Общая характеристика свойств металлов

Металлы, расположенные в 1–3 группах главных подгрупп, легко отдают свои валентные электроны и принимают электронную конфигурацию ближайшего благородного газа:

12 Mg	1s^22s^22p^6 3s^2	→ Mg^2+	1s2 2s22p6
13 Al	1s^22s^22p^6 3s^23p^1	→ Al^3+	1s2 2s22p6

Свойства s-металлов:

– постоянные валентности или степени окисления (+1 и +2);

– основной характер оксидов, за исключением бериллия.

p-металлы: элементы IIIA (кроме бора B), IVA (германий Ge, олово Sn, свинец Pb) и VA (сурьма Sb и висмут Bi) групп.

Свойства:

– образование химических связей осуществляется s- и p-электронами в процессе их возбуждения и гибридизации орбиталей;

– оксиды p-металлов проявляют амфотерный характер;

– основные оксиды образуют только p-элементы IIIA группы пятого и шестого периодов – индий In и таллий Tl.

	1s^22s^22p^63s^23p^6 3d^84s^2	→ Ni^2+	1s^22s^22p^6 3s^23p^6 3d^8
Ni
Ag	1s^22s^22p^63s^23p^6 3d^104s^1	→ Ag^+	1s^22s^22p^6 3s^23p^63d^10

d -металлы: 30 элементов, расположенных в серединах периодов (IV, V, VI, VII) и достраивающих d-подуровень предпоследнего слоя при уже заполненном внешнем n s-подуровне.

Свойства d -металлы:

– в образовании химических связей у атомов d-металлов могут принимать участие как s-, так и d-электроны. Все d-элементы, кроме Zn и Cd, обладают переменной степенью окисления;

– характер оксидов d-металлов зависит от степени окисления: оксиды низшей степени окисления имеют основной характер, средней - амфотерный, высшей – кислотный.

f -металлы: лантаноиды и актиноиды. У этих элементов достраиваются энергетические подуровни 4f и 5f при заполненном внешнем уровне 6s² и 7s².

Сложное строение электронных оболочек f-металлов сказывается на их свойствах:

– f-металлы проявляют устойчивую степень окисления +3, при возбуждении возможны и более высокие степени окисления;

– f-металлы обладают высоким сродством к кислороду и образуют устойчивые оксиды типа R₂O₃.

Черные металлы характеризуются темно-серым цветом, большой плотностью (кроме щелочноземельных Ме), высокой температурой плавления, относительно высокой твердостью, часто имеют – полиморфизм.

Черные подразделяются:

• Железные металлы - Fe, Co, Ni (ферромагнетики) и Mn.

• Тугоплавкие металлы - температура плавления выше Fe (1539^оС) - добавки легированных сталей и основы для соответствующих сплавов.

• Урановые металлы - актиниды - для сплавов атомной энергетики.

• Редкоземельные металлы (РЗМ) – лантан, церий, неодим, празеодим и др. - лантаноиды + иттрий и скандий. Близки по химическим, различаются по физическим свойствам. Присадки к сплавам других элементов.

• Щелочноземельные металлы. В свободном состоянии применяются в особых случаях (теплоносители в атомных реакторах).

Цветные металлы характеризуются: характерной окраской (красная, желтая, белая), большой пластичностью, низкой температурой плавления, отсутствием полиморфизма.

Цветные подразделяются:

• Легкие металлы - Be, Mg, Al - малая плотность.

• Благородные металлы - Ag, Au, платиновая группа (Pt, Pd, Ir (иридий), Rh (родий), Os (осмий), Ru (рутений)), "полублагородная" медь. Высокая устойчивость против коррозии.

• Легкоплавкие металлы - Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi, Tl (таллий), Sb (сурьма), элементы с ослабленными металлическими свойствами: Ga (галлий), Ge (германий).

Нахождение металлов в природе

• В самородном состоянии: Cu, Ag, Hg, Pt, Au

• В виде соединений: оксидные (Fe₃O₄ – магнетит), карбонатные (CaCO₃ – известняк), фосфатные, силикатные, алюмосиликатные (K₂O×Al₂O₃×6SiO₂ –полевой шпат или ортоклаз), сульфидные (HgS – киноварь) и галидные (NaCl – галит, каменная или поваренная соль).

Металлическая связь

 

Частицы в металле удерживаются вместе с помощью сильных металлических связей.

Чтобы отделить частицы требуется много энергии. Именно поэтому металлы имеют высокие значения температур плавления и кипения.

Твердые металлы – это кристаллические частицы расположенные близко друг к другу в определенной последовательности.

Рисунок 1. Металлическая кристаллическая решетка

Металлы имеют свободные электроны внешних оболочек, отрицательного заряда, которые располагаются вокруг плотноупакованных положительных ионов.

Есть сильные электростатические силы, удерживающие частицы вместе.

Рисунок 2. Виды металлических кристаллических решеток

 

Способы получения металлов

 

Пирометаллургия

Восстановители: уголь, оксида углерода (II) или водород.

— С или СО

ZnО + С = Zn + СО
Fе2О3 + 3СО = 2Fе + 3СО2

— H2

WO3 + 3H2 =W + 3H2O
СоО + Н2 = Со + Н2О

— Сульфидные руды

2ZnS + 3О₂ = 2ZnО + 2SО₂
ZnО + С = СО + Zn

2) Металлотермия

— алюминотермия

4Аl + 3МnО2 = 2А12О3 + 3Мn

— магнийтермия

TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti (Mn, Cr, Ti, Мо, W)

3) Гидрометаллургия

Руда ® раствор

CuO + Н₂SО₄ = CuSО₄ + Н₂О      

 CuSО₄ + Fe = FeSO₄ + Cu

4) Электрометаллургия

Электролиз расплава:

NaCl _{расплав (эл. ток)}  ® Na + Cl₂­

К(–): Na⁺                                  А(+): Cl^–

Na⁺+ ē ® Na               2Cl^– – 2ē ® Cl₂­

Электролиз раствора

2CuSO₄ + 2H₂O       _{(эл. ток)}   ®    Cu + O₂­ + H₂SO₄

К(–): Cu ⁺², H₂O    А(+): SO₄^2–, H ₂ O

j ^о          0.34 > –0.41               2.05 > 1.23

Cu⁺² + 2ē → Cu          2H₂O – 4ē → 4H⁺ + O₂↑

                                    2H⁺ + SO₄^2– → H₂SO₄