Характеристика и свойства металлов (химия, 9 класс)

Большинство химических элементов относится к металлам (химия, 9 класс). Под этим материалом подразумеваются простые вещества, наделенные определенным комплексом свойств: кристаллическая структура, блеск, высокая теплопроводность и электропроводимость, а также ее зависимость от нагрева, способность легко отдавать электроны, ковкость, тягучесть, склонность к образованию сплавов.

Оглавление:

• Общая характеристика
• Нахождение в природе и получение
• Химические особенности
• Образование сплавов

Большинство химических элементов относится к металлам (химия, 9 класс). Под этим материалом подразумеваются простые вещества, наделенные определенным комплексом свойств: кристаллическая структура, блеск, высокая теплопроводность и электропроводимость, а также ее зависимость от нагрева, способность легко отдавать электроны, ковкость, тягучесть, склонность к образованию сплавов.

Общая характеристика

В атомах металлов наружные электроны удерживаются довольно слабо (если сравнивать с другими, неметаллическими, элементами). В химических реакциях металлы обычно выступают в качестве восстановителей — это объясняется тем, что они имеют низкую степень ионизации.

Для металлов и их сплавов характерна металлическая связь, то есть та, что возникает за счет перекрытия валентных электронов. Это дает возможность осуществлять взаимные атомные смещения без нарушения кристаллической решетки (это объясняет тот факт, что эти вещества более пластичные по сравнению с неметаллами).

Современная периодическая система насчитывает 118 элементов (правда, часть из них до сих пор не признана), и большая часть из них именно металлы. В свою очередь, они делятся на «подвиды»:

• Щелочные (примером таких выступают натрий Na, калий K, цезий Cs, франций Fr и прочие).
• Щелочноземельные — кальций Ca, стронций Sr, барий Ba.
• Переходные — медь Cu, серебро Ag, золото Au. Эта группа — самая многочисленная, она насчитывает 38 веществ.
• Легкие — алюминий Al, олово Sn, титан Ti.
• Полуметаллы — кремний (Si), бор (B), мышьяк (As), сурьма (Sb).
• Лантаноиды — лантан (La), лютеций (Lu), скандий, иттрий.
• Актиноиды (они до конца не изучены) — торий, плутоний, уран, нептуний.

Примечательно, что такие элементы, как магний и бериллий, нельзя отнести ни к одной из групп — их свойства отличаются от характеристик прочих металлов. Например, при нормальных условиях они устойчивы к воздействию воды и воздуха, потому что имею тончайшую оксидную пленку по всей своей поверхности.

Большинство металлов при нормальных условиях находятся в твердом состоянии. Но бывают исключения: например, ртуть и франций (условно) при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении.

Твердость у всех элементов отлична. Температура плавления колеблется от -39°C (Hg) до 3410 °C (W). В зависимости от плотности они делятся на легкие (Li) и тяжелые (Os, Ir).

Нахождение в природе и получение

Металлы (общая формула записывается как Me) могут присутствовать в природе как самородки. Это характерно для тех, что практически не окисляются на воздухе (пример: платина, золото, серебро, реже — ртуть и медь).

Они могут встречаться в самородном состоянии и как вкрапления в различных минералах. Но вот большие «куски» (самородки) образуют нечасто.

Активные Me в природе находятся в виде солей (нитраты, карбонаты, сульфаты, хлориды), оксидов. Минералы входят в состав руд и горных пород.

В промышленности Me получают восстановлением соответствующих руд. Один из основных методов получения Me — флотация (определенный способ обогащения руд, основанный на способности минералов удерживаться на межфазовой поверхности). В этом случае руду, содержащую необходимые элементы, переводят в определенную (единую) форму: например, в оксид: 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2. Полученные окислы затем восстанавливают. Сделать это возможно несколькими способами:

• Металлотермия — восстановление элемента другим, более активным (с точки зрения химии): Cr2O3 + 2Al → 2Al2O3 + 2Cr; CuO + C → Cu + CO.
• Термическое разложение. Fe (CO)5 (пентакарбонилжелезо)→ Fe + 5CO. Такой способ применяется, если нужно получить высокочистый элемент.
• Электролиз. Используется для получения щелочных металлов: 2NaCL → 2Na + Cl2; 2LiCl → 2Li + Cl2.
• Вытеснение более активным металлом менее активного из раствора соли. CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu.

Железо и его сплавы называют черными металлами, а медь, цинк, олово, свинец и прочие — цветными. Какие у них отличия: первая группа используется в основном для изготовления чугуна и стали, а вторая более универсальна в использовании, меньше подвержены коррозии, и более «податливы» к обработке.

