Физические и химические свойства металлов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Металлы (от лат. «metallum» — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Металлы широко распространены в природе и могут встречаться в различном виде: в самородном состоянии (Ag, Au, Rt, Cu), в виде оксидов (Fe₃O₄, Fe₂O₃, (NaK)₂O×AlO₃), солей (KCl, BaSO₄, Ca₃(PO₄)₂), а также сопутствуют различным минералам (Cd – цинковые руды, Nb, Tl – оловянные и т.д.).

Физические свойства металлов

Всем металлам присущи металлический блеск (однако In и Ag отражают свет лучше других металлов), твердость (самый твердый металл – Cr, самые мягкие металлы – щелочные), пластичность (в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe наблюдается уменьшение пластичности), ковкость, плотность (самый легкий металл – Li, самый тяжелый – Os), тепло – и электропроводность, которые уменьшаются в ряду Ag, Cu, Au, Al, W, Fe.

В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (T_кип > 1000 $^{\circ}$ С) и легкоплавкие (T_кип < 1000 $^{\circ}$ С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

Среди металлов присутствуют s-, p-, d- и f-элементы. Так, s- элементы – это металлы I и II групп Периодической системы (ns¹, ns²), р- элементы – металлы, расположенные в группах III – VI (ns²np^1-4). Металлы d-элементы имеют большее число валентных электронов по сравнению с металлами s- и p-элементами. Общая электронная конфигурация валентных электронов металлов d-элементов – (n-1)d^1-10ns². Начиная с 6 периода появляются металлы f-элементы, которые объединены в семейства по 14 элементов (за счет сходных химических свойств) и носят особые названия лантаноидов и актиноидов. Общая электронная конфигурация валентных электронов металлов f-элементов – (n-2)f^1-14(n-1)d^0-1ns².

Химические свойства металлов

Металлы способны реагировать с простыми веществами, такими как кислород (реакция горения), галогены, азот, сера, водород, фосфором и углеродом:

2Al + 3/2 O₂ = Al₂O₃ (оксид алюминия)

2Na + Cl₂ = 2NaCl (хлорид натрия)

6Li + N₂ = 2Li₃N (азид лития)

2Li+2C = Li₂C₂ (карбид лития)

2K +S = K₂S (сульфид калия)

2Na + H₂ = NaH (гидрид натрия)

3Ca + 2P = Ca₃P₂ (фосфид кальция)

Металлы взаимодействуют друг с другом, образуя интерметаллические соединения:

3Cu + Au = Cu₃Au

Щелочные и некоторые щелочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba) взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов:

Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂↑

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

В ОВР металлы являются восстановителями – отдают валентные электроны и превращаются в катионы. Восстановительная способность металла — его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов. Так, чем левее в ряду напряжений стоит металл, тем более сильные восстановительные свойства он проявляет.

Металлы, стоящие в ряду активности до водорода способны реагировать с кислотами:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3 H₂↑

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂↑

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

Получение металлов

Щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий получают электролизом расплавов солей или оксидов этих элементов:

2NaCl = 2Na + Cl₂↑

CaCl₂ = Ca + Cl₂↑

2Al₂O₃ = 4Al + 3O₂↑

Тяжелые металлы получают восстановлением из руд при высоких температурах и в присутствии катализатора (пирометаллургия) (1) или восстановлением из солей в растворе (гидрометаллургия) (2):

Cu₂O + C = 2Cu + CO (1)

CuSO₄ + Fe = Cu + FeSO₄ (2)

Некоторые металлы получают термическим разложением их неустойчивых соединений:

Ni(CO)₄ = Ni + 4CO

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При взаимодействии 6,0 г металла с водой выделилось 3,36 л водорода (н.у.). Определите этот металл, если он в своих соединениях двухвалентен.

Решение

Т.к. металл двухвалентен, его реакция с водой будет описываться уравнением, которое в общем виде будет выглядеть следующим образом:

Ме + 2Н₂О = Ме(ОН)₂ + Н₂↑

Согласно написанному выше уравнению, количества вещества металла и выделяющегося в ходе реакции водорода будут равны:

v(Ме) = v(Н₂) = 3,36/22,4 = 0,15 моль

Отсюда, найдем атомную массу металла:

A_r(Ме) = m/v = 6,0/0,15 = 40 г/моль

Следовательно, этот металл — кальций.

Ответ

Кальций

ПРИМЕР 2

Задание

При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

Решение

Медь не реагирует с соляной кислотой, поскольку стоит в ряду активности металлов после водорода, т.е. выделение водорода происходит только в результате взаимодействия кислоты с железом.

Запишем уравнение реакции:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂ ↑

Найдем количество вещества водорода:

v(H₂) = V(H₂) / V_m = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль

Согласно уравнению реакции:

v(H₂) = v(Fe) = 0,25 моль

Найдем массу железа:

m(Fe) = v(Fe) • M(Fe) = 0,25 • 56 = 14 г.

Рассчитаем массовые доли металлов в смеси:

ω_Fe = m_Fe/m_mixture = 14 / 20 = 0,7 = 70%

ω_Cu = 100 – 70 = 30%