Metali koji ne sjaje. Metode dobivanja metala

Znate da je većina kemijskih elemenata klasificirana kao metali - 92 od 114 poznatih elemenata.

Metali - ovo je kemijski elementi, čiji atomi doniraju elektrone iz vanjskog (i neki iz predvanjskog) 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) na vanjskom sloju.

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 bočnim 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.

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 (none) metalnih elemenata sastavni dio spojeva koji određuju metabolizam u tijelu ljudi, životinja i biljaka.

Na primjer, ioni natrija reguliraju sadržaj vode u tijelu, prijenos živčani impuls. 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).

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 se elektroni slobodno kreću od jedne do druge orbitale, 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 smještene u čvorovima njihove kristalne rešetke, osiguravajući njenu stabilnost i snagu (zajednički elektroni prikazani su kao crne male kuglice).
Metalna veza je veza u metalima i legurama između metalnih atoma-iona 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 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 kristalna rešetka vrsta dijamanta (atomski):
. 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 ih odrediti i objasniti. fizička 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 i 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 utjecaj na čvrsta s kovalentnim vezama (atomska kristalna rešetka) dovodi do pucanja kovalentne veze. Pucanje veza u ionskoj rešetki dovodi do međusobnog odbijanja istonabijenih iona (slika 40). Stoga su tvari s atomskom i ionskom kristalnom rešetkom krhke.

Najplastičniji 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, niske temperature ja čvrsto stanje postaje savitljivo 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 (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 više apsorbirati kratke valove (blizu ljubičasta) i reflektiraju velike valne duljine svjetlosnog spektra, pa 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, i čisti metal možda neće svijetliti. 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?

Elektroni koji se kaotično kreću u metalu pod utjecajem primijenjenog električnog napona poprimaju usmjereno gibanje, odnosno provode električnu struju. 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. U blizini apsolutne nule, u metalima praktički nema otpora, a supravodljivost se pojavljuje u većini metala.

Treba napomenuti da nemetali s električnom vodljivošću (na primjer, grafit), na niskim temperaturama, naprotiv, ne provode električnu struju zbog nedostatka slobodni elektroni. 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 elektrona koji vežu ione-atome i smanjenjem međuatomske udaljenosti u kristalima, pokazatelji ovih svojstava se povećavaju.

Tako, alkalijski metali, čiji atomi imaju jedan valentni elektron, mekani su (režu se nožem), male gustoće (litij je najlakši metal s p - 0,53 g/cm3) i tale se kad ne visoke temperature(na primjer, točka taljenja cezija je 29 "C). Jedini metal koji je tekući na normalnim uvjetima. - živa - ima talište 38,9 "C.

Kalcij, koji ima dva elektrona, niti jedan vanjski razina energije atoma, puno je tvrđi i topi se na višoj temperaturi (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, VIII. 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, uz metalnu, 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 žarnih 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 u odnosu 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);

Dijamagnetske 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.

Postoje klasifikacije 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 razlikuju se alkalijski metali (metali I. skupine glavna podskupina), zemnoalkalne (kalcij, stroncij, barij, radij), kao i metale rijetke zemlje (skandij, itrij, lantan i lantanoidi, aktinij i aktinidi).

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 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.

1. Što je metal više lijevo u ovom redu, to je redukcijsko sredstvo jače.
2. Svaki metal je u stanju istisnuti (obnoviti) iz soli 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.

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 amfoterne.

Litij i zemnoalkalijski metali reagiraju s atmosferskim kisikom u bazične okside.
2. S halogenima metali tvore soli halogenovodičnih kiselina.

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

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 ove reakcije stvara se više soli aktivni metal a manje aktivni metal se oslobađa u slobodnom obliku.

4. C organska tvar. 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 nastati kemijski spojevi jedni s drugima, koji su dobili opći naziv - 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.

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 oksidacijskog stanja raste kiseli karakter, a slabi bazični.

Korozija metala
Kad metali međudjeluju s tvarima okoliš na njihovoj površini 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- ovo je proces spontanog razaranja metala i legura pod utjecajem vanjske okoline (od lat. - korozija).

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

Korozija metala može biti kontinuirana i lokalna.

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) s pojavom unutar sustava električna struja. 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 (daruju elektrone), dok drugi imaju ulogu katode (primaju 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 se može 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 Detalji 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. Premaz može poslužiti i kao kemijski pasivan metal - zlato, srebro, bakar.

4. Elektrokemijske metode zaštita.

Zaštitna (anodna) - na zaštićenu metalnu konstrukciju pričvršćen je komad aktivnijeg metala (protektor) 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 – na katodu je spojena metalna konstrukcija vanjski izvor struje, što eliminira mogućnost uništenja njegove 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 su u tu svrhu koristili juhe za kiseljenje - otopine sumporne kiseline s dodatkom mekinja od brašna.

Primjeri upotrebe suvremenih inhibitora: tijekom transporta i skladištenja, klorovodična kiselina je savršeno "ukroćena" derivatima butilamina. a sumporne kiseline- dušična kiselina; hlapljivi dietilamin se ubrizgava u raznih kapaciteta. 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 se u zemljinoj kori nalaze uglavnom u obliku spojeva: oksida, sulfida, sulfata, klorida. , karbonati 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, koji 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- 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 na njih njihovim solima u otopini. Proces se odvija u 2 stupnja: 1) prirodni spoj se otopi u prikladnom reagensu da se dobije otopina soli ovog metala; 2) iz dobivene otopine ovaj se metal istiskuje aktivnijim ili se obnavlja elektrolizom. Na primjer, za dobivanje bakra iz ruda koje sadrže bakrov oksid, CuO, tretira se razrijeđenom sumpornom kiselinom.

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

Elektrometalurgija— obnavljanje metala u procesu elektrolize otopina ili talina njihovih spojeva.

Elektroliza
Ako se elektrode spuste u otopinu elektrolita ili taline i kroz njih se propusti istosmjerna 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 redoks proces koji se događa na elektrodama kada električna struja prolazi kroz otopinu 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.

Postoje sljedeća pravila za određivanje produkata elektrolize vodenih otopina elektrolita.

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. 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.
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? 8. Koja oksidacijska stanja može pokazivati mangan? Koji oksidi i hidroksidi odgovaraju manganu u tim oksidacijskim stanjima? Kakav je njihov karakter?
4. Usporedite elektronsku strukturu atoma elemenata VII skupine: mangana i klora. Objasnite razliku u njihovim kemijska svojstva te 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. Napišite jednadžbe reakcija natrija i magnezija s octena kiselina. 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 nju učvrsti ploča od 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?

Sastoji se od atoma jednog kemijskog elementa. U periodnom sustavu metalna svojstva elemenata rastu s desna na lijevo. Svi čisti metali (kao elementi) su jednostavne tvari.

Kristalni silicij - poluvodič

fotoelektrični efekt

Razlikovati fizikalne i kemijske svojstva metala. NA opći slučaj, svojstva metala su prilično raznolika. Razlikovati metale alkalni, zemno alkalna, crno, obojen, lantanoidi(ili rijetka zemlja - po kemijskim svojstvima bliska zemlji alkalnoj zemlji), aktinidi(većina su radioaktivni elementi), plemenita i platina metali. Osim toga, pojedinačni metali pokazuju i metalna i nemetalna svojstva. Takvi metali su amfoterni (ili, kako kažu, prijelazni).

Gotovo svi metali imaju neka zajednička svojstva: metalni sjaj, strukturu kristalne rešetke, sposobnost ispoljavanja svojstava redukcijskog sredstva u kemijskim reakcijama, dok se oksidiraju. U kemijskim reakcijama ioni otopljenih metala u interakciji s kiselinama tvore soli, u interakciji s vodom (ovisno o aktivnosti metala) tvore lužinu ili bazu.

Zašto metali sjaje?

Čvorovi kristalne rešetke metala sadrže atome. Elektroni koji se kreću oko atoma tvore "elektronski plin" koji se može slobodno kretati u različitim smjerovima. Ovo svojstvo objašnjava visoku električnu i toplinsku vodljivost metala.

Elektronski plin odbija gotovo sve svjetlosne zrake. Zbog toga se metali tako jako sjaje i najčešće imaju sivu ili bijela boja. Veze između pojedinih metalnih slojeva su male, što omogućuje pomicanje ovih slojeva pod opterećenjem u različitim smjerovima (drugim riječima, deformiranje metala). Čisto zlato je jedinstveni metal. Kovanjem čistog zlata možete napraviti foliju debljine 0,002 mm! tako tanka ploča metala je prozirna i ima zelenu nijansu ako kroz nju gledate u sunčevu svjetlost.

Elektrofizička svojstva metala izraženo u smislu njegove električne vodljivosti. Općenito je prihvaćeno da svi metali imaju visoku električna provodljivost, odnosno dobro provodi struju! Ali to nije tako, a osim toga, sve ovisi o temperaturi na kojoj se struja mjeri. Zamislite kristalnu rešetku metala u kojoj se struja prenosi kretanjem elektrona. Elektroni se kreću od jednog čvora kristalne rešetke do drugog. Jedan elektron "gura" drugi elektron iz mjesta rešetke, koji se nastavlja kretati prema drugom mjestu rešetke, i tako dalje. To jest, električna vodljivost također ovisi o tome koliko se lako elektroni mogu kretati između mjesta rešetke. Možemo reći da električna vodljivost metala ovisi o kristalna struktura rešetke i gustoće rasporeda čestica u njoj. Čestice na mjestima rešetke imaju oscilacije, a te su oscilacije to veće što je temperatura metala viša. Takve vibracije značajno ometaju kretanje elektrona u kristalnoj rešetki. Dakle, što je niža temperatura metala, veća je njegova sposobnost provođenja struje!

Iz ovoga dolazi koncept supravodljivost, koji se javlja u metalu na temperaturi blizu apsolutne nule! Na apsolutnoj nuli (-273 0 C) vibracije čestica u kristalnoj rešetki metala potpuno su prigušene!

Elektrofizička svojstva metala povezan s prolaskom struje naziva se temperaturni koeficijent električni otpor!

Elektrofizička svojstva metala

instalirano zanimljiva činjenica da npr. kod olova (Pb) i žive (Hg) na temperaturi koja je samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule gotovo potpuno nestaje električni otpor, odnosno nastupa stanje supravodljivosti.

Srebro (Ag) ima najveću električnu vodljivost, zatim bakar (Cu), zatim zlato (Au) i aluminij (Al). Visoka električna vodljivost ovih metala povezana je s njihovom upotrebom u elektrotehnici. Ponekad se zlato (pozlaćeni kontakti) koristi za osiguranje kemijske otpornosti i antikorozivnih svojstava.

Treba napomenuti da je električna vodljivost metala puno veća od električne vodljivosti nemetala. Na primjer, ugljik (C - grafit) ili silicij (Si) imaju električnu vodljivost 1000 puta manju od npr. žive. Osim toga, nemetali, uglavnom, nisu vodiči električne struje. Ali među nemetalima postoje poluvodiči: germanij (Ge), kristalni silicij, kao i neki oksidi, fosfiti (kemijski spojevi metala s fosforom) i sulfidi (kemijski spojevi metala i sumpora).

Fenomen vam je vjerojatno poznat - to je svojstvo metala da pod utjecajem temperature ili svjetlosti otpuštaju elektrone.

Što se tiče toplinske vodljivosti metala, ona se može procijeniti iz periodnog sustava - raspoređena je na potpuno isti način kao i elektronegativnost metala. (Metali gore lijevo imaju najveću elektronegativnost, npr. elektronegativnost natrija Na je -2,76 V). Zauzvrat, toplinska vodljivost metala objašnjava se prisutnošću slobodnih elektrona koji nose toplinsku energiju.

Metali

Metali su među glavnim prirodnim materijalima koje čovječanstvo koristi.

metalurgija - jedna od temeljnih industrija koje određuju gospodarski i vojni potencijal zemlje. Stvaraju se nove legure sa željenim svojstvima, različiti metali se koriste kao dodaci.

Oko 80% svih poznatih kemijskih elemenata PSE su metali. Najzastupljeniji metali su: Al - 8,8%; Fe - 4,0%; Ca - 3,6%; Na - 2,64%; K - 2,6%; Mg - 2,1%; Ti - 0,64%.

Metali se odlikuju specifičnim svojstvima po kojima se razlikuju od metaloida: duktilnost, visoka toplinska i električna vodljivost, tvrdoća, za većinu metala visoka tališta i vrelišta, metalni sjaj.

plastičnost naziva se sposobnost metala pod djelovanjem vanjske sile podvrgnuti deformaciji, koja ostaje i nakon prestanka ovog djelovanja. Zbog plastičnosti, metali se podvrgavaju kovanju, valjanju, štancanju. Metali imaju različitu duktilnost.

Metalni sjaj. Glatka površina metala reflektira svjetlosne zrake. Što manje apsorbira ove zrake, to je metalni sjaj veći. Prema sjaju metali se mogu poredati u sljedeći red: Ag, Pd, Cu, Au, Al, Fe.

Na ovom svojstvu metala temelji se proizvodnja ogledala.

Metale također karakterizira visoka toplinska i električna vodljivost. Po električnoj vodljivosti prvo mjesto zauzimaju Ag, Cu, Al.

Kako temperatura raste, električna vodljivost se smanjuje., budući da je pojačano oscilatorno gibanje iona u čvorovima kristalne rešetke, što onemogućuje usmjereno gibanje elektrona.

Sa smanjenjem temperature električna vodljivost raste au području blizu apsolutne nule mnogi metali pokazuju supravodljivost.

Razlog za sličnost fizikalnih i kemijskih svojstava metala objašnjava se zajedništvom strukture njihovih atoma i prirodom kristalnih rešetki metala.

Atomi metala su veći od atoma nemetala. Vanjski elektroni metalnih atoma znatno su udaljeni od jezgre i slabo su vezani za nju, stoga metali imaju niske potencijale ionizacije (oni su redukcijski agensi).

Specifična svojstva metala - plastičnost, toplinska i električna vodljivost, sjaj objašnjavaju se činjenicom da metali imaju "slobodne" elektrone koji se mogu kretati po kristalu.

Za metale je karakteristična metalna veza (objašnjeno je na temelju metode MO).

Fizikalna svojstva metala.

Svi su metali, s izuzetkom žive, na uobičajenim temperaturama krutine s karakterističnim metalnim sjajem.

Boja većine metala varira od tamnosive do srebrno bijele. Zlato i cezij imaju žuta boja, potpuno čisti bakar - svijetlo ružičasti, neki metali imaju crvenkastu nijansu (bizmut).

Gustoća metala može jako varirati; na primjer, gustoća Li = 0,53 g/cm3 (najlakši), a Os je najteži metal s 22,48 g/cm3.

Unutar jedne podskupine analoga vrijednosti gustoće, u pravilu, rastu s porastom naboja atomske jezgre.

U tehnici se metali dijele prema gustoći: laki, teški, topljivi i vatrostalni.

Nalaz u prirodi.

U prirodi se metali nalaze iu prirodnom stanju iu obliku razne veze. U prirodnom stanju postoje samo kemijski neaktivni metali - Pt, Ag, Au. Reaktivni metali se nalaze samo u obliku raznih spojeva - rude

Rude su: oksida, sulfida i soli.

Ruda se prethodno obogaćuje, odnosno odvaja od jalovine. Najčešća metoda je flotacija, temelji se na različitoj močivosti površine minerala vodom.

Metode ekstrakcije minerala iz ruda određuju se njihovim kemijski sastav. Sve metode dobivanja metala svode se na oksidacijsko-redukcijske reakcije.

Karbotermija. U ovoj metodi dobivanja metala ugljik služi kao redukcijsko sredstvo - najjeftinije i najpristupačnije. Ugljik se koristi u obliku koksa, a oksidirani ugljik lako se uklanja u obliku CO2.

Ugljik se koristi za redukciju relativno neaktivnih metala: Fe, Cu, Zn, Pb.

Kad se smjesa reducira ugljikom željezna rudača s oksidima Cr, Mo, W ili Mn, u industriji se dobivaju legure koje sadrže približno 70% ovih metala i vrlo malu količinu ugljika. To su ferolegure koje se koriste za proizvodnju specijalnih legiranih čelika. Za redukciju ugljika prikladni su samo oksidi.

Sulfidne rude (cink, olovo, bakar) prvo se podvrgavaju oksidativnom kalciniranju:

2ZnS + 2O2 → 2ZnO + SO2

Li, Ca, Ba kao i metali III skupine se ne mogu dobiti redukcijom s ugljikom, jer tvore karbide odmah nakon izolacije u slobodnom stanju s viškom ugljika.

Metalotermija. Temelji se na procesima istiskivanja jednog metala (manje aktivnog) drugim (aktivnijim) iz odgovarajućih oksida, klorida, sulfida.

Zbog visokog afiniteta prema kisiku, aluminij je vrlo dobar redukcijski agens za metalne okside. Proces se zove aluminotermija.

Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe

Aluminotermijom se dobivaju i drugi metali (Mn, Cr, Ti), koji se ne mogu dobiti u čisti oblik redukcija njihovih oksida s ugljenom zbog stvaranja karbida. U aluminotermnoj reakciji oslobađa se velika količina topline u vrlo kratko vrijemešto rezultira visokom temperaturom.

Elektrolitička ili katodna redukcija metala. Za metale koji se teško obnavljaju ugljen kao redukcijsko sredstvo nije prikladan, te se u tom slučaju koristi katodna redukcija, odnosno odvajanje elektrolizom. Takvi se metali mogu oksidirati vodom, pa se njihovi spojevi podvrgavaju elektrolizi ne u vodenim otopinama, već u talinama ili otopinama drugih otapala.

Na primjer, metalni Na, K, Ba, Ca, Mg, Be dobivaju se elektrolizom talina odgovarajućih klorida.

Dobivanje metala visoke čistoće.

U vezi s brzim razvojem tehnologije, bili su potrebni metali vrlo visoke čistoće. Na primjer, za pouzdan rad nuklearnog reaktora, potrebno je da takve nečistoće kao što su bor, kadmij, itd., budu sadržane u fisijskom materijalu u količini koja ne prelazi milijunti dio postotka. Čisti cirkonij - jedan od najboljih konstrukcijskih materijala za nuklearne reaktore - postaje potpuno neprikladan za tu svrhu ako sadrži čak i neznatnu primjesu hafnija.

Destilacija u vakuumu. Ova se metoda temelji na različitoj hlapljivosti metala koji se pročišćava i nečistoća prisutnih u njemu. Originalni metal se puni u posebnu posudu spojenu na vakuumsku pumpu te se u posudi stvara vakuum, nakon čega Donji dio posuda se zagrijava. Na hladnim dijelovima posude talože se ili nečistoće ili čisti metal, što god je hlapljivije.

Termalno raspadanje.

1. Karbonilni postupak. Ovaj se postupak uglavnom koristi za proizvodnju čistog nikla i čistog željeza. Metal koji sadrži nečistoće zagrijava se u prisutnosti CO (ugljičnog monoksida), a nastali hlapljivi karbonil se destilira iz nehlapljivih nečistoća. Karbonili se zatim razgrađuju na višim temperaturama i formiraju metale visoke čistoće.

2. Jodni proces omogućuje dobivanje metala poput cirkonija, titana.

3. Čišćenje metala(obično sadrži oksid kao nečistoće) u vakuumu zagrijavanjem na vrlo visoku temperaturu pomoću električnog luka.

Zonsko taljenje. Ova se metoda sastoji u provlačenju šipke nerafinirane Njemačke kroz usku peć; rezultirajuća rastaljena zona, dok se šipka kreće kroz nju, kreće se duž nje i odnosi nečistoće.

Ponavljanjem ovog procesa više puta može se postići visok stupanj čistoće.

Kemijska svojstva metala.

Metali nemaju sposobnost prihvaćanja elektrona, stoga su metali redukcijski agensi. Mjera kemijske aktivnosti metala je energija ionizacije J.

Metalni oksidansi mogu biti: elementarne tvari, kiseline, soli manje aktivnih metala itd.

1. Interakcija s elementarnim tvarima.

2. Interakcija s kiselinama:

a) Oksidacijsko sredstvo - H + ion (HCl, H2SO4 (razl.), itd.);

b) anion oksidirajuće kiseline (takve kiseline uključuju HNO3 i H2SO4 (konc.);

c) Interakcija s vodom;

d) Interakcija s alkalijama;

e) Interakcija s otopinama soli.

metalni oksidi

Svi atomi kisika izravno su povezani s atomima metala i nisu međusobno vezani: Me * O2.

Podjela metalnih oksida

Glavni - oksidi najaktivnijih metala (s - elementi I. i II. skupine) - ionska veza: Na2O, K2O, CaO, MgO i dr.

Njihova svojstva: a) međusobno djeluju s kiselinama; b) s kiselim oksidima; c) vodom.

Amfoterni oksidi(manje aktivni metali i d - elementi): Al2O3, ZnO, Cr2O3 i dr.

Njihova svojstva: a) interakcija s kiselinama; b) interakcija s alkalijama.

kiselina - oksid slabo aktivnih metala u višim oksidacijskim stanjima (CrO3, Mn2O7 i dr.). Njihova svojstva: a) interakcija s vodom, stvaranje kiselina; b) međudjelovati s bazama (alkalijama).

Priroda promjene svojstava oksida

Unutar jednog razdoblja dolazi do slabljenja osnovna svojstva kroz amfoterno i kiselo pojačanje s lijeva na desno.

U grupi, isti element ima istu promjenu svojstava.

Dobivanje oksida.

1. Izravna oksidacija metala – izgaranje.

Ca + O = CaO

4Na + O2 = 2Na2O

2. Oksidacija sulfida.

ZnS + O2 = ZnO + SO2

3. Oksidacija oksidima drugih elemenata, ako je toplina nastanka nastalog oksida veća od topline nastanka izvornog (metalotermija).

Al + Cr2O3 = Cr + Al2O3 + Q

4. Dehidracija odgovarajućih hidroksida.

Al(OH)3 Al2O3 + H2O

5. Toplinska razgradnja karbonata, nitrata, sulfata i drugih soli.

CaCO3 CaO + CO2

metalni hidroksidi.

Klasifikacija: bazična, amfoterna, kisela (odgovara oksidima).

Priroda promjene svojstava u prirodi slična je oksidima.

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.

Jednostavni metali nazivaju se kristalne tvari, imaju karakterističan metalni sjaj, dobre vodiče topline i električne struje, sposobni mijenjati svoj oblik pod djelovanjem vanjskih sila i zadržati ga nakon uklanjanja tereta bez ikakvih znakova uništenja. Od ukupnog broja trenutno poznatih kemijskih elemenata, osamdeset elemenata su metali. Najčešći metali u zemljinoj kori u obliku kemijskih spojeva su aluminij, željezo, magnezij, kalij, natrij i kalcij. Čisti metali imaju ograničenu primjenu u tehnologiji, jer su u prirodi iznimno 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 će se stvoriti 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, niskih 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.

Opće informacije o metalima

Znate da je većina kemijskih elemenata klasificirana kao metali - 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) na vanjskom sloju.

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 niske vrijednosti elektronegativnosti (od 0,7 do 1,9) i isključivo redukcijska 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 smješteni u blizini dijagonale bor-astat imaju dvojaka 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 metala I. skupine vama poznate sporedne podskupine: Cu, Ag, Au; II grupa sekundarne podskupine - 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 (none) metalnih elemenata sastavni dio spojeva koji određuju metabolizam u tijelu ljudi, životinja i biljaka. Na primjer, u ljudskoj krvi pronađeno je 76 elemenata, a samo 14 od njih nisu metali. U ljudskom tijelu prisutni su neki metalni elementi (kalcij, kalij, natrij, magnezij). u velikom broju, odnosno oni su makronutrijenti. 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 čajna žličica) kuhinjske soli (NaCl) po odrasloj osobi dnevno. Utjecaj metala na stanje životinja i biljaka može se vidjeti u tablici 16.

Jednostavne tvari – metali

S razvojem proizvodnje metala (jednostavnih tvari) i legura povezana je pojava civilizacije (“brončano doba”, željezno doba).

Počeo prije otprilike 100 godina znanstvena i tehnološka revolucija koji utječu i na industriju i društvena sfera, također je usko povezana s proizvodnjom metala. Na temelju volframa, molibdena, titana i drugih metala počeli su stvarati otporne na koroziju, supertvrde, vatrostalne legure, čija je uporaba uvelike proširila mogućnosti strojarstva. u nuklearnoj i svemirska tehnologija 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 dobro poznati metal željezo (slika 37), a osnova mnogih lakih legura su relativno "mladi" metali: aluminij i magnezij.

Kompozitni materijali, na primjer, polimer ili keramika, koji su iznutra (poput betona sa željeznim šipkama) ojačani metalnim vlaknima, koji mogu biti izrađeni od volframa, molibdena, čelika i drugih metala i legura, postali su supernove - 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 se elektroni ne kreću slobodno s jedne orbitale na 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 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 karakteriziraju metalne kristalne rešetke, koje se obično shematski prikazuju kao krpelj, kao što je prikazano na slici, čvorovi su kationi i atomi metala. 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.

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.

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

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 (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 u većoj mjeri apsorbiraju kratke valne duljine (bliske ljubičastoj), a reflektiraju duge valne duljine spektra svjetlosti, stoga 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 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?

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.

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), male gustoće (litij je najlakši metal s p - 0,53 g / cm3) 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 na vanjskoj energetskoj razini atoma, puno je tvrđi i tali se na višoj temperaturi (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, uz metalnu, koje provode elektroni vanjskog sloja iz s-orbitala.

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);

Dijamagnetske 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, glavno zajedničko svojstvo atoma i jednostavnih metalnih tvari.

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.

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.
Nakon što smo razmotrili opće odredbe koje karakteriziraju redukcijska svojstva metala, prelazimo 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 povećava volumen. 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.

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. Alkoholi, s druge strane, mogu pokazivati slaba kisela svojstva u interakciji s alkalnim 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 povećanjem stupnja oksidacije raste kiseli karakter, a slabi bazični karakter.

Korozija metala

Kada metali stupaju u interakciju s tvarima iz okoliša, na njihovim se površinama pojavljuju 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. Sastoje se 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 rečenog proizlazi da važno pitanje je 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.

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.

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.

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

Očito se sjećate da se zimi za uklanjanje snijega i leda s pločnika koristi tehnička sol (natrijev klorid, ponekad kalcijev klorid itd.) Dobivene otopine se odvode u kanalizacijske cjevovode, čime se stvara 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 predmeti za kućanstvo (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 zaštite.

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 suvremenih 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 se u zemljinoj kori nalaze uglavnom u obliku spojeva: oksida, sulfida, sulfata, klorida. , karbonati 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 industrijskim metodama dobivanja 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. U skladu s tim postoje sljedeći načini dobivanja metala: pirometalurški. hidrometalurški, elektrometalurški.

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

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 istosmjerna 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.

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 produkata elektrolize vodene otopine 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), dok metali sekundarnih podskupina u pravilu imaju različita oksidacijska stanja u spojevima?
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 od 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. Taj se spoj naziva željezna ruda. 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.