Метали Залізо загальне Залізо - один з найпоширеніших елементів у природі. Його вміст у земній корі становить близько 4,7% за масою, тому залізо, з точки зору його поширеності в природі, прийнято називати макроелементом.В природній воді залізо

Якщо в періодичній таблиці елементів Д. І. Менделєєва провести діагональ від берилію до астату, то зліва внизу по діагоналі будуть знаходитися елементи-метали (до них же відносяться елементи побічних підгруп, виділені синім кольором), а справа вгорі - елементи-неметали (виділені жовтим кольором). Елементи, розташовані поблизу діагоналі - напівметали або металоїди (B, Si, Ge, Sb і ін.), Мають двоїстим характером (виділені рожевим кольором).

Як видно з малюнка, переважна більшість елементів є металами.

За своєю хімічною природою метали - це хімічні елементи, атоми яких віддають електрони з зовнішнього або предвнешнего енергетичного рівнів, утворюючи при цьому позитивно заряджені іони.

Практично всі метали мають порівняно великі радіуси і мале число електронів (від 1 до 3) на зовнішньому енергетичному рівні. Для металів характерні низькі значення електронегативності і відновні властивості.

Найбільш типові метали розташовані на початку періодів (починаючи з другого), далі зліва направо металеві властивості слабшають. У групі зверху вниз металеві властивості посилюються, т.к збільшується радіус атомів (за рахунок збільшення числа енергетичних рівнів). Це призводить до зменшення електронегативності (здатності притягувати електрони) елементів і посилення відновних властивостей (здатність віддавати електрони інших атомів в хімічних реакціях).

типовими металами є s-елементи (елементи IА-групи від Li до Fr. елементи ПА-групи від Мg до Rа). Загальна електронна формула їх атомів ns 1-2. Для них характерні ступені окислення + I і + II відповідно.

Невелике число електронів (1-2) на зовнішньому енергетичному рівні атомів типових металів передбачає легку втрату цих електронів і прояв сильних відновлювальних властивостей, що відображають низькі значення електронегативності. Звідси випливає обмеженість хімічних властивостей і способів отримання типових металів.

Характерною особливістю типових металів є прагнення їх атомів утворювати катіони і іонні хімічні зв'язки з атомами неметалів. З'єднання типових металів з неметалами - це іонні кристали «катіон металлааніон неметалла», наприклад К + Вг -, Сa 2+ О 2-. Катіони типових металів входять також до складу з'єднань зі складними аніонами - гідроксидів і солей, наприклад Мg 2+ (OН -) 2, (Li +) 2СO 3 2.

Метали А-груп, що утворюють діагональ амфотерности в Періодичній системі Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а також прилеглі до них метали (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не виявляють типово металевих властивостей. Загальна електронна формула їх атомів ns 2 np 0-4 передбачає більшу різноманітність ступенів окислення, велику здатність утримувати власні електрони, поступове зниження їх відновної здатності і поява окислювальної здатності, особливо в високих ступенях окислення (характерні приклади - з'єднання Тl III, Рb IV, Вi v). Подібне хімічне поведінка характерна і для більшості (d-елементів, т. Е. Елементів Б-груп Періодичної системи (типові приклади - амфотерні елементи Сr і Zn).

Це прояв подвійності (амфотерности) властивостей, одночасно металевих (основних) і неметалічних, обумовлено характером хімічного зв'язку. У твердому стані з'єднання нетипових металів з неметалами містять переважно ковалентні зв'язки (але менш міцні, ніж зв'язку між неметалами). У розчині ці зв'язки легко розриваються, а з'єднання диссоциируют на іони (повністю або частково). Наприклад, метал галій складається з молекул Ga 2, в твердому стані хлориди алюмінію і ртуті (II) АlСl 3 і НgСl 2 містять сильно ковалентні зв'язки, але в розчині АlСl 3 дисоціює майже повністю, а НgСl 2 - в дуже малому ступені (та й то на іони НgСl + і Сl -).

Загальні фізичні властивості металів

Завдяки наявності вільних електронів ( «електронного газу») в кристалічній решітці все метали проявляють такі характерні загальні властивості:

1) пластичність - здатність легко змінювати форму, витягуватися в дріт, прокочуватися в тонкі листи.

2) металевий блиск і непрозорість. Це пов'язано із взаємодією вільних електронів з падаючими на метал світлом.

3) електропровідність. Пояснюється спрямованим рухом вільних електронів від негативного полюса до позитивного під впливом невеликої різниці потенціалів. При нагріванні електропровідність зменшується, тому що з підвищенням температури посилюються коливання атомів і іонів у вузлах кристалічної решітки, що ускладнює спрямований рух «електронного газу».

4) Теплопровідність. Обумовлена \u200b\u200bвисокою рухливістю вільних електронів, завдяки чому відбувається швидке вирівнювання температури по масі металу. Найбільша теплопровідність - у вісмуту і ртуті.

5) Твердість. Найтвердіший - хром (ріже скло); найм'якші - лужні метали - калій, натрій, рубідій і цезій - ріжуться ножем.

6) Густина. Вона тим менше, чим менше атомна маса металу і більше радіус атома. Найлегший - літій (ρ \u003d 0,53 г / см3); найважчий - осмій (ρ \u003d 22,6 г / см3). Метали, які мають щільність менше 5 г / см3 вважаються «легкими металами».

7) Температури плавлення і кипіння. Самий легкоплавкий метал - ртуть (т.пл. \u003d -39 ° C), найтугоплавкіший метал - вольфрам (t ° пл. \u003d 3390 ° C). Метали з t ° пл. понад 1000 ° C вважаються тугоплавкими, нижче - низькоплавких.

Загальні хімічні властивості металів

Сильні відновники: Me 0 - nē → Me n +

Ряд напруг характеризує порівняльну активність металів в окисно-відновних реакціях у водних розчинах.

I. Реакції металів з неметалами

1) З киснем:
2Mg + O 2 → 2MgO

2) З сіркою:
Hg + S → HgS

3) З галогенами:
Ni + Cl 2 - t ° → NiCl 2

4) З азотом:
3Ca + N 2 - t ° → Ca 3 N 2

5) З фосфором:
3Ca + 2P - t ° → Ca 3 P 2

6) З воднем (реагують тільки лужні і лужноземельні метали):
2Li + H 2 → 2LiH

Ca + H 2 → CaH 2

II. Реакції металів з кислотами

1) Метали, що стоять в електрохімічному ряді напруг до H відновлюють кислоти-неокислителях до водню:

Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2

2) З кислотами-окислювачами:

При взаємодії азотної кислоти будь-якої концентрації і концентрованої сірчаної з металами водень ніколи не виділяється!

Zn + 2H 2 SO 4 (К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

4Zn + 5H 2 SO 4 (К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O

3Zn + 4H 2 SO 4 (К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O

2H 2 SO 4 (к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

10HNO 3 + 4Mg → 4Mg (NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

4HNO 3 (к) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

III. Взаємодія металів з водою

1) Активні (лужні і лужноземельні метали) утворюють розчинна підставу (луг) і водень:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

2) Метали середньої активності окислюються водою при нагріванні до оксиду:

Zn + H 2 O - t ° → ZnO + H 2

3) Неактивні (Au, Ag, Pt) - не реагують.

IV. Витіснення більш активними металами менш активних металів з розчинів їх солей:

Cu + HgCl 2 → Hg + CuCl 2

Fe + CuSO 4 → Cu + FeSO 4

У промисловості часто використовують не чисті метали, а їх суміші - сплави, В яких корисні властивості одного металу доповнюються корисними властивостями іншого. Так, мідь має невисоку твердість і малопридатна для виготовлення деталей машин, сплави ж міді з цинком ( латунь) Є вже досить твердими і широко використовуються в машинобудуванні. Алюміній має високу пластичність і достатньою легкістю (малої щільністю), але занадто м'який. На його основі готують сплав з магнієм, міддю і марганцем - дуралюмин (дюраль), який, не втрачаючи корисних властивостей алюмінію, набуває високу твердість і стає придатним в авіабудуванні. Сплави заліза з вуглецем (та добавками інших металів) - це широко відомі чавуні сталь.

Метали в вільному вигляді є восстановителями. Однак реакційна здатність деяких металів невелика через те, що вони покриті поверхневої оксидної плівкою, В різному ступені стійкої до дії таких хімічних реактивів, як вода, розчини кислот і лугів.

Наприклад, свинець завжди покритий оксидною плівкою, для його переходу в розчин потрібно не тільки вплив реактиву (наприклад, розведеної азотної кислоти), а й нагрівання. Оксидна плівка на алюмінії перешкоджає його реакції з водою, але під дією кислот і лугів руйнується. Пухка оксидна плівка (іржа), Що утворюється на поверхні заліза у вологому повітрі, не заважає подальшому окисленню заліза.

Під дією концентрованих кислот на металах утворюється стійка оксидна плівка. Це явище називається пасивацією. Так, в концентрованій сірчаної кислоти пасивуються (і після цього не реагують з кислотою) такі метали, як Ве, Вi, З, Fе, Мg і Nb, а в концентрованої азотної кислоти - метали А1, Ве, Вi, З, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ , Тh і U.

При взаємодії з окислювачами в кислих розчинах більшість металів переходить в катіони, заряд яких визначається стійкою ступенем окислення даного елемента в сполуках (Nа +, Са 2+, А1 3+, Fе 2+ і Fе 3+)

Відновлювальна активність металів в кислому розчині передається поруч напруг. Більшість металів перекладається в розчин соляної і розведеною сірчаної кислотами, але Сu, Аg і Нg - тільки сірчаної (концентрованої) і азотної кислотами, а Рt і Аі - «царської горілкою».

корозія металів

Небажаним хімічною властивістю металів є їх, т. Е. Активне руйнування (окислення) при контакті з водою і під впливом розчиненого в ній кисню (Киснева корозія). Наприклад, широко відома корозія залізних виробів в воді, в результаті чого утворюється іржа, і вироби розсипаються в порошок.

Корозія металів протікає в воді також через присутність розчинених газів СО 2 і SО 2; створюється кислотне середовище, і катіони Н + витісняються активними металами в вигляді водню Н 2 ( воднева корозія).

Особливо корозійно-небезпечним може бути місце контакту двох різнорідних металів ( контактна корозія). Між одним металом, наприклад Fе, і іншим металом, наприклад Sn або Сu, поміщеними в воду, виникає гальванічна пара. Потік електронів іде від активнішого металу, що стоїть лівіше в ряду напруг (Ре), до менш активного металу (Sn, Сu), і більш активний метал руйнується (кородує).

Саме через це іржавіє луджена поверхня консервних банок (залізо, покрите оловом) при зберіганні у вологому атмосфері і недбалому поводженні з ними (залізо швидко руйнується після появи хоч би невеликої подряпини, що допускає контакт заліза з вологою). Навпаки, оцинкована поверхня залізного відра довго не іржавіє, оскільки навіть при наявності подряпин кородує НЕ залізо, а цинк (активніший метал, ніж залізо).

Опір корозії для даного металу посилюється при його покритті більш активним металом або при їх сплаві; так, покриття заліза хромом або виготовлення сплаву заліза з хромом усуває корозію заліза. Хромоване залізо і сталь, що містить хром ( нержавіюча сталь), Мають високу корозійну стійкість.

електрометалургія, Т. Е. Отримання металів електролізом розплавів (для найбільш активних металів) або розчинів солей;

пірометалургія, Т. Е. Відновлення металів з руд при високій температурі (наприклад, отримання заліза в доменному процесі);

гідрометалургія, Т. Е. Виділення металів з розчинів їх солей більш активними металами (наприклад, отримання міді з розчину СuSO 4 дією цинку, заліза або алюмінію).

У природі іноді зустрічаються самородні метали (характерні приклади - Аg, Аu, Рt, Нg), але частіше метали перебувають у вигляді сполук ( металеві руди). За поширеністю в земній корі метали різні: від найбільш поширених - Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до найрідкісніших - Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.

Дозволяє заощадити енергоресурси (кокс, вугілля), отримати більший вихід готової продукції із сировини, скоротити цикл виробництва з одночасним підвищенням якості та поліпшенням екологічного стану атмосфери. Це металургія, а саме - відновлення металів за допомогою водню.

Передісторія, чи вперед у минуле за чистими металами

Металургія супроводжує людство з часів бронзового і залізного століть. Ще за 14 століть до н. е. древні люди виплавляли залізо крічним методом. Принцип полягав у відновленні залізної руди вугіллям при порівняно невисокій температурі 1000 ° C. В результаті отримували крицю - залізну губку, потім її проковували до отримання болванки, з якої виготовляли предмети побуту і зброю.

Уже в XIV столітті стали з'являтися примітивні сурми і домниці, які поклали край початок сучасним металургійним процесам: доменному, мартенівському і конвертерному. Велика кількість кам'яного вугілля та залізних руд надовго закріпили ці методи як основні. Однак, підвищуються вимоги до якості продукції, економія ресурсів і екологічна безпека привели до того, що вже в середині XIX століття стали повертатися до витоків: використовувати пряме відновлення чистих металів. Перша сучасна така установка з'явилася в 1911 р в Швеції, що випускала малі партії отриманих за допомогою водню металів чистотою 99,99%. Споживачами тоді були лише дослідні лабораторії. У 1969 р в Портленді (США) запрацювала фабрика, що випускала до 400 тис. Тонн чистих металів. А вже в 1975 р в світі цим способом випускалося 29 млн тонн сталі.

Зараз таку продукцію чекають не тільки авіаційна, приладобудівна галузь, підприємства з виготовлення медичних інструментів і електроніки, а й багато інших. Особлива перевага ця технологія отримала в кольоровій металургії, але в недалекій перспективі і «воднева чорна металургія».

Загальні короткі відомості

Фізичні та хімічні властивості чистих тугоплавких металів

Механічні властивості чистих тугоплавких металів і вплив домішок на ці властивості

Застосування чистих тугоплавких металів

07.02.2020

Перед тим, як придбати поличні стелажі в Києві, підприємцю варто розібратися в їх видах, призначення і нюансах покупки. Розглянемо всі основні та металеві ...

07.02.2020

Перш ніж хапати з прилавка перший-ліпший подовжувач і платити за нього гроші, потрібно усвідомити для себе, чи підходить прилад по довжині шнура, числу розеток, ...

06.02.2020

Геотекстиль або геоткань, призначена для садових доріжок, є біологічно чистим матеріалом. Тонкі пресовані нитки створюють її. У ландашфтном дизайні ...