Какими особенностями характеризуется строение атомов металлов
Образовательная - рассмотреть положение металлов в системе элементов Д.И. Менделеева, познакомить обучающихся с основными физическими свойствами металлов, выяснить, чем они обусловлены; выявить закономерности проявления металлами физических свойств; ввести понятие о сплавах и их свойствах.
Развивающая - развивать теоретическое мышление обучающихся и их умение прогнозировать физические свойства металлов на основе их строения атома.
Воспитательная - способствовать развитию познавательного интереса обучающихся к изучению химии
Задачи урока:
- Обучающиеся должны изучить положение металлов в Периодической системе элементов,
- Выяснить особенности строения их атомов и кристаллов; физические свойства металлов; отличие свойств металлов от свойств их сплавов.
- Уметь применять полученные знания при выполнении заданий, упражнений по данной теме.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Оборудование:
- коллекция металлов и сплавов; таблицы "Виды химической связи", "Типы кристаллических решеток" и "Общие физические свойства металлов",
- две стеклянные пластинки и вода для проведения опыта.
I. Организационный момент
(преподаватель знакомит обучающихся с темой урока, записанной на доске, планом проведения урока).
II. Новый материал
Преподаватель задает вопросы обучающимся :
1. Как изменяются в периодах периодической системы свойства химических элементов?
2. Как изменяются свойства химических элементов в главных подгруппах?
3. Где располагаются металлы в периодической системе?
Обучающиеся делают выводы:
- Металлами называют химические элементы и простые вещества.
- Металлы занимают левую нижнюю часть периодической системы. А, следовательно, их атомы имеют большие радиусы и, как правило, небольшое количество валентных электронов. Для их ионизации требуется относительно небольшая энергия. Возникающие положительные ионы металла удерживаются все вместе за счет притяжения ко всем свободно движущимся в металле электронам.
Преподаватель демонстрирует таблицу "Виды химической связи", задает вопрос : в чем сходство и различия между металлической связью и ковалентной? ?(сходство с ковалентной: валентные электроны находятся в общем пользовании, но в случае ковалентной в общем пользовании только двух атомов, а в случае металлической связи эти электроны связывают все атомы куска металла, создают "электронный газ".)
В чем сходство и различия между металлической и ионной связью? ( с ионной связью металлическая сходна наличием ионов, но в металлической положительные ионы удерживаются "электронным газом", а в ионной - положительными ионами)
Преподаватель демонстрирует таблицу "Типы кристаллических решеток":
Благодаря притяжению всех свободных электронов всеми положительными ионами металлическая связь очень прочна, поэтому для металлов характерны кристаллические решетки с плотной упаковкой ионов: гексагональная (цинк, магний), кубическая гранецентрированная (медь, серебро, алюминий) и менее плотная - кубическая объемноцентрированная (железо, натрий, барий).
Преподаватель: И так, металл - это вид атомов, способных легко отдавать при химических реакциях электроны, входить в состав химических соединений в виде положительно заряженных ионов, а также образовывать простые вещества с характерными для металлов физическими свойствами.
Рассмотрите образцы металлов и назовите, какими общими физическими свойствами они обладают?
Обучающиеся называют: электропроводность, теплопроводность, металлический блеск, твердость, пластичность.
Преподаватель: Как можно объяснить наличие общих физических свойств у такого большого числа разнообразных простых веществ?
Обучающиеся делают вывод: причина в особенностях металлической связи, структуре кристаллов металлического типа.
Преподаватель: демонстрирует таблицу "Общие физические свойства металлов"
Преподаватель: Действительно, электрическая проводимость металлов объясняется движением свободных электронов. Почему при нагревании электрическая проводимость металлов уменьшается? Чем обусловлена теплопроводность, и как она изменяется при нагревании? (отвечать на вопросы помогает таблица).
Пластичность - способность изменять свою форму при ударе, прокатываться в тонкие листы, вытягиваться в проволоку.
В чем причина пластичности металлов?
В этом нам поможет разобраться следующий опыт: две стеклянные пластинки смачиваем водой и прижимаем друг к другу. Они легко скользят друг по другу, но их трудно разъединить. Прослойка воды имитирует свободные электроны, а значит причина пластичности - также особое строение кристаллической решетки.
Металлический блеск также обусловлен особым строением металлов (благодаря свободным электронам металлы хорошо отражают световые лучи).
Преподаватель: Да, металлы обладают общими физическими свойствами, которые обусловлены их особым строением, но у разных металлов степень проявления каждого свойства различна. Так, лучшей электропроводностью обладает серебро, на втором месте - медь, а на третьем - золото.
Такие различия в проявлении физических свойств связаны с тем, как плотно упакованы ионы в кристаллической решетке металла, каковы их размеры и сколько валентных электронов у каждого атома обобществляется. Например, чем большее число атомов металла находиться в единице объема металла, тем большей плотностью он будет обладать. Наиболее плотная упаковка ионов в кристаллах гексагонального вида. Однако плотность вещества зависит не только от вида кристаллической решетки, но и от массы составляющих его ионов и от их радиусов. Поэтому наименьшей плотностью обладают щелочные металлы. Самый тяжелый из всех металлов - осмий.
Если металлы образуют кристаллы одного вида (например, щелочные металлы), то возрастание плотности по ряду от лития до цезия объясняется увеличением их атомных масс и масс образуемых ионов, т.к. массы возрастают в большей степени, чем атомные радиусы. Если металлы образуют кристаллы разного вида, то закономерность более сложная, и ее описанием занимается больше физика, чем химия.
В зависимости от плотности металлы принято делить на легкие (их плотность менее 5 г/см 3 ) и тяжелые (их плотность более 5 г/см 3 ). Так у алюминия плотность - 2, 7 г/см 3 - металл легкий.
Пластичность металлов также зависит от вида кристалла и от количества связывающих электронов, от размеров ионов.
Самый пластичный - золото. Кусочек золота величиной со спичечную головку можно расплющить в просвечивающий голубовато-зеленым светом лист площадью 50 квадратных метров. Образец золота весом 1г можно протянуть в проволоку длиной 2 км. Исстари на Руси выделывали "сусальное золото": сначала его прокатывали в вальцах до толщины листа писчей бумаги, затем укладывали между тонкими пленками, снятыми со слепой кишки коровы и прокатывали на наковальне деревянными молоточками. Повторяя эту операцию неоднократно, получали листочки золота толщиной всего в десятую долю микрона, т.е. 500 атомов. "Сусальное золото" шло на покрытие деревянных предметов, кожи и т.п.
Самые хрупкие металлы V, VI, VII групп. У них от 5 до 7 валентных электронов, следовательно, очень крепкая связь ионов между собой, что препятствует их скольжению друг относительно друга, снижает пластичность. Этим же объясняется их тугоплавкость и твердость.
Чем меньше количество свободных электронов, чем больше размеры ионов, чем слабее связи ионов, тем мягче металлы. Самые мягкие - щелочные металлы, самый твердый - хром.
Температуры плавления металлов изменяются в очень широких пределах: от минус 39°С до 3410 у вольфрама. Ртуть единственный жидкий при обычных условиях металл.
Следует еще раз обратить внимание , что степень проявления физических свойств у разных металлов зависит не только от количества валентных электронов, но и от вида кристаллической решетки, размеров атомов и ионов, т.е. причины проявления металлами физических свойств многообразны.
Самостоятельная работа обучающихся:
1.Заполните таблицу: «Физические свойства металлов»
используя таблицу приложения: «Справочные данные о физических свойствах металлов»
Лекция "Особенности атомно-кристаллического строения металлов"по дисциплине "Основы материаловедения"
Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.
Создание научных основ металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.
Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.
В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.
Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.
В 1873-1876 г.г Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.
Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.
В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.
В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллическо строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.
Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.
Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее расчитаными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.
По данным института имени Байкова А.Н. в нашей стране есть все условия чтобы в течении 10…15 лет машиностроение могло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом.
Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) – пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.
Расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40%; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.
Металлы, особенности атомно-кристаллического строения
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.
Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определ¨нным набором свойств:
· «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объ¨му металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.
Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определ¨нным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая реш¨тка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Элементарная ячейка – элемент объ¨ма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
размеры р¨бер элементарной ячейки. a, b, c – периоды реш¨тки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определ¨нными. ·
· углы между осями ().
координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке. ·
базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки. ·
плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74) ·
Рис.1.1. Схема кристаллической решетки
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек; ·
· базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр; ·
гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней ·
Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
Основными типами кристаллических реш¨ток являются:
1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )
2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, )
3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
o простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
o плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Понятие об изотропии и анизотропии
Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим располохением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны
В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией
Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.
Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.
Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.
Д ля обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.
Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б)
Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо:
установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки; ·
взять обратные значения этих величин; ·
привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел. ·
Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а.
Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости,параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110)
Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:
одну точку направления совместить с началом координат; ·
установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки ·
привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыж чисел. ·
Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобкаж [111]
В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют теже индексы [hkl].
Аллотропия или полиморфные превращения.
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
Магнитные превращения
Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.
При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определ¨нной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – ). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.
Лекция по Химии на тему "Металлы"
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?
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 Ме 0 – nе = Ме n+ . 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 – А t , 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
Число электронов на внешнем слое
У элементов – металлов побочных подгрупп свойства чуть-чуть другие.
В побочных подгруппах ( Cu , Ag , Au ) – активност ь 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
2Mg 0 +O2 0 —>2Mg 2+ O 2- (оксид магния)
Fe 0 +S 0 —>Fe 2+ 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
2Li 0 +2H2 + O 2– —> 2Li + O 2- H + + H2 0
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 → Zn 2+ Cl2 - +H20
Г) Взаимодействие с растворами солей. При этом соблюдаются следующие условия
· Металл должен находиться в ряду напряжений левее металла, образующего соль;
· Для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они взаимодействуют с водой в растворе соли;
Fe 0 +Cu 2+ Cl2 – →Fe 2+ Cl2 – +Cu 0
Д) Взаимодействие со щелочами (только амфотерные)
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.
2Al 0 + Fe 2 O 3 = Al 2 O 3 +2 Fe 0
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:
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 → Сu 2 + 2Сl -
Катод (восстановление): Сu 2+ - 2е - = Сu 0
Конспект лекции по теме "Металлы - особенности строения атомов, способы получения и свойства" дисциплины ОУД.10 Химия, специальности Фармация, СПО
Более 80% известных элементов образуют простые вещества — металлы. К ним относятся s -элементы I и II групп (исключение — водород), все d - и f - элементы, а также р-элементы III группы (кроме бора), IV группы (олово, свинец), V группы cурьма, висмут) и VI группы (полоний).
Особенности строения атомов металлов:
♦ небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (как правило, один-три электрона). Исключение — атомы р-элементов IV-VI групп;
♦ малые заряды ядер и большие радиусы атомов по сравнению с атомами неметаллов данного периода;
♦ сравнительно слабая связь валентных электронов с ядром;
♦ низкие значения электроотрицательности.
В связи с этим атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, т. е. м еталлы - восстановители.
Однако способность отдавать электроны проявляется у металлов неодинаково. В периодах с увеличением зарядов ядер атомов уменьшаются их радиусы, увеличивается число электронов на внешнем уровне и усиливается связь валентных электронов с ядром. Поэтому в периодах слева направо восстановительная способностъ атомов металлов уменьшается.
В главных подгруппах с возрастанием атомных номеров элементов увеличиваются радиусы их атомов и уменьшается притяжение (валентных электронов к ядру. Поэтому в главных подгруппах сверху вниз восстановительная активность атомов металлов возрастает. Следовательно, наиболее активными восстановителями являются щелочные и щелочно-земельные металлы.
Только некоторые металлы (золото, платина) находятся в природе в виде простых веществ (в самородном состоянии). Металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений между оловом и золотом, встречаются как в виде простых веществ, так и в составе соединений. Большинство же металлов находятся в природе в виде соединений — оксидов, сульфидов, карбонатов и т. д. Распространенность металлов в природе уменьшается в ряду:
Содержание в земной коре (массовая доля, %) уменьшается
Получение металлов из их соединений — задача металлургии. Металлургия — наука о промышленном получении металлов из природного сырья. Различают черную (производство железа и его сплавов) и цветную (производство всех остальных металлов сплавов) металлургию. Любой металлургический процесс является процессом восстановления ионов металла различными восстановителями:
Me n + + пе - = Me
В зависимости от условий проведения процесса восстановления различают несколько способов получения металлов.
2. Способы получения металлов
Пирометаллургия — восстановление безводных соединений при высокой температуре
С или СО (карботермия)
Сульфиды предварительно обжигают:
2 = 2 ZnO + 2 S 02
ZnO + С = Zn + 2СО
Fe, Cu, Pb, Sn, Cd, Zn
Mn, Cr, W, Mo, Ti, V
H 2 (водородотермия)
Оксиды активных металлов (МgО, СаО, А1203 и др.) водородом не восстанавливаются
Cu, Ni, W, Fe, Mo, Cd, Pb
Электрометаллургия – восстановление электрическим током
2 1
электролиз 2 Na + Cl 2
Щелочные металлы, Be , Mg , Ca (из расплавленных хлоридов), Al – из расплавленного оксида
К Ni 2+ + 2е - = Ni 2
А 2Н2О - 4е - = O 2 + 4Н + 1
4 + 2Н2О электролиз 2 Ni + О2 + Н2 SO 4
Гидрометаллургия – восстановление из растворов солей
Металл, входящий в состав руды, переводят в раствор, затем восстанавливают более активным металлом:
Задания для самостоятельной работы
1. Атому магния в степени окисления +2 соответствует электронная конфигурация:
а ) 1s 2 2s 2 2 р 6 3s 2 3 р 6 ; в ) 1s 2 2s 2 2 р 4 ;
б) 1 s 2 2 s 2 2р 6 ; г ) 1 s 2 2 s 2 2р 6 3 s 2 ;
2. При частичном восстановлении водородом 30 г оксида кобальта. В получили смесь оксида и металла массой 26,8 г. Определите количество вещества водорода, вступившего в реакцию, и массовую долю кобальта в полученной смеси.
3. При электролизе раствора сульфата меди ( II ) в растворе образовалась кислота (около анода), на нейтрализацию которой затрачен раствор объемом 16 см (р = 1,05 г/см 3 ) с массовой долей гидроксида калия 6%. Вычислите массу меди, которая выделилась на катоде.
4. Для восстановления марганца из оксида марганца(1\/) путем алюмотермии было смешано 10,8 г алюминия и 26,2 г оксида. Определите, какое из исходных веществ осталось и какова его масса.
3. Физические свойства металлов
Все металлы обладают металлической кристаллической решеткой, особенности которой определяют их общие физические и механические свойства.
Общие свойства металлов:
1). Все металлы являются твердыми веществами, за исключением ртути.
2). Металлический блеск и непрозрачность металлов — результат отражения световых лучей.
3). Электро- и теплопроводность обусловлены наличием в металлических решетках свободных электронов.
С повышением температуры электропроводность металлов уменьшается, а с понижением температуры — увеличивается. Около абсолютного нуля для многих металлов характерно явление сверхпроводимости.
4). Металлы обладают ковкостью и пластичностью. По определению М. В. Ломоносова, «металлом называется светлое тело, которое ковать можно». Металлы легко прокатываются в листы, вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, штамповке, прессованию.
Специфические физические свойства металлов:
1). по значению плотности металлы делят на легкие (плотность меньше 5 г/см 3 ): Na , Са , Mg , Al , Ti — и тяжелые (плотность больше 5 г/см 3 ): Zn , Cr , Sn , Mn , Ni , С u , Ag , Pb , Hg , Аи, W , Os - самый тяжелый ;
2). по значению температуры плавления — на легкоплавкие ( t пл < 1000 °С): Hg , Na , Sn , Pb , Zn , Mg , Al , Ca , Ag — и тугоплавкие ( t пл > 1000 ° C ): Au , Cu , Mn , Ni , Fe , Ti , Cr , Os , W - самый тугоплавкий;
3). из металлов самые мягкие — щелочные (их можно резать ножом), самый твердый — хром (царапает стекло).
4). по отношению к магнитным полям металлы подразделяют на три группы:
а) ферромагнитные — способны намагничиваться под действием даже слабых магнитных полей ( Fe , Со, Ni );
б) парамагнитные — проявляют слабую способность к намагничиванию даже в сильных магнитных полях ( Al , Cr , Ti );
в) диамагнитные — не притягиваются к магниту ( Sn , С u , Bi ).
4. Химические свойства металлов
Если атомы большинства неметаллов могут как отдавать, так и присоединять электроны, проявляя окислительно-восстановительную двойственность, то атомы металлов способны только отдавать валентные электроны, проявляя восстановительные свойства: Me - пе - = Me п+ (окисление)
Как восстановители металлы взаимодействуют с неметаллами, водой, растворами щелочей, кислот и солей.
1). Взаимодействие металлов с простыми веществами — неметаллами
Металлы при определенных условиях взаимодействуют с неметаллами, например с кислородом образуют оксиды:
Из щелочных металлов только литий сгорает на воздухе с образованием оксида:
Основной продукт окисления натрия — пероксид:
При горении других щелочных металлов образуются супероксиды, например:
Оксиды натрия и калия могут быть получены при нагревании смеси пероксида с избытком металла в отсутствие кислорода:
На реакции пероксида натрия с оксидом углерода (1 V ) основана регенерация воздуха в изолированных помещениях (например, на подводных лодках):
Читайте также: