Положение металлов в периодической системе элементов

Положение металлов в периодической системе элементов
Д.И. Менделеева. Физические и химические свойства металлов.
Основные промышленные способы получения металлов
Из известных в настоящее время 116 химических элементов
подавляющее большинство относится к металлам.
Положение в периодической системе и строение атомов металлов
В периодической системе металлы располагаются левее и ниже
условной ломаной линии, проходящей от бора к астату. К металлам
относятся почти все s-элементы (за исключением Н, Не), примерно половина
р-элементов, все d-и f-элементы (лантаниды и актиниды).
Все металлы имеют определенное сходство в строении атомов. Так,
например, большинство металлов на внешнем энергетическом уровне
содержат небольшое число электронов (до 3), валентные электроны всех
химических элементов, относящихся к металлам, слабо (по сравнению с
атомами неметаллов) связаны с ядром. Поэтому атомы металлов всегда
отдают свои валентные электроны другим атомам и выступают в химических
реакциях только в качестве восстановителей, превращаясь при этом в
положительно заряженные катионы:
Me - nе = Меn+.
В отличие от неметаллов для атомов металлов характерны только
положительные степени окисления. Чем легче атом металла отдает свои
электроны, тем он более сильный восстановитель.
Физические свойства металлов
Схожесть строения простых веществ металлов в твердом состоянии
(металлическая связь) обусловливает наличие у них ряда общих физических
свойств. К ним относятся: высокая (по сравнению с неметаллами) электро- и
теплопроводность; ковкость и пластичность;способность образовывать при
смешивании друг с другом однородные смеси (сплавы); металлический
блеск.
Химические свойства металлов
По своей химической активности металлы очень сильно различаются.
О химической активности металла можно примерно судить по его
расположению в ряду активности. Самые активные металлы расположены в
начале этого ряда, самые малоактивные — в конце.
Реакции с простыми веществами. Металлы вступают в реакции с
неметаллами с образованием бинарных соединений. Щелочные металлы
реагируют с кислородом (в том числе в составе воздуха) при комнатной
температуре с образованием оксидов, пероксидов:
4Li + О2 = 2Li2O,
3Na + 2О2 = Na2O2 + NaO2.
Металлы средней активности реагируют с кислородом при нагревании.
При этом образуются оксиды:
2Mg + O2 = 2MgO.
При нагревании металлов с порошком серы образуются
соответствующие сульфиды:
Ca + S= CaS.
Большинство металлов реагируют с галогенами. При этом образуются
соответствующие галогениды:
6Fe + 3Cl2 = 2FeCl3;
Реакции со сложными веществами. С металлами реагируют
соединения всех классов — оксиды (в том числе вода), кислоты, основания и
соли.
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) взаимодействуют
с водой при комнатной температуре:
2Li + 2Н2О = 2LiOH + Н2
При повышенной температуре с водой вступают в реакцию и менее
активные металлы: Zn, Fe, Mn. Так, например, при пропускании водяного
пара над раскаленными железными стружками протекает следующая
химическая реакция:
3Fe + 4Н2О = Fe3O4 + 4Н2 .
Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, реагируют с
кислотами с образованием солей и водорода. Высокоактивные металлы (К,
Na, Ca, Mg) реагируют с кислотами очень бурно (с большой скоростью):
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 .
Малоактивные металлы могут практически не растворяться в кислотах.
Это обусловлено образованием на их поверхности пленки нерастворимой
соли. Например, свинец практически не растворяется в разбавленном
растворе серной кислоты вследствие образования на его поверхности
нерастворимой соли PbSO4.
В азотной кислоте растворяются металлы, стоящие в ряду активности
как до, так и после водорода:
4Zn+10HNO3(конц) = 4Zn(NO3)2+N2O+5H2O;
Cu + 4HNO3(конц) = Cu(NO3)2 + 2NO2+2H2O;
3Ag+4HNO3(разб) = 3AgNO3 + NO + 2H2O.
Концентрированная серная кислота также может вступать в реакции с
металлами, расположенными после водорода в ряду активности:
2Ag + 2H2SO4 (конц) = Ag2SO4 + SO2 + 2H2O.
Алюминий, хром и железо при комнатной температуре не вступают в
реакцию с концентрированными серной и азотной кислотами из-за
образования на поверхности плотной пленки оксида металла (пассивация
поверхности).
Такие металлы, как Al, Cr, Be, Zn, растворяются не только в кислотах,
но и в водных растворах щелочей с образованием комплексных соединений:
2Al +6 NaOH + 6H2O = 2Na3[Al(OH)6 ]+ 3H2;
Zn + 2Н2О + 2КОН = К2 [Zn (OH)4] +H2 .
Активные металлы вытесняют малоактивные из растворов их солей. На
практике эти процессы могут быть применены для получения только
металлов с малой активностью — стоящих в ряду активности после
водорода:
Zn + 2AgNO3 = Zn(NO3)2 + 2Ag;
Общие методы получения металлов
Технологические процессы, лежащие в основе промышленных
способов получения металлов из руд, можно разделить на
пирометаллургические, гидрометаллургические я электрометаллургические.
Пирометаллургические методы получения металлов основаны на
использовании различных восстановителей для получения металлов путем
восстановления их руд (в твердом агрегатном состоянии) при высокой
температуре. В гидрометаллургических методах процесс восстановления
протекает в водном растворе, а в электрометаллургических процессах
восстановителем является постоянный электрический ток.
Восстановление с помощью водорода. Водород как восстановитель
может использоваться для получения металлов со средней и малой
активностью из их оксидов, например меди, вольфрама, молибдена:
Восстановить до металла оксиды активных (Na, Ca, Al, Mg) металлов с
помощью водорода невозможно.
Восстановление металлами (металлотермия). Металлы используются в качестве восстановителей для получения других металлов из
самых различных соединений. Метод получения металлов из их соединений
с помощью алюминия называется алюмотермией. Например, алюминий
используется в промышленности для получения кальция из его оксида, а
металлический кальций можно использовать для получения цезия:
4СаО + 2А1 = Са (А1О2)2 + 3Са;
Ca + 2CsCl = CaCl2 + 2Cs.
При высокой температуре свободный углерод и углерод(II)-оксид
являются сильными восстановителями. Так, при прокаливании смеси натрийкарбоната с избытком углерода можно получить металлический натрий, а
пропуская СО над нагретыми оксидами свинца или меди,— металлические
свинец и медь:
Pb + CO = Pb + CO2;
Cu + CO= Cu + CO2.
Свободный углерод (в виде кокса) и углерод(II)-оксид служат
восстановителями при промышленном производстве железа в доменном
процессе. Для этого смесь железной руды (магнитного Fe3O4 или бурого
Fe2O3 железняков) с коксом нагревают до высокой температуры.
Протекающие при этом процессы можно выразить следующими
уравнениями:
3Fe2O3 + С = 2Fe3O4 + CO;
Fe2O3 + 3СО = 2Fe + 3СО2;
Fe3O4 + СО = 3FeO + СО2;
FeO + CO = Fe + CO2.
Постоянный
электрический
ток
является
самым
сильным
восстановителем. Окислительно-восстановительная реакция, протекающая
под действием постоянного электрического тока, называется электролизом. С
помощью электролиза в промышленных условиях получают многие
активные металлы, например калий, натрий, кальций и др. Процесс в этом
случае проводят не в растворе (так как с водой образующийся металл
активно реагирует), а в расплаве при повышенной температуре:
2NaCl = 2Na + Cl2;
СаС12 = Са + С12.
Весь производимый в мире в промышленных масштабах алюминий
получают путем электролиза раствора алюминий-оксида в расплавленном
криолите Na3AlF6. Протекающий при этом процесс можно выразить
суммарным уравнением:
2А12О3 = 4А1 + 3О2.