Металлами называют химически простые вещества

Обновлено: 20.09.2024

Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

Таким образом, к металлам, возможно, относится 94 элемента из всех открытых; все остальные являются неметаллами.

В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия (см. Металличность).

Кроме того, в физике металлам [как проводникам] противоставляется полупроводники и диэлектрики (см. также Полуметалл (спинтроника)).

Слово «металл» заимствовано из немецкого языка. Отмечается в «Травнике» Николая Любчанина, написанном в 1534 году: «…злато и серебро всех металей одолеваетъ». Окончательно усвоено в Петровскую эпоху. Первоначально имело общее значение «минерал, руда, металл»; разграничение этих понятий произошло в эпоху М. В. Ломоносова.

Немецкое слово «metall» заимствовано из латинского языка, где «metallum» — «рудник, металл». Латинское, в свою очередь, заимствовано из греческого языка (μεταλλον — «рудник, копь»).

Бо́льшая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде и в живых организмах (играя при этом важную роль).

Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов. Больше всего в организме кальция (в костях) и натрия, выступающего в роли электролита в межклеточной жидкости и цитоплазме. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь — в печени, железо — в крови.

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже в таблице приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например, олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

оксид лития

пероксид натрия

надпероксид калия

С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп, кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.

С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

2. Немета́ллы — химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы. Расположение их в главных подгруппах соответствующих периодов следующее:

Группа	I	III	IV	V	VI	VII	VIII
1-й период	H	He
2-й период	B	C	N	O	F	Ne
3-й период	Si	P	S	Cl	Ar
4-й период	As	Se	Br	Kr
5-й период	Te	I	Xe
6-й период	At	Rn

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов, и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.

Благодаря высоким значениям энергии ионизации неметаллов, их атомы могут образовывать ковалентные химические связи с атомами других неметаллов и амфотерных элементов. В отличие от преимущественно ионной природы строения соединений типичных металлов, простые неметаллические вещества, а также соединения неметаллов имеют ковалентную природу строения.

В свободном виде могут быть газообразные неметаллические простые вещества — фтор, хлор, кислород, азот, водород, инертные газы, твёрдые — иод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор, при комнатной температуре в жидком состоянии существует бром.

У некоторых неметаллов наблюдается проявление аллотропии. Так, для газообразного кислорода характерны две аллотропных модификации — кислород (O2) и озон (O3), у твёрдого углерода множество форм — алмаз, астралены, графен, графит, карбин, лонсдейлит, фуллерены, стеклоуглерод, диуглерод, углеродные наноструктуры (нанопена, наноконусы, нанотрубки, нановолокна) и аморфный углерод уже открыты, а ещё возможны и другие модификации, например, чаоит и металлический углерод.

В молекулярной форме в виде простых веществ в природе встречаются азот, кислород и сера. Чаще неметаллы находятся в химически связанном виде: это вода, минералы, горные породы, различные силикаты, фосфаты, бораты. По распространённости в земной коре неметаллы существенно различаются. Наиболее распространёнными являются кислород, кремний, водород; наиболее редкими — мышьяк, селен, иод.

Простые вещества

Простые вещества — вещества, состоящие исключительно из атомов одного химического элемента (из гомоядерных молекул) [1] [2] , в отличие от сложных веществ. Являются формой существования химических элементов в свободном виде [1] [3] ; или, иначе говоря, элементы, не связанные химически ни с каким другим элементом, образуют простые вещества [3] . Известно свыше 400 разновидностей простых веществ [2] .

В зависимости от типа химической связи между атомами простые вещества могут быть металлами (Na, Mg, Al, Bi и др.) и неметаллами (H₂, N₂, Br₂, Si и др.) [2] .

Содержание

Аллотропные модификации

Схемы строения различных модификаций углерода
a: алмаз, b: графит, c: лонсдейлит
d: фуллерен — букибол C₆₀, e: фуллерен C₅₄₀, f: фуллерен C₇₀
g: аморфный углерод, h: углеродная нанотрубка

Один и тот же химический элемент зачастую может образовывать несколько типов простых веществ (аллотропия), называемых аллотропными модификациями. Явление аллотропии может быть обусловлено либо различным составом молекул данного элемента (аллотропия состава), либо различным строением молекул и способом размещения молекул (атомов) в кристаллах (аллотропия формы). Способность элемента к образованию соответствующих аллотропных модификаций обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов [2] .

Различные аллотропные модификации могут переходить друг в друга. Для данного химического элемента его аллотропные модификации всегда различаются по физическим свойствам и химической активности (например, озон активнее кислорода, температура плавления алмаза больше, чем фуллерена) [4] .

Агрегатное состояние

При нормальных условиях соответствующие простые вещества для 11 элементов являются газами (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn), для 2 — жидкостями (Br, Hg), для остальных элементов — твёрдыми телами.

При комнатной температуре (либо близкой к ней) 5 металлов находятся в жидком либо полужидком состоянии, так как их температура плавления близка к комнатной:

Отношение понятий

Понятия «атом», «химический элемент» и «простое вещество» не следует смешивать. «Атом» — конкретное понятие, так как атомы существуют реально. «Химический элемент» — это собирательное, абстрактное понятие; в природе химический элемент существует в виде свободных или химически связанных атомов, то есть простых и сложных веществ.

Также нужно различать свойства (характеристики) простого вещества (совокупности частиц) и свойства (характеристики) химического элемента (изолированного атома определенного вида), см. таблицу ниже [4] :

Характеристики химического элемента	Характеристики простого вещества
атомный номер относительная атомная масса изотопный состав распространённость в природе положение в периодической системе строение атома энергия ионизации сродство к электрону электроотрицательность степени окисления валентность аллотропные модификации химический знак …	окраска запах электропроводность теплопроводность растворимость твёрдость температура кипения температура плавления вязкость молярная масса оптические свойства магнитные свойства химическая формула …

Названия химических элементов и соответствующих простых веществ совпадают в большинстве случаев. Однако существуют и исключения. Например, названия аллотропных модификаций кислорода — кислород (дикислород O₂) и озон; углерода — алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Каждый химический элемент имеет свое условное обозначение — химический знак (символ). В ряде случаев химический знак может также выражать состав простого вещества (Zn, B, C, Ar). Однако, например, символ O обозначает только химический элемент, простое вещество «кислород» имеет формулу O₂.

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

• Основные положения и определения в химии
• Простые вещества

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Простые вещества" в других словарях:

Простые эфиры — Простые эфиры органические вещества, имеющие формулу R O R1, где R и R1 углеводородные радикалы. Следует однако учитывать, что такая группа может входить в состав других функциональных групп соединений, не являющихся простыми эфирами… … Википедия

Неорганические вещества — Неорганические вещества это химические вещества, которые не являются органическими, то есть они не содержат углерода (кроме карбидов, цианидов, карбонатов, оксидов углерода и некоторых других соединений, которые традиционно относят к… … Википедия

Молекулярные вещества — Молекулярные и немолекулярные вещества один из признаков химических веществ относительно их строения. Содержание 1 Молекулярные вещества 2 Немолекулярные вещества … Википедия

Сложные вещества — это химические вещества, которые состоят из атомов двух или более химических элементов. Сложными веществами являются большинство неорганических веществ и все органические. (см. также простые вещества) Сложные вещества состоят из атомов разного… … Википедия

Эфиры простые — Простые эфиры органические вещества, имеющие формулу R O R1, где R и R1 углеводородные радикалы. Следует однако учитывать, что такая группа может входить в состав других функциональных групп соединений не являющихся простыми эфирами (см.… … Википедия

Взрывчатые вещества* — будучи при обыкновенных условиях более или менее постоянны, под влиянием накаливания, удара, трения и тому под. способны взрывать , то есть быстро разлагаться, превращаясь в накаленные сжатые газы, стремящиеся занять большой объем. Происходящие… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Взрывчатые вещества — будучи при обыкновенных условиях более или менее постоянны, под влиянием накаливания, удара, трения и тому под. способны взрывать , то есть быстро разлагаться, превращаясь в накаленные сжатые газы, стремящиеся занять большой объем. Происходящие… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

НАРКОТИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА — НАРКОТИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА, narcoti ca, или stupefacientia (от греч. narcao соот вет. лат. stupefacio цепенею). Отнесение фармакол. агентов в группу Н. в. определялось уже издавна способностью их вызывать либо угнетение чувствительной и двигательной… … Большая медицинская энциклопедия

Органические вещества — Органические соединения, органические вещества класс химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).[1] Содержание 1 История 2 Класси … Википедия

Белковые вещества — Б. вещества составляют громадный класс органических, то есть углеродистых, а именно углеродисто азотистых соединений, неизбежно встречаемых в каждом организме до того, что каждая клетка растений содержит Б. вещества, а клетки животных организмов… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Урок№9. Простые и сложные вещества. Химический элемент. Металлы и неметаллы

В химии кроме терминов “атом” и “молекула” часто употребляется понятие “элемент” .

Химический элемент – это атомы одного и того же вида .

Так, например, атом водорода – это химический элемент водород; атомы кислорода и ртути – соответственно химические элементы кислорода и ртути.

К середине XIX века были открыты 63 химических элемента.

В настоящее время известно 118 химических элементов, т.е. 118 видов атомов.

Простые и сложные вещества

По элементному составу различают простые вещества , состоящие из атомов одного элемента (H ₂ , O ₂ , Cl ₂ , P ₄ , Na, Cu, Au), и сложные вещества , состоящие из атомов разных элементов (H ₂ O, NH ₃ , OF ₂ , H ₂ SO ₄ , MgCl ₂ , K ₂ SO ₄ ).

Простые вещества – вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида (атомов одного химического элемента).

Сложные вещества (или химические соединения) – вещества, молекулы которых состоят из атомов разного вида (атомов различных химических элементов).

Химические элементы образуют около 500 простых веществ, которые условно классифицируют на металлы и неметаллы по их основным физическим свойствам.

Различие понятий «химический элемент» и «простое вещество»

Каждое простое вещество характеризуется определенными физическими и химическими свойствами.

Когда какое-нибудь простое вещество вступает в химическую реакцию и образует новое вещество, то оно при этом утрачивает большинство своих свойств.

Например, железо, соединяясь с серой, теряет металлический блеск, ковкость, магнитные свойства и др., следовательно, в сульфиде железа нет железа, каким мы знаем его в виде простого вещества. Но так как из сульфида железа при помощи химических реакций можно снова получить металлическое железо, то химики говорят, что в состав сульфида железа входит элемент железо, понимая под этим тот материал, из которого состоит металлическое железо.

Подобно железу, и сера находится в сульфиде железа не в виде хрупкого желтого горючего вещества серы, а в виде элемента серы.

Точно так же водород и кислород, входящие в состав воды, содержатся в воде не в виде газообразных водорода и кислорода с их характерными свойствами, а в виде элементов — водорода и кислорода.

Если же эти элементы находятся в «свободном состоянии», т. е. не связаны химически ни с каким другим элементом, то они образуют простые вещества.

Химический элемент можно определить, как вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств. При соединении друг с другом атомов одного и того же элемента образуются простые вещества, сочетание же атомов различных элементов дает или смесь простых веществ, или сложное вещество.

Различие между простым веществом и элементом становится особенно ясным, когда мы встречаемся с несколькими простыми веществами, состоящими из одного и того же элемента.

Возьмем, например, кусок фосфора. Это — белое, полупрозрачное вещество, очень ядовитое; на воздухе в темноте фосфор светится и может самовоспламеняться. Фосфор - простое вещество, он не может быть разложен на другие вещества. Однако, если нагреть фосфор без доступа воздуха, то через некоторое время его свойства изменятся: фосфор приобретает красно-фиолетовый цвет, перестает светиться в темноте, делается неядовитым и не самовоспламеняется на воздухе, причем эти новые свойства не исчезают по прекращении нагревания. Таким образом, несомненно происходит превращение одного вещества в другое, но превращение особое: взятое нами вещество не разлагается, и к нему ничего не присоединяется. Это заставляет признать оба вещества, как первоначально взятое, так и полученное после нагревания, лишь различными формами существования одного и того же элемента фосфора в свободном состоянии; первое из них называется белым, а второе — красным фосфором.

Доказательством того, что белый и красный фосфор действительно представляют собой различные формы одного и того же элемента и состоят из одинаковых атомов, служит их отношение к кислороду: при нагревании в кислороде как белый, так и красный фосфор взаимодействуют с ним, образуя одно и то же вещество — фосфорный ангидрид. Следовательно, элемент фосфор в свободном состоянии может существовать в виде различных простых веществ.

Подобно фосфору, и многие другие элементы в свободном состоянии существуют в виде нескольких различных простых веществ.

Аллотропия

Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией .

Углерод – С – алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Кислород – O – кислород (O ₂ ), озон (O ₃ ).

Сера – S – ромбическая, моноклинная, пластическая.

Фосфор – P – белый, красный, чёрный.

Например, аллотропные формы химического элемента углерода – алмаз и графит – отличаются строение их кристаллов.

Атомы и молекулы. Химический элемент. Простые и сложные вещества. Основные классы неорганических веществ. Номенклатура неорганических соединений

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Молекулой называют наименьшую электронейтральную частицу вещества, способную к самостоятельному существованию и обладающую его химическими свойствами. Молекула представляет собой систему взаимодействующих между собой атомов, образующих определённую структуру с помощью химических связей.

Химический элемент — совокупность атомов, характеризующихся одинаковым значением (величиной) заряда ядра.

Ионами называют электрически заряженные частицы, возникающие при потере или присоединении электронов атомами или молекулами.

Катионами называют положительно заряженные ионы.

Анионами называют отрицательно заряженные ионы.

Вещество — любая совокупность атомов и молекул.

Свойства веществ (температуры плавления и кипения, плотность, цвет и т. д.) относятся к совокупности атомов или молекул.

По химическому составу неорганические вещества делят на простые и сложные.

Простыми называют вещества, которые образуют атомы одного и того же химического элемента (например, H₂, O₂).

Простые вещества делят на металлы и неметаллы.

Металлами называют простые вещества, которые обладают характерными металлическими свойствами, а именно высокой электро- и теплопроводностью и металлическим блеском.

Простые вещества, которые образуют атомы элементов-неметаллов, при нормальных условиях такими свойствами не обладают.

В периодической таблице Д.И. Менделеева неметаллы расположены в главных подгруппах справа вверху от условной диагонали, проведённой через бор и астат. В главных подгруппах слева от этой диагонали и во всех побочных подгруппах располагаются металлы.

Сложными называют вещества, которые состоят из атомов двух и более элементов (например, H₂S, NO₂).

Для выражения состава вещества используют различные химические формулы. При их написании используют общепринятые символы химических элементов. Символ элемента состоит из первой буквы или первой и одной из последующих букв латинского названия элемента, при этом первая буква всегда прописная, а вторая — строчная.

Названия и обозначения атомов совпадают с символами химических элементов. Например, О — атом кислорода, 2О — два атома кислорода, О₂ — молекула кислорода, О₃ — молекула озона.

Сложные вещества разделяют на условно электроположительную (катион) и условно электроотрицательную (анион) составляющие. В формуле сложного вещества вначале ставят катион, а затем — анион, например KBr, CuSO₄. Названия сложного вещества читают справа налево, т. е. вначале называют его электроотрицательную составляющую в именительном падеже, а затем электроположительную в родительном падеже.

Для бинарных, т. е. состоящих из двух элементов соединений, действуют следующие правила. Если соединение состоит из металла и неметалла, то на первом месте всегда ставят металл (как более электроположительный элемент): K₂S, BaCl₂.

В формулах соединений, состоящих только из неметаллов, на первом месте всегда ставят элемент, находящийся левее в условном ряду неметаллов, построенном по их возрастающей электроотрицательности:

Например, IBr — бромид йода, CS₂ — дисульфид углерода.

Формула молекулярная (брутто-формула) включает символы всех химических элементов, входящих в состав соединений. Около каждого символа ставят числовой индекс, показывающий, сколько атомов данного вида входит в состав соединения. Таким образом, молекулярная формула показывает качественный и количественный состав молекулы. Например, формула KNO₃ показывает, что вещество состоит из 1 атома калия (индекс, равный 1, не ставится), 1 атома азота и 3 атомов кислорода.

Чтобы правильно прочитать формулу, надо знать как русские, так и латинские обозначения элементов. Называя вещество «вода», мы говорим, что его формула H₂O (читается «аш два о»). Данное вещество состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Называя вещество сульфат калия, K₂SO₄, мы читаем его формулу «калий два эс о четыре». Данное вещество состоит из двух атомов калия, одного атома серы и четырех атомов кислорода.

Если в формуле структурный фрагмент повторяется несколько раз, его заключают в круглые скобки и за скобками ставят числовой индекс, который произносят «дважды», «трижды», например, Ca(NO₃)₂ читается «кальций эн о три дважды», Mg₃(PO₄)₂ читается «магний три пэ о четыре дважды».

Коэффициент, стоящий перед формулой вещества в уравнении реакции, читают как число, например: 3HNO₂ — «три аш эн о два».

Оксидами называют класс химических соединений, состоящий из какого-либо элемента и атома кислорода со степенью окисления –2.

Называют оксиды, руководствуясь следующими правилами:

1. Вначале указывают слово оксид, а затем в родительном падеже название второго элемента;
2. Если элемент может образовать несколько оксидов, то после названия элемента в скобках указывают его валентность;
3. При написании формул оксидов кислород всегда ставят на втором месте.

Примеры: K₂O — оксид калия, N₂O₅ — оксид азота (V), CrO₃ — оксид хрома (IV).

Для некоторых распространённых оксидов используют тривиальные названия, например CaO — негашеная известь, N₂O — веселящий газ, CO — угарный газ, CO₂ — углекислый газ.

Оксиды классифицируют так.

Низшими называют оксиды, в которых элемент проявляет низшую степень окисления, например MnO — оксид марганца (II).

Высшими называют оксиды, в которых элемент проявляет высшую степень окисления, например Mn₂O₇ — оксид марганца (VII).

Несолеобразующими, или безразличными, называют оксиды, не проявляющие ни основные, ни кислотные свойства, например N₂O, NO, CO.

Солеобразующими называют группу кислотных, основных и амфотерных оксидов.

Основные оксиды образуют металлы в низших степенях окисления. Наиболее известные из них: Li₂O, Na₂O, K₂O, Rb₂O, Cs₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, Cu₂O, Ag₂O, HgO, CrO, FeO.

Амфотерными называют оксиды, которые проявляют как основные, так и кислотные свойства, в зависимости от другого реагента. Наиболее известные амфотерные оксиды Al₂O₃, Cr₂O₃, ZnO, BeO, PbO, SnO. Ряд оксидов, например CuО, Fe₂O₃, проявляет амфотерные свойства с преобладанием основных.

Существует несколько способов получения оксидов.

Реакции простых веществ с кислородом:

При взаимодействии сложных веществ с кислородом часто образуется смесь оксидов элементов:

Оксиды металлов реагируют с химически более активными металлами. При этом образуется новый оксид и новый металл:

Некоторые высшие оксиды получают доокислением низших оксидов, а ряд низших оксидов получают разложением высших оксидов:

Иногда для получения оксидов используют реакции разложения солей и гидроксидов:

Основаниями называют класс химических соединений, которые состоят из катиона металла или иона аммония и одной или нескольких гидроксильных групп, способных к замещению на анионы.

Число гидроксильных групп определяет кислотность основания, например: NaOH — однокислотное, Mg(OH)₂ — двухкислотное и т. д.

Щелочами называют растворимые в воде основания.

Сильные основания: гидроксиды щелочных и щёлочноземельных металлов LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ba(OH)₂, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂. Слабые основания: все нерастворимые в воде гидроксиды металлов и гидрат аммиака.

Называют основания следующим образом:

1. Вначале указывают слово гидроксид, а затем добавляют название металла в родительном падеже;
2. Если элемент может образовывать несколько оснований, то после его названия в круглых скобках римской цифрой указывают валентность: KOH — гидроксид калия, Fe(OH)₂ — гидроксид железа (II), Fe(OH)₃ — гидроксид железа (III);
3. При написании формул гидроксидов гидроксильную группу всегда ставят на втором месте.

Для некоторых распространённых гидрокидов используют тривиальные названия, например: Ca(OH)₂ — гашёная известь; NaOH — едкий натр, или каустик.

Существуют следующие способы получения оснований:

Реакция основных оксидов с водой:

Взаимодействие некоторых металлов с водой:

Реакция обмена между солями и основаниями:

Первые два способа применяют для получения растворимых, а последний — для получения нерастворимых в воде оснований. Существуют и иные способы получения оснований.

Все растворы щелочей имеют pH > 7. При этих значениях pH происходит изменение окраски индикаторов: лакмуса — на синюю, фенолфталеина — на малиновую, метилового оранжевого — на жёлтую, что является качественным методом обнаружения щелочей. Более подробный материал о показателе pH будет изложен в уроке 24.

Кислотами называют класс химических соединений, которые содержат в своём составе один или несколько катионов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и анионов кислотных остатков.

Основностью кислоты называют число способных замещаться на металл атомов водорода в её молекуле. По основности кислоты делят на одно-, двух- и трёхосновные, например HBr, H₂S и H₃PO₄ соответственно.

В зависимости от элементного состава кислоты делят на бескислородные и кислородные, например HBr и H₂SO₃. Кислотный остаток — это структурный элемент молекулы кислоты, который выступает как единое целое в ходе химических реакций.

В таблице 4 приведены формулы и названия наиболее распространенных кислот и их солей.

Сильные кислоты: HI, HBr, HCl, HClO₃, HClO₄, H₂SO₄, HNO₃.

Кислородсодержащие кислоты и основания объединяют в общий класс гидроксидов.

Амфотерными называют гидроксиды, способные реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Амфотерные гидроксиды: Al(OH)₃, Cr(OH)₃, Zn(OH)₂, Pb(OH)₂, Be(OH)₂, Sn(OH)₂. Некоторые гидроксиды, например Cu(OH)₂, Fe(OH)₃, проявляют амфотерные свойства с преобладанием основных.

Большинство кислородных кислот получают реакцией соответствующих оксидов с водой:

Некоторые кислоты получают из солей путём вытеснения более сильной кислотой, например:

Бескислородные кислоты получают прямым взаимодействием неметалла с водородом либо действием более сильных кислот на соответствующие соли:

Солями называют класс химических соединений, которые представляют собой продукты взаимодействия кислот с основаниями.

По составу соли классифицируют на средние, кислые и основные.

Средними называют соли, которые состоят только из катиона металла или иона аммония и аниона кислотного остатка, например: CsBr, MgSO₄.

Кислыми называют соли, которые наряду с катионом металла содержат катионы водорода, способные замещаться на другие катионы в ходе обменных реакций, например: LiHCO₃ (гидрокарбонат лития), CaHPO₄ (гидрофосфат кальция).

Основными называют соли, которые наряду с анионом кислотного остатка содержат одну или несколько гидроксильных групп, способных замещаться на анионы в ходе реакций обмена, например: Al(OH)₂Br, Cu(OH)I.

При написании формул солей на первом месте ставят катион, а при написании названий — анион. Названия солей состоят из названия аниона в именительном падеже и названия катиона в родительном. Например, NaBr — бромид натрия, BaCO₃ — карбонат бария. Если металл проявляет различные степени окисления, то в названиях степень окисления указывается римской цифрой: FeCl₂ — хлорид железа (II), FeCl₃ — хлорид железа (III). Кислые соли называют добавлением к аниону приставки гидро-, а если необходимо, то и соответствующего числительного, например: NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, КH₂PO₄ — дигидрофосфат калия, Al(OH)₂Br — дигидроксобромид алюминия, Cu(OH)I — гидроксойодид меди (II).

Основные соли называют добавлением приставки гидроксо- к названию кислотного остатка, указывая, если необходимо, соответствующее числительное: Mg(OH)Cl — гидроксохлорид магния, Al(OH)₂Cl — дигидроксохлорид алюминия.

Существует множество путей получения солей. Приведём наиболее важные из них.

Реакция нейтрализации, т. е. взаимодействие кислот и оснований, взаимодействие кислот с основными и амфотерными оксидами и реакция оснований с кислотными оксидами:

Взаимодействие кислот или щелочей с солями:

Взаимодействие металлов с неметаллами, кислотами, солями:

Взаимодействие основных и кислотных оксидов:

По своим физическим свойствам соли — твёрдые кристаллические вещества, часто имеющие высокие температуры плавления. По растворимости в воде соли делятся на растворимые (более 1 г вещества на 100 г воды), малорастворимые (от 0,1 до 1 г вещества на 100 г воды) и нерастворимые (менее 0,1 г вещества на 100 г воды). В воде растворимы все соли азотной и уксусной кислот.

Тренировочные задания

1. Кислотой и амфотерным гидроксидом соответственно являются

2. Основанием и кислотным оксидом соответственно являются

3. Кислой солью и несолеобразующим оксидом соответственно являются

4. Гидроксидом и щёлочью соответственно являются

5. Вещество, химическая формула которого Cr₂(SO₄)₃, имеет название

1) сульфат хрома (III)
2) сульфит хрома (III)
3) сульфат хрома (II)
4) сульфит хрома (II)

6. Вещество, химическая формула которого CaHPO₄, называется

1) фосфат кальция
2) гидрофосфат кальция
3) дигидрофосфат кальция
4) фосфид кальция

7. К простым веществам относится

1) поваренная соль
2) кислород
3) оксид кремния
4) пищевая сода

8. К простым веществам относится

1) поташ
2) углекислый газ
3) веселящий газ
4) бром

9. К сложным веществам относится

1) поташ
2) сера
3) озон
4) бром

10. К сложным веществам относится

1) фтор
2) фосфор
3) углекислый газ
4) бром

11. Только основные оксиды приведены в списке

12. Только несолеобразующие оксиды приведены в списке

13. В перечне веществ, формулы которых: А) H₂O В) HNO₃ Д) CaO Б) N₂O Г) H₂SO₄ Е) NaOH к оксидам относятся

1) АБВ
2) АБД
3) БВД
4) БДЕ

14. В перечне веществ, формулы которых: А) CaO В) Cr₂O₃ Д) SrO Б) Fe₂O₃ Г) NO Е) Li₂O к основным оксидам относятся

1) АБВ
2) АБД
3) БВД
4) АДЕ

15. В перечне веществ, формулы которых: А) CO₂ В) SO₂ Д) SrO Б) CrO₃ Г) Cr₂O₃ Е) CrO к кислотным оксидам относятся

16. В перечне веществ, формулы которых: А) CrO В) ZnO Д) Al₂O₃ Б) CrO₃ Г) Cr₂O₃ Е) NO к амфотерным оксидам относятся

1) АБВ
2) АВД
3) ВГД
4) АДЕ

1) АБВ
2) БВГ
3) БВД
4) АБД

18. В перечне веществ, формулы которых: А) HCl В) (NH₄)₂HPO₄ Д) H₃PO₄ Б) HNO₃ Г) NH₄HSO₄ Е) Ca(HCO₃)₂ к кислотам относятся

Урок 8. Общие свойства металлов

Известно, что все простые вещества условно можно разделить на простые вещества-металлы и простые вещества-неметаллы.

МЕТАЛЛЫ, по определению М. В. Ломоносова — это «светлые тела, которые ковать можно». Обычно это ковкие блестящие материалы, обладающие высокой тепло- и электропроводностью. Эти физические и многие химические свойства металлов связаны со способностью их атомов ОТДАВАТЬ электроны.

НЕМЕТАЛЛЫ, напротив, способны ПРИСОЕДИНЯТЬ электроны в химических процессах. Большинство неметаллов проявляют противоположные металлам свойства: не блестят, не проводят электрический ток, не куются. Являясь противоположными по свойствам, металлы и неметаллы легко реагируют друг с другом.

Эта часть Самоучителя посвящена краткому освещению свойств металлов и неметаллов. Описывая свойства элементов, желательно придерживаться следующей логической схемы:

1. Вначале описать строение атома (указать распределение валентных электронов), сделать вывод о принадлежности данного элемента к металлам или неметаллам, определить его валентные состояния (степени окисления) — см. урок 3;

2. Затем описать свойства простого вещества, составив уравнения реакций

• с кислородом;
• с водородом;
• с металлами (для неметаллов) или с неметаллами (для металлов);
• с водой;
• с кислотами или со щелочами (там, где это возможно);
• с растворами солей;

3. Затем нужно описать свойства важнейших соединений (водородных соединений, оксидов, гидроксидов, солей). При этом вначале следует определить характер (кислотный или основной) данного соединения, а затем, вспомнив свойства соединений этого класса, составить необходимые уравнения реакций;

4. И наконец нужно описать качественные реакции на катионы (анионы), содержащие этот элемент, способы получения простого вещества и важнейших соединений этого химического элемента, указать практическое применение изучаемых веществ этого элемента.

Так, если вы определите, что оксид кислотный, то он будет реагировать с водой, основными оксидами, основаниями (см. урок 2.1) и ему будет соответствовать кислотный гидроксид (кислота). При описании свойств этой кислоты также полезно заглядывать в соответствующий раздел: урок 2.2.

Внутреннее строение и физические свойства металлов

Металлы — это простые вещества, атомы которых могут только отдавать электроны. Такая особенность металлов связана с тем, что на внешнем уровне этих атомов мало электронов (чаще всего от 1 до 3) или внешние электроны расположены далеко от ядра. Чем меньше электронов на внешнем уровне атома и чем дальше они расположены от ядра, — тем активнее металл (ярче выражены его металлические свойства).

Задание 8.1. Какой металл активнее:

Назовите химические элементы А, Б, В, Г.

Металлы и неметаллы в Периодической системе химических элементов Менделеева (ПСМ) разделяет линия, проведённая от бора к астату. Выше этой линии в главных подгруппах находятся неметаллы (см. урок 3). Остальные химические элементы — металлы.

Задание 8.2. Какие из следующих элементов относятся к металлам: кремний, свинец, сурьма, мышьяк, селен, хром, полоний?

Вопрос. Как можно объяснить тот факт, что кремний — неметалл, а свинец — металл, хотя число внешних электронов у них одинаково?

Существенной особенностью атомов металлов является их большой радиус и наличие слабо связанных с ядром валентных электронов. Для таких атомов величина энергии ионизации* невелика.

* ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ равна работе, затрачиваемой на удаление одного внешнего электрона из атома (на ионизацию атома), находящегося в основном энергетическом состоянии.

Часть валентных электронов металлов, отрываясь от атомов, становятся «свободными». «Свободные» электроны легко перемещаются между атомами и ионами металлов в кристалле, образуя «электронный газ» (рис. 28).

В последующий момент времени любой из «свободных» электронов может притянуться любым катионом, а любой атом металла может отдать электрон и превратиться в ион (эти процессы показаны на рис. 28 пунктирами).

Таким образом, внутреннее строение металла похоже на слоёный пирог, где положительно заряженные «слои» атомов и ионов металла чередуются с электронными «прослойками» и притягиваются к ним. Наилучшей моделью внутреннего строения металла является стопка стеклянных пластинок, смоченных водой: оторвать одну пластинку от другой очень трудно (металлы прочные), а сдвинуть одну пластинку относительно другой очень легко (металлы пластичные) (рис. 29).

Задание 8.3. Сделайте такую «модель» металла и убедитесь в этих свойствах.

Химическая связь, осуществляемая за счёт «свободных» электронов, называется металлической связью.

«Свободные» электроны обеспечивают также такие физические свойства металлов, как электро- и теплопроводность, пластичность (ковкость), а также металлический блеск.

Задание 8.4. Найдите дома металлические предметы.

Выполняя это задание, вы легко найдёте на кухне металлическую посуду: кастрюли, сковородки, вилки, ложки. Из металлов и их сплавов делают станки, самолёты, автомобили, тепловозы, инструменты. Без металлов невозможна современная цивилизация, так как электрические провода также делают из металлов — Cu и Al. Только металлы годятся для получения антенн для радио- и телеприёмников, из металлов делают и лучшие зеркала. При этом чаще используют не чистые металлы, а их смеси (твёрдые растворы) — СПЛАВЫ.

Сплавы

Металлы легко образуют сплавы — материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов (простых веществ), из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других компонентов. В принципе, чёткую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других химических элементов.

Все перечисленные выше предметы — станки, самолёты, автомобили, сковородки, вилки, ложки, ювелирные изделия — делают из сплавов. Металлы-примеси (легирующие компоненты) очень часто изменяют свойства основного металла в лучшую, с точки зрения человека, сторону. Например, и железо и алюминий — довольно мягкие металлы. Но, соединяясь друг с другом или с другими компонентами, они превращаются в сталь, дуралюмин и другие прочные конструкционные материалы. Рассмотрим свойства самых распространённых сплавов.

Сталь — это сплавы железа с углеродом, содержащие последнего до 2 %. В состав легированных сталей входят и другие химические элементы — хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25 % углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55 %) идет на изготовление режущих инструментов: бритвенные лезвия, сверла и др.

Железо составляет основу чугуна. Чугуном называется сплав железа с 2–4 % углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей и др.

Бронза — сплав меди, обычно с оловом как основным легирующим компонентом, а также с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка. Оловянные бронзы знали и широко использовали ещё в древности. Большинство античных изделий из бронзы содержат 75–90 % меди и 25–10 % олова, что делает их внешне похожими на золотые, однако они более тугоплавкие. Это очень прочный сплав. Из него делали оружие до тех пор, пока не научились получать железные сплавы. С применением бронзы связана целая эпоха в истории человечества: Бронзовый век.

Латунь — это сплавы меди с Zn, Al, Mg. Это цветные сплавы с невысокой температурой плавления, их легко обрабатывать: резать, сваривать и паять.

Мельхиор — является сплавом меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. По внешним характеристикам мельхиор похож на серебро, но обладает большей механической прочностью. Сплав широко применяют для изготовления посуды и недорогих ювелирных изделий. Большинство современных монет серебристого цвета изготавливают из мельхиора (обычно 75 % меди и 25 % никеля с незначительными добавками марганца).

Дюралюминий, или дюраль — это сплав на основе алюминия с добавлением легирующих элементов — медь, марганец, магний и железо. Он характеризуется своей стальной прочностью и устойчивостью к возможным перегрузкам. Это основной конструкционный материал в авиации и космонавтике.

Химические свойства металлов

Металлы легко отдают электроны, т. е. являются восстановителями. Поэтому они легко реагируют с окислителями.

1. Какие атомы являются окислителями?
2. Как называются простые вещества, состоящие из атомов, которые способны принимать электроны?

Таким образом, металлы реагируют с неметаллами. В таких реакциях неметаллы, принимая электроны, приобретают обычно НИЗШУЮ степень окисления.

Рассмотрим пример. Пусть алюминий реагирует с серой:

Вопрос. Какой из этих химических элементов способен только отдавать электроны? Сколько электронов?

Алюминий — металл, имеющий на внешнем уровне 3 электрона (III группа!), поэтому он отдаёт 3 электрона:

Поскольку атом алюминия отдает электроны, атом серы принимает их.

Вопрос. Сколько электронов может принять атом серы до завершения внешнего уровня? Почему?

У атома серы на внешнем уровне 6 электронов (VI группа!), следовательно, этот атом принимает 2 электрона:

Таким образом, полученное соединение имеет состав:

В результате получаем уравнение реакции:

Задание 8.5. Составьте, рассуждая аналогично, уравнения реакций:

Составляя уравнения реакций, помните, что атом металла отдаёт все внешние электроны, а атом неметалла принимает столько электронов, сколько их не хватает до восьми.

Названия полученных в таких реакциях соединений всегда содержат суффикс ИД:

Корень слова в названии происходит от латинского названия неметалла (см. урок 2.4).

Металлы реагируют с растворами кислот (см. урок 2.2). При составлении уравнений подобных реакций и при определении возможности такой реакции следует пользоваться рядом напряжений (рядом активности) металлов:

Металлы, стоящие в этом ряду до водорода, способны вытеснять водород из растворов кислот:

Задание 8.6. Составьте уравнения возможных реакций:

• магний + серная кислота;
• никель + соляная кислота;
• ртуть + соляная кислота.

Все эти металлы в полученных соединениях двухвалентны.

Реакция металла с кислотой возможна, если в результате её получается растворимая соль. Например, магний практически не реагирует с фосфорной кислотой, поскольку его поверхность быстро покрывается слоем нерастворимого фосфата:

Металлы, стоящие после водорода, могут реагировать с некоторыми кислотами, но водород в этих реакциях не выделяется:

Задание 8.7. Какой из металлов — Ва, Mg, Fе, Рb, Сu — может реагировать с раствором серной кислоты? Почему? Составьте уравнения возможных реакций.

Металлы реагируют с водой, если они активнее железа (железо также может реагировать с водой). При этом очень активные металлы (Li – Al) реагируют с водой при нормальных условиях или при небольшом нагревании по схеме:

где х — валентность металла.

Задание 8.8. Составьте уравнения реакций по этой схеме для К, Nа, Са. Какие ещё металлы могут реагировать с водой подобным образом?

Возникает вопрос: почему алюминий практически не реагирует с водой? Действительно, мы кипятим воду в алюминиевой посуде, — и… ничего! Дело, в том, что поверхность алюминия защищена оксидной пленкой (условно — Al₂O₃). Если её разрушить, то начнётся реакция алюминия с водой, причём довольно активная. Полезно знать, что эту плёнку разрушают ионы хлора Cl – . А поскольку ионы алюминия небезопасны для здоровья, следует выполнять правило: в алюминиевой посуде нельзя хранить сильно солёные продукты!

Вопрос. Можно ли хранить в алюминиевой посуде кислые щи, компот?

Менее активные металлы, которые стоят в ряду напряжений после алюминия, реагируют с водой в сильно измельчённом состоянии и при сильном нагревании (выше 100 °C) по схеме:

Металлы, менее активные, чем железо, с водой не реагируют!

Металлы реагируют с растворами солей. При этом более активные металлы вытесняют менее активный металл из раствора его соли:

Задание 8.9. Какие из следующих реакций возможны и почему:

1. серебро + нитрат меди II;
2. никель + нитрат свинца II;
3. медь + нитрат ртути II;
4. цинк + нитрат никеля II.

Составьте уравнения возможных реакций. Для невозможных поясните, почему они невозможны.

Следует отметить (!), что очень активные металлы, которые при нормальных условиях реагируют с водой, не вытесняют другие металлы из растворов их солей, поскольку они реагируют с водой, а не с солью:

А затем полученная щёлочь реагирует с солью:

Поэтому реакция между сульфатом железа и натрием НЕ сопровождается вытеснением менее активного металла:

Коррозия металлов

Коррозия — самопроизвольный процесс окисления металла под действием факторов окружающей среды.

В природе практически не встречается металлов в свободном виде. Исключение составляют только «благородные», самые неактивные металлы, например золото, платина. Все остальные активно окисляются под действием кислорода, воды, кислот и др. Например, ржавчина образуется на любом незащищённом железном изделии именно в присутствии кислорода или воды. При этом окисляется железо:

а восстанавливаются компоненты атмосферной влаги:

В результате образуется гидроксид железа (II), который, окисляясь, превращается в ржавчину:

Подвергаться коррозии могут и другие металлы, правда, ржавчина на их поверхности не образуется. Так, нет на Земле металла алюминия — самого распространённого металла на планете. Но зато основу многих горных пород и почвы составляет глинозём Al₂O₃. Дело в том, что алюминий мгновенно окисляется на воздухе. Коррозия металлов наносит колоссальный ущерб, разрушая различные металлические конструкции.

Чтобы уменьшить потери от коррозии, следует устранить причины, которые её вызывают. В первую очередь, металлические предметы следует изолировать от влаги. Это можно сделать разными способами, например, хранить изделие в сухом месте, что далеко не всегда возможно. Кроме того, можно поверхность предмета покрасить, смазать водоотталкивающим составом, создать искусственную оксидную плёнку. В последнем случае в состав сплава вводят хром, который «любезно» распространяет собственную оксидную плёнку на поверхность всего металла. Сталь становится нержавеющей.

Изделия из нержавеющей стали дороги. Поэтому для защиты от коррозии используют тот факт, что менее активный металл не изменяется, т. е. не участвует в процессе. Поэтому если к сохраняемому изделию приварить более активный металл, то, пока он не разрушится, изделие корродировать не будет. Этот способ защиты называется протекторной защитой.

Выводы

Металлы — это простые вещества, которые всегда являются восстановителями. Восстановительная активность металла убывает в ряду напряжений от лития к золоту. По положению металла в ряду напряжений можно определить, как металл реагирует с растворами кислот, с водой, с растворами солей.

Читайте также:

  
• Восстановление деталей напылением металла
  
• Поддон для металлической стружки
  
• Шлифовка на фрезерном станке по металлу
  
• Металлический трос для собак
  
• Металлический звук сузуки гранд витара