Второй по распространенности металл в природе
Обновлено: 20.09.2024
Металлы представляют собой группу элементов, которые обладают такими уникальными свойствами, как электропроводность, высокая теплопередача, положительный коэффициент сопротивления, характерный блеск и относительная пластичность. Данный вид веществ является простым по химическим соединениям.
Классификация по группам
Металлы относятся к самым распространенным материалам, которые используются человечеством на протяжении всей его истории. Большинство из них находится в средних слоях земной коры, но есть и те, что спрятаны глубоко в горных залежах.
На данный момент металлы занимают большую часть таблицы Менделеева (94 из 118 элементов). Из официально признанных стоит отметить следующие группы:
1. Щелочные (литий, калий, натрий, франций, цезий, рубидий). При контакте с водой они образуют гидроксиды.
2. Щелочноземельные (кальций, барий, стронций, радий). Отличаются плотностью и твердостью.
3. Легкие (алюминий, свинец, цинк, галлий, кадмий, олово, ртуть). Из-за незначительной плотности часто используются в сплавах.
4. Переходные (уран, золото, титан, медь, серебро, никель, железо, кобальт, платина, палладий и пр.). Обладают изменчивой степенью окисления.
5. Полуметаллы (германий, кремний, сурьма, бор, полоний и др.). В своей структуре имеют кристаллическую ковалентную решетку.
6. Актиноиды (америций, торий, актиний, берклий, кюрий, фермий и пр.).
7. Лантаноиды (гадолиний, самарий, церий, неодим, лютеций, лантан, эрбий и др.).
Стоит отметить, что есть металлы в земной коре и такие, которые не определены в группы. К ним относят магний и бериллий.
Самородные соединения
В природе существует отдельный класс кристаллохимической кодификации. К таким элементам относят самородные металлы. Это минералы по составу между собой не связанные. Чаще всего самородные металлы в природе образуются в результате геологических процессов.
В кристаллическом состоянии в земной коре известны 45 веществ. Большинство из них в природе встречается крайне редко, отсюда и их высокая стоимость. Доля таких элементов составляет всего 0,1 %. Стоит отметить, что нахождение этих металлов также является трудоемким и недешевым процессом. Он основывается на использовании атомов с устойчивыми оболочками и электронами.
Самородные металлы называются также благородными. Для них характерны химическая инерция и устойчивость соединений. К таковым относят золото, палладий, платину, иридий, серебро, рутений и пр. Чаще всего в природе встречается медь. Железо в самородном состоянии присутствует в основном в горных залежах в виде метеоритов. Самыми редкими элементами группы являются свинец, хром, цинк, индий и кадмий.
Основные свойства
Практически все металлы в нормальных условиях отличается твердостью и стойкостью. Исключение - франций и ртуть, щелочные металлы. Температура плавления для всех элементов группы разная. Ее диапазон колеблется от -39 до +3410 градусов по Цельсию. Самым устойчивым к плавлению считается вольфрам. Его соединения теряют стойкость только при температуре выше +3400 С. Из легкорасплавляемых металлов следует выделить свинец и олово.
Также элементы делятся относительно плотности (легкие и тяжелые) и пластичности (твердые и мягкие). Все металлические соединения отлично проводят ток. Данное свойство обуславливается наличием кристаллических решеток с активными электронами. Максимальную проводимость имеют медь, серебро и алюминий, чуть меньшую – натрий. Стоит отметить и высокие термические свойства металлов. Наилучшим теплопроводником считается серебро, наихудшим – ртуть.
Металлы в окружающей среде
Чаще всего такие элементы можно встретить в виде соединений и руд. Металлы в природе образуют сульфиты, оксиды, карбонаты. Для очищения соединений сперва необходимо выделить их из состава руды. Следующим шагом будет легирование и финальная обработка.
В промышленной металлургии различаются черные и цветные руды. Первые строятся на основе железных соединений, вторые – на прочих металлах. Драгоценными металлами считаются платина, золото и серебро. Большая их часть находится в земной коре. Тем не менее, малая доля приходится и на морскую воду.
Есть благородные элементы даже в живых организмах. В человеке содержится около 3 % металлических соединений. По большей степени в организме находятся натрий и кальций, которые выступают в роли межклеточного электролита. Магний необходим для нормальной работы ЦНС и мышечной массы, железо полезно для крови, медь – для печени.
Нахождение металлических соединений
Большинство элементов располагается под верхним слоем грунта повсеместно. Самый распространенный металл в земной коре – это алюминий. Его процентное содержание варьируется в пределах 8,2 %. Найти самый распространенный металл в земной коре несложно, так как он встречается в виде руд.
Железо и кальций в природе встречают чуть реже. Их процентное содержание равно 4,1 %. Далее идут магний и натрий – по 2,3 %, калий – 2,1 %. Остальные металлы в природе занимают не более 0,6 %. Примечательно, что магний и натрий в равной степени можно добывать как в земле, так и в морской воде.
Металлические элементы в природе встречаются в виде руд или в самородном состоянии, как медь или золото. Есть вещества, которые нужно получать из оксидов и сульфидов, например, гематит, каолин, магнетит, галенит и пр.
Производство металлов
Процедура добычи элементов сводится к извлечению полезных ископаемых. Нахождение металлов в природе в виде руд является самым простым и распространенным процессом в широкой промышленности. Для поиска кристаллических залежей используется специальное геологическое оборудование, анализирующее состав веществ на конкретном участке земли. Реже нахождение металлов в природе сводится к банальному открыто-подземному методу.
После добычи наступает этап обогащения, когда из исходного минерала выделяется рудный концентрат. Для отличия элементов используют смачивание, электрический ток, химические реакции, термообработку. Чаще всего выделение металлический руды происходит в результате плавления, то есть разогрева с восстановлением.
Добыча алюминия
Данным процессом занимается цветная металлургия. По масштабам потребления и производства она является лидером среди прочих отраслей тяжелой промышленности. Самый распространенный металл в земной коре очень востребован в современном мире. По объему производства алюминий уступает только стали.
Больше всего данный элемент используется в авиационной, автомобильной и электротехнической промышленности. Примечательно, что самый распространенный металл в земной коре можно получить и «искусственным» путем. Для такой химической реакции потребуются бокситы. Из них формируется глинозем. При соединении этого вещества с угольными электродами и фтористой солью под действием электрического тока можно получить чистейшую алюминиевую руду.
Страной-лидером среди производителей данного компонента является Китай. В год там выплавляется до 18,5 млн тонн металла. Компанией-лидером в аналогичном рейтинге по добыче алюминия является российско-швейцарское объединение UC RUSAL.
Применение металлов
Все элементы группы отличаются прочностью, непроницаемостью и относительной устойчивостью к температурному воздействию. Именно поэтому металлы столь распространены в повседневной жизни. Сегодня из них делают электрические провода, резисторы, технику, предметы обихода.
Металлы являются идеальным конструкционными и инструментальными материалами. В строительстве используют чистые и комбинированные сплавы. В машиностроении и авиации главными соединениями являются сталь и более твердые связи.
Распространение алюминия в природе
АЛЮМИНИЙ, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, относительная атомная масса 26,98. В природе представлен лишь одним стабильным нуклидом 27Al. Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов алюминия, наиболее долгоживущий – 26Al имеет период полураспада 720 тысяч лет.
Алюминий в природе. В земной коре алюминия очень много: 8,6% по массе. Он занимает первое место среди всех металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния) . Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых! Как писал более 100 лет назад в своем классическом учебнике Основы химии Д. И. Менделеев, из всех металлов «алюминий есть самый распространенный в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине» .
Важнейший минерал алюминия – боксит, смесь основного оксида AlO(OH) и гидроксида Al(OH)3. Крупнейшие месторождения боксита находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; промышленная добыча ведется и в других странах. Богаты алюминием также алунит (квасцовый камень) (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3, нефелин (Na,K)2O·Al2O3·2SiO2. Всего же известно более 250 минералов, в состав которых входит алюминий; большинство из них – алюмосиликаты, из которых и образована в основном земная кора. При их выветривании образуется глина, основу которой составляет минерал каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина – каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий. См. также БОКСИТЫ.
Изредка встречается исключительно твердый (уступает лишь алмазу) минерал корунд – кристаллический оксид Al2O3, часто окрашенный примесями в разные цвета. Его синяя разновидность (примесь титана и железа) называется сапфиром, красная (примесь хрома) – рубином. Разные примеси могут окрашивать так называемый благородный корунд также в зеленый, желтый, оранжевый, фиолетовый и другие цвета и оттенки.
Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978 в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий – в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров) . В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. Известно, что при нагревании галогенидов алюминия – хлорида, бромида, фторида они могут с большей или меньшей легкостью испаряться (так, AlCl3 возгоняется уже при 180° C). При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть – восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl ® 2Al + AlCl3. В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.
Название алюминия происходит от латинского alumen (род. падеж aluminis). Так называли квасцы, двойной сульфат калия-алюминия KAl(SO4)2·12H2O), которые использовали как протраву при крашении тканей. Латинское название, вероятно, восходит к греческому «халмэ» – рассол, соляной раствор. Любопытно, что в Англии алюминий – это aluminium, а в США – aluminum.
Распространение Алюминия в природе. По распространенности в природе Алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния и 1-е - среди металлов. Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80% . В свободном виде Алюминий в силу своей химической активности не встречается. Известно несколько сотен минералов Алюминия, преимущественно алюмосиликатов. Промышленное значение имеют боксит, алунит и нефелин. Нефелиновые породы беднее бокситов глиноземом, но при их комплексном использовании получаются важные побочные продукты: сода, поташ, серная кислота. В СССР разработан метод комплексного использования нефелинов. Нефелиновые руды в СССР образуют, в отличие от бокситов, весьма крупные месторождения и создают практически неограниченные возможности для развития алюминиевой промышленности.
Металлы как химические элементы
Подавляющее большинство (93 из 117) известных в настоящее время химических элементов относится к металлам.
Атомы различных металлов имеют много общего в строении, а образуемые ими простые и сложные вещества имеют схожие свойства (физические и химические).
Положение в периодической системе и строение атомов металлов.
В периодической системе металлы располагаются левее и ниже условной ломаной линии, проходящей от бора к астату (см. таблицу ниже). К металлам относятся почти все s-элементы (за исключением Н, Не), примерно половина р-элементов, все d— и f-элементы (лантаниды и актиниды).
У большинства атомов металлов на внешнем энергетическом уровне содержится небольшое число (до 3) электронов, только у некоторых атомов р-элементов (Sn, Pb, Bi, Ро) их больше (от четырех до шести). Валентные электроны атомов металлов слабо (по сравнению с атомами неметаллов) связаны с ядром. Поэтому атомы металлов относительно легко отдают эти электроны другим атомам, выступая в химических реакциях только в качестве восстановителей и превращаясь при этом в положительно заряженные катионы:
В отличие от неметаллов для атомов металлов характерны только положительные степени окисления от +1 до +8.
Легкость, с которой атомы металла отдают свои валентные электроны другим атомам, характеризует восстановительную активность данного металла. Чем легче атом металла отдает свои электроны, тем он более сильный восстановитель. Если расположить в ряд металлы в порядке уменьшения их восстановительной способности в водных растворах, мы получим известный нам вытеснительный ряд металлов, который называется также электрохимическим рядом напряжений (или рядом активности) металлов (см. таблицу ниже).
Распространенность металлов в природе.
В первую тройку наиболее распространенных в земной коре (это поверхностный слой нашей планеты толщиной примерно 16 км) металлов входят алюминий, железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.
железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.
Распространенность металлов в земной коре
| Металл | Массовая доля в земной коре, % | Металл | Массовая доля в земной коре, % |
|---|---|---|---|
| Al | 8,8 | Cr | 8,3 ∙ 10 -3 |
| Fe | 4,65 | Zn | 8,3 ∙ 10 -3 |
| Ca | 3,38 | Ni | 8 ∙ 10 -3 |
| Na | 2,65 | Cu | 4,7 ∙ 10 -3 |
| K | 2,41 | Pb | 1,6 ∙ 10 -3 |
| Mg | 2,35 | Ag | 7 ∙ 10 -6 |
| Ti | 0,57 | Hg | 1,35 ∙ 10 -6 |
| Mn | 0,10 | Au | 5 ∙ 10 -8 |
Элементы, массовая доля которых в земной коре составляет менее 0,01 %, называются редкими. К числу редких металлов относятся, например, все лантаниды. Если элемент не способен концентрироваться в земной коре, т. е. не образует собственных руд, а встречается в качестве примеси с другими элементами, то его относят к рассеянным элементам. Рассеянными, например, являются следующие металлы: Sc, Ga, In, Tl, Hf.
В 40-х годах XX в. немецкие ученые Вальтер и Ида Нолла к высказали мысль о том. что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все химические элементы периодической системы. Вначале эти слова были встречены их коллегами далеко не с единодушным одобрением. Однако по мере появления все более точных методов анализа ученые все больше убеждаются в справедливости этих слов.
Поскольку все живые организмы находятся в тесном контакте с окружающей средой, то и в каждом из них должны содержаться если не все, то большая часть химических элементов периодической системы. Например, в организме взрослого человека массовая доля неорганических веществ составляет 6 %. Из металлов в этих соединениях присутствуют Mg, Са, Na, К. В составе многих ферментов и иных биологически активных органических соединений в нашем организме содержатся V, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Mo, Сг и некоторые другие металлы.
В организме взрослого человека содержится в среднем около 140 г ионов калия и около 100 г ионов натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 г до 7 г ионов калия и от 2 г до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах натрия настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу. Значительная потеря ионов натрия (в виде NaCl с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют пить минеральную воду. Однако и избыточное содержание соли в пище негативно сказывается на работе наших внутренних органов (в первую очередь, сердца и почек).
ЖЕЛЕЗО Екимова Е.Н. МАОУ СОШ 83. Нахождение в природе По распространенности в природе среди металлов железо занимает второе место после алюминия. Магнетит. - презентация
Презентация на тему: " ЖЕЛЕЗО Екимова Е.Н. МАОУ СОШ 83. Нахождение в природе По распространенности в природе среди металлов железо занимает второе место после алюминия. Магнетит." — Транскрипт:
1 ЖЕЛЕЗО Екимова Е.Н. МАОУ СОШ 83
2 Нахождение в природе По распространенности в природе среди металлов железо занимает второе место после алюминия. Магнетит - Fe 3 O 4 (содержит до 72% железа) Гематит - Fe 2 O 3 (содержит до 65% железа) Лимонит - Fe 2 O 3. nH 2 O (содержит до 60% железа) Пирит - FeS 2 (содержит до 47% железа)
3 Положение в периодической системе Строение атома Железо находится в четвёртом периоде в побочной подгруппе восьмой группы Fe+26 2e 8e 14e 2e 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 Из схемы видно, что на внешнем энергетическом уровне - 2 электрона, поэтому во многих соединениях железо проявляет степень окисления +2, но т.к есть d-подуровень, железо проявляет степень окисления +3.
4 Физические свойства железа Чистое железо весьма пластичный металл серебристо-белого цвета. Его плотность 7,87 г/см куб, а Т пл =1539, кроме этого в отличие от других металлов железо обладает магнитными свойствами.
5 Химические свойства железа Железо химически довольно активный металл и при нагревании взаимодействует почти со всеми неметаллами: 3Fe + 2O 2 = Fe 2 O 3. FeO оксиды Fe + S = FeS сульфид 2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3 хлорид 3Fe + N 2 = Fe 3 N 2 нитрид 3Fe + 2P = Fe 3 P 2 фосфид
6 Химические свойства железа Со сложными веществами многие реакции идут при нагревании: 3Fe + 4H 2 O = Fe 2 O 3. FeO +4H 2 Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu (при комнатной t)
7 СОЕДИНЕНИЯ ЖЕЛЕЗА Формула и название Применение FeSO4 7H2O Железный купорос Для борьбы с вредителями растений, приготовление минеральных красок и обработки древесины. FeCl 3 Хлорид железа (3) Используют при очистке воды и при крашении тканей. Fe 2 (SO 4 ) 3 9H 2 O Сульфат железа (3) Используют при очистке воды и в качестве растворителя в гидрометаллургии и др.
8 Качественные реакции на ионы Fe 2 +,Fe 3 + Определить ионы Fe 2 +,Fe 3 + можно гидроксид- ионами OH - : FeCl 2 + 2NaOH = Fe(OH) 2 + 2NaCl FeCl 3 + 3NaOH = Fe(OH) 3 + 3NaC ионы Fe 3 + определяют роданистым калием (KSCN) при этом наблюдается интенсивно- красное окрашивание раствора: Fe SCN - = FeSCN 2 +
9 Роль железа в организмах Железо входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кислорода ко всем органам и тканям. Окраску крови придают именно соединения железа.
10 Роль железа в организмах Кислород - это окислитель. Но союз кислорода и железа в гемоглобине - невероятное исключение. Здесь никакого окисления не происходит. Ион железа как бы "берет за руку" молекулу кислорода и "ведет" ее к месту свершения действительного окисления и там ее "отпускает". За это свойство английский физиолог, один из основателей науки о дыхании Дж. Баркрофт, назвал гемоглобин "самым удивительным веществом в мире". Кроме того, гемоглобин выполняет и другую очень важную функцию - выведение с места окисления углекислого газа. И если кислород вводится в клетку гемом, то углекислоту оттуда "выносит" глобин. При недостатке железа в организме образуется недостаточное количество гемоглобина. Это приводит к развитию железодефицитной анемии (ЖДА) - малокровия. Источники железа для живых организмов- это продукты питания
11 Содержание железа в основных продуктах питания (мг/100 г или мл) Фасоль 12,4 Печень свиная 12 Соя 11,8 Какао-порошок 11,7 Толокно 10,7 Горох 9,4 Печень говяжья 9 Паштет печеночный 8; Мясо свежее 2 – 4; Яйца 2 -3 Крупа гречневая 8; Пшено 7; Крупа овсяная 3,9 Крупа манная 2,3; Мука 1- 4; Хлеб 2-3 Овощи 0,5 - 1,5; Фрукты 0,5 - 0,4
Читайте также: