Физические свойства металлов. Общая характеристика металлов
Общая характеристика металлов, физические и химические свойства, металлическая связь.
Наряду с современной классификацией химических элементов существует историческое, традиционное их разделение на металлы (Me) и неметаллы.
Если провести диагональ от элемента бора (порядковый номер 5) до элемента астата (At) (порядковый номер 85), то слева от этой диагонали в ПС все элементы являются металлами, а с права от нее элементы главных подгрупп являются неметаллами. Элементы побочных подгрупп являются металлами. Элементы, расположенные вблизи диагонали (алюминий, титан, германий, сурьма, теллур, мышьяк) обладают двойственными свойствами: В некоторых своих соединениях ведут себя как металлы; в некоторых проявляют свойства неметаллов.
Первая, вторая, третья группы целиком состоят из металлов (кроме водорода и бора), а также побочные подгруппы остальных групп заняты металлами. Руководствуясь делением элементов на семейства можно сказать, что к элементам металлам относятся все S-элементы (кроме Н и Не) ; d- элементы (все элементы побочных подгрупп) и f-элементы (лантаноиды и актиноиды) ЯВЛЯЮТСЯ МЕТАЛЛАМИ.
Среди р-элементов есть Me и неМе, число элементов увеличивается с увеличением номера периода. Металлами являются наиболее тяжелые элементы.
Как видно, наиболее типичные элементы металлы расположены в начале периодов (начиная со второго).Т.О. из 107 элементов -85 являются металлами.
Особенности строения атомов металлов
Особенностью строения атомов металлов является небольшое число электронов на внешнем электронном слое, как правило, не превышающее трех. Они наиболее химически активны, т.е. атомы металлов легко отдают электроны и являются хорошими восстановителями. Лучшие восстановители – металлы главных подгрупп. В соединениях металлы всегда проявляют положительную степень окисления, обычно от+1 до +4.
В соединениях с неметаллами типичные металлы образуют химическую связь ионного характера. В виде простого вещества атомы металлов связаны между собой МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ.
ВОПРОС: Давайте вспомним виды химической связи.
Дайте определение металлической связи?
(элементы атомы которых легко теряют электроны, образуют металлическую связь) Сущность ее в том, что от атомов металлов постоянно отрываются электроны, которые перемещаются по всей массе куска металла.
Атомы металла, лишенные электронов, превращаются в положительные ионы, которые снова притягивают к себе свободно движущиеся электроны. Одновременно другие атомы металла отдают электроны. Т.о., внутри куска металла постоянно циркулирует так называемый « электронный газ», который прочно связывает между собой все атомы металла.
Такой особый тип химической связи между атомами металлов обуславливает как физические, так и химические свойства металлов.
Физические свойства металлов.
– все Me твердые вещества (исключение ртуть)
-характерен металлический блеск и непрозрачность
-все металлы проводники теплоты и электрического тока
-все металлы обладают пластичностью, упругостью, прочностью,
– способны под давлением изменять свою форму, не разрушаясь
В технике металлы принято делить на следующие группы:
– по цвету:
1. Черные металлы – железо и сплавы
2. Цветные металлы – медь, цинк, никель
3. Благородные металлы – золото, платина.
– по плотности:
– по температуре плавления:
1. легкоплавкие
Химические свойства Me
Атомы Me более или менее легко отдают электроны, т.е. окисляются Вопрос: Давайте вспомним, что является окислителем, восстановителем?
Общим присущим исключительно металлам химическим свойством является способность только отдавать электроны, превращаясь в свободные, положительно заряженные ионы по схеме:
Металл ион металла
Металлы характеризуются небольшими величинами энергии ионизации, поэтому Me во всех химических реакциях являются ВОССТАНОВИТЕЛЯМИ, и в соединениях имеют только положительные степени окисления. Восстановительная активность различных Me не одинакова.
В периодах слева направо восстановительная активность Me уменьшается; в главных подгруппах сверху вниз – увеличивается.
Восстановительная активность металлов в хим. реакциях, которые протекают в водных растворах различных веществ, характеризуется положением Me в электрохимическом ряду напряжений металлов.
Li -К – Ва – Sr- Ca-Na-Mg-AI-Mn- Zn-Cr-Fe-Cd- Co-Ni-Sn- Pb- Fe-H-Cu-Hg-Ad-Pt-Au
I_____ Усиление восстановительной способности_____ |
Li + -K + – Ba 2+ – Sr- Ca-Na-Mg-AI-Mn- Zn-Cr-Fe-Cd- Co-Ni-Sn- Pb- Fe-H-Cu-Hg-Ad-Pt-Au
Усиление окислительной способности
Металлы в ряду напряжений расположены по убыванию (ослаблению) их восстановительной способности в растворах или по возрастанию (усилению) окислительной способности их ионов в растворах
Если левее расположен металл в этом ряду, тем большими восстановительными свойствами он обладает, т.е. легче окисляется и переходит в виде катиона в раствор ,но зато труднее восстанавливается из катиона в свободное состояние. Металлический литий -самый сильный восстановитель, а золото – самый слабый.
Ион золота Аи 3+ – самый сильный окислитель, ион Li + – самый слабый
Вопрос: Какой металл – магний или марганец более сильный восстановитель.
На основании ряда напряжений можно сделать некоторые важные заключения о химической активности металлов:
1. Каждый металл вытесняет из солей другие металлы, имеющие большие значения стандартных электродных потенциалов,т.е. являющихся менее сильными восстановителями.
2. Металлы, имеющие стандартный электродный потенциал меньше нуля(т.е. потенциала стандартного водородного электрода), способны вытеснять водород из кислот.
3. Металлы, имеющие очень низкие значения стандартных электродных потенциалов,т.е. являющиеся сильными восстановителями (от лития до натия), в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.
Металлы являются восстановителями и вступают в химические реакции с различными окислителями.
1. Взаимодействие с простыми веществами – неметаллами :
A. с галогенами -образуют соли галогениды
Mg + CI2 = MgCI2 – хлорид магния
Б. с кислородом – образуют оксиды 4Na + 02 = 2Na2
B. С серой – сульфиды
Г. с водородом – гидриды
Д. с углеродом – карбиды
Са + 2С = СаС2 карбид кальция
2. Взаимодействие со сложными веществами.
A. Металлы, находящиеся в начале ряда напряжений (от лития до натрия) при
обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют щелочи
Б. Металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода, взаимодействуют с разбавленными кислотами (соляной кислотой, серной и др.) в результате чего образуются соли и выделяется водород.
B. Металлы взаимодействуют с растворами солей менее активных металлов,
в результате чего образуется соль более активного металла, а менее
активный металл выделяется в свободном виде
Следует обратить внимание на то что, что взаимодействие металлов с кислотами – окислителями (концентрированная серная кислота, концентрированная и разбавленная азотная кислота) при взаимодействии с металлами водород не выделяют Азотная кислота окисляет не только металлы, стоящие до водорода, но и медь, серебро, ртуть.
Малоактивные металлы, например медь, ртуть при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой реагируют по схеме:
Общая характеристика металлов
Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп, выделены синим цветом), а справа вверху – элементы-неметаллы (выделены желтым цветом). Элементы, расположенные вблизи диагонали – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером (выделены розовым цветом).
Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к увеличивается радиус атомов (за счет увеличения числа энергетических уровней). Это приводит к уменьшению электроотрицательности (способности притягивать электроны) элементов и усилению восстановительных свойств (способность отдавать электроны другим атомам в химических реакциях).
Типичными металлами являются s-элементы (элементы IА-группы от Li до Fr. элементы ПА-группы от Мg до Rа). Общая электронная формула их атомов ns 1-2 . Для них характерны степени окисления + I и +II соответственно.
Небольшое число электронов (1-2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.
Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами — это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Вг — , Сa 2+ О 2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами — гидроксидов и солей, например Мg 2+ (OН — )2, (Li + )2СO3 2-.
Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а также примыкающие к ним металлы (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0-4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры — соединения Тl III , Рb IV , Вi v ). Подобное химическое поведение характерно и для большинства (d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры — амфотерные элементы Сr и Zn).
Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga2, в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути (II) АlСl3 и НgСl2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе АlСl3 диссоциирует почти полностью, а НgСl2 — в очень малой степени (да и то на ионы НgСl + и Сl — ).
Общие физические свойства металлов
Благодаря наличию свободных электронов («электронного газа») в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:
1) Пластичность — способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.
2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.
3) Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».
4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.
5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий — литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее 5 г/см3 считаются «легкими металлами».
7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.
Общие химические свойства металлов
Сильные восстановители: Me 0 – nē → Me n +
Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.
I. Реакции металлов с неметаллами
1) С кислородом:
2Mg + O2 → 2MgO
2) С серой:
Hg + S → HgS
3) С галогенами:
Ni + Cl2 – t° → NiCl2
6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H2 → 2LiH
II. Реакции металлов с кислотами
1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
2) С кислотами-окислителями:
При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!
III. Взаимодействие металлов с водой
1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:
2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
3) Неактивные (Au, Ag, Pt) — не реагируют.
IV. Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:
В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси — сплавы, в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем — дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) — это широко известные чугун и сталь.
Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой, в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.
Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.
Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией. Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте — металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.
При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+ )
Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg — только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи — «царской водкой».
Коррозия металлов
Нежелательным химическим свойством металлов является их коррозия, т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.
Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО2 и SО2; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н2 (водородная коррозия).
Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более активный металл разрушается (корродирует).
Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).
Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь), имеют высокую коррозионную стойкость.
Общие способы получения металлов в промышленности:
• электрометаллургия, т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;
• пирометаллургия, т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);
• гидрометаллургия, т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO4 действием цинка, железа или алюминия).
В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры — Аg, Аu, Рt, Нg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных — Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до самых редких — Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.
Общая характеристика металлов, физические и химические свойства, металлическая связь
Из всех известных в настоящее время элементов около 80% относятся к металлам: s-элементы I и II групп, все d- и f- элементы и ряд p-элементов главных подгрупп периодической системы. Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (кроме первого). Главной особенностью элементов-металлов является наличие у них на внешних энергетических уровнях небольшого числа электронов.(1,2,3).
В природе металлы встречаются как в свободном виде, так и в виде соединений. В свободном виде существуют химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и прокатываться. По цвету, все металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. По плотности различают металлы легкие (ρ 5). Примером легких металлов служат калий, натрий, кальций, алюминий и др. К тяжелым металлам относятся осмий, олово, свинец, никель, ртуть, золото, платина и т.д. Температура плавления металлов также различна: от -38.9 °С (ртуть) до 3380 °С (вольфрам). Металлы могут отличаться и по твердости: самыми мягкими металлами являются натрий и калий (режутся ножом), а самыми твердыми – никель, вольфрам, хром (последний режет стекло). Тепло и электричество различные металлы проводят неодинаково: лучшим проводником электричества является серебро, худшим – ртуть.
В расплавленном состоянии металлы могут распределяться друг в друге, образуя сплавы. Большинство расплавленных металлов могут смешиваться друг с другом в неограниченных количествах. При смешивании расплавленных металлов происходит либо простое растворение расплавов одного металла в другом, либо металлы вступают в химическое соединение. Чаше всего сплавы представляют собой смеси свободных металлов с их химическими соединениями. В состав сплавов могут входить также и неметаллы (чугун – сплав железа с углеродом). Свойства металлов существенно отличаются от свойств составляющих их элементов.
Металлы непосредственно реагируют с галогенами. Большинство Ме хорошо реагируют с кислородом (исключая золото, платину, серебро), образуя оксиды и пероксиды; взаимодействуют с серой с образованием сульфидов. Щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой с образованием растворимых в ней щелочей. Металлы средней активности реагируют с водой только при нагревании. Малоактивные металлы с водой вообще не реагируют. Большинство металлов растворяется в кислотах. Однако химическая активность различных металлов различна. Она определяется легкостью атомов металла отдавать валентные электроны.
По своей активности все металлы расположены в определенной последовательности, образуя ряд активности или ряд стандартных электродных потенциалов. В этом ряду каждый предыдущий металл вытесняет из соединений все последующие металлы.
Связь между положительными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов называется металлической связью.
Физические свойства. Для всех металлов характерны электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Металлы различаются по плотности: самый легкий металл литий ( ρ = 0,53 г/см3).
Источники:
http://lektsii.org/9-63866.html
http://studopedia.ru/4_177090_obshchaya-harakteristika-metallov-fizicheskie-i-himicheskie-svoystva-metallicheskaya-svyaz.html
Загрузка...
