2020-06-29
303
Тема: Металлы, особенности строения атомов, способы
Получения и свойства
План
1. Особенности строения атомов металлов.
2. Способы получения металлов.
3.Физические свойства металлов.
4. Химические свойства металлов.
Особенности строения атомов металлов
Более 80% известных элементов образуют простые вещества — металлы. К ним относятся s-элементы I и II групп (исключение — водород), все d- и f - элементы, а также р-элементы III группы (кроме бора), IV группы (олово, свинец), V группы cурьма, висмут) и VI группы (полоний).
Особенности строения атомов металлов:
♦ небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (как правило, один-три электрона). Исключение — атомы р-элементов IV-VI групп;
♦ малые заряды ядер и большие радиусы атомов по сравнению с атомами неметаллов данного периода;
♦ сравнительно слабая связь валентных электронов с ядром;
♦ низкие значения электроотрицательности.
В связи с этим атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, т. е. металлы - восстановители.
Однако способность отдавать электроны проявляется у металлов неодинаково. В периодах с увеличением зарядов ядер атомов уменьшаются их радиусы, увеличивается число электронов на внешнем уровне и усиливается связь валентных электронов с ядром. Поэтому в периодах слева направо восстановительная способностъ атомов металлов уменьшается.
В главных подгруппах с возрастанием атомных номеров элементов увеличиваются радиусы их атомов и уменьшается притяжение (валентных электронов к ядру. Поэтому в главных подгруппах сверху вниз восстановительная активность атомов металлов возрастает. Следовательно, наиболее активными восстановителями являются щелочные и щелочно-земельные металлы.
Только некоторые металлы (золото, платина) находятся в природе в виде простых веществ (в самородном состоянии). Металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений между оловом и золотом, встречаются как в виде простых веществ, так и в составе соединений. Большинство же металлов находятся в природе в виде соединений — оксидов, сульфидов, карбонатов и т. д. Распространенность металлов в природе уменьшается в ряду:
Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, Ti, Mn, Cr, Ni, Zn, Cu, Sn, Pb, W, Hg, Ag. Аu
Содержание в земной коре (массовая доля, %) уменьшается
Получение металлов из их соединений — задача металлургии. Металлургия — наука о промышленном получении металлов из природного сырья. Различают черную (производство железа и его сплавов) и цветную (производство всех остальных металлов сплавов) металлургию. Любой металлургический процесс является процессом восстановления ионов металла различными восстановителями:
Men+ + пе- = Me
В зависимости от условий проведения процесса восстановления различают несколько способов получения металлов.
Способы получения металлов
| Пирометаллургия — восстановление безводных соединений при высокой температуре | ||
| Восстановители | Примеры | Получаемые металлы |
| С или СО (карботермия) | PbO + C = Pb + CO Fe203 + 3СО = 2Fe + 3C02 Сульфиды предварительно обжигают: 2ZnS + 302 = 2ZnO + 2S02 ZnO + С = Zn + 2СО | Fe, Cu, Pb, Sn, Cd, Zn |
| Al, Mg и др. (металлотермия) | Cr203 + 2AI = 2Cr + Al203 TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 | Mn, Cr, W, Mo, Ti, V |
| H2(водородотермия) | Mo03 + 3H2 = Mo + 3H20 Оксиды активных металлов (МgО, СаО, А1203 и др.) водородом не восстанавливаются | Cu, Ni, W, Fe, Mo, Cd, Pb |
| Электрометаллургия – восстановление электрическим током | ||
| Виды электролиза | Примеры | Получаемые металлы |
| Электролиз расплавов | NaCl = Na+ + Cl- расплав К Na+ + е- = Na 2 А Cl- + 2е- = Cl2 1 2NaCl электролиз 2Na + Cl2 2Al2O3 электролиз 4Al + 3O2 Na3(AlF6) | Щелочные металлы, Be, Mg, Ca (из расплавленных хлоридов), Al – из расплавленного оксида |
| Электролиз растворов | NiSO4 = Ni2+ + SO42- раствор К Ni2+ + 2е- = Ni 2 А 2Н2О - 4е- = O2 + 4Н+ 1 2NiSO4 + 2Н2О электролиз 2Ni + О2 + Н2SO4 | Zn, Cd, Co, Mn, Fe |
| Гидрометаллургия – восстановление из растворов солей | ||
| Примеры | Получаемые металлы | |
| Металл, входящий в состав руды, переводят в раствор, затем восстанавливают более активным металлом: CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu CdO + H2SO4 = CdSO4 + H2O CdSO4 + Zn = ZnSO4 + Cd | Cd, Ag, Au, Cu | |
Задания для самостоятельной работы
1. Атому магния в степени окисления +2 соответствует электронная конфигурация:
а) 1s2 2s2 2р6 3s2 3р6; в) 1s2 2s2 2р4;
б) 1s2 2s2 2р6; г) 1s2 2s2 2р6 3s2;
2. При частичном восстановлении водородом 30 г оксида кобальта. В получили смесь оксида и металла массой 26,8 г. Определите количество вещества водорода, вступившего в реакцию, и массовую долю кобальта в полученной смеси.
3. При электролизе раствора сульфата меди (II) в растворе образовалась кислота (около анода), на нейтрализацию которой затрачен раствор объемом 16 см (р = 1,05 г/см3) с массовой долей гидроксида калия 6%. Вычислите массу меди, которая выделилась на катоде.
4. Для восстановления марганца из оксида марганца(1\/) путем алюмотермии было смешано 10,8 г алюминия и 26,2 г оксида. Определите, какое из исходных веществ осталось и какова его масса.
Физические свойства металлов
Все металлы обладают металлической кристаллической решеткой, особенности которой определяют их общие физические и механические свойства.
Общие свойства металлов:
1). Все металлы являются твердыми веществами, за исключением ртути.
2). Металлический блеск и непрозрачность металлов — результат отражения световых лучей.
3). Электро- и теплопроводность обусловлены наличием в металлических решетках свободных электронов.
С повышением температуры электропроводность металлов уменьшается, а с понижением температуры — увеличивается. Около абсолютного нуля для многих металлов характерно явление сверхпроводимости.
4). Металлы обладают ковкостью и пластичностью. По определению М. В. Ломоносова, «металлом называется светлое тело, которое ковать можно». Металлы легко прокатываются в листы, вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, штамповке, прессованию.
Специфические физические свойства металлов:
1). по значению плотности металлы делят на легкие (плотность меньше 5 г/см3): Na, Са, Mg, Al, Ti — и тяжелые (плотность больше 5 г/см3): Zn, Cr, Sn, Mn, Ni, Сu, Ag, Pb, Hg, Аи, W, Os -самый тяжелый;
2). по значению температуры плавления — на легкоплавкие (tпл < 1000 °С): Hg, Na, Sn, Pb, Zn, Mg, Al, Ca, Ag — и тугоплавкие (tпл > 1000 °C): Au, Cu, Mn, Ni, Fe, Ti, Cr, Os, W - самый тугоплавкий;
3). из металлов самые мягкие — щелочные (их можно резать ножом), самый твердый — хром ( царапает стекло ).
4). по отношению к магнитным полям металлы подразделяют на три группы:
а) ферромагнитные — способны намагничиваться под действием даже слабых магнитных полей (Fe, Со, Ni);
б) парамагнитные — проявляют слабую способность к намагничиванию даже в сильных магнитных полях (Al, Cr, Ti);
в) диамагнитные — не притягиваются к магниту (Sn, Сu, Bi).
4. Химические свойства металлов
Если атомы большинства неметаллов могут как отдавать, так и присоединять электроны, проявляя окислительно-восстановительную двойственность, то атомы металлов способны только отдавать валентные электроны, проявляя восстановительные свойства: Me - пе- = Meп+(окисление)
восстановитель
Как восстановители металлы взаимодействуют с неметаллами, водой, растворами щелочей, кислот и солей.
