Химический элемент металл и

Обновлено: 05.07.2024

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева

Таблица Менделеева - это, вероятно, одна из наиболее часто используемых таблиц. Вряд ли найдется хотя бы один человек старше 14 лет, который ни разу не слышал о ней. Это неудивительно, ибо эта таблица - кладезь полезной информации для любого химика. Напомню основное.

  • В каждой ячейке данной таблицы указаны название химического элемента, его символ, порядковый номер и приближенное значение атомной массы.
  • Порядковый номер элемента совпадает с количеством протонов в ядре атома данного элемента и с количеством электронов в атоме.
  • Элементы, расположенные в таблице Менделеева в одной группе (в одном вертикальном ряду) и в одной подгруппе, имеют похожие свойства.
  • Свойства элементов в периодах (горизонтальных рядах) изменяются похожим образом. Например, 2-й и 3-й периоды включают 8 элементов, начинаются со щелочного металла, заканчиваются благородным газом.

Последние два пункта - следствия периодического закона , который в современной формулировке звучит так:

Свойства элементов и образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома.

Периодический закон Менделеева - один из основных законов химии, а таблица, которую мы обсуждаем, является лишь средством, позволяющим наглядно выразить этот закон.

Я предлагаю вам несколько вариантов таблицы Менделеева:

Классический вариант таблицы Менделеева

Вероятно, именно такой вариант периодической таблицы является для вас наиболее привычным. Нечто подобное мы видим в любом школьном учебнике химии. К сожалению, данный вариант (т. н. короткопериодный) не очень наглядно отражает периодический закон. Возьмите, например, элементы седьмой группы: ярко выраженные неметаллы (F, Cl, Br, I) соседствуют здесь с типичными металлами (Mn, Tc, Re). А ведь мы ожидаем видеть в одной группе элементы с похожими свойствами.

Приходится выделять т. н. главные и побочные подгруппы, прибегать к другим ухищрениям (например, "вырезать" из таблицы лантаноиды и актиноиды). В действительности, правильный вариант таблицы Менделеева выглядит так, а короткопериодная форма - это некоторый компромиссный вариант, который используется в целях экономии места.

Периоды Группы элементов I II III IV V VI VII VIII 1 Высшие оксиды R 2 O RO R 2 O 3 RO 2 R 2 O 5 RO 3 R 2 O 7 RO 4 Водородные соед. RH 4 RH 3 H 2 R HR
*Лантаноиды


Длиннопериодная форма таблицы Менделеева

Именно нечто подобное и было создано Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Именно такой вариант таблицы наиболее наглядно иллюстрирует периодический закон. К сожалению, у длиннопериодной формы есть один недостаток: таблица занимает слишком много места. Именно поэтому многие отдают предпочтение короткопериодной форме.

  IA IIA IIIB   IVB VB VIB VIIB   VIIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA
1 1
H		   1
H		 2
He
2 3
Li		 4
Be		   5
B		 6
C		 7
N		 8
O		 9
F		 10
Ne
3 11
Na		 12
Mg		   13
Al		 14
Si		 15
P		 16
S		 17
Cl		 18
Ar
4 19
K		 20
Ca		 21
Sc		   22
Ti		 23
V		 24
Cr		 25
Mn		 26
Fe		 27
Co		 28
Ni		 29
Cu		 30
Zn		 31
Ga		 32
Ge		 33
As		 34
Se		 35
Br		 36
Kr
5 37
Rb		 38
Sr		 39
Y		   40
Zr		 41
Nb		 42
Mo		 43
Tc		 44
Ru		 45
Rh		 46
Pd		 47
Ag		 48
Cd		 49
In		 50
Sn		 51
Sb		 52
Te		 53
I		 54
Xe
6 55
Cs		 56
Ba		 57
La		 58
Ce		 59
Pr		 60
Nd		 61
Pm		 62
Sm		 63
Eu		 64
Gd		 65
Tb		 66
Dy		 67
Ho		 68
Er		 69
Tm		 70
Yb		 71
Lu		 72
Hf		 73
Ta		 74
W		 75
Re		 76
Os		 77
Ir		 78
Pt		 79
Au		 80
Hg		 81
Tl		 82
Pb		 83
Bi		 84
Po		 85
At		 86
Rn
7 87
Fr		 88
Ra		 89
Ac		 90
Th		 91
Pa		 92
U		 93
Np		 94
Pu		 95
Am		 96
Cm		 97
Bk		 98
Cf		 99
Es		 100
Fm		 101
Md		 102
No		 103
Lr		 104
Ku		 105
Ns		 106
107
108
109
110
111 112 113 114 115 116 117 118


Таблица Менделеева с выделением s-, p-, d-, f- элементов

Разными цветами в данном варианте таблицы Менделеева отмечены s-, p-, d- и f- элементы. Напоминаю, что элемент относится к одному из этих типов, если внешние электроны в атоме данного элемента находятся соответственно на s-, p-, d- или f- подуровне. Например, электронная формула натрия имеет вид: 1s 2 s2s 2 2p 6 3s 1 . Внешний электронный уровень - 3s, следовательно, натрий относится к s-элементам. Электронная формула кислорода: 1s 2 s2s 2 2p 4 . Внешний электронный подуровень - 2p, значит кислород - это р-элемент.

Свойства элементов из этих 4 групп отличаются достаточно сильно. Например, среди d-элементов присутствуют только металлы, а большинство неметаллов относятся к p-элементам.
Высшие оксиды R 2 O RO R 2 O 3 RO 2 R 2 O 5 RO 3 R 2 O 7 RO 4
Водородные соед. RH 4 RH 3 H 2 R HR

*Лантаноиды


Таблица Менделеева, в которой отмечены металлы и неметаллы

Неметаллы отмечены в этой таблице красным цветом. Обратите внимание: неметаллы сосредоточены в правой верхней части таблицы Менделеева. Все они, кроме водорода и гелия, относятся к p-элементам. Вы не найдете ни одного неметалла среди d-элементов и f-элементов. Именно по этой причине я счел возможным не приводить в данном варианте список лантаноидов и актиноидов - все они относятся к металлам.

Иногда особым образом выделяют группу элементов, сочетающих в себе свойства металлов и неметаллов (например, к ним можно отнести германий). Данные элементы называют полуметаллами или металлоидами.
Высшие оксиды R 2 O RO R 2 O 3 RO 2 R 2 O 5 RO 3 R 2 O 7 RO 4
Водородные соед. RH 4 RH 3 H 2 R HR


Таблица Менделеева с выделением главных и побочных подгрупп

Элементы главных подгрупп обозначены фиолетовым цветом, побочных - серым. Я напоминаю, что свойства элементов, находящихся в одной группе, но в разных подгруппах, отличаются достаточно сильно.

Например, натрий, калий, медь и серебро находятся в I группе: Na и K - в главной подгруппе, Cu и Ag - в побочной. Свойства натрия и калия весьма похожи - активные металлы, бурно реагирующие с водой, легко окисляющиеся на воздухе, имеют низкие температуры плавления и кипения. Все это сильно отличается от свойств меди и серебра: инертные металлы, которые не реагируют не только с водой, но и с большинством кислот, на воздухе устойчивы, температуры плавления и кипения достаточно высоки.

Еще ярче отличия заметны, например, в VI группе. Кислород, сера, селен (главная подгруппа) - типичные неметаллы, а хром, молибден и вольфрам, находящиеся в побочной подгруппе, относятся к металлам.

Все проблемы исчезают, если вы используете длиннопериодную форму таблицы Менделеева: "мешанина" из элементов главных и побочных подгрупп исчезает, и мы начинаем отчетливо видеть логику периодического закона.

Металлы и неметаллы

Наш мир наполняют различные простые вещества – металлы или неметаллы. При существовании 120 химических элементов, Вселенную наполняют более 400 простых веществ. Этот парадокс связан с понятием аллотропии – явлением образования одним химическим элементом двух и более простых веществ. Например, атом кислорода может формировать молекулярный кислород О2 и озон О3.

План урока:

Физические свойства металлов

Металлы – химические элементы, атомы которых в процессе реакции стремятся отдавать электроны. Они обладают металлической кристаллической решеткой и общими физическими свойствами. На данный момент известно более 87 металлов.

Для металлов характерен ряд свойств:

  • твердость (кроме ртути, которая представляет собой жидкость);
  • металлический блеск;
  • проводимость электрического тока и тепла;
  • пластичность.

Металлы при ударах не разрушаются, а меняют форму. С этой особенностью связано то, что из них производят проволоку, металлические листы и др. Развитие бронзового и железного века связано с производством товаров из металлов.

Физические свойства неметаллов

Неметаллы – химические элементы, атомы которых стремятся принять чужие электроны. Для них характерны атомные и молекулярные кристаллические решетки. Для атомов неметаллов не характерны общие физические свойства. На данный момент существует 22 неметалла.

Для неметаллов характерен ряд свойств:

  • хрупкость (неметаллы нельзя ковать);
  • отсутствие блеска;
  • непроводимость электрического тока и тепла.

Расположение металлов и неметаллов в периодической таблице Д.И. Менделеева

Определить, является простое вещество металлом или неметаллом, можно с помощью периодической таблицы Менделеева. Металлы располагаются ниже диагонали «водород-бор- кремний-мышьяк-теллур-астат», а неметаллы выше.

Красные ячейки – неметаллы, синие – металлы

Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают смешанными свойствами: проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Они называются полуметаллами.

Красные ячейки – полуметаллы

Полуметаллы имеют ковалентную кристаллическую решетку при наличии металлической проводимости (электропроводности). Валентных электронов у них либо недостаточно для образования полноценной ковалентной связи, либо они не удерживаются достаточно прочно из-за больших размеров атома. Поэтому связь в ковалентных кристаллах этих элементов имеет частично металлический характер.

Закономерности в таблице Д.И. Менделеева

Каждый атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре, который несет положительный заряд. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Атомный номер указывает на количество протонов.

Чем больше заряд ядра, тем сильнее к нему притягиваются электроны. Т.о., атому сложнее отдавать электроны. Поэтому в периоде слева направо, с увеличением порядкового номера металлические свойства ослабевают, а неметаллические – усиливаются.

Неметаллы стремятся принять электроны от других атомов. Период в таблице указывает на количество электронных уровней. По мере увеличения числа орбиталей электроны отдаляются от ядра и атому сложнее удерживать электроны на последних уровнях. Т.о., в группе сверху вниз количество орбиталей возрастает, поэтому металлические свойства усиливаются, а неметаллические – уменьшаются.

Способы получения металлов

Большую часть металлов получают из оксидов при нагревании.

Металлы, имеющие на внешнем уровне один-два электрона, получают с помощью электролиза расплавов.

Химические свойства металлов

Все металлы проявляют восстановительные свойства. Легкость в отдачи внешнего электрона применяется в фотоэлементах. Степень активности определяется рядом активности. У самых активных на внешнем уровне располагается по одному электрону.

Общие химические свойства металлов выражаются в реакциях со следующими соединениями.

Активные металлы реагируют с галогенами и кислородом. С азотом взаимодействуют только литий, кальций и магний. Большинство металлов при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, а наиболее активные металлы – пероксиды (N2O2).

2 Ca + MnO2 → 2 CaO + Mn(нагревание)

Водород в кислотах вытесняют только те металлы, которые в ряду напряжений стоят до водорода.

Более активные металлы вытесняют из соединений менее активные.

  • Химические свойства щелочных и щелочно-земельных металлов (реакции с водой)

2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2

Способы получения неметаллов

Неметаллы синтезируют из природных соединений с помощью электролиза.

2 KCl → 2 K + Cl2

Также неметаллы получают в результате окислительно-восстановительных реакций.

SiO2 + 2 Mg → 2 MgO + Si

Химические свойства неметаллов

Неметаллы проявляют окислительные свойства. Самый активный неметалл – фтор. Он бурно реагирует со всеми веществами, а некоторые реакции сопровождаются горением и взрывом. В атмосфере фтора горят даже вода и платина. Фтор окисляет кислород и образует фторид кислорода OF2.

Неметаллы вступают в реакции со следующими веществами.

3 F + 2 Al → 2 AlF3 (нагревание)

S + Fe →FeS (нагревание)

Меньшей активностью обладают такие неметаллы как бор, графит, алмаз. Они могут проявлять восстановительные свойства.

2 C + MnO2 → Mn + 2 CO

Коррозия металла

Коррозия – это процесс разрушения металлов или металлических конструкций под действием кислорода, воды и вредных примесей. Не все металлы подвергаются коррозии. Их стойкость зависит от ряда факторов.

  • На благородных металлах не образуется коррозия.
  • На поверхности алюминия, титана, цинке, хрома и никеля есть оксидная пленка, которая предотвращает процессы коррозии.

Различают несколько видов коррозии – химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия

Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Она образуется под действием газов.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия – процесс разрушения металлов или металлических конструкций, который сопровождается электрохимическими реакциями. В большинстве металлов находятся примеси. В процессе коррозии электродами могут служить не только металлы, но и его примеси.

Например, в железе могут находиться примеси олова. В этом случае на аноде электроны переносятся от олова к железу и металлы растворяются, т.е. железо подвергаются коррозии. На катоде восстанавливается водород из воды или растворенного кислорода. Электрохимическая коррозия может сопровождаться следующими процессами.

Анод: Fe 2+ - 2e → Fe 0

Катод: 2H + + 2e → H2

Способы защиты от коррозии

В промышленности популярны различные методы защиты металлов от коррозии.

Покрытия защищают поверхности от действия окислителей. Ими служат различные вещества:

  • покрытие менее активным металлом (железо покрывают оловом);
  • краски, лаки, смазки.
  • Создание специальных сплавов

Физические свойства сплавов и чистых металлов отличаются. Поэтому для повышения стойкости в сплав необходимо добавить дополнительные металлы.

Биологическая роль металлов и неметаллов

В организмах содержится множество различных металлов и неметаллов. Различных химических элементов в организме может не хватать, поэтому приходится потреблять их извне.Химические элементы можно разделить на две большие группы – макроэлементы и микроэлементы.

К макроэлементам относятся вещества, содержание которых в организме превышает 0,005 %. Эта группа включает водород, углерод, кислород, азот, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций.Микроэлементы – элементы, содержание которых не превышает 0,005%. К ним относятся железо, медь, селен, йод, хром, цинк, фтор, марганец, кобальт, молибден, кремний, бром, ванадий, бор. Каждый макро- и микроэлемент в организме выполняет определенную функцию.

Применение металлов и неметаллов

В синтезе химических препаратов и лекарств применяются чистые металлы и неметаллы. В органической химии металлы используются в качестве катализаторов, а также при получении металлорганических соединений. Неметаллы служат исходным сырьем для получения чистых кислот и других химических соединений.

Алюминий и цинк как амфотерные элементы

Среди химических веществ выделяют три группы веществ, исходя из основных химических свойств. Если первые две группы понятны – металлы и неметаллы, то третья группа воспринимается с трудом – амфотерные. С физической точки зрения они могут быть неотличимы от обычных металлов, но химически, могут быть как восстановителями, так и окислителями. На данном уроке разберемся с особенностями амфотерных элементов.

Основное понятие амфотерности

Что такое металлы и неметаллы – понять нетрудно. Металлы обладают восстановительными свойствами и в химической реакции отдают электроны. При этом, гидроксиды металлов – это основания. Неметаллы, напротив, являются окислителями и забирают электроны. Гидроксиды неметаллов – это кислоты.

Амфотерные соединения могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства в зависимости от реакционной среды. Гидроксиды таких атомов могут выступать в качестве кислот или оснований.

Расположение амфотерных элементов в таблице Менделеева

В таблице Менделеева положение того или иного атома сообщает значительную часть информации о строении атома этого элемента и его химических свойствах. Периодической эта система называется, потому что в разных периодах (горизонтальные строчки) и группах (вертикальные столбцы) повторяется определенное качество элементов. Так, вся первая группа является щелочными металлами, а седьмая – галогенами (неметаллами), восьмая – инертными газами. Но, это характерно только для главной подгруппы. В побочной группе располагаются амфотерные элементы.

Строение атома амфотерных элементов

Особенность химических свойств амфотерных элементов связана со строением их атомов. У них происходит предзаполнение s-подуровня, из-за этого, незаполненным оказывается всегда d-подуровень. Все представители побочных подгрупп являются p- или d-элементами. В различных условиях может происходить перескок электронов с подуровней и увеличение неспаренных электронов.

Таблица. Строение атомов некоторых амфотерных элементов

Для некоторых из них характерен проскок электрона. Это состояние, при котором электрон с последнего уровня перескакивает на следующий. По этой причине оказывается неспаренным s-электрон.

Представители амфотерных элементов

Все элементы побочных групп являются амфотерными и проявляют сходные химические свойства. Наиболее распространены в природе три элемента: Al, Zn и Cr.

Цинк как амфотерный элемент

Цинк — это относительно мягкий светло-серый металл. Является одним из самых распространенных амфотерных элементов. В природе цинк встречается в составе 66 минералов, наиболее распространенные представлены в таблице.

Таблица. Минералы, в состав которых входит Zn

Цинк является d-элементом.

Химические свойства цинка обусловлены наличием незаполненной p-обитали. С s-подуровня происходит перескок электрона, за счет чего появляется два неспаренных электрона: Zn* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 4p 1 .

Алюминий как амфотерный элемент

Al является самым распространенных элементом не только среди металлов, но и во всей таблице Менделеева. Он занимает 3 место после кислорода (O2) и кремния (Si).

Это мягкое вещество серебристо-серого цвета с низкой температурой плавления. В природе встречается как в виде минералов, так и в виде самородков. Является примесью многих минералов.

Наиболее распространенные минералы, содержащие Al:

Последний минерал в зависимости от примесей имеет разный окрас. Применяется в ювелирном деле и считается полудрагоценным камнем.

Его атом содержит 13 электронов, распределенных по 3 электронным уровням: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Это р-элемент, у которого может происходить переход электрона с s-подуровня на свободную р-орбиталь. За счет этого, металл приобретает 3 неспаренных электрона: Al* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Свойства металлов Al и Zn как простых веществ

Цинк – довольно плотный металл. Сохраняет свои качества в небольшом диапазоне температур: при низких значениях (до -30) становится хрупким, при температурах выше 100 0 С очень пластичен. Это используется в металлургии, прокатывая цинковые листы толщиной несколько миллиметров (цинковая фольга). Некоторые примеси резко повышают хрупкость металла, поэтому используется очищенный материал.

Al – сильно пластичный легкий металл с низкой температурой плавления. Обладает высокой ковкостью и электропроводностью.

На воздухе он покрывается оксидной пленкой поэтому практически не подвергается коррозии. Благодаря этому он используется при изготовлении проводов и корпусов машинной техники.

Получение алюминия и цинка

Основной способ получения металлов – выделение их из состава руды. Для этого используется наиболее богатая металлом горная порода. Алюминий получают из боксита. Этот процесс состоит из трех этапов:

  • Добыча горной породы;
  • Обогащение (увеличение концентрации метала за счет очистки от примесей);
  • Выделение чистого вещества путем электролиза.

Получение цинка производится несколькими методами – электролитическим (так же как и Al) и пирометаллургический. Второй способ основан на восстановлении цинка из его оксида углеродом или оксидом углерода II (угарным газом):

ZnO + CO ⇄ Zn + CO2

Достоинство этого метода в том, что продукты первой реакции могут использоваться во второй, что снижает количество выбросов в атмосферу.

Химические свойства алюминия и цинка

Оба вещества способны реагировать как обычные металлы. Так же, есть ряд специфических реакций.

Взаимодействие с неметаллами

С неметаллами и оба вещества взаимодействуют с образованием бинарных соединений – солей. Как правило, скорость течения реакции и условия зависят от активности неметалла. Так, с кислородом реакция идет реакция образования оксида при нагревании с цинком:

с алюминием в обычных условиях:

Оксид алюминия покрывает изделие плотной пленкой (оксидная пленка) и доступ кислорода прекращается, поэтому, для полной реакции его нужно брать в порошке.

Zn не реагирует с Br, N2, Si, C, H2.

Al не вступает в реакцию только с H2.

Взаимодействие с металлами

С восстановителями оба металла образуют сплавы:

Это не является химической реакцией, так как не происходит передачи электронов или изменения химических свойств веществ.

Взаимодействие с кислотами и щелочами

С кислотами и алюминий, и цинк взаимодействуют при обычных условиях с образованием солей:

Результат реакции со щелочами зависит от условий реакции: если реакция идет в растворе (в присутствии воды), то образуются комплексные соли:

В безводной среде (сплавление) образуются соли металлических кислот:

2Al + 6KOH = 2KAlO2 + 2K2O + 3H2 (KAlO2 – алюминат калия).

Взаимодействие с водой

Алюминий активно взаимодействует с водой, если очистить оксидную пленку. Реакцию нужно проводить быстро, так как пленка образуется практически мгновенно:

Zn реагирует с водой при очень высокой температуре (при накаливании до красного состояния):

Оксиды цинка и алюминия

ZnO – оксид, широко используемый в химической промышленности. Он применяется для получения солей. В реакции со щелочами образуются комплексные соли, легко разрушаемые кислотами.

Al2O3 –глинозем. Имеет очень плотную кристаллическую решетку, из-за чего практически не реагирует при обычных условиях. При экстремально высоких температурах вступает в реакцию со щелочами:

Может вступать в реакцию с кипящими кислотами с образованием комплексных солей.

Применение алюминия и цинка

Al как самый распространенный элемент широко используется в химической промышленности. Он способен вытеснять восстановители из соединений, поэтому применяется для получения металлов. Такой метод называется алюмотермия.

Благодаря оксидной пленке и низкой плотности используется в автомобиле-, самолето- и ракетостроении для снижения массы изделия. В строительстве алюминий применяется для изготовления каркасов высотных зданий.

Zn применяется для снижения коррозии металлических изделий –цинкование. Порошок этого металла используется для изготовления масляных красок с металлическим блеском. Также, оксид служит в качестве антисептика. Мази на основе цинкового порошка используются в лечении лишаев и других инфекционных поражений кожи.

Сплавы алюминия и цинка

В металлургии практически не применяются в чистом виде из-за высокой пластичности. Для того чтобы сохранить достоинства металлов, но убрать недостатки осуществляют сплавление с другими металлами.

Сплавы алюминия

Сплавы алюминия делятся на две группы:

  • Литейные (без сохранения пластичности);
  • Конструкционные (деформируемые).

Таблица. Характеристика основных сплавов алюминия

Сплавы цинка

Самый используемый сплав цинка – латунь (Cu — Zn). Он обладает хорошими сварными свойствами, поэтому применяется в изготовлении кухонной утвари и различных изделий интерьера.

Если к этому сплаву добавляют свинец, этот сплав называется мунц-металл. Оба сплава применяются при литье труб и каркасов.

Железо

Одним из самых известных металлов является железо. Часто металлические изделия называют железными, но это лишь один химический элемент – металл из многих. Причем химические свойства этого элемента не так просты, как кажется. В этой статье рассмотрим физические и химические особенности железа.

Положение в таблице Менделеева и строение атома

Железо расположено в 8 группе побочной подгруппе. У этого элемента 26 электронов, распределенных по 4 уровням. Электронная конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Для его атома характерно предзаполнение s-подуровня, поэтому в действительности формула следующая: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 . Железо является d-элементом. Благодаря этому, основные степени окисления железа: 0, +2, +3.

Физические свойства

Железо обладает всеми свойствами металлов:

- высокая температура плавления (1539 0 С).

Многие свойства находятся в оптимальных границах, поэтому железо часто используют при изготовлении различных изделий из металла. Для изменения определенных характеристик изготавливаются сплавы.

Основные сплавы железа

Металлы отличаются некоторыми параметрами. Например, одни обладают меньшей температурой плавления, другие большей прочностью, третьи – наиболее электропроводны. Иногда, для изменения свойств металла, его сплавляют с неметаллами (чаще всего, углерод). Самый распространенный сплав – сталь. Основу сплава составляет железо и углерод, кроме них могут добавляться различные металлы (легирующие компоненты), меняющие свойства сплава.

Таблица. Сплавы железа и их свойства

В качестве легирующих металлов стали могут использовать:

  • Cr – хром
  • Mo – молибден
  • Ni – никель
  • Si – кремний
  • Cu – медь
  • W – вольфрам
  • Al – алюминий
  • Mn – марганец
  • Ti – титан
  • Nb – ниобий
  • Co — кобальт

Легирующими компонентами чугуна являются неметаллы: марганец, кремний, сера, фосфор и некоторые металлы (алюминий, хром).

Нахождение железа в природе

В природе железо содержится в рудах. Они могут отличаться по содержанию железа и других примесей. К основным железным рудам относятся: магнетит, гематит, пирит.

Магнетит (магнитный железняк)

Химическая формула – FeO·Fe2O3. К основному оксиду могут примешиваться различные металлы и их оксиды. Зоны залежей магнетита проводят к формированию магнитных аномалий – участков Земли, на которых магнитные приборы указывают не на полюса, а на эту залежь. По этой причине использовать компасы и электронные приборы в этих зонах бесполезно.

Магнетит добывается в Челябинской области, на Кольском полуострове, Южном Урале, на Украине (гора Кривой рог).

Кратер добычи железной руды в Курской Магнитной Аномалии. Источник

Эта руда является основной для получения железа, так как его содержание в ней – 72,4%. В форме минерала используется в качестве утяжелителя глинистых растворов при бурении.

Пирит

Химическая формула - FeS2 (серный или железный колчедан). Может содержать примеси Mn, Ni, Co. Это минерал желтого цвета. Из-за внешнего сходства его часто путали с золотом, поэтому этот минерал часто называют золотом дураков. Хотя, самородное золото часто содержится в пирите в виде примесей и даже встраивается в го кристаллическую решетку.

Считается одним из самых распространенных сульфидов. Залежи пирита расположена во всех геотермальноактивных зонах, а также, в донных отложениях Черного моря.

При контакте с воздухом окисляется до лимонита (FeOOH·(Fe2O3·nH2O).

Пирит используется для получения серной кислоты, сероводорода или в строительном деле в качестве добавки в цемент.

Гематит

Химическая формула - Fe2O3. С давних времен минерал использовался для изготовления красок, ритуальных украшений и лекарственных препаратов. В настоящее время является основным источником получения чугуна.

  • Украинское (Кривбасс);
  • Михайловское (КМА);
  • Колатсельгские штольни;
  • Байкальское месторождение;
  • Альпийское;
  • Кутим.

Кроме минералов существует еще метеоритное железо. Это форма металла, попавшего на Землю из космоса. Во время прохождения через плотные слои атмосферы все примеси метеорита сгорают. Такое железо считается самым чистым. Оно практически не подвергается коррозии.

Способы получения

Основным способом получения железа является выделение из минеральных руд. Основным считается доменный процесс. Выделение железа производится в несколько стадий.

Доменная печь

Таблица. Стадии доменного процесса

Мартеновская печь

Для снижения содержания примесей в чугуне, полученный материал отправляют в Мартеновскую печь. Это плавильная установка. Процесс увеличения доли железа происходит в три этапа:

  • Плавление. Здесь образуется большое количество FeO.
  • Окисление. С+ FeO = Fe+CO. в результате реакции доля углерода снижается.
  • Раскисление. Окисление оставшегося FeO алюминием, ферромарганцем или ферросилицием.

Электрическая печь

Установка предназначена для получения легированной стали. Установка разогревается до высоких температур (цифра зависит от итогового сплава) и добавляется окислительный материал (нихром, фехраль и т.д.).

Химические свойства железа

Железо – элемент средней активности. Без нагревания многие реакции даже с сильными окислителями идут крайне медленно. При повышении температуры скорость взаимодействия увеличивается.

С неметаллами железо образует бинарные соединения – соли или оксиды.

Важная особенность: при взаимодействии с простыми веществами (кроме кислорода), железо проявляет степень окисления +3.

С кислородом образуется сразу два оксида со степенями окисления +2 и +3:

Железо реагирует с парами воды в раскалённом состоянии:

Отношение железа к кислотам

С концентрированными кислотами железо не реагирует (пассивирует).

С растворами реакция идет также как и у других металлов – с образованием соли и водорода. Важно: при реакции со сложными соединениями железо проявляет степень окисления +2.

Реакция с солями

Железо реагирует с солями, металл которых пассивнее железа. Это значит, он должен располагаться левее в ряду активности металлов.

Смешанный оксид Fe3O4

Интересным соединение железа является смешанный оксид. Его особенность в том, что в одной кристаллической решетке есть сразу два иона железа - +2 и +3. Так как они образуют единый комплекс, часто их записывают как один оксид. На самом деле это кристаллогидрат двух оксидов: FeO⋅Fe2O3. Для него характерны следующие реакции:

Гидроксиды железа 2 и 3

Гидроксиды железа являются амфотерными соединениями, но с разной степенью основности.

Fe(OH)2

Гидроксид железа (II) – соединение коричневого или буро-оранжевого цвета.

Природный минерал с этой формулой называется амакинит.

Проявляет все химические свойства основных гидроксидов (реакции замещения с солями, кислотами).

Как амфотерное соединение способен реагировать со щелочами с образованием комплексных солей:

Гидроксид железа (II) является компонентом железо-никелевых аккумуляторов.

Fe(OH)3

Соединение красно-коричневого цвета.

Проявляет амфотерные свойства.

В природе встречается в составе минерала лимонита.

Проявляет химические свойства как и Fe(OH)2.

Применение железа

Железо является основным элементом черной металлургии, где используются сплавы этого вещества. Железные изделия необходимы в строительном, отделочном, электронном ремесле. В чистом виде оно применяется в химической промышленности, для изготовления аккумуляторов, для очистки сточных вод.

14 различных типов металлов


Термин "металл" происходит от греческого слова "metalléuō", что означает выкапываю или добываю из земли. Наша планета содержит много металла. На самом деле из 118 элементов периодической системы порядка 95 являются металлами.

Это число не является точным, потому что граница между металлами и неметаллами довольно расплывчата: нет стандартного определения металлоида, как нет и полного согласия относительно элементов, соответствующим образом классифицированных как таковые.

Сегодня мы используем различные виды металлов, даже не замечая их. Начиная с зажимов в сантехнике и заканчивая устройством, которое вы используете для чтения этой статьи, все они сделаны из определенных металлов. Фактически, некоторые металлические элементы необходимы для биологических функций, таких как приток кислорода и передача нервных импульсов. Некоторые из них также широко используются в медицине в виде антацидов.

Все металлы в периодической таблице можно классифицировать по их химическим или физическим свойствам. Ниже мы перечислили некоторые различные типы металлов вместе с их реальным применением.

Классификация по физическим свойствам

14. Легкие металлы


Сплав титана 6AL-4V

Примеры: Алюминий, титан, магний

Легкие металлы имеют относительно низкую плотность. Формального определения или критериев для идентификации этих металлов нет, но твердые элементы с плотностью ниже 5 г/см³ обычно считаются легкими металлами.

Металлургия легких металлов была впервые развита в середине 19 века. Хотя большинство из них происходит естественным путем, значительная их часть образуется при электротермии и электролизе плавленых солей.

Их сплавы широко используются в авиационной промышленности благодаря их низкой плотности и достаточным механическим свойствам. Например, сплав титана 6AL-4V составляет почти 50 процентов всех сплавов, используемых в авиастроении. Он используется для изготовления роторов, лопастей компрессоров, мотогондол, компонентов гидравлических систем.

13. Тяжелые металлы


Окисленные свинцовые конкреции и кубик размером 1 см3

Примеры: железо, медь, кобальт, галлий, олово, золото, платина.

Тяжелые металлы - это элементы с относительно высокой плотностью (обычно более 5 г/см³) и атомным весом. Они, как правило, менее реактивны и содержат гораздо меньше растворимых сульфидов и гидроксидов, чем более легкие металлы.

Эти металлы редки в земной коре, но они присутствуют в различных аспектах современной жизни. Они используются в солнечных батареях, сотовых телефонах, транспортных средствах, антисептиках и ускорителях частиц.

Тяжелые металлы часто смешиваются в окружающей среде из-за промышленной деятельности, ухудшая качество почвы, воды и воздуха, а затем вызывая проблемы со здоровьем у животных и растений. Выбросы транспортных средств, горнодобывающие и промышленные отходы, удобрения, свинцово-кислотные батареи и микропластики, плавающие в океанах, являются одними из наиболее распространенных источников тяжелых металлов в этом контексте.

12. Белый металл


Подшипники из белого металла

Примеры: Обычно изготавливается из олова, свинца, висмута, сурьмы, кадмия, цинка.

Белые металлы - это различные светлые сплавы, используемые в качестве основы для украшений или изделий из серебра. Например, многие сплавы на основе олова или свинца используются в ювелирных изделиях и подшипниках.

Белый металлический сплав изготавливается путем объединения определенных металлов в фиксированных пропорциях в соответствии с требованиями конечного продукта. Основной металл для ювелирных изделий, например, формуется, охлаждается, экстрагируется, а затем полируется, чтобы придать ему точную форму и блестящий вид.

Они также используются для изготовления тяжелых подшипников общего назначения, подшипников внутреннего сгорания среднего размера и электрических машин.

11. Хрупкий металл


Хрупкое разрушение чугуна

Примеры: сплавы углеродистой стали, чугуна и инструментальной стали.

Металл считается хрупким, если он твердый, но не может противостоять ударам или вибрации под нагрузкой. Такие металлы под воздействием напряжения ломаются без заметной пластической деформации. Они имеют низкую прочность на разрыв и часто издают щелкающий звук при поломке.

