Лекція № 5

Тема: Загальна характеристика металів.

Мета: Вивчити основні властивості металів.

ПЛАН:

1. Загальна характеристика металів та основні теорії будови атома та їх місця у періодичній системі хімічних елементів.

2. Хімічні властивості металів.

3. Методи одержання металів.

4. Корозія металів.

Із 110 відомих хімічних елементів 88 є металами. Елементи першої – третьої групи (крім водню та бору), а токаж елементи побічних підгруп четвертої – восьмої груп – метали. У головній підгрупі четвертої групи більшість елементів (за винятком кремнію та вуглецю) теж є металами. У головній підгрупі п’ятої групи знаходяться два метали (сурма та вісмут), а у головній підгрупі шостої групи – один (полоній).

Метали в твердому стані – кристалічні речовини з металічним типом зв’язку. У перехідних металах зв’язок між атомами частково є ковалентним.

У природі метали існують переважно у вигляді сполук – оксидів (Fe₃O_4, Fe₂O₃), сульфідів (ZnS, PbS, FeS₂), сульфатів (CaSO₄, BaSO₄), хлоридів (KCl, NaCl), карбонатів (CaCO₃, FeCO₃, ZnCO₃), фосфатів (Ca₃(PO₄)₂) і нітратів (NaNO₃, KNO₃).

У вільному стані в земній корі трапляються лише метали, які в ряду стандартних електродних потенціалів знаходяться праворуч від водню – мідь, ртуть, срібло, золото, платина.

Усі метали, крім ртуті та францію, за звичайної температури – це тверді речовини кристалічної будови. У кристалічному стані вони добре відбивають світло і тому непрозорі, мають характерний металічний блиск. Найкраще відбивають світло індій та срібло, тому їх використовують для виготовлення дзекал у прожекторах і рефлекторах. Майже всі метали (за винятком золота та міді) мають білий або сірий колір з різними відтінками. У порошко-подібному стані більшість металів набувають чорного або темно-сірого кольору. Усі метали добре проводять електричний струм і теплоту. Найкращі провідники електричного стуму та теплоти – срібло і мідь.

Метали – пластичні речовини. Пластичність – це здатність легко змінювати форму під дією зовнішніх сил і зберігати одержану форму після припинення цієї дії.

Найбіль пластичний метал – золото. З нього можна приготовляти дуже тонку фольгу і тягнути тонкі нитки. Характерні фізичні властивості металів пояснюються особливостями їх внутрішньої структури: наявністю електронного газу – вільних електронів.

Густина, температури плавління, кипіння та твердість металів залежать від їх індивідуальних властивостей – маси атома, заряду ядра, міцності металічного зв’язку.

За густиною метали поділяють на легкі, густина яких не перевищує 5000 кг×м^-3 (літій, натрій, магній, алюміній тощо), і важкі з густиною понад 5000 кг×м^-3 (цинк, залізо, мідь, ртуть тощо). За температурами плавлення розрізняють легкоплавкі та тугоплавкі метали. Найнижчу температуру плавління має ртуть (-38,87 ⁰С), найвищу – вольфрам (3410 ⁰С). За твердістю метали поділяють на тверді та м’які. Найтвердішими є хром і вольфрам, найм’якшими – натрій, калій та індій.

За іншими ознаками розрізняють такі метали: чорні (залізо, марганець, хром), кольорові (усі інші), рідкісні (літій, рубідій, цезій, берилій, молібден, вольфрам, цирконій, гафній, ванадій, ніобій, тантал та ін.), рідкісноземельні (скандій, ітрій, лантан і лантаноїди), розсіяні (галій, індій, талій і германій), лужні (літій, натрій, калій, рубідій, цезій, францій), лужноземельні (кальцій, стронцій, барій, радій), благородні (золото, срібло, платина, паладій, родій, іридій, рутеній та осмій), радіактивні (технецій, прометій, полоній, францій, радій, актиній та актиноїди) тощо.

Хімічні властивості металів визначаються здатністю їх атомів легко віддавати свої валентні електрони і перетворювати на позитивні іони внаслідок низьких значень електронегативностей, які обумовлені невисокими енергіями іонізації атомів і невеликою (часто від’ємною) спорідненістю до електрона.

Реагент	Рівняння реакцій	Продукт	Метали, що реагують
Кисень     Сірка   Хлор   Азот   Фосфор     Вуглець   Кремній Водень Вода   Кислоти – слабкі окисники: HCl, H2SO4 розв, H2S, H3PO4, HCOOH CH3COOH Кислоти – сильні окисники: HNO3 конц. HNO3 розв.   H2SO4 конц.   Луги   Солі   Оксиди металів   Аміак     Спирти	2Mg + O2 Þ 2MgO 3Fe + 2O2 Þ Fe3O4 2Na + O2 Þ Na2O2 Fe + S Þ FeS   2Fe + 3Cl2 Þ 2FeCl3 2Au + 3Cl2 Þ 2AuCl3 6Na + N2 Þ 2Na3N   3Ca + 2P Þ Ca3P2 3Na + P Þ Na3P 4Al + 3C Þ Al4C3 3Fe + C Þ Fe3C 2Ca + Si Þ Ca2Si 2Na + H2 Þ 2NaH 2Na + 2H2O Þ 2NaOH + +H2­ Fe + 2H+ Þ Fe2+ + H2­     Fe + 2CH3 COOH Þ Þ Fe(CH3COO)2 + H2­   Cu + 4HNO3 Þ Þ Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O   4Zn + 10HNO3 Þ Þ 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + +3H2O Cu + 2H2SO4 Þ CuSO4 + +SO2 + 2H2O 4Zn + 5H2SO4 Þ 4ZnSO4 + +H2S + 4H2O 2Al + 2NaOH + 6H2O ® ®2NaAl(OH)4 + 3H2 Cu + Hg(NO3)2 ® Cu(NO3)2 + Hg     Fe2O3 + 2Al ® Al2O3 + 2Fe TiO2 + 2Mg ® 2MgO + Ti TiO2 + 4Na ® 2Na2O + Ti 2Na + 2NH3 ® 2NaNH2 + H2   2Na + 2C2H5OH Þ 2C2H5ONa + H2	Оксид або пероксид   Сульфід   Хлорид   Нітрид   Фосфід     Карбід   Силіцид Гідрид Гідроксид (луг)   Сіль і водень     Сіль, оксид азоту (аміак) і вода     Те ж саме     Сіль, диоксид сірки (сірка, сірководень) і вода Сіль, водень   Метал і сіль   Метал і оксид     Амід (нітрид) і водень   Алкоголят і во-день	Усі, крім золота, срібла та платинових металів Усі, крім золота та платини Усі   Лужні, магній, луж-ноземельні Майже всі     Те ж саме   *** *** Лужні, магній, луж-ноземельні Усі, що знаходяться в ряду електродних по-тенціалів перед вод-нем     Усі, крім заліза, алюмінію, платино-вих металів, золота, хрому Усі, крім золота та платинових металів   Усі, крім заліза, платинових металів, золота   Амфотерні   Усі, що знаходяться в ряду електродних потенціалів перед металом солі Активні метали (магній, алюміній, натрій) Лужні, магній, лужноземельні, алюміній Лужні, лужноземельні

Метали добувають з їх сполук на металургійних заводах. Спочатку їх відновлюють, а потім відокремлюють від інших речовин. Усі промислові способи одержання металів засновані на окисно-відновних реакціях.

Пірометалургійні способи полягають у відновленні металів з оксидів за високих температур за допомогою вуглецю, оксиду вуглецю (ІІ), алюмінію, кремнію або водню:

ZnO + C Þ Zn + CO;

Fe₃O₄ + 4CO Þ 3Fe + 4CO₂;

Cr₂O₃ + 2Al Þ Al₂O₃ + 2Cr;

3BaO + Si Þ BaSiO₃ + 2Ba;

WO₃ + 3H₂ Þ W + 3H₂O.

Якщо метал одержують з сульфідів, ці сполуки перетворюють на оксиди (випалювання):

2ZnS + 3O₂ Þ 2ZnO + 2SO₂;

4FeS₂ + 11O₂ Þ 2Fe₂O₃ + 8SO₂;

Cu₂S + 2O₂ Þ 2CuO + SO₂.

Як відновник у реакціях використовують сульфід того ж металу (економія окисників і відновників):

2ZnO + ZnS Þ 3Zn + SO₂,

3 Zn⁺² + 2 е ® Zn⁰

S^-2 – 6 е ® S⁺⁴

Гідрометалургійні способи засновані на реакціях переведення сполук металів у розчин і відновлення з них металів без застосування високих температур за допомогою електролізу або інших металів:

CuО + H₂SO₄ Þ CuSO₄ + H₂O;

CuSO₄ + Fe Þ FeSO₄ + Cu.

Гідрометалургійними способами одержують золото, срібло, цинк, уран тощо.

Електроткрмічні способи засновані на реакціях відновлення металів електролізом розплавів їх солей, оксидів або гідроксидів. Цими способами одержують лужні та лужноземельні метали. алюміній тощо.

Відновлення металів
Вугіллям та оксидом вуглецю (ІІ)	Електричним струмом (електроліз)	Алюмінієм (алюмінотерапія)	Воднем
+2 2e 0 0 +2 ZnO + C Zn + CO­ +3 6e +2 0 Fe2O3 + 3CO 2Fe + +4 + 3CO2	NiSO4 ® Ni2+ + SO42+ HOH Û H+ + OH- На аноді: ОН- - е ® ОН0 0 4ОН ® 2Н2О + О2­ На катоді: Ni2+ + 2е ® Ni0	0 12e +4 4Al + 3MnO2 +3 0 ® 2Al2O3 + 3Mn	+6 6e 0 0 WO3 + 3H2 W + +1 + 3H2O +2 2e 0 0 CoO + H2 Co + +1 + H2O

Під дією факторів навколишнього середовища метали окислюються, утворюючи хімічні сполуки (оксиди, гідроксиди, солі) – зазнають корозії.

Корозія – це руйнування металів внаслідок їх взаємодії з навколишнім середовищем. Розрізняють хімічну та електрохімічну корозії.

Хімічна корозія – це руйнування металу внаслідок взаємодії з середовищем, яке не проводить елекричний струм. Прикладами хімічної корозії є швидке окислення на повітрі натрію або кальцію, взаємодія металів з сірководнем, галогенами, оксидом сірки (ІV) та іншими газами, що містяться в атмосфері, а також з рідинами, які не проводять електричний струм (нафтою, бензином, толуолом та ін.).

Електрохімічна корозія – це руйнування металу, що знаходиться в контакті з іншим металом і електролітом або водою.

Чисті метали не зазнають електрохімічної корозії.

Корозія завдає великих збитків народному господарству.

Методи захисту металів від корозії дуже різноманітні. Їх можна поділити на три групи.

1. Захист поверхні металу від впливу факторів навколишнього середовища за допомогою покриттів – металічних (нікелю, цинку, хрому, алюмінію, золота, срібла) або неметалічних (лаків, фарб, смол, гуми, емалей), плівки оксиду – оксидування, плівки солей – фосфатування.

2. Обробка корозійного середовища. З середовища, де знаходяться метали, видаляють речовини, які викликають корозію, або додають такі, що уповільнюють корозію - інгибітори.

3. Електрохімічні методи – катодний і протекторний захисти. Їх використовують у середовищах, які добре проводять електричний струм. Для забезпечення катодного захисту поверхонь (труб, парових котлів, корпусів кораблів) виріб підключають до катода (анодом є лист заліза). За певної сили струму окисник відновлюється на катоді, анод окислюється, що забезпечує стійкість виробу до корозії.