Объясните причину общности свойств металлов
Образовательная - рассмотреть положение металлов в системе элементов Д.И. Менделеева, познакомить учащихся 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 учащихся и их умение прогнозировать физические свойства металлов на основе их строения.
Воспитательная - способствовать развитию познавательного интереса учащихся к изучению химии,
- Учащиеся 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.
- коллекция металлов и сплавов; таблицы "Виды химической связи", "Типы кристаллических решеток" и "Общие физические свойства металлов",
- две стеклянные пластинки и вода для проведения опыта.
Ход урока
I. Организационный момент
(учитель знакомит учащихся с темой урока, записанной на доске, планом проведения урока).
II. Новый материал
Учитель задает вопросы учащимся:
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?
Учащиеся 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.
Учитель демонстрирует таблицу "Виды химической связи", задает вопрос учащимся: в чем сходство и различия между металлической связью и ковалентной? Между металлической и ионной? (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". С ионной связью металлическая сходна наличием ионов, но в металлической положительные ионы удерживаются "электронным газом", а в ионной - положительными ионами).но нтные электроны находятся в общем пользовани,еми положительными ю ко всем свободным
Учитель 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).
Учитель: 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?
Учащиеся называют: электропроводность, теплопроводность, металлический блеск, твердость, пластичность.
Учитель: Как можно объяснить наличие общих физических свойств у такого большого числа разнообразных простых веществ?
-Учащиеся делают вывод: причина в особенностях металлической связи, структуре кристаллов металлического типа.
Учитель демонстрирует таблицу "Общие физические свойства металлов"
Учитель: 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).
Учитель: 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 учащихся, 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.
(Общие физические свойства металлов обобщены в таблице, которая должна быть на доске или спроецирована через проектор. Можно распечатать и раздать таблицу каждому ребенку до начала урока, чтобы он воспользовался ею при изучении нового материала - это позволит сэкономить время при объяснении, при выполнении заданий и при подготовке к следующему уроку).
Учитель: Так как разные металлы имеют сходные металлические связи, а в ряде случаев образуют сходные металлические кристаллы, то многие из них при переходе в расплавленное состояние могут смешиваться друг с другом и образовывать сплавы. Сплавы могут образовывать и атомы металлов с неметаллами. Сплавы обладают другими, более разнообразными свойствами, по сравнению с металлами в них входящими. Так, медь, олово и цинк - мягкие металлы, сплав же на их основе - бронза - очень твердый. Третник - сплав олова со свинцом используют при паянии, т.к. он имеет низкую температуру плавления. Наиболее распространенные сплавы металла и неметалла - чугун и сталь.
Исключительное значение имеют сплавы золота. Ведь чистое золото мягкое, его прочность невелика, оно легко истирается; например, монета из чистого золота при обращении теряет каждое столетие пятую часть своего веса. Добавка меди в золото делает его твердым и упругим. О количестве золота в ювелирном изделии расскажет его проба. Проба 583 указывает, что сплав содержит 58,3% золота, или 583 г в 1000г сплава.
Самостоятельная работа учащихся с учебником: Найдите в тексте учебника ответ на вопрос, почему отличаются свойства металлов, входящих в сплав и свойства сплава?
После выполнения - обсуждение: причина в различии размеров ионов у металлов, входящих в сплав, из-за чего изменяется структура металла, ионы раздвигаются или сжимаются.
III. Закрепление нового материла
1. Где в Периодической системе Д.И. Менделеева располагаются металлы?
2. В чем существенное отличие в строении атомов металлов от неметаллов?
3. Перечислите общие физические свойства металлов.
4. Почему металлы обладают сходными физическими свойствами?
5. Назовите самый пластичный металл, самый электропроводный, самый твердый.
6. От чего зависит степень проявления каждого из физических свойств у разных металлов?
7. Почему возможно образование сплавов?
8. Почему сплавы отличаются по свойствам от исходных металлов? Приведите примеры.
IV. Домашнее задание п. 21.2 (учебник Л.С. Гузея до темы "Коррозия")
- В чем различие между металлической, ковалентной и ионной химическими связями?
- Почему соединения с ковалентной связью не проводят электрического тока, а соединения с металлической связью ток проводят?
(При подготовке использовать таблицу "Общие физические свойства металлов")
Используемая литература
2. "Энциклопедия школьника. Неорганическая химия" гл.ред. И.П.Алимарин - М., "Советская энциклопедия" 1975.
3. "Химия. Справочные материалы" под ред. Ю.Д. Третьякова - М.,"Просвещение", 1989.
Общность физических свойств металлов
Задача 757.
Чем обусловлена общность физических свойств металлов? Охарактеризовать эти свойства.
Решение:
Общность физических свойств металлов обусловлена их строением кристаллической решётки. Структурной
единицей кристаллической решётки металла является атом. Кристаллические решётки металлов образуются положительно заряжёнными катионами, которые «погружены» в электронный газ. Валентные электроны в пределах металлического кристалла перемещаются почти свободно. Электронный газ компенсирует силы отталкивания положительных ионов и является причиной термодинамической и механической устойчивости металлического состояния.
Представление об электронном газе позволяет объяснить специфические свойства металлического состояния: электропроводность, теплопроводность, металлический блеск. Электроны электронного газа легко перемещаются в металле под действием разности потенциалов, Высокая теплопроводность металлов обусловлена способностью электронов переносить кинетическую энергию. Металлический блеск есть следствие способности электронного газа хорошо отражать световые волны.
Пластичность металлов – проявление лёгкости изменения многоцентровых связей. Многоцентровый характер связей придаёт металлам способность легко перестраивать свои кристаллические решётки с сохранением большого числа таких связей. При повышении температуры в большинстве металлов происходит перестройка кристаллов, их структуры решётки.
Высокие или низкие температуры плавления и кипения металлов определяются прочностью металлической связи. Мерой прочности связей в металлах служит энергия атомизации – энергия, необходимая для превращения 1 моль металла в атомный пар. Эта энергия изменяется от 76,6 кДж/моль у цезия до 851 кДж/моль у вольфрама.
Металлы обладают ковкостью, т.е. способностью вытягиваться в проволоку, тонкую нить. При этом кристаллическая решётка металла не разрушается, связь между катионами сохраняется, и металл сохраняет свою структуру.
Особенности строения металлов в кристаллическом состоянии.
Задачи 758.
На основе метода молекулярных орбиталей (МО) объяснить особенности строения металлов в кристаллическом состоянии.
Решение:
Металлы обладают высокой электрической проводимостью, причем переносчиками тока в металлах служат электроны. Это говорит о том, что в металлах имеются «свободные» электроны, способные перемещаться по кристаллу под действием даже слабых электрических полей.
В то же время неметаллы в кристаллическом состоянии обычно представляют собою изоляторы и, следовательно, не содержат свободных электронов. Причины этих различий можно объяснить на основе метода молекулярных орбиталей (метод МО).
Согласно методу МО при взаимодействии двух одинаковых атомов вместо двух энергетически равноценных исходных атомных орбиталей образуются две молекулярные орбитали, отвечающие различным уровням энергии. Если взаимодействуют три атома, причем их валентные орбитали заметно перекрываются, то возникают не две, а три молекулярные орбитали, в равной степени принадлежащие всем трем атомам (делокализованные орбитали) характеризующиеся тремя различными значениями энергии. При последовательном увеличении числа взаимодействующих атомов добавление каждого из них приводит к образованию еще одного энергетического уровня и к дальнейшей делокализации молекулярных орбиталей (т. е. к распространению их на большее число атомов); общее число энергетических уровней будет при этом равно числу взаимодействующих атомов. Схема подобного процесса представлена на рис. 1.
Рис. 1. Изменение энергий молекулярных орбиталей
При увеличении числа реагирующих атомов
Как показывает эта схема, с ростом числа атомов возрастает число разрешенных энергетических состояний, а расстояния между соседними энергетическими уровнями уменшаются. При небольшом числе взаимодействующих атомов для перевода электрона с какого-либо энергетического уровня на ближайший более высокий уровень необходима затрата сравнительно большой энергии. Но при большом числе атомов N (в макроскопическом кристалле N имеет порядок числа Авогадро) соседние уровни настолько мало различаются, что образуется практически непрерывная энергетическая зона, и переход электрона на ближайший более высокий уровень может осуществиться при затрате ничтожно малой энергии. Если такой ближайший уровень не занят электронами, то находящийся на предшествующем уровне электрон ведет себя как вследствие делокализованности орбиталей он может перемещаться по кристаллу при сколь угодно малых энергетических воздействиях. Ширину запрещенной зоны определяет тип кристалла: металла, полупроводника или диэлектрика рис. 2.
Заполнение электронами МО, составляющих энергетическую зону, происходит в порядке последовательного возрастания энергии. При этом, в соответствии с принципом Паули, на каждой МО может размещаться по два электрона.
Соответственно в s- зоне может быть не более 2N электронов, в р-зоне — не более 6N электронов, а в d-зоне — не более 10N электронов.
Зона, полностью заполненная электронами, называется валентной. Зона, свободная от электронов и находящаяся по энергии выше валентной зоны, называется зоной проводимости. Валентная зона и зона проводимости могут либо перекрываться, либо не перекрываться друг с другом. Если эти зоны не перекрываются друг с другом, то между ними существует запрещенная зона с шириной.
Рис. 2. Зонная структура металла.
У металлов валентные зоны и зоны проводимости перекрываются. Так, у s - и р-металлов перекрываются внешние s- и р-орбитали. Так как число электронов на этих орбиталях меньше удвоенного числа МО, то имеется большое число незанятых МО в зоне проводимости. Энергии МО в зоне проводимости относительно мало отличаются друг от друга, поэтому электроны при очень незначительных возбуждениях легко переходят с одной МО на следующую МО, что и обеспечивает электрическую проводимость и теплопроводность. При повышении температуры все большее число электронов переходит на вакантные МО в зоне проводимости, что приводит к уменьшению числа вакантных МО и соответственно к снижению электрической проводимости. У d-элементов происходит перекрывание ns-, np- и (n-1)d-зон. Однако d-зона относительно неширокая, поэтому можно считать, что часть d-электронов в металлах локализованы, т.е. образуются ковалентные связи между соседними атомами и обусловливают повышение температуры плавления и механической прочности d-элементов и особенно элементов в середине и в конце периодов (IV-VIII групп).
Способы добывания металлов из руд
Задача 759.
Указать важнейшие способы добывания металлов из руд.
Решение:
а) Важнейший способ добывания металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углём или оксидом углерода (II):
Например, выплавка чугуна производится восстановлением железных руд оксидом углерода (II):
б) При переработке сульфидных руд сначала переводят сульфиды в оксиды путём обжига, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем, например:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2;
ZnO + C - Zn + CO↑.
в) Гидрометаллургические методы извлечения металлов из руд в виде их соединений водными растворами с различными реагентами и с последующим извлечением металла из раствора. Например, извлечение золота из руд с помощью растворов цианидов калия или натрия (1987 год П. Р. Багратион):
Из полученного раствора золото выделяют цинком:
г) Метод восстановления оксидов металлов сильными восстановителями. Для металлов не восстанавливаемых ни углём, ни СО, применяются более сильные восстановители как-то водород, магний, алюминий, кремний и др. Восстановление металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией, например:
д) Метод электролиза. Электролизом получают металлы, оксиды которых очень прочны (алюминий, магний и др.), получают электролизом расплавов их руд. Для получения щелочных металлов используют электролиз расплавов солей, например, электролизом расплава сильвинита можно получить калий.
е) Метод обжига руды. Для получения некоторых металлов используют метод обжига руды. Например, получение ртути из киновари:
Химические и физические свойства элементов
Задача 777.
Чем объяснить сходство химических свойств лантаноидов?
Решение:
Семейство лантаноидов (или лантанидов) состоит из четырнадцати f – элементов с порядковыми номерами от 58 до 71, сходны по своим химическим и физическим свойствам друг к другу. Сходство их химических свойств можно объяснить отсутствием у атомов существенных различий в структуре внешнего и предвнешнего электронных слоёв. Характерной особенностью построения электронных оболочек атомов лантаноидов является то, что при переходе к последующему f – элементу (от Ce до Lu) новый электрон занимает место не во внешнем (n = 5), а в ещё более глубоко расположенном третьем снаружи электронном слое (n = 4). Заполнение 5d – подуровня, начатое у лантана, возобновляется у гафния (Z = 72) и заканчивается у ртути (Z = 80).
Электронная структура атома церия может быть представлена формулой:
+58Сe1s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 2 5s 2 5p 6 5s 2
Далее у каждого последующего лантаноида до иттербия (Z = 70) происходит заполнение f–подуровня очередным электроном, а у атома лютеция (Z = 71) появляется электрон на 5d-подуровне.
Свойства молибдена
Задача 778.
С каким элементом более сходен молибден по свойствам с селеном или с хромом? Чем это объясняется?
Решение:
Наружный электронный слой атома молибдена содержит один s – электрон, атом хрома тоже содержит один s – электрон на наружном электронном слое, а у атома селена содержится шесть электронов (два s – и четыре р – электрона). Содержание по одному электро-ну на внешнем электронном уровне у атомов молибдена и хрома, естественно, сходство их свойств (металлические свойства) и отличие этих элементов от элементов главной подгруппы VI-й группы, в том числе от селена. Электронная конфигурация атомов молибдена и хрома имеет вид: …nd 5 ns 1 , а атома селена: …ns 2 np 4 .
Максимальная степень окисления молибдена равна +6, так как, помимо наружных электронов, в образовании связей может участвовать ещё пять неспаренных электронов с 4d – подуровня, точно также проявляет себя и атом хрома. Молибден и хром образует связи, только отдавая электроны, в то время как атом селена образует связи за счёт s- и р - электронов. К тому же атом селена может проявлять степень окисления -2, т.е. проявляет себя как типичный неметалл.
Свойства свинца и олова
Задача 779.
