Задание: написать лекцию до конца! После лекции письменно

Группа ТО-15.1
Дисциплина «Химия»
2 февраль 2016 г.
Задание: написать лекцию до конца! После лекции письменно ответить
на контрольные вопросы. То, что выделено красным – прочитать, но не
писать.
Моя почта: [email protected]
Тема: «Металлы».
Таблица химических элементов содержит наименования и характеристики ста пяти
различных веществ. Основная масса из них является металлами. Эти химические
элементы имеют достаточно широкое распространение на нашей планете. Металлы можно
встретить в различных соединениях, в атмосфере, в недрах земли, в составе живых
организмов и растений, а также водах океанов, морей озер и рек. Характеристики
металлов имеют ярко выраженные отличия от веществ других групп. Так, если элемент
относится к разряду металла, то у него в обязательном порядке должен наблюдаться
определенный перечень свойств:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
наличие плотной кристаллической структуры;
выраженный блеск;
способность к электрической проводимости;
высокая степень теплопроводности;
легкая отдача электронов;
тягучесть, а также ковкость;
способность образовывать различные сплавы.
Строение металлов, которое определено современным научным мировоззрением,
представляет собой кристаллическую решетку. В ее основе находятся свободные
электроны и ионы, обладающие положительным зарядом. Сам кристалл изображается в
форме решетки, имеющей пространственную структуру. Узлы данной системы заняты
ионами, а между ними находятся электроны, обладающие высокой способностью к
движению. Строение атомов металлов позволяет активным частицам постоянно
перемещаться. Электроны совершают переходы между атомами, а также вращаются
вокруг их ядер. Зная особенности строения атомов металлов, можно легко объяснить
возникновение в них электрического тока.
Особенности строения атомов металлов заключаются в существовании между ними
связей ковалентного характера. В кристаллической решетке присутствует также сила
кулона, которая притягивает электроны и ионы. Это и есть металлическая связь, которая
существует между частицами элемента.
С точки зрения химии, особенности строения атомов металлов заключаются в
беспрепятственной отдаче электронов валентности и переходе при этом в ионы.
Вследствие этого, само вещество служит восстановителем. Способность отдавать свои
электроны у различных металлов находит свое проявление в различной степени. Чем
легче происходит данный процесс, тем более активным считается элемент. Существует
ряд напряжений, который опытным путем был составлен Бекетовым – русским ученымхимиком. Металлы в этом перечне находятся в определенной последовательности,
которая характеризует убывание их химической способности к активности. Исходя из
ряда напряжений, можно определить свойства элемента:
1) при снижении электродного потенциала металла увеличивается его
восстановительная функция;
2) металлы способны вытеснять из солевых растворов те элементы, которые
расположены после них в ряду напряжений;
3) металлы, располагаемые в перечне активности слева от водорода, могут вытеснять
его из кислотных растворов.
Физические и химические свойства:
Различают технологические, физические, механические, химические свойства металлов. К
физическим относят: удельный вес, цвет, электропроводность. К характеристикам этой
группы относятся также теплопроводность, плавкость и плотность металла.
К механическим характеристикам относят пластичность, упругость, твердость, прочность,
вязкость.
Химические свойства металлов включают в себя коррозийную стойкость, растворимость и
окисляемость.
Такие характеристики, как «жидкотекучесть», прокаливаемость, свариваемость, ковкость,
являются технологическими.
Физические свойства:
1) Цвет. Металлы не пропускают свет сквозь себя, то есть непрозрачны. В
отраженном свете каждый элемент обладает своим собственным оттенком –
цветом. Среди технических металлов окраску имеет только медь и сплавы с ней.
Для остальных элементов характерным является оттенок от серебристо-белого до
серо-стального.
2) Плавкость. Эта характеристика указывает на способность элемента под
воздействием температуры переходить в жидкое состояние из твердого. Плавкость
считается важнейшим свойством металлов. В процессе нагревания все металлы из
твердого состояния переходят в жидкое. При охлаждении же расплавленного
вещества происходит обратный переход – из жидкого в твердое состояние.
3) Электропроводность. Данная характеристика свидетельствует о способности
переноса
свободными
электронами
электричества.
Электропроводность
металлических тел в тысячи раз больше, чем неметаллических. При увеличении
температуры показатель проводимости электричества снижается, а при
уменьшении температуры, соответственно, повышается. Необходимо отметить, что
электропроводность сплавов будет всегда ниже, нежели какого-либо металла,
составляющего сплав.
4) Магнитные свойства. К явно магнитным (ферромагнитным) элементам относят
только кобальт, никель, железо, а также ряд их сплавов. Однако в процессе
нагревания до определенной температуры указанные вещества теряют
магнитность. Отдельные сплавы железа при комнатной температуре не относятся к
ферромагнитным.
5) Теплопроводность. Эта характеристика указывает на способность перехода тепла к
менее нагретому от более нагретого тела без видимого перемещения составляющих
его частиц. Высокий уровень теплопроводности позволяет равномерно и быстро
нагревать и охлаждать металлы. Среди технических элементов наибольшим
показателем обладает медь. Металлы в химии занимают отдельное место. Наличие
соответствующих характеристик позволяет применять то или иное вещество в
определенной области.
Химические свойства металлов:
1) Коррозийная стойкость. Коррозией называют разрушение вещества в результате
электрохимического или химического взаимоотношения с окружающей средой.
Самым распространенным примером считается ржавление железа. Коррозийная
стойкость относится к важнейшим природным характеристикам ряда металлов. В
связи с этим такие вещества, как серебро, золото, платина получили название
благородных. Обладает высокой коррозийной сопротивляемостью никель и прочие
цветные металлы. Черные металлы подвержены разрушению быстрее и сильнее,
нежели цветные.
2) Окисляемость. Эта характеристика указывает на способность элемента вступать в
реакцию с О2 под влиянием окислителей.
3) Растворимость. Металлы, обладающие в жидком состоянии неограниченной
растворимостью, при затвердении могут формировать твердые растворы. В этих
растворах атомы от одного компонента встраиваются в кристаллическую решетку
другого составляющего только в определенных пределах.
Необходимо отметить, что физические и химические свойства металлов являются одними
из основных характеристик этих элементов.
Основные способы получения:
Металлы встречаются в природе в свободном виде — это так называемые самородные
металлы. К ним относятся металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода:
золото и платина (только в самородном виде), медь, ртуть и серебро (встречаются в
самородном виде, но гораздо чаще образуют соединения). Самородные металлы обычно
содержатся в небольших количествах в виде зерен или вкраплений в горных породах.
Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов — самородки. Так, самый
крупный самородок меди весил 420 т, серебра — 13,5 т, золота — 112 кг.
Значительная химическая активность металлов приводит к тому, что в земной коре они
встречаются главным образом в виде соединений — минералов: оксидов, сульфидов,
хлоридов, сульфатов, карбонатов и т.д. Минералы входят в состав горных пород и руд.
Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых
выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно,
называют рудами.
Обычно перед получением металлов из руды ее предварительно обогащают — отделяют
пустую породу, примеси и т.д. В результате образуется концентрат, служащий сырьем
для металлургического производства.


Металлургия — это наука о методах и процессах производства металлов из
руд и других металлосодержащих продуктов, о получении сплавом и
обработке металлов.
Металлургии важнейшая отрасль тяжелой промышленности, занимающимся
получением металлов и сплавов.
Металлы получают методами пиро-, гидро- и электрометаллургии. Все эти методы
основаны на восстановлении металлов из их соединений
Пирометаллургия — это способы восстановления металлов и з р у д при высоких
температурах с помощью восстановителей. В качестве последних выступают уголь (кокс),
оксид углерода (П), подо род, активные металлы. Наиболее пригодны для получения
металлов этим способом их оксиды, поэтому сульфидные руды или карбонатные
соединения предварительно обжигают в специальных печах, получая, таким образом
оксиды.
Например, с помощью кокса и оксида углерода (П) в цветной металлургии получают медь
из красной медной руды — куприта:
Для получения вольфрама
(водородотермия):
в
качестве
восстановителя
используют
водород
Восстановление металлов из их оксидов с помощью более активных металлов называют
металлотермией. В качестве таких металлов-восстановителей используют алюминий
(алюминотермия), магний, кальций, литий. Так, с помощью алюминотермии получают,
как вы уже знаете, хром:
В черной металлургии методом пирометаллургии получают чугун, из которого затем
производят сталь. В качестве руд для получения железа и его сплавов используются
минералы магнетит Fe304, гематит Fe203 и лимонит Fe203 * nH2O. Чугун производят в
доменных печах, в которые загружают железную руду, кокс и флюсы (преимущественно
известняк). Последний образует с пустой породой (диоксидом кремния и алюмосиликатами) шлак. Восстановителем в доменном процессе служит оксид углерода(П). Химизм
процесса можно описать с помощью уравнения
Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, в котором массовая доля последнего
составляет от 2 до 4%. Если из чугуна удалить часть углерода, понизив его содержание до
0,2 — 1 , 9 % , полученный сплав будет называться сталью. Излишек углерода из чугуна
«выжигают» с помощью кислорода в аппаратах, называемых конвертерами.
Гидрометаллургия — это способы получения металлов из растворов их солей. Данный
способ получения металлов реализуют в два этапа.
1.
Природные соединения «растворяют» в подходящем реагенте с целью получения
раствора соли этого металла.
2.
Из полученного раствора металл вытесняют более активным металлом или
восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей
оксид меди (П), се обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Затем медь извлекают из раствора сульфата меди (П) либо электролизом, либо вытесняют
ее железом:
Таким образом, в цветной металлургии получают серебро, цинк, молибден, золото, уран и
др.
Электрометаллургия — это способы получения металлов с помощью электрического
тока — электролиза. Напомним, что этим методом получают в основном легкие металлы:
алюминий, щелочные и щелочноземельные металлы из расплавов оксидов, гидроксидов
или хлоридов.
Электролитическим способом из расплавов соединений получают 70 % магния, большое
количество калия, лития, кальция, бария, стронция, бериллия, марганца, а также
тугоплавкие металлы: титан, вольфрам, молибден, ванадий, цирконий, тантал, ниобий.
Эти металлы широко используют в авиации, космонавтике, атомной промышленности,
электротехнике, медицине.
Из расплавов соединений получают лантаноиды (они применяются как присадки к сталям
и чугунам, входят в состав лаков, красок, люминофоров, катализаторов) и актиноиды,
многие из которых являются топливом в ядерных реакторах.
Контрольные вопросы:
1. Почему щелочные
и
щелочноземельные
металлы
нельзя
получить
гидрометаллургическим методом?
2. Предложите технологическую цепочку получения свинца из минерала галенита
PbS. Напишите уравнения реакций.
3. Составьте уравнения реакций получения:
А) меди из оксида меди (П) с помощью углерода и оксида углерода (П);
Б) кадмия из оксида кадмия (П) и марганца из оксида марганца (4) с помощью
водорода.
4. Подготовьте сообщение о металлургических предприятиях вашего региона (если
таковых не имеется, можете взять сведения из Интернета о металлургических
предприятиях Старого Оскола, Череповца, Норильска, Красноярска). Какие общие
способы получения металлов используют на этих предприятиях?