Sjaju li ti metali bakar aluminij željezo. Međudjelovanje metala sa složenim tvarima

Opće informacije o metalima

Znate li da većina kemijski elementi pripadaju metalima - 92 od 114 poznatih elemenata.

Metali su kemijski elementi čiji atomi doniraju elektrone iz vanjskog (a neki i iz vanjskog) sloja elektrona, pretvarajući se u pozitivne ione.

Ovo svojstvo metalnih atoma, kao što znate, određeno je činjenicom da imaju relativno velike radijuse i mali broj elektrona (uglavnom od 1 do 3) po vanjski sloj.

Jedina iznimka je 6 metala: atomi germanija, kositra, olova na vanjskom sloju imaju 4 elektrona, atomi antimona, bizmuta -5, atomi polonija - 6.

Atome metala karakteriziraju male vrijednosti elektronegativnosti (od 0,7 do 1,9) i isključivo restorativna svojstva, odnosno sposobnost davanja elektrona.

Već znate da su u periodnom sustavu kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva metali ispod dijagonale bor-astat, a ja sam također iznad nje u sekundarnim podskupinama. U periodama i podskupinama gline postoje vama poznate zakonitosti u promjeni metalnih, a time i redukcijskih svojstava atoma elemenata.

Kemijski elementi koji se nalaze u blizini dijagonale bor-astat imaju dvojaka svojstva: u nekim svojim spojevima ponašaju se kao metali, u drugima pokazuju svojstva nemetala.

U bočnim podskupinama, redukcijska svojstva metala s povećanjem serijski broj najčešće smanjuju. Usporedite aktivnost metala I. skupine vama poznate sporedne podskupine: Cu, Ag, Au; II grupa sekundarne podskupine - i vidjet ćete sami.

To se može objasniti činjenicom da je snaga veze valentnih elektrona s jezgrom atoma ovih metala u više Naboj jezgre je taj koji utječe, a ne radijus atoma. Vrijednost naboja jezgre značajno se povećava, povećava se privlačnost elektrona prema jezgri. U ovom slučaju, iako se radijus atoma povećava, on nije toliko značajan kao kod metala glavnih podskupina.

Igraju se jednostavne tvari koje tvore kemijski elementi - metali i složene tvari koje sadrže metal bitnu ulogu u mineralnom i organskom "životu" Zemlje. Dovoljno je podsjetiti da su atomi (ništa) metalnih elemenata sastavni dio spojevi koji određuju metabolizam u ljudskom tijelu, životinjama, biljkama. Na primjer, u ljudskoj krvi pronađeno je 76 elemenata, a samo 14 od njih nisu metali. U ljudskom organizmu neki metalni elementi (kalcij, kalij, natrij, magnezij) prisutni su u velikim količinama, odnosno spadaju u makronutrijente. A metali poput kroma, mangana, željeza, kobalta, bakra, cinka, molibdena prisutni su u malim količinama, odnosno to su elementi u tragovima. Ako osoba ima 70 kg, tada njegovo tijelo sadrži (u gramima): kalcij - 1700, kalij - 250, natrij - 70, magnezij - 42, željezo - 5. cink - 3. Svi metali su izuzetno važni, javljaju se zdravstveni problemi i u njihovom manjku i višku.

Na primjer, ioni natrija reguliraju sadržaj vode u tijelu, prijenos živčanih impulsa. Njegov nedostatak dovodi do glavobolje, slabosti, lošeg pamćenja, gubitka apetita, a višak do povišenog krvnog tlaka, hipertenzije i bolesti srca. Stručnjaci za prehranu preporučuju ne više od 5 g (1 žličica) dnevno. stolna sol(NaCl) po odrasloj osobi. Utjecaj metala na stanje životinja i biljaka može se vidjeti u tablici 16.

Jednostavne tvari – metali

Pojava civilizacije povezana je s razvojem proizvodnje metala (jednostavnih tvari) i legura (“ brončano doba", Željezno doba).

Počeo prije otprilike 100 godina znanstvena i tehnološka revolucija, koji je zahvatio i industriju i društvenu sferu, također je usko povezan s proizvodnjom metala. Na temelju volframa, molibdena, titana i drugih metala počele su se stvarati otporne na koroziju, supertvrde, vatrostalne legure, čija je uporaba uvelike proširila mogućnosti strojarstva. U nuklearnoj i svemirskoj tehnologiji, legure volframa i renija koriste se za izradu dijelova koji rade na temperaturama do 3000 ºS. u medicini se koriste kirurški instrumenti od legura tantala i platine, jedinstvena keramika na bazi titanovih i cirkonijevih oksida.

I naravno, ne treba zaboraviti da se u većini legura koristi odavno poznati željezni metal (slika 37), a osnova mnogih lakih legura su relativno "mladi" metali: aluminij i magnezij.

Supernove su kompozitni materijali koji predstavljaju npr. polimer ili keramiku, koji su iznutra (poput betona sa željeznim šipkama) ojačani metalnim vlaknima, koja mogu biti od volframa, molibdena, čelika i drugih metala i legura - sve ovisi o cilj koji je neophodan za postizanje njegovih svojstava materijala.

Već imate ideju o prirodi kemijske veze u metalnim kristalima. Podsjetimo, na primjeru jednog od njih - natrija, kako on nastaje.
Slika 38 prikazuje dijagram kristalne rešetke metalnog natrija. U njemu je svaki atom natrija okružen s osam susjednih. Atomi natrija, kao i svi metali, imaju mnogo slobodnih valentnih orbitala i malo valentnih elektrona.

Jedini valentni elektron atoma natrija Zs 1 može zauzeti bilo koju od devet slobodnih orbitala, jer se ne razlikuju mnogo u energetskoj razini. Kada se atomi približavaju jedan drugome, kada se formira kristalna rešetka, valentne orbitale susjednih atoma se preklapaju, zbog čega elektroni ne prelaze slobodno iz jedne orbitale u drugu, stvarajući vezu između svih atoma metalnog kristala.

Ova vrsta kemijske veze naziva se metalna veza. Metalnu vezu tvore elementi čiji atomi na vanjskom sloju imaju malo valentnih elektrona u usporedbi s njima veliki broj vanjske energetski bliske orbitale. Njihovi valentni elektroni slabo se drže u atomu. Elektroni koji provode vezu su socijalizirani i kreću se kroz kristalnu rešetku neutralnog metala kao cjeline.

Tvari sa metalna veza metalne kristalne rešetke su inherentne, koje obično prikazuju shematski teak, kao što je prikazano na slici, čvorovi su kationi i metalni atomi. Zajednički elektroni elektrostatički privlače metalne katione koji se nalaze u blizini njihove kristalne rešetke, osiguravajući njenu stabilnost i snagu (zajednički elektroni prikazani su kao male crne kuglice).

Metalna veza je veza u metalima i legurama između atoma metala smještenih u kristalnoj rešetki, koju ostvaruju socijalizirani valentni elektroni.

Neki metali kristaliziraju u dva ili više kristalnih oblika. Ovo svojstvo tvari - da postoje u nekoliko kristalnih modifikacija - naziva se polimorfizam. Polimorfizam jednostavnih tvari poznat vam je kao alotropija.

Kositar ima dvije kristalne modifikacije:
alfa - stabilan ispod 13,2 ºS s gustoćom r - 5,74 g/cm3. Ovo je sivi lim. Ima almaav (atomsku) kristalnu rešetku:
betta - stabilan iznad 13,2 ºS s gustoćom p - 6,55 g/cm3. Ovo je bijeli lim.

Bijeli kositar je vrlo mekan metal. Kada se ohladi ispod 13,2 ºS, raspada se u sivi prah, budući da se na prijelazu | 1 » n njegov specifični volumen značajno povećava. Taj se fenomen naziva kositrena kuga. Naravno, posebna vrsta kemijske veze i vrsta kristalne rešetke metala treba odrediti i objasniti njihova fizikalna svojstva.

Što su oni? To su metalni sjaj, plastičnost, visoka električna vodljivost i toplinska vodljivost, povećanje električnog otpora s porastom temperature, kao i takva praktično značajna svojstva kao što su gustoća, talište i vrelište, tvrdoća, magnetska svojstva.

Pokušajmo objasniti razloge koji određuju osnovna fizikalna svojstva metala. Zašto su metali plastični?

Mehaničko djelovanje na kristal s metalnom kristalnom rešetkom uzrokuje pomicanje slojeva ionskih atoma jedan u odnosu na drugi, budući da se elektroni kreću kroz kristal, veze se ne prekidaju, stoga metale karakterizira veća plastičnost.

Sličan učinak na čvrstu tvar s spojnim vezama (atomska kristalna rešetka) dovodi do kidanja kovalentnih veza. Pucanje veza u ionskoj rešetki dovodi do međusobnog odbijanja istonabijenih iona (slika 40). Stoga su tvari s atomskom i ionskom kristalnom rešetkom krhke.

Najduktilniji metali su Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Lako se izvlače u žicu, podložne su kovanju, prešanju, valjanju u listove.Na primjer, od zlata se može napraviti zlatna folija debljine 0,008 nm, a od 0,5 g ovog metala može se izvući nit duljine 1 km.

Čak i živa, koja je, kao što znate, tekuća na sobnoj temperaturi, postaje savitljiva poput olova na niskim temperaturama u krutom stanju. Samo Bi i Mn nemaju plastičnost, oni su krti.

Zašto metali imaju karakterističan sjaj, a uz to su neprozirni?

Elektroni koji ispunjavaju međuatomski prostor reflektiraju svjetlosne zrake (i ne propuštaju, kao staklo), a većina metala u jednako raspršuju sve zrake vidljivog dijela spektra. Zbog toga imaju srebrnastobijelu odn siva boja. Stroncij, zlato i bakar u većoj mjeri apsorbiraju kratke valne duljine (bliske ljubičastoj) i reflektiraju duge valne duljine svjetlosni spektar, dakle, imaju svijetložutu, žutu i bakrenu boju.

Iako nam se u praksi, znate, metal ne čini uvijek kao lagano tijelo. Prvo, njegova površina može oksidirati i izgubiti sjaj. Stoga domaći bakar izgleda poput zelenkastog kamena. I drugo, čak i čisti metal možda neće sjajiti. Vrlo tanki listovi srebra i zlata imaju potpuno neočekivani izgled - imaju plavičastu boju zelene boje. A fini metalni prah izgleda tamnosivo, čak i crno.

Najveću refleksivnost imaju srebro, aluminij, paladij. Koriste se u proizvodnji ogledala, uključujući reflektore.

Zašto metali imaju visoku električnu i toplinsku vodljivost?

Elektroni koji se kaotično kreću u metalu pod utjecajem primijenjenog električnog napona poprimaju usmjereno gibanje, odnosno provode struja. S povećanjem temperature meta-lisne uši, povećavaju se amplitude vibracija atoma i iona smještenih u čvorovima kristalne rešetke. To otežava kretanje elektrona, a električna vodljivost metala se smanjuje. Na niskim temperaturama, oscilatorno gibanje, naprotiv, znatno se smanjuje, a električna vodljivost metala naglo raste. Blizu apsolutna nula otpora u metalima praktički nema, većina metala se čini supravodljivom.

Treba napomenuti da nemetali sa električna provodljivost(na primjer, grafit), na niskim temperaturama, naprotiv, ne provode električnu struju zbog odsutnosti slobodnih elektrona. I tek s povećanjem temperature i uništavanjem nekih kovalentnih veza, njihova električna vodljivost počinje rasti.

Najveću električnu vodljivost imaju srebro, bakar, kao i zlato, aluminij, a najmanju mangan, olovo i živa.

Najčešće, istom pravilnošću kao i električna vodljivost, mijenja se toplinska vodljivost metala.

Oni su zbog velike pokretljivosti slobodnih elektrona, koji, sudarajući se s vibrirajućim ionima i atomima, izmjenjuju energiju s njima. Stoga dolazi do izjednačavanja temperature u cijelom komadu metala.

Mehanička čvrstoća, gustoća, talište metala vrlo su različiti. Štoviše, s povećanjem broja oegrona. vezujući ion-atome, a smanjenjem međuatomske udaljenosti u kristalima povećavaju se pokazatelji tih svojstava.

Dakle, alkalijski metali, čiji atomi imaju jedan valentni elektron, su mekani (režu se nožem), bez visoka gustoća(litij je najlakši metal s p - 0,53 g / cm3) i tali se na niskim temperaturama (npr. talište cezija je 29 "C). Jedini metal koji je u normalnim uvjetima tekućina je živa - ima talište točka od 38,9 "C.

Kalcij, koji ima dva elektrona na vanjskoj energetskoj razini atoma, mnogo je tvrđi i topi se na više visoka temperatura(842º C).

Još je zaobljenija kristalna rešetka koju tvore atomi skandijuma, koji imaju tri valentna elektrona.

Ali najjače kristalne rešetke, visoke gustoće i tališta uočene su u metalima sekundarnih podskupina V, VI, VII, MP skupina. Ovo se objašnjava. da je za metale bočnih podskupina koji imaju nesačuvane valentne elektrone na d-podrazini karakteristično stvaranje vrlo jakih kovalentnih veza između atoma, pored metalne, koje provode elektroni vanjskog sloja iz s-orbitala.

Upamtite da je najteži metal osmij (komponenta supertvrdih legura otpornih na habanje), najvatrostalniji metal je volfram (koristi se za izradu niti za žarulje), najteži metal je krom Cr (grebe staklo). Oni su dio materijala od kojih se izrađuju alati za rezanje metala, kočione pločice teških strojeva itd.

Metali se razlikuju s obzirom na magnetska polja. Ali ovaj znak su podijeljeni u tri skupine:

Feromagnetski Mogu se magnetizirati čak i pod utjecajem slabih magnetskih polja (željezo - alfa oblik, kobalt, nikal, gadolinij);

Paramagnetici pokazuju slabu sposobnost magnetiziranja (aluminij, krom, titan, gotovo svi lantanoidi);

Dijamagnetici se ne privlače prema magnetu, čak se malo odbijaju od njega (kositar, nasukani, bizmut).

Podsjetimo se da smo pri razmatranju elektroničke strukture metala metale podijelili na metale glavnih podskupina (k- i p-elementi) i metale sporednih podskupina.

U inženjerstvu je uobičajeno klasificirati metale prema različitim fizičkim svojstvima:

a) gustoća - svjetlost (str< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);
b) talište – taljivi i vatrostalni.

Podjela metala prema kemijskim svojstvima

Metali niske kemijske aktivnosti nazivaju se plemeniti (srebro, zlato, platina i njegovi analozi - osmij, iridij, rutenij, paladij, rodij).
Prema bliskosti kemijskih svojstava alkalijski (metali I. skupine glavne podskupine), zemnoalkalijski (kalcij, stroncij, barij, radij), kao i metali rijetkih zemalja (skandij, itrij, lantan i lantanoidi, aktinij i aktinidi) razlikuju se.

Opća kemijska svojstva metala

Atomi metala relativno lako odustaju od valentnih elektrona i prelaze u pozitivno nabijene ne, odnosno oksidiraju se. Ovo je, kao što znate, glavna stvar zajedničko vlasništvo i atomi, i jednostavne tvari-metali.

Metali su u kemijskim reakcijama uvijek redukcijsko sredstvo. Reducirajuća sposobnost atoma jednostavnih tvari - metala formiranih kemijskim elementima jedne periode ili jedne glavne podskupine Periodni sustav D. I. Mendeljejeva, prirodno se mijenja.

Reducirajuća aktivnost metala u kemijskim reakcijama koje se odvijaju u vodenim otopinama odražava njegov položaj u elektrokemijskom nizu metalnih napona.

1. Što je metal više lijevo u ovom redu, to je redukcijsko sredstvo jače.
2. Svaki metal može istisnuti (obnoviti) i slan je u otopini one metale koji su iza njega (desno) u nizu napona.
3. Metali koji su u nizu napona lijevo od vodika mogu ga istisnuti iz kiselina u otopini.
4. Metali, koji su najjači redukcijski agensi (alkalijski i zemnoalkalijski), u svim vodenim otopinama stupaju u interakciju prvenstveno s vodom.

Reducirajuća aktivnost metala, određena iz elektrokemijske serije, ne odgovara uvijek njegovom položaju u periodnom sustavu. Ovo se objašnjava. Da se pri određivanju položaja metala u nizu napona uzima u obzir ne samo energija odvajanja elektrona od pojedinih atoma, već i energija utrošena na razaranje kristalne rešetke, kao i energija koja se oslobađa tijekom hidrataciju iona.

Na primjer, litij je aktivniji u vodenim otopinama od natrija (iako je Na aktivniji metal s obzirom na njegov položaj u periodnom sustavu). Činjenica je da je energija hidratacije Li+ iona puno veća od energije hidratacije Na+ iona. stoga je prvi proces energetski povoljniji.
Razmotrivši opće odredbe karakterizirajući redukcijska svojstva metala, prijeđimo na specifične kemijske reakcije.

Interakcija s jednostavnim nemetalnim tvarima

1. S kisikom većina metala stvara okside – bazične i amfoterpije. Oksidi kiselinskih prijelaznih metala, kao što su kromov oksid ili manganov oksid, ne nastaju izravnom oksidacijom metala s kisikom. Oni primaju posredno.

Alkalijski metali Na, K aktivno reagiraju s atmosferskim kisikom, tvoreći perokside.

Natrijev oksid se dobiva neizravno, kalciniranjem peroksida s odgovarajućim metalima:

Litij i zemnoalkalijski metali reagiraju s atmosferskim kisikom u bazične okside.

Ostali metali, osim metala zlata i platine, koji uopće nisu oksidirani atmosferskim kisikom, komuniciraju s njim manje aktivno ili kada se zagrijavaju.

2. S halogenima metali tvore soli halogenovodičnih kiselina.

3. S vodikom najaktivniji metali tvore hidride - ionske soli, česte tvari u kojima vodik ima oksidacijski stupanj -1, na primjer:
kalcijev hidrid.

Mnogi prijelazni metali tvore hidride s vodikom. posebna vrsta- dolazi do svojevrsnog otapanja ili uvođenja vodika u kristalnu rešetku metala između atoma i iona, pri čemu metal zadržava svoj izgled, ali se povećava u volumenu. Apsorbirani vodik je u metalu, očito u atomskom obliku. Postoje i intermedijarni metalni hidridi.

4. Metali sa sumporom tvore soli – sulfide.

5. Metali nešto teže reagiraju s dušikom, budući da je kemijska veza u molekuli dušika G^r vrlo jaka, pa nastaju nitridi. Na uobičajenim temperaturama samo litij stupa u interakciju s dušikom.

Interakcija sa složenim tvarima

1. S vodom. Alkalijski i zemnoalkalijski metali u normalnim uvjetima istiskuju vodik iz vode i tvore topive alkalijske baze.

I drugi metali, stojeći u nizu napona do vodika, mogu pod određenim uvjetima istisnuti vodik iz vode. Ali aluminij nasilno stupa u interakciju s vodom samo ako se s njegove površine ukloni oksidni film.

Magnezij stupa u interakciju s vodom tek pri vrenju, a oslobađa se i vodik. Ako se gorući magnezij doda vodi, tada se izgaranje nastavlja, dok reakcija napreduje: vodik izgara. Željezo stupa u interakciju s vodom samo kada se zagrije.

2. Metali koji su u nizu napona do vodika međusobno djeluju s kiselinama u otopini. Ovo proizvodi sol i vodik. Ali olovo (i neki drugi metali), unatoč svom položaju u nizu napona (lijevo od vodika), gotovo se ne otapa u razrijeđenoj sumpornoj kiselini, budući da je nastali olovni sulfat PbSO netopljiv i stvara zaštitni film na površini metala .

3. Sa solima manje aktivnih metala u otopini. Kao rezultat takve reakcije nastaje sol aktivnijeg metala, a manje aktivan metal se oslobađa u slobodnom obliku.

Mora se zapamtiti da se reakcija odvija u slučajevima kada je nastala sol topljiva. Istiskivanje metala iz njihovih spojeva drugim metalima prvi je detaljno proučavao N. N. Beketov, istaknuti ruski fizikalni kemičar. Metale je rasporedio prema njihovoj kemijskoj aktivnosti u "ekspresivni niz", koji je postao prototip niza metalnih naprezanja.

4. S organskim tvarima. Interakcija s organskim kiselinama slična je reakcijama s mineralnim kiselinama. Alkohol se može pokazati slabim svojstva kiselina pri interakciji s alkalijskim metalima.

Metali sudjeluju u reakcijama s haloalkanima, koji se koriste za dobivanje nižih cikloalkana i za sinteze, pri čemu ugljikov kostur molekule postaje složeniji (reakcija A. Wurtz):

5. Metali čiji su hidroksidi amfoterni međusobno djeluju s alkalijama u otopini.

6. Metali mogu međusobno tvoriti kemijske spojeve koji se zajedničkim imenom nazivaju intermetalni spojevi. Najčešće ne pokazuju oksidacijska stanja atoma, koja su karakteristična za spojeve metala s nemetalima.

Intermetalni spojevi obično nemaju stalan sastav, kemijska veza u njima je uglavnom metalna. Stvaranje ovih spojeva je tipičnije za metale sekundarnih podskupina.

Metalni oksidi i hidroksidi

Oksidi formirani od tipičnih metala klasificirani su kao soli koji tvore, bazičnih svojstava. Kao što znate, oni odgovaraju hidroksidima. koje su baze koje su, u slučaju alkalnih i zemnoalkalijskih metala, topljive u vodi, jaki elektroliti a nazivaju se lužine.

Oksidi i hidroksidi nekih metala su amfoterni, odnosno mogu pokazivati ​​i bazična i kisela svojstva, ovisno o tvarima s kojima su u interakciji.

Na primjer:

Mnogi metali sekundarnih podskupina, koji imaju promjenjivo oksidacijsko stanje u spojevima, mogu tvoriti nekoliko oksida i hidroksida, čija priroda ovisi o oksidacijskom stanju metala.

Na primjer, krom u spojevima pokazuje tri oksidacijska stanja: +2, +3, +6, dakle tvori tri niza oksida i hidroksida, a s porastom stupnja oksidacije raste kiseli karakter, a slabi bazični karakter.

Korozija metala

Kad metali međudjeluju s tvarima okoliš Na njihovim površinama nastaju spojevi koji imaju potpuno drugačija svojstva od samih metala. U normalnom smislu, često koristimo riječi "hrđa", "hrđanje", gledajući smeđe-crveni premaz na proizvodima od željeza i njegovih legura. Rđanje je čest oblik korozije.

Korozija je proces spontanog razaranja metala i prskanja ne) alijašizma trenutne okoline (od lat. - nagrizajuće).

Međutim, gotovo svi metali prolaze kroz razaranje, zbog čega se mnoga njihova svojstva pogoršavaju (ili potpuno gube): čvrstoća, duktilnost, sjaj se smanjuju, električna vodljivost se smanjuje, trenje između pokretnih dijelova stroja također se povećava, dimenzije dijelova promijeniti, itd.

Korozija metala može biti kontinuirana i lokalna.

Nerven nije toliko opasan kao drugi, njegove se manifestacije mogu uzeti u obzir pri projektiranju struktura i aparata. Lokalna korozija je mnogo opasnija, iako gubici metala ovdje mogu biti mali. Jedna od njegovih najopasnijih vrsta je točka. One se sastoje u stvaranju prolaznih lezija, odnosno točkastih šupljina - pitinga, pri čemu se smanjuje čvrstoća pojedinih dijelova, smanjuje se pouzdanost konstrukcija, aparata i konstrukcija.

Korozija metala uzrokuje velike ekonomske štete. Čovječanstvo snosi velike materijalne gubitke nakon uništenja cjevovoda, dijelova strojeva, brodova, mostova i razne opreme.

Korozija dovodi do smanjenja pouzdanosti metalnih konstrukcija. Uzimajući u obzir moguće uništenje, potrebno je precijeniti čvrstoću nekih proizvoda (na primjer, dijelovi zrakoplova, lopatice turbina), što znači povećanje potrošnje metala, a to zahtijeva dodatne ekonomske troškovi.

