Repetitor_po_Khimii

(см. § 3.9). Имеющиеся между узлами кристаллической решетки свободные электроны могут переносить теплоту и электрический ток, что является причиной главных физических свойств металлов — высокой электро- и теплопроводности.

Физические свойства металлов

1.Все металлы — твердые вещества (исключение — ртуть).

2.Для всех металлов характерны металлический блеск и непрозрачность.

3.Все металлы — проводники теплоты и электрического тока. Металлы, характеризующиеся высокой электрической проводимостью, обладают и высокой теплопроводностью.

4.Важными свойствами металлов являются их пластичность, упругость, прочность. Они способны под давлением изменять свою форму, не разрушаясь.

По степени твердости металлы значительно отличаются друг от друга. Так, калий, натрий — мягкие металлы (их можно резать ножом); хром — самый твердый металл (царапает стекло).

Температуры плавления и плотности металлов также изменяются в широких пределах. Самый легкоплавкий металл — ртуть (t °пл = 38,9 °С), самый тугоплавкий — вольфрам (t°пл = 3380 °С). Плотность лития — 0,59 г/см3, осмия — 22,48 г/см3.

Металлы отличаются своим отношением к магнитным полям и делятся на три группы:

—ферромагнитные металлы способны намагничиваться под действием слабых магнитных полей (железо, кобальт, никель, гадолиний);

—парамагнитные металлы проявляют слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром, титан, почти все лантаноиды);

—диамагнитные металлы не притягиваются к магниту, даже слегка отталкиваются от него (олово, медь, висмут).

300

Химические свойства металлов

Как уже было сказано, атомы металлов более или менее легко отдают электроны, т. е. окисляются:

Ме0 – nе# Меn+ (или: Ме0 Меn+ + nе#).

Энергия, которая необходима для отрыва электрона от

атома и превращения его в положительно заряженный ион, называется энергией ионизации. Металлы характеризуются

небольшими величинами энергий ионизации.

Атомы металлов не могут присоединять электроны. По-

этому металлы во всех химических реакциях являются восстановителями и в соединениях имеют только положитель-

ные степени окисления. Восстановительная активность различных металлов неодинакова. В периодах слева направо восстановительная активность металлов уменьшается; в главных подгруппах сверху вниз — увеличивается. Восстановительная активность металлов в химических реакциях, кото-

рые протекают в водных растворах различных веществ, характеризуется положением металлов в электрохимическом

ряду напряжений металлов.

Металлы являются восстановителями и вступают в химические реакции с различными окислителями.

1.Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами:

а) с галогенами металлы образуют соли — галогениды, на-

пример:

б) с кислородом металлы образуют оксиды, например:

в) с серой металлы образуют соли — сульфиды, например:

г) с водородом самые активные металлы образуют гидриды, например:

301

д) с углеродом многие металлы образуют карбиды, например:

t°

2карбид кальция.

2.Взаимодействие со сложными веществами:

а) металлы, находящиеся в начале ряда напряжений (от Li до Na), при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют щелочи, например:

2Na + 2Н2О = 2NaOH + H2 ;

б) металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода, взаимодействуют с разбавленными кислотами (НСl, H2SO4 и др.), в результате чего образуются соли и выделяется водород, например:

2Аl + 6НСl = 2АlСl3 + 3H2 ;

в) металлы взаимодействуют с растворами солей менее активных металлов, в результате чего образуется соль

более активного металла, а менее активный металл выделяется в свободном виде, например:

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu

Характер оксидов и гидроксидов металлов

Наиболее активные металлы образуют оксиды, которые являются типичными основными оксидами, например: Na2O,

СаО, ВаО и др. Гидраты этих оксидов (гидроксиды) являются сильными основаниями (щелочами), например: NaOH,

Са(ОН)2, Ва(ОН)2 и др.

Оксиды и гидроксиды некоторых металлов (Zn, Al и др.) являются амфотерными.

Металлы, имеющие переменную степень окисления, образуют несколько оксидов и гидроксидов, характер которых зависит от степени окисления металла.

Общие способы получения металлов

Большинство металлов встречаются в природе в виде различных соединений (оксиды, сульфиды, сульфаты, хлориды,

302

карбонаты, фосфаты, нитраты и др.). Только наименее активные металлы встречаются в природе и в свободном виде (самородные металлы): Au, Pt, Ag, Hg и др.

Получение металлов из их соединений — это задача металлургии.

Любой металлургический процесс является процессом восстановления ионов металла с помощью различных вос-

становителей, в результате которого получаются металлы

всвободном виде.

Взависимости от способа проведения металлургического процесса различают пирометаллургию, гидрометаллургию

и электрометаллургию.

Пирометаллургия — это получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей: углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов (алюминия, магния) и др. Например:

t°

FeO + С = Fe + CO

t°

Fe3O4 + 4СО = 3Fe + 4СО2 t°

WO3 + 3H2 = W + 3H3О t°

Cr2O3 + 2Al = Аl2О3 + 2Cr t°

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

Гидрометаллургия — это способ получения металлов, который состоит из двух процессов: 1) природное соединение металла (обычно оксид) растворяется в кислоте, в результате чего получается раствор соли металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняется более активным металлом. Например:

1)CuO + H2SO4 = CuSO4 + Н2О

2)CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

Электрометаллургия — это получение металлов при электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя в процессе электролиза играет электрический ток.

303

Коррозия металлов

• Коррозия — это самопроизвольный процесс разрушения металлов при взаимодействии их с окружающей

средой (кислородом, углекислым газом, сернистым газом, водой).

По механизму коррозию делят на химическую и элект-

рохимическую.

Химическая коррозия — это взаимодействие металлов с сухими газами или жидкостями, которые не проводят электрический ток (бензин, керосин и др.). Этой коррозии подвергаются детали и узлы двигателей, газовых турбин, ракетных установок. Химическая коррозия встречается и в процессе обработки металлов при высоких температурах. Например:

Эти процессы являются окислительно-восстановитель- ными реакциями, в которых обмен электронами совершается между металлом (восстановителем) и окислителем (например, кислородом).

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки, например:

4Аl + 3О2 = 2Аl2О3

Если пленка прочно связана с металлом и не имеет механических повреждений, то она защищает металл от дальнейшего окисления. Такие защитные пленки имеются у хрома, цинка, никеля, алюминия. У железа она пористая, легко отделяется от поверхности и поэтому не способна защитить металл от разрушения.

Электрохимическая коррозия — это разрушение металла, который находится в контакте с другим металлом в присутствии воды или раствора электролита. В основе электрохимической коррозии лежат процессы, аналогичные тем, которые протекают в гальванических элементах. Как правило, ме-

304

таллы содержат включения различных примесей, и поэтому на поверхности металлов образуется множество гальванических элементов.

Рассмотрим разрушение железного образца в присутствии примесей меди. На железе, как более активном металле (имеющем более низкий стандартный электродный потенциал), при соприкосновении с электролитом происходят процессы растворения (окисления) металла и переход его катионов в слой электролита:

Fe0 – 2e# = Fe2+

Таким образом, железная пластинка служит анодом. Поток электронов перемещается к меди — металлу с мень-

шей химической активностью (имеющему более высокий стандартный электродный потенциал); на медных участках создается избыточное количество электронов. Таким образом, медные участки представляют собой катод — на них возможны процессы восстановления.

В зависимости от кислотности среды электролита на катоде восстанавливаются или кислород (растворенный в электролите) или ионы водорода (рис. 26):

Рис. 26. Схема электрохимической коррозии:

а— с кислородной деполяризацией;

б— с водородной деполяризацией

305

Электрохимическая коррозия, при которой катодным

процессом является восстановление молекул кислорода, называется коррозией с кислородной деполяризацией. Элек-

трохимическая коррозия, при которой катодным процессом

является восстановление ионов водорода, называется коррозией с водородной деполяризацией.

В случае коррозии с кислородной деполяризацией в слое электролита катионы железа взаимодействуют с гидроксидионами:

Fe+2 + 2ОН– = Fe(OH)2, 4Fe(OH)2 + О2 + 2Н2O = 4Fe(OH)3,

что приводит к образованию ржавчины, состоящей в основном из Fe(OH)3, а также продукта его разложения FeO(OH).

В случае коррозии с водородной деполяризацией катионы Fe2+ взаимодействуют с соответствующими анионами с образованием солей.

Электрохимическая коррозия представляет собой окисли- тельно-восстановительный процесс, который происходит в средах, проводящих ток (в отличие от химической коррозии). Растворенный кислород и ионы водорода — важнейшие окислители, вызывающие электрохимическую коррозию. Электролитом может служить морская вода, природная вода, конденсированная влага и т. д.

Коррозия наносит большой ущерб народному хозяйству.

Поэтому с коррозией ведут борьбу. Существуют следующие методы защиты металлов от коррозии:

1. Исключение контакта металла с атмосферой и элект-

ролитами. Это может быть достигнуто нанесением защитных покрытий:

а) неметаллических — специальные лаки, краски, эмали; б) химических — покрытий, к которым относятся искус-

ственно создаваемые поверхностные пленки (оксид-

ные, фосфатные, нитридные и др.); в) металлических — покрытий, полученных электрохи-

306

мическим осаждением на защищаемой детали тонкого слоя другого металла (хромирование, никелирование,

цинкование, лужение и т. д.).

2. Электрохимические методы защиты:

а) протекторная — к защищаемому металлу присоединяется кусок более активного металла, который и разрушается в присутствии электролита;

б) катодная — металлоконструкции подсоединяются к катоду внешнего источника тока, что исключает возможность их анодного разрушения.

3.Специальная обработка электролита или среды, в которой находится защищаемая конструкция:

а) введение веществ-ингибиторов, замедляющих коррозию;

б) удаление растворенного в воде воздуха (деаэрация) — например, в воде, поступающей в котельные установки.

Сплавы

Металлы в чистом виде применяют реже, чем их сплавы. Это объясняется тем, что сплавы часто обладают более высокими техническими свойствами, чем чистые металлы. Изготовление сплавов основано на свойстве металлов в расплавленном состоянии взаимно растворяться и смешиваться друг с другом.

По своему составу и строению сплавы бывают различными. Важнейшими из них являются:

1.Механическая смесь металлов. Охлажденный расплав представляет собой смесь очень мелких кристаллов отдельных металлов (например, Pb + Sb).

2.Твердые растворы. При охлаждении расплава образуются однородные кристаллы. В узлах их кристаллических решеток находятся атомы различных металлов (например, Cu + Ni).

3.Интерметаллические соединения. При взаимном растворении металлов их атомы реагируют между собой, образуя химические соединения. В таких соединениях металлы чаще всего не проявляют валентность, характерную для них

в соединениях с неметаллами (например: Cu3Zn, Zn3Hg, Ag2Zn5).

307

Всостав сплавов могут входить и неметаллы (углерод, бор и др.).

Способность металлов в расплавленном состоянии не только механически смешиваться, но и образовывать между собой (и атомами неметаллов) различные соединения — одна из главных причин, объясняющих, почему сплавы по физическим свойствам сильно отличаются от свойств составляющих их металлов. Например: температуры плавления натрия и калия соответственно равны 97,5 °С и 62,3 °С. Сплав, состоящий из 56 % (масс.) Na и 44 % (масс.) К, плавится при 19 °С.

Сплав, полученный из монокарбида вольфрама WC и кобальта — «победит», по твердости сравним с алмазом.

Внастоящее время в технике применяют большое число различных сплавов, обладающих заранее заданными свойствами. Для их получения используют более 40 химических элементов в разнообразных сочетаниях и количественных соотношениях.

Некоторые широко используемые сплавы

Сталь — сплав железа и углерода, добавки: Mn, Cr, Ni,

Si, P, S.

Бронза — сплав меди с оловом, добавки: Zn, Pb, Al, Mn,

P, Si.

Латунь — сплав меди с цинком, добавки: Sn, Mn, Al,

Pb, Si.

Мельхиор — сплав меди с никелем.

Дюралюминий — сплав алюминия с медью (~3—5 %), мар-

ганцем (~1 %), магнием (~1 %).

Амальгамы — сплавы металлов, содержащие ртуть.

В медицине применяют различные металлы и сплавы. Иглы для наложения искусственного пневмоторакса изготавливают из платины, проволочные скобки для различных сшивающих аппаратов — из тантала, некоторые глазные инструменты — из серебра.

Сталь, содержащая 18 % хрома, 9 % никеля, 1 % тантала, используется для изготовления зубных коронок, игл, стерилизаторов и т, д.

308

Вопросы для контроля

1.Где расположены элементы-металлы в периодической системе?

2.К каким электронным семействам относятся элементы-металлы?

3.Сколько электронов имеют атомы металлов на внешнем электронном слое?

4.Каково строение кристаллических решеток металлов?

5.Что называется металлической связью?

6.Какими физическими свойствами характеризуются металлы?

7.Что называется энергией ионизации?

8.Почему атомы металлов в химических реакциях являются восстановителями?

9.Какие химические свойства характерны для металлов?

10.Что такое коррозия? Какие виды коррозии вы знаете?

11.Что лежит в основе электрохимической коррозии?

12.Что такое электрохимическая коррозия с кислородной деполяризацией? С водородной деполяризацией?

13.На каком свойстве металлов основано изготовление сплавов?

14.Как различаются сплавы по своему строению?

Задачи и упражнения для самостоятельной работы

1.С растворами каких из указанных солей: CuSO4, ZnCl2, AgNO3, Al2(SO4)3, Na2SO4, NiSO4, KCl, NaNO3, Hg(NO3)2 — может реагировать железо? Напишите уравнения реакций в молекулярном и ион-

ном видах.

2.При взаимодействии 8 г смеси железа и магния с соляной кислотой выделилось 4,48 л водорода (н. у.). Сколько граммов железа и магния содержалось в смеси?

3.При обработке 8 г смеси магния и оксида магния соляной кислотой выделилось 5,6 л водорода (н. у.). Какова массовая доля (в %) магния в исходной смеси?

4.Составьте уравнения реакций восстановления:

а) меди из оксида меди (II) углеродом и оксидом углерода (II);

б) кадмия из оксида кадмия и марганца из оксида марганца (IV) водородом;

в) железа из оксида железа (III) и хрома из оксида хрома (III) алюминием.

5.Какой объем оксида углерода (II) необходим для полного восстановления 320 г оксида железа (III)?

309