Химические свойства металлов

Лекция 1/ 2
Химические свойства металлов
Общность химических свойств металлов обусловлена особенностями строения их
атомов,
а
именно,
сравнительно
большими
размерами
атомов,
отсюда
-
удаленностью внешних e -нов от ядра и слабой связью с ним.
Характерная особенность металлов - восстановительные свойства, т.е. в
химических
реакциях
они
способны
к
отдаче
e –нов,
превращаясь
в
положительно заряженные ионы.
1. Металлы реагируют с О2 по-разному:
Na, K, Rb, Cs (щелочные металлы) + О2 → легко
Fe, Cu + О2 → t0, τ
Au, Pt + О2 →
Оксиды
щелочных
и
щелочноземельных
металлов
обладают
сильно
выраженными основными свойствами.
Если металл имеет несколько степеней окисления, то свойства его оксидов будут
меняться от щелочных через амфотерные к кислотным при увеличении степени
окисления.
Пример,
Mn
2+, 4+, 6+, 7+
MnO
MnO2
Mn2O7
основной
амфотерный
кислотный оксиды
2. Металлы реагируют с неметаллами и галогенами:
S
3.
Металл +
H
CaS
сульфид
B
FeB
борид
N2
AlH3
гидрид
Si
Ca3N2
нитрид
Ca2Si
силицид
P
C
Ca2C
карбид
Ca3P2
фосфид
1
Лекция 1/ 2
4. По степени химической активности металлы располагаются в ряд напряжений
(электрохимический ряд напряжений):
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au
Количественной характеристикой стремления одного металла восстанавливать ионы
другого металла является напряжение (электродвижущая сила), создаваемое
гальваническим элементом, в котором один из электродов изготовлен из одного
металла, а другой – из другого металла.
В ряду напряжений металлы располагаются в порядке возрастания напряжения,
создаваемого гальваническим элементом, в котором один из электродов все время
остается постоянным (стандартный электрод), а другой изготавливают из того
металла, положение которого в ряду напряжений хотят определить. В качестве
стандартного электрода применяют так называемый водородный электрод,
представляющий собой платиновую (Pt) пластинку, опущенную в кислый раствор,
через который непрерывно пропускают газообразный водород при давлении 1 атм.
Из ряда напряжений следует:
1. Чем левее находится металл в ряду напряжений, тем он:
a. Химически более активен;
b. Обладает большей восстановительной способностью, т.е.легче окисляется
и труднее восстанавливается из его ионов
2. Чем правее расположен металл, тем он:
a. Химически менее активен;
b. Обладает меньшей восстановительной способностью, т.е.труднее
окисляется и легче восстанавливается из его ионов
3. Каждый металл ряда напряжений восстанавливает катионы всех следующих за
ним в ряду металлов из растворов их солей
4. Металлы, стоящие в ряду левее Н, восстанавливают его из разбавленных кислот
(кроме HNO3), а Mg и стоящие левее его металлы вытесняют Н2 при обычной
температуре даже из H2O. Металлы, стоящие в ряду правее Н не вытесняют его
из разбавленных кислот.
2
Лекция 1/ 2
Все металлы взаимодействуют с галогенами и S (кроме Au), причем их активность
соответствует положению в ряду напряжений.
Пример:
K + Br2 → взрыв
Al + Br2→ горит
Другие металлы реагируют менее энергично.
Рассмотрим это на примерах:
1. CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu
Cu2+ +Fe = F2+ +Cu
2. 2Na + H2O = 2NaOH + H2 ↑
3. H2SO4 + Zn = ZnSО4 + H2 ↑
2H+ +Zn = Zn2+ +H2 ↑
H2SO4 + Cu ≠
Однако
2H2SО4 + Cu = CuSo4 + SO2 ↑ + 2H2O
4. 4HNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
8HNO3 + 3Cu = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
4HNO3 + Zn = Zn(NO3)2 + 2NO2+2H2O
8HNO3 + 3Zn = 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O
10HNO3 + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
4Zn + NO3- + 1OH+ = 4Zn2+ +NH4+ + 3H2O
Необходимо
запомнить,
что
ряд
напряжений
характеризует
лишь
окислительно-восстановительную способность электрохимической системы
«металл – ион металла» в строго определенных условиях: величины стандарты
электродных потенциалов относятся к водному раствору, t=250С и единичной
концентрации ионов металла.
Нахождение в природе
Самородные – Au, Pt, реже Ag, Cu, еще реже Hg, Sn.
Металлы из левой части ряда напряжений легко окисляются, не встречаются в
самородном виде, только в соединениях.
3
Лекция 1/ 2
Источник получения металлов – руды. Состоят обычно из нескольких металлов –
полиметаллические (медно-цинковые, свинцово-серебрянные). Обычно
представляют собой окислы, сульфиды, фосфаты соответствующих металлов.
Находятся вместе с пустой породой.
Способы получения металлов.
Из руд - металлургический. Задача: отделить от пустой породы, обогатить, получить
концентраты, являющиеся сырьем.
1. Пирометаллургия → из руд, при высокой температуре, путем восстановления
окислов металлов коксом, CO, H2 и др.
a. Cu2O + C = 2Cu + CO
Cu2O + CO = 2Cu + CO2
2ZnS + 3O2 = ZnO + 2SO2 ↑ (чугун из FeS)
так получают Fe, Cu, Zn,
Cd, Sn, Pb, Ge
ZnO + C = Zn + CO
Разновидность пирометаллургии – металлотермия
b. восстановление металлом
Cr2O3 + 2Al=Al2O3+2Cr
c. Водородом:
MoO3 + 3H2 = Mo + 3H2O
WO3 + 3H2 = W+3H2O
2. Гидрометаллургия – способ получения металлов из растворов солей. Оксид
растворяют в кислоте, получают электролит. Затем, металл восстанавливают или
выделяют электролизом
CuO + H2SО4 = CuSО4 + H2O
CuSО4 + Fe = Cu+FeSО4
Таким образом получают Au, Ag, Zn, Cd
3. Электрометаллургия – способ получения металлов путем восстановления их из
различных окислов, щелочей или хлоридов с помощью электротока.
Так получают очень чистые Na, Al, Mg, щелочноземельные металлы.
4
Лекция 1/ 2
Для получения металлов высокой степени чистоты из очищаемого металла
изготавливают анод. При электролизе он растворяется, ионы металла переходят в
раствор, а на катоде они восстанавливаются и осаждаются на нем.
Электролитически чистые металлы: Cu, Ag, Ni, Pb, Fe
4. Переплавка в вакууме
5. Термическое разложение летучих соединений
6. Зонная плавка
Сплавы интерметаллические
Латунь
60% Cu, 40% Zn
большая твердость
90% Cu, 10% Zn
Бронза
89,5% Cu, 0,5 % Pb, ост. сплав 10%
90% СU, 10% Sn
высокие механические
свойства
Мельхиор
Cu + Ni
твердость
50 + 50
53Cu, 7Ni, 40Zn – изготавливают посуду
Нейзильбер
65Cu, 20Zn, 15Ni
Константан
59Cu, 40Ni, 1Mn
Никелин
68Cu, 32 Ni
Дюралюминий
Al + Cu, Mg легкость, твердость как у стали
87,5Mg, 8,5Al, 0,2Mn, 2Cu, 1Cd, 0,5Zn
Баббит
83,5Sn, 11Sb, 5,5Cu
72Pb, 10Sn, 15Sb, 3Cu
«Нихром»
80Ni, 20Cr
мало окисляется
60Ni, 25Fe, 11Cr, 4Mn
высокие механические свойства,
большое электросопротивление
Чугун – сплав Fe и C (>=2%), Si, Mn, P, S –тверд и хрупок
Сталь – сплав C ( <=1.7%) + Mn, Si, S, P – большая твердость
5