Взаимодействие металлов с простыми веществами — неметаллами

Особенности строения атомов металлов.

2. Способы получения металлов.

3.Физические свойства металлов.

4. Химические свойства металлов.

Особенности строения атомов металлов

Более 80% известных элементов образуют простые вещества — металлы. К ним относятся s-элементы I и II групп (исключение — водород), все d- и f - элементы, а также р-элементы III группы (кроме бора), IV группы (олово, свинец), V группы cурьма, висмут) и VI группы (полоний).

Особенности строения атомов металлов:

· небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (как правило, один-три электрона). Исключение — атомы р-элементов IV-VI групп;

· малые заряды ядер и большие радиусы атомов по сравнению с атомами неметаллов данного периода;

· сравнительно слабая связь валентных электронов с ядром;

· низкие значения электроотрицательности.

В связи с этим атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, т. е. металлы - восстановители.

Однако способность отдавать электроны проявляется у металлов неодинаково. В периодах с увеличением зарядов ядер атомов уменьшаются их радиусы, увеличивается число электронов на внешнем уровне и усиливается связь валентных электронов с ядром. Поэтому в периодах слева направо восстановительная способностъ атомов металлов уменьшается.В главных подгруппах с возрастанием атомных номеров элементов увеличиваются радиусы их атомов и уменьшается притяжение (валентных электронов к ядру. Поэтому в главных подгруппах сверху вниз восстановительная активность атомов металлов возрастает. Следовательно, наиболее активными восстановителями являются щелочные и щелочно-земельные металлы.

Только некоторые металлы (золото, платина) находятся в природе в виде простых веществ (в самородном состоянии). Металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений между оловом и золотом, встречаются как в виде простых веществ, так и в составе соединений. Большинство же металлов находятся в природе в виде соединений — оксидов, сульфидов, карбонатов и т. д. Распространенность металлов в природе уменьшается в ряду:

Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, Ti, Mn, Cr, Ni, Zn, Cu, Sn, Pb, W, Hg, Ag. Аu

Содержание в земной коре (массовая доля, %) уменьшается

Получение металлов из их соединений — задача металлургии. Металлургия — наука о промышленном получении металлов из природного сырья.Различают черную

(производство железа и его сплавов) и цветную (производство всех остальных металлов сплавов) металлургию. Любой металлургический процесс является процессом восстановления ионов металла различными восстановителями:

Meⁿ⁺ + пе^- = Me В зависимости от условий проведения процесса восстановления различают несколько способов получения металлов.

Способы получения металлов

С или СО (карботермия)

PbO + C = Pb + CO Fe₂0₃ + 3СО = 2Fe + 3C0₂

Сульфиды предварительно обжигают:

2ZnS + 30₂ = 2ZnO + 2S0₂ ZnO + С = Zn + 2СО Fe, Cu, Pb, Sn, Cd, Zn Al, Mg и др.

(металлотермия)

Cr₂0₃ + 2AI = 2Cr + Al₂0₃ TiCI₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂ Mn, Cr, W, Mo, Ti, V

H₂(водородотермия) Mo0₃ + 3H₂ = Mo + 3H₂0

Оксиды активных металлов (МgО, СаО, А1₂0₃ и др.) водородом не восстанавливаются

Cu, Ni, W, Fe, Mo, Cd, Pb

Электрометаллургия – восстановление электрическим током

Электролиз расплавов

NaCl = Na⁺ + Cl^-

Расплав К Na⁺ + е^- = Na 2

А Cl^- + 2е^- = Cl₂ 1 2NaCl электролиз 2Na + Cl₂ 2Al₂O₃ электролиз 4Al + 3O₂

Na₃(AlF₆)

Щелочные металлы, Be, Mg, Ca (из расплавленных хлоридов), Al – из расплавленного оксида

Электролиз растворов NiSO₄ = Ni²⁺ + SO₄^2-

раствор

К Ni²⁺ + 2е^- = Ni 2 А 2Н₂О - 4е^- = O₂ + 4Н⁺ 1 2NiSO₄ + 2Н₂О ^{электролиз} 2Ni + О₂ + Н₂SO₄

Zn, Cd, Co, Mn, Fe

Гидрометаллургия – восстановление из растворов солей Металл, входящий в состав руды, переводят в раствор, затем восстанавливают более активным металлом:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu CdO + H₂SO₄ = CdSO₄ + H₂O

CdS O₄ + Zn = ZnSO₄ + Cd Cd, Ag, Au, Cu

Задания для самостоятельной работы

1. Атому магния в степени окисления +2 соответствует электронная конфигурация:

а) 1s² 2s² 2р⁶ 3s² 3р⁶; в) 1s² 2s² 2р⁴;

б) 1s² 2s² 2р⁶; г) 1s² 2s² 2р⁶ 3s²;

2. При частичном восстановлении водородом 30 г оксида кобальта. В получили смесь оксида и металла массой 26,8 г. Определите количество вещества водорода, вступившего в реакцию, и массовую долю кобальта в полученной смеси.

3. При электролизе раствора сульфата меди (II) в растворе образовалась кислота (около анода), на нейтрализацию которой затрачен раствор объемом 16 см (р = 1,05 г/см³) с массовой долей гидроксида калия 6%. Вычислите массу меди, которая выделилась на катоде.

4. Для восстановления марганца из оксида марганца(1\/) путем алюмотермии было смешано 10,8 г алюминия и 26,2 г оксида. Определите, какое из исходных веществ осталось и какова его масса.

Физические свойства металлов

Все металлы обладают металлической кристаллической решеткой, особенности которой определяют их общие физические и механические свойства.

Общие свойства металлов:

1).Все металлы являются твердыми веществами, за исключением ртути.

2). Металлический блеск и непрозрачность металлов — результат отражения световых лучей.

3). Электро- и теплопроводность обусловлены наличием в металлических решетках свободных электронов.

С повышением температуры электропроводность металлов уменьшается, а с понижением температуры — увеличивается. Около абсолютного нуля для многих металлов характерно явление сверхпроводимости.

4). Металлы обладают ковкостью и пластичностью. По определению М. В. Ломоносова, «металлом называется светлое тело, которое ковать можно». Металлы легко прокатываются в листы, вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, штамповке, прессованию.

Специфические физические свойства металлов:

1). по значению плотности металлы делят на легкие (плотность меньше 5 г/см³): Na, Са, Mg, Al, Ti — и тяжелые (плотность больше 5 г/см³): Zn, Cr, Sn, Mn, Ni, Сu, Ag, Pb, Hg, Аи, W, Os - самый тяжелый;

2). по значению температуры плавления — на легкоплавкие (t_пл < 1000 °С): Hg, Na, Sn, Pb, Zn, Mg, Al, Ca, Ag — и тугоплавкие (t_пл > 1000 °C): Au, Cu, Mn, Ni, Fe, Ti, Cr, Os, W - самый тугоплавкий;

3). из металлов самые мягкие — щелочные (их можно резать ножом), самый твердый — хром (царапает стекло).

4). по отношению к магнитным полям металлы подразделяют на три группы:

а) ферромагнитные — способны намагничиваться под действием даже слабых магнитных полей (Fe, Со, Ni);

б) парамагнитные — проявляют слабую способность к намагничиванию даже в сильных магнитных полях (Al, Cr, Ti);

в) диамагнитные — не притягиваются к магниту (Sn, Сu, Bi).

Химические свойства металлов

Если атомы большинства неметаллов могут как отдавать, так и присоединять электроны, проявляя окислительно-восстановительную двойственность, то атомы металлов способны только отдавать валентные электроны, проявляя восстановительные свойства: Me - пе^- = Me^п+(окисление)

восстановитель

Как восстановители металлы взаимодействуют с неметаллами, водой, растворами щелочей, кислот и солей.

Взаимодействие металлов с простыми веществами — неметаллами

Металлы при определенных условиях взаимодействуют с неметаллами, например с кислородом образуют оксиды: 2Mg + 0₂ = 2MgO 4А1 + 30₂ = 2А1₂0₃

Из щелочных металлов только литий сгорает на воздухе с образованием оксида:

4Li + 0₂ = 2Li₂0

оксид лития

Основной продукт окисления натрия — пероксид: 2Na + 0₂ = Na₂0₂

При горении других щелочных металлов образуются супероксиды, например:

+1 -1 0 0 -1 +1

2К + 20₂= К₂0₄ ( К-О-О-О-О—К)

Супероксид калия

Оксиды натрия и калия могут быть получены при нагревании смеси пероксида с избытком металла в отсутствие кислорода: Na₂0₂ + 2Na = 2Na₂0

На реакции пероксида натрия с оксидом углерода (1V) основана регенерация воздуха в изолированных помещениях (например, на подводных лодках):

2Na₂О₂ + 2СО₂ = 2Na₂CО₃ + О₂

При нагревании металлы реагируют с другими неметаллами:

Mg + Br₂ = MgBr₂ 4А1 + 3С = А1₄С₃ 2А1 + N₂ = 2A1N 3Fe + С = Fe₃C

3Са + 2Р = Са₃Р₂ фосфид Са + 2С = СаС₂ карбид Сu + S = CuS сульфид меди (II)

2Mg + Si = Mg₂Si силицид магния

Если металл проявляет переменную степень окисления, то активные неметаллы (фтор, хлор, бром, кислород) окисляют его до более высокой степени окисления, в которой он образует устойчивое в данных условиях соединение, а менее активные — до более низкой степени окисления. Так, железо проявляет в соединениях степени окисления +2 и +3 (иногда +6), из них +3 наиболее устойчива. В связи с этим при взаимодействии железа с хлором, бромом оно окисляется до степени окисления +3, а при взаимодействии с серой или иодом — до степени окисления +2:

2Fe + ЗС1₂ = 2 FeCl₃ Fe + S = FeS

Щелочные и щелочно-земельные металлы при нагревании вступают в реакцию с водородом, образуя гидриды. Атомы водорода в данных соединениях имеют отрицательную степень окисления:

2Na + Н₂ = 2NaH Ва + Н₂ = BaH₂

гидрид гидрид

натрия бария

Гидриды представляют собой кристаллические тугоплавкие солеобразные вещества белого цвета. Они активные восстановители за счет водорода в минимальной степени окисления (-1). Так, гидриды горят в атмосфере хлора, кислорода, энергично разлагаются водой с образованием щелочи и выделением водорода:

КН + С1₂ = КС1 + НС1 СаН₂ + 0₂ = Са(ОН)₂

ВаН₂ + 2Н₂0 = Ва(ОН)₂ + 2Н₂

Гидриды применяют для получения водорода в полевых условиях (для водородной сварки), восстановления металлов из их оксидов, а также в органическом синтезе.

Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 53; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!