Korozija dovodi do zastoja u proizvodnji zbog zamjene pokvarene opreme, do gubitka sirovina i proizvoda kao posljedica razaranja haloa, naftovoda i vodovoda. Nemoguće je ne uzeti u obzir štetu prirodi, a time i ljudskom zdravlju, uzrokovanu istjecanjem naftnih derivata i drugih kemijske tvari. Korozija može dovesti do onečišćenja) proizvoda, a posljedično i do smanjenja njegove kvalitete. Troškovi nadoknade gubitaka povezanih s korozijom su ogromni. Oni čine oko 30% godišnje proizvodnje metala u svijetu.

Iz svega navedenog proizlazi da je vrlo važan problem pronaći načine zaštite metala i legura od korozije.

Vrlo su raznoliki. Ali za njihov odabir potrebno je poznavati i uzeti u obzir kemijsku bit procesa korozije.

Ali kemijske prirode Korozija je redoks proces. Ovisno o okruženju u kojem se javlja, postoji nekoliko vrsta korozije.

Najčešće vrste korozije su kemijska i elektrokemijska.

I. Kemijska korozija nastaje u nevodljivom okruženju. Ova vrsta korozije očituje se u slučaju interakcije metala sa suhim plinovima ili tekućinama - neelektrolitima (benzin, kerozin itd.) Dijelovi i komponente motora, plinskih turbina, raketnih bacača podvrgnuti su takvom uništenju. Tijekom obrade metala na visokim temperaturama često se opaža kemijska korozija.

Većina metala se oksidira atmosferskim kisikom, stvarajući oksidne filmove na površini. Ako je ovaj film jak, gust, dobro vezan za metal, tada štiti metal od daljnjeg uništenja. U željezu je labav, porozan, lako se odvaja od površine i stoga nije u stanju zaštititi metal od daljnjeg uništenja.

II. Elektrokemijska korozija nastaje u vodljivom mediju (elektrolitu) uz pojavu električne struje unutar sustava. U pravilu su metali i legure heterogeni i sadrže uključke raznih nečistoća. Kada dođu u dodir s elektrolitima, neki dijelovi površine počinju igrati ulogu anode (donirati elektrone), dok drugi djeluju kao katode (primati elektrone).

U jednom slučaju promatrat će se razvijanje plina (Hg). U drugom - stvaranje hrđe.

Dakle, elektrokemijska korozija je reakcija koja se događa u medijima koji provode struju (za razliku od kemijske korozije). Proces se događa kada dva metala dođu u kontakt ili na površini metala koji sadrži uključke koji su manje aktivni vodiči (može biti i nemetal).

Na anodi (aktivniji metal) atomi metala se oksidiraju stvarajući katione (otapanje).

Na katodi (manje aktivnom vodiču) ioni vodika ili molekule kisika se reduciraju uz stvaranje H2, odnosno OH- hidroksidnih iona.

Kationi vodika i otopljeni kisik najvažniji su oksidansi koji uzrokuju elektrokemijsku koroziju.

Brzina korozije je to veća što se metali (metal i nečistoće) više razlikuju u svojoj aktivnosti (kod metala, što su udaljeniji u nizu napona). Korozija se značajno povećava s porastom temperature.

Elektrolit može biti morska voda, riječna voda, kondenzirana vlaga i, naravno, dobro poznati elektroliti - otopine soli, kiseline, lužine.

Očito se sjećate da se zimi tehnička sol (natrijev klorid, ponekad kalcijev klorid itd.) koristi za uklanjanje snijega i leda s nogostupa - Dobivene otopine otječu u kanalizacijske cijevi, stvarajući tako povoljno okruženje za elektrokemijsku koroziju podzemnih vodova.

Metode zaštite od korozije

Već u projektiranju metalnih konstrukcija njihova izrada predviđa mjere zaštite od korozije.

1. Brušenje površina proizvoda kako se vlaga ne bi zadržavala na njima.
2. Korištenje legiranih legura koje sadrže posebne aditive: krom, nikal, koji pri visokim temperaturama stvaraju stabilan oksidni sloj na površini metala. Poznati su legirani čelici - nehrđajući čelici, od kojih se izrađuju kućanski predmeti (vilice, žlice s koricama), dijelovi strojeva, alati.
3. Nanošenje zaštitnih premaza.

Razmotrite njihove vrste.

Nemetalni - neoksidirajuća ulja, specijalni lakovi, boje. Istina, kratko traju, ali su jeftini.

Kemijski - umjetno stvoreni površinski filmovi: oksidni, limunski, silicidni, polimerni, itd. Na primjer, svo malo oružje Dijelovi mnogih preciznih instrumenata su brunirani - to je proces dobivanja najtanjeg filma željeznih oksida na površini čelika. proizvod. Dobiveni umjetni oksidni film vrlo je izdržljiv i daje proizvodu prekrasnu crnu boju i plavu nijansu. Polimerni premazi izrađeni su od polietilena, polivinil klorida, poliamidnih smola. Primjenjuju se na dva načina: zagrijani proizvod stavlja se u polimerni prah, koji se topi i zavaruje na metal, ili se metalna površina tretira otopinom polimera u otapalu niske temperature, koje brzo isparava, a polimerni film se nanosi na metal. ostaje na proizvodu.

Metalne prevlake su prevlake s drugim metalima na čijoj se površini pod djelovanjem oksidacijskih sredstava stvaraju stabilni zaštitni filmovi.

Nanošenje kroma na površinu - kromiranje, niklanje - poniklavanje, cink - pocinčavanje, kositar - pokositrenje itd. Kao premaz može poslužiti i kemijski pasivan metal - zlato, srebro, bakar.

4. Elektrokemijske metode zaštita.

Zaštitna (anodna) - na zaštićenu metalnu strukturu pričvršćen je komadić aktivnijeg metala (zaštitnik) koji služi kao anoda i uništava se u prisutnosti elektrolita. Magnezij, aluminij, cink koriste se kao zaštitnici pri zaštiti brodskih trupova, cjevovoda, kabela i drugih stilskih proizvoda;

Katoda - metalna struktura spojena je na katodu vanjskog izvora struje, što eliminira mogućnost uništenja njezine anode

5. Posebna obrada elektrolita ili okoline u kojoj se nalazi zaštićena metalna konstrukcija.

Poznato je da su majstori iz Damaska ​​za uklanjanje kamenca i
hrđa koristi otopine sumporne kiseline s dodatkom pivskog kvasca, brašna, škroba. Ovi donose i bili su među prvim inhibitorima. Nisu dopustili da kiselina djeluje na metal oružja, kao rezultat toga, otopljeni su samo kamenac i hrđa. Uralski oružari u te su svrhe koristili juhe za kiseljenje - otopine sumporne kiseline s dodatkom mekinja od brašna.

Primjeri upotrebe modernih inhibitora: tijekom transporta i skladištenja, klorovodična kiselina je savršeno "ukroćena" derivatima butilamina. i sumporna kiselina - dušična kiselina; hlapljivi dietilamin se ubrizgava u razne spremnike. Imajte na umu da inhibitori djeluju samo na metal, čineći ga pasivnim u odnosu na medij, na primjer, na kiselu otopinu. Znanosti je poznato više od 5 tisuća inhibitora korozije.

Uklanjanje kisika otopljenog u vodi (deaeracija). Ovaj se postupak koristi u pripremi vode koja ulazi u kotlovnice.

Metode dobivanja metala

Značajna kemijska aktivnost metala (interakcija s atmosferskim kisikom, drugim nemetalima, vodom, otopinama soli, kiselinama) dovodi do činjenice da u Zemljina kora nalaze se uglavnom u obliku spojeva: oksida, sulfida, sulfata, klorida, karbonata itd.

U slobodnom obliku postoje metali smješteni u nizu napona desno od vodika, iako se mnogo češće bakar i živa mogu naći u prirodi u obliku spojeva.

Minerali i stijene koje sadrže metale i njihove spojeve iz kojih je tehnički moguće i ekonomski izvedivo izdvajanje čistih metala nazivaju se rudama.

Dobivanje metala iz ruda zadaća je metalurgije.
Metalurgija je također znanost o industrijske metode dobivanje metala iz ruda. i industrijski sektor.
Svaki metalurški proces je proces redukcije metalnih iona uz pomoć različitih redukcijskih sredstava.

Za provedbu ovog procesa potrebno je uzeti u obzir aktivnost metala, odabrati redukcijsko sredstvo, razmotriti tehnološku izvedivost, ekonomske i ekološke čimbenike. Prema ovome postoje sljedeće načine dobivanje metala: pirometalurško. hidrometalurški, elektrometalurški.

Pirometalurgija je dobivanje metala iz ruda na visokim temperaturama pomoću ugljika, ugljičnog monoksida (II). vodik, metali - aluminij, magnezij.

Na primjer, kositar se reducira iz kasiterita, a bakar iz kuprita kalcinacijom s ugljenom (koksom). Sulfidne rude se prethodno prže s pristupom zraka, a zatim se dobiveni oksid reducira ugljenom. Metali se također izoliraju iz karbonatnih ruda pumpanjem ugljena, jer se karbonati zagrijavanjem raspadaju, pretvarajući se u okside, a potonji se reduciraju ugljenom.

Hidrometalurgija je redukcija metala u njihove soli u otopini. Proces se odvija u 2 faze:

1) prirodni spoj se otopi u prikladnom reagensu da se dobije otopina soli tog metala;
2) ovaj se metal istiskuje iz dobivene otopine aktivnijim ili se obnavlja elektrolizom. Na primjer, za dobivanje bakra za rude koje sadrže bakrov oksid, CuO, tretira se razrijeđenom sumpornom kiselinom.

Bakar se zatim uklanja iz otopine soli ili elektrolizom ili zamjenom sulfata željezom. Na ovaj način dobivaju se srebro, cink, molibden, zlato, uran.

Elektrometalurgija je redukcija metala u procesu elektrolize otopina ili talina njihovih spojeva.

Elektroliza

Ako se elektrode spuste u otopinu elektrolita ili taline i kroz njih se propusti stalna električna struja, tada će se ioni kretati u smjeru: kationi - prema katodi (negativno nabijena elektroda), anioni - prema anodi (pozitivno nabijena elektroda) .

Na katodi kationi prihvaćaju elektrone i reduciraju se na anodi, anioni doniraju elektrone i oksidiraju se. Taj se proces naziva elektroliza.
Elektroliza je oksidacijsko-redukcijski proces koji se odvija u električnom sustavu tijekom prolaska električne struje kroz vruću žicu ili otopinu elektrolita.

Najjednostavniji primjer takvih procesa je elektroliza rastaljenih soli. Razmotrimo proces elektrolize taline natrijeva klorida. U talini se odvija proces toplinske disocijacije. Pod djelovanjem električne struje kationi se kreću prema katodi i od nje primaju elektrone.
Na katodi se stvara metalni natrij, a na anodi plinoviti klor.

Najvažnije je zapamtiti da se u procesu elektrolize odvija kemijska reakcija zbog električne energije, koja se ne može odvijati spontano.

Situacija je složenija u slučaju elektrolize otopina elektrolita.

U otopini soli, osim metalnih iona i kiselog ostatka, nalaze se molekule vode. Stoga je pri razmatranju procesa na elektrodama potrebno uzeti u obzir njihovo sudjelovanje u elektrolizi.

Za određivanje proizvoda elektrolize vodenih otopina elektrolita postoje sljedeća pravila.

1. Proces na katodi ne ovisi o materijalu katode od kojeg je izrađena, već o položaju metala (kationa elektrolita) u elektrokemijskom nizu napona, i ako:

1.1. Kation elektrolita nalazi se u nizu napona na početku niza (zajedno s Al), zatim se na katodi odvija proces redukcije vode (oslobađa se vodik). Kationi metala se ne reduciraju, ostaju u otopini.
1.2. Kation elektrolita je u nizu napona između aluminija i vodika, zatim se i metalni noni i molekule vode reduciraju na katodi.
1.3. Kation elektrolita je u nizu napona nakon vodika, zatim se metalni kationi reduciraju na katodi.
1.4. Otopina sadrži katione različitih metala, zatim se preuzeti metalni kation obnavlja, stojeći u nizu napona

Ova pravila prikazana su na slici 10.

2. Proces na anodi ovisi o materijalu anode io prirodi anode (shema 11).

2.1. Ako je anoda otopljena (željezo, cink, bakar, srebro i svi metali koji se oksidiraju tijekom elektrolize), tada je anodni metal oksidiran, bez obzira na prirodu aniona. 2.2. Ako se anoda ne otapa (naziva se inertna - grafit, zlato, platina), tada:
a) tijekom elektrolize otopina soli anoksičnih kiselina (prome fluoridi) dolazi do oksidacije aniona na anodi;
b) tijekom elektrolize otopina soli kiselina koje sadržavaju kisik i fluorida na anodi dolazi do procesa oksidacije vode. Anioni se ne oksidiraju, ostaju u otopini;

Elektroliza talina i otopina tvari naširoko se koristi u industriji:

1. Za dobivanje metala (aluminij, magnezij, natrij, kadmij dobivaju se samo elektrolizom).
2. Za dobivanje vodika, halogena, lužina.
3. Za pročišćavanje metala - rafiniranje (pročišćavanje bakra, nikla, olova provodi se elektrokemijskom metodom).
4. Zaštita metala od korozije - nanošenje zaštitnih premaza u obliku tankog sloja drugog metala koji je otporan na koroziju (krom, nikal, bakar, srebro, zlato) - galvanizacija.
5. Dobivanje metalnih kopija, zapisa - galvanizacija.

Praktičan zadatak

1. Kako je struktura metala povezana s njihovim položajem u glavnoj i sekundarnoj podskupini periodnog sustava kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva?
2. Zašto alkalijski i zemnoalkalijski metali imaju jedno oksidacijsko stanje u spojevima: (+1) odnosno (+2), a metali sekundarnih podskupina u pravilu se pojavljuju u spojevima različite stupnjeve oksidacija?
3. Koja oksidacijska stanja može pokazivati ​​mangan? Koji oksidi hidrokende odgovaraju manganu u ovim oksidacijskim stanjima? Kakav je njihov karakter?
4. Usporedite elektronsku strukturu atoma elemenata VII skupine: mangana i klora. Objasnite razliku u njihovim kemijskim svojstvima i prisutnost različitih stupnjeva oksidacije atoma u oba elementa.
5. Zašto položaj metala u elektrokemijskom nizu napona ne odgovara uvijek njihovom položaju u periodnom sustavu D. I. Mendeljejeva?
9. Napravite jednadžbe reakcija natrija i magnezija s octenom kiselinom. U kojem će slučaju i zašto brzina reakcije biti brža?
11. Koje metode dobivanja metala poznajete? Što je suština svih metoda?
14. Što je korozija? Koje vrste korozije poznajete? Koji je od njih fizikalni i kemijski proces?
15. Mogu li se sljedeći procesi smatrati korozijom: a) oksidacija željeza tijekom električnog zavarivanja, b) interakcija cinka s klorovodičnom kiselinom pri dobivanju jetkane kiseline za lemljenje? Dajte argumentiran odgovor.
17. Proizvod mangana nalazi se u vodi i ne dolazi u dodir s proizvodom bakra. Hoće li oba ostati nepromijenjena?
18. Hoće li željezna konstrukcija biti zaštićena od elektrokemijske korozije u vodi ako se na njoj ukrade ploča drugog metala: a) magnezija, b) olova, c) nikla?
19. Za koju svrhu se površina spremnika za skladištenje naftnih derivata (benzin, kerozin) boji srebrom - mješavinom aluminijeva praha s jednim od biljnih ulja?
20. Na površini zakiseljenog tla vrtne parcele nalaze se željezne cijevi s umetnutim mjedenim slavinama. Što će korodirati: cijevna yiyang slavina? Gdje je destrukcija najizraženija?
21. Koja je razlika između elektrolize talina i elektrolize vodenih otopina?
22*. Koji se metali mogu dobiti elektrolizom talina njihovih soli, a koji se ne mogu dobiti elektrolizom vodenih otopina tih tvari?
23*. Napravite jednadžbe elektrolize barijevog klorida u: a) talini, b) otopini
28. Otopini koja sadrži 27 g bakrovog (II) klorida dodano je 1-4 g željeznih strugotina. Kolika se masa bakra oslobodila ovom reakcijom?
Odgovor: 12,8 g.
29. Kolika se masa cinkovog sulfata može dobiti reakcijom viška cinka s 500 ml 20%-tne otopine sumporne kiseline gustoće 1,14 g/ml?
Odgovor: 187,3
31. Pri obradi 8 g smjese magnezija i magnezijevog oksida s klorovodičnom kiselinom oslobođeno je 5,6 litara vodika (n, w.). Što je maseni udio(u %) LIPANJU u izvornoj smjesi?
Odgovor: 75%.
34. Odredite maseni udio (u postocima) ugljika u čeliku (leguri željeza s ugljikom), ako je izgaranjem njegovog uzorka mase 10 g u struji kisika prikupljeno 0,28 l ugljikovog oksida (ÍV) (n.a.). .
Odgovor: 1,5%.
35. Uzorak natrija mase 0,5 g stavljen je u vodu. Ni na neutralizaciju dobivene otopine utrošeno je 29,2 g 1,5% klorovodične kiseline. Koliki je maseni udio (u postocima) natrija u uzorku?
Odgovor: 55,2%.
36. Legura bakra i aluminija obrađena je s viškom otopine natrijevog hidroksida, te je oslobođen plin volumena 1,344 litre (n.a.), ostatak nakon reakcije otopljen je u dušičnoj kiselini, zatim je otopina isparena i kalciniran do konstantne mase, što se pokazalo kao 0,4 g. sastav legure? Odgovor: 1,08 g Al 0,32 g Cu ili 77,14% Al 22,86% Cu.
37. Kolika se masa lijevanog željeza koja sadrži 94% željeza može dobiti od 1 tone crvene željezne rude (Fe2O3) koja sadrži 20% nečistoća?
Odgovor: 595,74 kg.

Metali u prirodi

Ako ste pažljivo učili kemiju u prethodnim razredima, onda znate da periodni sustav ima više od devedeset vrsta metala, a otprilike šezdeset ih se može naći u prirodno okruženje.

Metali koji se pojavljuju u prirodi mogu se grubo podijeliti u sljedeće skupine:

Metali koji se mogu naći u prirodi u slobodnom obliku;
metali koji se javljaju u obliku spojeva;
metali koji se mogu naći u mješoviti oblik, odnosno mogu biti i u slobodnom obliku i u obliku spojeva.

Za razliku od drugih kemijskih elemenata, metali se u prirodi često nalaze u obliku jednostavnih tvari. Obično imaju matičnu državu. Takvi metali, koji su predstavljeni u obliku jednostavnih tvari, uključuju zlato, srebro, bakar, platinu, živu i druge.

Ali nisu svi metali koji se nalaze u prirodnom okruženju prisutni u prirodnom stanju. Neki se metali mogu naći u obliku spojeva i nazivaju se mineralima.

Osim toga, takvi kemijski elementi kao što su srebro, živa i bakar mogu se naći iu izvornom stanju iu obliku spojeva.

Svi oni minerali iz kojih se kasnije mogu dobiti metali nazivaju se rudama. U prirodi postoje rude, koje uključuju željezo. Takva se veza naziva željezna rudača. A ako sastav sadrži bakar, ali u skladu s tim, takav se spoj naziva bakrena ruda.

Naravno, najčešći u prirodi su metali koji aktivno komuniciraju s kisikom i sumporom. Zovu se metalni oksidi i sulfidi.

Jedan takav uobičajeni element koji tvori metal je aluminij. Aluminij se nalazi u glini, a nalazi se i u dragom kamenju kao što su safir i rubin.

Drugi najpopularniji i najrašireniji metal je željezo. U prirodi se najčešće nalazi u obliku spojeva, a u prirodnom obliku može se naći samo u sastavu kamenja meteorita.

Sljedeći najčešći u prirodnom okruženju, odnosno u zemljinoj kori, su metali poput magnezija, kalcija, natrija, kalija.

Držeći kovanice u ruci, vjerojatno ste primijetili da iz njih izlazi karakterističan miris. No, pokazalo se da to nije miris metala, već miris koji dolazi od spojeva koji nastaju kada metal dođe u dodir s ljudskim znojem.

Jeste li znali da se u Švicarskoj proizvode zlatne poluge u obliku čokoladice, koje se mogu izlomiti na kriške i koristiti kao poklon ili sredstvo plaćanja? Tvrtka proizvodi takve čokoladice od zlata, srebra, platine i paladija. Ako se takva pločica razbije na kriške, svaka od njih teži samo jedan gram.

Pa ipak, takva metalna legura kao nitinol ima prilično zanimljivo svojstvo. Jedinstvena je po tome što ima učinak pamćenja i kada se zagrijava, deformirani proizvod od ove legure može se vratiti u svoj izvorni oblik. Takvi osebujni materijali s takozvanom memorijom koriste se za izradu čahura. Imaju sposobnost skupljanja na niskim temperaturama, a na sobnoj se te čahure ispravljaju i taj je spoj još pouzdaniji od zavarivanja. A taj se fenomen događa zbog činjenice da te legure imaju termoelastičnu strukturu.

Jeste li se ikada zapitali zašto je uobičajeno zlatnom nakitu dodavati slitinu srebra ili bakra? Ispostavilo se da je to zato što je čisto zlato vrlo mekano i lako se ogrebe čak i noktom.

Strukturne značajke metala određuju njihova karakteristična fizikalna svojstva.

Plastični. Tijekom deformacije (promjene oblika komada metala), ioni se samo pomiču jedan u odnosu na drugi, ali se jaz ne pojavljuje, budući da elektroni koji ih povezuju, nakon što su se pomaknuli, nastavljaju povezivati ​​između pomaknutih iona. U praksi se plastičnost očituje u tome što se metali pod udarcima čekića ne drobe u komade, već se spljoštavaju - kovaju. Najplastičniji metal je zlato: može se izvući u tanke zlatne niti, ljudskom oku nevidljive, ili smotati u najtanje prozirne listove.

Električna vodljivost se objašnjava sposobnošću elektrona da se lako kreću kroz komad metala.

Visoka toplinska vodljivost također je posljedica kretanja elektrona, budući da oni prenose toplinu na različite dijelove komada metala, zahvaljujući elektronima, metali imaju karakteristična optička svojstva neprozirnost i metalni sjaj. Metali sjaje jer reflektiraju svjetlosne zrake sa svoje površine, a ne propuštaju ih, poput stakla, i ne upijaju ih poput čađe.

U metalima se različita svojstva očituju u nejednakom stupnju. Srebro ima najbolju vodljivost, bakar je drugi po elektronskoj vodljivosti, a slijedi ga aluminij. Uz pomoć ovih metala moguće je prenijeti električna energija velike udaljenosti. Ali u elektrotehnici se kao materijali za ožičenje koriste aluminij i bakar, jer su mnogo jeftiniji od srebra.

Istim redoslijedom raspoređeni su metali po toplinskoj vodljivosti: srebro, bakar, aluminij.

Od više važna svojstva metal treba obratiti pozornost na gustoću, tvrdoću, čvrstoću i talište. Gustoća metala je to veća što je njegova relativna atomska masa veća, a radijus atoma manji, i obrnuto. Na primjer, litij ima 534 kg / m 3, a osmij ima 22 500 kg / m 3. Metali s gustoćom ispod 5000 kg / m 3 nazivaju se svjetlom: magnezij, aluminij, titan. Metali visoke gustoće: olovo, osmij.

Takva svojstva metala kao što su čvrstoća, tvrdoća i talište ovise o čvrstoći metalne veze. Ova veza je posebno jaka kod teških metala s dovršenim pretposljednjim elektronskim slojem atoma: tantal, volfram itd. Ovi se metali odlikuju visokom tvrdoćom i niskom taljivošću.

Talište metala varira od 39˚ C (živa) do 3410˚ C (volfram). Živa je jedini tekući metal.

Tvrdoća metala varira u širokom rasponu: alkalijski metali su prilično mekani, dok se tvrdi metali ne mogu brusiti.

blog.site, uz potpuno ili djelomično kopiranje materijala, veza na izvor je obavezna.

Karakteristična kemijska svojstva jednostavnih tvari – metala

Većina kemijskih elemenata klasificirana je kao metali - 92 od 114 poznatih elemenata. Metali- to su kemijski elementi, čiji atomi doniraju elektrone vanjskog (a neki - i predvanjskog) sloja elektrona, pretvarajući se u pozitivne ione. Ovo svojstvo atoma metala određeno je činjenicom da da imaju relativno velike radijuse i mali broj elektrona(uglavnom 1 do 3 na vanjskom sloju). Jedina iznimka je 6 metala: atomi germanija, kositra, olova na vanjskom sloju imaju 4 elektrona, atomi antimona i bizmuta - 5, atomi polonija - 6. Za atome metala karakteriziran niskim vrijednostima elektronegativnosti(od 0,7 do 1,9) i isključivo restorativna svojstva, tj. sposobnost davanja elektrona. U periodnom sustavu kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva metali se nalaze ispod dijagonale bor - astat, a također i iznad nje, u bočnim podskupinama. U periodama i glavnim podskupinama postoje vama poznate zakonitosti u promjeni metalnih, a time i redukcijskih svojstava atoma elemenata.

Kemijski elementi koji se nalaze u blizini dijagonale bor - astat (Be, Al, Ti, Ge, Nb, Sb, itd.), imaju dvostruka svojstva: u nekim svojim spojevima ponašaju se kao metali, u drugima pokazuju svojstva nemetala. U sekundarnim podskupinama redukcijska svojstva metala najčešće se smanjuju s povećanjem rednog broja.

Usporedite aktivnost vama poznatih metala I. skupine bočne podskupine: Cu, Ag, Au; II grupa bočne podskupine: Zn, Cd, Hg - i vidjet ćete sami. To se može objasniti činjenicom da na snagu veze valentnih elektrona s jezgrom atoma ovih metala više utječe vrijednost naboja jezgre, a ne polumjer atoma. Vrijednost naboja jezgre značajno se povećava, povećava se privlačnost elektrona prema jezgri. U ovom slučaju, iako se radijus atoma povećava, on nije toliko značajan kao kod metala glavnih podskupina.

Jednostavne tvari koje čine kemijski elementi - metali i složene tvari koje sadrže metale igraju važnu ulogu u mineralnom i organskom "životu" Zemlje. Dovoljno je podsjetiti da su atomi (ioni) metalnih elemenata sastavni dio spojeva koji određuju metabolizam u ljudskom tijelu, životinjama. Na primjer, u ljudskoj krvi pronađeno je 76 elemenata, a samo 14 od njih nisu metali.

U ljudskom organizmu neki metalni elementi (kalcij, kalij, natrij, magnezij) prisutni su u velikim količinama, odnosno spadaju u makronutrijente. A takvi metali kao što su krom, mangan, željezo, kobalt, bakar, cink, molibden prisutni su u malim količinama, tj. to su mikroelementi. Ako osoba ima 70 kg, tada njegovo tijelo sadrži (u gramima): kalcij - 1700, kalij - 250, natrij - 70, magnezij - 42, željezo - 5, cink - 3. Svi metali su izuzetno važni, javljaju se zdravstveni problemi i u njihovom manjku i višku.

Na primjer, ioni natrija reguliraju sadržaj vode u tijelu, prijenos živčanih impulsa. Njegov nedostatak dovodi do glavobolje, slabosti, lošeg pamćenja, gubitka apetita, a višak do povišenog krvnog tlaka, hipertenzije i bolesti srca.

Jednostavne tvari – metali

Razvoj proizvodnje metala (jednostavnih tvari) i legura povezan je s pojavom civilizacije (brončano doba, željezno doba). Znanstvena i tehnološka revolucija koja je započela prije otprilike 100 godina, zahvativši industriju i društvenu sferu, također je usko povezana s proizvodnjom metala. Na temelju volframa, molibdena, titana i drugih metala počele su se stvarati otporne na koroziju, supertvrde, vatrostalne legure, čija je uporaba uvelike proširila mogućnosti strojarstva. U nuklearnoj i svemirskoj tehnologiji legure volframa i renija koriste se za izradu dijelova koji rade na temperaturama do 3000 °C; u medicini se koriste kirurški instrumenti od legura tantala i platine, jedinstvena keramika na bazi titanovih i cirkonijevih oksida.

I, naravno, ne treba zaboraviti da se u većini legura koristi dobro poznato metalno željezo, a osnova mnogih lakih legura su relativno "mladi" metali - aluminij i magnezij. Kompozitni materijali postali su supernove, predstavljajući, na primjer, polimer ili keramiku, koji su iznutra (poput betona sa željeznim šipkama) ojačani metalnim vlaknima od volframa, molibdena, čelika i drugih metala, te legura - sve ovisi o cilju, svojstva materijala potrebnih za njegovo postizanje. Na slici je prikazan dijagram kristalne rešetke metalnog natrija. U njemu je svaki atom natrija okružen s osam susjeda. Atom natrija, kao i svi metali, ima mnogo slobodnih valentnih orbitala i malo valentnih elektrona. Elektronska formula atoma natrija je: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 0 3d 0, gdje 3s, 3p, 3d - valentne orbitale.

Jedini valentni elektron atoma natrija je 3s 1 mogu zauzeti bilo koju od devet slobodnih orbitala - 3s (jedan), 3p (tri) i 3d (pet), jer se ne razlikuju mnogo u energetskoj razini. Kada se atomi približavaju jedan drugome, kada se formira kristalna rešetka, valentne orbitale susjednih atoma se preklapaju, zbog čega se elektroni slobodno kreću iz jedne orbitale u drugu, stvarajući vezu između svih atoma metalnog kristala. Takva kemijska veza naziva se metalna veza.

Metalnu vezu tvore elementi čiji atomi na vanjskom sloju imaju malo valentnih elektrona u usporedbi s velikim brojem vanjskih energetski bliskih orbitala. Njihovi valentni elektroni slabo se drže u atomu. Elektroni koji provode vezu su socijalizirani i kreću se kroz kristalnu rešetku neutralnog metala kao cjeline. Tvari s metalnom vezom imaju metalne kristalne rešetke, koje se obično shematski prikazuju kao što je prikazano na slici. Metalni kationi i atomi smješteni u čvorovima kristalne rešetke osiguravaju njezinu stabilnost i čvrstoću (socijalizirani elektroni prikazani su kao male crne kuglice).

metalni spoj- ovo je veza u metalima i legurama između atoma-iona metala smještenih u čvorovima kristalne rešetke, koju provode socijalizirani valentni elektroni. Neki metali kristaliziraju u dva ili više kristalnih oblika. Ovo svojstvo tvari - da postoje u nekoliko kristalnih modifikacija - naziva se polimorfizam. Polimorfizam jednostavnih tvari poznat je kao alotropija. Na primjer, željezo ima četiri kristalne modifikacije, od kojih je svaka stabilna u određenom temperaturnom rasponu:

α - stabilan do 768 °C, feromagnetski;

β - stabilan od 768 do 910 ° C, neferomagnetičan, tj. paramagnetičan;

γ - stabilan od 910 do 1390 ° C, neferomagnetski, tj. paramagnetski;

δ - stabilan od 1390 do 1539 ° S (£ ° talina željeza), neferomagnetski.

Kositar ima dvije kristalne modifikacije:

α - stabilan ispod 13,2 ° C (p \u003d 5,75 g / cm 3). Ovo je sivi lim. Ima kristalnu rešetku kao dijamant (atomski);

β - stabilan iznad 13,2 ° C (p \u003d 6,55 g / cm 3). Ovo je bijeli lim.

Bijeli kositar je srebrnobijeli vrlo mekan metal. Kada se ohladi ispod 13,2 ° C, mrvi se u sivi prah, jer se njegov specifični volumen značajno povećava tijekom prijelaza. Taj se fenomen naziva "kositrenom kugom".

Naravno, posebna vrsta kemijske veze i vrsta kristalne rešetke metala treba odrediti i objasniti njihova fizikalna svojstva. Što su oni? To su metalni sjaj, plastičnost, visoka električna vodljivost i toplinska vodljivost, povećanje električnog otpora s povećanjem temperature, kao i značajna svojstva kao što su gustoća, visoka tališta i vrelišta, tvrdoća i magnetska svojstva. Mehaničko djelovanje na kristal s metalnom kristalnom rešetkom uzrokuje pomicanje slojeva ionskih atoma jedan u odnosu na drugi (slika 17), a budući da se elektroni kreću po kristalu, veze se ne prekidaju, stoga metale karakterizira veća plastičnost . Sličan učinak na čvrstu tvar s kovalentnim vezama (atomska kristalna rešetka) dovodi do kidanja kovalentnih veza. Pucanje veza u ionskoj rešetki dovodi do međusobnog odbijanja istonabijenih iona. Stoga su tvari s atomskom i ionskom kristalnom rešetkom krhke. Najplastičniji metali su Au, Ag, Sn, Pb, Zn. Lako se uvlače u žicu, mogu se kovati, prešati, motati u limove. Na primjer, od zlata se može napraviti zlatna folija debljine 0,003 mm, a od 0,5 g ovog metala izvući nit duljine 1 km. Čak i živa, koja je tekuća na sobnoj temperaturi, na niskim temperaturama u krutom stanju postaje savitljiva, poput olova. Samo Bi i Mn nemaju plastičnost, oni su krti.

Zašto metali imaju karakterističan sjaj, a uz to su neprozirni?

Elektroni koji ispunjavaju međuatomski prostor reflektiraju svjetlosne zrake (a ne propuštaju, kao staklo), a većina metala jednako raspršuje sve zrake vidljivog dijela spektra. Zbog toga imaju srebrnasto bijelu ili sivu boju. Stroncij, zlato i bakar više apsorbiraju kratke valne duljine (bliske ljubičastoj) i reflektiraju duge valne duljine spektra svjetlosti, pa imaju svijetložutu, žutu i "bakrenu" boju. Iako nam se u praksi metal ne čini uvijek "laganim tijelom". Prvo, njegova površina može oksidirati i izgubiti sjaj. Stoga domaći bakar izgleda poput zelenkastog kamena. ALI Drugo, a čisti metal možda neće sjajiti. Vrlo tanki listovi srebra i zlata imaju potpuno neočekivani izgled - imaju plavkasto-zelenu boju. A fini metalni prah izgleda tamnosivo, čak i crno. Najveću refleksivnost imaju srebro, aluminij, paladij. Koriste se u proizvodnji ogledala, uključujući reflektore.

Zašto metali imaju visoku električnu i toplinsku vodljivost?

Kaotično kretanje elektrona u metalu pod utjecajem primijenjenog električni napon postižu usmjereno kretanje, tj. provode električnu struju. S porastom temperature metala povećavaju se amplitude vibracija atoma i iona smještenih u čvorovima kristalne rešetke. To otežava kretanje elektrona, a električna vodljivost metala se smanjuje. Na niskim temperaturama, oscilatorno gibanje, naprotiv, znatno se smanjuje, a električna vodljivost metala naglo raste. Blizu apsolutne nule, u metalima praktički nema otpora, a većina metala postaje supravodljiva.

Treba napomenuti da nemetali s električnom vodljivošću (na primjer, grafit), na niskim temperaturama, naprotiv, ne provode električnu struju zbog odsutnosti slobodnih elektrona. I tek s povećanjem temperature i uništavanjem nekih kovalentnih veza, njihova električna vodljivost počinje rasti. Najveću električnu vodljivost imaju srebro, bakar, kao i zlato, aluminij, a najmanju mangan, olovo i živa.

Najčešće, istom pravilnošću kao i električna vodljivost, mijenja se toplinska vodljivost metala. To je zbog velike pokretljivosti slobodnih elektrona, koji, sudarajući se s vibrirajućim ionima i atomima, izmjenjuju energiju s njima. Dolazi do izjednačavanja temperature u cijelom komadu metala.

Mehanička čvrstoća, gustoća, talište metala vrlo su različiti. Štoviše, s povećanjem broja elektrona koji vežu ione-atome i smanjenjem međuatomske udaljenosti u kristalima, pokazatelji ovih svojstava se povećavaju.

Tako, alkalijski metali(Li, K, Na, Rb, Cs), čiji atomi imaju jedan valentni elektron, mekani (rezani nožem), niske gustoće (litij je najlakši metal s p \u003d 0,53 g / cm 3) i tope se na niskim temperaturama (na primjer, talište cezija je 29 ° C). Jedini metal koji je tekući u normalnim uvjetima, živa, ima talište od -38,9 °C. Kalcij, koji ima dva elektrona u vanjskoj energetskoj razini atoma, mnogo je tvrđi i tali se na višoj temperaturi (842 °C). Još je jača kristalna rešetka koju čine skandijevi ioni, koja ima tri valentna elektrona. Ali najjače kristalne rešetke, visoke gustoće i tališta uočene su u metalima sekundarnih podskupina V, VI, VII, VIII. To se objašnjava činjenicom da su metali sekundarnih podskupina koji imaju nesparene valentne elektrone na d-podrazini karakterizirani stvaranjem vrlo jakih kovalentnih veza između atoma, pored metalne, koju provode elektroni vanjskog sloja iz s -orbitale.

Najteži metal- ovo je osmij (Os) s p \u003d 22,5 g / cm 3 (komponenta supertvrdih legura otpornih na habanje), najvatrostalniji metal je volfram W s t \u003d 3420 ° C (koristi se za proizvodnju žarnih niti za svjetiljke ), najtvrđi metal - to je krom Cr (grebe staklo). Oni su dio materijala od kojih se izrađuju alati za rezanje metala, kočione pločice teških strojeva itd. Metali na različite načine stupaju u interakciju s magnetskim poljem. Metali kao što su željezo, kobalt, nikal i gadolinij ističu se svojom sposobnošću da budu jako magnetizirani. Zovu se feromagneti. Većina metala (alkalijski i zemnoalkalijski metali te znatan dio prijelaznih metala) su slabo magnetizirani i ne zadržavaju to stanje izvan magnetskog polja - to su paramagneti. Metali izbačeni magnetskim poljem su dijamagneti (bakar, srebro, zlato, bizmut).

Razmatrajući elektronsku strukturu metala, metale smo podijelili na metale glavne podskupine (s- i p-elementi) i metale sekundarne podskupine (prijelazni d- i f-elementi).

U inženjerstvu je uobičajeno klasificirati metale prema različitim fizičkim svojstvima:

1. Gustoća - svjetlost (str< 5 г/см 3) и тяжелые (все остальные).

2. Talište - topljivo i vatrostalno.

Postoje klasifikacije metala prema kemijskim svojstvima. Metali niske reaktivnosti nazivaju se plemenita(srebro, zlato, platina i njegovi analozi - osmij, iridij, rutenij, paladij, rodij). Prema bliskosti kemijskih svojstava razlikuju se alkalni(metali glavne podskupine grupe I), zemno alkalna(kalcij, stroncij, barij, radij), kao i metali rijetke zemlje(skandij, itrij, lantan i lantanidi, aktinij i aktinidi).

Opća kemijska svojstva metala

Metalni atomi su relativno laki donirati valentne elektrone te prelaze u pozitivno nabijene ione, odnosno oksidiraju se. Ovo je glavno zajedničko svojstvo i atoma i jednostavnih tvari - metala. Metali su u kemijskim reakcijama uvijek redukcijski agensi. Reducirajuća sposobnost atoma jednostavnih tvari - metala, formiranih od kemijskih elemenata jedne periode ili jedne glavne podskupine periodnog sustava D. I. Mendeljejeva, prirodno se mijenja.

Reducirajuća aktivnost metala u kemijskim reakcijama koje se odvijaju u vodenim otopinama odražava njegov položaj u elektrokemijskom nizu metalnih napona.

Na temelju ovog niza napona mogu se izvući sljedeći važni zaključci o kemijskoj aktivnosti metala u reakcijama koje se odvijaju u vodenim otopinama pod standardnim uvjetima (t = 25 °C, p = 1 atm).

· Što je metal dalje lijevo u ovom redu, to je jači redukcijski agens.

· Svaki metal je u stanju istisnuti (obnoviti) iz soli u otopini one metale koji su iza njega (desno) u nizu napona.

· Metali koji su u nizu napona lijevo od vodika mogu ga istisnuti iz kiselina u otopini

· Metali, koji su najjači redukcijski agensi (alkalijski i zemnoalkalijski), u svim vodenim otopinama stupaju u interakciju prvenstveno s vodom.

Reducirajuća aktivnost metala, određena iz elektrokemijske serije, ne odgovara uvijek njegovom položaju u periodnom sustavu. To se objašnjava činjenicom da se pri određivanju položaja metala u nizu napona uzima u obzir ne samo energija odvajanja elektrona od pojedinih atoma, već i energija utrošena na razaranje kristalne rešetke, kao kao i energija koja se oslobađa tijekom hidratacije iona. Na primjer, litij je aktivniji u vodenim otopinama od natrija (iako je Na aktivniji metal s obzirom na njegov položaj u periodnom sustavu). Činjenica je da je energija hidratacije Li + iona znatno veća od energije hidratacije Na + , pa je prvi proces energetski povoljniji. Nakon što smo razmotrili opće odredbe koje karakteriziraju redukcijska svojstva metala, prelazimo na specifične kemijske reakcije.

Međudjelovanje metala s nemetalima

· Većina metala stvara okside s kisikom.- osnovni i amfoterni. Oksidi kiselinskih prijelaznih metala, kao što je kromov oksid (VI) CrO g ili manganov oksid (VII) Mn 2 O 7 , ne nastaju izravnom oksidacijom metala s kisikom. Dobivaju se posredno.

Alkalijski metali Na, K aktivno reagiraju s atmosferskim kisikom, stvarajući perokside:

Natrijev oksid se dobiva neizravno, kalciniranjem peroksida s odgovarajućim metalima:

Litij i zemnoalkalijski metali u interakciji s atmosferskim kisikom tvore osnovne okside:

Ostali metali, osim metala zlata i platine, koji uopće nisu oksidirani atmosferskim kisikom, s njim djeluju manje aktivno ili kada se zagrijavaju:

· S halogenima metali tvore soli halogenovodičnih kiselina, na primjer:

· Najaktivniji metali tvore hidride s vodikom.- ionske soli slične tvari u kojima vodik ima oksidacijsko stanje -1, na primjer:

Mnogi prijelazni metali s vodikom tvore hidride posebne vrste – kao da se vodik otapa ili uvodi u kristalnu rešetku metala između atoma i iona, pri čemu metal zadržava svoj izgled, ali se povećava u volumenu. Apsorbirani vodik je u metalu, očito, u atomskom obliku.

Postoje i intermedijarni metalni hidridi.

· IZ sivi metali tvore soli – sulfide, na primjer:

· Metali teže reagiraju s dušikom., budući da je kemijska veza u molekuli dušika N 2 vrlo jaka; u tom slučaju nastaju nitridi. Na normalnoj temperaturi samo litij stupa u interakciju s dušikom:

Međudjelovanje metala sa složenim tvarima

· S vodom. Alkalijski i zemnoalkalijski metali u normalnim uvjetima istiskuju vodik iz vode i tvore topljive baze - lužine, npr.

I drugi metali, stojeći u nizu napona do vodika, mogu pod određenim uvjetima istisnuti vodik iz vode. Ali aluminij nasilno stupa u interakciju s vodom samo ako se s njegove površine ukloni oksidni film:

Magnezij stupa u interakciju s vodom samo pri vrenju, a oslobađa se i vodik:

Ako se gorući magnezij doda vodi, tada se izgaranje nastavlja, jer reakcija teče:

Željezo stupa u interakciju s vodom samo u vrućem obliku:

· S kiselinama u otopini (HCl, H 2 TAKO 4 ), CH 3 COOH i drugi, osim HNO 3 ) međusobno djeluju metali koji stoje u nizu napona do vodika. Ovo proizvodi sol i vodik.

Ali olovo (i neki drugi metali), unatoč svom položaju u nizu napona (lijevo od vodika), gotovo se ne otapa u razrijeđenoj sumpornoj kiselini, budući da je nastali olovni sulfat PbSO 4 netopljiv i stvara zaštitni film na metalu površinski.

· Sa solima manje aktivnih metala u otopini. Kao rezultat takve reakcije nastaje sol aktivnijeg metala, a manje aktivan metal se oslobađa u slobodnom obliku.

Mora se zapamtiti da se reakcija odvija u slučajevima kada je nastala sol topljiva. Istiskivanje metala iz njihovih spojeva drugim metalima prvi je detaljno proučavao N. N. Beketov, veliki ruski fizikalno-kemijski znanstvenik. Rasporedio je metale prema njihovoj kemijskoj aktivnosti u "seriju pomaka", koja je postala prototip niza metalnih naprezanja.

s organskim tvarima. Interakcija s organskim kiselinama slična je reakcijama s mineralnim kiselinama. Alkoholi, s druge strane, mogu pokazivati ​​slaba kisela svojstva u interakciji s alkalnim metalima:

Fenol reagira slično:

Metali sudjeluju u reakcijama s haloalkanima, koji se koriste za dobivanje nižih cikloalkana i za sinteze, pri čemu ugljikov kostur molekule postaje složeniji (reakcija A. Wurtz):

· Metali, čiji su hidroksidi amfoterni, stupaju u interakciju s alkalijama u otopini. Na primjer:

Metali mogu međusobno tvoriti kemijske spojeve koji se zajednički nazivaju intermetalni spojevi. Najčešće ne pokazuju oksidacijska stanja atoma, koja su karakteristična za spojeve metala s nemetalima. Na primjer:

Cu 3 Au, LaNi 5 , Na 2 Sb, Ca 3 Sb 2 itd.

Intermetalni spojevi obično nemaju stalan sastav, kemijska veza u njima je uglavnom metalna. Stvaranje ovih spojeva je tipičnije za metale sekundarnih podskupina.

Metali glavnih podskupina skupina I-III periodnog sustava kemijskih elemenata D. I. Mendelejeva

opće karakteristike

To su metali glavne podskupine I. skupine. Njihovi atomi na vanjskoj energetskoj razini imaju po jedan elektron. alkalijski metali - jaka redukcijska sredstva. Njihova redukcijska moć i reaktivnost rastu kako se povećava atomski broj elementa (tj. od vrha prema dolje u periodnom sustavu elemenata). Svi oni imaju elektronska vodljivost. Snaga veze između atoma alkalijskih metala opada s porastom atomskog broja elementa. Također im se smanjuju talište i vrelište. Alkalijski metali stupaju u interakciju s mnogim jednostavnim tvarima - oksidansi. U reakcijama s vodom stvaraju u vodi topljive baze (lužine). zemnoalkalijski elementi nazivaju se elementi glavne podskupine II skupine. Atomi ovih elemenata sadrže na vanjskoj energetskoj razini dva elektrona. Oni su najjači obnovitelji, imaju oksidacijsko stanje +2. U ovoj glavnoj podskupini, opći obrasci u promjeni fizikalnih i kemijskih svojstava povezanih s povećanjem veličine atoma u skupini od vrha prema dnu, kemijska veza između atoma također slabi. Povećanjem veličine iona povećavaju se kisela i bazična svojstva oksida i hidroksida.

Glavna podskupina Grupa III Elementi su bor, aluminij, galij, indij i talij. Svi elementi su p-elementi. Na vanjskoj energetskoj razini imaju tri (s 2 str 1 ) elektronšto objašnjava sličnost svojstava. +3 oksidacijsko stanje. Unutar skupine, kako se nuklearni naboj povećava, metalna svojstva se povećavaju. Bor je nemetalni element, dok aluminij već ima metalna svojstva. Svi elementi tvore okside i hidrokside.

Većina metala nalazi se u podskupinama periodnog sustava elemenata. Za razliku od elemenata glavnih podskupina, gdje dolazi do postupnog punjenja elektronima vanjska razina atomske orbitale, d-orbitale pretposljednje energetske razine i s-orbitale posljednje popunjene su elementima bočnih podskupina. Broj elektrona odgovara broju grupe. Elementi sa jednak broj valentni elektroni su uključeni u grupu pod istim brojem. Svi elementi podskupina su metali.

Jednostavne tvari sastavljene od metala podskupine imaju jake kristalne rešetke koje su otporne na toplinu. Ovi metali su najtrajniji i vatrostalni među ostalim metalima. Kod d-elemenata jasno se očituje prijelaz s povećanjem njihove valencije od bazičnih svojstava preko amfoternih do kiselih svojstava.

Alkalijski metali (Na, K)

Na vanjskoj energetskoj razini atomi alkalijskih metala elemenata sadrže jednim elektronom koji se nalazi na velikoj udaljenosti od jezgre. Oni lako doniraju ovaj elektron, stoga su jaki redukcijski agensi. U svim spojevima, alkalijski metali pokazuju oksidacijsko stanje +1. Njihova redukcijska svojstva rastu s povećanjem atomskog radijusa od Li do Cs. Svi su tipični metali, srebrno-bijele su boje, mekani su (režu se nožem), lagani i topljivi. Aktivno komunicirajte sa svima nemetali:

Svi alkalijski metali reagiraju s kisikom (osim Li) i stvaraju perokside. Alkalijski metali se ne nalaze u slobodnom obliku zbog svoje visoke reaktivnosti.

oksidi - čvrste tvari, imaju osnovna svojstva. Dobivaju se kalciniranjem peroksida s odgovarajućim metalima:

Hidroksidi NaOH, KOH- čvrste bijele tvari, higroskopne, dobro se otapaju u vodi uz oslobađanje topline, svrstavaju se u lužine:

Soli alkalnih metala gotovo su sve topive u vodi. Najvažniji od njih: Na 2 CO 3 - natrijev karbonat; Na 2 CO 3 10H 2 O - kristalna soda; NaHCO 3 - natrijev bikarbonat, soda bikarbona; K 2 CO 3 - kalijev karbonat, potaša; Na 2 SO 4 10H 2 O - Glauberova sol; NaCl - natrijev klorid, jestiva sol.

Elementi I. skupine u tablicama

Zemnoalkalijski metali (Ca, Mg)

Kalcij (Ca) je predstavnik zemnoalkalijski metali, koji se nazivaju elementi glavne podskupine II skupine, ali ne svi, već samo počevši od kalcija pa nizbrdo. To su oni kemijski elementi koji, u interakciji s vodom, tvore lužine. Kalcij na vanjskoj energetskoj razini sadrži dva elektrona, oksidacijsko stanje +2.

Fizikalna i kemijska svojstva kalcija i njegovih spojeva prikazana su u tablici.

magnezij (Mg) ima istu atomsku strukturu kao kalcij, njegovo oksidacijsko stanje je također +2. Mekani metal, ali njegova je površina prekrivena zaštitnim filmom na zraku, što malo smanjuje kemijsku aktivnost. Njegovo gorenje prati zasljepljujući bljesak. MgO i Mg(OH) 2 pokazuju osnovna svojstva. Iako je Mg (OH) 2 slabo topljiv, oboji otopinu fenolftaleina u grimizno.

Mg + O 2 \u003d MgO 2

MO oksidi su čvrste bijele vatrostalne tvari. U inženjerstvu se CaO naziva živo vapno, a MgO se naziva spaljeni magnezij, ti se oksidi koriste u proizvodnji građevinskih materijala. Reakcija kalcijevog oksida s vodom praćena je oslobađanjem topline i naziva se gašenje vapna, a nastali Ca (OH) 2 naziva se gašeno vapno. Prozirna otopina kalcijeva hidroksida naziva se vapnena voda, a bijela suspenzija Ca (OH) 2 u vodi vapneno mlijeko.

Magnezijeve i kalcijeve soli dobivaju se reakcijom s kiselinama.

CaCO 3 - kalcijev karbonat, kreda, mramor, vapnenac. Koristi se u građevinarstvu. MgCO 3 - magnezijev karbonat - koristi se u metalurgiji za oslobađanje troske.

CaSO 4 2H 2 O - gips. MgSO 4 - magnezijev sulfat - zvan gorka, ili engleska sol, nalazi se u morskoj vodi. BaSO 4 – barijev sulfat – zbog netopljivosti i sposobnosti zadržavanja X-zrake koristi se u dijagnostici ("baritna kaša") gastrointestinalnog trakta.

Kalcij čini 1,5% tjelesne težine čovjeka, 98% kalcija nalazi se u kostima. Magnezij je bioelement, ima ga oko 40 g u ljudskom tijelu, uključen je u stvaranje proteinskih molekula.

Zemnoalkalijski metali u tablicama

Aluminij

Aluminij (Al)- element glavne podskupine III skupine periodnog sustava D. I. Mendelejeva. Atom aluminija sadrži na vanjskoj energetskoj razini tri elektrona, koje lako odustaje tijekom kemijskih interakcija. Predak podskupine i gornji susjed aluminija - bor - ima manji atomski radijus (za bor je 0,080 nm, za aluminij je 0,143 nm). Osim toga, atom aluminija ima jedan međusloj od osam elektrona (2e; 8e; 3e), koji sprječava širenje vanjskih elektrona do jezgre. Stoga su redukcijska svojstva atoma aluminija dosta izražena.

U gotovo svim svojim spojevima aluminij ima oksidacijsko stanje +3.

Aluminij je jednostavna tvar

Srebrnasto bijeli laki metal. Topi se na 660 °C. Vrlo je plastičan, lako se uvlači u žicu i smota u foliju debljine do 0,01 mm. Ima vrlo visoku električnu i toplinsku vodljivost. Oni tvore lake i čvrste legure s drugim metalima. Aluminij je vrlo aktivan metal. Ako se aluminijski prah ili tanka aluminijska folija jako zagriju, oni zapaliti i gorjeti zasljepljujućim plamenom:

Ova reakcija se može primijetiti prilikom paljenja prskalica i vatrometa. Aluminij, kao i svi metali, lako reagira s nemetalima posebno u obliku praha. Da bi reakcija započela, potrebno je početno zagrijavanje, osim reakcija s halogenima - klorom i bromom, no tada sve reakcije aluminija s nemetalima teku vrlo brzo i praćene su oslobađanjem velike količine topline. :

Aluminij dobro se otapa u razrijeđenoj sumpornoj i solnoj kiselini:

Ali koncentrirana sumporna i dušična kiselina pasiviraju aluminij, formirajući se na metalnoj površini gusti jaki oksidni film, što sprječava daljnju reakciju. Stoga se te kiseline prevoze u aluminijskim cisternama.

Aluminijev oksid i hidroksid su amfoterni, dakle, aluminij se otapa u vodenim otopinama lužina, tvoreći soli - aluminate:

Aluminij se široko koristi u metalurgiji za dobivanje metala - kroma, mangana, vanadija, titana, cirkonija iz njihovih oksida. Ova metoda se naziva aluminotermija. U praksi se često koristi termit - mješavina Fe 3 O 4 s aluminijskim prahom. Ako se ova smjesa zapali, na primjer, magnezijskom trakom, tada dolazi do snažne reakcije s oslobađanjem veliki broj toplina:

Oslobođena toplina sasvim je dovoljna za potpuno taljenje dobivenog željeza, pa se ovaj postupak koristi za zavarivanje čeličnih proizvoda.

Aluminij se može dobiti elektrolizom - razgradnjom taline njegovog oksida Al 2 O 3 na sastavne dijelove pomoću električne struje. Ali talište aluminijevog oksida je oko 2050 ° C, tako da je potrebno mnogo energije za provođenje elektrolize.

Spojevi aluminija

Aluminosilikati. Ovi se spojevi mogu smatrati solima koje formiraju glinica, silicij, alkalijski i zemnoalkalijski metali. Oni čine najveći dio zemljine kore. Konkretno, aluminosilikati su dio feldspata, najčešćih minerala i glina.

Boksit- stijena iz kojih se dobiva aluminij. Sadrži aluminijev oksid Al 2 O 3 .

Korund- mineral sastava Al 2 O 3, ima vrlo visoku tvrdoću, njegova fino zrnata sorta koja sadrži nečistoće - šmirgl, koristi se kao abrazivni (brusni) materijal. Istu formulu ima još jedan prirodni spoj - glinica.

Poznati su prozirni, nečistoćama obojeni kristali korunda: crveni - rubini i plavi - safiri, koji se koriste kao drago kamenje. Trenutno se dobivaju umjetno i koriste se ne samo za nakit, već i za tehničke svrhe, na primjer, za izradu dijelova satova i drugih preciznih instrumenata. Kristali rubina koriste se u laserima.

Aluminijev oksid Al 2 O 3 - bijela tvar s vrlo visokim talištem. Može se dobiti zagrijavanjem razgradnjom aluminijevog hidroksida:

Aluminijev hidroksid Al(OH) 3 taloži se kao želatinasti talog pod djelovanjem lužina na otopine aluminijevih soli:

Kako amfoterni hidroksid lako se otapa u otopinama kiselina i lužina:

Aluminati nazivaju soli nestabilnih aluminijevih kiselina - ortoaluminij H 2 AlO 3, metaaluminij HAlO 2 (može se smatrati ortoaluminijevom kiselinom, iz čije je molekule oduzeta molekula vode). Prirodni aluminati uključuju plemeniti spinel i dragocjeni krizoberil. Aluminijeve soli, osim fosfata, vrlo su topive u vodi. Neke soli (sulfidi, sulfiti) se razgrađuju vodom. Aluminijev klorid AlCl 3 koristi se kao katalizator u proizvodnji mnogih organskih tvari.

Elementi grupe III u tablicama

Karakteristike prijelaznih elemenata - bakar, cink, krom, željezo

Bakar (Cu)- element sekundarne podskupine prve skupine. Elektronička formula: (…3d 10 4s 1). Deseti d-elektron je mobilan, jer je prešao sa podrazine 4S. Bakar u spojevima pokazuje oksidacijska stanja +1 (Cu 2 O) i +2 (CuO). Bakar je svijetloružičasti metal, kovak, viskozan i izvrstan vodič električne energije. Talište 1083 °C.

Kao i drugi metali podskupine I skupine I periodnog sustava, bakar je u nizu aktivnosti desno od vodika i ne istiskuje ga iz kiselina, već reagira s oksidirajućim kiselinama:

Pod djelovanjem lužina na otopine se talože bakrene soli slab temelj plava boja- bakrov (II) hidroksid, koji se zagrijavanjem raspada na bazični crni oksid CuO i vodu:

Kemijska svojstva bakra u tablicama

cink (Zn)- element sekundarne podskupine skupine II. Njegova elektronička formula je sljedeća: (…3d 10 4s 2). Budući da je pretposljednja d-podrazina u atomima cinka potpuno završena, cink u spojevima pokazuje oksidacijsko stanje +2.

Cink je srebrnobijeli metal, praktički nepromijenjen na zraku. Ima otpornost na koroziju, što se objašnjava prisutnošću oksidnog filma na njegovoj površini. Cink je jedan od najaktivnijih metala, na povišenim temperaturama reagira s jednostavnim tvarima:

istiskuje vodik iz kiselina:

Cink, kao i drugi metali, istiskuje manje aktivnih metala iz njihovih soli:

Zn + 2AgNO 3 \u003d 2Ag + Zn (NO 3) 2

Cinkov hidroksid amfoteren, tj. pokazuje svojstva i kiselina i baza. Postupnim dodavanjem otopine lužine u otopinu cinkove soli, talog koji se istaložio na početku se otapa (slično se događa i s aluminijem):

Kemijska svojstva cinka u tablicama

Na primjer krom (Cr) može se pokazati da svojstva prijelaznih elemenata ne mijenjaju se temeljno tijekom perioda: događa se kvantitativna promjena povezana s promjenom broja elektrona u valentnim orbitalama. Maksimalno oksidacijsko stanje kroma je +6. Metal u seriji aktivnosti nalazi se lijevo od vodika i istiskuje ga iz kiselina:

Kada se takvoj otopini doda otopina lužine, nastaje talog Me (OH). 2 , koji se brzo oksidira atmosferskim kisikom:

Poklapa se amfoterni oksid Cr2O3. Kromov oksid i hidroksid (u najviši stupanj oksidacija) pokazuju svojstva kiseli oksidi odnosno kiseline. Soli kromne kiseline (H 2 CrO 4 ) u kiseloj sredini prelaze u dikromate- soli dikromne kiseline (H 2 Cr 2 O 7). Spojevi kroma imaju veliku oksidacijsku moć.

Kemijska svojstva kroma u tablicama

Željezo Fe- element bočne podskupine VIII skupine i 4. razdoblja periodnog sustava D. I. Mendelejeva. Atomi željeza raspoređeni su nešto drugačije od atoma elemenata glavnih podskupina. Kako i priliči elementu 4. perioda, atoma željeza ima četiri razine energije, ali od njih se ne popunjava zadnja, već pretposljednja, treća od temelja, razina. Na posljednjoj razini atomi željeza sadrže dva elektrona. Na pretposljednjoj razini, koja može primiti 18 elektrona, atom željeza ima 14 elektrona. Prema tome, raspodjela elektrona po razinama u atomima željeza je sljedeća: 2e; 8e; 14.; 2e. Kao i svi metali atomi željeza pokazuju redukcijska svojstva, dajući tijekom kemijskih interakcija ne samo dva elektrona s posljednje razine, i stječući oksidacijsko stanje +2, već i elektron s pretposljednje razine, dok oksidacijsko stanje atoma raste do +3.

Željezo je jednostavna tvar

To je srebrno-bijeli sjajni metal s talištem od 1539°C. Vrlo plastičan, stoga se lako obrađuje, kuje, valja, štanca. Željezo ima sposobnost magnetiziranja i demagnetiziranja. Može mu se dati veća čvrstoća i tvrdoća toplinskim i mehaničkim metodama. Postoji tehnički čisto i kemijski čisto željezo. Tehnički čisto željezo, naime, je niskougljični čelik, sadrži 0,02-0,04% ugljika, a još manje kisika, sumpora, dušika i fosfora. Kemijski čisto željezo sadrži manje od 0,01% nečistoća. Od tehnički čistog željeza izrađuju se, primjerice, spajalice i gumbi. Takvo željezo lako korodira, dok kemijski čisto željezo teško korodira. Danas je željezo temelj suvremene tehnologije i poljoprivredne tehnike, prometa i komunikacija, svemirski brodovi i uopće cijele moderne civilizacije. Većina predmeta, od igala za šivanje do svemirskih letjelica, ne može se izraditi bez upotrebe željeza.

Kemijska svojstva željeza

Željezo može pokazivati ​​+2 i +3 oksidacijska stanja, odnosno, željezo daje dvije serije spojeva. Broj elektrona koje atom željeza preda tijekom kemijskih reakcija ovisi o oksidacijskoj sposobnosti tvari koje s njim reagiraju.

Na primjer, željezo s halogenima stvara halogenide u kojima ima oksidacijsko stanje +3:

a sa sumporom - željezo (II) sulfid:

Vruće željezo gori u kisiku uz stvaranje kamenca željeza:

Na visokoj temperaturi (700-900 °C) glačati reagira s vodenom parom:

U skladu s položajem željeza u elektrokemijskom nizu napona, ono može istisnuti metale desno od sebe iz vodenih otopina njihovih soli, na primjer:

Željezo se otapa u razrijeđenoj solnoj i sumpornoj kiselini., tj. oksidiran vodikovim ionima:

Željezo se otapa u razrijeđenoj dušičnoj kiselini, dok nastaje željezov (III) nitrat, voda i produkti redukcije dušične kiseline - N 2 , NO ili NH 3 (NH 4 NO 3) ovisno o koncentraciji kiseline.

Spojevi željeza

U prirodi željezo tvori brojne minerale. to magnetska željezna rudača(magnetit) Fe 3 O 4, crvena željezna ruda (hematit) Fe 2 O 3, smeđa željezna ruda (limonit) 2Fe 2 O 3 3H 2 O. Drugi prirodni spoj željeza je željezo, odnosno sumpor, pirit (pirit) FeS 2, ne služi kao željezna ruda za proizvodnju metala, već se koristi za proizvodnju sumporne kiseline.

Željezo karakteriziraju dva niza spojeva: spojevi željeza (II) i željeza (III).Željezov oksid (II) FeO i odgovarajući željezov hidroksid (II) Fe (OH) 2 dobivaju se neizravno, posebno kroz sljedeći lanac transformacija:

Oba spoja imaju izražena bazična svojstva.

Željezo(II) kationi Fe 2 + lako se oksidira atmosferskim kisikom u željezo (III) Fe katione 3 + . Stoga bijeli talog željezovog (II) hidroksida postaje zelen, a zatim postaje smeđi, pretvarajući se u željezov (III) hidroksid:

Željezov(III) oksid Fe 2 O 3 a odgovarajući željezov (III) hidroksid Fe (OH) 3 također se dobiva neizravno, na primjer, duž lanca:

Od soli željeza najveći tehnički značaj imaju sulfati i kloridi.

Željezo (II) sulfat kristalno hidrat FeSO 4 7H 2 O, poznat kao željezni vitriol, koristi se za suzbijanje biljnih štetnika, za pripremu mineralnih boja i za druge svrhe. Željezov klorid (III) FeCl 3 koristi se kao sredstvo za bojenje tkanina. Željezni sulfat (III) Fe 2 (SO 4) 3 9H 2 O koristi se za pročišćavanje vode i u druge svrhe.

Fizička i kemijska svojstva željeza i njegovih spojeva sažeta su u tablici:

Kemijska svojstva željeza u tablicama

Kvalitativne reakcije na ione Fe 2+ i Fe 3+

Za prepoznavanje spojeva željeza (II) i (III). provode kvalitativne reakcije na Fe ione 2+ i Fe 3+ . Kvalitativna reakcija na ione Fe 2+ je reakcija soli željeza (II) sa spojem K 3, koji se naziva crvena krvna sol. Ovo je posebna skupina soli, koje se nazivaju kompleksne, s njima ćete se kasnije upoznati. U međuvremenu morate naučiti kako se takve soli disociraju:

Reagens za Fe 3+ ione je još jedan složeni spoj - žuta krvna sol - K 4, koja u otopini disocira na sličan način:

Ako se otopine crvene krvne soli (reagens za Fe 2+) i žute krvne soli (reagens za Fe 3+) dodaju otopinama koje sadrže Fe 2+ i Fe 3+ ione, tada će u oba slučaja nastati isti plavi talog. oblik:

Za detekciju Fe 3+ iona također se koristi interakcija soli željeza (III) s kalijevim tiocijanatom KNCS ili amonijevim NH 4 NCS. U tom slučaju nastaje jarko obojen FeNCNS 2+ ion, zbog čega cijela otopina poprima intenzivno crvenu boju:

Tablica topljivosti

Velika većina jednostavnih tvari su metali. Fizički svojstva metala- ovo je neprozirnost, specifičan "metalni" sjaj, visoka toplinska i električna vodljivost, kao i plastičnost. Upravo zahvaljujući tim svojstvima metali su igrali odlučujuću ulogu u povijesti čovječanstva.

Koji je razlog zašto metali imaju ta svojstva i zašto se toliko razlikuju od nemetala? Periodični zakon a teorija strukture atoma objasnila je strukturu i svojstva metala. Pokazalo se da metalna svojstva elemenata zbog elektronička struktura njihovi atomi.

Metali s vanjske strane elektronske ljuske imaju 1-4 elektrona. Ovi elektroni su pokretni, jer ih jezgra slabo privlači. Time se metali lako odriču svih ili dijela svojih vanjskih elektrona, uslijed čega nastaju pozitivno nabijeni ioni - kationi. Što metali lakše gube svoje elektrone, to su oni aktivniji i njihova metalna svojstva su izraženija.

U atomima nemetala postoji mnogo 4-8 elektrona na vanjskim elektronskim ljuskama, s izuzetkom vodika (1) i bora (3). Te elektrone jako privlači jezgra i stoga ih je vrlo teško otrgnuti od atoma. Ali atomi nemetala mogu vezati višak elektrona i pretvoriti se u negativno nabijene ione - anione.

Svi metali, osim tekućine, u normalnim su uvjetima čvrsti i imaju kristalna struktura. Svojstva metala usko su povezana s njihovom strukturom. Atomi i ioni (kationi) nalaze se u čvorovima kristalne rešetke, a broj iona i elektrona u kristalima različitih metala nije isti. Vanjski elektroni, budući da su pokretni i slabo ih privlače jezgre, tvore takozvani "elektronski plin" koji "luta" između iona u kristalu. "Elektronski plin" ne pripada pojedinačnim ionima, već kristalu kao cjelini. Prisutnošću takvih mobilnih elektrona u kristalnoj rešetki metala može se objasniti njihova visoka električna i toplinska vodljivost. "Elektronički plin" dobro odbija svjetlost (dakle, metali su neprozirni i imaju karakterističan sjaj), kao i kratke radio valove. Posljednje svojstvo metala je osnova radara.

Metali se mogu kovati, a njihova sposobnost istezanja objašnjava se klizanjem (kretanjem) nekih slojeva iona u odnosu na druge.

Kao što je već navedeno, što metali lakše predaju svoje valentne elektrone, to su oni aktivniji i, prema tome, lakše ulaze u kemijske reakcije. Aktivniji metali istiskuju manje aktivne iz svojih spojeva. Osim toga, mnogi metali istiskuju vodik iz nekih kiselina, kao i iz vode. Na temelju toga se svi metali mogu poredati u takozvani niz aktivnosti, odnosno elektrokemijski niz napona.

Platinasti metali, zlato i srebro odavno se nazivaju plemenitim. Oni su kemijski prilično inertni, pa stoga ne reagiraju niti s vodom niti s mnogim kiselinama. Titan, cirkonij, hafnij, niobij, tantal, molibden, volfram i renij, koji su također kemijski pasivni, ponašaju se kao plemeniti metali. Otporni su na toplinu i imaju izvrsne mehanička svojstva. Zato sviraju ovi metali i njihove legure golema uloga u modernom zrakoplovstvu, raketnoj znanosti i nuklearnoj energiji.

stranica 2

Željezo, bakar i aluminij imaju karakterističan metalni sjaj.

Proučavajući krutine koje nemaju karakterističan metalni sjaj, uočavamo da im je električna vodljivost vrlo niska. Tu spadaju tvari koje nazivamo ionskim - natrijev klorid, kalcijev klorid, srebrov nitrat i srebrov klorid, kao i molekularni kristali, poput leda. Led prikazan na Sl. 5 - 3, sastoji se od istih molekula koje postoje u plinovitoj fazi, ali raspoređenih u kristalnu rešetku. Ovi loši vodiči električne struje vrlo se razlikuju od metala u gotovo svim svojstvima. Dakle, električna vodljivost može se koristiti za klasifikaciju tvari, što je jedno od najrazumnijih.

Metalima se nazivaju jednostavne kristalne tvari koje imaju karakterističan metalni sjaj, dobro provode toplinu i električnu struju, mogu promijeniti svoj oblik pod djelovanjem vanjskih sila i zadržati ga nakon uklanjanja opterećenja bez ikakvih znakova razaranja. Od ukupnog broja trenutno poznatih kemijskih elemenata, osamdeset elemenata su metali. Najčešći metali u zemljinoj kori u obliku kemijski spojevi su aluminij, željezo, magnezij, kalij, natrij i kalcij. čisti metali imaju ograničenu primjenu u tehnologiji, budući da su u prirodi izuzetno rijetki, a njihova proizvodnja iz kemijskih spojeva (ruda) povezana je s velikim poteškoćama.

Kao rezultat vodikove korozije, površina čelika gubi svoj karakterističan metalni sjaj i postaje mat.

Polimeri su fino dispergirani obojeni prahovi s karakterističnim metalnim sjajem, topljivi samo u koncentriranoj sumpornoj kiselini.

Svi d - elementi su metali karakterističnog metalnog sjaja. U usporedbi sa s-metalima, njihova čvrstoća je mnogo veća.

Neotopljeni jod stvara jasno vidljiv film s karakterističnim metalnim sjajem (pliva na površini otopine) ili se skuplja na dnu tikvice u obliku crnih čestica. Budući da je otopina joda obojena intenzivno crveno i gotovo neprozirno, potrebno ju je vrlo pažljivo ispitati, držeći tikvicu uz jaku električnu lampu koja visi na stropu. Da biste to učinili, morate stajati ispod svjetiljke, držeći tikvicu za grlo u nagnutom položaju između svjetiljke i lica i pokušati u njoj vidjeti svijetlu sliku svjetiljke. Na takvoj pozadini jasno su vidljivi neotopljeni kristali joda. Tada će se kristali obje tvari skupiti na jedno mjesto i oko kristala joda stvorit će se zona koncentrirane otopine KJ u kojoj će se jod brzo otopiti.

Svi alkalijski metali su tvari srebrnastobijele boje, karakterističnog metalnog sjaja, dobre električne i toplinske vodljivosti, niske temperature tališta i relativno niskih vrelišta, male gustoće i velikog volumena atoma. U parovitom stanju njihove su molekule jednoatomne; ioni su bezbojni.

Izgledom tamnoljubičasti, gotovo crni kristali s karakterističnim metalnim sjajem. Dobro se otapa u vodi. Kalijev permanganat je jedno od jakih oksidansa, što je razlog njegovih dezinfekcijskih svojstava.