Глава 1.Общая характеристика металлов

Большинство (4/5) известных химических элементов представляют собой металлы. Резкой границы между металлами и неметаллами провести нельзя. На внешнем энергетическом уровне атомов металлов в основном содержится 1-2 электрона, которые слабо удерживаются полем ядра и легко отдаются, поэтому атомы металлов являются восстановителями.

Металлы – элементы, атомы которых (Ме⁰) при химическом взаимодействии способны только отдавать электроны, проявляя восстановительные свойства.

Восстановительные свойства металлов в водных растворах характеризуются положением этих Ме в электрохимическом ряду напряжений.

Особенности физических свойств и высокая восстановительная способность Ме объясняются: а) небольшим числом внешних электронов; б) слабым взаимодействием внешних электронов с ядром атома Ме; в) достаточно большим атомным радиусом; г) наличием вакантных электронных орбиталей на внешних уровнях. Перечисленные особенности объясняют возникновение в Ме особого вида связи – металлической связи и образование металлической кристаллической решетки. В узлах такой решетки находятся атомы или положительно заряженные ионы (катионы), между которыми равномерно распределены обобществленные электроны (электронный газ).

Специфика металлической связи и кристаллической решетки объясняет такие общие физические свойства Ме, как твердое агрегатное состояние (кроме ртути), высокие электро- и теплопроводность, ковкость, металлический блеск.

Если для атомов Ме в свободном состоянии (Ме⁰) характерны восстановительные свойства, то для катионов металлов (Ме^z+) – окислительные свойства. При этом чем меньше активность Ме, тем сильнее выражены окислительные свойства у их катионов. Окислительные свойства катионов Ме возрастают с увеличением их заряда. Так, у катионов Cu²⁺или Fe³⁺ окислительные свойства выражены соответственно сильнее, чем у катионов Cu⁺ или Fe²⁺. Особенно сильные окислительные свойства характерны для соединений, в которых атомы Ме имеют степень окисления +6, +7. Например, соединения Cr⁺⁶O₃, K₂Cr⁺⁶O₄, K₂Cr⁺⁶O₇, Mn⁺⁷₂O₇, KMn⁺⁷O₄ являются очень сильными окислителями за счет наличия в них Cr⁺⁶ и Mn⁺⁷. Таким образом, свойства атомов Ме в веществах сильно зависят от значения их степени окисления. при степени окисления равной нулю атомы Ме – восстановители, а по мере увеличения их степени окисления в соединениях восстановительные свойства уменьшаются, а окислительные свойства возрастают.

Для окислительно-восстановительных реакций Ме и их соединений, протекающих в водных растворах при невысоких температурах, характерен электрофильно-нуклеофильный механизм, а для ОВ реакций, происходящих при высоких температурах и с реагентами, легко образующими радикалы, - свободнорадикальный механизм. Особенно это характерно для тех Ме, атомы которых содержат неспаренные электроны (Fe, Сr и т.д.).

Электрофильно-нуклеофильный механизм:

Zn + Hg(NO₃)₂ = Zn(NO₃)₂ + Hg

Свободнорадикальный механизм (при нагревании):

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

Для соединений Ме кроме ОВ реакций характерны ионообменные, кислотно-основные (для оксидов и гидроксидов) реакции, а также реакции комплексообразования – эти реакции протекают по электрофильно-нуклеофи льному механизму.

В природе малоактивные Ме встречаются в свободном виде (золото, серебро, ртуть), а активные Ме – только в виде соединений – различных оксидов, сульфидов, хлоридов, карбонатов.

Общим способом получения Ме является восстановление их из расплавов или растворов солей с помощью различных восстановителей:

- электрометаллургия – восстановление Ме с помощью электрического тока (электролиза солей);

- пирометаллургия – восстановление Ме из руд при высокой температуре сильными восстановителями, такими как углерод, оксид углерода (II) (доменный процесс), водород, алюминий (алюминотермия);

- гидрометаллургия – восстановление Ме из растворов их солей более активными Ме (получение меди из раствора сульфата меди, вытеснением железом).

Металлы, в зависимости от строения атомов, относятся к s-, p-, d-, f-элементам. Рассмотрим химические свойства наиболее важных s-,p- и d-металлов и их соединений.