Исходя из положения элементов в периодической системе, определить: а) у какого из гидроксидов — Sn(OH)2 или РЬ(ОН)2 более выражены основные свойства; б) какая из солей гидролизуется в большей степени: станнат натрия или плюмбат натрия; в) какой из оксидов является более сильным окислителем: SnO2 или РЬО2?
Решение:
а) Исходя из положения элементов в периодической системе, более выражены основные свойства у Pb(OH)2, чем у Sn(OH)2, так как в группах с ростом зарядов ядра атомов кислотные свойства гидроксидов уменьшается, а основные – усиливаются. Pb(OH)2, и Sn(OH)2 – амфотерные гидроксиды, но основные свойства более выражены у Pb(OH)2, чем у Sn(OH)2.
б) Так как в группах с ростом заряда атомных ядер кислотные свойства гидроксидов уменьшаются, то кислота H2PbO3 будет слабее кислоты H2SnO3, поэтому плюмбат натрия гидролизуется в большей степени, чем станат натрия. Гидролиз Na2PbO3, как соли сильного основания и слабой кислоты протекает по аниону:
или в молекулярной форме:
в) В группах с ростом зарядов атомов элементов окислительные свойства оксидов и гидроксидов уменьшаются, поэтому SnO2 более сильный окислитель, чем PbO2.
Химические свойствыа франция
Задача 780. Какими химическими свойствами обладает искусственно полученный элемент с порядковым номером 87? С каким из элементов периодической системы он наиболее сходен?
Решение:
Искусственно полученный элемент с порядковым номером 87 (франций) на внешнем электронном слое имеет один электрон (7s 1 ). Имея на внешнем электронном слое только один электрон, находящийся на сравнительно большом удалении от ядра. Атом этого элемента довольно легко отдаёт свой единственный валентный электрон, т.е. характеризуется низкой энергией ионизации (I = 0,280 эВ). Образующийся при этом однозарядный ион имеет устойчивую электронную структуру благородного газа (атома радона). Лёгкость отдачи внешнего электрона характеризует этот элемент как наиболее типичный представитель металлов. Подобное строение имеют щелочные металлы, из которых наиболее сходен с францием цезий.
Химические свойства металлов с примерами
Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются восстановителями. Металлы взаимодействуют с простыми веществами: Са + С12 - СаС12, Активные металлы реагируют с водой: 2Na + 2Н20 = 2NaOH + H2f. Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов до водорода, взаимодействуют с разбавленными растворами кислот (кроме HN03) с выделением водорода: Zn + 2НС1 = ZnCl2 + H2f.
Металлы реагируют с водными растворами солей менее активных металлов: Ni + CuS04 = NiS04 + Си J. Металлы реагируют с кислотами-окислителями: С. Способы получения металлов Современная металлургия получает более 75 металлов и многочисленные сплавы на их основе. В зависимости от способов получения металлов различают пирогидро- и электрометаллургию. ГГ) Пирометаллургия охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах.
В качестве восстановителей применяют уголь, активные металлы, оксид углерода (II), водород, метан. Cu20 + С - 2Си + СО, t° Cu20 + СО - 2Cu + С02, t° Сг203 + 2А1 - 2Сг + А1203, (алюмотермия) t° TiCl2 + 2Mg - Ti + 2MgCl2, (магнийтермия) t° W03 + 3H2 = W + 3H20. (водородотермия) |Ц Гидрометаллургия — это получение металлов из растворов их солей. Например, при обработке разбавленной серной кислотой медной руды, содержащей оксид меди (И), медь переходит в раствор в виде сульфата: CuO + H2S04 = CuS04 + Н20.
Затем медь извлекают из раствора либо электролизом, либо вытеснением с помощью порошка железа: CuS04 + Fe = FeS04 + Си. [з] Электрометаллургия — это способы получения металлов из их расплавленных оксидов или солей с помощью электролиза: электролиз 2NaCl — 2Na + Cl2. Вопросы и задачи для самостоятельного решения 1. Укажите положение металлов в периодической системе Д. И. Менделеева. 2. Покажите физические и химические свойства металлов.
3. Объясните причину общности свойств металлов.
4. Покажите изменение химической активности металлов главных подгрупп I и II групп периодической системы. 5. Каким образом изменяются металлические свойства у элементов II и III периодов? Назовите самый тугоплавкий и самый легкоплавкий металлы. 7. Укажите, какие металлы встречаются в природе в самородном состоянии и какие — только в виде соединений. Чем это можно объяснить? 8. Какова природа сплавов? Как состав сплава влияет на его свойства. Покажите на конкретных примерах.
Возможно вам будут полезны данные страницы:
Укажите важнейшие способы получения металлов из руд. 10l Назовите разновидности пирометаллургии. Какие восстановители используют в каждом конкретном способе? Почему? 11. Назовите металлы, которые получают с помощью гидрометаллургии. В чем сущность и каковы преимущества данного метода перед другими? 12. Приведите примеры получения металлов с помощью электрометаллургии. В каком случае используют этот способ? 13. Каковы современные способы получения металлов высокой степени чистоты?
14. Что такое «электродный потенциал»? Какой из металлов имеет наибольший и какой — наименьший электродные потенциалы в водном растворе? 15. Охарактеризуйте ряд стандартных электродных потенциалов? 16. Можно ли вытеснить металлическое железо из водного раствора его сульфата с помощью металлического цинка, никеля, натрия? Почему? 17. Каков принцип работы гальванических элементов? Какие металлы могут в них использоваться?
| 18. Какие процессы относятся к коррозионным? |
Какие виды коррозии вам известны? 19. Что называется электрохимической коррозией? Какие способы защиты от нее вам известны? 20. Как влияет на коррозию железа его контакт с другими металлами? Какой металл будет разрушаться первым на поврежденной поверхности луженого, оцинкованного и никелированного железа? 21. Какой процесс называют электролизом? Напишите реакции, отражающие процессы, происходящие на катоде и аноде при электролизе расплава хлорида натрия, водных растворов хлорида натрия, сульфата меди, сульфата натрия, серной кислоты.
22. Какую роль играет материал электродов при протекании процессов электролиза? Приведите примеры процессов электролиза, протекающих с растворимыми и нерастворимыми электродами. 23. Сплав, идущий на приготовление медных монет, содержит 95 % меди. Определите второй металл, входящий в сплав, если при обработке однокопеечной монеты избытком соляной кислоты выделилось 62,2 мл водорода (н. у.). алюминий. 24. Навеска карбида металла массой 6 г сожжена в кислороде.
При этом образовалось 2,24 л оксида углерода (IV) (н. у.). Определите, какой металл входил в состав карбида. 25. Покажите, какие продукты выделятся при электролизе водного раствора сульфата никеля, если процесс протекает: а) с угольными; б) с никелевыми электродами? 26. При электролизе водного раствора медного купороса на аноде выделилось 2,8 л газа (н. у.). Какой это газ? Что и в каком количестве выделилось на катоде? 27. Составьте схему электролиза водного раствора нитрата калия, протекающего на электродах. Чему равно количество пропущенного электричества, если на аноде выделилось 280 мл газа (н. у.)? Что и в каком количестве выделилось на катоде?
Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔
Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.
Общие свойства металлов
Цель урока: сформировать понятие о металлах как группе элементов, вещества которых проявляют общие свойства, обусловленные сходством строения.
1) закрепить знания о положении металлов в периодической системе, характерных особенностях строения атомов больших и малых периодов;
2) познакомить с металлической связью, типами кристаллических решеток металлов и на основании этого выяснить причину особых физических свойств металлов;
3) познакомить со способностью металлов образовывать сплавы, рассмотреть свойства отдельных сплавов и их отличия от чистых металлов.
Развивающие: развить умения делать выводы о свойствах на основе строения, а также развитие способности анализировать и сравнивать.
Воспитательные: вызвать интерес у учащихся к огромной роли металлов в жизни человека и в развитии народного хозяйства.
Оборудование: образцы различных металлов и изделия из них.
- коллекция “металлы и сплавы”.
- компьютер, проектор, экран.
Основные понятия: окислитель, восстановитель, элемент, простое вещество, степень окисления, период, ряд, группа, подгруппа, типы химической связи, металлическая связь, кристаллические решетки металлов.
1. Организационный момент.
Сегодня на уроке ребята мы с вами начнем изучение нового материала, а именно рассмотрим положение металлов в периодической системе, рассмотрим особенности строения их атомов и кристаллических решеток, а также поговорим о физических свойствах металлов и рассмотрим понятие сплавы.
2. Краткая вступительная беседа о практической важности металлов в жизни человека. Огромное значение металлов в нашей жизни. Георг Агрикола (ученый 16 века) писал: Человек не может обойтись без металлов….если бы не металлы человек влачил бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей. Ломоносов также посвятил металлам вдохновенные строки: металлы подают укрепление и красоту важнейшим вещам, в обществе потребным. Ими защищаемся от нападения неприятеля, ими утверждаются корабли и силою их связаны. Металлы служат нам в уловлении земных и морских животных для пропитания нашего… и кратко сказать ни едино художество, ни едино ремесло простое употребление металлов миновать не может. Давайте же познакомимся с ними поближе и взглянем на периодическую систему Менделеева.
І. Положение металлов в периодической системе Менделеева.
На экране таблица размещения неметаллов в периодической системе химических элементов .
Получается, что металлов в периодической системе больше, чем неметаллов. С чем же это связано спросите вы у меня, и я отвечу, что это связано с особенностями строения атомов металлов.
У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно находится от 1 до 3-4 электронов. С 4-го периода начинается заполнение предвнешнего d – подуровня, начиная со скандия (Sc), при этом на внешнем уровне остается 2 электрона, реже 1, если наблюдается провал электрона .
Значит, делаем вывод, что свойства металлов у этих элементов присутствуют. Такая же закономерность наблюдается и у атомов 6 периода. Таким образом, все элементы побочной подгруппы это металлы, причем четный ряд в больших периодах – металлы, а нечетный ряд – неметаллы.
Особенностью строения атомов металлов является небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (от одного до трех). Следовательно, атомы металлов в отличие от атомов неметаллов легко отдают наружные электроны, т.е. являются сильными восстановителями, они проявляют только положительные степени окисления от +1 до +3. Давайте посмотрим, как изменяются свойства металлов в периодах и группах. Итак, в группе сверху вниз R атома увеличивается, следовательно, способность притягивать электроны меньше, а металлические свойства усиливаются. В периоде R атома уменьшается, следовательно, способность притягивать к себе электроны выше и металлические свойства ослабевают. Таким образом, наибольшие металлические свойства выражены у щелочных металлов, у которых радиус наибольший. Как вы думаете, почему у неметаллов больше различия в свойствах, чем у металлов?
ІІ. Нахождение металлов в природе.
На экране таблица. Металлы содержатся в ядре Земли и в земной коре, в воде рек, озер, океанов, в организмах животных и растений. Самым распространенным металлом в земной коре является AI, за ним следует Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti. Содержимое остальных металлов незначительно. Так, например, в земной коре хрома Cr всего лишь 0,3%; Ni – 0,2%, Cu – 0,01%. Металлы встречаются как в свободном виде, как и в виде соединений. В свободном виде существуют химически малоактивные металлы (Cu, Ag, Au, Pt). Это так называемые самородные металлы, которые встречаются в виде отдельных кусков, зерен, вкраплений в горные породы. Но в основном металлы встречаются в виде солей (NaCI, Na NO3, CaCO3), а металлы средней активности в виде оксидов и сульфидов .
ІІІ. Металлы – простые вещества. Металлическая связь. Кристаллическое строение атомов.
Металлов в природе больше оттого, что у них у всех одинаковое строение кристаллической решетки и один тип химической связи. Это и придает им ряд общих свойств. Это отличает металлы от неметаллов, которым присуще больше различие свойств, чем их общность. В виде простого вещества атомы металлов связаны между собой, так называемой металлической связью. У металлов, особенно щелочных, валентные электроны связаны с атомами слабо и при отрыве затрачивается сравнительно немного энергии. При этом возникают ионы, имеющие устойчивый электронный слой из 8 электронов. Поэтому металлы как в твердом, таки в жидком состоянии существуют в виде ионов, между которыми в хаотичном движении находятся электроны, получившие условное название электронного газа. Ионы при столкновении с электронами на некоторое время превращаются в атомы. Таким образом, твердый металл представляет собой каркас из положительных ионов, атомов, погруженных в море подвижных электронов .
Металлическая связь – это химическая связь, образующаяся в результате электростатического притяжения между ионами и обобществленными электронами, принадлежащим не отдельным атомам, а всему кристаллу в целом.
А теперь давайте вспомним, какие виды химической связи вам уже известны. В чем суть ковалентной и ионной связи, рисуем электронные формулы молекул хлора и хлороводорода. Подведем итоги: что общего и в чем отличие металлической связи от ковалентной?
Сходство: валентные электроны находятся во взаимном пользовании атомов.
Различие: металлическая связь не является локализованной, электроны связывают не пару атомов, а принадлежат одновременно всем атомам данного металлического тела. На экране схема по различным типам связи (на дискете).
- Кубическая объемно-центрированная решетка. Атомы металла находятся в вершинах и центре куба. Каждый атом окружен восьмью атомами. Такую решетку имеют: Na, K, Li, Ba, Cr, Mo, W, V .
- Кубическая гранецентрированная. Атомы металла расположены по вершинам и граням куба: Ca, Cu, Sr, Ag, Fe, Co, Al, Au, Pt, Sb, Ni, Pb .
- Гексагональная (шестиугольная) плотно упакованная решетка. Она встречается у Zn, Mg, Be, Ti, Cd .
В зависимости от типа решетки атомы занимают в ней больше или меньше места. Например, в кубической объемно-центрированной решетки атомы занимают 68% пространства, а в кубической гранецентрированной 74 %. На экране схемы кристаллических решеток. Некоторые металлы Fe, Sn могут существовать в разных кристаллических решетках в зависимости от условий (явлений полиморфизма).
ІV. Физические свойства металлов.
Металлическая связь и особенности кристаллического строения обуславливают особые физические свойства металлов.
1. Агрегатное состояние. Все металлы твердые вещества, за исключением ртути и франция. А как вы думаете, почему так? Если не могут ответить сразу, на вопрос можно предложить ответить дома, используя дополнительную литературу.
В ртути присутствует некоторое количество молекул Hg с ковалентными связями, между собой они связаны слабыми вандерваальсовыми силами.
2. Металлический блеск. Электроны, заполняющие межатомное пространство, отражают лучи видимого спектра. Это вызывает непрозрачность и блеск металла. Как вы думаете, у какого элемента эта способность наибольшая и где она применяется?
В наибольшей степени эта способность проявляется у серебра и индия, поэтому эти металлы нашли применение при изготовлении зеркал. Металлы имеют блеск только в компактной форме, а в мелкораздробленном виде все металлы, кроме Mg u Al, черного или серого цвета. У немногих неметаллов (Si, I, Se, Te) также имеется некоторый блеск, напоминающий металлический, что связано с наличием некоторого количества электронов.
3. Цвет. Большинство металлов, почти полностью отражая лучи видимого спектра, приобретают серебристо – белый (Ni, Al) или серебристо – серый оттенки (Fe, Pb). Как вы думаете, почему золото желтое, а медь красная? Медь, золото, висмут, поглощают больше зеленые и голубые лучи светового спектра, а потому приобретают соответственно розово – красный, желтый и розовый цвет.
4. Тепло и электропроводность. Случай: пошли всем классом в поход и взяли с собой алюминиевую посуду, чтоб не разбилась, налили в нее чай и решили посидеть у костра, а удержать ее голыми руками не удается. Почему? Быстро нагрелась, как объяснить? Для металлов характерна большая теплопроводность. Свободные электроны, находящиеся в постоянном движении, все время сталкиваются с колеблющимися ионами, обмениваются с ними энергией. Следствием чего является быстрое выравнивание температуры по всей массе тела.
Электропроводность объясняется присутствием в металлах свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов приобретают направленное движение от отрицательного к положительному полюсу. Электрическая проводимость и теплопроводность неодинакова: Как вы думаете, у какого из известных вам металлов электропроводность самая высокая? В ряду Hg, Pb, Fe, Zn, Mg, Al, Au, Cu, Ag она увеличивается.
Электропроводность зависит от температуры: с повышением температуры она понижается. Это объясняется тем, что при повышении температуры колебательное движение ионов, атомов усиливается, и это мешает направленному движению электронов. При температуре абсолютного нуля сопротивление металлов исчезает. Это явление называется сверхпроводимостью. У некоторых неметаллов, относящихся к полупроводникам, электропроводимость с повышением температуры увеличивается, т.к. увеличивается количество свободных электронов вследствие разрыва ковалентных связей. Например, при нагревании бора от комнатной температуры до 800° С его эл. проводимость увеличивается в 2 млн. раз. При снижении температуры, нарушенные ковалентные связи восстанавливаются и, следовательно, количество свободных электронов уменьшается. При низких температурах неметаллы не проводят электрического тока, т.к. у них отсутствуют свободные электроны. В этом коренное отличие между физическими свойствами металлов и неметаллов.
5. Пластичность и ковкость.
Пластичность – это способность тела легко изменять форму под действием внешних сил и сохранять полученную форму, кода эти силы перестают действовать. Пластичность сводится к сдвигу атомно-ионных слоев в решетке металлов относительно друг друга. Поскольку слои связаны между собой электронным газом, то при сдвиге связь не рвется и кристалл не разрушается. Ребята, как вы думаете, какой наиболее пластичный металл?
Наибольшей пластичностью обладает золото. Из него можно раскатать фольгу толщиной 0,001 мм, что в 500 раз тоньше человеческого волоса.
Ковкость – это способность не рассыпаться при ударе. Чем же объясняется ковкость многих металлов (щелочные, золото, медь). И почему некоторые металлы (сурьма, висмут) очень хрупкие? Самые хрупкие металлы находятся в V, VІ, VІІ гр. периодической системы. У атомов этих элементов от 5 до 7 свободных электронов (кроме наружных валентных электронов в электронный газ поступают электроны предвнешнего слоя). Такое большое число электронов сильнее связывает отдельные слои ионов и препятствует их свободному скольжению, пластичность металлов уменьшается.
6. Несмотря на одинаковый вид связи, различные металлы обладают характерными для каждого из них свойствами: температурой плавления, плотностью, твердостью. Эти свойства обусловлены строением атомов, зарядностью, размерами ион-атомов в кристаллической решетке, а также плотностью их упаковки. Давайте вспомним, как изменяется атомная масса и радиус в таблице?
Плотность металлов определяется атомной массой и размерами атома (радиус). Чем больше атомная масса и меньше радиус, тем плотнее металл. Поскольку атомная масса возрастает в периодической системе сверху вниз, а радиусы атомов уменьшаются при движении по ряду в больших периодах, наиболее плотными должны быть металлы побочных подгрупп І и VІІ гр. Действительно к наиболее тяжелым относятся золото, платина, осмий, а к наиболее легким – литий, калий, натрий. Можно сравнить щелочной металл Na и металл побочной группы хром. Металлы имеют один и тот же тип кристаллической решетки (кубическая объемно-центрированная), в наружном слое находится по 1 электрону, но натрий и хром имеют различные атомные массы, радиус, и заряды ионов. В отличие от натрия у хрома в образовании металлической связи, принимают участие еще 5 d - электронов предвнешнего уровня. В связи с этим свойства, указанных металлов резко различны. Na – мягок, легкоплавок, плотность его невелика, Cr – тверд, плотен, имеет высокую температуру плавления. Наименьшую плотность имеют щелочные металлы, например, р лития 0,53 г/см 3 , а наиболее плотными являются металлы VІІІ гр. Плотность осмия 22,6 г/см 3 . Металлы, плотность которых меньше пяти, называются легкими, а больше пяти – тяжелыми .
Металлы обладают различной твердостью. По степени твердости металлы сравнивают с алмазом, твердость которого принята за 10. Наиболее твердым является хром, а наиболее мягкими – щелочные металлы (легко режутся ножом) .
Сильно отличаются металлы и по температуре плавления. Самый легкоплавкий металл – ртуть (температура плавления – 38,8°С, самый тугоплавкий – вольфрам (3380°С). Металлы, плавящиеся при температуре выше 1000°С, называются тугоплавкими, ниже – легкоплавкими .
Чем же объясняется большое различие в плотности, твердости и температуре плавления? Установлено, что чем выше концентрация свободных электронов, тем ярче выражены перечисленные свойства.
В промышленности сложилось разделение металлов на черные и цветные. К черным относятся железо и его сплавы. К цветным: Cu, Zn, Pb, Sn. Особую группу цветных металлов составляют благородные металлы: серебро, золото, рутений, платина, палладий. Эти металлы не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии многих химических веществ. Таким образом, мы рассмотрели основные физические свойства металлов.
С самых древних времен человечество имеет дело не с чистыми металлами, а с их сплавами, обладающими часто такими свойствами, которые не имеют образующие их металлы. Как вы думаете почему? Например, Fe, Al, сравнительно мягкие, а их сплавы с металлами обладают достаточной твердостью. Получение сплавов основано на способности расплавленных металлов растворяться друг в друге, при этом почти всегда они свободно перемешиваются и образуют жидкие системы. При охлаждении расплавленные смеси затвердевают, образуются металлические сплавы с нужными свойствами: легкоплавкие, жаростойкие, кислотостойкие. Сплавы различают по составу и строению. Характер взаимодействия в сплаве зависит от их положения в периодической системе. Составные части могут образовывать либо твердый раствор, либо механическую смесь, либо химическое соединение. Твердые растворы: образуются между металлами одной группы или металлами, радиусы атомов которых мало различаются по размерам (Au-Ag, Ag-Cu, Cu-Ni, Fe-Mn). Чем дальше отстоят элементы друг от друга в таблице, тем меньше их взаимная растворимость, в этом случае образуется механические смеси. Такие смеси неоднородны. Расплавленные металлы при смешивании взаимодействуют друг с другом, образуя химические соединения, называемые интерметаллическими. Эти соединения не прочны, и в них не соблюдается стехиометрическое соотношение компонентов (CaAl5, AlCu3).
Таким образом, способность металлов в расплавленном состоянии не только механически смешиваться, но и образовывать между собой различные соединения – одна из причин, объясняющая, почему сплавы по физическим свойствам так резко отличаются от свойств, составляющих их металлов. Так, например, сплав, состоящий из одной части свинца и двух частей олова, плавится при температуре 180°С, тогда как свинец плавится при 328°С, а олово при 231°С. У бронзы прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа. Помимо большой прочности многие сплавы обладают большой коррозийной стойкостью и твердостью. Также компонентами сплавов могут быть и неметаллы. Например, в состав чугуна входят C, Si, P, S. Помимо понятия сплав вы должны отличать понятие сталь. Различают два вида стали: углеродистая (Fe+ C, S, P, Si) и легированная (Fe, C+ Cr, Ni, W, Mo). Минус углеродистой в том, что она подвергается коррозии, поэтому стали получать легированную, нержавеющую и устойчивую к действию кислот.
Латунь – сплав меди и цинка. Мельхиор – сплав, содержащий около 80% меди и 20% никеля. Дюралюминий – сплав на основе алюминия, содержащей медь, магний, марганец и никель.
Читайте также: