Физические свойства металлов

КОРРОЗИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

В РАЗЛИЧНЫХ АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

для студентов общетехнического факультета

 

 

 

 

Настоящее учебно-методическое пособие составлено с целью оказания помощи студентам общетехнического факультета при самостоятельном изучении курса “Химия”. В пособии изложены основные теоретические вопросы по теме: “КОРРОЗИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В РАЗЛИЧНЫХ АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ”, приводится перечень контрольных вопросов по теме, приведены опыты лабораторной работы с пояснениями и рекомендациями.

 

 

Содержание

 

 

1. Металлы в периодической системе и их электронное строение ……..4

2. Металлическая связь и свойства, обусловленные ею ………………...5

3. Химические свойства металлов ………………………………………...6

3.1 Отношение металлов к кислороду (воздуху) ………………………7

3.2 Отношение металлов к воде ………………………………………...8

3.3 Отношение металлов к кислотам …………………………………...10

3.4 Поведение металлов в щелочных растворах ……………………….18

3.5 Соединение металлических элементов с неметаллическими. Оксиды и гидроксиды ………………………………………………..19

4. Положение металла в периодической системе и его коррозионные    

     свойства …………………………………………………………………...20

5. Вопросы для самоконтроля ……………………………………………...21

6. Экспериментальная часть ………………………………………………..23

 

МЕТАЛЛЫ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ И ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМОВ

 

“Металлы – тела твердые, ковкие, блестящие”. М.В.Ломоносов

 

 

В настоящее время известно 105 химических элементов, из них 82 элемента – металлы, 22 – в подгруппах А, 60 – в подгруппах В.

В зависимости от электронного строения металлы принадлежат к разным электронным семействам. Первая и вторая группы А включают элементы, у которых происходит застройка электронами S – орбиталей.

Например:

 

₁₉K – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 4s^{1   ↓}

₁₂ Mg – 1s²2s²2p⁶ 3s^{2   ↓}

и т.д.

 

Это металлы S – семейства.

Металлы, у которых  происходит застройка р – орбиталей, относятся к

р – семейству

 

₃Al – 1s²2s²2p⁶ 3s²3p^{2 ↓}

₅₀Sn – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰ 5s²5p^{2 ↓}

 

Элементы 1 – 8 групп В включают  d – металлы

 

₂₂Гi – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d²4s^{2    ↓}

₂₄Cr – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d⁵4s^{1 ↓}

 

Лантаноиды и антиноиды – металлические элементы, у которых электроны застраивают f – орбитали (4 – го и 5 – го электронных уровней).

 

₅₈Ce – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵4d¹⁰ 4f^{2 ↓}5s²5p⁶ 6s²

 

Самоконтроль

Напишите электронные формулы элементов с порядковыми номерами 37, 43, 62, 83. К какому электронному семейству принадлежит каждый из перечисленных металлов? Обоснуйте. Подчеркните валентные электроны.

 

2. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СВОЙСТВА

 

Металлы – вещества, основной отличительной способностью которых в конденсированном состоянии является наличие свободных, не связанных c определенными атомами, электронов, способных перемещаться по всему объему тела:

                   _                    

Me ↔ Mⁿ⁺ + ne

 

Эта способность металлического состояния вещества определяет собою всю совокупность свойства металлов. Связь атомов в твердом и жидком металле, так называемая металлическая связь, основанная на обобществлении наружных электронов, является одним из видов химической связи. Между металлической и ковалентной связью имеется сходство, т.к. оба типа связи основаны на обобществлении валентных электронов. Однако ковалентная связь соединяет только два соседних атома, общие электроны пребывают в непосредственной близости от соседних атомов и прочно с ними связаны. При металлической связи все атомы, присутствующие в данном теле, участвуют в обобществлении валентных электронов. Металлическая связь позволяет осуществлять довольно значительные взаимные смещения атомов без нарушения связи. В твердом состоянии большинство металлов имеют высокосимметричную кристаллическую структуру.

Среди металлов чаще всего встречается три типа решеток. К первым из них относятся кубические объемно – центрированные. Они характерны тем, что атомы в них находятся в вершинах и центре куба. Такие решетки у лития, хрома, ванадия и т.д. Ко второму типу относят решетку кубическую гране – центрированную, атомы в которой расположены в вершинах куба и на его гранях, например у алюминия. меди, свинца, никеля, золота, серебра. Третий тип – это гексагональные, или шестиугольные. Они встречаются у магния, цинка, кадмия, бериллия.

 

Физические свойства металлов

 

Все металлы, кроме ртути, при обыкновенной температуре представляют собой твердые кристаллические вещества, которые обладает металлическим блеском.

Характерным механическим свойством металлов является пластичность, т.е. способность тел под действием внешних сил подвергаться деформации, которая остается после этого воздействия. Так, металлы можно прокатать в листе, вытянуть в проволоку и т.д. Пластичность металлов обусловлена их внутренним строением. При внешнем воздействии слои ионов, образующих кристаллическую решётку, сдвигаются относительно друг друга без разрыва, т.е. переместившиеся электроны продолжают осуществлять связь между ионными слоями.

Металлы хорошо проводят электрический ток, являются проводниками первого рода. Хорошая электропроводность обусловлена наличием свободных электронов, так как электроны не связанны с определенными ионами, то даже небольшая разность вызывает перемещение электронов, т.е. возникает электрический ток. Электропроводность металлов различна, если принять электропроводность серебра равной 100, то медь – 94, алюминий – 55, железо – 2, титан – 0.3 (условных единиц). Электропроводность титана в 300 раз меньше, чем у серебра. Чем чище металл, тем выше его электропроводность.

Подвижность свободных электронов обуславливает также высокую теплопроводность металлов. Находящиеся в непрерывном движении электроны постоянно обмениваются с ионами энергией. Колебание ионов, усиливающееся благодаря нагреванию, тут же передаются соседним ионам и тепловое состояние металла быстро выравнивается, т.е. вся масса металла принимает одинаковую температуру.

Тепло и электропроводность характерны для металлов в твердом и жидком состоянии. Пары металлов состоят из отдельных атомов и ведет себя аналогично другим газообразным веществам; они являются изоляторами. Твердость является ценным качеством металлов, используемых как конструкционные и инструментальные материалы. Наиболее твердыми являются металлы группы хрома. Твердость металлов связана с их тугоплавкостью, она также обусловлена твердостью кристаллической решетки.

В зависимости от удельного веса металлы делятся на две группы: легкие ρ < 5 г/см³, тяжелые ρ > 5 г/см³.

 

Примеры:     легкие                тяжелые

                    Li ρ = 0.53        Cr ρ = 7.19

                    Na  ρ = 0.97        Fe ρ = 7.89

                    Mg ρ = 1.74        Os ρ = 22.48

 

Многие легкие металлы являются легкоплавкими (Cs_т.пл = 28^оС, К – 63.5^оС, Zn - 232 ^oC), большинство тяжелых металлов тугоплавки (Cu_т.пл. = 1038 ^oC,  Fe – 1535^oC).