Химия: Металлы
Содержание
Общие свойства металлов
К металлам относят элементы, имеющие 1, 2, 3 электрона на внешнем уровне. (Кроме водорода, гелия и бора). Металлы располагаются в главных и побочных подгруппах ПСЭ). Им свойственны высокая тепло- и электропроводность, пластичность, т.е. они подвергаются ковке, прокатке и вытягиванию в проволоку. Все металлы при обычной температуре твердые, кроме ртути, имеют металлический блеск и окрашены в золотисто-красноватые, серебристо-серые, тона и даже с синеватым отливом.
Причина этих свойств кроется в строении атомов металлов и природе их кристаллических решеток, в узлах которых располагаются как нейтральные атомы, так и положительно заряженные ионы. А электроны, оторванные от ионов (электронный газ), располагаются в межузловом пространстве. Типичные металлы- восстановители, но могут проявлять и амфотерные свойства. Металлы объединяют по свойствам в щелочные (), щелочно-земельные (), цветные (), черные и его сплавы), благородные (), легкие с плотностью ниже 5 г/см3 и тяжелые, если плотность выше. Плотность металлов колеблется в пределах 0, 53 г/см3 у лития до 22, 7 г/см3 у осмия.
Наибольшее значение приобретают сплавы металлов различного типа - смеси нескольких металлов и неметаллов, в которых резко меняются индивидуальные свойства металлов. Могут быть твердые растворы, интерметаллиды, механические смеси. Сплавы прочнее, более тугоплавки, или температура плавления сильно падает, кислото-щелочеупорные, устойчивы к истиранию или приобретают иные свойства.
Щелочные металлы
Металлы называются щелочными, так как при реакции с водой атомы этих металлов образуют щелочи – растворимые в воде основания. У всех щелочных металлов заполняется S- электронный слой по 1е, поэтому проявляются только металлические свойства восстановителей, степень окисления элементов равна +1 и валентность равна 1. Температуры плавления t(пл) низки, цезий способен расплавится от тепла человеческой руки t(пл) = 28,5 оС.
Соли этих металлов окрашивают пламя в характерные цвета (разноцветие салюта): литий - алый, натрий - желтый, калий – фиолетовый, рубидий – красный, цезий - голубой.
Франций – радиоактивный элемент с нестабильными изотопами.
Щелочные металлы в свободном виде не встречаются из-за высокой реакционной способности, а только в виде солей. Самая распространенная из них NaCl (каменная соль, поваренная соль, галит). А вот соду (Na2CO3) человечество знало издревле, о ней упоминается даже в Библии. Огромную роль в истории человечества сыграла калийная селитра (KNO3), так как входила в состав пороха. Щелочные металлы получают электролизом расплава хлоридов или гидроксидов этих металлов.
Все щелочные металлы очень мягкие, имеют небольшую плотность. Литий (0,53 г/см3) и натрий (0,97 г/см3) легче воды и плавают на ее поверхности, реагируя с ней.
Все щелочные металлы серебристо белого цвета, хорошо проводят тепло и электрический ток. Мягкие, режутся ножом.
Все щелочные металлы очень реакционноспособны. Поэтому их хранят под слоем керосина.
Щелочные металлы реагируют с водородом, серой, углеродом и хлором. Калий и натрий с кислородом образуют пероксиды (Na2O2), а калий даже сверхоксид (KO2); при реакции с водой образуют гидроксиды - щелочи (LiOH, NaOH, KOH).
Щелочноземельные металлы
называют щелочноземельными металлами, так как их гидроксиды в водном растворе обладают щелочными свойствами, а их оксиды по своей тугоплавкости сходны с оксидами тяжелых металлов, называвшихся «землями».
–магний, – кальций, – стронций, – барий проявляют свойства типичных металлов. Все металлы серебристо-белого цвета, тепло- и электропроводны, их плотность увеличивается сверху вниз, а температура плавления уменьшается. Их хранят под слоем керосина, как щелочные металлы, чтобы предохранить от быстрого окисления кислородом воздуха. Металлы мягкие, режутся ножом. Окрашивают пламя в характерные цвета.
Оксид кальция при реакции с водой образует гашеную известь, широко применяемую в строительстве
Щелочноземельные металлы образуют «Жесткость воды» – совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция (Ca2+) и магния (Mg2+). В жесткой воде, с высоким содержанием (Ca2+) и ( Mg2+) плохо пенится мыло, образуя нерастворимые соли высших карбоновых кислот, плохо заваривается чай и разваривается мясо. Жесткая вода не пригодна для охлаждения двигателей внутреннего сгорания и питания паровых котлов, так как в них образуется накипь. При использовании жесткой воды в пищу могут образовываться камни в почках. Умягчают жесткую воду кипячением, добавлением гашеной извести или соды. Современный способ умягчения воды основан на использовании ионно-обменных смол - катионитов, способных обменивать ионы натрия на ионы кальция и задерживать их.
Кальций – основной компонент костных тканей и зубов.
Алюминий
Алюминий - элемент - III А группы, содержащий 3е на внешнем электронном уровне проявляет валентность равную трем и степень окисления +3, электроотрицательность равную 1,5, и амфотерные свойства, то есть его соединения проявляют свойства как кислот, так и оснований. Алюминий - типичный и самый распространенный в земной коре металл (8,8%). В свободном виде в природе не встречается, а только в виде алюмосиликатов: Na2O • AL2O3 • 2SiO2 - нефелин, K2O • Al2O3 • 6SiO2 - ортоклаз (полевой шпат), Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O - каолинит (глина), Al2O3 • nH2O - боксит, Al2O3 - корунд (глинозем), Na3AlF6 - криолит.
Корунды, окрашенные солями других металлов являются драгоценными камнями, это – сапфиры, рубины.
Алюминий – легкий серебристо-белый пластичный металл, очень хорошо проводящий электрический ток и тепло. С температурой плавления t(пл) = 660оС.
Алюминий получают электролизом Al2O3 в расплаве криолита
На поверхности алюминия образуется защитная пленка его оксида Al2O3 толщиной 10–5м, однако она столь прочна, что предохраняет алюминий от дальнейшего окисления, т. к. Al2O3 не реагирует с водой. Лишенный оксидной пленки, что достигается использованием амальгамы алюминия (сплава алюминия с ртутью), алюминий реагирует с кислородом, водородом, хлором, серой и углеродом, а также с водой.
Как амфотерный металл алюминий реагирует с щелочью
образуя метаалюминат натрия.
Образует AlH3 - гидрид алюминия, Al2O3 - оксид алюминия, Al(OH)3 - гидроксид алюминия.
Особенно ценны сплавы алюминия, которые широко используются в авиастроении, машиностроении и судостроении: дюралюмин (Al + 5%Cu + 2%Mg), силумин (Al + Si), «Термит» - смесь оксида (Fe3O4) с порошком алюминия. При его использовании выделяется огромная температура, это свойство используется при термитной сварке металлов. 8Al +3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe + ΔH 853,5 кДж/моль
Железо
- Железо является четвертым элементом по распространенности среди химических элементов по массовой доле (4,7-6,0%) и вторым среди металлов, уступая лишь алюминию. Железо относится к металлам, известным с глубокой древности. Сначала с ним познакомились в Египте, Месопотамии во 2 тысячелетии до нашей эры, затем в Закавказье, Малой Азии, и Древней Греции. Самородное железо – редкость, в основном метеоритного происхождения.
В природе железо находится в связанном виде, входит в состав горных пород, а также содержится в живых организмах.
Fe2O3 • 3H2O – бурый железняк, лимонит ; Fe2O3 – красный железняк, гематит; Fe3O4 – магнитный железняк, магнетит; FeS2 – железный колчедан, пирит.
Железо – серебристо-белый, пластичный, относительно мягкий металл tпл 1539оС, плотность при 20оС – 7,87 г/см3 При to ниже 768оС железо ферромагнитно, хорошо подвергается сварке, ковке, прокатке. Проявляет степени окисления: +2, +3, +6. Во влажном воздухе железо окисляется (ржавеет),образуя соединения Fe+2 и Fe+3. Железо – металл амфотерный.
С разбавленными кислотами железо образует соединения со степенью окисления +2, концентрированная азотная кислота железо пассивирует, Взаимодействует с неметаллами: кислородом, хлором, серой.
Для определения железа используют реактивы, дающие с ним характерную окраску, с Fe3+ образуется изумрудный оттенок берлинской лазури, с Fe2+ - комплекс синего цвета - турнбулевая синь. С роданидом калия или аммония трехвалентное железо образует комплекс темно–красного цвета часто используемый в кино под названием «кровь дракона».
Железо и его сплавы относятся к черным металлам. Это чугун, содержащий более 2% углерода и сталь - сплав железа с содержанием углерода 0,02 – 2.0%. Различают стали, которые содержат примеси Mn, Si, S, P и др. элементов. Они повышают коррозионные свойства сталей. Процесс выплавления железа основан на способности углерода и угарного газа в специальных печах – домнах восстанавливать железо из оксидов железа.
Полезные ссылки
Глоссарий
- Аквакомплексы – комплексы, включающие в состав молекулы воды – или кристаллогидраты.
- «Алкали» по арабски – «зола», «щелочь».
- Алюминотермия - способ получения металлов и неметаллов восстановлением их окислов металлическим алюминием.
- Амфотерность - способность проявлять как кислотные, так и основные свойства.
- Благородные металлы – золото, платина, серебро, рутений, родий, палладий, осмий, иридий.
- Гидроксиды – неорганические соединения, содержащие в составе гидроксильную группу. Производные оксидов и воды.
- Интерметаллиды – химические соединения металлов друг с другом, не подчиняющиеся законам постоянства состава.
- Ковка - придавать форму ударами молота., усиливается при нагревании.
- Кокс - твердый пористый продукт, полученный прокаливанием каменного угля без доступа воздуха. Применяется для выплавки чугуна.
- Коррозия металлов - разрушение металлов под воздействием окружающей среды.
- Металлы – простые вещества и сплавы, обладающие особым блеском, ковкостью, хорошей теплопроводностью и электропроводностью и имеющие 1,2, 3 электрона на внешнем уровне.
- Намагничиваемость - магнитная восприимчивость.
- Неметаллы – химически простое вещество не имеющие характерных для металлов свойств.
- Основания – вещества, молекулы которых состоят из атомов металлов и одной или нескольких гидроксильных групп.
- Опаловый – имеющий молочно-белый цвет с радужными оттенками.
- Пассивирование металлов - образование на повехности металла защитного слоя при действии окислителя.
- Пластичность - способность изменять форму под давлением при обычных и повышенных температурах не разрушаясь.
- Пероксиды – химические соединения, в которых атомы кислорода связаны друг с другом и с атомом другого элемента.
- Плотность - отношение массы к объему.
- Прокатка – горячая обработка металла путем давления, обжима его между вращающимися валами в особых станах для придания ему нужной формы.
- Реакционноспособный - характеристика относительной химической активности молекул, атомов, ионов.
- Сварка – соединение, заполнением промежутков расплавленным металлом.
- Сплавы – системы, состоящие из двух или более металлов и неметаллов, обладающие характерными свойствами металлов.
- Теплопроводность - свойство тел передавать тепло.
- Ферромагнитный материал — магнитный материал Металлический материал в твердом состоянии, способный намагничиваться под действием внешнего магнитного поля и частично сохранять приобретенную намагниченность после удаления внешнего поля.
- Щелочные металлы называют так, потому что при реакции с водой они образуют щелочи - растворимые основания.
- Щелочи - растворимые основания.
- Щелочноземельные металлы – от слов «щелочной», «землями» называли руды металлов.
- Электролиз – разложение веществ при прохождении через них постоянного электрического тока.
- Электропроводность – способность проводить электричество.
Библиография
Справочники
- Химическая энциклопедия, ред. И.Л. Кнунянц, Изд. «Советская энциклопедия», 1-5 т., М., 1988 г.
- Р.А. Лидин Справочник по общей и неорганической химии. М. «Просвещение» 1997г.
- И.Т. Гороновский, Ю.П. Назаренко, Е.Ф. Некряч. Киев, «Наукова думка», 1974г.
- Джейн Верзейм, Крис Окслейд и д-р Джон Ватерхаус .Химия. Школьный иллюстрированный справочник (пер. с англ.), М. «Росмэн», 1995г.
- Л.Л.Андреева, Д.Ю. Добротин, О.С. Габриелян и др. ХИМИЯ, «Большой справочник для школьников и поступающих в вузы», М. «Дрофа», 2004г.
- Химия. Справочник школьника. Центр гуманитарных наук при факультете журналистики МГУ им. М.В. Ломоносова. М. 1997 г.
- «Хочу все знать» Сб. Ленинград»Детская литература».1987 г.
- «Что такое. Кто такой». Изд. «Педагогика» М. 1990 г.
- «Энциклопедия для детей». Химия т. 17 Изд. дом «Аванта».2000г.
Книги
- В.А.Волков, Е.В. Вонский, Г.И. Кузнецова. «Выдающиеся химики мира», М. «Высшая школа», 1991 г.
- В.А.Крицман «Книга для чтения по неорганической химии», М. «Просвещение», 1974 г.
- Варкентина Н.А., Дженлода Р.Х. «Химические элементы в школьном курсе химии». «Азиятехнографика». Бишкек, 2010 г.
- Книга для чтения по химии. 1 ч. Гос. Изд. Минпроса РСФСР, М. 1960 г.
- Книга для чтения по химии. 2 ч. Гос. Изд. Минпроса РСФСР, М. 1961 г.
- М. Фримантл. «Химия в действии», 2 ч. М. «Мир», 1991г.
- П.Р. Таубе, Е.И.Руденко. «От водорода до …?» «Высшая школа», 1964 г.
- Популярная библиотека химических элементов. Ред. Акад. И.В. Петрянов – Соколов. М. «Наука», 1983 г.
- Э. Гроссе, Х. Вайсмантель «Химия для пюбознательных» Ленинград. «Химия» 1985 г.
- Ю.И. Соловьев,Д.Н. Трифонов, А.Н. Шамин «История химии», М. «Просвещение», 1984 г.
- «Я познаю мир». Детская энциклопедия. Химия. М. АСТ 1995 г.
Учебные пособия
- Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы. Ред. В.Н. Чернышов, А.С.Егоров, Ростов-на-Дону, «Феникс»,1997г.
Методические пособия
- М.В. Горский. Обучение основам общей химии. М. «Просвещение», 1991 г.
Английский торговец Бэйкер завещал свое состояние Королевскому научному обществу на выплату тому, кто прочтет «доклад о выдающемся открытии». В ноябре 1807 года эту премию получил Гэмфри Дэви после доклада о получении калия и натрия путем разложения щелочей действием электрического тока. Позже он выделил и получил барий, магний, кальций и стронций. Дэви стал основателем электрохимии.
Он сумел доказать опьяняющее действие веселящего газа на организм.
Из практических изобретений надо выделить безопасную для взрыва метана шахтерскую лампу, которой пользовались долгие годы до введения в шахтах электрического освещения.
Дэви работал в Пневматическом институте в Бристоле, и хотя у него было только среднее образование, он стал с 1802 профессором Королевского института.
В 1805 году Французская академия наук присудила ему премию в 3000 франков. В 1812 году Дэви в возрасте 34 лет за научные работы был посвящён в рыцари. Член множества научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской АН (1826 год).
В 1826 году Дэви поразил первый апоплексический удар, а 29 мая 1829 года на пути в Англию из Европы Дэви поразил второй удар, от которого он и умер на пятьдесят первом году жизни в Женеве.
Похоронен в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, на месте захоронения выдающихся людей Англии. В его честь Лондонское Королевское общество учредило награду для учёных — медаль Дэви.
Советский химик. Разработал физико-химический анализ растворов и сплавов металлов. Для анализа состава сплавов он создал новые методы и приборы.
Русский металлург. Разработал в 1868 году наилучшие условия отливки, ковки и термической обработки стали. С тех пор стальные орудия вытеснили бронзовые. Предсказал преимущества применения кислородного дутья в конвекторном процессе.
Русский металлург, горный инженер. Он был первым исследователем, применившим еще в 1831 году микроскоп для изучения структуры стали. Изобрел способ закалки стальных изделий в струе сжатого воздуха. Получил литую сталь и усовершенствовал многие заводские механизмы.
1 Из 1 кг гидрида лития можно получить 2800 литров водорода, столько его содержит 40 кг баллон под давлением 120-150 атмосфер.
2 Солью, извлеченной из морской воды можно было бы засыпать всю сушу слоем в 130 метров.
3 В состав жидкого мыла входит калий.
4 Каждую секунду в организме человека распадается 5000 атомов радиоактивного изотопа калия, которого в нем содержится около 0,003 грамма.
5 Сплав 76% калия и 24% натрия жидкий и затвердевает при минус 12 градусов Цельсия.
5 Известно, что при использовании сильных окислителей была достигнута степень окисления железа +8.
Попробуйте ответить правильно на пять вопросов:
