Общий обзор металлов

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • положение металлов в периодической системе;
• • биологическую роль и применение металлов в медицине;

уметь

• • охарактеризовать особенности строения атомов металлических элементов;
• • описывать природу металлической связи и ее отличия от обычной ковалентной или ионной связи;
• • объяснять особенности кристаллической структуры металлов;
• • составлять уравнения реакций, характеризующих химические свойства металлов;
• • описывать важнейшие способы получения металлов, реакции обнаружения катинов металлов;

владеть

• навыками интерпретации важнейших свойств металлов в соответствии с их положением в периодической системе.

Положение в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и общие свойства металлов.

Более 80% известных химических элементов являются металлами, и в соответствии со строением электронных оболочек к ним относятся 5-элементы 1-й и 2-й групп, все элементы d- и/-семейств, p-элементы 13-й группы (кроме бора), а также олово и свинец (14-я группа), висмут (15-я группа) и полоний (17-я группа). Металлы в большинстве своем имеют на внешнем энергетическом уровне 1—2 электрона. Этим объясняется их слабая по сравнению с неметаллами электроотрицательность.

Элементы-металлы, относящиеся к 5-семейству, составляют 1-ю и 2-ю группы, а принадлежащие к ^/-семейству — 3—12-ю группы. У атомов d-элементов внутри периодов слева направо происходит заполнение^{-подуровней} предвнешиего уровня.

Металлы, в атомах которых происходит заполнение /-подуровней третьего от конца уровня, образуют семейства лантаноидов и актиноидов, каждое из которых содержит по 14 элементов.

Физические свойства. Металлы имеют кристаллическую структуру, и для них характерны три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная, гексагональная и кубическая объемно-центрированная.

Электрическая проводимость, которая является важнейшей физической характеристикой металлического состояния, осуществляется этими электронами. По этой причине металлы относятся к проводникам I рода, т. е. к веществам, в межатомном пространстве которых всегда есть свободные электроны, и благодаря последним создается ток в проводнике. Проводники II рода — это электролиты.

Если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, то свободные электроны приобретают направленное движение и перемещаются от отрицательного полюса к положительному, т. е. создается направленный поток движущихся электронов — электрический ток.

Электрическая проводимость металлов сильно зависит от температуры. С повышением температуры колебательные движения ионов в узлах решетки усиливаются, а это, в свою очередь, очень препятствует направленному движению электронов. С понижением температуры тепловые колебания ионов в узлах сильно уменьшаются и электрическая проводимость увеличивается. При температурах, близких к абсолютному нулю, у большинства металлов проявляется сверхпроводимость.

Теплопроводимость металлов также связана с подвижностью свободных электронов и колебательным движением самих атомов. Эти колебания распространяются в виде системы упругих тепловых волн, но всей кристаллической решетке. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися атомами и обмениваются с ними энергией. Поэтому при нагревании металла тепловая энергия незамедлительно передается от одних атомов к другим благодаря свободным электронам. При этом сравнительно быстро происходит выравнивание температуры по всей массе металла.

Все металлы, за исключением ртути, являются твердыми веществами. Ртуть — единственный металл, жидкий при обыкновенных условиях: температура плавления равна -39°С. Большинство металлов имеет цвет от темно-серого до серебристо-белого. В промышленности существует разделение металлов на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и все его сплавы, а остальные металлы — к цветным. Иногда особо выделяют благородные металлы — золото и платиновые металлы.

По плотности металлы делят на легкие и тяжелые. К первым относят такие, у которых плотность меньше 5 г/см³; ко вторым — у которых плотность больше 5 г/см³.

По значениям температур плавления металлы делят па легкоплавкие (температура плавления меньше 1000°С) и тугоплавкие (температура плавления больше 1500°С). К числу главных механических свойств относятся: упругость — свойство восстанавливать свою первоначальную форму после снятия деформирующих сил; пластичность — состояние металла, в котором он способен сохранять изменение формы, вызванное воздействием деформирующих сил после того, как их действие прекращено.

Химические свойства. Свойства металлов обусловлены характерным строением их внешних электронных оболочек.

Как уже указывалось, в пределах периода с увеличением заряда ядра радиусы атомов при одинаковом числе электронных оболочек уменьшаются. В каждом периоде наибольшими радиусами обладают атомы щелочных металлов. Чем меньше радиус атома, тем больше энергия ионизации, а чем больше радиус атома, тем эта энергия меньше. Поскольку атомы щелочных металлов обладают наибольшими радиусами атомов, то для них характерны в целом сравнительно низкие значения энергии ионизации и сродства к электрону.

Свободные металлы проявляют исключительно восстановительные свойства.

Металлы образуют оксиды М_хО_у, например:

С галогенами металлы образуют галогениды, которые являются солями соответствующих галогеноводородных кислот:

Металлы способны присоединить водород, образуя гидриды. Реакция обычно протекает при температуре 350—400°С:

Характерны реакции металлов, стоящих в ряду активности металлов до водорода, с кислотами. Если металл взаимодействует с кислотой, анион которой не является окислителем, то функции окислителя выполняет протон кислоты:

Некоторые металлы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды, вступают в реакцию и со щелочами:

Металлы взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами (подробно см. соответствующие главы).

При взаимодействии с водными растворами солей нейтральный атом более активного металла, окисляясь, восстанавливает ион металла из молекулы соли:

Реакции протекают в соответствии с положением металлов в электрохимическом ряду напряжений.

Активные металлы взаимодействуют с водой:

Получение. Большинство металлов в природе встречается в виде соединений, и лишь немногие из них (благородные и полублагородные) — в самородном состоянии.

Природные материалы и горные породы, которые содержат соединения металлов, называют рудами. Все способы получения металлов из руд основаны на реакциях восстановления. Восстановление безводных соединений металлов при высоких температурах называется пирометаллургическим процессом. В качестве восстановителей используют либо металлы (металлотермия), либо углерод (карботермия).

Частным случаем металлотермии является алюминотермия:

Металлотермией обычно пользуются для получения тугоплавких металлов, таких как титан, молибден, хром, вольфрам и др.:

В основе карботермии лежит термическое восстановление металла из его оксида углеродом (или СО):

Восстановление металлов из их оксидов может быть проведено и с помощью водорода:

Из водных растворов солей металлы могут быть восстановлены электролизом. Катодное восстановление металлов из растворов или расплавов солей называется электрометаллургическим процессом.

Некоторые методы получения будут рассмотрены более подробно при изучении конкретных представителей металлов.

Сплавы. Характерной особенностью металлов является их способность смешиваться друг с другом в расплавленном состоянии и образовывать гомогенные смеси. Они остаются гомогенными и после охлаждения. Системы, образующиеся при затвердении расплавленной смеси металлов, называются сплавами. В более широком смысле сплавы можно рассматривать как макроскопически однородные системы, состоящие из двух или нескольких металлов (реже — металлов и неметаллов). Строение сплавов может быть различным. Составные части сплавов могут образовать твердый раствор, либо макрооднородную механическую смесь, либо химическое соединение (интерметаллические соединения). Образование того или иного типа сплава зависит от активности металлов. Системы в виде твердых растворов образуются между металлами одной и той же группы или же металлами, у которых близки радиусы атомов.

Химическая связь в сплавах металлическая, благодаря чему они обладают электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском (это блеск металлов, например блестят золото, сталь и др.) и т. д.

При взаимодействии металлов друг с другом образующиеся соединения по свойствам отличаются от свойств составных компонентов. Формульный состав интерметаллических соединений не всегда удовлетворяет классическим представлениям о валентности элементов.

Так, ртуть соединяется со многими металлами с образованием твердых или жидких композиций — сплавов, называемых амальгамами. Щелочные и щелочно-земельные металлы образуют устойчивые амальгамы, представляющие собой твердые вещества состава NaHg₉, KHg₂, Callg и т. д.

Сплавы, как правило, имеют температуру плавления более низкую, чем температура плавления входящих в их состав металлов. Твердость сплавов намного выше твердости отдельных металлов. Коррозионная стойкость многих сплавов выше, чем индивидуальных металлов.