Восстановительная способность металлов в свободном состоянии
Обновлено: 07.05.2024
Все металлы, в зависимости от их окислительно-восстановительной активности объединяют в ряд, который называется электрохимическим рядом напряжения металлов (так как металлы в нем расположены в порядке увеличения стандартных электрохимических потенциалов) или рядом активности металлов:
Li, K, Ва, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Рt, Au
Наиболее химически активные металлы стоят в ряду активности до водорода, причем, чем левее расположен металл, тем он активнее. Металлы, занимающие в ряду активности, место после водорода считаются неактивными.
Взаимодействие с простыми веществами
Металлы способны реагировать с простыми веществами, такими как кислород (реакция горения), галогены, азот, сера, водород, фосфором и углеродом. В реакцию взаимодействия с кислородом вступают все металлы (исключение составляют Au, Pt), в результате чего возможно образование трех различных продуктов — пероксидов, оксидов и надпероксидов:
K + O2 = KO2 (надпероксид калия)
Металлы средней активности (начиная с Al) и неактивные металлы реагируют с кислородом только при нагревании:
В реакцию взаимодействия с азотом способны вступать только активные металлы, в результате чего образуются азиды, причем при н.у. с азотом реагирует только литий, остальные активные металлы – только при нагревании:
Только активные металлы способны взаимодействовать с углеродом и водородом, причем в случае реакции с водородом – это только щелочные и щелочноземельные металлы:
2Na + H2 = NaH (гидрид натрия)
С серой реагируют все металлы кроме Au и Pt:
2K +S = K2S (сульфид калия)
Также металлы способны взаимодействовать с галогенами и фосфором:
2Na + Cl2 = 2NaCl (хлорид натрия)
3Ca + 2P = Ca3P2 (фосфид кальция)
Все реакции взаимодействия с простыми веществами носят окислительно-восстановительный характер, металлы в них окисляются, проявляя свойства восстановителей, т.е. демонстрируют способность отдавать электроны:
Fe -2e = Fe 2+ процесс окисления, железо — восстановитель
S +2e = S 2- процесс восстановления, сера – окислитель
Взаимодействие металлов друг с другом
Металлы взаимодействуют друг с другом, образуя интерметаллические соединения:
Взаимодействие металлов с водой
Активные металлы (щелочные и некоторые щелочноземельные металлы — Ca, Sr, Ba) способны взаимодействовать с водой с образованием гидроксидов:
Металлы, характеризующиеся средней активностью (начиная с Al) вступают в реакцию с водой в более жестких условиях (наличие щелочной или кислотной среды и др. условия); при этом образуется соответствующий оксид и выделяется водород:
Неактивные металлы с водой не реагируют.
Реакции взаимодействия металлов с водой также относятся к ОВР и металлы в них являются восстановителями.
Взаимодействие металлов с кислотами
Металлы, стоящие в ряду активности до водорода способны реагировать с кислотами:
Неактивные металлы взаимодействуют с кислотами при особых условиях. Так, концентрированная серная кислота способна растворять медь (1), а при взаимодействии меди с концентрированной азотной кислотой в зависимости от её концентрации (60% или 30%) образуются различные продукты реакции (2, 3):
Взаимодействие металлов с солями
Более активные металлы способны взаимодействовать с солями, образованными менее активными металлами, и вытеснять их (металлы) из солей:
Химические свойства металлов
Свойства металлов начинают изучать на уроках химии в 8–9 классе. В этом материале мы подробно разберем химические свойства этой группы элементов, а в конце статьи вы найдете удобную таблицу-шпаргалку для запоминания.
О чем эта статья:
8 класс, 9 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Металлы — это химические элементы, атомы которых способны отдавать электроны с внешнего энергетического уровня, превращаясь в положительные ионы (катионы) и проявляя восстановительные свойства.
В окислительно-восстановительных реакциях металлы способны только отдавать электроны, являясь сильными восстановителями. В роли окислителей выступают простые вещества — неметаллы (кислород, фосфор) и сложные вещества (кислоты, соли и т. д.).
Металлы в природе встречаются в виде простых веществ и соединений. Активность металла в химических реакциях определяют, используя электрохимический ряд, который предложил русский ученый Н. Н. Бекетов. По химической активности выделяют три группы металлов.
Ряд активности металлов
Металлы средней активности
Общие химические свойства металлов
Взаимодействие с неметаллами
Щелочные металлы сравнительно легко реагируют с кислородом, но каждый металл проявляет свою индивидуальность:
оксид образует только литий
натрий образует пероксид
калий, рубидий и цезий — надпероксид
Остальные металлы с кислородом образуют оксиды:
2Zn + O2 = 2ZnO (при нагревании)
Металлы, которые в ряду активности расположены левее водорода, при контакте с кислородом воздуха образуют ржавчину. Например, так делает железо:
С галогенами металлы образуют галогениды:
Медный порошок реагирует с хлором и бромом (в эфире):
При взаимодействии с водородом образуются гидриды:
Взаимодействие с серой приводит к образованию сульфидов (реакции протекают при нагревании):
Реакции с фосфором протекают до образования фосфидов (при нагревании):
Основной продукт взаимодействия металла с углеродом — карбид (реакции протекают при нагревании).