Химические особенности

Все Me в свободном состоянии — восстановители, их степени окисления имеют положительное значение. Химическая активность этих веществ зависит от двух величин: электродного потенциала и энергии ионизации (в таблице Менделеева это значение увеличивается слева направо). Типичные реакции:

• Взаимодействие с хлором и фтором: Cu + Cl2 → CuCl2.
• Окисление кислородом (протекает не слишком энергично): 4Li + O2 → 2Li2O; K + O2 → KO2 (название этого соединения — надпероксид калия).
• С серой протекают только при повышенных температурах: Fe + S → FeS. Золото и платина в подобных реакциях не участвуют.
• Участие водорода приводит к образованию гидридов: Mg + H2 → MgH2; 2Na + H2 → 2NaH.
• С углеродом взаимодействуют только активные металлы. 2Na + 2C → Na2C2 (ацетиленид натрия); Na2C2 + 2H2O → 2NaOH + C2H2 (ацетилен). 4Al + 3C → Al4C3 (метанид алюминия); Al4C3 + 12H2O → 3CH4 (метан) + 4Al (OH)3.
• Реакции замещения с кислотами. В этом случае все будет зависеть от того, какая активность у элемента. Например: Zn + H2SO4 (разб) → ZnSO4 + H2; Zn + H2SO4 (конц) → ZnSO4 + S + H2O.
• Вода будет давать реакцию по такой схеме: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2.
• Возможны реакции с растворами солей: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu.

Кроме того, металлы способны образовывать комплексы. Это происходит за счет наличия свободных электронных орбиталей.

Способность к комплексообразованию зависит от величины заряда и его радиуса: чем выше первый показатель и ниже второй, тем сильнее способность.

Названия таких соединений подчиняются определенной структуре: сначала указывается наименование аниона, а затем — катиона, из которых состоит вещество. Например: [Li (H2O)4]NO3 — нитрат тетрааквалития.

Образование сплавов

Если соединить несколько металлических (металых) компонентов в один, то можно получить материал, способный «перещеголять» по своим свойствам исходные материалы. Согласно определению, сплавы — это однородный продукт, состоящий из нескольких химических элементов с преобладанием металлических ингредиентов. Получают их при смешивании расплавленных Me. Различают такие виды:

• Механические — это смесь мельчайших кристаллов компонентов, входящих в сплав.
• Твердые — в этом случае в узлах кристаллической решетки находятся атомы сплавленных элементов.
• Интерметаллические — материалы, полученные «растворением» элементов друг в друге.

Примечательно, что сплавы бывают не только состоящие исключительно из металлов — в них часто присутствуют и неметаллические вещества. При этом они могут не просто смешиваться механически, но и образовывать атомные соединения. Такие сплавы будут значительно отличаться по своим физическим и химическим свойствам от элементов-исходников. Кроме того, существует возможность заранее задавать свойства, которыми будет обладать полученный материал:

• Чугун — сплав Fe с C, в котором присутствуют легирующие добавки. Используется для изготовления деталей, различных предметов в тяжелой промышленности (машиностроение, автомобилестроительная индустрия и прочие).
• Латунь — медь + цинк. Материал устойчив к коррозии, легко сваривается со сталью. Благодаря своему цвету (золотистый) широко применяется для изготовления фурнитуры, художественных изделий.
• Амальгама — металлическая смесь, содержащая ртуть. Применяется для золочения металлсодержащих изделий, в производстве зеркал, люминесцентных ламп.
• Сталь — смесь железа с углеродом (но второго компонента меньше, чем в чугуне — всего до 1,8%), также с использованием легирующих добавок, в качестве которых используются Ni, P, Si, Mn, и некоторые другие. Используется для изготовления различных инструментов (слесарных, столярных), в строительстве, судоремонтной и авиационной промышленности.
• Мельхиор — медь и никель. Применяется для изготовления посуды, бюджетных ювелирных и художественных изделий.
• Бронза — медь, олово и легирующие добавки. Используется в машиностроении, ракетостроении, авиационной индустрии, для изготовления художественных изделий и прочего.
• Дюралюминий (дюраль) — сплав Al + Cu + Mg + Mn. Используется в авиастроении, производстве скоростных поездов, и прочих отраслях машиностроения.

Современные технологии нуждаются в тысячах «нестандартных» металлических материалов, обладающих определенным свойствами.

Поэтому изучение этих элементов, проведение опытов с различными сплавами, еще долгое время будет являться одним из приоритетных направлений науки и промышленности.