Тема 1.7. Металлы
Требования к знаниям и умениям студентов
Тема 1.7. «Металлы»
| ЗНАТЬ | УМЕТЬ |
| 1.знать особенности строения атомов металлов, | 1. записывать электронные формулы для элементов Na, K, Mg, Ca, Al, Fe и объяснять особенности их строения. |
| 2. знать общие физические свойства простых веществ металлов и особенности свойств Na, K, Mg, Ca, Al, Fe | 2. правильно объяснять общие свойства образованием металлической связи и металлической кристаллической решетки |
| 3.знать общие химические свойства металлов и особенности Na, K, Mg, Ca, Al, Fe | 3. уметь составлять формулы соединений металлов и химические реакции в которые вступают металлы, объяснять их с точки зрения ОВР. |
| 4.знать состав и свойства основных соединений металлов Na, K, Mg, Ca, Al, Fe (их оксидов, гидроксидов, солей) | 4. уметь составлять формулы соединений металлов и проводить химические реакции в которые вступают металлы и их соединения, записывать уравнения реакций, объяснять их с точки зрения ТЭД |
| 5. знать в каком виде встречаются эти металлы в природе способы получения металлов из их соединений | 5. уметь записывать формулы и называть основные минералы, которые образуют изучаемые металлы, уравнения реакций получения этих металлов |
| 6.знать для чего применяют эти металлы и их важнейшие соединения | 6. объяснять, какие свойства металлов и их соединений используются для тех или других целей |
Общая характеристика металлов.
План.
1. Особенности строения атомов металлов. Положение металлов в ПС.
2. Строение простых веществ-металлов. Металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка.
3. Физические свойства металлов.
4. Химические свойства металлов.
5. Нахождение в природе и общие способы получения металлов.
6. Понятие про коррозию.
1. Внешний электронный уровень элементов, которые относят к металлам заполнен электронами менее чем наполовину (обычно 1-2). Обычно это s-электроны. К типичным металлам (т.е. проявляющим металлические свойства в максимальной степени) относят s-элементы (элементы 1 и 2 группы, главных подгрупп), т.е. те у которых только начинается заполнение нового слоя. Причем металлические свойства усиливаются с увеличением радиуса атомов (числа электронных слоев). К металлам относят также все d элементы (т.е. те у которых идет заполнение d-подуровня предпоследнего слоя), они расположены в побочных подгруппах во всех группах. d элементы называют переходными металлами, нетипичными. К металлам относятся и f- элементы (лантаноиды и актиноиды, которые располагают обычно отдельными строками внизу ПС.
2. Металлы имеют кристаллическое, т.е. упорядоченное строение. Часть атомов в кристаллической решетке ионизирована, т.е. потеряла электроны внешнего электронного слоя и свободные электроны равномерно распределены по всему кристаллу.
Они присоединяются к ионам металла и те превращаются в атомы, а другие атомы металла в это время теряют свои электроны и превращаются в ионы. Т.е. происходит своеобразный обмен электронами. Валентные электроны находятся одновременно во владении всех атомов и ионов металла (т.е. притягиваются к ним) и называются «электронным газом. Такая связь между атомами в кристалле металла называется металлической. И кристаллическая решетка металлов тоже называется металлической. Металлы имеют немолекулярное строение. Металлическая связь нелокализована между определенными атомами.
3. Общие физические свойства металлов обусловлены сходством в строении кристаллической решетки и одинаковом типе химической связи.
Эта связь достаточно прочная, поэтому металлы при н.у. находятся в твердом агрегатном состоянии. Исключение – ртуть Hg с температурой плавления (-39 
). Но температуры плавления металлов могут быть разные. Есть металлы легкоплавкие (менее 100 
), например цезий Сs (28 ) и другие щелочные металлы, магний, алюминий… Есть и тугоплавкие(более 100 ), например вольфрам W (3380 ), а также хром, молибден, медь, титан, железо…
Металлическая кристаллическая решетка плотная и поэтому все металлы непрозрачные и отражают падающий свет (белый цвет, металлический блеск). Исключением являются золото и медь, которые поглощают часть спектра и имеют желтый цвет.
Все металлы могут проводить электрический ток. Это свойство обусловлено наличием подвижных электронов в кристаллической решетке. При обычных условиях самой высокой электропроводностью обладают металлы подгруппы меди: Ag, Cu, Au и алюминий. Эти металлы используются как проводники в электротехнике и радиоэлектронике. Высокое сопротивление имеют вольфрам, никель, хром. Из них изготавливают нагревательные элементы электроприборов.
Металлы проводят не только электрический ток, но и тепло. Металлы, хорошо проводящие электрический ток, имеют высокую теплопроводность. Это тоже связано с возможностью электронов перемещаться и переносить тепловую энергию.
Все металлы в той или другой степени пластичны (т.е. они необратимо деформируются при механических нагрузках), их можно ковать. Самым пластичным является золото, из него можно получить нить в 500 раз тоньше человеческого волоса, т.е. практически невидимую. Мягкими являются также и щелочные металлы. Очень твердыми металлами считаются хром и вольфрам. А сурьма при комнатной температуре настолько хрупкая, что ее можно растереть в порошок. Пластическая деформация объясняется тем, что у металлов при деформации не происходит разрыва химических связей в металлической кристаллической решетке, ионы и атомы просто смещаются относительно друг друга.
Все металлы не растворимы в воде, но растворяются друг в друге (обычно в расплавленном виде). Такие растворы называют сплавами.
По плотности металлы делят на легкие (меньше 5 г/см3) и тяжелые. К легким металлам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, титан, алюминий. К тяжелым относятся цинк, железо, медь, ртуть, свинец, золото. Самым тяжелым является осмий (22,6 г/см3).
4. Общие химические свойства металлов тоже определяются общими чертами в их строении. Все они завершают внешний электронный слой отдавая валентные электроны. Следовательно, в химических реакциях простые вещества - металлы всегда являются восстановителями.
Me0 – ne- → Me+nНапример:
Чем легче атомы отдают электроны, тем более сильным восстановителем является металл. Но надо помнить, что ионы металлов способны принимать электроны, т.е. проявлять окислительную способность. Причем чем легче атом теряет электроны, тем хуже принимает их соответствующий ион. Т.е., например, натрий активный восстановитель, но ион натрия окислительной активности не проявляет. Малоактивный атом меди неохотно теряет свои электроны, а ион меди является достаточно сильным окислителем.
Окислителями металлов могут выступать разные вещества, но в природе и технике важнейшими считают газообразный кислород и ион водорода, который присутствует в воде и растворах кислот. Рассмотрите внимательно таблицу.
| Li | K | Ca | Na | Mg | Al | Mn | Zn | Cr | Fe | Ni | Sn | Pb | H2 | Cu | Hg | Ag | Pt | Au | ||||||||
| Восстановительная способность металлов в свободном состоянии | Возрастает | |||||||||||||||||||||||||
| Взаимодействие с кислородом воздуха | Быстро окисляется при обычной температуре | Медленно окисляется при обычной температуре или при нагревании | Не окисляются | |||||||||||||||||||||||
| Взаимодействие с водой | При обычной температуре выделяется H2 и образуется гидроксид | При нагревании выделяется водород, и образуются оксиды | Не вытесняют водород из воды | |||||||||||||||||||||||
| Взаимодействие с кислотами | Вытесняют водород из разбавленных кислот (кроме HNO3) | Не вытесняют водород из разбавленных кислот | ||||||||||||||||||||||||
| Реагируют с HNO3 иконц. H2SO4 | Растворяются только в «царской водке» | |||||||||||||||||||||||||
| Нахождение в природе | Только в соединениях | В соединениях и в свободном виде | Главным образом в свободном виде | |||||||||||||||||||||||
| Способы получения | Электролиз расплавов | Восстановление углём, СО, активными металлами, электролиз водных растворов | ||||||||||||||||||||||||
| Окислительная способность ионов металлов | Li | K | Ca | Na | Mg | Al3 | Mn | Zn | Cr | Fe | Ni | Sn | Pb | H | Cu | HHg | Ag | Pt | Au | |||||||
| Возрастает | ||||||||||||||||||||||||||
Окисление металлов: Zn + O2 → ZnO
Взаимодействие активных металлов с водой: K + H2O → KOH + H2
Взаимодействие металлов с кислотами: Mn + HCl → MnCl2+ H2
Взаимодействие металлов с другими окислителями: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
5. Те металлы, которые могут окисляться ионами водорода из природной воды (обычно подкисленной взаимодействием с различными кислотными оксидами) или кислородом воздуха в свободном виде, т.е. в виде простого вещества в природе не могут существовать. Значит, в свободном состоянии обычно встречаются «благородные металлы» золото, серебро и платина. Некоторые малоактивные металлы тоже могут встречаться, но такие месторождения – редкие, и к настоящему времени хозяйственного значения не имеют. Но именно это было причиной, по которой первыми металлами известными человечеству были медь, ртуть, свинец, олово… Неблагородные металлы в природе обычно встречаются в виде соединений. Для активных металлов это соли: хлориды, сульфаты, фосфаты, карбонаты. Причем, чем ниже растворимость этих соединений, тем больше вероятность их встретить. Менее активные металлы встречаются в виде оксидов или в виде сульфидов. Причем до железа – преимущественно оксиды, а после него – преимущественно сульфиды.
Естественно, что и способы получения металлов тоже зависят от их активности. Получение благородных металлов обычно заключается в отделении их от пустой породы. Существует много методов для этого, они описаны в художественной и специальной литературе. Получение металлов из их соединений можно назвать одним словом: «восстановление». Т.е. химическая суть этих процессов – заставить ионы металла принять электроны. Что можно использовать как восстановитель? Какие вещества легко расстаются со своими электронами? Правильно, металлы! Значит активные металлы можно использовать для получения менее активных из их оксидов. Например:
Mg + SnO2 → MgO + Sn
Такие способы получения металлов в зависимости от восстановителя называются магнийтермия, кальцийтермия, натрийтермия…
Хорошим восстановителем является и водород:
H2 + CuO → H2O+ Cu
Но у этих восстановителей (и водорода и активных металлов) есть существенный недостаток – высокая стоимость. Ведь в природе они в свободном виде не встречаются, а их получение требует больших затрат. Поэтому такие восстановители используют только если это экономически обосновано, т.е. для получения редких и дорогих металлов. А металлы, которые надо получать в очень большом количестве (железо), восстанавливают более дешевыми восстановителем – углеродом. Его применяют в виде кокса, а ранее использовали древесный уголь.
С + Fe2O3→ СO2 + Fe
А если металл находится в природе не в виде оксида, а в виде сульфида, то руду предварительно подвергают обжигу, а уже потом восстанавливают образовавшийся оксид. Например:
NiS + O2→ NiO + SO2
А как восстанавливают самые активные металлы? Где найти такой сильный восстановитель? Таким активным восстановителем будет электрический ток. Процесс называют электролизом. Оксид металла или его хлорид расплавляют и через расплав пропускают электрический ток. Например:
На катоде идет процесс восстановления металла: Na+ + e- → Na0
На аноде идет процесс окисления аниона: Cl- - e- → Cl20
Суммарно реакция выглядит так: NaCl → Cl20 +Na0
Упражнения для систематизации и закрепления знаний:
Упр.№1 Какие химические элементы относят к металлам? В чем особенность строения атомов металлов?
Упр.№2 В чем особенность строения кристаллической решетки металлов?
Упр.№3 Почему у металлов есть общие физические свойства, а у неметаллов их нет? Какие это свойства?
Упр.№4 Почему все металлы в химических реакциях являются восстановителями? С какими веществами взаимодействуют металлы?
Упр.№5 Почему на практике используются обычно не чистые металлы, а их сплавы? Назовите известные вам сплавы.
Упр.№6 Почему большинство металлов находиться в природе в виде соединений? В чем химическая суть получения металлов из их соединений?
Упр.№7 Запишите уравнения возможных реакций, поставьте степени окисления укажите окислитель и восстановитель.
а) сера с алюминием; б) иод с калием; в) серебро с фосфором; г) вода с натрием; д) магний с соляной кислотой; е) медь с раствором серной кислоты; ж) кальций с оксидом ртути(П)
Упр. №8 Сколько г алюминия вступило в реакцию с соляной кислотой, если образовалось 1,12 л водорода?
Упр. №9 Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить эти превращения? Назовите вещества:
CaCl2 → Ca → Са(OH)2 → CaSO4→ CaCO3
Упр.№10 С помощью каких реакций можно осуществить превращение. Назовите вещества:
ZnO →Zn(NO3)2 →Zn(OH)2 → ZnO → Zn
Упр.11 Между какими веществами будет происходить химическая реакция? Почему? Запишите уравнения возможных реакций. Определите окислитель и восстановитель.
а) железо и хлорид ртути (II); б) цинк и нитрат свинца (II); в) серебро и сульфат меди (II); г) цинк и соляная кислота; д) ртуть и раствор серной кислоты.
Упр.№12 Запишите уравнения реакций, поставьте степени окисления укажите окислитель и восстановитель. Сделайте вывод о химических свойствах металлов. а) кислород с алюминием; б) бром с калием; в) кальций с фосфором; г) вода с кальцием; д) никель с соляной кислотой.
Упр.№13 Запишите уравнения реакций, поставьте степени окисления и определите окислитель и восстановитель: а) оксид цинка с оксидом углерода (П); б) оксид алюминия с кальцием; в) оксид магния с водородом; г) оксид хрома (Ш) с коксом (свободный углерод).
Упр.№14 Напишите реакции получения цинка, исходя из сульфида цинка. Какие еще металлы встречаются в природе в виде сульфидов?
Упр.15 Между какими веществами будет происходить химическая реакция? Почему? Запишите уравнения возможных реакций. Определите окислитель и восстановитель.
а) железо и хлорид серебра; б) магний и нитрат свинца (II); в) ртуть и сульфат меди (II).
Домашнее задание
Упр.№1 Электронная формула элемента 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4. Относится ли данный элемент к металлам? Почему?
Упр.№2 Какую массу хлорида натрия взяли для получения натрия, если при этом образовалось 224 л хлора?
Упр.№3 Почему у металлов есть общие физические свойства, а у неметаллов их нет?
Упр.№4 Почему все металлы проводят электрический ток?
Упр.№5 Какой из металлов имеет самую низкую температуру плавления?
Упр.№6 Какие металлы называют легкими? Приведите примеры.
Упр.№7 Запишите уравнения реакций, поставьте степени окисления укажите окислитель и восстановитель.
а) сера с алюминием; б) иод с калием; в) магний с фосфором; г) вода с натрием; д) магний с соляной кислотой.
Упр. №8 Почему золото, серебро и платина обычно встречаются в свободном состоянии?
Упр.№9 С помощью каких реакций можно осуществить превращение:
CuO ← Cu ← CuCl2 → Cu (NO3)2 →Cu(OH)2
Упр.10 Между какими веществами будет происходить химическая реакция? Почему? Запишите уравнения возможных реакций. Определите окислитель и восстановитель.
а) железо и хлорид ртути (II); б) цинк и нитрат свинца (II); в) серебро и сульфат меди (II); г) цинк и соляная кислота; д) ртуть и раствор серной кислоты.