Загальна характеристика металів та їх сполук

Мета роботи: ознайомитися з деякими методами здобування, властивостями металів та їх сполук.

Загальні відомості

1. Метали хімічні елементи, характерною особливістю будови їх атомів є наявність одного, двох, трьох електронів на зовнішньому енергетичному рівні:

ns^1-2, ns²np^1-2, ns²(n-1)d^1-10, ns²(n-2)f^1-14, де n - зовнішній енергетичний рівень, (n-1)- передостанній, (n-2) – третій від кінця енергетичний рівень.

2. Частіше всього метали відновники:

Ме⁰ – nеˉ → Меⁿ⁺

3. В сполуках можуть проявлятись ступені окислення від +1 до +8.

Сполуки, де Ме⁺¹, Ме⁺², як правило йонні, їх оксиди та гідроксиди мають основний характер властивостей.

Сполуки, де Ме⁺³,Ме⁺⁴ - йоно-ковалентні, їх оксиди та гідроксиди мають амфотерні властивості.

Сполуки, де Ме⁺⁵, Ме⁺⁶, Ме⁺⁷, Ме⁺⁸ – ковалентні, їх оксиди та гідроксиди мають кислотні властивості.

4. Металом називається особливий стан простої конденсованої речовини, в кристалічній гратці якої вільно переміщуються електрони за принципами квантової механіки. Метали тверді (крім Нg), тепло-, електропровідні, ковкі, пружні, мають металічний блиск. Температура плавлення металів змінюється в широкому інтервалі: від -38,9 ⁰С (Нg) до 3420 ⁰С (W). Найвищу температуру плавлення в кожному періоді мають метали, електронна конфігурація валентних електронів відповідає формулам:

ns²(n-1)d³; ns²(n-1)d⁴

За густиною метали поділяються на легкі, їх густина до 5·10³ кг/м³ (Mg, Al, Ti, Be), важкі – їх густина більша за 5·10³ кг/м³ _.

5. В природі знаходяться:

а) у вільному стані (Au, Cu, Pt …)

б) у вигляді оксидів (Fe₂O₃ -гематит, Al₂O₃ - корунд)

в) у вигляді солей та кристалогідратів (NaCl -камяна сіль, CaSO₄·2H₂O - гіпс).

г) поліметалічних руд (Се, La…)PO₄ - монацит.

 

6. Здобувають метали металургійними способами:

а) пірометалургійний (відновники - С, СО, Н₂, Al, Ca)

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO

б) гідрометалургійний

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu; Cu²⁺ + Fe⁰ = Cu⁰ + Fe²⁺

в) електрометалургійний

2NaCl = (ел-з розплаву) 2Na +Cl₂

7. Хімічна активність металів виявляється у здатності металу віддавати електрони. Метали, які на зовнішньому енергетичному рівні мають один електрон (ns’, IA підгрупа)- лужні метали хімічно-активні, активність збільшується із збільшенням атомного радіусу (Ra).

8. Метали реагують між собою та неметалами, утворюючи бінарні сполуки: оксиди СаО, гідриди (NaH), карбіди (Al₄C₃), нітриди (TiN), силіциди (Ca₂Si), бориди (К₃В), інтерметалічні сполуки. Карбіди, нітриди – тверді, тугоплавкі матеріали.

9. Активні метали реагують з водою:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Fe + H₂O(пар) = FeO + H₂

Однак деякі метали при взаємодії з водою пасивуються, покриваючись оксидною плівкою (Zn, Al, Mg, Cr).

10. Усі метали, які мають від’ємне значення стандартного електродного потенціалу (Е⁰ < 0) витісняють водень із кислот – не окисників (HCl, H₂SO_4(розв)).

Ме⁰ + nH⁺ = Meⁿ⁺ + (n/2)H₂

З кислотами-окисниками метали реагують по-іншому, продуктами відновлення буде не водень.

Кислота	Окисник	Продукти відновлення	Які метали взаємодіють
H2SO4 кон.	S^+6	SO2 H2S, S	Малоактивні метали, Fe, Co, C,r Al - пасивуються. Активні метали.
HNO3 розв.	N^+5	NO N2, NH4NO3	Малоактивні метали   Активні метали (в РСm ЕП до Cr)
HNO3 конц.	N^+5	NO2 N2O	Малоактивні метали крім Au, Pt, Al, Fe, Co, Ni пасивуються. Активні метали (в РСm ЕП до Cr)

Zn + 4H₂SO₄ (конц.) = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O

Zn + H₂SO₄ (розв.) = ZnSO₄ + H₂

Zn + 4HNO₃ (конц.) = Zn(NO₃)₂ +2NO₂ + 2H₂O

Завдання для самостійного розв’язання

8.2.1. Відповісти на запитання, виконати завдання.

1. В чому полягає сутність загальних фізичних, механічних властивостей металі?

2. Що таке сплави, інтерметалічні сполуки? Як їх здобувають?

3. Хром у сполуках проявляє ступені окислення +2, +3, +6. Як залежить характер властивостей оксидів та гідроксидів хрому від ступеня окиснення. Відповіді підтвердити рівняннями реакції.

4. Скласти рівняння реакції в молекулярному, йонному, де можливо, в електронному видах для здійснення перетворень.

NaH → NaOH →Cu(OH)₂ → CuO → Cu

Na

NaNO₃ → NaNO₂ → NaNO₃

8.2.2 Розв’язати задачі.

1. Скільки марганцю можна здобути алюмінотермічним способом із 57т піролюзиту (MnO₂), який містить 20% пустої породи? Скласти відповідні рівняння реакції здобування марганцю. (28,83т)

2. Визначити об’єм 0,5N розчину нітратної кислоти, який необхідно взяти для повного розчинення 12,8г міді. Скласти рівняння реакції в молекулярному та електронному видах.

(1,07л)

3. Визначити відсотковий вміст доломіту CaCO₃•MgCO₃ в руді, якщо при прожарюванні 40г руди виділилося 8,96л CO₂ (н.у.)

(92%)

8.2.3 Виконати завдання

Скласти необхідні формули, рівняння реакцій в молекулярній, йонній, електронній формах, назвати речовини.

№ ва-ріанту	Елек-тронна будова атома металу	Спосо-би здобування металу	Хімічні власти-вості металу	Загальна характер-ристика оксидів металу	Загальна характер-ристика гідрокси-дів металу	Взаємодія металу з кислотою окисником
	Li	Au	Zn	Al	Cd	Mg + H2SO4(к)
	K	Hg	Mn	Ti	Co	Na + HNO3(к)
	Ba	Cu	Ti	Mn	Sn	Ca + HNO3(р)
	Sr	Bi	Al	Zn	Ni	Li + H2SO4(к)
	Ca	Pb	Be	Cr	Bi	Ba + HNO3(к)
	Na	Ni	Mg	Fe	Pb	K + HNO3(р)
	Mg	Sn	Na	Cd	Cu	Ca + H2SO4(к)
	Be	Co	Ca	Sn	Hg	Pt + HNO3 + HCl
	Al	Cd	Sr	Co	Tl	Fe + HNO3(р)
	Ti	Fe	Ba	Ni	Cs	Cu + HNO3 + HBr
	Mn	Cr	K	Pb	Fe	Bi + HNO3(р)
	Zn	Mn	Li	Bi	Cr	Sn + HNO3 + HCl
	Cr	Zn	Pt	Cu	Mn	Ga + H2SO4(к)
	Fe	Ti	Tl	Hg	Zn	La + HNO3(р)
	Cd	Al	Au	Tl	Ti	Pd + HNO3(к) (t°)
	Co	Be	Hg	Au	Al	Ag + HNO3 + HCl
	Sn	Mg	Cu	Pt	Be	Sn + HNO3(к)
	Ni	Na	Bi	Li	Mg	Pb + H2SO4(к) (t°)
	Pb	Ca	Rb	La	Na	Bi + HNO3 + HCl
	Bi	Sr	Ni	Ba	La	Sc + HNO3(р)
	Cu	Ba	Sn	Sr	K	Rh + HNO3 + HCl
	Hg	K	Co	Ca	Sr	Ac + HNO3(р)
	Tl	Li	Cd	Na	Ba	V + HNO3 + HCl
	Au	Ag	Fe	Mg	Li	Ti + HNO3(к)
	Pt	Cs	Cr	Be	Rb	V + HNO3(к)

 

Реактиви та обладнання

1. Розчини: літій хлорид, натрій хлорид, калій хлорид, кальцій хлорид, барій хлорид, купрум (ІІ) сульфат, амоній гідроксид, ферум (ІІІ) хлорид або ферум (ІІІ) сульфат, калій гексаціаноферат (ІІ), калій йодид, калій перманганат, меркурій (ІІ) нітрат, станум (ІІ) хлорид, хлоридна кислота (2N). 2. Речовини: купрум (ІІ) оксид, деревне вугілля, плюмбум (ІV) оксид, натрій пероксид. 3. Обладнання: хімічний посуд, нагрівальний прилад, ніхромова паличка.