Личные инструменты

2168
з математики

132
учня

168
для 11 класу

443
відкореговано


Вашій увазі

24638
уроків


Металлы (Химия 11 класс)

Гипермаркет знаний>>Химия>>Химия 11 класс>> Химия: Металлы

Содержание

Общие сведения о металлах

Вам известно, что большинство химических элементов от носят к металлам - 92 из 114 известных элементов.

Металлы — это химические элементы, атомы ко торых отдают электроны внешнего (а некоторые — и предвнешнего) электронного слоя, превращаясь я положительные ионы.

Это свойство атомов металлов, как вы знаете, определяется тем, что они имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (в основном от 1 до 3) на внешнем слое.

Исключение составляют лишь 6 металлов: атомы германия, олова, свинца на внешнем слое имеют 4 электрона, атомы сурьмы, висмута -5, атомы полония — 6.

Для атомов металлов характерны небольшие значения электроотрицательности (от 0,7 до 1,9) и исключительно восстановительные свойства, то есть способность отдавать электроны.

Вы уже знаете, что в Периодической системе химических алементов Д. И. Менделеева металлы находятся ниже диагонали бор—астат, я также выше нее в побочных подгруппах. В периодах и глинных подгруппах действуют известные вам закономерности в изменении металлических, и значит, восстановительных свойств атомов элементов.


Onov34.jpg

Химические элементы, расположенные вблизи диагонали бор -астат, обладают двойственними свойствами: в одних своих соединениях ведут себя как металлы, в других — проявляют свойства неметалла.

В побочных подгруппах восстановительные свойства металлов с увеличением порядкового номера чаще всего уменьшаются. Сравните активность известных вам металлов I группы побочной подгруппы: Сu, Аg, Аu; II группы побочной подгруппы — и вы убедитесь в этом сами.

Это можно объяснить тем, что на прочность связи валентных электронов с ядром у атомов этих металлов в большей степени влияет величина заряда ядра, а не радиус атома. Величина заряда ядра значительно увеличивается, притяжение электронов к ядру усиливается. Радиус атома при этом хотя и увеличивается, но не столь значительно, как у металлов главных подгрупп.

Простые вещества, образованные химическими элементами — металлами, н сложные металлсодержащие вещества играют важнейшую роль в минеральной и органической «жизни» Земли. Достаточно вспомнить, что атомы (ноны) элементов-металлов являются составной частью соединений, определяющих обмен веществ в организме человека, животных, растений. Например, в крови человека найдено 76 элементов и из них только 14 не являются металлами. В организме человека некоторые элементы-металлы (кальций, калий, натрий, магний) присутствуют в большом количестве, то есть являются макроэлементами. А такие металлы, как хром, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден, присутствуют в небольших количествах, то есть это микроэлементы. Если вес человека 70 кг, то в его организме содержится (в граммах): кальция — 1700, калия — 250, натрия — 70, магния — 42, железа — 5. цинка — 3. Все металлы чрезвычайно важны, проблемы со здоровьем возникают и при их недостатке, и при избытке.

Например, ионы натрия регулируют содержание воды в организме, передачу нервного импульса. Его недостаток приводит к головной боли, слабости, слабой памяти, потери аппетита, а избыток — к повышению артериального давления, гипертонии, заболеваниям сердца. Специалисты по питанию рекомендуют потреблять в день не более 5 г (1 чайная ложка) поваренной соли (NaСl) на взрослого человека. О влиянии металлов на состояние животных и растений можно узнать из таблицы 16.


Onov35.jpg


Onov36.jpg

Простые вещества — металлы

С развитием производства металлов (простых веществ) и сплавов связало возникновение цивилизации («бронзовый век», железный век).

Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать коррозионностойкие, сверхтвердые, тугоплавкие сплавы, применение которых сильно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплавов вольфрама и рения делают детали, работающие при температурах до 3000 ºС. в медицине используют хирургические инструменты из сплавов тантала и платины, уникальной керамики на основе оксидов титана и циркония.


Onov37.jpg

И конечно же мы не должны забывать, что в большинстве сплавов используют давно известный металл железо (рис. 37), а основу многих легких сплавов составляют сравнительно «молодые» металлы: алюминий и магний.

Сверхновыми стали композиционные материалы, представляющие, например, полимер или керамику, которые внутри (как бетон железными прутьями) упрочнены металлическими волокнами, которые могут быть из вольфрама, молибдена, стали и других металлов и сплавов — все зависит от поставленной цели, необходимых для ее достижения свойств материала.

Вы уже имеете представление о природе химической связи в кристаллах металлов. Напомним на примере одного из них — натрия, как она образуется.
На рисунке 38 изображена схема кристаллической решетки металла натрия. В ней каждый атом натрия окружен восемью соседними. У атомов натрия, как и у всех металлов, имеется много свободных валентных орбиталей и мало валентных электронов.

Единственный валентный электрон атома натрия Зs1 может занимать любую из девяти свободных орбиталей, ведь они не очень отличаются по уровню энергии. При сближении атомов, когда образуется кристаллическая решетка, валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно нере-мещаются с одной орбитали на другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла.

Такой тип химической связи называют металлической. Металлическую связь образуют элементы, атомы которых на внешнем слое имеют мало валентных электронов по сравнению с большим числом внешних энергетически близких орбиталей. Их валентные электроны слабо удерживаются в атоме. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены и перемещаются по всей кристаллической решетке в целом нейтрального металла.


Onov38.jpg

Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки, которые обычно изображают схематически тик, как показано на рисунке узлах находятся катионы и атомы металлов. Обобществленные электроны электростатически притягивают катионы металлов, расположенные в у ал их кристаллической решетки, обеспечивая ее стабильность и прочность (обобществленные электроны изображены в виде черных маленьких шариков).

Металлическая связь — это связь в металлах и сплавах между атом-ионами металле, расположенными в уллах кристаллической решетки, которая осуществляется обобществленными валентными электронами.

Некоторые металлы кристаллизуются в двух или более кристаллических формах. Это свойство веществ — существовать а нескольких кристаллических модификациях — называют полиморфизмом. Полиморфизм для простых веществ вам известен под названием аллотропия.

Олово имеет две кристаллические модификации:
• альфа - устойчива ниже 13,2 ºС с плотностью р - 5.74 г/см3. Это серое олово. Оно имеет кристаллическую решетку типа алмаав (атомную):
• бетта — устойчива выше 13.2 ºС с плотностью р - 6,55 г/см3. Это белое олово.

Белое олово - очень мягкий металл. При охлаждении ниже 13,2 ºС он рассыпается в серый порошок, так как при переходе |1  » п значительно увеличивается его удельный объем. Это явление получило название оловянной чумы. Конечно, особый вид химической связи и тип кристаллической решетки металлов должны определять и объяснять их физические свойства.

Каковы же они? Это металлический блеск, пластичность, высокая электрическая проводимость и теплопроводность, рост злектрн чес кого сопротивления при повышении температуры, а также такие практически значимые свойства, как плотность, температуры плавления и кипения, твердость, магнитные свойства.

Давайте попробуем объяснить причины, определяющие основные физические свойства металлов. Почему металлы пластичны?

Механическое воздействие на кристалл с металлической кристаллической решеткой вызывает смещение слоев ион-атомов относительно друг друга, в так как электроны перемещаются но всему кристаллу, разрыв связей не происходит, поэтому дли металлов характерна большая пластичность.

Аналогичное воздействие на твердое вещество с коннлент-кыми связями (атомной кристаллической решеткой) приводит к разрыву ковалентных связей. Разрыв связей в ионной решетке приводит к взаимному отталкиванию одноименно заряженных ионов (рис. 40). Поэтому вещества с атомными и ионными кристаллическими решетками хрупкие.

Наиболее пластичные металлы — это Аu, Af, Cu, Sn, РЪ, Zn. Они легко вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, прессованию, прокатыванию в листы- Например, из золота можно изготовить золотую фольгу толщиной 0,008нм, в из 0,5 г этого металла можно вытянуть нить длинной 1 км.

Даже ртуть, к ото рея, как вы знаете, при комнатной температуре жидкая, при низких температурах я твердом состоянии становится ковкой, как свинец. Не обладают пластичностью лишь Bi и Мn, они хрупкие.

Почему металлы имеют характерный блеск, также непрозрачны?

Электроны, заполняющие межатомное пространство, отражают световые лучи (а не пропускают, как стекло), причем большинство металлов в равной степени рассеивают все лучи видимой части спектра. Поэтому они имеют серебристо-белый или серый цвет. Стронций, золото и медь в большей степени поглощают короткие волны (близкие к фиолетовому цвету) и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют соответственно светло-желтый, желтый и медный цвета.

Хотя на практике, вы знаете, металл не всегда нам кажется светлым телом. Во-первых, его поверхность может окисляться и терять блеск. Поэтому самородная медь выглядит зеленоватым камнем. А во-вторых, и чистый металл может не блестеть. Очень тонкие листки серебра и золота имеют совершенно неожиданный вид — они имеют голубовато-зеленый цвет. А мелкие порошки металлов кажутся темно серыми, даже черными.

Наибольшую отражательную способность имеют серебро, алюминий, палладий. Их используют при изготовлении зеркал, в том числе и в прожекторах.

Почему металлы имеют высокую электрическую проводимость и теплопроводны?

Хаотически движущиеся электроны в металле под волдей-ствием приложенного электрического Напряжения приобретают направленное движение, то есть проводят электрический ток. При повышении температуры мета-тля возрастают амплитуды колебании находящихся в узлах кристаллической решетки атомов и ионов. Это затрудняет перемещение электронов, электрическая проводимость металла падает. При низких температурах колебательное движение, наоборот, сильно уменьшается и электрическая проводимость металлов резко возрастает. Около абсолютного нуля сопротивление у металлов практически отсутствует, у большинства металлов появляется сверх проводимость.

Следует отметить, что неметаллы, обладающие электрической проводимостью (например, графит), при низких температурах, наоборот, не проводят электрический ток из-за отсутствия свободных электронов. И только с повышением температуры и разрушением некоторых ковалентных связей их электрическая проводимость начинает возрастать.

Наибольшую электрическую проводимость имеют серебро, медь, в также золото, алюминии, наименьшую — марганец, свинец, ртуть.

Чаще всего с той же закономерностью, как и электрическая проводимость, изменяется теплопроводность металлов.

Они обусловлена большой подвижностью свободных электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися ионами и атомами, обмениваются с ними энергией. Поэтому происходит выравнивание температуры по всему куску металла.

Механическая прочность, плотность, температура плавления у металлов очень сильно отличаются. Причем с увеличением числя .оекгронов. связывающих ион-атомы, и уменьшением межатомного расстояния в кристаллах показатели этих свойств возрастают.

Так, щелочные металлы, атомы которых имеют один валентный электрон, мягкие (режутся ножом), с небольшой плотностью (литий — самый легкий металл с р - 0.53 г/см3) и плавятся при невысоких температурах (например, температура плавления цезия 29 'С). Единственный металл, жидкий при обычных условиях. — ртуть — имеет температуру плавления, равную  38.9 'С.

Кальций, имеющий два электрона ни внешнем энергетическом уровне атомов, гораздо более тверд и плавится при более высокой температуре (842º С).

Еще более арочной является кристаллическая решетка, образованная атомами скандия, которые имеют три валентных электрона.

Но самые ирочные кристаллические решетки, большие плотности и температуры плавления наблюдаются у металлов побочных подгрупп V, VI, VII, МП групп. Это объясняется тем. что для металлов побочных подгрупп, имеющих неспасенные валентные электроны на d-подуровне, характерно образование очень прочных ковалентных связей между атомами, помимо металлической, осуществляемой электронами внешнего слоя с s-орбиталей.

Вспомните, что самый тяжелый металл — это осмий (компонент сверхтвердых и износостойких сплавов), самый тугоплавкий металл -это вольфрам (применяется для изготовления нитей накаливания ламп), самый твердый металл - это хром Сг (царапает стекло). Они входят в состав материалов, из которых изготавливают металлорежущий инструмент, тормозные колодки тяжелых машин и др.

Металлы различаются по отношению к магнитным полям. Но этому признаку их делят на три группы:

• ферромагнитные Способны намагничиваться под действием даже слабых магнитных полей (железо — альфа-форма, кобальт, никель, гадолиний);

• парамагнитные проявляют слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром, титан, почти все лантаноиды);

• диамагнитные не притягиваются к магниту, лаже слегка отталкиваются от него (олово, мель, висмут).

Напомним, что при рассмотрении электронного строения металлов мы подразделили металлы на металлы главных подгрупп (к- и р-элементы) и металлы побочных подгрупп.

В технике принято классифицировать металлы по различным физическим свойствам:

а) плотности - легкие (р < 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);
б) температуре плавления - легкоплавкие и тугоплавкие.

Принято железо и его сплавы считать черными металлами, а все остальные - цветными.

Классификации металлов по химическим свойствам

Металлы с низкой химической активностью называют благородными (серебро, золото, платина и ее аналога — осмий, иридий, рутений, палладий, родий).
По близости химических свойств выделяют щелочные (металлы I группы главной подгруппы), щелочноземельные (кальций, стронций, барий, радий), а также редкоземельные металлы (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды).

Общие химические свойства металлов

Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ноны, то есть окисляются. В этом, как вам известно, заключается главное общее свойство и атомов, и простых веществ-металлов.


Onov39.jpg

Металлы в химических реакциях всегда восстановителе. Восстановительная способность атомов простых веществ — металлов, образованных химическими элементами одного периода или одной главной подгруппы Периодической системы Д. И. Менделеева, изменяется закономерно.

Восстановительную активность металла в химических реакциях, которые протекают в водных растворах, отражает его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов.

1. Чем левее стоит металл я этом ряду, тем более сильным восстановителем он является.
2. Каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) иа солен в растворе те металлы, которые в ряду напряжений стоят после него (правее).
3. Металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из кислот в растворе.
4. Металлы, являющиеся самыми сильными восстановителями (щелочные и щелочноземельные), в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.

Восстановительная активность металла, определенная по электрохимическому ряду, не всегда соответствует положению его в Периодической системе. Это объясняется тем. Что при определении положения металла в ряду напряжений учитывают не только энергию отрыва электронов от отдельных атомов, но и энергию, затрачиваемую на разрушение кристаллической решетки, а также энергию, выделяющуюся при гидратации ионов.

Например, литий более активен в водных растворах, чем натрий (хотя по положению в Периодической системе Nа — более активный металл). Дело в том, что энергия гидратации ионов Li+ значительно больше, чем энергия гидратации ионов Na+. поэтому первый процесс является энергетически более выгодным.
Рассмотрев общие положения, характеризующие восстановительные свойства металлов, перейдем к конкретным химическим реакциям.

Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

1. С кислородом большинство металлов образуют оксиды — основные и амфотерпые. Кислотные оксиды переходных металлов, например оксид хрома или оксид марганца не образуются при прямом окислении металла кислородом. Их получают косвенным путем.

Щелочные металлы Nа, К активно реагируют с кислородом воздуха, образуя пероксиды.

Оксид натрия получают косвенным путем, при прокаливании пероксидов с соответствующими металлами:


Onov40.jpg

Литий и щелочноземельные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха, образуя основные оксиды.

Другие металлы, кроме золота и платиновых металлов, которые вообще не окисляются кислородом воздуха, взаимодействуют с ним менее активно или при нагревании.

2. С галогенами металлы образуют соли галогеноводородных кислот.

3. С водородом самые активные металлы образуют гидриды — ионные солен од обные вещества, в которых водород имеет степень окисления -1, например:
гидрид кальция.

Многие переходные металлы образуют с водородом гидриды особого типа — происходит как бы растворение или внедрение водорода в кристаллическую решетку металлов между атомами и ионами, при этом металл сохраняет свой внешний вид, но увеличивается в объеме. Поглощенный водород находится в металле, по-видимому, в атомарном виде. Существуют и гидриды металлов промежуточного характера.

4. С серой металлы образуют соли — сульфиды.

5. С азотом металлы реагируют несколько труднее, так как химическая связь в молекуле азота Г^г очень прочна, при этом образуются нитриды. При обычной температуре взаимодействует с азотом только литий.

Взаимодействие со сложными веществами

1. С водой. Щелочные и щелочноземельные металлы при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют растворимые основания-щелочи.

Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определенных условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную пленку.

Магний взаимодействует с водой только при кипячении, при этом также выделяется водород. Если горящий магний внести в воду, то горение продолжается, так как протекает реакция: горит водород. Железо взаимодействует с водой только в раскаленном виде.

2. С кислотами в растворе взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуются соль и водород. А вот свинец (и некоторые другие металлы), несмотря на его положение в ряду напряжений (слева от водорода), почти не растворяется в разбавленной серной кислоте, так как образующийся сульфат свинца PbSO, нерастворим и создает на поверхности металла защитную пленку.

3. С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой реакции образуется соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде.

Нужно помнить, что реакция идет в тех случаях, когда образующаяся соль растворима. Вытеснение металлов из их соединений другими металлами впервые подробно изучал Н. Н. Бекетов — крупный русский физикохимик. Он расположил металлы по химической активности в «вьггеснительный ряд», ставший прототипом ряда напряжений металлов.

4. С органическими веществами. Взаимодействие с органическими кислотами аналогично реакциям с минеральными кислотами. Спирты же могут проявлять слабые кислотные свойства при взаимодействии со щелочными металлами.

Металлы участвуют в реакциях с галогеналканами, которые используют для получения низших циклоалкн нов и для синтезов, в ходе которых происходит усложнение углеродного скелета молекулы (реакция А. Вюрца):


Onov41.jpg

5. Со щелочами в растворе взаимодействуют металлы, гидроксиды которых амфотерны.

6. Металлы могут образовывать химические соединения друг с другом, которые получили общее название — интерметаллические соединения. В них чаще всего не проявляются степени окисления атомов, которые характерны для соединений металлов с неметаллами.

Интерметаллические соединения обычно не имеют постоянного состава, химическая связь в них в основном металлическая. Образование этих соединений более характерно для металлов побочных подгрупп.

Оксиды и гидроксиды металлов

Оксиды, образованные типичными металлами, относят к солеобраяующим, основным по характеру свойств. Как вы знаете, им соответствуют гидроксиды. являющиеся основаниями, которые в случае щелочиых и щелочноземельных металлов растворимы в воде, являются сильными электролитами и называются щелочами.

Оксиды и гидроксиды некоторых металлов амфотерны, то есть могут проявлять и основные, и кислотные свойства в зависимости от веществ, с которыми они взаимодействуют.

Например:


Onov42.jpg

Многие металлы побочных подгрупп, имеющие в соединениях переменную степень окисления, могут образовывать несколько оксидов и гидроксидов, характер которых зависит от степени окисления металла.

Например, хром нвсоединениях проявляет три степени окисления: +2, +3, +6, поэтому он образует три ряда оксидов и гидроксидов, причем с увеличением степени окисления усивается кислотный характер и ослабляется основный.

Коррозия металлов

При взаимодействии металлов с веществами окружающей среды нн их поверхности обриауются соединения, обладающие совершенно иными свойствами, чем сами металлы. В обычной жилки мы часто употребляем слова «ржавчина», «ржавление», видя коричнево-рыжий налет на изделиях из железа и его сплавов. Ржавление    зто частый случай коррозии.

Коррозия — это процесс самопроимольного разрушения металлов и сплата not) алияішсм анешней среды (от лат. — разъедание).

Однако разрушению подвергаются практически все металлы, н результате чего многие их свойства ухудшаются (или совсем теряются):  уменьшаются прочность,  пластичность, блеск, снижается электропроводность, л также возрастает трение между движущимися деталями мншин, изменяются размеры деталей и т. д.

Коррозия металлов бывает сплошной и местной.

Нервен не так опасна, как вторая, ее проявления могут быть учтены при проектировании конструкций и аппаратов. Значительно опаснее местная коррозия, хотя потери металла здесь могут быть и небольшими. Один из наиболее опасных ее видов — точечная. Они заключается п образовании сквозных поражений, то есть точечных полостей — питтингов, при этом снижается прочность отдельных участков, уменьшается надежность конструкций, аппаратов, сооружений.

Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Человечество несет огромные материальные потери в ре-эуньтате разрушения трубопроводов, деталей машин, судов, мостов, различного оборудования.

Коррозия приводит к уменьшению надежности работы металлоконструкций- Учитывая возможное разрушение, приходится завышать прочность некоторых изделий (например, деталей самолетов, лопастей турбин), а значит, увеличивать расход металла, а зто требует дополнительных экономических затрат.

Коррозия приводит к простоям производства из-за замены вышедшего из строя оборудования, к потерям сырья и продукции в результате разрушения гало-, нефте- и водопроводов. Нельзя не учитывать и ущерб природе, а значит, и здоровью человека, нанесенный в результате утечки нефтепродуктов и других химических веществ. Коррозия может приводить к загрязнении) продукции, а следовательно, к снижению ее качества. Затраты на возмещение потерь, связанных с коррозией, колоссальны. Они составляют около 30% годового производства металлов во всем мире.

Из всего сказанного следует, что очень важной проблемой является изыскание способов защиты металлов и сплавов от коррозии.

Они весьма разнообразны. Но для их выбора необходимо знать и учитывать химическую сущность процессов коррозии.

Но химической природе коррозия — это окнислительно-восстановительный процесс. В зависимости от среды, в которой он протекает, различают несколько видов коррозии.

Наиболее часто встречающиеся виды коррозии: химическая и электрохимическая.

I. Химическая коррозия происходит в не проводящей электрический ток среде. Такой вид коррозии проявляется в случае взаимодействии металлов с сухими газами или жидкостями — неэлектролитами (бензином, керосином и др.) Такому разрушению подвергаются детали и узлы двигателей, газовых турбин, ракетных установок. Химическая коррозия часто наблюдается в процессе обработки металлов при высоких температурах.

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связана с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. У железа она рыхлая, пористая, легко отделяется от поверхности и потому не способна защитить металл от дальнейшего разрушения.

II. Электрохимическая коррозия происходит в токопроводящей среде (в электролите) с возникновением внутри системы электрического тока. Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат включения различных примесей. При контакте их с электролитами одни участки поверхности начинают выполнять роль анода (отдают электроны), а другие — роль катода (принимают электроны).

Рассмотрим разрушение железного образца в присутствии примеси меди. На железе, как более активном металле, при соприкосновении с электролитом происходят процессы окисления (растворения) металла и перехода его катионов в электролит. Таким образом, железо (его основная часть) служит анодом. Поток электронов перемещается к меди — металлу с меньшей активностью, на ней накапливается избыточное количество электронов. Таким образом, медные участки могут поделиться электронами, поэтому на них возможны процессы восстановления. Примесь меди выполняет роль катода.
В зависимости от среды электролита на катоде могут идти разные процессы.

В одном случае будет наблюдаться выделение газа (Нг). В другом — образование ржавчины.

Итак, электрохимическая коррозия — реакция, происходящая в средах, проводящих ток (в отличие от химической коррозии). Процесс происходит при соприкосновении двух металлов или на поверхности металла, содержащего включения, которые являются менее активными проводниками (это может быть и неметалл).

На аноде (более активном металле) идет окисление атомов металла с образованием катионов (растворение).

На катоде (менее активном проводнике) идет восстановление ионов водорода или молекул кислорода с образованием соответственно Н2 или гидроксид-ионов ОН-.

Катионы водорода и растворенный кислород важнейшие окислители, вызывающие электрохимическую коррозию.

Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы (металл и примеси) по своей активности (для металлов - чем дальше друг от друга они расположены в ряду напряжений). Значительно усиливается коррозия при увеличении температуры.

Электролитом может служить морская вода, речная вода, конденсированная влага и конечно же хорошо известные всем электролиты — растворы солей, кислот, щелочей.

Вы, очевидно, помните, что зимой для удаления снега и льда с тротуаров используют техническую соль (хлорид натрия, иногда хлорид кальция и др.)- Образующиеся растворы стекают в канализационные трубопроводы, создавая тем самым благоприятную среду для электрохимической коррозии подземных коммуникаций.

Способы защиты от коррозии

Уже при проектировании металлических конструкций их изготовлении предусматривают меры защиты от коррозии.

1. Шлифование поверхностей изделия, чтобы на них не задерживалась влага.
2. Применение легированных сплавов, содержащих специальные добавки: хром, никель, которые ири высокой температуре на поверхности металла образуют устойчивый оксидный слой. Общеизвестны легированные стали — нержавейки, нз которых изготавливают предметы домашнего обихода (ножн. вилки, ложки), детали машин, инструменты.
3. Нанесение защитных покрытии.

