Металлы. 
Властивості металлов

Реферат на тему: «Метали. Властивості металлов.».

Учня 9-г класу середньої школи № 9.

Агєєва Максима.

Учитель:

Белокопытов Ю.С.

Червень 1999 г. Чехов.

1. Будова атомів металів. Становище металів в періодичної системі. Групи металлов…2.

2. Фізичні властивості металлов…3.

3. Хімічні властивості металлов…4.

4. Корозія металлов…6.

5. Поняття сплавах…8.

6. Способи отримання металлов…9.

7. Список використаної литературы…11.

I. Будова атомів металів. Становище металів в періодичної системе.

Групи металлов.

Нині відомо 105 хімічних елементів, більшість із них — метали. Останні дуже поширені у природі й зустрічаються в вигляді різноманітних сполук у надрах землі, водах річок, озер, морів, океанів, складі тіл тварин, рослин i навіть у атмосфере.

За властивостями метали суттєво різняться від неметаллов. Вперше ця різниця металів і неметаллов визначив М. У. Ломоносов. «Метали, — писав Пауль, — тіла тверді, ковкие блестящие».

Зараховуючи той чи інший елемент до розряду металів, маємо у вигляді наявність в нього певного комплексу свойств:

1. Щільна кристалічна структура.

2. Характерний металевий блеск.

3. Висока теплопровідність і електрична проводимость.

4. Зменшення електричної провідності зі зростанням температуры.

5. Низькі значення потенціалу іонізації, тобто. здатність легко віддавати электроны.

6. Гнучкість і тягучесть.

7. Здатність до утворення сплавов.

Усі метали і сплави, застосовувані нині у техніці, можна розділити на дві основні групи. До першої відносять чорні метали — залізо і всі його сплави, у яких вона становить основну частину. Цими сплавами є чавуни і вони. У техніці часто використовують звані леговані стали. До них належать стали, містять хром, нікель, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт, титан та інші метали. Іноді в леговані стали входять 5−6 різних металів. Методом легування одержують різноманітні цінні стали, які мають тільки в випадках підвищеної міцністю, за іншими — високої опірністю до истиранию, по-третє - коррозионной сталістю, тобто. здатністю не руйнуватися під впливом зовнішньої среды.

До другої групи відносять кольорові метали та його сплави. Їм таку назву оскільки мають різну забарвлення. Наприклад, мідь світлочервона, нікель, олово, срібло — білі, свинець — блакитнувато-білий, золотожовте. З сплавів на практиці знайшли велике застосування: бронза — сплав міді з оловом та інші металами, латунь — сплав міді з цинком, бабіт — сплав олова з сурмою і міддю і др.

Цей поділ на чорні і кольорові метали условно.

Поруч із чорними і кольоровими металами виділяють ще групу шляхетних металів: срібло, золото, платину, рутеній та інших. Вони названі так оскільки не окисляються надворі навіть за підвищеної певній температурі й не руйнуються при дії ними розчинів кислот і щелочей.

II. Фізичні властивості металлов.

Ззовні метали, як відомо, характеризуються передусім особливим «металевим» блиском, який обумовлюється їх здатністю сильно відбивати промені світла. Однак це блиск спостерігається зазвичай в тому разі, коли метал утворює суцільну компактну масу. Щоправда, магній і алюміній зберігають свій блиск, навіть будучи перетвореними на порошок, та більшість металів в мелкораздробленном виді спорту має чорний чи темно-сірий колір. Потім типові метали мають високої теплоі електропровідністю, причому за спроможністю проводити тепла і струм вміщено у тому ж порядку: кращі провідники — срібло і мідь, гірші - свинець і ртуть. З підвищенням температури електропровідність падає, при зниженні температури, навпаки, увеличивается.

Дуже важливим властивістю металів був частиною їхнього порівняно легка механічна деформируемость. Метали пластичні, вони добре куються, витягуються в дріт, прокочуються в листи і т.п.

Характерні фізичні властивості металів перебувають у в зв’язку зі особливостями їхньої внутрішньої структури. Відповідно до сучасним поглядам, кристали металів складаються з позитивно заряджених іонів і вільних електронів, отщепившихся від відповідних атомів. Весь кристал можна собі у вигляді просторової грати, вузли якої зайняті іонами, а проміжках між іонами перебувають легкоподвижные електрони. Ці електрони постійно переходять від самих атомів решти і обертаються навколо ядра то одного, то іншого атома. Оскільки електрони пов’язані з певними іонами, то вже близько впливом невеличкий різниці потенціалів вони починають переміщатися у напрямі, тобто. виникає електричний ток.

Наявністю вільних електронів обумовлюється та висока теплопровідність металів. Знаходячись у безупинному русі, електрони постійно зіштовхуються з іонами і обмінюються із нею енергією. Тому коливання іонів, усилившиеся у цій частини металу внаслідок нагрівання, відразу ж передаються сусіднім ионам, від нього — наступним тощо., і теплове стан металу швидко вирівнюється; всю масу металу приймає однакову температуру.

За щільністю метали умовно поділяються на великі групи: легкі метали, щільність яких немає більше 5 г/см3, і досить важкі метали — й інші. Щільність, і навіть температури плавлення деяких металів наведені у таблиці № 1.

Таблиця № 1.

Щільність і температура плавлення деяких металів. |Назва |Атомний вагу |Щільність, |Температура | | | |г/см3 |плавлення, З |.

|Легкие метали.| | | | |Літій |6,939 |0,534 |179 | |Калій |39,102 |0,86 |63,6 | |Натрій |22,9898 |0,97 |97,8 | |Кальцій |40,08 |1,55 |850 | |Магній |24,305 |1,74 |651 | |Цезій |132,905 |1,90 |28,5 | |Алюміній |26,9815 |2,702 |660,1 | |Барій |137,34 |3,5 |710 | |Важкі метали| | | | |Цинк |65,37 |7,14 |419 | |Хром |51,996 |7,16 |1875 | |Марганець |54,9380 |7,44 |1244 | |Олово |118,69 |7,28 |231,9 | |Залізо |55,847 |7,86 |1539 | |Кадмій |112,40 |8,65 |321 | |Нікель |58,71 |8,90 |1453 | |Мідь |63,546 |8,92 |1083 | |Вісмут |208,980 |9,80 |271,3 | |Срібло |107,868 |10,5 |960,8 | |Свинець |207,19 |11,344 |327,3 | |Ртуть |200,59 |13,546 |-38,87 | |Вольфрам |183,85 |19,3 |3380 | |Золото |196,967 |19,3 |1063 | |Платина |195,09 |21,45 |1769 | |Осмій |190,2 |22,5 |2700 |.

Частинки металів, що у твердому і рідкому стані, пов’язані особливим типом хімічного зв’язку — так званої металевої зв’язком. Вона визначається одночасним наявністю звичайних ковалентних перетинів поміж нейтральними атомами і кулоновским притяганням між іонами й вільними електронами. Отже, металева зв’язок є властивістю не окремих частинок, які агрегатов.

III. Хімічні властивості металлов.

Основним хімічним властивістю металів є здатність їх атомів легко віддавати свої валентные електрони і переходити в позитивно заряджені іони. Типові метали будь-коли приєднують електронів; їх іони завжди заряджені положительно.

Легко віддаючи при хімічних реакціях свої валентные електрони, типові метали є енергійними восстановителями.

Здатність до віддачі електронів проявляється в окремих металів далеко в однаковою мірою. Чим легше метал віддає свої електрони, тим він активніше, тим енергійніше входить у взаємодію з іншими веществами.

Опустимо шматочок цинку в розчин який-небудь свинцевим солі. Цинк починає розчинятися, та якщо з розчину виділяється свинець. Реакція виражається уравнением:

Zn + Pb (NO3)2 = Pb + Zn (NO3)2.

З рівняння слід, що ця реакцій є типовою реакцією окисления-восстановления. Суть її полягає зводиться до того що, що атоми цинку віддають свої валентные електрони ионам двухвалентного свинцю, цим перетворюючись на іони цинку, а іони свинцю відновлюються і виділяються в вигляді металевого свинцю. Якщо вступити навпаки, тобто завантажити шматочок свинцю в розчин цинкової солі, то жодної реакції не станеться. Це свідчить, що цинк активніший, ніж свинець, що його атоми легше віддають, а іони важче приєднують електрони, ніж атоми і іони свинца.

Витіснення одних металів з їхньої сполук іншими металами вперше було докладно вивчено російським ученим Бекетовым, расположившим метали з їхньої убутній хімічної активності у так званий «вытеснительный ряд». У час вытеснительный ряд Бекетова називається низки напряжений.

У таблиці № 2 представлені значення стандартних электродных потенціалів деяких металів. Символом Me+/Me вказано метал Me, занурений в розчин його солі. Стандартні потенціали електродів, виступаючих як відновники стосовно водню, мають знак «-», а знаком «+» відзначені стандартні потенціали електродів, є окислителями.

Таблиця № 2.

Стандартні электродные потенціали металів. |Електрод |Е0,В |Електрод |Е0,В | |Li+/Li |-3,02 |Co2+/Co |-0,28 | |Rb+/Rb |-2,99 |Ni2+/Ni |-0,25 | |K+/K |-2,92 |Sn2+/Sn |-0,14 | |Ba2+/Ba |-2,90 |Pb2+/Pb |-0,13 | |Sr2+ /Sr |-2,89 |H+/½H2 |0,00 | |Ca2+/Ca |-2,87 |Sb3+/Sb |+0,20 | |Na+/Na |-2,71 |Bi3+/Bi |+0,23 | |La3+/La |-2,37 |Cu2+/Cu |+0,34 | |Mg2+/Mg |-2,34 |Cu+/Cu |+0,52 | |Al3+/Al |-1,67 |Ag+/Ag |+0,80 | |Mn2+/Mn |-1,05 |Pd2+/Pd |+0,83 |.

|Zn2+/Zn |-0,76 |Hg2+/Hg |+0,86 | |Cr3+/Cr |-0,71 |Pt2+/Pt |+1,20 | |Fe2+/Fe |-0,44 |Au3+/Au |+1,42 | |Cd2+/Cd |-0,40 | | |.

Метали, які працюють у порядку зростання їх стандартних электродных потенціалів, й утворять електрохімічний ряд напруг металів: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Ряд напруг характеризує хімічні властивості металлов:

1. Чим менший електродний потенціал металу, тим більше коштів його восстановительная способность.

2. Кожен метал здатний вытеснять (восстанавливать) з розчинів солей ті метали, котрі стоять у ряду напруг після него.

3. Усі метали, мають негативний стандартний електродний потенціал, тобто перебувають у ряду напруг лівіше водню, здатні витісняти його з розчинів кислот.

Слід зазначити, що представлений ряд характеризує поведінка металів та його солей лише у водних розчинах і за кімнатної температурі. З іншого боку, треба мати через, що висока електрохімічна активність металів який завжди означає його високу хімічну активність. Наприклад, ряд напруг починається літієм, тоді як більше активні в хімічному відношенні рубідій і калій перебувають правіше літію. Це з винятково високою енергією процесу гідратації іонів літію порівняно з іонами інших лужних металлов.

IV. Корозія металлов.

Майже всі метали, відвідуючи зустріч із оточуючої їх газоподібної чи рідкої середовищем, більш-менш швидко піддаються з поверхні руйнації. Причиною його хімічне взаємодія металів з які у повітрі газами, і навіть водою і розчиненими в ній веществами.

Кожен процес хімічного руйнації металів під впливом оточуючої середовища називають коррозией.

Найпростіше протікає корозія при зіткненні металів з газами. На поверхні металу утворюються відповідні сполуки: оксиди, сірчисті сполуки, основні солі вугільної кислоти, які нерідко покривають поверхню щільним шаром, захищаючи метал від подальшого впливу тієї ж газов.

Інша справа при зіткненні металу з рідкої середовищем — водою і розчиненими у ній речовинами. Які Утворюються у своїй сполуки можуть розчинятися, завдяки чому корозія поширюється далі всередину металу. З іншого боку, вода, що містить розчинені речовини, є провідником електричного струму, унаслідок чого постійно виникають електрохімічні процеси, що є однією з головних чинників, які обумовлюють і прискорюють коррозию.

Чисті метали здебільшого майже піддаються корозії. Навіть такий метал, як залізо, на абсолютно чистому вигляді майже іржавіє. Але звичайні технічні метали завжди містять різні домішки, що створює сприятливі умови для коррозии.

Збитки, заподіювані корозією металів, величезні. Обчислено, наприклад, що внаслідок корозії щорічно гине стільки стали, яке одно приблизно чверті всієї світового видобутку його з рік. Тому вивченню процесів корозії і відшуканню найкращих засоби її запобігання приділяється дуже багато внимания.

Способи боротьби з корозією надзвичайно різноманітні. Найпростіший полягає у позиційному захисті поверхні металу від безпосереднього зустрічі з навколишнім середовищем шляхом покриття олійною фарбою, лаком, емаллю чи, нарешті, тонким шаром іншого металу. Особливу увагу з теоретичної погляду представляє покриття одного металу другим.

До них належать: катод покриття, коли захищає метал стоїть у ряду напруг правіше що захищає (типовим прикладом може бути луджена, тобто покрита оловом, сталь); анодное покриття, наприклад, покриття стали цинком.

Для захисту від корозії доцільно покривати поверхню металу шаром активнішого металу, ніж шаром менш активного. Проте інші міркування нерідко змушують застосовувати також покриття із найменш активних металлов.

Насправді найчастіше доводиться вживати заходів до захисту стали як металу, особливо ушкодженого корозією. Крім цинку, з активнішого металів цієї мети іноді застосовують кадмій, діючий подібно цинку. З менш активних металів покриття стали найчастіше використовують олово, мідь, никель.

Покриті нікелем сталеві вироби мають гарний вигляд, чим це пояснюється стала вельми поширеною нікелювання. При ушкодженні шару нікелю корозія проходить менш інтенсивно, аніж за ушкодженні шару міді (чи олова), так як різницю потенціалів для пари никель-железо набагато менше, ніж для пари медь-железо.

Серед інших способів боротьби з корозією є ще спосіб протекторів, що полягає у цьому, що защищаемый металевий об'єкт наводиться в контакти з великий поверхнею активнішого металу. Так було в парові казани вводять листи цинку, перебувають у контакті зі стінками казана і які із ними гальванічну пару.

V. Поняття сплавах.

Характерною ознакою металів був частиною їхнього здатність утворювати друг з одним чи з неметаллами сплави. Щоб самому отримати сплав, суміш металів зазвичай змушують проходити плавлению, та був охолоджують з різноманітною швидкістю, що визначається природою компонентів і зміною характеру їх взаємодії залежність від температури. Іноді сплави отримують спеканием тонких порошків металів, не вдаючись до плавлению (порошкова металургія). Отже сплави — це продукти хімічного взаємодії металлов.

Кристалічна структура сплавів багато в чому подібна чистим металам, які, взаємодіючи друг з одним при плавленні і наступного кристалізації, утворюють: а) хімічні сполуки, звані интерметаллидами; б) тверді розчини; в) механічну суміш кристалів компонентов.

Той чи іншого тип взаємодії визначається співвідношенням енергії взаємодії різнорідних і однорідних частинок системи, тобто співвідношенням енергій взаємодії атомів в чистих металах і сплавах.

Сучасна техніка використовує величезну кількість сплавів, причому у переважній більшості випадків вони складаються з цих двох, та якщо з трьох, чотирьох і більшої кількості металів. Цікаво, що властивості сплавів часто різко від властивостей індивідуальних металів, якими вони утворені. Так, сплав, у якому 50% вісмуту, 25% свинцю, 12,5% олова і 12,5% кадмію, плавиться всього при 60,5 градусах Цельсія, тоді як компоненти сплаву мають відповідно температури плавлення 271, 327, 232 і 321 градус Цельсія. Твердість олов’яної бронзи (90% міді 10% олова) утричі більше, ніж в чистої міді, а коефіцієнт лінійного розширення сплавів заліза і нікелю удесятеро менше, ніж в чистих компонентов.

Утім, деякі домішки погіршують якість металів і сплавів. Відомо, наприклад, що чавун (сплав заліза і вуглецю) не має тієї міцністю та непорушністю, які притаманні стали. Крім вуглецю, на властивості стали впливають добавки сірки і фосфору, які збільшують її хрупкость.

Серед властивостей сплавів найважливішими для практичного застосування є жаропрочность, коррозионная стійкість, механічна міцність і ін. Для авіації велике значення мають легкі сплави з урахуванням магнію, титану чи алюмінію, для металообробній промисловості - спеціальні сплави, містять вольфрам, кобальт, нікель. У електронної техніці застосовують сплави, основним компонентом якого є мідь. Надпотужні магніти удалося одержати, використовуючи продукти взаємодії кобальту, самарію та інших рідкісноземельних елементів, а сверхпроводящие при низьких температурах сплави — з урахуванням интерметаллидов, утворених ніобієм з оловом і др.

VI. Способи отримання металлов.

Величезне більшість металів перебуває у природою вигляді сполук з іншими элементами.

Тільки нечисленні метали зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються самородними. Золото і платина зустрічаються майже тільки у самородном вигляді, срібло і мідь — почасти в самородном вигляді; іноді трапляються також самородні ртуть, олово та інших металлы.

Добування золота і платини виробляється чи у вигляді механічного відділення їхнього капіталу від тієї породи, у якій укладено, наприклад промиванням води, чи шляхом вилучення їх із породи різними реагентами з наступним виділенням металу з розчину. Решта метали добуваються хімічної переробкою їх природних соединений.

Мінерали й гірські породи, що містять сполуки металів і придатні щоб одержати цих металів заводським шляхом, звуться руд. Головними рудами є оксиди, сульфіди і карбонаты металлов.

Найважливішим способом отримання металів з руд грунтується на відновленні їх оксидів углем.

Якщо, наприклад, змішати червону мідну руду (куприт) Cu2O з вугіллям і піддати сильному накаливанию, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться на оксид углерода (II), а мідь виділиться в розплавленому состоянии:

Cu2O + З = 2Cu + CO.

У такий спосіб виробляється виплавка чавуну їх залізних руд, отримання олова з олов’яного каменю SnO2 та своєчасне відновлення інших металів з оксидов.

При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті сполуки в кисневі шляхом випалювання особливих печах, та був вже відновлюють отримані оксиди вугіллям. Например:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2.

ZnO + З = Zn + CO.

Там, коли руда є сіль вугільної кислоти, яку можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, бо за нагріванні карбонаты розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Например:

ZnCO3 = ZnO + CO2.

Зазвичай руди, крім хімічного сполуки даного металу, містять ще багато домішок як піску, глини, вапняку, які дуже важко плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руді домішують різні речовини, які із домішками легкоплавкие сполуки — шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то ролі флюсу вживають пісок, утворюючий з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у разі великої кількості піску флюсом служить известняк.

Багато рудах кількість домішок (порожній породи) така велика, що безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідною. Такі руди попередньо «збагачують», тобто видаляють їх частина домішок. Особливо значним поширенням користується флотаційний спосіб збагачення руд (флотация), заснований на різної смачиваемости чистої руди і порожній породы.

Техніка флотационного способу дуже і переважно зводиться до наступному. Руду, що складається, наприклад, з сірчистого металу і силікатної порожній породи, тонко подрібнюють і заливають у великих чанах водою. До воді додають якесь малополярное органічна речовина, що сприяє освіті стійкою піни при збовтуванні води, і небагато спеціального реагенту, з так званого «колектора», який добре адсорбируется поверхнею флотируемого мінералу і робить її нездатною смачиваться водою. Після цього через суміш знизу пропускають сильну струмінь повітря, перемешивающую руду з і прибавленными речовинами, причому бульбашки повітря окружаются тонкими олійними плівками й утворять піну. У процесі перемішування частки флотируемого мінералу покриваються шаром адсорбированных молекул колектора, прилипають до пухирцям продуваемого повітря, піднімаються водночас і догори і є в піні; частки ж порожній породи, смачивающиеся водою, осідають на дно. Піну збирають і віджимають, одержуючи руду з значно більшою змістом металла.

Для відновлення деяких металів з їхньої оксидів застосовують замість вугілля водень, кремній, алюміній, магній та інші элементы.

Процес відновлення металу з його оксиду з допомогою іншого металу називається металлотермией. Якщо, зокрема, як відновлювача застосовується алюміній, то процес називається алюминотермии.

Дуже важливим засобом отримання металів є й електроліз. Деякі найактивніші метали виходять виключно шляхом електролізу, бо всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними на відновлення їх ионов.

Список використаної литературы.

1. «Основи загальної хімії». Ю. Д. Третьяков, Ю. Г. Метлин. Москва «Просвітництво» 1980 р. 2. «Загальна хімія». Н. Л. Глинка. Видавництво «Хімія», Ленінградське відділення 1972 р. 3. «Чому як і руйнуються метали». С. А. Балезин. Москва «Просвітництво» 1976 р. 4. «Допомога за хімії для вступників у вузи». Г. П. Хомченко. 1976 р. 5. «Книжка для читання по неорганічної химии».

Частина 2. Упорядник В. А. Крицман. Москва «Просвітництво» 1984 р. 6. «Хімія і науково-технічний прогрес». И. Н. Семенов, А. С. Максимов, А. А. Макареня. Москва «Просвітництво» 1988 г.