Химические свойства металлов

Биологическая роль металлов в организме человека весьма разнообразна. Содержащиеся в живых организмах элементы, согласно классификации В.И.Вернадского, делят на три группы: макроэлементы – содержание в организме выше 10^-2 %, микроэлементы – содержание в организме находится в пределах от 10^-3 до 10^-5 %, ультрамикроэлементы – содержание ниже 10^-5%.

Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава. Металлы макроэлементы – магний, кальций и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами – аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т.д. Так, ион Fe²⁺ в качестве комплексообразователя входит в состав гемоглобина, Со²⁺ - в витамин В₁₂, Mg²⁺ - в хлорофилл. Известны многочисленные биокомплексы и других металлов (Cu, Zn, Mo и др.), играющие важную биологическую роль в организме.

Десять металлов, жизненно необходимых для живого организма, получили название «металлы жизни»: кальций, калий, натрий, магний, железо, цинк, медь, марганец, молибден, кобальт.

Металлы – микроэлементы: железо, цинк, медь, марганец, молибден, кобальт, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ, активно влияют на процессы кроветворения, окисления-восстановления, проницаемость сосудов и тканей,

При изучении этой темы студент должен:

- обратить внимание на особенности строения атомов металлов и их кристаллическую структуру, обуславливающую электро- и теплопроводность, твердость, плотность и другие свойства металлов;

- усвоить, что атомы металлов при химических реакциях только теряют электроны, поэтому атомы металлов являются только восстановителями, а положительно заряженные ионы металлов могут быть и восстановителями и окислителями;

- изучить отношение металлов к различным окислителям, а также зависимость свойств их соединений от степени окисления металлов.

Положение металлов в периодической системе элементов Д.И.Менделеева.

Более 80% элементов в периодической системе относятся к металлам. Металлы – это элементы, атомы которых на последнем электронном уровне имеют 1-2 или 3 электрона, поэтому при химических реакциях они только теряют электроны и образуют положительно заряженные ионы, проявляя при этом восстановительные свойства.

К металлам относятся s-элементы (кроме Н₂ и Не), d- и f-элементы и некоторые р-элементы Al, Ga, In и др.

Классификация металлов.

В периодической системе элементов металлы классифицируют по подгруппам:

а) подгруппа щелочных металлов (IА подгруппа);

б) подгруппа щелочноземельных металлов (IIА подгруппа, кроме Mg и Ве);

в) подгруппы меди, железа, цинка и т.д. (IB - VIIIB подгруппы).

Металлы d- и f-семейств, занимающие промежуточное положение между s- и р-элементами, называются переходными элементами.

В промышленности металлы классифицируют на:

а) чёрные металлы (Fe и его сплавы);

б) цветные металлы (Al и др.);

в) благородные металлы (Pt, Au, Ag);

г) редкие металлы (Ge, Zr, Be, Mo, Ti, V, La и др.);

Металлы можно классифицировать по физическим свойствам.

По температуре плавления:

а) легкоплавкие t_{плавления} <1000 ⁰С (t_пл. (Hg) =-38,9 ⁰С, t_пл. (Cs) =28,5 ⁰С.

б) тугоплавкие t_пл>1000 ⁰С - Cu, Fe, Cr, Ti, Mo; наиболее тугоплавкий - вольфрам t_пл.(W) = 3420 ⁰С.

По плотности:

а) лёгкие ρ < 5 г/см³: Na, Li, Mg, Al; самый лёгкий литий Li, ρ = 0,53 г/см³.

б) тяжёлые ρ > 5 г/см³: Zn, Cu, Au, Hg; самый тяжёлый Os – осмий, ρ =22,6г/см³.

По твердости:

а) мягкие: калий, натрий, алюминий и др.,

б) твёрдые: молибден, вольфрам и др.

Физические свойства металлов.

При обычных условиях металлы – твёрдые вещества (кроме ртути). Химическая связь в металлах – металлическая. Следствием этого является то, что металлы непрозрачны, обладают металлическим блеском, их гладкие поверхности отражают лучи и радиоволны. Для металлов характерны три типа кристаллических решёток: кубическая объёмноцентрированная; кубическая гранецентрированная; гексагональная. Металлам присущ полиморфизм – способность металлов образовывать различные формы кристаллических решёток: a - Fe, β - Fe, γ – Fe.

Металлы обладают тепло- и электропроводностью. Самый электропроводный металл - серебро. Для металлов характерны ценные механические свойства: ковкость, пластичность.

Часто металлы теряют металлический блеск из-за образования оксидных плёнок на их поверхности. По химическим свойствам металлы являются восстановителями и взаимодействуют:

1) с кислородом, образуя оксиды:

2 Ca + O₂ = 2 CaO;       2 Zn + O₂ = 2 ZnO при повышенной температуре.

Ag, Au, Pt c кислородом не взаимодействуют.

2) с неметаллами: (наиболее энергично с галогенами, образуя галиды)

Mg + Cl₂= MgCl₂

                               ^{хлорид магния}

 менее энергично металлы взаимодействуют с серой, с углеродом, с азотом, с кремнием:

Fe + S = FeS

                                       ^{сульфид железа (II)}

4 Al + 3 C = Al₄C₃

                         ^{карбид алюминия}

6 Li + N₂ = 2 Li₃N

                 ^{нитрид лития}

2 Mg + Si = Mg₂Si

                                     ^{силицид магния}

Все эти реакции идут при повышенной температуре.

3) с водой:

а) при обычных условиях активные металлы

2 Na + 2 H₂O = 2 NaOH + H₂↑

б) при повышении температуры

Zn + 2 H₂O = Zn(OH)₂ + H₂↑

2 Al + 6 H₂O = 2 Al(OH)₃ + H₂↑

С кислотами

а) с кислотами – неокислителями (HCl концентрированная и разбавленная, H₂SO₄ разбавленная, H₃PO₄, CН₃COOH, HF и др.):

Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, взаимодействуют с растворами кислот - неокислителей, образуя соль и вытесняя водород:

2 Al + 6 HCl = 2 AlCl₃ + 3 H₂↑

Zn + H₂SO_{4 (разб.)} = ZnSO₄ +  H₂↑

 

 

  б) с кислотами-окислителями:

 

Такие металлы, как железо, хром, алюминий бурно реагируют с разбавленными H₂SO₄ и HNO₃ кислотами, но практически не реагируют на "холоду" с концентрированными растворами этих кислот. Это явление называется пассивированием, т.е. образованием на поверхности металлов тонкого и плотного защитного слоя оксида, защищающего металл от дальнейшего растворения.

в) со смесями кислот. Почти все металлы, кроме родия и иридия, хорошо растворимы в смесях кислот, таких как смесь концентрированой соляной и азотной кислот или фтороводородной и азотной кислот. Смесь трёх объёмов концентрированной хлороводородной кислоты с одним объёмом концентрированной азотной кислоты называют "царской водкой":

Au + 3 HCl + HNO₃ = AuCl₃ + NO + 2 H₂O.

5) с солями. Более активный металл вытесняет менее активный из растворов солей:

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu;

ZnSO₄ + Cu→реакция не протекает.

6) с оксидами. Активные металлы являются сильными восстановителями и восстанавливают другие металлы из их оксидов:

Сr₂O₃ + 2 Al = 2 Cr + Al₂O₃

7) со щелочами. Металлы, оксиды и гидроксиды которых амфотерны, взаимодействуют со щелочами с образованием солей и водорода:

в растворе: Zn + 2 NaOH + 2 H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + Н₂↑;

        при сплавлении: Zn + 2 NaOH_(тв.)  Na₂ZnO₂ + Н₂↑.   

Способы получения металлов.

Большинство металлов находятся в природе в виде соединений (оксидов, сульфидов, карбонатов). Только некоторые металлы (золото, серебро, ртуть) встречаются в природе в свободном состоянии. Различают следующие способы получения металлов:

1. Пирометаллургия – получение металлов из руд при высокой температуре с помощью восстановителей: Н₂, С, СО. Если восстановителями служат металлы, то метод называют металлотермией:

Cu₂O+C=2Cu+CO

                                                                                 ^куприт

Сr₂O₃+2Al=Al₂O₃+2Cr (алюмотермия)

Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O.

2. Гидрометаллургия – восстановление металлов из водных растворов их солей (так получают висмут, медь, ртуть):

CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O

CuSO₄+Fe=FeSO₄+Cu.

3. Электрометаллургия – получение металлов электролизом. Активные металлы получают электролизом растворов и расплавов их солей:

электролиз

2 NaCl              2 Na + Cl₂↑

                                                           расплав