Как из металла получить неметалл

Обновлено: 07.01.2025

Одним из самых известных металлов является железо. Часто металлические изделия называют железными, но это лишь один химический элемент – металл из многих. Причем химические свойства этого элемента не так просты, как кажется. В этой статье рассмотрим физические и химические особенности железа.

План урока:

Положение в таблице Менделеева и строение атома

Железо расположено в 8 группе побочной подгруппе. У этого элемента 26 электронов, распределенных по 4 уровням. Электронная конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Для его атома характерно предзаполнение s-подуровня, поэтому в действительности формула следующая: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 . Железо является d-элементом. Благодаря этому, основные степени окисления железа: 0, +2, +3.

Физические свойства

Железо обладает всеми свойствами металлов:

- высокая температура плавления (1539 0 С).

Многие свойства находятся в оптимальных границах, поэтому железо часто используют при изготовлении различных изделий из металла. Для изменения определенных характеристик изготавливаются сплавы.

Основные сплавы железа

Металлы отличаются некоторыми параметрами. Например, одни обладают меньшей температурой плавления, другие большей прочностью, третьи – наиболее электропроводны. Иногда, для изменения свойств металла, его сплавляют с неметаллами (чаще всего, углерод). Самый распространенный сплав – сталь. Основу сплава составляет железо и углерод, кроме них могут добавляться различные металлы (легирующие компоненты), меняющие свойства сплава.

Таблица. Сплавы железа и их свойства

В качестве легирующих металлов стали могут использовать:

Cr – хром
Mo – молибден
Ni – никель
Si – кремний
Cu – медь
W – вольфрам
Al – алюминий
Mn – марганец
Ti – титан
Nb – ниобий
Co — кобальт

Легирующими компонентами чугуна являются неметаллы: марганец, кремний, сера, фосфор и некоторые металлы (алюминий, хром).

Нахождение железа в природе

В природе железо содержится в рудах. Они могут отличаться по содержанию железа и других примесей. К основным железным рудам относятся: магнетит, гематит, пирит.

Магнетит (магнитный железняк)

Химическая формула – FeO·Fe₂O₃. К основному оксиду могут примешиваться различные металлы и их оксиды. Зоны залежей магнетита проводят к формированию магнитных аномалий – участков Земли, на которых магнитные приборы указывают не на полюса, а на эту залежь. По этой причине использовать компасы и электронные приборы в этих зонах бесполезно.

Магнетит добывается в Челябинской области, на Кольском полуострове, Южном Урале, на Украине (гора Кривой рог).

Кратер добычи железной руды в Курской Магнитной Аномалии. Источник

Эта руда является основной для получения железа, так как его содержание в ней – 72,4%. В форме минерала используется в качестве утяжелителя глинистых растворов при бурении.

Пирит

Химическая формула - FeS₂ (серный или железный колчедан). Может содержать примеси Mn, Ni, Co. Это минерал желтого цвета. Из-за внешнего сходства его часто путали с золотом, поэтому этот минерал часто называют золотом дураков. Хотя, самородное золото часто содержится в пирите в виде примесей и даже встраивается в го кристаллическую решетку.

Считается одним из самых распространенных сульфидов. Залежи пирита расположена во всех геотермальноактивных зонах, а также, в донных отложениях Черного моря.

При контакте с воздухом окисляется до лимонита (FeOOH·(Fe₂O₃·nH₂O).

Пирит используется для получения серной кислоты, сероводорода или в строительном деле в качестве добавки в цемент.

Гематит

Химическая формула - Fe₂O₃. С давних времен минерал использовался для изготовления красок, ритуальных украшений и лекарственных препаратов. В настоящее время является основным источником получения чугуна.

Украинское (Кривбасс);
Михайловское (КМА);
Колатсельгские штольни;
Байкальское месторождение;
Альпийское;
Кутим.

Кроме минералов существует еще метеоритное железо. Это форма металла, попавшего на Землю из космоса. Во время прохождения через плотные слои атмосферы все примеси метеорита сгорают. Такое железо считается самым чистым. Оно практически не подвергается коррозии.

Способы получения

Основным способом получения железа является выделение из минеральных руд. Основным считается доменный процесс. Выделение железа производится в несколько стадий.

Доменная печь

Таблица. Стадии доменного процесса

Мартеновская печь

Для снижения содержания примесей в чугуне, полученный материал отправляют в Мартеновскую печь. Это плавильная установка. Процесс увеличения доли железа происходит в три этапа:

Плавление. Здесь образуется большое количество FeO.
Окисление. С+ FeO = Fe+CO. в результате реакции доля углерода снижается.
Раскисление. Окисление оставшегося FeO алюминием, ферромарганцем или ферросилицием.

Электрическая печь

Установка предназначена для получения легированной стали. Установка разогревается до высоких температур (цифра зависит от итогового сплава) и добавляется окислительный материал (нихром, фехраль и т.д.).

Химические свойства железа

Железо – элемент средней активности. Без нагревания многие реакции даже с сильными окислителями идут крайне медленно. При повышении температуры скорость взаимодействия увеличивается.

Взаимодействие с неметаллами

С неметаллами железо образует бинарные соединения – соли или оксиды.

Важная особенность: при взаимодействии с простыми веществами (кроме кислорода), железо проявляет степень окисления +3.

С кислородом образуется сразу два оксида со степенями окисления +2 и +3:

Взаимодействие с водой

Железо реагирует с парами воды в раскалённом состоянии:

Отношение железа к кислотам

С концентрированными кислотами железо не реагирует (пассивирует).

С растворами реакция идет также как и у других металлов – с образованием соли и водорода. Важно: при реакции со сложными соединениями железо проявляет степень окисления +2.

Реакция с солями

Железо реагирует с солями, металл которых пассивнее железа. Это значит, он должен располагаться левее в ряду активности металлов.

Смешанный оксид Fe3O4

Интересным соединение железа является смешанный оксид. Его особенность в том, что в одной кристаллической решетке есть сразу два иона железа - +2 и +3. Так как они образуют единый комплекс, часто их записывают как один оксид. На самом деле это кристаллогидрат двух оксидов: FeO⋅Fe₂O₃. Для него характерны следующие реакции:

Гидроксиды железа 2 и 3

Гидроксиды железа являются амфотерными соединениями, но с разной степенью основности.

Fe(OH)₂

Гидроксид железа (II) – соединение коричневого или буро-оранжевого цвета.

Природный минерал с этой формулой называется амакинит.

Проявляет все химические свойства основных гидроксидов (реакции замещения с солями, кислотами).

Как амфотерное соединение способен реагировать со щелочами с образованием комплексных солей:

Гидроксид железа (II) является компонентом железо-никелевых аккумуляторов.

Fe(OH)₃

Соединение красно-коричневого цвета.

Проявляет амфотерные свойства.

В природе встречается в составе минерала лимонита.

Проявляет химические свойства как и Fe(OH)₂.

Применение железа

Железо является основным элементом черной металлургии, где используются сплавы этого вещества. Железные изделия необходимы в строительном, отделочном, электронном ремесле. В чистом виде оно применяется в химической промышленности, для изготовления аккумуляторов, для очистки сточных вод.

4. Получение и применение неметаллов

Выбор способа получения вещества зависит от того, в каком виде встречается в природе химический элемент, который образует данное вещество. Это в полной мере относится и к выбору способа получения неметаллических простых веществ.

Некоторые неметаллы встречаются в природе в свободном виде. Такие неметаллы, как кислород \(O_2\), азот \(N_2\), инертные газы — \(He\) и др., серу \(S\), алмаз \(C\) и графит \(C\), можно выделить из смесей или очистить от примесей, используя физические методы.

Химически активные неметаллы встречаются в природе только в виде соединений. В первую очередь это относится к галогенам: фтору, хлору, брому и иоду.

Химически менее активные неметаллы в природе встречаются как в самородном виде, так и в составе химических соединений.

Например, серу можно найти как в самородном состоянии, так и в виде соединений — сульфидов и сульфатов.

Рис. \(2\). Распространение серы природе. Слева направо: самородная сера \(S\), пирит \(FeS_2\) и гипс CaS O 4 ⋅ 2 H 2 O

Из химических соединений неметаллические простые вещества получают химическими методами в ходе различных химических превращений.

Сначала при пониженной температуре и повышенном давлении воздух сжижают. Затем, используя перегонку (дистилляцию), из жидкого воздуха получают азот N 2 , кислород O 2 и аргон Ar . В ходе перегонки первым испаряется азот (при температуре \(–196\) °C), потом — аргон (при \(–186\) °C) и последним — кислород (при температуре \(–183\) °C).

Аналогично от нелетучих примесей отделяют встречающуюся в природе самородную серу. Для этого руду нагревают выше \(+450\) °C, и пары кипящей серы \(S\) конденсируют.

Химические методы получения неметаллов связаны с проведением окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых неметаллические химические элементы могут как повышать, так и понижать степень окисления.

Например, хлор \(Cl_2\) в промышленности получают путём электролиза раствора хлорида натрия \(NaCl\). При пропускании постоянного электрического тока через раствор этого вещества протекает химическая реакция:

Для того чтобы получить кремний \(Si\), в промышленности в электрических печах прокаливают смесь песка \(SiO_2\) с коксом \(C\). При этом протекает химическая реакция:

Лабораторные способы получения неметаллов также связаны с проведением окислительно-восстановительных реакций. Чаще всего это либо реакции разложения, либо реакции замещения.

Например, кислород \(O_2\) в лабораторных условиях можно получить путём разложения пероксида водорода \(H_2O_2\). Протекает реакция разложения:

Водород \(H_2\) в лаборатории можно получить, используя цинк \(Zn\) и соляную кислоту \(HCl\). Протекает реакция замещения:

Поскольку свойства неметаллов чрезвычайно разнообразны, эти вещества находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

Такие неметаллы, как сера \(S\), азот \(N_2\), фосфор \(P\) и хлор \(Cl_2\), используются в качестве сырья для получения кислот и другой продукции.

Сажа \(C\) служит пигментом в производстве лаков и красок, а также пигментом и наполнителем в производстве пластмасс и резин

Активированный уголь \(C\) есть почти в каждой домашней аптечке. Точно так же, как иодная тинктура — спиртовой раствор иода \(I_2\).

Жидкий азот \(N_2\) используют не только для хранения биологического материала, но и в косметической медицине

4. Применение металлов и их сплавов

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. \(5\) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.

Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.

В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

механически прочнее и твёрже,
со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
устойчивее к коррозии,
устойчивее к высоким температурам,
практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) — более \(2\) % ). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.

Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.

Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.


Рис. \(7\). Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления	Рис. \(8\). Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации

Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.

Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.

Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.

Из сплавов золота с \(10–30\) % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с \(25–30\) % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.

Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.

Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.

Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.

Химические методы получения неметаллов

Например, хлор Cl2 в промышленности получают путём электролиза раствора хлорида натрия NaCl. При пропускании постоянного электрического тока через раствор этого вещества, протекает химическая реакция:

Для того, чтобы получить кремний Si, в промышленности в электрических печах прокаливают смесь пескаSiO₂ с коксом C. При этом протекает химическая реакция:

Лабораторные способыполучения неметаллов также связаны с проведением окислительно-восстановительных реакций. Чаще всего это либо реакции разложения, либо реакции замещения.

Лабораторная работа. Получение кислорода и водорода.

1. Кислород O₂ в лабораторных условиях можно получить путём разложения пероксида водородаH₂O₂, перманганата калия или бертолетовой соли. Протекает реакция разложения:

2. Водород H₂ в лаборатории можно получить, используя цинк Zn и соляную кислоту HCl. Протекает реакция замещения:

Лабораторная работа.

Цель: изучить способ получения кислорода и водорода в лаборатории, выяснить как можно обнаружить эти газы.

Оборудование: штатив большой, изогнутая стеклянная трубка с пробкой, кусочек ваты, лучинка, , спиртовка, спички, стакан с водой.

Реактивы:, KMnO₄ –соль кристаллическая, соляная кислота, цинк, пероксид водорода, оксид марганца(IV)

Опыт1. Получение кислорода из перманганата калия.

Порядок действий:собрать прибор как на рисунке

Порядок действий: Осторожно нагрейте всю пробирку, а затем в месте расположения KMnO₄, до потрескивания вещества KMnO₄, проверьте наличие кислорода тлеющей лучинкой. Наблюдайте как горит лучинка в кислороде.

Допишите уравнение получения O₂:

Наблюдения: при нагревании соли KMnO₄ выделяется простое вещество ……………………..…….(О₂), которое можно обнаружить с помощью тлеющей лучинки. Лучинка загорается.

Опыт1. Получение кислорода из пероксида водорода.

Порядок действий: Осторожно налейте 5-6 мл пероксида водорода в пробирку всю пробирку, а затем туда же насыпьте оксида марганца(IV), проверьте наличие кислорода тлеющей лучинкой. Наблюдайте как горит лучинка в кислороде.

Опыт1. Получение водорода.

Порядок действий:в пробирку поместите 1–2 гранулы цинка, прилейте около 3 мл раствора соляной кислоты; накройте пробирку воронкой широкой частью вниз, на носик воронки наденьте чистую пробирку. Подожгите спиртовку. Поднесите пробирку с полученным водородом к пламени спиртовки для обнаружения водорода. Запишите уравнение реакции получения водорода и наблюдения в тетрадь:

Наблюдения: 1) при взаимодействии цинка с соляной кислотой (HCl)появились пузырьки газа это ……………………….

2)при поднесении пробирки с водородом к спиртовке появился свистящий звук следовательно там был …… (какой чистый или не чистый водород) ……………………,

если звук «п-х-х» …………… (какой чистый или не чистый водород) ……………,

3) водород … (какой легче или тяжелее воздуха) ………………………………, поэтому его собираем в перевёрнутую пробирку.

Работа с текстом, составление опорного конспекта.

Проведите лабораторный опыт, составьте уравнения реакций, выводы запишите в тетради

УЭ – 5

Применение неметаллов

Цель: рассмотреть основные области применения неметаллов.

Таблица. Применение неметаллов.

Такие неметаллы, как сера S, азот N₂, фосфорP и хлорCl₂ используются в качестве сырья для

получения кислот и другой продукции.

Сера S используется в качестве сырья в производстве резин.

Сажа C служит пигментом в производстве лаков и красок, а также пигментом и наполнителем в производстве пластмасс и резин.

Водород H2 используется в качестве топлива.Важно, что продукт сгорания этого топлива не загрязняет среду.

СераS используется как эффективное средство борьбы с вредителями и болезнями растений.

Кислород O2 применяют в тех случаях, когда у больного затруднено дыхание.

Активированный уголь C есть почти в каждой домашней аптечке. Точно так же, как иодная тинктура — спиртовой раствор иода I₂.Мази, в состав которых входит сера S, используются при лечении кожных заболеваний.

Жидкий азот N2 используют не только для хранения биологического материала, но и в косметической медицине.

Для дезинфекции воды используют хлор Cl₂ и озон O₃.

Получение высоких температур

В металлургии и металлообработке для того, чтобы, сжигая горючее вещество, создать среду с высокой температурой, используют кислород O2.

В производстве спичек и другой пиротехнической продукции используют серуS, фосфор P и уголь C.

Для продления срока годности

пищевых продуктов и для

создания инертной атмосферы в упаковку закачивается азот N₂.

1) Вставьте слова, пропущенные в тексте.
Атомы ____ в отличие от атомов ____ легко принимают наружные электроны, являются ____

2) Вставьте слова , пропущенные в тексте.
Неметаллические свойства элементов с увеличением порядкового номера в периодах ____
В группах неметаллические свойства элементов ____

3) Пользуясь периодической таблицей, запишите молекулярные формулы высших кислородных соединений неметаллов III периода. Как будет изменяться кислотный характер?

4) Запишите формулы водородных соединений элементов VII А группы. Как изменяются кислотные свойства с увеличением порядкового номера элемента?

5) Водород занимает в периодической таблице два места: в I А группе и в VII А группе. Запишите молекулярные формулы водородных соединений Na, K, Cl, F.

6) Какую высшую степень окисления имеют следующие элементы?

7) Определите, окислителем или восстановителем является сера в следующих реакциях:

8) Наиболее ярко выраженные неметаллические свойства проявляет вещество, образованное из атомов, в которых число электронов во внешнем электронном слое равно____.

9) Наиболее электроотрицательными являются атомы

• серы • фосфора • кремния • хлора

10) Типичному неметаллу соответствует следующая схема распределения электронов по электронным слоям:

Поменяйтесь тестом с соседом и проверьте тест вместе со мной.

УЭ – 7

Контроль

1. Вычислите объем воздуха, который потребуется для сжигания 20 м 3 сероводорода, если продуктами реакции являются вода и оксид серы (IV). Вычислите массу этого воздуха.

V(Н₂S) = 20м 3 20 м 3 х м 3

m(воздуха) 2 моль 3 моль

т.к в воздухе всего 32% О₂, то

V(воздуха) = 30·100/21 = 142, 86 м 3

142,86/22,4·29 = 184,29 г

Ответ: для сжигания 20 м 3 сероводорода потребуется 142,86 м 3 воздуха, m(воздуха) = 184,29 г

2. Определите состав смеси азота и водорода, имеющий плотность по водороду 4,25.

D_H2 = 4,25 Пусть Vсмеси = 22,4 л (n = 1 моль)

φ(N₂) = 0,25/ 1 = 0,25 или 25%

φ(H₂) = 0,75/1 = 0,75 или 75%

Ответ: состав смеси азота и водорода 25% и 75%

3. Вычислите объём водорода, который потребуется для восстановления 928 кг оксида вольфрама(VI), содержащего 25% примесей.

W(прим) = 25% m(WO₃)чист = 928·75%/100%=696 кг.

По реакции составляем пропорцию:

232 г WO₃ восст-ся 3 х 22,4 л=67,2 л Н₂

696000 г WO₃ восстанавливаются Х л Н₂.

Находим Х: Х=67,2 л * 696000 г/232 г

=201600 л = 201,6 м3

Составляем вторую пропорцию для

нахождения массы образовавшегося

232 г WO₃ образуется 184 г W

696000 г WO₃ образуется Y г W

Находим Y: Y=184 г * 696000 г/232 г

= 552000 г = 552 кг

Ответ: Для восстановления 928 кг оксида вольфрама (VI), содержащего 25% примесей, необходимо 201600 л (201,6 м3) водорода. При этом образуется 552000 г (552 кг) металла.

4. Для синтеза хлороводорода взяли 200 л водорода и 250 л хлора. Какие газы и в каком объеме останутся в сосуде после реакции?

Найти: V(газов) соотношение 1:1,значит H₂ в

11.1-8.9=2.2мольH₂ избыток
V=22.4*2.2=49.28 л H₂ избыток
соотношение Cl₂ к HCl как 1:2
значит

Ответ: в сосуде после реакции останется водород в объёме 49,28 л.

5. Французский химик К. Шееле получил хлор по реакции оксида марганца (IV) с соляной кислотой. В результате этой реакции образуется так же хлорид марганца(II) и вода. Составьте уравнение реакции, рассчитайте массу оксида марганца(IV) и количество хлороводорода, необходимых для получения 100 л хлора, если выход составляет 95% от теоретически возможного.

Найти: m(MnO₂) 1моль 1моль

m(HCl) 87г/моль 22,4л/моль

Vтеор = V(Cl₂)/η= 100/ 0.95 = 105.26 л

n(НCl) = 4·n(Cl₂) = 4·105,26/22,4 = 18,8

Из 87 г MnO₂ образуется 22.4 л Cl₂

Из х г MnO₂ образуется 105,26 л Cl₂

Ответ: масса оксида марганца(IV) необходимых для получения 100 л хлора равна 408,82 г. Количество хлороводорода, необходимых для получения 100 л хлора равно18.8 моль

Металлы и неметаллы

Наш мир наполняют различные простые вещества – металлы или неметаллы. При существовании 120 химических элементов, Вселенную наполняют более 400 простых веществ. Этот парадокс связан с понятием аллотропии – явлением образования одним химическим элементом двух и более простых веществ. Например, атом кислорода может формировать молекулярный кислород О2 и озон О3.

Физические свойства металлов

Металлы – химические элементы, атомы которых в процессе реакции стремятся отдавать электроны. Они обладают металлической кристаллической решеткой и общими физическими свойствами. На данный момент известно более 87 металлов.

Для металлов характерен ряд свойств:

твердость (кроме ртути, которая представляет собой жидкость);
металлический блеск;
проводимость электрического тока и тепла;
пластичность.

Металлы при ударах не разрушаются, а меняют форму. С этой особенностью связано то, что из них производят проволоку, металлические листы и др. Развитие бронзового и железного века связано с производством товаров из металлов.

Физические свойства неметаллов

Неметаллы – химические элементы, атомы которых стремятся принять чужие электроны. Для них характерны атомные и молекулярные кристаллические решетки. Для атомов неметаллов не характерны общие физические свойства. На данный момент существует 22 неметалла.

Для неметаллов характерен ряд свойств:

хрупкость (неметаллы нельзя ковать);
отсутствие блеска;
непроводимость электрического тока и тепла.

Расположение металлов и неметаллов в периодической таблице Д.И. Менделеева

Определить, является простое вещество металлом или неметаллом, можно с помощью периодической таблицы Менделеева. Металлы располагаются ниже диагонали «водород-бор- кремний-мышьяк-теллур-астат», а неметаллы выше.

Красные ячейки – неметаллы, синие – металлы

Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают смешанными свойствами: проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Они называются полуметаллами.

Красные ячейки – полуметаллы

Полуметаллы имеют ковалентную кристаллическую решетку при наличии металлической проводимости (электропроводности). Валентных электронов у них либо недостаточно для образования полноценной ковалентной связи, либо они не удерживаются достаточно прочно из-за больших размеров атома. Поэтому связь в ковалентных кристаллах этих элементов имеет частично металлический характер.

Закономерности в таблице Д.И. Менделеева

Каждый атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре, который несет положительный заряд. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Атомный номер указывает на количество протонов.

Чем больше заряд ядра, тем сильнее к нему притягиваются электроны. Т.о., атому сложнее отдавать электроны. Поэтому в периоде слева направо, с увеличением порядкового номера металлические свойства ослабевают, а неметаллические – усиливаются.

Неметаллы стремятся принять электроны от других атомов. Период в таблице указывает на количество электронных уровней. По мере увеличения числа орбиталей электроны отдаляются от ядра и атому сложнее удерживать электроны на последних уровнях. Т.о., в группе сверху вниз количество орбиталей возрастает, поэтому металлические свойства усиливаются, а неметаллические – уменьшаются.

Способы получения металлов

Большую часть металлов получают из оксидов при нагревании.

Металлы, имеющие на внешнем уровне один-два электрона, получают с помощью электролиза расплавов.

Химические свойства металлов

Все металлы проявляют восстановительные свойства. Легкость в отдачи внешнего электрона применяется в фотоэлементах. Степень активности определяется рядом активности. У самых активных на внешнем уровне располагается по одному электрону.

Общие химические свойства металлов выражаются в реакциях со следующими соединениями.

Активные металлы реагируют с галогенами и кислородом. С азотом взаимодействуют только литий, кальций и магний. Большинство металлов при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, а наиболее активные металлы – пероксиды (N₂O₂).

2 Ca + MnO₂ → 2 CaO + Mn(нагревание)

Водород в кислотах вытесняют только те металлы, которые в ряду напряжений стоят до водорода.

Более активные металлы вытесняют из соединений менее активные.

Химические свойства щелочных и щелочно-земельных металлов (реакции с водой)

2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂

Способы получения неметаллов

Неметаллы синтезируют из природных соединений с помощью электролиза.

2 KCl → 2 K + Cl₂

Также неметаллы получают в результате окислительно-восстановительных реакций.

SiO₂ + 2 Mg → 2 MgO + Si

Химические свойства неметаллов

Неметаллы проявляют окислительные свойства. Самый активный неметалл – фтор. Он бурно реагирует со всеми веществами, а некоторые реакции сопровождаются горением и взрывом. В атмосфере фтора горят даже вода и платина. Фтор окисляет кислород и образует фторид кислорода OF₂.

Неметаллы вступают в реакции со следующими веществами.

3 F + 2 Al → 2 AlF₃ (нагревание)

S + Fe →FeS (нагревание)

Меньшей активностью обладают такие неметаллы как бор, графит, алмаз. Они могут проявлять восстановительные свойства.

2 C + MnO₂ → Mn + 2 CO

Коррозия металла

Коррозия – это процесс разрушения металлов или металлических конструкций под действием кислорода, воды и вредных примесей. Не все металлы подвергаются коррозии. Их стойкость зависит от ряда факторов.

На благородных металлах не образуется коррозия.
На поверхности алюминия, титана, цинке, хрома и никеля есть оксидная пленка, которая предотвращает процессы коррозии.

Различают несколько видов коррозии – химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия

Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Она образуется под действием газов.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия – процесс разрушения металлов или металлических конструкций, который сопровождается электрохимическими реакциями. В большинстве металлов находятся примеси. В процессе коррозии электродами могут служить не только металлы, но и его примеси.

Например, в железе могут находиться примеси олова. В этом случае на аноде электроны переносятся от олова к железу и металлы растворяются, т.е. железо подвергаются коррозии. На катоде восстанавливается водород из воды или растворенного кислорода. Электрохимическая коррозия может сопровождаться следующими процессами.

Анод: Fe 2+ - 2e → Fe 0

Катод: 2H + + 2e → H₂

Способы защиты от коррозии

В промышленности популярны различные методы защиты металлов от коррозии.

Покрытия защищают поверхности от действия окислителей. Ими служат различные вещества:

покрытие менее активным металлом (железо покрывают оловом);
краски, лаки, смазки.
Создание специальных сплавов

Физические свойства сплавов и чистых металлов отличаются. Поэтому для повышения стойкости в сплав необходимо добавить дополнительные металлы.

Биологическая роль металлов и неметаллов

В организмах содержится множество различных металлов и неметаллов. Различных химических элементов в организме может не хватать, поэтому приходится потреблять их извне.Химические элементы можно разделить на две большие группы – макроэлементы и микроэлементы.

К макроэлементам относятся вещества, содержание которых в организме превышает 0,005 %. Эта группа включает водород, углерод, кислород, азот, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций.Микроэлементы – элементы, содержание которых не превышает 0,005%. К ним относятся железо, медь, селен, йод, хром, цинк, фтор, марганец, кобальт, молибден, кремний, бром, ванадий, бор. Каждый макро- и микроэлемент в организме выполняет определенную функцию.

Применение металлов и неметаллов

В синтезе химических препаратов и лекарств применяются чистые металлы и неметаллы. В органической химии металлы используются в качестве катализаторов, а также при получении металлорганических соединений. Неметаллы служат исходным сырьем для получения чистых кислот и других химических соединений.

Читайте также: