Реферат з хімії.
Метали: будова атомів, положення у періодичній системі, фізичні та
хімічні властивості. Корозія, сплави, отримання металів
Зміст.
1. Будова атомів металів. Положення металів в періодичній системі. Групи
металів………………2
2. Фізичні властивості металів………………………………3
3. Хімічні властивості металів………………………………4
4. Корозія
металлов…………………………………………………6
5. Поняття про
сплавах………………………………………………….8
6. Способи отримання металів………………………………….9
7. Список використаної літератури………………………11
I. Будова атомів металів. Положення металів в періодичній системі.
Групи металів.
В даний час відомі 105 хімічних елементів, більшість з них – метали.
Останні вельми поширені в природі і зустрічаються у вигляді різних
з’єднань в надрах землі, водах річок, озер, морів, океанів, складі тіл
тваринних, рослин і навіть в атмосфері.
По своїх властивостях метали різко відрізняються від неметалів. Вперше
цю відмінність металів і неметалів визначив М. В. Ломоносов. «Метали, –
писав він, – тіла тверді, ковкі блискучі».
Зараховувавши той або інший елемент до розряду металів, ми маємо на
увазі наявність у нього певного комплексу властивостей:
1. Щільна кристалічна структура.
2. Характерний металевий блиск.
3. Висока теплопровідність і електрична провідність.
4. Зменшення електричної провідності із зростанням температури.
5. Низькі значення потенціалу іонізації, тобто здатність легко
віддавати електрони.
6. Ковка і тягуча.
7. Здібність до утворення сплавів.
Всі метали і сплави, вживані в даний час в техніці, можна розділити на
дві основні групи. До першої з них відносять чорні метали – залізо і всі
його сплави, в яких воно складає основну частину. Цими сплавами є чавуни
і стали. В техніці часто використовують так звані леговані сталі. До них
відносяться сталі, що містять хром, нікель, вольфрам, молібден, ванадій,
кобальт, титан і інші метали. Іноді в леговані сталі входять 5-6 різних
металів. Методом легування одержують різні цінні сталі, володіючі в
одних випадках підвищеною міцністю, в інших – високою опірністю до
стирання, в третіх – корозійною стійкістю, тобто здатністю не
руйнуватися під дією зовнішнього середовища.
До другої групи відносять кольорові метали і їх сплави. Вони отримали
таку назву тому що мають різне забарвлення. Наприклад, мідь
світло-червона, нікель, олово, срібло – білі, свинець –
голубувато-білий, золото -жовте. Із сплавів в практиці знайшли велике
застосування: бронза – сплав міді з оловом і іншими металами, латунь –
сплав міді з цинком, бабіт – сплав олова з сурмою і міддю і ін.
Цей розподіл на чорні і кольорові метали умовно.
Разом з чорними і кольоровими металами виділяють ще групу благородних
металів: срібло, золото, платину, рутеній і деякі інші. Вони названі так
тому що практично не окислюються на повітрі навіть при підвищеній
температурі і не руйнуються при дії на них розчинів кислот і лугів.
II. Фізичні властивості металів.
Із зовнішньої сторони метали, як відомо, характеризуються перш за все
особливим «металевим блиском», який обумовлюється їх здатністю сильно
відображати проміння світла. Проте цей блиск спостерігається звичайно
тільки у тому випадку, коли метал утворює суцільну компактну масу.
Правда, магній і алюміній зберігають свій блиск, навіть будучи
перетвореними на порошок, але більшість металів в мілкоподрібненому
вигляді має чорний або темно-сірий колір. Потім типові метали володіють
високими тепло- і електропровідністю, причому по здатності проводити
тепло і струм розташовуються в одному і тому ж порядку: кращі провідники
– срібло і мідь, гірша – свинець і ртуть. З підвищенням температури
електропровідність падає, при пониженні температури, навпаки,
збільшується.
Дуже важливою властивістю металів є їх порівняно легка механічна
деформується. Метали пластичні, вони добре куються, витягуються в дріт,
прокочуються в листи і т.п.
Характерні фізичні властивості металів знаходяться у зв’язку з
особливостями їх внутрішньої структури. Згідно сучасним переконанням,
кристали металів складаються з позитивно заряджених іонів і вільних
електронів, що відщепилися від відповідних атомів. Весь кристал можна
собі представити у вигляді просторових грат, вузли яких зайняті іонами,
а в проміжках між іонами знаходяться легкорухомі електрони. Ці електрони
постійно переходять від одних атомів до інших і обертаються навкруги
ядра то одного, то іншого атома. Оскільки електрони не пов’язані з
певними іонами, то вже під впливом невеликої різниці потенціалів вони
починають переміщатися в певному напрямі, тобто виникає електричний
струм.
Наявністю вільних електронів обумовлюється і висока теплопровідність
металів. Знаходячись в безперервному русі, електрони постійно стикаються
з іонами і обмінюються з ними енергією. Тому коливання іонів, що
посилилися в даній частині металу унаслідок нагрівання, зараз же
передаються сусіднім іонам, від них – наступним і т.д., і тепловий стан
металу швидко вирівнюється; вся маса металу приймає однакову
температуру.
По густині метали умовно підрозділяються на дві великі групи: легкі
метали, густина яких не більше 5 г/см3, і важкі метали – всі інші.
Густина, а також температури плавлення деяких металів приведені в
таблиці №1.
Таблиця №1
Густина і температура плавлення деяких металів.
Назва Атомна вага Густина
г/см3 Температура плавлення, З
Легкі 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 знаходяться в твердому і рідкому стані, зв’язані
особливим типом хімічного зв’язку – так званим металевим зв’язком. Вона
визначається одночасною наявністю звичайних ковалентних зв’язків між
нейтральними атомами і кулонівським тяжінням між іонами і вільними
електронами. Таким чином, металевий зв’язок є властивістю не окремих
частинок, а їх агрегатів.
III. Хімічні властивості металів.
Основною хімічною властивістю металів є здатність їх атомів легко
віддавати свої валентні електрони і переходити в позитивно заряджені
іони. Типові метали ніколи не приєднують електронів; їх іони завжди
заряджені позитивно.
Легко віддаючи при хімічних реакціях свої валентні електрони, типові
метали є енергійними відновниками.
Здібність до віддачі електронів виявляється у окремих металів далеко не
однаковою мірою. Чим легше метал віддає свої електрони, тим він
активніше, тим енергійно вступає у взаємодію з іншими речовинами.
Опустимо шматочок цинку в розчин якої-небудь свинцевої солі. Цинк
починає розчинятися, а з розчину виділяється свинець. Реакція
виражається рівнянням:
Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2
З рівняння виходить, що ця реакція є типовою реакцією
окислення-відновлення. Єство її зводиться до того, що атоми цинку
віддають свої валентні електрони іонам двовалентного свинцю, тим самим
перетворюючись на іони цинку, а іони свинцю відновлюються і виділяються
у вигляді металевого свинцю. Якщо поступити навпаки, тобто занурити
шматочок свинцю в розчин цинкової солі, то ніякої реакції не
відбудеться. Це показує, що цинк більш активний, ніж свинець, що його
атоми легше віддають, а іони важче приєднують електрони, ніж атоми і
іони свинцю.
Витіснення одних металів з їх з’єднань іншими металами вперше було
детально вивчено російським вченим Бекетовим, що розташував метали по їх
убуваючій хімічній активності в так званий «витискаючий ряд». В даний
час витискаючий ряд Бекетова носить назву ряду напруг.
В таблиці №2 представлені значення стандартних електродних потенціалів
деяких металів. Символом Me+/Me позначений метал Me, занурений в розчин
його солі. Стандартні потенціали електродів, виступаючих як відновники
по відношенню до водню, мають знак «-», а знаком «+» відзначені
стандартні потенціали електродів, що є окислювачами.
Таблиця №2
Стандартні електродні 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+/1/2H2 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, розташовані в порядку зростання їх стандартних електродних
потенціалів, і утворюють електрохімічний ряд напруг металів: Li, Rb, До,
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 металів:
1. Чим менше електродний потенціал металу, тим більше його відновна
здатність.
2. Кожний метал здатний витісняти(відновлювати) з розчинів солей ті
метали, які стоять у ряді напруг після нього.
3. Всі метали, що мають негативний стандартний електродний потенціал,
тобто що знаходяться у ряді напруг ліво водню, здатні витісняти його з
розчинів кислот.
Необхідно відзначити, що представлений ряд характеризує поведінку
металів і їх солей тільки у водних розчинах і при кімнатній температурі.
Крім того, потрібно мати зважаючи на, що висока електрохімічна
активність металів не завжди означає його високу хімічну активність.
Наприклад, ряд напруг починається літієм, тоді як більш активні в
хімічному відношенні рубідій і калій знаходяться правіше за літій. Це
пов’язано з виключно високою енергією процесу гідратації іонів літію в
порівнянні з іонами інших лужних металів.
IV. Корозія металів.
Майже всі метали, приходивши в зіткнення з оточуючою їх газоподібним
або рідким середовищем, більш менш швидко піддаються з поверхні
руйнуванню. Причиною його є хімічна взаємодія металів з що знаходяться в
повітрі газами, а також водою і розчиненими в ній речовинами.
*
2
8
I
O
U
v~„?
”
–
,
2
I
O
?
”
????
L
MJPPPiPoP?QOQTHQ S.WVW`WZA>*j*r*oe0efoho*u,u.ui
???????
?середовища називають корозією.
Простіше за все протікає корозія при зіткненні металів з газами. На
поверхні металу утворюються відповідні з’єднання: оксиди, сірчисті
з’єднання, основні солі вугільної кислоти, які нерідко покривають
поверхню щільним шаром, що захищає метал від подальшої дії тих же газів.
Інакше йде справа при зіткненні металу з рідким середовищем – водою і
розчиненими в ній речовинами. Що утворюються при цьому з’єднання можуть
розчинятися, завдяки чому корозія розповсюджується далі углиб металу.
Крім того, вода, що містить розчинені речовини, є провідником
електричного струму, унаслідок чого постійно виникають електрохімічні
процеси, які є одним з головних чинників, спричиняючих і прискорюючих
корозію.
Чисті метали в більшості випадків майже не піддаються корозії. Навіть
такий метал, як залізо, в абсолютно чистому вигляді майже не іржавіє.
Але звичайні технічні метали завжди містять різні домішки, що створює
сприятливі умови для корозії.
Збитки, заподіювані корозією металів, величезні. Обчислено, наприклад,
що унаслідок корозії щорічно гине така кількість сталі, яка рівно
приблизно четверті всієї світової здобичі його за рік. Тому вивченню
процесів корозії і відшуканню якнайкращих засобів її запобігання
надається дуже багато уваги.
Способи боротьби з корозією надзвичайно різноманітні. Найпростіший з
них полягає в захисті поверхні металу від безпосереднього зіткнення з
навколишнім середовищем шляхом покриття масляною фарбою, ласий, емаллю
або, нарешті, тонким шаром іншого металу. Особливий інтерес з
теоретичної точки зору представляє покриття одного металу іншим.
До них відносяться: катодне покриття, коли захищаючий метал стоїть у
ряді напруг правіше за захищаючий (типовим прикладом може служити
луджена, тобто покрита оловом, сталь); анодне покриття, наприклад,
покриття сталі цинком.
Для захисту від корозії доцільно покривати поверхню металу шаром більш
активного металу, ніж шаром менш активного. Проте інші міркування
нерідко примушують застосовувати також покриття з менш активних металів.
На практиці частіше за все доводиться вживати заходів до захисту сталі
як металу, особливо схильного корозії. Окрім цинку, з більш активних
металів для цієї мети іноді застосовують кадмій, діючий подібно цинку. З
менш активних металів для покриття сталі частіше за все використовують
олово, мідь, нікель.
Покриті нікелем сталеві вироби мають красивий вигляд, ніж пояснюється
широке розповсюдження нікелювання. При пошкодженні шару нікелю корозія
проходить менш інтенсивно, ніж при пошкодженні шару міді (або олово),
оскільки різниця потенціалів для пари нікель-залізо набагато менше, ніж
для пари мідь-залізо.
З інших способів боротьби з корозією існує ще спосіб протекторів, що
полягає в тому, що металевий об’єкт, що захищається, приводиться в
контакт з великою поверхнею більш активного металу. Так, в парові казани
вводять листи цинку, що знаходяться у контакті із стінками казана і
створюючі з ними гальванічну пару.
V. Поняття про сплави.
Характерною особливістю металів є їх здатність утворювати один з одним
або з неметалами сплави. Щоб отримати сплав, суміш металів звичайно
піддають плавленню, а потім охолоджують з різною швидкістю, яка
визначається природою компонентів і зміною характеру їх взаємодії
залежно від температури. Іноді сплави одержують спіканням тонких
порошків металів, не вдаючись до плавлення (порошкова металургія). Отже
сплави – це продукти хімічної взаємодії металів.
Кристалічна структура сплавів багато в чому подібна чистим металам, які,
взаємодіючи один з одним при плавленні і подальшій кристалізації,
утворюють: а) хімічні з’єднання, звані інтерметалідами; б) тверді
розчини; в) механічну суміш кристалів компонентів.
Той або інший тип взаємодії визначається співвідношенням енергії
взаємодії різнорідних і однорідних частинок системи, тобто
співвідношенням енергій взаємодії атомів в чистих металах і сплавах.
Сучасна техніка використовує величезне число сплавів, причому в
переважній більшості випадків вони складаються не з двох, а з трьох,
чотирьох і більшого числа металів. Цікаво, що властивості сплавів часто
різко відрізняються від властивостей індивідуальних металів, якими вони
утворені. Так, сплав, що містить 50% вісмуту, 25% свинцю, 12,5% олово і
12,5% кадмії, 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% мідь і 10% олово)
втричі більше, ніж у чистої міді, а коефіцієнт лінійного розширення
сплавів заліза і нікелю в 10 разів менше ніж у чистих компонентів.
Проте деякі домішки погіршують якість металів і сплавів. Відомо,
наприклад, що чавун (сплав заліза і вуглецю) не володіє тією міцністю і
твердістю, які характерні для сталі. Крім вуглецю, на властивості сталі
впливають добавки сірки і фосфору, що збільшують її крихкість.
Серед властивостей сплавів найважливішою для практичного застосування є
жароміцність, корозійна стійкість, механічна міцність і ін. Для авіації
велике значення мають легкі сплави на основі магнію, титана або
алюмінію, для металообробної промисловості – спеціальні сплави, що
містять вольфрам, кобальт, нікель. В електронній техніці застосовують
сплави, основним компонентом яких є мідь. Надпотужні магніти вдалося
отримати, використовуючи продукти взаємодії кобальту, самарія і інших
рідкоземельних елементів, а надпровідні при низьких температурах сплави
– на основі інтерметалідів, утворюваних ніобієм з оловом і ін.
VI. Способи отримання металів.
Величезна більшість металів знаходиться в природі у вигляді з’єднань з
іншими елементами.
Тільки небагато металів зустрічаються у вільному стані, і тоді вони
називаються саморідними. Золото і платина зустрічаються майже виключно в
саморідному вигляді, срібло і мідь – частково в саморідному вигляді;
іноді попадаються також саморідні ртуть, олово і деякі інші метали.
Добування золота і платини проводиться або за допомогою механічного
відділення їх від тієї породи, в якій вони укладені, наприклад промивкою
води, або шляхом витягання їх з породи різними реагентами з подальшим
виділенням металу з розчину. Вся решта металів здобувається хімічною
переробкою їх природних з’єднань.
Мінерали і гірські породи, з’єднання металів, що містять, і придатні
для отримання цих металів заводським шляхом, носять назву руд. Головними
рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металів.
Найважливіший спосіб отримання металів з руд заснований на відновленні
їх оксидів вугіллям.
Якщо, наприклад, змішати червону мідну руду (куприт) Cu2O з вугіллям і
піддати сильному розжарюванню, то вугілля, відновлюючи мідь,
перетвориться на оксид вуглецю(II), а мідь виділиться в розплавленому
стані:
Cu2O + З = 2Cu + CO
Подібним же чином проводиться виплавка чавуну їх залізняку, отримання
олова з олов’яного каменя SnO2 і відновлення інших металів з оксидів.
При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті з’єднання в
кисневі шляхом обпалення в особливих печах, а потім вже відновлюють
отримані оксиди вугіллям. Наприклад:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
ZnO + З = Zn + CO
В тих випадках, коли руда є сіллю вугільної кислоти, її можна
безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, оскільки при
нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю.
Наприклад:
ZnCO3 = ZnO + CO2
Звичайно руді, окрім хімічного з’єднання даного металу, містять ще
багато домішок у вигляді піску, глини, вапняку, які дуже важко
плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руди домішують різні
речовини, створюючі з домішками легкоплавкі з’єднання – шлаки. Такі
речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як
флюс вживають пісок, створюючий з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у
разі великої кількості піску флюсом служить вапняк.
В багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) така велика, що
безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідною. Такі
руди заздалегідь «збагатять», тобто видаляють з них частину домішок.
Особливо широким розповсюдженням користується флотаційний спосіб
збагачення руд (флотація), заснований на різній змочуваності чистої руди
і порожньої породи.
Техніка флотаційного способу дуже проста і в основному зводиться до
наступного. Руду, що полягає, наприклад, з сірчистого металу і
силікатної порожньої породи, тонко подрібнюють і заливають у великих
чанах водою. До води додають яку-небудь малополярну органічну речовину,
сприяючу утворенню стійкої піни при збовтуванні води, і невелика
кількість спеціального реагенту, так званого «колектора», який добре
адсорбується поверхнею мінералу, що флотує, і робить її нездатною
змочуватися водою. Після цього через суміш знизу пропускають сильний
струмінь повітря, перемішуючу руду з водою і доданими речовинами,
причому пухирці повітря оточуються тонкими масляними плівками і
утворюють піну. В процесі перемішування частинки мінералу, що флотує,
покриваються шаром адсорбованих молекул колектора, прилипають до
пухирців повітря, що продувається, підіймаються разом з ними догори і
залишаються в піні; частинки ж порожньої породи, що змочуються водою,
осідають на дно. Піну збирають і віджимають, одержуючи руду із значно
великим змістом металу.
Для відновлення деяких металів з їх оксидів застосовують замість
вугілля водень, кремній, алюміній, магній і інші елементи.
Процес відновлення металу з його оксиду за допомогою іншого металу
називається металотермією. Якщо, зокрема, як відновник застосовується
алюміній, то процес носить назву алюмінотермії.
Дуже важливим способом отримання металів є також електроліз. Деякі
найактивніші метали виходять виключно шляхом електролізу, оскільки всі
інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їх
іонів.
Список використаної літератури.
1. «Основи загальної хімії». Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлін. Москва «Освіта»
1980 р.
2. «Загальна хімія». Н.Л.Глінка. Видавництво «Хімія», Ленінградське
відділення 1972 р.
3. «Чому і як руйнуються метали». С.А.Балезін. Москва «Освіта» 1976 р.
4. «Посібник з хімії для вступаючих до вузів». Г.П.Хомченко. 1976 р.
5. «Книга для читання по неорганічній хімії».
Частина 2. Укладач В.А.Кріцман. Москва «Освіта» 1984 р.
6. «Хімія і науково-технічний прогрес». І.Н.Семенов, А.С.Максимов,
А.А.Макареня. Москва «Освіта» 1988г.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