Многие стальные сплавы становятся хрупкими при низких температурах, в зависимости от их обработки и состава. Чугун, например, твердый, но хрупкий из-за высокого содержания углерода. Напротив, керамика и стекло гораздо более хрупки, чем металлы, из-за их ионных связей.

Галлий, висмут, хром, марганец и бериллий также хрупки. Они часто используются в различных гражданских и военных целях, связанных с высокими деформационными нагрузками. Чугун, устойчивый к повреждениям в результате окисления, используется в машинах, трубах и деталях автомобильной промышленности, таких как корпуса коробок передач и головки цилиндров.

10. Тугоплавкий металл


Микроскопическое изображение вольфрамовой нити в лампе накаливания

Примеры: молибден, вольфрам, тантал, рений, ниобий.

Тугоплавкие металлы имеют чрезвычайно высокие температуры плавления (более 2000 °С) и устойчивы к износу, деформации и коррозии. Они являются хорошими проводниками тепла и электричества и имеют высокую плотность.

Другой ключевой характеристикой является их термостойкость: они не расширяются и не растрескиваются при многократном нагревании и охлаждении. Однако они могут деформироваться при высоких нагрузках и окисляться при высоких температурах.

Благодаря своей прочности и твердости они идеально подходят для сверления и резки. Карбиды и сплавы тугоплавких металлов используются почти во всех отраслях промышленности, включая горнодобывающую, автомобильную, аэрокосмическую, химическую и ядерную.

Металлический вольфрам, например, используется в ламповых нитях. Сплавы рения используются в гироскопах и ядерных реакторах. А ниобиевые сплавы используются для форсунок жидкостных ракетных двигателей.

9. Черные и цветные металлы


Валы-шестерни из (черной) нержавеющей стали

Черные металлы: Сталь, чугун, сплавы железа.
Цветные металлы: Медь, алюминий, свинец, цинк, серебро, золото.

Термин "железо" происходит от латинского слова "Ferrum", что переводится как "железо". Таким образом, термин "черный металл" обычно означает "содержащий железо", тогда как "цветной металл" означает металлы и сплавы, которые не содержат достаточного количества железа.

Поскольку черные металлы могут иметь широкий спектр легирующих элементов, которые значительно изменяют их характеристики, очень трудно поместить свойства всех черных металлов под один зонт. Тем не менее некоторые обобщения могут быть сделаны, например, большинство черных металлов являются твердыми и магнитными.

Черные металлы используются для применения с высокой нагрузкой и низкой скоростью, в то время как цветные металлы предпочтительны для применения с высокой скоростью и нулевой нагрузкой для применения с низкой нагрузкой.

Сталь является наиболее распространенным черным металлом. Она составляет около 80% всего металлического материала благодаря своей доступности, высокой прочности, низкой стоимости, простоте изготовления и широкому спектру свойств. Она широко используется в строительстве и обрабатывающей промышленности. Фактически, рост производства стали показывает общее развитие промышленного мира.

8. Цветные и благородные металлы


Ассортимент благородных металлов

Цветные металлы: медь, алюминий, олово, никель, цинк
Благородные металлы: родий, ртуть, серебро, рутений, осмий, иридий

Цветные металлы - это обычные и недорогие металлы, которые корродируют, окисляются или тускнеют быстрее, чем другие металлы, когда подвергаются воздействию воздуха или влаги. Они в изобилии встречаются в природе и легко добываются.

Они широко используются в промышленных и коммерческих целях и имеют неоценимое значение для мировой экономики благодаря своей полезности и повсеместности. Некоторые цветные металлы обладают отличительными характеристиками, которые не могут быть продублированы другими металлами. Например, цинк используется для гальванизации стали, чтобы защитить ее от коррозии, а никель - для изготовления нержавеющей стали.

Благородные металлы, с другой стороны, устойчивы к окислению и коррозии во влажном воздухе. Согласно атомной физике, благородные металлы имеют заполненный электрон d-диапазона. В соответствии с этим строгим определением, медь, серебро и золото являются благородными металлами.

Они находят применение в таких областях, как орнамент, металлургия и высокие технологии. Их точное использование варьируется от одного элемента к другому. Некоторые благородные металлы, такие как родий, используются в качестве катализаторов в химической и автомобильной промышленности.

7. Драгоценные металлы


Родий: 1 грамм порошка, 1 грамм прессованного цилиндра и 1 г аргонодуговой переплавленной гранулы

Примеры: палладий, золото, платина, серебро, родий.

Драгоценные металлы считаются редкими и имеют высокую экономическую ценность. Химически они менее реакционноспособны, чем большинство элементов (включая благородные металлы). Они также пластичны и имеют высокий блеск.

Несколько веков назад эти металлы использовались в качестве валюты. Но сейчас они в основном рассматриваются как промышленные товары и инвестиции. Многие инвесторы покупают драгоценные металлы (в основном золото), чтобы диверсифицировать свои портфели или победить инфляцию.

Серебро - второй по популярности драгоценный металл для ювелирных изделий (после золота). Однако его значение выходит далеко за рамки красоты. Оно обладает исключительно высокой тепло- и электропроводностью и чрезвычайно низким контактным сопротивлением. Именно поэтому серебро широко используется в электронике, батареях и противомикробных препаратах.

Классификация по химическим свойствам

6. Щелочные металлы


Твердый металлический натрий

Примеры: натрий, калий, рубидий, литий, цезий и франций.

Щелочь относится к основной природе гидроксидов металлов. Когда эти металлы реагируют с водой, они образуют сильные основания, которые легко нейтрализуют кислоты.

Они настолько реактивны, что обычно встречаются в природе в слиянии с другими веществами. Карналлит (хлорид калия-магния) и сильвин (хлорид калия), например, растворимы в воде и, таким образом, легко извлекаются и очищаются. Нерастворимые в воде щелочи, такие, как фторид лития, также существуют в земной коре.

Одно из самых популярных применений щелочных металлов - использование цезия и рубидия в атомных часах, наиболее точных из известных эталонов времени и частоты. Литий используется в качестве анода в литиевых батареях, композиты калия используются в качестве удобрений, а ионы рубидия используются в фиолетовых фейерверках. Чистый металлический натрий широко используется в натриевых лампах, которые очень эффективно излучают свет.

5. Щелочноземельные металлы


Изумрудный кристалл, основной минерал бериллия.

Примеры: бериллий, кальций, магний, барий, стронций и радий.

Щелочноземельные металлы в стандартных условиях мягкие и серебристо-белые. Они имеют низкую плотность, температуру кипения и температуру плавления. Хотя они не так реакционноспособны, как щелочные металлы, они очень легко образуют связи с элементами. Как правило, они вступают в реакцию с галогенами, образуя галогениды щелочноземельных металлов.

Все они встречаются в земной коре, кроме радия, который является радиоактивным элементом. Радий уже распадался в ранней истории Земли из-за относительно короткого периода полураспада (1600 лет). Современные образцы поступают из цепочки распада урана и тория.

Щелочноземельные металлы имеют широкий спектр применения. Бериллий, например, используется в полупроводниках, теплопроводниках, электрических изоляторах и в военных целях. Магний часто сплавляют с цинком или алюминием для получения материалов со специфическими свойствами. Кальций в основном используется в качестве восстановителя, а барий используется в вакуумных трубках для удаления газов.

4. Переходные металлы


Примеры: титан, ванадий, хром, никель, серебро, вольфрам, платина, кобальт.

Большинство элементов используют электроны из своей внешней оболочки для связи с другими элементами. Переходные металлы, однако, могут использовать две крайние оболочки для соединения с другими элементами. Это химическая особенность, которая позволяет им связываться со многими различными элементами в различных формах.

Они занимают среднюю часть таблицы Менделеева, служа мостом между (или переходом) между двумя сторонами таблицы. Более конкретно, есть 38 переходных металлов в группах с 3 по 12 периодической таблицы. Все они являются пластичными, податливыми и хорошими проводниками тепла и электричества.

Многие из этих металлов, такие как медь, никель, железо и титан, используются в конструкциях и в электронике. Большинство из них образуют полезные сплавы друг с другом и с другими металлическими веществами. Некоторые из них, включая золото, серебро и платину, называются благородными металлами, потому что они крайне инертны и устойчивы к кислотам.

3. Постпереходные металлы


Висмут в виде синтетических кристаллов

Примеры: алюминий, галлий, олово, свинец, таллий, индий, висмут.

Постпереходные металлы в периодической таблице - это элементы, расположенные справа от переходных металлов и слева от металлоидов. Из-за своих свойств они также называются "бедными" или "другими" металлами.

Физически они хрупки (или мягки) и имеют более низкую температуру плавления и механическую прочность, чем переходные металлы. Их кристаллическая структура довольно сложна: они проявляют ковалентные или направленные эффекты связи.

Различные металлы этого семейства имеют различное применение. Алюминий, например, используется для изготовления оконных рам, кухонной посуды, банок, фольги, деталей автомобилей. Оловянные сплавы используются в мягких припоях, оловянных и сверхпроводящих магнитах.

Индиевые сплавы используются для изготовления плоских дисплеев и сенсорных экранов, а галлий - в топливных элементах и полупроводниках.

2. Лантаноиды


1-сантиметровый кусок чистого лантана

Примеры: лантан, церий, прометий, гадолиний, тербий, иттербий, лютеций.

Лантаноиды - это редкоземельные металлы с атомными номерами от 57 до 71. Впервые они были обнаружены в 1787 году в необычном черном минерале (гадолините), обнаруженном в Иттербю, Швеция. Позже минерал был разделен на различные элементы лантаноидов.

Лантаноиды - это металлы с высокой плотностью, плотность которых колеблется от 6,1 до 9,8 г/см³, и они, как правило, имеют очень высокие температуры кипения (1200-3500 °C) и очень высокие температуры плавления (800-1600 °C).

Сплавы лантаноидов используются в металлургии из-за их сильных восстановительных способностей. Около 15 000 тонн лантаноидов ежегодно расходуется в качестве катализаторов и при производстве стекол. Они также широко используются в лазерах и оптических усилителях.

Некоторые исследования показывают, что лантаноиды могут быть использованы в качестве противораковых средств. Лантан и церий, в частности, могут подавлять пролиферацию раковых клеток и способствовать цитотоксичности.

1. Актиниды


Металлический уран, высокообогащенный ураном-235

Примеры: актиний, уран, торий, плутоний, фермий, нобелий, лоренций

Подобно лантаноидам, актиниды образуют семейство редкоземельных элементов с аналогичными свойствами. Они представляют собой серию из 15 последовательных химических элементов в периодической системе от атомных номеров 89 до 103.

Все они радиоактивны по своей природе. Синтетически произведенный плутоний, а также природные уран и торий являются наиболее распространенными актинидами на Земле. Первым актинидом, который был открыт в 1789 году, был уран. И большая часть существующих продуктов актинидов была произведена в 20 веке.

Их свойства, такие как излучение радиоактивности, пирофорность, токсичность и ядерная критичность, делают их опасными для обращения. Сегодня значительная часть (кратковременных) актинидов производится ускорителями частиц в исследовательских целях.

Некоторые актиниды нашли применение в повседневной жизни, например, газовые баллоны (торий) и детекторы дыма (америций), большинство из них используются в качестве топлива в ядерных реакторах и для изготовления ядерного оружия. Уран-235 является наиболее важным изотопом для применения в ядерной энергетике, который широко используется в тепловых реакторах.

Читайте также: