Сайт преподавателя химии и биологии Коноваловой Лидии

 

План лекции

1.    Положение металлов в периодической системе.

2.    Особенности электронного строения их атомов.

3.    Металлическая  химическая связь.

4.    Физические   свойства металлов

5.    Химические свойства металлов.

6.    Способы получения металлов.

 

1.     Особенности электронного строения металлов.

      Металлы - это химические элементы, атомы которых отдают электроны внешнего (а иногда предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы. Металлы – восстановители Ме⁰ – nе = Меⁿ⁺. Это обусловлено небольшим числом электронов внешнего слоя (в основном 1 - 3), большим радиусом атомов,  вследствие чего эти электроны слабо удерживаются с ядром.

2.    Положение металлов в ПСХЭ.

Легко увидеть, что большинство элементов ПСХЭ – металлы (92 из 114).

      Металлы  размещены в левом нижнем углу ПСХЭ. Это все элементы, расположенные ниже диагонали В – Аt, даже те у которых на внешнем слое 4 электрона ( Je, Sn, Pb), 5 электронов ( Sb, Di), 6 электронов ( Po), так как они отличаются большим радиусом. Среди них есть s и p-элементы – металлы главных подгрупп, а также d и f металлы, образующие побочные подгруппы.

В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе, различают переходные (элементы побочных подгрупп) и непереходные металлы (элементы главных подгрупп). Металлы главных подгрупп характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение электронных s- и р-подуровней. В атомах металлов побочных подгрупп происходит достраивание d- и f-подуровней. 

Закономерности в изменении свойств элементов – металлов.

        

Признаки сравнения	В главной подгруппе	В периоде
Число электронов на внешнем слое	не изменяется	увеличивается
Радиус атома	увеличивается	уменьшается
Электроотрицательность	уменьшается	увеличивается
Восстановительные свойства	усиливаются	уменьшаются
Металлические свойства	усиливаются	уменьшаются

    У элементов – металлов побочных подгрупп свойства чуть-чуть другие.

В побочных подгруппах (Cu, Ag, Au) – активность элементов – металлов падает. Эта закономерность наблюдается и у элементов второй побочной подгруппы Zn, Cd, Hg.          У элементов побочных подгрупп – это элементы 4-7 периодов – с увеличением порядкового элемента радиус атомов изменятся мало, а величина заряда ядра увеличивается значительно, поэтому прочность связи валентных электронов с ядром усиливается, восстановительные свойства ослабевают.

 

3.    Металлическая химическая связь. Кристаллические решетки.

     Связь в металлах между («атом-ионами» ) посредством (большого количества не связанных с ядрами подвижных электронов) называется  (металлической связью).

Все металлы являются кристаллическими телами, имею­щими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ). Такой тип структуры называется металлической связью.   

    Тип ре­шетки определяется формой элементарного геометриче­ского тела, многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку данного кристал­лического тела.

 

 Обобщим сведения о типе химической связи, образуемой атомами металлов и строение кристаллической решетки:

        -  сравнительно небольшое количество электронов одновременно связывают множество ядер, связь делаколизована;

       -  валентные электроны свободно перемещаются по всему куску металла, который в целом электронейтрален;

      -  металлическая связь не обладает направляемостью и насыщенностью.

 

4.    Физические свойства металлов

     В соответствие именно с таким строением металлы характеризуются общими физическими свойствами.      

        а)  твердость – все металлы кроме ртути, при обычных условиях твердые вещества. Самые мягкие – натрий, калий. Их можно резать ножом; самый твердый хром – царапает стекло.

       б)  плотность. Металлы делятся на мягкие (5г/см³) и тяжелые (меньше 5г/см³).

       в)  плавкость. Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

       г) электропроводность, теплопроводность металлов обусловлена их строением. Хаотически движущиеся электроны под действием электрического напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает электрический ток.

      При повышении температуры амплитуда движения атомов и ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки резко возрастает, и  это мешает движению электронов,  и электропроводность металлов падает.

           д) металлический блеск – электроны, заполняющие межатомное пространство отражают световые лучи, а не пропускают как стекло. Поэтому все металлы в кристаллическом состоянии имеют металлический блеск. Для большинства металлов в ровной степени рассеиваются все лучи видимой части спектра, поэтому они имеют серебристо-белый цвет. Только золото и медь в большой степени поглощают короткие волны и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют желтый цвет. Самые блестящие металлы – ртуть, серебро, палладий. В порошке все металлы, кроме Al и Mg, теряют блеск и имеют черный или темно-серый цвет.

 е)    пластичность. Механическое воздействие на кристалл с металлической решеткой вызывает только смещение слоев атомов и не сопровождается разрывом связи, и поэтому металл характеризуется высокой пластичностью.

     Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и др. способны по достижении определенных температур изменять кристаллическое строение. Это явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.

 

5.   
 Химические свойства металлов

 Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов: чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.

А) Взаимодействие с неметаллами (в названиях полученных веществ окончание

 -иды)

2Mg⁰+O₂⁰—>2Mg²⁺O^2- (оксид магния)                                                    

Fe⁰+S⁰—>Fe²⁺S^2- (сульфид железа II)

Б) Взаимодействие с водой. Самые активные металлы реагируют с водой при обычных условиях, и в результате этих реакций образуются растворимые в воде основания и выделяется водород

2Na + 2HOH = 2NaOH + H2 

2Li⁰+2H₂⁺O^2– —> 2Li⁺O^2-H⁺ + H₂⁰

Менее активные металлы реагируют с водой при повышенной температуре с выделением водорода и образованием оксида соответствующего металла                               Zn + H₂O = ZnO +H₂

В) Взаимодействие с растворами кислот. Происходит при соблюдении ряда условий

·       Металл должен находиться левее в ряду напряжений металлов;

·       В результате реакции должна образовываться растворимая соль, иначе металл покроется осадком и доступ кислоты к металлу прекратиться;

·       Для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они взаимодействуют с водой в растворе кислоты;

·       По особому взаимодействуют с металлами концентрированные азотная и серная кислоты;

2H⁺Cl^– +Zn0  → Zn²⁺Cl₂^- +H₂0

Г) Взаимодействие с растворами солей.  При этом соблюдаются следующие условия

·       Металл должен находиться в ряду напряжений левее металла, образующего соль;

·       В результате реакции должна образовываться растворимая соль, иначе металл покроется осадком и доступ кислоты к металлу прекратиться;

·       Для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они взаимодействуют с водой в растворе соли;

Fe⁰+Cu²⁺Cl₂^– →Fe²⁺Cl₂^– +Cu⁰

Д) Взаимодействие со щелочами (только амфотерные)

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂

Магний и щелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.

Е) Взаимодействие с оксидами металлов (металлотермия).

Некоторые активные металлы способны вытеснять другие металлы из их оксидов при поджигании смеси.

2Al⁰ + Fe₂O₃ = Al₂O₃ +2Fe⁰

Ж) Коррозия (будет рассмотрена на другом занятии).

6.   Способы получения металлов

Существуют несколько основных способов получения — металлов.
 а) Пирометаллургия – это получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей (C, CO, H₂, Al, Mg и др.).

— из их оксидов углем или оксидом углерода (II)
ZnО + С = Zn + СО
Fе₂О₃ + ЗСО = 2Fе + ЗСО₂
— водородом
WO₃ + 3H₂ =W + 3H₂O
СоО + Н₂ = Со + Н₂О
— алюминотермия
4Аl + ЗМnО₂ = 2А1₂О₃ + ЗМn

б) Гидрометаллургия – это получение металлов, которое состоит из двух процессов: сначала природное соединение металла (оксид) растворяют в кислоте, в результате чего получают соль металла. Затем из полученного раствора необходимый металл вытесняют более активным металлом. Например:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O,

CuSO₄ + Zn = ZnSO₄ + Cu.

 Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов (например, углем):
2ZnS + ЗО₂ = 2ZnО + 2SО₂
ZnО + С = СО + Zn

в) Электрометаллургия – это получение металлов при электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя при этом играет электрический ток.

СuСl₂ → Сu²+ 2Сl^-
Катод (восстановление): Сu²⁺ - 2е^- = Сu⁰                   

Анод (окисление): 2Cl^- - 2е^- = Сl°₂

 

Контрольные вопросы

1.  Где расположены металлы в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?

2. Каковы особенности строения атомов металлов?
3. В чём различие в строении внешнего энергетического уровня у металлов и неметаллов?
4. Сколько наружных электронов имеют атомы металлов главных и побочных подгрупп?
5. В каких формах могут находиться металлы в природе?
6.  Как устроена кристаллическая решетка металлов?
7. Каковы физические свойства металлов?

8. Как можно получить металлы из их соединений?
9. Как ведут себя атомы металлов в химических реакциях и почему?
10. Какие свойства – окислителей или восстановителей – проявляют металлы в химических реакциях?
11. Расскажите об электрохимическом ряде напряжений металлов.
12. Перечислите реакции, в которые могут вступать металлы.
13. Каково значение металлов в жизни человека?