Из щелочноземельных металлов с углеродом карбиды образуют литий и натрий:
Калий, рубидий и цезий карбиды не образуют, могут образовывать соединения включения с графитом:
С азотом из металлов IA группы легко реагирует только литий. Реакция протекает при комнатной температуре с образованием нитрида лития:
Взаимодействие с водой
Все металлы I A и IIA группы реагируют с водой, в результате образуются растворимые основания и выделяется H2. Литий реагирует спокойно, держась на поверхности воды, натрий часто воспламеняется, а калий, рубидий и цезий реагируют со взрывом:
Металлы средней активности реагируют с водой только при условии, что металл нагрет до высоких температур. Результат данной реакции — образование оксида.
Неактивные металлы с водой не взаимодействуют.
Взаимодействие с кислотами
Если металл расположен в ряду активности левее водорода, то происходит вытеснение водорода из разбавленных кислот. Данное правило работает в том случае, если в реакции с кислотой образуется растворимая соль.
2Na + 2HCl = 2NaCl + H2
При взаимодействии с кислотами-окислителями, например, азотной, образуется продукт восстановления кислоты, хотя протекание реакции также неоднозначно.
Металлы IА группы:
Металлы IIА группы
Такие металлы, как железо, хром, никель, кобальт на холоде не взаимодействуют с серной кислотой, но при нагревании реакция возможна.
Взаимодействие с солями
Металлы способны вытеснять из растворов солей другие металлы, стоящие в ряду напряжений правее, и могут быть вытеснены металлами, расположенными левее:
Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
На металлы IА и IIА группы это правило не распространяется, так как они реагируют с водой.
Реакция между металлом и солью менее активного металла возможна в том случае, если соли — как вступающие в реакцию, так и образующиеся в результате — растворимы в воде.
Взаимодействие с аммиаком
Щелочные металлы реагируют с аммиаком с образованием амида натрия:
Взаимодействие с органическими веществами
Металлы IА группы реагируют со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:
Также они могут вступать в реакции с галогеналканами, галогенпроизводными аренов и другими органическими веществами.
Взаимодействие металлов с оксидами
Для металлов при высокой температуре характерно восстановление неметаллов или менее активных металлов из их оксидов.
3Са + Cr2O3 = 3СаО + 2Cr (кальциетермия)
Вопросы для самоконтроля
С чем реагируют неактивные металлы?
С чем связаны восстановительные свойства металлов?
Верно ли утверждение, что щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой, образуя щелочи?
Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции по схеме:
Mg + HNO3 → Mg(NO3)2 + NH4NO3 + Н2O
Как металлы реагируют с кислотами?
Подведем итоги
От активности металлов зависит их химические свойства. Простые вещества — металлы в окислительно-восстановительных реакциях являются восстановителями. По положению металла в электрохимическом ряду можно судить о том, насколько активно он способен вступать в химические реакции (т. е. насколько сильно у металла проявляются восстановительные свойства).
Напоследок поделимся таблицей, которая поможет запомнить, с чем реагируют металлы, и подготовиться к контрольной работе по химии.
Таблица «Химические свойства металлов»
Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb
Cu, Hg, Ag, Pt, Au
Восстановительная способность металлов в свободном состоянии
Возрастает справа налево
Взаимодействие металлов с кислородом
Быстро окисляются при обычной температуре
Медленно окисляются при обычной температуре или при нагревании
Взаимодействие с водой
Выделяется водород и образуется гидроксид
При нагревании выделяется водород и образуются оксиды
Водород из воды не вытесняют
Взаимодействие с кислотами
Вытесняют водород из разбавленных кислот (кроме HNO3)
Не вытесняют водород из разбавленных кислот
Реагируют с концентрированными азотной и серной кислотами
С кислотами не реагируют, растворяются в царской водке
Взаимодействие с солями
Не могут вытеснять металлы из солей
Более активные металлы (кроме щелочных и щелочноземельных) вытесняют менее активные из их солей
Взаимодействие с оксидами
Для металлов (при высокой температуре) характерно восстановление неметаллов или менее активных металлов из их оксидов
Физические и химические свойства металлов
Металлы (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 и металлический блеск.
Металлы широко распространены в природе и могут встречаться в различном виде: в самородном состоянии (Ag, Au, Rt, Cu), в виде оксидов (Fe3O4, Fe2O3, (NaK)2O×AlO3), солей (KCl, BaSO4, Ca3(PO4)2), а также сопутствуют различным минералам (Cd – цинковые руды, Nb, Tl – оловянные и т.д.).
Физические свойства металлов
Всем металлам присущи металлический блеск (однако In и Ag отражают свет лучше других металлов), твердость (самый твердый металл – Cr, самые мягкие металлы – щелочные), пластичность (в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe наблюдается уменьшение пластичности), ковкость, плотность (самый легкий металл – Li, самый тяжелый – Os), тепло – и электропроводность, которые уменьшаются в ряду Ag, Cu, Au, Al, W, Fe.
В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип > 1000 С) и легкоплавкие (Tкип < 1000 С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.
Среди металлов присутствуют s-, p-, d- и f-элементы. Так, s- элементы – это металлы I и II групп Периодической системы (ns 1 , ns 2 ), р- элементы – металлы, расположенные в группах III – VI (ns 2 np 1-4 ). Металлы d-элементы имеют большее число валентных электронов по сравнению с металлами s- и p-элементами. Общая электронная конфигурация валентных электронов металлов d-элементов – (n-1)d 1-10 ns 2 . Начиная с 6 периода появляются металлы f-элементы, которые объединены в семейства по 14 элементов (за счет сходных химических свойств) и носят особые названия лантаноидов и актиноидов. Общая электронная конфигурация валентных электронов металлов f-элементов – (n-2)f 1-14 (n-1)d 0-1 ns 2 .
Металлы способны реагировать с простыми веществами, такими как кислород (реакция горения), галогены, азот, сера, водород, фосфором и углеродом:
Щелочные и некоторые щелочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba) взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов:
В ОВР металлы являются восстановителями – отдают валентные электроны и превращаются в катионы. Восстановительная способность металла — его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов. Так, чем левее в ряду напряжений стоит металл, тем более сильные восстановительные свойства он проявляет.
Получение металлов
Щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий получают электролизом расплавов солей или оксидов этих элементов:
Тяжелые металлы получают восстановлением из руд при высоких температурах и в присутствии катализатора (пирометаллургия) (1) или восстановлением из солей в растворе (гидрометаллургия) (2):
Cu2O + C = 2Cu + CO (1)
Некоторые металлы получают термическим разложением их неустойчивых соединений:
Примеры решения задач
| Задание | При взаимодействии 6,0 г металла с водой выделилось 3,36 л водорода (н.у.). Определите этот металл, если он в своих соединениях двухвалентен. |
| Решение | Т.к. металл двухвалентен, его реакция с водой будет описываться уравнением, которое в общем виде будет выглядеть следующим образом: |
Согласно написанному выше уравнению, количества вещества металла и выделяющегося в ходе реакции водорода будут равны:
Лекция 1. Общая характеристика металлов
1. Особенности строения атомов металлов. Положение металлов в ПС.
2. Строение простых веществ-металлов. Металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка.
3. Физические свойства металлов.
4. Химические свойства металлов.
5. Нахождение в природе и общие способы получения металлов.
6. Понятие про коррозию.
1. Внешний электронный уровень элементов, которые относят к металлам заполнен электронами менее чем наполовину (обычно 1-2). Обычно это s-электроны. К типичным металлам (т.е. проявляющим металлические свойства в максимальной степени) относят s-элементы (элементы 1 и 2 группы, главных подгрупп), т.е. те у которых только начинается заполнение нового слоя. Причем металлические свойства усиливаются с увеличением радиуса атомов (числа электронных слоев). К металлам относят также все d элементы (т.е. те у которых идет заполнение d-подуровня предпоследнего слоя), они расположены в побочных подгруппах во всех группах. d элементы называют переходными металлами, нетипичными. К металлам относятся и f- элементы (лантаноиды и актиноиды, которые располагают обычно отдельными строками внизу таблицы
2. Металлы имеют кристаллическое, т.е. упорядоченное строение. Часть атомов в кристаллической решетке ионизирована, т.е. потеряла электроны внешнего электронного слоя и свободные электроны равномерно распределены по всему кристаллу. Они присоединяются к ионам металла и те превращаются в атомы, а другие атомы металла в это время теряют свои электроны и превращаются в ионы. Т.е. происходит своеобразный обмен электронами. Валентные электроны находятся одновременно во владении всех атомов и ионов металла (т.е. притягиваются к ним) и называются «электронным газом. Такая связь между атомами в кристалле металла называется металлической. И кристаллическая решетка металлов тоже называется металлической. Металлы имеют немолекулярное строение. Металлическая связь нелокализована между определенными атомами.
3. Общие физические свойства металлов обусловлены сходством в строении кристаллической решетки и одинаковом типе химической связи.
Эта связь достаточно прочная, поэтому металлы при н.у. находятся в твердом агрегатном состоянии. Исключение – ртуть Hg с температурой плавления (-39металлы легкоплавкие (менее 100 ) и другие щелочные металлы, магний, алюминий… Есть и тугоплавкие(более 100 ), а также хром, молибден, медь, титан, железо…
Металлическая кристаллическая решетка плотная и поэтому все металлы непрозрачные и отражают падающий свет (белый цвет, металлический блеск). Исключением являются золото и медь, которые поглощают часть спектра и имеют желтый цвет.
Все металлы могут проводить электрический ток. Это свойство обусловлено наличием подвижных электронов в кристаллической решетке. При обычных условиях самой высокой электропроводностью обладают металлы подгруппы меди: Ag, Cu, Au и алюминий. Эти металлы используются как проводники в электротехнике и радиоэлектронике. Высокое сопротивление имеют вольфрам, никель, хром. Из них изготавливают нагревательные элементы электроприборов.
Металлы проводят не только электрический ток, но и тепло. Металлы, хорошо проводящие электрический ток, имеют высокую теплопроводность. Это тоже связано с возможностью электронов перемещаться и переносить тепловую энергию.
Все металлы в той или другой степени пластичны (т.е. они необратимо деформируются при механических нагрузках), их можно ковать. Самым пластичным является золото, из него можно получить нить в 500 раз тоньше человеческого волоса, т.е. практически невидимую. Мягкими являются также и щелочные металлы. Очень твердыми металлами считаются хром и вольфрам. А сурьма при комнатной температуре настолько хрупкая, что ее можно растереть в порошок. Пластическая деформация объясняется тем, что у металлов не происходит разрыва химических связей в металлической кристаллической решетке, ионы и атомы просто смещаются относительно друг друга.
Все металлы не растворимы в воде, но растворяются друг в друге. Такие растворы называют сплавами.
По плотности металлы делят на легкие (меньше 5 г/см 3 ) и тяжелые. К легким металлам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, титан, алюминий. К тяжелым относятся цинк, железо, медь, ртуть, свинец, золото. Самым тяжелым является осмий (22,6 г/см 3 ).
4. Общие химические свойства металлов тоже определяются общими чертами в их строении. Все они завершают внешний электронный слой отдавая валентные электроны. Следовательно, в химических реакциях простые вещества - металлы всегда являются восстановителями.
Чем легче атомы отдают электроны, тем более сильным восстановителем является металл. Но надо помнить, что ионы металлов способны принимать электроны, т.е. проявлять окислительную способность. Причем чем легче атом теряет электроны, тем хуже принимает их соответствующий ион. Т.е. например, натрий активный восстановитель, но ион натрия окислительной активности не проявляет. Малоактивный атом меди неохотно теряет свои электроны, а ион меди является достаточно сильным окислителем.
Окислителями металлов могут выступать разные вещества, но в природе и технике важнейшими считают газообразный кислород и ион водорода, который присутствует в воде и растворах кислот. Рассмотрите внимательно таблицу.
| Li | K | Ca | Na | Mg | Al | Mn | Zn | Cr | Fe | Ni | Sn | Pb | H2 | Cu | Hg | Ag | Pt | Au | |
| Восстановительная способность металлов в свободном состоянии | |||||||||||||||||||
| Взаимодействие с кислородом воздуха | Быстро окисляется при обычной температуре | Медленно окисляется при обычной температуре или при нагревании | Не окисляются | ||||||||||||||||
| Взаимодействие с водой | При обычной температуре выделяется H2 и образуется гидроксид | При нагревании выделяется водород, и образуются оксиды | Не вытесняют водород из воды | ||||||||||||||||
| Взаимодействие с кислотами | Вытесняют водород из разбавленных кислот ( кроме HNO3) | Не вытесняют водород из разбавленных кислот | |||||||||||||||||
| Реагируют с HNO3 и конц. H2SO4 | Растворяются только в «царской водке» | ||||||||||||||||||
| Нахождение в природе | Только в соединениях | В соединениях и в свободном виде | Главным образом в свободном виде | ||||||||||||||||
| Способы получения | Электролиз расплавов | Восстановление углём, СО, активными металлами, электролиз водных растворов | |||||||||||||||||
| Окислительная способность ионов металлов | Li | K | Ca | Na | Mg | Al 3 | Mn | Zn | Cr | Fe | Ni | Sn | Pb | H | Cu | H Hg | Ag | Pt | Au |
Окисление металлов: Zn + O2 → ZnO
Взаимодействие активных металлов с водой: K + H2O → KOH + H2
Взаимодействие металлов с кислотами: Mn + HCl → MnCl2+ H2
Взаимодействие металлов с другими окислителями: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
5. Те металлы, которые могут окисляться ионами водорода из природной воды (обычно подкисленной взаимодействием с различными кислотными оксидами) или кислородом воздуха в свободном виде, т.е. в виде простого вещества в природе не могут существовать. Значит, в свободном состоянии обычно встречаются «благородные металлы» золото, серебро и платина. Некоторые малоактивные металлы тоже могут встречаться, но такие месторождения – редкие, и к настоящему времени хозяйственного значения не имеют. Но именно это было причиной, по которой первыми металлами известными человечеству были медь, ртуть, свинец, олово… Неблагородные металлы в природе встречаются в виде соединений. Для активных металлов это соли: хлориды, сульфаты, фосфаты, карбонаты. Причем, чем ниже растворимость этих соединений, тем больше вероятность их встретить. Менее активные металлы встречаются в виде оксидов или в виде сульфидов. Причем до железа – преимущественно оксиды, а после – преимущественно сульфиды.
Естественно, что и способы получения металлов тоже зависят от их активности. Получение благородных металлов обычно заключается в отделении их от пустой породы. Существует много методов для этого, они описаны в художественной и специальной литературе. Получение металлов из их соединений можно назвать одним словом: «восстановление». Т.е. химическая суть этих процессов – заставить ионы металла принять электроны. Что можно использовать как восстановитель? Какие вещества легко расстаются со своими электронами? Правильно, металлы! Значит активные металлы можно использовать для получения менее активных из их оксидов. Например:
Mg + SnO2 → MgO + Sn
Такие способы получения металлов в зависимости от восстановителя называются магнийтермия, кальцийтермия, натрийтермия…
Хорошим восстановителем является и водород:
Но у этих восстановителей (и водорода и активных металлов) есть существенный недостаток – высокая стоимость. Ведь в природе они в свободном виде не встречаются, а их получение требует больших затрат. Поэтому такие восстановители используют только если это экономически обосновано, т.е. для получения редких и дорогих металлов. А металлы, которые надо получать в очень большом количестве (железо), восстанавливают более дешевыми восстановителем – углеродом. Его применяют в виде кокса, а ранее использовали древесный уголь.
А если металл находится в природе не в виде оксида, а в виде сульфида, то руду предварительно подвергают обжигу, а уже потом восстанавливают образовавшийся оксид. Например:
А как восстанавливают самые активные металлы? Где найти такой сильный восстановитель? Таким активным восстановителем будет электрический ток. Процесс называют электролизом. Оксид металла или его хлорид расплавляют и через расплав пропускают электрический ток. Например:
Лекция 15. Общие химические свойства металлов
С химической точки зрения металл – это элемент, который во всех соединениях проявляет положительную степень окисления.Из известных в настоящее время 109 элементов 86 являются металлами. Основной отличительной особенностью металлов является наличие в конденсированном состоянии свободных, не связных с определенным атомом электронов. Эти электроны способны перемещаться по всему объему тела. Наличие свободных электронов определяет всю совокупность свойств металлов. В твердом состоянии большинство металлов имеет кристаллическую высокосимметричную структуру одного из типов: кубическую объемноцентрированную, кубическую гранецентрированную или гексагональную плотноупакованную (рис. 1).
Рис. 1. Типичная структура кристалла металлов: а – кубическая объемноцентрированная; б–кубическая гранецентрированная; в – плотная гексагональная
Существует техническая классификация металлов. Обычно выделяют следующие группы: черные металлы (Fe); тяжелые цветные металлы(Cu, Pb, Zn, Ni, Sn, Co, Sb, Bi, Hg, Cd), легкие металлы с плотностью менее 5 г/см 3 (Al, Mg, Ca и т.д.), драгоценные металлы (Au, Ag и платиновые металлы) и редкие металлы (Be, Sc, In, Ge и некоторые другие).
В химии металлы классифицируются по их месту в периодической системе элементов. Различают металлы главных и побочных подгрупп. Металлы главных подгрупп называют непереходными. Эти металлы характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s– и p– электронных оболочек.
Типичными металлами являются s–элементы (щелочные Li, Na, K, Rb, Cs, Fr и щелочноземельные Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra металлы). Данные металлы расположены в Iа и IIа подгруппах (т. е., в главных подгруппах I и II групп). Этим металлам отвечает конфигурация валентных электронных оболочек ns 1 или ns 2 (n – главное квантовое число). Для данных металлов характерно:
а) металлы имеют на внешнем уровне 1 – 2 электрона, поэтому проявляют постоянные степени окисления +1, +2;
б) оксиды этих элементов носят основной характер (исключение –бериллий, т.к. малый радиус иона придает ему амфотерные свойства);
в) гидриды имеют солеобразный характер и образуют ионные кристаллы;
г) возбуждение электронных подуровней возможно только у металлов IIА группы с последующей sp–гибридизацией орбиталей.
К p–металлам относятся элементы IIIа (Al, Ga, In, Tl), IVа (Ge, Sn, Pb), Vа (Sb, Bi) и VIа (Ро) групп с главными квантовыми числами 3, 4, 5, 6. Данным металлам отвечает конфигурация валентных электронных оболочек ns 2 p z (z может принимать значение от 1 до 4 и равно номеру группы минус 2). Для данных металлов характерно:
а) образование химических связей осуществляется s – и p–электронами в процессе их возбуждения и гибридизации (sp–и spd), однако сверху вниз по группам способность к гибридизации падает;
б) оксиды p– металлов амфотерные или кислотные (основные оксиды только у In и Tl);
в) гидриды p–металлов имеют полимерный характер (AlH3)n или газообразный (SnH4 ,PbH4 и т. д.), что подтверждает сходство с неметаллами, открывающими эти группы.
В атомах металлов побочных подгрупп, называемых переходными металлами, происходит застраивание d– и f– оболочек, в соответствии с чем их делят на d–группу и две f–группы лантаноиды и актиноиды.
К переходным металлам относят 37 элементов d–группы и 28 металлов f–группы. К металлам d–группы относят элементы Ib (Cu, Ag, Au), IIb (Zn, Cd, Hg), IIIb (Sc, Y, La, Ac), IVb (Ti, Zr, Hf, Db), Vb (V, Nb, Ta, Jl), VIb (Cr, Mo, W, Rf), VIIb (Mn, Tc, Re, Bh) и VIII групп (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Rt, Hn, Mt, Db, Jl, Rf, Bh, Hn, Mt). Этим элементам отвечает конфигурация 3d z 4s 2 . Исключения составляют некоторые атомы, в том числе атомы хрома с полузаполненной 3d 5 –оболочкой (3d 5 4s 1 ) и меди – с полностью заполненной 3d 10 –оболочкой (3d 10 4s 1 ). Эти элементы обладают некоторыми общими свойствами:
1. все они образуют сплавы между собой и другими металлами;
2. наличие частично заполненных электронных оболочек обусловливает способность d–металлов образовывать парамагнитные соединения;
3. в химических реакциях они проявляют переменную валентность (за немногими исключениями), а их ионы и соединения, как правило, окрашены;
4. в химических соединениях d–элементы электроположительны. "Благородные" металлы, обладая высоким положительным значением стандартного электродного потенциала (Е>0), взаимодействуют с кислотами необычным образом;
5. ионы d–металлов имеют вакантные атомные орбитали валентного уровня (ns, np, (n–1) d), поэтому они проявляют акцепторные свойства, выступая в качестве центрального иона в координационных (комплексных) соединениях.
Химические свойства элементов определяются их положением в Периодической системе элементов Менделеева. Так, металлические свойства сверху вниз в группе возрастают, что обусловлено уменьшением силы взаимодействия между валентными электронами и ядром вследствие увеличения радиуса атома и за счет возрастания экранирования электронами, расположенными на внутренних атомных орбиталях. Это приводит к облегчению ионизации атома. В периоде металлические свойства уменьшаются слева направо, т.к. это связано с увеличением заряда ядра и тем самым с увеличением прочности связи валентных электронов с ядром.
В химическом отношении атомы всех металлов характеризуются сравнительной легкостью отдачи валентных электронов (т.е. малой величиной энергии ионизации) и низким значением сродства к электрону (т.е. малой способностью удерживать избыточные электроны). Как следствие этого низкое значение электроотрицательности, т.е., способность образовывать только положительно заряженные ионы и проявлять в своих соединениях только положительную степень окисления. В связи с этим металлы в свободном состоянии являются восстановителями.
Восстановительная способность разных металлов неодинакова. Для реакций в водных растворах она определяется значением стандартного электродного потенциала металла (т.е. положением металла в ряду напряжений) и концентрацией (активностью) его ионов в растворе.
Взаимодействие металлов с элементарными окислителями (F2, Cl2, O2, N2, S и т.д.). Например, реакция с кислородом, как правило, протекает следующим образом
где n – валентность металла.
Взаимодействие металлов с водой. Металлы, обладающие стандартным потенциалом менее –2,71 В, вытесняют водород из воды на холоде с образованием гидроксидов металлов и водорода. Металлы со стандартным потенциалом от –2,7 до –1,23 В вытесняют водород из воды при нагревании
Остальные металлы с водой не реагируют.
Взаимодействие с щелочами. С щелочами могут реагировать металлы, дающие амфотерные оксиды, и металлы, обладающие высокими степенями окисления, в присутствии сильного окислителя. В первом случае металлы образуют анионы своих кислот. Так, реакция взаимодействия алюминия с щелочью запишется уравнением
в котором, лигандом является ион гидроксида. Во втором случае образуются соли, например K2CrO4 .
Взаимодействие металлов с кислотами. С кислотами металлы реагируют различно в зависимости от численного значения стандартного электродного потенциала (Е) (т.е. от положения металла в ряду напряжения) и окислительных свойств кислоты:
· в растворах галогеноводородов и разбавленной серной кислоты окислителем является только ион Н + , и поэтому с этими кислотами взаимодействуют металлы, стандартный потенциал которых меньше стандартного потенциала водорода:
Me + 2n H + = Me n+ + n H2;
· концентрированная серная кислота растворяет почти все металлы независимо от положения их в ряду стандартных электродных потенциалов (кроме Au и Pt). Водород при этом не выделяется, т.к. функцию окислителя в кислоте выполняет cульфат–ион (SO4 2– ). В зависимости от концентрации и условий проведения опыта cульфат–ион восстанавливается до различных продуктов. Так, цинк в зависимости от концентрации серной кислоты и температуры реагирует следующим образом:
– при очень высокой температуре 4Zn + 5H2SO4(конц.) = 4ZnSO4 + H2S +4H2O;
· в разбавленной и концентрированной азотной кислоте функцию окислителя выполняет нитрат–ион (NO3 – ), поэтому продукты восстановления зависят от степени разбавления азотной кислоты и активности металлов. В зависимости от концентрации кислоты, металла (величины его стандартного электродного потенциала) и условий проведения опыта нитрат–ион восстанавливается до различных продуктов. Так, кальций в зависимости от концентрации азотной кислоты реагирует следующим образом:
Концентрированная азотная кислота не реагирует (пассивирует) с железом, алюминием, хромом, платиной и некоторвми другими металлами.
Взаимодействие металлов друг с другом. При высоких температурах металлы способны реагировать друг с другом с образованием сплавов. Сплавы могут быть твердыми растворами и химическими (интерметаллическими) соединениями (Mg2Pb, SnSb, Na3Sb8, Na2K и др.).
Свойства металлического хрома (…3d 5 4s 1 ). Простое вещество хром представляет собой блестящий на изломе серебристый металл, который хорошо проводит электрический ток, имеет высокую температуру плавления (1890°С) и кипения (2430°С), большую твердость (в присутствии примесей, очень чистый хром мягок) и плотность (7,2 г/см 3 ).
При обычной температуре хром устойчив к действию элементарных окислителей и воде благодаря плотной окисной пленке. При высоких температурах хром взаимодействует с кислородом и другими окислителями.
Cr + Cl2(газ) ® CrCl3 (малиновый цвет)
С металлами при сплавлении хром образует интерметаллиды (FeCr2, CrMn3). При 600°С хром взаимодействует с парами воды:
В электрохимическом отношении металлический хром близок к железу:. Поэтому он может растворяться в неокисляющих (по аниону) минеральных кислотах, таких как галогеноводородные:
Сr + 2HCl ® CrCl2(голубой цвет) + H2.
На воздухе идет быстро следующая стадия:
Окисляющие (по аниону) минеральные кислоты растворяют хром до трехвалентного состояния:
В случае с HNO3(конц) происходит пассивация хрома – на поверхности образуется прочная пленка оксида – и металл не реагирует с кислотой. (Пассивный хром имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал = + 1,3 В.)
Основная область применения хрома – металлургия: создание хромистых сталей. Так, в инструментальную сталь вводят 3 – 4% хрома, шарикоподшипниковая сталь содержит 0,5 – 1,5% хрома, в нержавеющей стали (один из вариантов): 18 – 25% хрома, 6 – 10% никеля, < 0,14% углерода, ~0,8% титана, остальное – железо.
Свойства металлического железа (…3d 6 4s 2 ). Железо – белый блестящий металл. Образует несколько кристаллических модификаций, устойчивых в определенном температурном интервале.
Химические свойства металлического железа определяются его положением в ряду напряжений металлов: .
При нагревании в атмосфере сухого воздуха железо окисляется:
В зависимости от условий и от активности неметаллов железо может образовывать металлоподобные (Fe3C, Fe3Si, Fe4N), солеподобные (FeCl2, FeS) соединения и твердые растворы (с C, Si, N, B, P, H).
В воде железо интенсивно корродирует:
При недостатке кислорода образуется смешанный оксид Fe3O4:
Разбавленная соляная, серная и азотная кислоты растворяют железо до двухвалентного иона:
Более концентрированная азотная и горячая концентрированная серная кислоты окисляют железо до трехвалентного состояния (выделяются NO и SO2 соответственно):
Очень концентрированная азотная кислота (плотность 1,4 г/см3) и серная (олеум) пассивируют железо, образуя на поверхности металла оксидные пленки.
Железо используют для получения железоуглеродистых сплавов. Велико биологическое значение железа, т.к. оно – составная часть гемоглобина крови. В организме человека содержится около 3 г железа.
Химические свойства металлического цинка (…3d 10 4s 2 ). Цинк – синевато-белый, пластичный и тягучий металл, но выше 200°С становится хрупким. Во влажном воздухе он покрывается защитной пленкой основной соли ZnCO3×3Zn(OH)2 или ZnO и дальнейшего окисления не происходит. При высоких температурах взаимодействует:
Исходя из величин стандартных электродных потенциалов, цинк вытесняет кадмий, который является его электронным аналогом, из солей: Cd 2+ + Zn ® Cd + Zn 2+ .
Благодаря амфотерности гидроокиси цинка металлический цинк способен растворяться в щелочах:
В разбавленных кислотах:
В концентрированных кислотах:
Значительная часть цинка расходуется для цинкования железных и стальных изделий. Широкое промышленное использование имеют сплавы цинка с медью (нейзильбер, латунь). Цинк широко используется при изготовлении гальванических элементов.
Химические свойства металлической меди (…3d 10 4s 1 ). Металлическая медь кристаллизуется в кубической гранецентрированной кристаллической решетке. Это ковкий мягкий, вязкий металл розового цвета с температурой плавления 1083°С. Медь находится на втором месте после серебра по электро- и теплопроводности, что обусловливает значение меди для развития науки и техники.
Медь реагирует с поверхности с кислородом воздуха при комнатной температуре, цвет поверхности становится темнее, а в присутствии CO2, SO2 и паров воды покрывается зеленоватой пленкой основных солей (CuOH)2CO3, (CuOH)2SO4.
Медь непосредственно соединяется с кислородом, галогенами, серой:
В присутствии кислорода металлическая медь взаимодействует с раствором аммиака при обычной температуре:
Находясь в ряду напряжений после водорода , медь не вытесняет его из разбавленных соляной и серной кислот. Однако в присутствии кислорода воздуха медь растворяется в этих кислотах:
Окисляющие кислоты растворяют медь с переходом ее в двухвалентное состояние:
Со щелочами медь не взаимодействует.
С солями более активных металлов медь взаимодействует, и эта окислительно-восстановительная реакция лежит в основе некоторых гальванических элементов:
Cu SO4 + Zn® Zn SO4 + Cu; E о = 1,1 B
Mg + CuCl2 ® MgCl2 + Cu; E о = 1,75 B.
Медь образует с другими металлами большое число интерметаллических соединений. Наибольшую известность и ценность имеют сплавы: латунь Cu–Zn (18 – 40% Zn), бронза Cu–Sn (колокольная – 20% Sn), инструментальная бронза Cu–Zn–Sn (11% Zn, 3 – 8% Sn), мельхиор Cu–Ni–Mn–Fe (68% Cu, 30% Ni, 1% Mn, 1% Fe).
Нахождение металлов в природе и способы получения.Вследствие высокой химической активности, металлы в природе находятся в виде различных соединений, и только малоактивные (благородные) металл – платина, золото и т.п. – встречаются в самородном (свободном) состоянии.
Наиболее распространенными природными соединениями металлов являются оксиды (гематит Fe2O3, магнетит Fe3O4, куприт Cu2O, корунд Al2O3, пиролюзит MnO2 и др.), сульфиды (галенит PbS, сфалерит ZnS, халькопирит CuFeS, киноварь HgS и т.д.), а также соли кислородосодержащих кислот (карбонаты, силикаты, фосфаты и сульфаты). Щелочные и щелочноземельные металлы встречаются преимущественно в виде галогенидов (фторидов или хлоридов).
Основная масса металлов получается путем переработки полезного ископаемого – руды. Поскольку металлы, входящие в состав руд находятся в окисленном состоянии, то их получение осуществляется путем реакции восстановления. Предварительно руду очищают от пустой породы
Образовавшийся концентрат оксида металла очищают от воды, а сульфиды, для удобства последующей переработки, переводят в оксиды путем обжига, например:
Для разделения элементов полиметаллических руд пользуются методом хлорирования. При обработке руд хлором в присутствии восстановителя образуются хлориды различных металлов, которые вследствие значительной и различной летучести могут быть легко отделены друг от друга.
Восстановление металлов в промышленности осуществляется посредством различных процессов. Процесс восстановления безводных соединений металлов при высоких температурах называют пирометаллургией. В качестве восстановителей используют металлы, более активные, чем получаемый, либо углерод. В первом случае говорят о металлотермии, во втором – карботермии, например:
Особое значение углерод приобрел как восстановитель железа. Углерод для восстановления металлов применяется обычно в виде кокса.
Процесс восстановления металлов из водных растворов их солей относится к области гидрометаллургии. Получение металлов осуществляется при обычных температурах, причем в качестве восстановителей могут быть использованы сравнительно активные металлы или электроны катода при электролизе. Электролизом водных растворов солей могут быть получены только сравнительно малоактивные металлы, расположенные в ряду напряжений (стандартных электродных потенциалов) непосредственно перед водородом или после него. Активные металлы – щелочные, щелочноземельные, алюминий и некоторые другие, получают электролизом расплава солей.
Читайте также: