Металлы

2

??????? ?? ?????

?? ????: «???????»

?????? 2006

????:

· ????? ?????????????? ????????

o Определение, строение

o Общие физические свойства

o Способы получения металлов

o Химические свойства металлов

o Сплавы металлов

· ?????????????? ????????? ??????? ????????

o Характеристика элементов главной подгруппы I группы.

o Характеристика элементов главной подгруппы II группы.

o Характеристика элементов главной подгруппы III группы. Алюминий.

· ?????????????? ?????????? ????????

o Железо

o Цинк

o Медь

o Хром

Общая характеристика металлов.

Металлы - это элементы, проявляющие в своих соединениях только положительные степени окисления, и в простых веществах которые имеют металлические связи. Металлическая связь - это химическая связь в металлах, осуществляемая за счет валентных электронов металла, относительно свободно перемещаться по всему образцу металла (электронный газ). В узлах кристаллической решетки в твердом состоянии находятся положительно заряженные ионы металла (часть атомов остается в нейтральном состоянии).

металлическая

кристаллическая решетка

Металлическая связь сохраняется при переходе металла в жидкое состояние.

В периодической системе элементов в главных подгруппах металлы располагаются левее диагонали, проходящие от В к At. Все элементы побочных подгрупп, лантаниды и актиниды являются металлами.

Общие физические свойства:

1)     Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду - Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe уменьшается.
2)     Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.
3)     Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду - Ag, Cu, Al, Fe уменьшается. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа".
4)     Теплопроводность. Закономерность та же. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность - у висмута и ртути.
5)     Твердость. Самый твердый - хром (режет стекло); самые мягкие - щелочные металлы - калий, натрий, рубидий и цезий - режутся ножом.
6)     Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий - литий (r=0,53 г/см³); самый тяжелый - осмий (r=22,6 г/см³).
Металлы, имеющие r < 5 г/см³ считаются "легкими металлами".
7)     Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл - ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл - вольфрам (t°пл. = 3390°C).
Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже - низкоплавкими.

Все металлы являются восстановителями. Для металлов главных подгрупп восстановительная активность (способность отдавать электроны) возрастает сверху вниз и справа налево. Например, Натрий и кальций вытесняют водород из воды уже при обычных условиях:

Ca + 2H₂O ® Ca(OH)₂ + H₂- ; 2Na + 2H₂O ® 2NaOH + H₂⁰

А магний при повышении температуры:

Mg + H₂O  -^t°®  MgO + H₂

Восстановительная способность и химическая активность элементов побочных подгрупп увеличивается снизу вверх по группе (например, серебро на воздухе окисляется, а золото нет; медь вытесняет серебро из его соли):

Cu + 2AgNO₃ ? 2Ag ? + Cu(NO₃)₂

Cu⁰ -2 з ? Cu⁺² 1 О.О.В.

Ag⁺ + з ? Ag⁰ 2 В.В.О.

Высшая положительная степень окисления для металлов главных подгрупп в их соединениях равна номеру группы (например, NaCl, MgCl₂, AlCl₃, SnCl₄), а для металлов побочных подгрупп в их кислородосодержащих соединениях также часто совпадает с номером группы (например, ZnO, TiO₂, V₂O₅, CrO₃, KMnO₄).

Свойства оксидов металлов слева направо по периоду и снизу вверх по группе изменяются от основных к амфотерным для металлов главных подгрупп (Na2O и MgO - основные оксиды, Al2O3 и BeO - амфотерные). Для металлов побочных подгрупп свойства оксидов, в которых металлы проявляют свою высшую степень окисления, изменяются от основных через амфотерные к кислотным ( CuO - основной, ZnO - амфотерный, CrO₃ - кислотный).

Сила оснований, образуемых металлами главных подгрупп увеличивается справа налево по периоду и сверху вниз по группе ( Be(OH)₂ и Al(OH)₃- амфотерные гидроксиды, Mg(OH)₂ - слабое основание, NaOHи - Ca(OH)2 сильные основания). Гидраты оксидов металлов побочных подгрупп с высшими степенями окисления металла вдоль периода слева направо меняют свои свойства от оснований через амфотерные гидроксиды к кислотам ( Cu(OH)₂ - основание, Zn(OH)₂ - амфотерный гидроксид, H₂CrO₄ - кислота).

В природе металлы встречаются в основном в виде соединений - оксидов или солей. Исключение составляют такие малоактивные металлы, как серебро, золото, платина, которые встречаются в самородном состоянии.

Все способы получения металлов основаны на процессах их восстановления из природных соединений.

Способы получения металлов.

Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами.

Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь - отчасти в самородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы.

Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.

Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов.

Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении

их оксидов углем.

Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu2O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:

Cu2O + C = 2Cu + CO

Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов.

При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

ZnO + C = Zn + CO

В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода.Например:

ZnCO3 = ZnO + CO2

Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция.

Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк.

Во многих рудах количество примесей (пустой породы) так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной. Такие руды предварительно «обогащают», то есть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд (флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.

Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого «коллектора», который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этого через смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене; частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержанием металла.

Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы.

Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии.

Очень важным способом получения металлов является также электролиз.

Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.

Химические свойства металлов

  

I. Реакции с неметаллами

 

1)     С кислородом:

2Mg⁰ + O_2--® 2Mg⁺² O

2)     С серой:

Hg⁰ + S ® Hg⁺² S

3)     С галогенами:

Ni + Cl₂  -^t°®  Ni⁺²Cl₂

                                         

4)     С азотом:

3Ca⁰ + N₂  -^t°®  Ca₃⁺²N₂

                                                                

5)     С фосфором:

3Ca⁰ + 2P  -^t°®  Ca₃P₂

                                                     

6)     С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):

 

2Li⁰ + H₂ ® 2Li⁺¹H

Ca⁰ + H₂ ® Ca⁺²H₂

 

II. Реакции с кислотами

 

1)     Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:

 

Mg⁰ + 2HCl ®  Mg⁺²Cl₂ + H₂⁰-

(Mg⁰ + 2H⁺ ® Mg²⁺+ H₂⁰-)

2Al⁰+ 6HCl ® 2AlCl₃ + 3H₂⁰-

(2Al⁰ + 6H⁺ ® 2Al³⁺ + 3H₂⁰-)

6Na⁰ + 2H₃PO₄ ® 2Na₃⁺¹PO₄ + 3H₂-

(6Na⁰ + 6H⁺ ®  6Na⁺ + 3H₂⁰-)

 

Восстановление металлами кислот-окислителей смотри в разделах: "окислительно-восстановительные реакции", "серная кислота", "азотная кислота".

 

III. Взаимодействие с водой

 

1)     Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание и водород:

 

2Na⁰ + 2H₂O ® 2Na⁺¹OH + H₂⁰-

(2Na⁰ + 2H₂O ® 2Na¹⁺ + 2OH^1- + H₂⁰-)

Ca⁰ + 2H₂O ® Ca⁺²(OH)₂ + H₂⁰-

(Ca⁰ + 2H₂O ® Ca²⁺ + 2OH^1- + H₂⁰-)

 

2)     Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:

 

Zn⁰ + H₂O  -^t°®  Zn⁺²O + H⁰₂-

 

3)     Неактивные (Au, Ag, Pt) - не реагируют.

 

4)     Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:

 

Cu⁰ + Hg⁺²Cl₂ ® Hg⁰ + Cu⁺²Cl₂

(Cu⁰ + Hg²⁺ ®  Cu²⁺ + Hg⁰)

Fe⁰ + Cu⁺²SO₄ ® Cu⁰ + Fe⁺²SO₄

(Fe⁰ + Cu²⁺ ® Cu⁰ + Fe²⁺)

Сплавы металлов.

Окружающие нас металлические предметы редко состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большинстве же других случаев люди имеют дело со сплавами. Так, различные виды железа и стали, содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специальную маркировку, т.к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь

разные массовые доли других металлов.

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют, стали различных составов. Простые конструкционные стали, состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07--0,5%) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10% других металлов, из них примерно 3% составляет углерод, а остальные -- кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали, получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.

Никель наряду с хромом является важнейшим компонентом многих сплавов. Он придает сталям высокую химическую стойкость и механическую прочность. Так, известная нержавеющая сталь содержит в среднем 18% хрома и 8% никеля. Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников требуются сплавы, которые устойчивы при температурах выше 1000 °С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей. Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким содержанием никеля. Большую группу составляют медно-никелевые сплавы.

Сплав меди, известный с древнейших времен, - бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%).. В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа и кремния.

Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Температура плавления мельхиора составляет 1170 °С. Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер - содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов - их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Латунь "60" содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для

радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.

Промышленные медно-никелевые сплавы условно можно разделить на две группы: конструкционные (или коррозионностойкие) и электротехнические (термоэлектродные сплавы и сплавы сопротивления). К конструкционным сплавам относятся, куниаль, мельхиор, нейзильбер и др. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди,

основным легирующим компонентом которых является никель. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем. Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Куниалями называются сплавы тройной системы Cu-Ni-Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu-Ni-Al эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900 -1000 оС, а затем подвергают старению при 500-600 оС. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl. Мельхиор, нейзильбер, куниали отличаются высокими механическими и коррозионными свойствами, применяются для изготовления теплообменных аппаратов в морском судостроении (конденсаторные трубы и термостаты), медицинского инструмента, деталей точной механики и химической промышленности, деталей приборов в электротехнике, радиотехнике и для изготовления посуды. К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления - манганин и константан и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель.

Характеристика элементов главных подгрупп.

Характеристика элементов главной подгруппы I группы.

Главную подгруппу I группы Периодической системы составляют литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.

Атомный номер	Название	Электронная конфигурация	r г/см3	t°пл. °C	t°кип. °C	ЭО	ПИ эВ	Атомный радиус, нм	Степень окисления
3	Литий Li	[He] 2s1	0,531	180,5	1347	0,97	5,39	0,157	+1
11	Натрий Na	[Ne]3s1	0,97	97,9	882,9	1,01	5,138	0,191	+1
19	Калий K	[Ar] 4s1	0,859	63,65	774	0,91	4,339	0,236	+1
27	Рубидий Rb	[Kr] 5s1	1.53	38,4	688	0,89	4,176	0,253	+1
55	Цезий Cs	[Xe] 6s1	1,88	28.4	678	0,86	3,893	0,274	+1
87	Франций Fr	[Rn] 7s1	-	-	-	-	-	-	+1

Атомы этих элементов имеют на внешнем энергетическом уровне один s-электрон: ns¹ . Вступая в химические взаимодействия, атомы легко отдают электрон внешнего энергетического уровня, проявляя в соединениях постоянную степень окисления +1.

Элементы этой подгруппы относятся к металлам. Их общее название - щелочные металлы.

В природе наиболее распространены натрий и калий. Массовая доля натрия в земной коре 2,64%, калия - 2,60%. Щелочные металлы в природе в свободном состоянии в природе не встречаются. Основными природными соединениями Na являются минералы галит, или каменная соль, NaCl, и мирабилит, или глауберова соль (Na₂SO₄ · 10H₂O). К важнейшим соединениям калия относится сильвин (KCl), карналлит (KCl · MgCl₂ · 6H₂O), сильвинит

(NaCl · KCl).

Франций - радиоактивный элемент. Следы этого элемента обнаружены в продуктах распада природного урана. Из-за малого времени жизни изотопов Fr его трудно получать в больших количествах, поэтому свойства металлического Франция и его соединений изучены еще недостаточно.

Свойства: Щелочные металлы серебристо-белые вещества с малой плотностью. Литий из них - самый легкий. Это мягкие металлы, по мягкости Na, K, Rb, Cs подобны воску. Щелочные металлы легкоплавкие. Температура плавления цезия 28,5°С, наибольшая температура плавления у лития (180,5°С). Обладают хорошей электрической проводимостью.

Щелочные металлы обладают высокой химической активностью, их активность увеличивается в ряду Li-Na-K-Rb-Cs-Fr. В реакциях являются сильными восстановителями.

1. Взаимодействие с простыми веществами.

Щелочные металлы взаимодействуют с кислородом. Все они легко окисляются кислородом воздуха, а рубидий и цезий даже самовоспламеняются.

4Li + O₂ ® 2Li₂O(оксид лития)

2Na + O₂ ® Na₂O₂ (пероксид натрия)

K + O₂ ® KO₂ (надпероксид калия)

Щелочные металлы самовоспламеняются во фторе, хлоре, парах брома, образуя галогениды:

2Na+Br₂®2NaBr (галогенид)

При нагревание взаимодействуют со многими неметаллами:

2Na + S ® Na₂S (сульфиды)

6Li + N₂ ® 2Li₃N ( нитриды)

2Li + 2C ® 2Li₂C₂ (карбиды)

2. Взаимодействие с водой. Все щелочные металлы реагируют с водой, восстанавливая ее до водорода. Активность взаимодействия металлов с водой увеличивается от лития к цезию.

2Na + 2H₂O ® 2NaOH + H₂-

2Li + 2H₂O ® 2LiOH + H₂-

 

3. Взаимодействуют с кислотами. Щелочные металлы взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной серной кислотами с выделением водорода:

2Na + 2HCl ® 2NaCl +H₂

Концентрированную серную кислоту восстанавливают главным образом до сероводорода:

8Na + 5H₂SO₄ ® 4Na₂SO₄ + H₂S + 4H₂O

При этом возможно параллельное протекание реакции восстановления серной кислоты до оксида серы (IV) и элементарной серы.

При реакции щелочного металла с разбавленной азотной кислотой преимущественно получается аммиак или нитрат аммония, а с концентрированной - азот или оксид азота (I):

8Na +10HNO₃(разб.)® 8NaNO₃ + NH₄NO₃ + 3 H₂O

8K +10HNO₃(конц.)® 8KNO₃ + NO₂ + 5H₂O

Однако, как правило, одновременно образуется несколько продуктов.

4. Взаимодействие с оксидами металлов и солями. Щелочные металлы вследствие высокой химической активности могут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей:

BeO +2Na ®Be + Na₂O

CaCl₂ + 2Na® Ca + 2NaCl

Получение:

Металлический натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с инертными электродами. В расплаве хлорид натрия диссоциирует на ионы:

NaCl? Na⁺ + Cl^-

При электролизе на катоде восстанавливается катион Na⁺ , на аноде окисляется анион Cl^-:

катод: 2 Na⁺ +2е ® 2Na

анод: 2 Cl^- -2е ® Сl₂

2Na⁺ + 2Cl^- ® 2Na + Cl₂ --или 2NaCl®2Na + Cl

Таким образом при электролизе образуются натрий и хлор. Иногда натрий получают электролизом расплава гидроксида натрия.

Другим способом получения натрия является восстановление соды углем при высоких температурах:

Na₂CO₃ + 2C®2Na + 3CO

Калий получают замещение его натрием из расплава хлорида калия или гидроксида калия:

KCl + Na ® K + NaCl

Калий может быть получен также электролизом расплавов его соединений (KCl; KOH).

Металлический литий получают электролизом расплава хлорида лития или восстановлением оксида лития алюминием.

Рубидий и цезий получают, восстанавливая металлами их галогениды в вакууме:

2RbCl + Ca = 2Rb + CaCl₂ ; 2CsCl + Mg = 2Cs + CaCl₂

Оксиды щелочных металлов (R₂O):

Оксиды лития и натрия - белые вещества, оксид калия имеет светло-желтую окраску, рубидия - желтую, цезия - оранжевую. Все оксиды - реакционноспособные соединения, обладают ярко выраженными основными свойствами, причем в ряду от оксида лития к оксиду цезия основные свойства усиливаются.

Окислением металла получается только оксид лития:

 

4Li + O₂ ®--2Li₂O

Остальные оксиды получают косвенным путем. Так, оксид натрия получают восстановлением соединения натрия металлическим натрием:

Na₂O₂ + 2Na ® 2Na₂O

2NaOH + 2Na ®--2Na₂O + H₂

Оксиды щелочных металлов легко взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды, например:

Li₂O + H₂O ® 2LiOH

С кислотными оксидами и кислотами они реагируют, образуя соли:

Na₂O + SO₃ ® Na₂SO₄

K₂O + 2HNO₃ ® 2KNO₃ + H₂O

Гидроксиды щелочных металлов (ROH):

Представляют собой белые кристаллические вещества. Все гидроксиды щелочных металлов являются сильными основаниями, растворимыми в воде. Общее название - щелочи.

Гидроксиды образуются при взаимодействии щелочных металлов или их оксидов с водой:

2Li + 2H₂O ® 2LiOH + H₂-

Li₂O + H₂O ® 2LiOH

Гидроксиды натрия и калия, имеющие большое практическое значение, в промышленности получают электролизом хлоридов:

 

2NaCl + 2H₂O ® 2NaOH + H₂- + Cl₂-

катод: 2H⁺ + 2з ® H⁰₂-

анод: 2Cl^- - 2з ® Cl⁰₂-

Гидроксиды щелочных металлов проявляют все характерные свойства оснований: они взаимодействуют с кислотами и амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами, кислотами, солями. В водных растворах щелочей растворяются некоторые металлы, образующие амфотерные гидроксиды, например:

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂?

Характеристика элементов главной подгруппы II группы.

Главную подгруппу II группы Периодической системы элементов составляют бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.

Атомный номер	Название	Атомная масса	Электронная конфигурация	r г/см3	t°пл. °C	t°кип. °C	ЭО	Атомный радиус, нм	Степень окисления
4	Бериллий Be	9,01	[He] 2s2	1,86	1283	2970	1,5	0,113	+2
11	Магний Mg	24,3	[Ne]3s2	1,74	649,5	1120	1,2	0,16	+2
19	Кальций Ca	40,08	[Ar] 4s2	1,54	850	1487	1,0	0,2	+2
27	Стронций Sr	87,62	[Kr] 5s2	2,67	770	1367	1,0	0,213	+2
55	Барий Ba	137,34	[Xe] 6s2	3,61	710	1637	0,9	0,25	+2
87	Радий Ra	226	[Rn] 7s2	~6	~700	1140	0,9	-	+2

Атомы этих элементов имеют на внешнем электронном уровне два s-электрона: ns². В хим. реакциях атомы элементов подгруппы легко отдают оба электрона внешнего энергетического уровня и образуют соединения, в которых степень окисления элемента равна +2.

Все элементы этой подгруппы относятся к металлам. Кальций, стронций, барий и радий называются щелочноземельными металлами.

В свободном состоянии эти металлы в природе не встречаются. К числу наиболее распространенных элементов относятся кальций и магний. Основными кальцийсодержащими минералами являются кальцит CaCO₃ (его разновидности - известняк, мел, мрамор), ангидрит CaSO₄, гипс CaSO₄ · 2H₂O , флюорит CaF₂ и фторапатит Ca₅(PO₄)₃F. Магний входит в состав минералов магнезита MgCO₃, доломита MgCO₃ · CaCo₃, карналлита KCl · MgCl₂ · 6H₂O. Соединения магния в больших количествах содержатся в морской воде.

Свойства. Бериллий, магний, кальций, барий и радий - металлы серебристо-белого цвета. Стронций имеет золотистый цвет. Эти металлы легкие, особенно низкие плотности имеют кальций, магний, бериллий.

Радий является радиоактивным химическим элементом.

Бериллий, магний и особенно щелочноземельные элементы - химически активные металлы. Они являются сильными восстановителями. Из металлов этой подгруппы несколько менее активен бериллий, что обусловлено образованием на поверхности этого металла защитной оксидной пленки.

1. Взаимодействие с простыми веществами. Все легко взаимодействуют с кислородом и серой, образуя оксиды и сульфаты:

2Be + O₂ = 2BeO

Ca + S = CaS

Бериллий и магний реагируют с кислородом и серой при нагревании, остальные металлы - при обычных условиях.

Все металлы этой группы легко реагируют с галогенами:

Mg + Cl₂ = MgCl₂

При нагревании все реагируют с водородом, азотом, углеродом, кремнием и другими неметаллами:

Ca + H₂ = CaH₂ (гидрид кальция)

3Mg + N₂ = Mg₃N₂ (нитрид магния)

Ca + 2C = CaC₂ (карбид кальция)

Карибит кальция - бесцветное кристаллическое вещество. Технический карбит, содержащий различные примеси, может иметь цвет серый, коричневый и даже черный. Карбит кальция разлагается водой с образованием газа ацетилена C₂H₂ - важного продукта хим. промышленности:

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

Расплавленные металлы могут соединяться с другими металлами, образуя интерметаллические соединения, например CaSn₃, Ca₂Sn.

2. Взаимодействуют с водой. Бериллий с водой не взаимодействует, т.к. реакции препятствует защитная пленка оксида на поверхности металла. Магний реагирует с водой при нагревании:

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂

Остальные металлы активно взаимодействуют с водой при обычных условиях:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

3. Взаимодействие с кислотами. Все взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной серной кислотами с выделением водорода:

Be + 2HCl = BeCl₂ + H₂

Разбавленную азотную кислоту металлы восстанавливают главным образом до аммиака или нитрата аммония:

2Ca + 10HNO₃(разб.) = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

В концентрированных азотной и серной кислотах (без нагревания) бериллий пассивирует, остальные металлы реагируют с этими кислотами.

4. Взаимодействие с щелочами. Бериллий взаимодействует с водными растворами щелочей с образованием комплексной соли и выделением водорода:

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂

Магний и щелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.

5. Взаимодействие с оксидами и солями металлов. Магний и щелочноземельные металлы могут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей:

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

V₂O₅ + 5Ca = 2V + 5CaO

Бериллий, магний и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их хлоридов или термическим восстановлением их соединений:

BeF₂ + Mg = Be + MgF₂

MgO + C = Mg + CO

3CaO + 2Al = 2Ca + Al₂O₃

3BaO + 2Al = 3Ba + Al₂O₃

Радий получают в виде сплава с ртутью электролизом водного раствора RaCl₂ с ртутным катодом.

Получение:

1)     Окисление металлов (кроме Ba, который образует пероксид)

2)     Термическое разложение нитратов или карбонатов

 

CaCO₃  -^t°® CaO + CO₂-

2Mg(NO₃)₂  -^t°®  2MgO + 4NO₂- + O₂-

Жесткость воды. Вода, содержащая соли кальция и магния, называется жесткой. В ней не пенится мыло, при ее кипячении образуется накипь. Жесткость воды может быть временной, которая устраняется при кипячении, и постоянной, которая не устраняется при кипячении. Временная жесткость воды обусловлена наличием в ней гидрокарбонатов кальция и магния. ЕЕ также называют карбонатной жесткостью. При кипячении гидрокарбонаты разлагаются:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃?+ CO₂? + H₂O

Постоянная обусловлена содержанием главным образом хлоридов и сульфатов кальция и магния.

Мягкую воду можно получить, добавляя к жесткой воде соду и гашеную известь для одновременного устранения временной и постоянной жесткости:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃? + 2H₂O

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = MgCO₃ ? + CaCO₃? + 2H₂O

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃? + 2NaCl

MgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃? + 2NaCl

Для умягчения воды используют также катиониты. Например, при пропускании жесткой воды через катионит типа RNa протекают следующие процессы ионного обмена:

2RNa + Ca²⁺=R₂Ca + 2Na⁺

2RNa + Mg²⁺=R₂Mg + 2Na⁺

Лучшим способом умягчения воды является ее перегонка.

Характеристика элементов главной подгруппы III группы. Алюминий.

Алюминий находится в главной подгруппе III группы Периодической таблицы. Атомы элементов подгруппы в основном состоянии имеют следующее строение внешней электронной оболочки: ns²np¹. На внешнем энергетическом уровне атомов имеются свободные р-орбитали, что позволяет атомам переходить в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атомы этих элементов образуют три ковалентные связи или полностью отдают три валентных электрона, проявляя степень окисления +3.

Атомный номер	Название	Электронная конфигурация	r г/см3	t°пл. °C	t°кип. °C	ЭО	ПИ эВ	Атомный радиус, нм	Степень окисления
5	Бор B	[He] 2s22p1	2,35	2300	2550	2,0	8,3	0,095	+3
13	Алюминий Al	[Ne] 3s23p1	2,70	660	2467	1,47	6,0	0,143	+3
31	Галлий Ga	[Ar] 3d10 4s24p1	5,91	30	2227	1,6	6,0	0,122	+3
49	Индий In	[Kr] 4d10 5s2 5p1	7,30	156	2047	1.7	5,8	0,162	+1,+2,+3
81	Таллий Tl	[Xe]4f145d106s26p1	11,85	303	1457	1,8	6,1	0,167	+1,+3

Алюминий является самым распространенным металлом на Земле: его массовая доля в земной коре составляет 8,8%. Основная масса природного алюминия входит в состав алюмосиликатов - веществ, главными компонентами которых являются оксиды кремния и алюминия. Алюмосиликаты входят в состав многих горных пород и глин.

Свойства: Al представляет собой серебристо-белый металл, Это легкоплавкий и легкий металл. Он обладает высокой пластичностью, хорошей электра- и теплопроводностью. Al - химически активный металл. Однако его активность в обычных условиях несколько снижается из-за наличия тонкой пленки оксида, которая всегда образуется на поверхности металла при контакте его с воздухом.

1. Взаимодействие с неметаллами. При обычных условиях алюминий реагирует с

хлором и бромом:

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃

При нагревании алюминий взаимодействует со многими неметаллами:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

2Al + 3I2 = 2AlI₃

2Al + N2 = 2AlN

4Al + 3C = Al₄C₃

2. Взаимодействие с водой. Из-за защитной оксидной пленки на поверхности алюминий устойчив в воде. Однако при удалении этой пленки происходит энергичное взаимодействие:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

2. Взаимодействие с кислотами. Алюминий взаимодействует с хлороводородной и разбавленной серной кислотами:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

Азотная и концентрированная серная кислоты пассивирует алюминий: при действии этих кислот увеличивается толщина защитной пленки на металле, и он не растворяется.

4. Взаимодействие со щелочами. Алюминий взаимодействует с растворами щелочей с выделением водорода и образованием комплексной соли:

2Al + 6NaOH + 6H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂

5. Восстановление оксидов металлов. Алюминий является хорошим восстановителем многих оксидов металлов:

2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

Оксид и гидроксид алюминия. Оксид алюминия, или глинозем, Al₂O₃ представляет собой белый порошок. Оксид алюминия можно получить, сжигая металл или прокаливая гидроксид алюминия:

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

Оксид алюминия практически не растворяется в воде. Соответствующий этому оксиду гидроксид Al(OH)₃ получают действием гидроксида аммония или растворов щелочей, взятых в недостатке, на растворы солей алюминия:

AlCl₃ + 3NH₃ · H₂O = Al(OH)₃ ? + 3NH₄Cl

Оксид и гидроксид этого металла являются амфотерными, т.е. проявляют как основные, так и кислотные свойства.

Основные свойства:

Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O

2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O

Кислотные свойства:

Al₂O₃ + 6KOH +3H₂O = 2K₃[Al(OH)₆]

2Al(OH)₃ + 6KOH = K₃[Al(OH)₆]

Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O

Производство. Алюминий получают электролитическим методом. Он не может быть выделен из водных растворов солей, т.к. является очень активным металлом. Поэтому основным промышленным методом получения металлического алюминия является электролиз расплава, содержащего оксид алюминия и криолит.

Применение. Металлический алюминий широко используется в промышленности, по объему производства занимает второе место после железа. Основная масса алюминия идет на изготовление сплавов:

Дуралюмин - сплав алюминия, содержащий медь и небольшое количество магния, марганца и других компонентов. Дуралюмины - легкие прочные и коррозионностойкие сплавы. Используют в авиа- и машиностроении.

Магналин - сплав алюминия с магнием. Используют в авиа- и машиностроении, в строительстве. Стоек к коррозии в морской воде, поэтому его применяют в судостроении.

Силумин - сплав алюминия, содержащий кремний. Хорошо подвергается литью. Этот сплав используют в автомобиле-, авиа- и машиностроении, производстве точных приборов.

Алюминий - пластичный металл, поэтому из него изготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехнических изделий и для упаковки товаров. Из алюминия делают провода, краски «под серебро».

Характеристика переходных металлов (переходные металлы - элементы побочных подгрупп периодической системы).

Железо.

Железо находится в побочной подгруппе VIII группы Периодической системы. Строение электронной оболочки атома: 3d⁶4s².

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

Атомы железа проявляют степень окисления +2 и +3.

Железо является одним из самых распространенных элементов в природе, массовая доля в земной коре - 5,1%. Железо входит в состав большинства горных пород. Основными железными рудами являются магнитный железняк, бурый железняк и красный железняк.

Свойства. Железо - серебристо-белый металл. На воздухе подвергается коррозии, покрываясь ржавчиной. Чистое железо достаточно мягкое и пластичное. Температура плавления 1539°С. В интервале температур 910-1390°С железо образует кубическую гранецентрированную решетку. Железо является достаточно хим.активным металлом.

1. Взаимодействие с неметаллами. При нагревание железо реагирует с многими неметаллами:

Fe + S = FeS

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

2. Взаимодействие с водой. Железо взаимодействует с водой лишь при высоких температурах (свыше 700°С):

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H

3. Взаимодействие с кислотами. Железо растворяется в хлороводородной и разбавленной серной кислотах, образуя соли железа (II) и водород:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

В достаточно концентрированной серной кислоте реакция просекает по уравнению:

Fe + 2H₂SO₄ = FeSO₄ + SO₂ + 2H₂O

В серной кислоте очень высокой концентрации железо пассивирует. С разбавленной азотной кислотой железо взаимодействует. Продукты взаимодействия в зависимости от концентрации кислоты могут быть различными. В концентрированной азотной кислоте железо пассивирует.

4. Взаимодействие с солями. Железо может вытеснять некоторые металлы из растворов их солей:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

5. Взаимодействие с оксидом углерода (II). Железо, взаимодействуя с этим оксидом, образует пентокарбонил железа:

Fe + 5CO = [Fe(CO)₅]

Оксид железа (II) и гидроксид железа (II) - вещества основного характера, легко взаимодействуют с кислотами:

Fe(OH)₂ + H₂SO₄ = FeSO₄ + 2H₂O

Оксид железа (II) можно получить, восстанавливая оксид железа (III) водородом:

Fe₂O₃ + H₂ = 2FeO + H₂O

Гидроксид железа (II) образуется при действии щелочей на растворы солей железа (II):

FeSO₄ + 2NaOH = Fe(OH)₂? + Na₂SO₄

Реакция должна протекать без доступа воздуха. В противном случае гидроксид железа (II) окисляется до гидроксида железа (III). Оксид и гидроксид железа (III) проявляют амфотерные свойства, они взаимодействуют с кислотами и с щелочами:

Fe₂O₃ + 6HCl = 2FeCl₃ + 3H₂O

Fe(OH)₃ + 3KOH = K₃[Fe(OH)₆]

Fe₂O₃ + 2KFeO₂ + H₂O

Соли железа (II) под действием окислителей проявляют восстановительные свойства. Соли железа (III) - слабые окислители.

Железо и его соединения имеют большое значение для народного хозяйства. Сплавы железа с углеродом и другими веществами - стали являются основными конструкционными материалами. В хим. промышленности железо используют как катализатор.

Цинк.

Цинк находится в побочной подгруппе II группы. Атомы элементов этой подгруппы имеют следующую электронную оболочку: (n-1)s²p⁶d¹⁰ns². Проявляют в соединениях степень окисления +2.

Цинк - серебристо-белый металл. Обладает хорошей электро- и теплопроводимостью. На воздухе цинк покрывается защитной пленкой оксидов и гидроксидов, которая ослабляет его металлический блеск.

Цинк - химически активный металл. При нагревании легко взаимодействует с неметаллами ( серой, хлором, кислородом):

2Zn + O₂ = 2ZnO

Растворяется в разбавленных и концентрированных кислотах HCl, H₂SO₄, HNO₃ и в водных растворах щелочей:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

4Zn + 10HNO₃ = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

Оксид цинка - белое вещество, практически нерастворимое в воде. Оксид и гидроксид цинка являются амфотерными соединениями; они реагируют с кислотами и щелочами:

ZnO +2HCl = ZnCl₂ + H₂O

ZnO + 2KOH + H₂O = K₂[Zn(OH)₄]

Гидроксид цинка растворяется в водном растворе аммиака, образуя комплексное соединение:

Zn(OH)₂ + 6NH₃ = [Zn(NH₃)₆](OH)₂

При получение цинка его руды подвергают обжигу:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

ZnCO₃ = ZnO + CO₂

Далее оксид цинка восстанавливают углем:

ZnO + C = Zn + CO

Для получения более чистого металла оксид цинка растворяют в серной кислоте и выделяют электролизом.

Цинк используют для производства сплавов. Цинком покрывают стальные и чугунные изделия для защиты их от коррозии.

Медь.

Медь находится в побочной подгруппе I группы Периодической системы. Строение электронных оболочек атомов элементов этой подгруппы выражается формулой (n-1)d¹⁰ns¹. На внешнем энергетическом уровне атома находится один электрон, однако в образовании хим. связей могут принимать участие и электроны с d-подуровня предпоследнего уровня. Поэтому они могут проявлять степени окисления +1, +2, +3, для меди наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +2.

Медь - мягкий пластичный металл, имеет розово-красную окраску. Обладает высокой электрической проводимостью.

Медь - химически малоактивный металл. С кислородом реагирует только при нагревании:

2Cu + O₂ = 2CuO

Не реагирует с водой, растворами щелочей, хлороводородной и разбавленной серной кислотами. Медь растворяется в кислотах, являющихся сильными окислителями:

3Cu + 8HNO₃ (разб.) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Cu + 2H₂SO₄ (конц.) = CuSO₄ + SO₂ +2H₂O

Во влажной атмосфере, содержащей диоксид углерода, поверхность меди обычно покрывается зеленоватым налетом основного карбоната меди:

2Cu + O₂ + CO₂ +H₂O = Cu(OH)₂ · CuCO₃

Оксид меди (II) CuO - черное вещество, может быть получен из простых веществ или путем нагревания гидроксида меди (II):

Cu(OH)₂ = CuO + H₂O

Гидроксид меди (II) представляет собой малорастворимое в воде соединение голубого цвета. Легко растворяется в кислотах и при нагревании в концентрированных растворах щелочей, т.е. проявляет свойства амфотерного гидроксида:

Cu(OH)₂ + H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O

Cu(OH)₂ + 2KOH = K₂[Cu(OH)₄]

Основная масса производимой меди используется в электротехнической промышленности. В больших количествах медь идет на производство сплавов.

Хром.

Хром находится в побочной подгруппе VI группы Периодической системы. Строение электронной оболочки хрома: Cr3d⁵4s¹.

Атомный номер	Название	Электронная конфигурация	r г/см3	t°пл. °C	t°кип. °C	ЭО	Атомный радиус, нм	Степень окисления
24	Хром Cr	[Ar] 3d54s1	7,2	1857	2672	1,56	0,125	+1,+2,+3, +4,+5,+6

Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,02%. Важнейшими минералами, входящими в состав хромовых руд, являются хромит, или хромистый железняк, и его разновидности, в которых железо частично заменено на магний, а хром - на алюминий.

Хром - серебристо серый металл. Чистый хром достаточно пластичный, а технический самый твердый из всех металлов.

Хром химически малоактивен. В обычных условиях он реагирует только с фтором (из неметаллов), образуя смесь фторидов. При высоких температурах (выше 600°C) взаимодействует с кислородом, галогенами, азотом, кремнием, бором, серой, фосфором:

 

4Cr + 3O₂  -^t°?  2Cr₂O₃

2Cr + 3Cl₂  -^t°?  2CrCl₃

2Cr + N₂  -^t°?  2CrN

2Cr + 3S   -^t°?  Cr₂S₃

 

В азотной и концентрированной серной кислотах он пассивирует, покрываясь защитной оксидной пленкой. В хлороводородной и разбавленной серной кислотах растворяется, при этом, если кислота полностью освобождена от растворенного кислорода, получаются соли хрома(II), а если реакция протекает на воздухе - соли хрома (III):

Cr + 2HCl ? CrCl₂ + H₂-

2Cr + 6HCl + O₂ ? 2CrCl₃ + 2H₂O + H₂-

Оксид хрома (II) и гидроксид хрома (II) имеют основной характер.

 

Cr(OH)₂ + 2HCl ? CrCl₂ + 2H₂O

 

Соединения хрома (II) - сильные восстановители; переходят в соединения хрома (III) под действием кислорода воздуха.

 

2CrCl₂ + 2HCl ? 2CrCl₃ + H₂-

4Cr(OH)₂ + O₂ + 2H₂O ? 4Cr(OH)₃

 

Оксид хрома (III) Cr₂O₃ - зелёный, нерастворимый в воде порошок. Может быть получен при прокаливании гидроксида хрома (III) или дихроматов калия и аммония: