СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ....................................................................................................... 1 ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 2 1. Металлы в природе и способы их добычи .................................................... 3 2. Строение металлов и их физические свойства ............................................. 4 3. Сплавы металлов............................................................................................ 10 4. Химические свойства металлов ................................................................... 12 ВЫВОДЫ ............................................................................................................... 18 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................... 19 1 ВВЕДЕНИЕ В наше время для изготовления машин и приборов применяют преимущественно металлические материалы, к которым относятся металлы, сплавы металлов с другими металлами и металлов с неметаллами. Химику необходимо быть осведомленным в свойствах металлов. Очень важное значение приобретают знания таких общих закономерностей, как периодичность изменения свойств металлических элементов и их соединений, зависимость свойств металлов от типов и особенностей химической связи в металлах и сплавах на их основе. Металлы - это вещества, которые характеризуются металлическим блеском, теплопроводимостью, электропроводностью, пластичностью. Все металлы, за исключением ртути, при комнатной температуре - твердые вещества. Температура плавления металлов находится в пределах от - 38,7° С для ртути до 3380 °С - для вольфрама. Металлы обладают высокой способностью поглощать свет и поэтому, даже в очень тонких слоях, непрозрачные. Однако гладкий и чистый слой поверхности хорошо отражает свет и придает ей характерный металлический блеск. Большинство металлов имеют белый и серый цвет. Только медь и золото имеют желтый и красный цвета. Некоторые металлы имеют серый цвет со слабым синеватым, желтоватым или красноватым оттенком. В твердом состоянии все металлы имеют кристаллическую форму. В парообразном состоянии металлы одноатомные. По удельному весу металлы разделяют на легкие - удельный вес < 5 г/см3 и тяжелые. Существует еще одно деление металлов на черные и цветные. 2 1. Металлы в природе и способы их добычи В природе металлы находятся как в свободном состоянии (Сu, Аu, Аg, Нg), так и в виде различных соединений - оксидов, сульфидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов, хлоридов, нитратов и других соединений. На практике те соединения и минералы имеют ценность, из которых промышленность просто и без больших затрат может получить чистый металл. При извлечении металлов из руд и минералов используют различные пути их восстановления: Восстановление из оксидов происходит при высокой температуре с применением восстановителей. Для получения железа из железной руды используется углерод. Из оксидов восстановление углеродом (древесный уголь, кокс) происходит по схеме: Восстановителем могут быть водород, алюминий, кальций, натрий, которые имеют большую способность присоединять кислород, например: Из сульфидов получение металлов проходит в два этапа: сначала сульфиды выжигают и переводят в оксиды: а затем полученный оксид восстанавливают по технологии получения из оксидов. С карбонатов сначала раскладывают карбонат при нагревании до оксида: Аналогичными действиями могут быть получены различные металлы из разных природных соединений. 3 Методом электролиза добываются активные металлы, щелочные, щелочноземельные, алюминий, магний и др., а также очень чистые металлы. Для металлов средней активности могут быть использованы растворы солей. Щелочные, щелочноземельные металлы, алюминий и магний добывают при электролизе расплавов (расплавленных солей). При пропускании постоянного электрического тока ионы металла выделяются на катоде. Расплав: Метод термической диссоциации используется для получения некоторых металлов, например, из карбонила никеля можно получить никель, а с тетрайодида циркония - цирконий при нагревании по реакции: Для тугоплавких металлов используют технологии получения их в виде порошка или губчатом виде с последующим прессованием при высокой температуре. При получении различных сплавов используется также металлокерамический метод. 2. Строение металлов и их физические свойства При изучении общих свойств металлов следует обратить внимание на особенности их внутренней структуры в твердом состоянии. Металлическая решетка имеет такую особенность, что в ее узлах находятся и атомы и ионы металла, то есть существует равновесие, которое может схематично соответствовать такому уравнению: Валентные электроны в металлической решетке находятся в относительно свободном состоянии и не закреплены строго к каждому атому, образуя так называемый электронный газ. То есть кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов металла, а промежутки между ионами заполняются электронами подобно молекулам газа. При наличии разницы температур или под воздействием внешней разности потенциалов эти электроны легко перемещаются 4 и проводят теплоту и электрический ток без смещения материальных частиц. В парообразном состоянии металлы проводят электрический ток только в ионизированном виде. Характерно то, что при повышении температуры электропроводность металлов снижается благодаря тому, что растет их объемное сопротивление. Это связано с уменьшением свободного передвижения электронов в промежутках между атомами вследствие усиления колебания ионов в металлической решетке уменьшение пространства между ними. Практически металлы в расплавленном виде являются худшими проводниками электрического тока чем, в твердом состоянии. При нагревании или облучении металлов (даже при воздействии фотонов) энергия электронов возрастает, вследствие чего они могут даже легко излучаться (появление катодных лучей и фотоэлектронной эмиссии, используемое в радиотехнике, в электронных трубках и измерении интенсивности света с помощью фотоэлементов). Таким образом, металлическая решетка - это фактически ионная решетка, в вершинах которой находятся одноименные положительные ионы, взаимное отталкивание которых компенсируется не противоположными заряженными анионами, а совместными усилиями свободных электронов. Металлическая связь является как не классической ионной связью, так и не ковалентной связью, образуется в молекулах неметаллов. Растворение металлов может осуществляться только при их преобразовании в водорастворимые соединения, то есть химическим путем. Некоторые металлы могут растворяться в жидкой ртути (серебро, золото), образуя так называемые амальгамы. Металлы способны образовывать между собой как смеси, так и интерметаллические соединения (интерметаллические фазы), которые имеют определенный состав, например, СuZn, Cu5Zn8, СuZn3, состав которых трудно объяснить с точки зрения валентности. Для получения картины изменения свойств металла с температурой используют кривые охлаждения, получаемые при изучении скорости охлаждения. 5 Предварительно нагретому веществу дают охлаждаться и время от времени замеряют температуру. Результаты наносятся на диаграмму, на которой на оси абсцисс откладывают время, на оси ординат - температуру. Если в системе при охлаждении не проходит никаких внутренних изменений, сопровождающихся выделением теплоты, то снижение температуры проходит постепенно (кривая А на рис. 1). Если же в системе проходят какие-то изменения, то наблюдается временная задержка в охлаждении системы, вызванная фазовыми переходами. Рис.1. Схема кривых охлаждения. С помощью термического анализа по кривым охлаждення в сплавах возможно исследовать состав соединений, которые могут образовываться между составными частями сплавов. На кривых охлаждения чистых металлов образуются горизонтальные полки, которые соответствуют образованием кристаллов металла (т.е. переход из жидкой фазы в твердую). В случае сплавов наблюдается изменение концентрации и соответственно постепенное понижение температуры затвердевания. Рассмотрим на примере такого известного вещества как вода, изменения будут проходить при ее постепенном охлажденнии. Так, при охлаждении нагретого до 150 ° С водяного пара при температуре 100 ° С наблюдается задержка на кривой охлаждения в результате образования жидкой фазы воды, сопровождающееся выделением теплоты 6 (кривая Б). При дальнейшем охлаждении идет постепенное снижение температуры до температуры 0 ° С, когда при образовании кристалликов льда снова выделяется теплота и спад на кривой охлаждения приостанавливается до полной кристаллизации воды. Дальнейшее охлаждение льда снова будет идти постепенно. Рис.2. Кривая охлаждения железа. Кривая охлаждения жидкого железа имеет более сложный характер (см. Рис. 2). Первая остановка спада температуры имеет место при его переходе в твердое состояние при 1539 ° С. Наличие еще трех остановок на кривой охлаждения показывает, что в твердом железе проходят еще какие-то процессы с выделением теплоты, а именно: процессы перехода одной в другую четырех аллотропных модификаций железа. Кроме того, кривая охлаждения показывает и температурные области их устойчивого существования. Более детальное изучение показало, что такие аллотропные модификации железа действительно существуют. Кристаллы. Вообще при переходе вещества из жидкого состояния в твердое происходит выделение вещества в виде более или менее крупных частиц кристаллов, или бесформенной аморфной массы (клеи, каучук и другие). Форма кристаллов твердого вещества зависит от природы вещества и от условий, в которых проходит переход в твердое состояние. В твердом состоянии основой структуры вещества является кристалл. Наименьший возможный объем кристаллической решетки твердого вещества, которая воспроизводит особенности ее структуры, характеризуется 7 элементарной ячейкой (Рис. 3а). Все кристалл может быть получен простым сложением элементарных ячеек одной к другой по всем трем направлениям в пространстве (см. Рис. 3б, в). Рис. 3. Элементарная ячейка (а) и схема построения кристаллов (б, в) Величина расстояния между ядрами атомов в кристаллической решетке дает возможность определить величины радиусов ионов и атомов. Если в вершинах решетки находятся одинаковые атомы, то расстояние между ними в кристалле равна сумме их радиусов, то есть радиус атома равна половине этого расстояния. Заполнение кристаллических решеток атомами, молекулами и ионами происходит при условии максимально плотной упаковки, то есть атомы, ионы и молекулы заполняют пространство с минимальным объемом (рис. 4). Рис. 4. Максимально плотные упаковки слоев. Решетка металлического магния Структуру твердых тел изучает наука кристаллография, согласно которой все виды кристаллов классифицируют на шесть кристаллических систем и 32 класса. Причем внешняя форма кристаллов характеризуется меньшей или большей 8 симметричностью. Элементами симметрии кристаллов твердого вещества является его центр, плоскости и оси. Наиболее характерной особенностью кристаллов является анизотропия, т.е. неодинаковость их свойств (прочности, теплопроводности, скорости растворения и др.) в разных направлениях. В частности, этим же, а именно разной скоростью роста отдельных граней, обусловлено и разнообразие кристаллических форм, из которых где-либо простейшие показаны на рис. 5. Рис. 5. Призматические и пирамидальные формы кристаллов Относительно металлов, то наиболее распространенные типы решеток представлен на рис. 6. Рис. 6. Типы решеток кристаллов металлов 9 Отсутствие строго направленных связей между атомами металлов дает возможность размещения в металлической решетке двух или более элементов, которые располагаются в определенном порядке, образуя интерметаллические структуры. 3. Сплавы металлов При смешивании различных металлов в расплавленном состоянии, атомы основного компонента могут быть замещены атомами другого или нескольких элементов без изменения кристаллической решетки, образуя твердые растворы. Металлические материалы, содержащие два или более видов атомов и имеющие характерные свойства металлов (металлический блеск, теплопроводность, электропроводность), называют сплавами. Физические и механические свойства сплавов отличаются от свойств металла, на основе которого образуется сплав. В расплавленном состоянии металлы хорошо растворяются друг в друге и, как правило, без ограничений. Такие смеси при твердения образуют субмикроскопические кристаллы, то есть сплавы, которые имеют характер твердых растворов. Часто в этих растворах может образовываться целый ряд гетерогенных зон, что свидетельствует об ограниченной их растворимости. При растворении в ртути металлы образуют так называемые амальгамы. На практике различают три вида сплавов металлов: твердые растворы, растворы, имеющие характер химических соединений металлов, смесь кристаллов различных металлов (эвтектики). Твердые растворы металлов образуются тремя путями вхождения компонентов в кристаллическую решетку основного металла (рис. 7а): твердые растворы укоренения, когда ионы металла дополнительно входят в междурядья кристалла другого (рис. 7 б). Это возможно в тех случаях, когда размеры ионов одного металла совпадают с размерами пустот в кристаллической решетке другого; 10 твердые растворы замещения (субституции) - ионы одного металла замещают ионы другого в металлической решетке (рис. 7в). Это возможно при близких размерах ионов металлов, образующих сплав и похожих свойствах (например, сплавы золота с серебром, никеля с железом); суперпозиция - кристаллическая решетка одного металла входит в кристаллическую решетку другого (рис. 7г). Рис. 7. Формирование элементарной кристаллической решетки сплавов Разнообразие способов получения сплавов позволяет получить их с наперед заданными свойствами. На практике широко используются сплавы на основе железа, меди, никеля и других металлов. Физические свойства сплавов существенно отличаются от свойств чистого металла, на основе которого получают сплав. Добавленные к основному металлу атомы могут образовывать более "жесткие" локализованные связи и скольжения слоев атомов металлов уменьшается. Это приводит к уменьшению ковкости и увеличения жесткости сплавов. Так, прочность железа увеличивается в 10 раз при добавлении 1% углерода, никеля или марганца. В латуни, которая содержит 65-70% хрома и 30-35% цинка, прочность в 2 раза больше, чем в чистой меди и в 4 раза больше, чем у чистого цинка. В то же время электропроводность сплавов меньше, чем у чистого металла: 100% -ная медь обладает электропроводностью 5,3 ∙ 105 Ом / см˗1, а наличие в ней 4,2% цинка уменьшает электропроводность до 0,56 ∙ 105 Ом / см˗1, то есть почти в 10 раз. Поэтому промышленность производит очень много разновидностей сплавов различных металлов с заданными свойствами. 11 4. Химические свойства металлов Изучая строение атомов металлов, мы наблюдали, что все они имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов и для них характерна способность только отдавать электроны при образовании соединений. В соединениях металлы всегда имеют положительную степень окисления. При образовании соединений атомы металлов отдают электроны, проявляя свойства восстановителя: Способность отдавать электроны у различных металлов различна и зависит от строения атома металла, его размера. Чем легче металл отдает электроны, тем он активнее. Количественной характеристикой способности металла отдавать электрон есть потенциал ионизации. Под потенциалом ионизации понимают то минимальное напряжение электрического поля (в вольтах), при которой электрон получает такое ускорение, что способен вызвать ионизацию атома. Активность металлов в водных растворах характеризуется стандартным ионизации электродной потенциалом и может быть определена количественно с использованием стандартного водородного электрода, потенциал которого принят за ± 0 В. По этим свойствам металлы расположены в ряд активности металлов или ряд напряжений. Чем отрицательней стандартный потенциал металла, тем он легче отдает электроны и превращается в положительный ион. Благородные металлы имеют положительный стандартный потенциал. В водном растворе металлы по активности расположены в такой последовательности: 12 Каждый металл, находящийся в ряду активности левее, вытесняет из растворов соединений металлы, расположенные правее от него. Только металлы, стоящие за водорода, могут быть вытеснены разбавленными кислотами. В то же время, чем левее находится металл в ряду напряжений, тем слабее его ион будет притягивать электрон и тем труднее восстановить с соединений к свободному состоянию иона. По химическим свойствам металлы способны взаимодействовать с неметаллами, водой, кислотами, щелочами, солями, оксидами, органическими веществами. Гидриды - это соединения металлов с водородом. Щелочные и щелочноземельные металлы образуют их при непосредственном взаимодействии с водородом: Степень окисления водорода в гидридах составляет ˗1. Гидриды при взаимодействии с водой выделяют водород: Галогениды металлов - это соли галогеноводородных кислот. Галогениды металлов - полярные молекулы. Для металлов 1, 2 группы хорошо растворимы в воде. Галогениды образуются при непосредственном взаимодействии металлов с галогенами, галогеноводородных кислот с металлами. В среде галогена металлы взаимнодействуют с ним очень активно. Оксиды металлов преимущественно имеют основный характер. Некоторые оксиды амфотерны, к ним относятся оксиды алюминия, цинка, свинца (II), хрома (III). 13 Оксиды могут быть получены из элементов, при разложении солей и гидроксидов, обжиге сульфидов металлов. Металлы на воздухе, как правило, покрываются пленкой оксида. Если она не плотно покрывает поверхность, то не защищает металл от разрушения, идет процесс химической коррозии. Некоторые металлы образуют очень плотную пленку оксида, которая не дает кислороду воздуха и другим окислителям проникать через нее и защищает металл от коррозии. Например, алюминий вследствие образования оксидной пленки Аl2Оз не подлежит коррозии на воздухе и в воде. Гидроксиды большинства металлов имеют основные свойства. Гидроксиды по-разному растворяются в воде. Растворимые в воде гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов называют щелочами. Гидроксиды алюминия, цинка, хрома (III) и свинца (II) имеют амфотерный характер. Гидроксиды активных металлов образуются при взаимодействии металлов с водой, основных оксидов с водой. Нерастворимые в воде гидроксиды менее активных металлов получают при взаимодействии щелочей с солями при прохождении реакции обмена: Соли металлов очень разнообразны. Металлы входят в состав средних, кислых, основных, двойных и комплексных солей. Существует много различных способов их получения и использования. Взаимодействие с оксидами. Более активные металлы могут вытеснить с оксида менее активный металл. Как правило, эти реакции проходят при нагревании (металотермия). Так, более активный металл алюминий может вытеснить с оксида железа: 14 Для начала этой реакции необходимо нагревание, затем она идет самостоятельно за счет выделения большого количества теплоты. Это реакция ˗ алюминотермическое получение железа. Алюминий используется для получения из оксидов Сr, Мn, V и др. металлов. Смесь "термит" используется для сварки отдельных стальных деталей и состоит из порошка алюминия и Fe2O3. При сжигании "термита" начинается реакция с очень большим количеством теплоты, плавит металл: Взаимодействие с водой щелочных и щелочно-земельных металлов проходит выделение водорода и образование гидроксида: Менее активные металлы с водой взаимодействуют при высокой температуре с образованием оксидов и водорода. Так, при нагревании железа до температуры красного каления образуется смесь оксидов и водород: Взаимодействие с кислотами. При изучении химических свойств металлов особое внимание следует обратить на их взаимодействие с такими сильными кислотами, как азотная и концентрированная серная. Реакции взаимодействия с кислотами следует разделить на две группы: а) с разведенными минеральными кислотами с выделением водорода; б) с концентрированными кислотами-окислителями без выделения водорода. а) Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, способны вытеснить его из кислот по реакции: б) кислоты, проявляющие сильные окислительные свойства, такие как азотная, концентрированная серная, смесь концентрированной азотной и соляной кислот, при взаимодействии с металлами водород не выделяют. Продуктами реакций являются соответствующие соли, один из оксидов азота или серы и вода. То есть в этих реакциях электроны металла переходят к ионам азота или серы в 15 молекулах кислот и осуществляется процесс их восстановления из максимальной степени окисления к низшей. Более активные металлы могут восстановить серу до степени окисления ˗2. Азотная кислота в зависимости от концентрации и активности металла образует соль, один из оксидов азота и воду. Чем активнее металл и более разбавленная азотная кислота, тем больше идет восстановление азота в кислоте и, кроме соли и воды, могут образовываться NО2, NО, N2О, N2 и даже NН3. Смесь концентрированных азотной (1 часть) и соляной кислот (3 части) (царская водка) растворяет и такие благородные металлы как золото и платина. Окисления золота и платины происходит за счет действия атомарного хлора, выделятся при реакции с образованного хлористого нитрозила NOCl: Суммарная реакция выглядит так: При избытке НС1 может образоваться комплексное соединение Н [АuCl4]. Аналогичным образом будет проходить реакция с Рt с образованием PtCl4 или комплексного соединения Н2[РtCl4]: 16 Железо при контакте с концентрированной азотной кислотой пассивируется за счет образования на поверхности тонкой незаметной пленки оксида, которая защищает металл от взаимодействия с ней, но при повреждении этой пленки взаимодействие проходит. При пайке для очистки поверхности металла от пленки оксида, поверхность обрабатывается раствором соляной кислоты. Иногда используют хлорид аммония, который при прикосновении паяльника разлагается с выделением хлористого водорода, очищает поверхность от окислов: С щелочами взаимодействуют металлы, соединения которых проявляют амфотерные свойства. Реакция идет с выделением водорода: С солями проходит реакция вытеснения менее активного металла более активным: В технике эти реакции используют для нанесения тонкой пленки менее активного металла на поверхность более активного для защиты от коррозии. Для металлов характерно образование комплексных соединений, в которых ионы металлов являются центральными ионами. Особенно большую способность образовывать комплексные соединения проявляют металлы, которые имеют небольшой радиус иона и вследствие этого сильное электрическое поле, которое дает возможность координировать вокруг себя как противоположно заряженные лиганды, так и нейтральные полярные молекулы. Устойчивость комплексных соединений показывает, что чем меньше радиус иона металла и чем больше его заряд, тем больше проявляется его способность к комплексообразованию. Для наиболее распространенных металлов способность к комплексообразованию растет в следующем порядке: 17 Устойчивость комплексных соединений будет также зависеть от заряда и дипольного момента лиганда и радиуса его иона. Металлы могут образовывать катионные комплексные соединения, в которых комплексный ион имеет положительный заряд, например: В анионных комплексных соединениях комплексный ион имеет отрицательный заряд: В молекулярных комплексных соединениях образуются нейтральные комплексные соединения: ВЫВОДЫ Металлы как по своей структуре, так и по свойствам разнообразны. Они широко используются в различны отраслях промышленности благодаря своим физическим свойствам ˗ ковкость, проводимость и т. д. Диапазон химических реакций, в которые может вступать металл, разнообразны и индивидуальны для каждого из них. Очень часто химические свойства металлов определяются их положением в Периодической таблице и ряду напряжения металлов. В настоящее время в науке почетное место занимают сплавы металлов и их комплексные соединения. Исходя из этого можно сделать вывод про высокую химическую и прикладную ценность металлов в современной науке и в обществе в целом. 18 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.Учеб. для вузов. - 4-е изд., испр. -Москва: Высш. шк., Изд.центр «Академия», 2001.- 743 с, ил. 2. Неорганическая химия: В 3 т. /Под редакцией Ю.Д.Третьякова. Т.1: Физико-химические основы неорганической химии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений /М.Е.Тамм, Ю.Д.Третьяков; - М.: Издательский центр «Академия», 2004.-240 с. 3. Неорганическая химия: В 3 т. /Под редакцией Ю.Д.Третьякова. Т.2: Химия непереходных элементов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений /А.А.Дроздов, В. П. Зломанов, Г.Н.Мазо, Ф.М.Спиридонов. М.: Издательский центр «Академия», 2004.-368 с. 4. Неорганическая химия: В 3 т. /Под редакцией Ю.Д.Третьякова. Т.З: Химия переходных элементов. Кн.1: Учебник для студ. высш. учеб. заведений /А.А.Дроздов, В.П.Зломанов, Г.Н.Мазо, Ф.М.Спиридонов. - М.: Издательский центр «Академия», 2007.-352 с. 5. Неорганическая химия: В 3 т. /Под редакцией Ю.Д.Третьякова. Т.З: Химия переходных элементов. Кн.2 : Учебник для студ. высш. учеб. заведений /А.А.Дроздов, В. П. Зломанов, Г.Н.Мазо, Ф.М.Спиридонов. М.: Издательский центр «Академия», 2007.-400 с. 6. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. - Москва: Высш. шк., 1997. 527 с. 7. Коровин Н, Б. Общая химия. — М.: Высш. шк., 1998. — 559 с. 8. Лидин Р. А., Аликберова Л. Ю., Логинова Г. П. Неорганическая химия в вопросах — М-: Химия, 1991. — 256 с. 9. Мартыненко Л. И., Спицын В. И. Методические аспекты курса неорганической химии. — М: Изд-во Моск. ун-та, 1983. — 184 с. 10.Мартыненко JL И., Спицын В. И. Избранные главы неорганической химии: Вып. 1. 19 — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. — 287 с. Мартыненко Л. И., Спицын В. И. Избранные главы неорганической химии: Вып. 2.— М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. — 255 с. Некрасов В. В. Основы общей химии: В 2-х т. — М,: Химия, 1973- — Т. 1. — 656 е.; Т. 2. — 688 с 20
