сu + S = СuS
Fе + S = FеS
Трудно вступают в реакцию с азотом и фосфором:
ЗМg + N2 = Мg3N2 (нитрид магния)
ЗСа + 2Р = Са3Р2 (фосфид кальция)
Активные металлы взаимодействуют с водородом:
Са + Н2 = СаН2 (гидрид кальция)

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К ОКИСЛИТЕЛЯМ - СЛОЖНЫМ ВЕЩЕСТВАМ
ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К ВОДЕ
а) активные металлы интенсивно взаимодействуют с водой, вытесняя при этом водород:
2K + 2H2O = 2KOH + H2
Аналогичная реакция с Mg протекает при нагревании:
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2 ,
исключения составляют: - Be, Al и Sc, поверхность которых покрыта прочными оксидными пленками, нерастворимыми в воде; Mg, образующийся гидроксид которого - Mg(OH)2, малорастворим;
б) металлы средней активности при стандартных условиях с водой практически не реагируют, т.к. они или покрыты оксидными пленками, или образуют труднорастворимые гидроксиды (Cr, Ni, Zn) на поверхности металлов. Данные металлы могут разлагать воду при достаточно высоких температурах (до 1000 °С):
2Ni + 6H2O = 2Ni(OH)3 + 3H2
2Ni(OH)3 = Ni2O3 + 3H2O
суммарное уравнение: 2Ni + 3H2O = Ni2O3 + 3H2
При сильном нагревании Ti, Zr, Hf взаимодействуют с водой следующим образом:
3Zr + 2H2O → ZrO2 + 2ZrH2 ;
в) малоактивные металлы с водой при обычных условиях не взаимодействуют, поскольку величина их стандартного электродного потенциала значительно больше потенциала окислителя (-0,41 В) и термодинамически данная реакция невозможна.

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К ВОДНЫМ РАСТВОРАМ ЩЕЛОЧЕЙ
Zn + 2H2O + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4] + H2
1) взаимодействие металла с водой:
Zn + 2H2O = Zn(OH)2 + H2 ;
2) растворение образующегося амфотерного гидроксида в избытке щелочи с образованием гидроксокомплекса:
Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4]

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ
По окислительной активности кислоты условно делят на 2 группы:
1) кислоты - слабые окислители (HF, HCl, HBr, HI, H2S, H2CO3, H3PO4, H2SO3, CH3COOH и др.). В растворах этих кислот окислителем является ион водорода (H+).
2) кислоты - сильные окислители (HNO3, H2SO4, H2SeO4, HClO4, HMnO4 и др. Окислителями в растворах этих кислот являются кислородсодержащие анионы HSO4-, SO42-, NO3-, ClO4- и т.д.

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ - СЛАБЫМ ОКИСЛИТЕЛЯМ
металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Mn + H2SO3 = MnSO3 + H2
Pb + 2CH3COOH = Pb(CH3COO)2 + H2

Некоторые малоактивные металлы
Медь не взаимодействует с разбавленной соляной кислотой, но образует комплекс с концентрированной кислотой
2Cu + 4HCl = 2H[CuCl2] + H2

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ - СИЛЬНЫМ ОКИСЛИТЕЛЯМ
а) Отношение металлов к концентрированной H2SO4 .
Окислителем в концентрированных растворах H2SO4 является S в ионах HSO4-, SO42-. В зависимости от активности металла он может восстанавливаться до H2S, S или до SO2

4Mg + 5 H2SO4(к) = 4MgSO4 + H2S + 4H2O
3Zn + 4 H2SO4(к) = 3ZnSO4 + S + 4H2O
Cu + 2 H2SO4(к) = CuSO4 + SO2 + 2H2O
Pb + 3 H2SO4(к) = H2[Pb(SO4)2] + SO2 + 2H2O
или Pb(HSO4)2
В концентрированных растворах H2SO4 пассивируются на холоду Al, Cr, Fe, Co, Ni, Ti, Zr, Hf, Mo, W и др.
Не взаимодействуют с H2SO4 : Pt, Au, Ru, Rh, Ir, и др.

Отношение металлов к разбавленной HNO3
Окислителем в растворах HNO3 является нитрат-ион: NO3-.
Пассивация - торможение (или полное прекращение) химического процесса за счет продуктов взаимодействия (образование труднорастворимых оксидных, гидроксидных, солевых и иных пленок на поверхности металла).
Пассивируются в разбавленных растворах HNO3 (на холоду) Al, Mo, W и др.
Не взаимодействуют: Pt, Au, Ru, Rh, Ir.

Разбавленная кислота
4Ca + 10HNO3 = 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
5Ni + 12HNO3 = 5Ni(NO3)2 + N2 + 6H2O
3Ag + 4HNO3 = 3AgNO3 + NO + H2O

Отношение металлов к концентрированной HNO3
Ba + 4 HNO3 (к) = Ba(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Hg + 4 HNO3 (к) = Hg(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Пассивируются в концентрированных растворах HNO3 (на холоду) Be, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Ti, Zr, Hf, Pb, Bi но при нагревании ряд металлов начинает активно взаимодействовать с HNO3.
Не взаимодействуют: Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Nb, Ta.

Ряд элементов, имеющих высокие (+4 и более) степени окисления
Sn + 4HNO3(к) = H2SnO3 + 4NO2 + H2O
2Sb + 10HNO3 (к) = Sb2O5 + 10NO2 + 5 H2O
Os + 8HNO3 (к) = OsO4 + 8NO2 + 4 H2O
3Re + 7HNO3 (к) = 3HReO4 + 7NO2 + 2 H2O

Отношение металлов к смесям кислот
HNO3 + 3HCl (“царская водка”)
Au + HNO3 + 4HCl = H[AuCl4] + NO2 + 2H2O
Вместо HCl при растворении ряда металлов (Ti, Zr, Nb, Pt и др.) предпочтительнее использовать HF (плавиковая кислота):
3Э + 4 HNO3 + 18HF = 3H2[ЭF4] + 4NO2+ 8H2O
Э = Ti, Zr, Hf, Pt, Pd, Ru.
3Э + 5 HNO3 + 21HF = 3H2[ЭF6] + 5NO2 + 10H2O
Э = V, Nb, Ta.

Биологическая роль металлов и их токсическое действие

Упражнения
Сравните взаимодействие, сделайте выводы об их восстановительной способности, напишите возможные уравнения реакций:
Na, Li, Cu, Ag с кислородом
Na, Mg, Fe, Ag с водой
Mg, Zn, Fe, Cu с соляной кислотой (уксусной кислотой)
Al, Zn, Mg с раствором гидроксида натрия, докажите выделение газа водорода
Аl c хлоридом меди (II), Fe с сульфатом алюминия, Pb с нитратом серебра

Взаимодействие с органическими веществами
Составьте уравнения реакций:
взаимодействия Na и К с этанолом, этиленгликолем, фенолом. Какая из реакций будет идти быстрее?
Хлорметана и 1,4-дихлорбутана с Na (реакция Вюрца)
1,2-бромэтана с Mg
2,3-дибромэтана с Zn