Рассмотрим их виды.

Неметаллические - неокисляющиеся масла, специальные лаки, краски. Правда, они недолговечны, но зато дешевы.

Химические — искусственно создаваемые поверхностные пленки: оксидные, цитрндные, силицидные, полимерные и др. Например, все стрелковое оружие В детали многих точных приборов подвергают воронению — это процесс получения тончайшей пленки оксидов железа на поверхности стального изделия. Получаемая искусственная оксидная пленка очень прочная и придает изделию красивый черный цвет и синий отлив. Полимерные покрытия изготавливают нз полиэтилена, полихлорвинила, полиамидных смол. Наносят их двумя способами: нагретое изделие помещают в порошок полимера, который плавится и приваривается к металлу, или поверхность металла обрабатывают раствором полимера в низкокииящем растворителе, который быстро испаряется, а полимерная пленка остается на изделии.

Металлические — это покрытия другими металлами, на поверхности которых под действием окислителей образуются устойчивые защитные пленки.

Нанесение хрома на поверхность — хромирование, никеля — никелирование, цинка — цинкование, олова — лужение и т. д. Покрытием может служить и пассивный в химическом отношении металл — золото, серебро, медь.

4. Электрохимические методы защиты.

Протекторная (анодная) — к защищаемой металлической конструкции присоединяют кусок более активного металла (протектор), который служит анодом и разрушается в присутствии электролита. В качестве протектора при защите корпусов судов, трубопроводов, кабелей и других стильных изделий используют магний, алюминий, цинк;

Катодная - металлоконструкцию подсоединяют к катоду внешнего источника тока, что исключает возможность ее анодного разрушения

5. Специальная обработка электролита или той среды, в которой находится защищаемая металлическая конструкция.

Известно, что дамасские мастера для снятия окалины и
ржавчины пользовались растворами серной кислоты с добавлением пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти принеси и были одними из первых ингибиторов. Они не позволяли кислоте действовать на оружейный металл, в результате растворялись лишь окалина и ржавчина. Уральские оружейники применяли для этих целей травильные супы — растворы серной кислоты с добавкой мучных отрубей.

Примеры использования современных ингибиторов: соляная кислота при перевозке и хранении прекрасно «укрощается» производными бутиламина. а серная кислота - азотной кислотой; летучий диэтиламин впрыскивают в различные емкости. Отметим, что ингибиторы действуют только на металл, делая его пассивным по отношению к среде, например к раствору кислоты. Науке известно более 5 тыс. ингибиторов коррозии.

Удаление растворенного в воде кислорода (деаэрация). Этот процесс используют при подготовке воды, поступающей в котельные установки.

Способы получения металлов

Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д.

В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода, хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых ме таялов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.

Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд. и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей.

Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы. В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов: пирометаллургический. гидрометяллургический, электрометаллургический.

Пирометаллургия - восстановление металлов из руд ори высоких температурах с помощью углерода, оксида углс-рода(П). водорода, металлов •- алюминия, магния.

Например, олово восстанавливают из касситерита, а медь — из куприта прокаливанием с углем (коксом). Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем. Из карбонатных руд металлы выделяют также путем накачивания а углем, так как карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем.

Гидрометаллургия — это восстановление металлов им их солей в растворе. Процесс проходит в 2 этапа:

1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получении раствори соли этого металле;
2) из полученного рахтворя данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например чтобы получить медь на руды, содержащей оксид меди СиО ее обрабатывают разбавленной серной киглотой.

Затем медь извлекают из растворе соли либо :электролизом, либо вытесняют кз сульфата железом. Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Электрометаллургия — восстановление металлов в про цессе электролиза растворов или расплавов их соединений.

Электролиз

Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться направленно: катионы — к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы - к аноду (положительно заряженному электроду).

Па катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются на аноде анионы отдают электроны и окисляются. Этот процесс называют электролизом.
Электролиз это окислительно восстаногштель ныи процесс, протекающий на злсктроікія при прохождении электрического тока чсрсэ распяая или раствор электролита.

Простейший пример таких процессов электролиз расплавленных солей. Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия. В расплаве идет процесс термической диссоциации. Под дейстиием алектрического тока катионы движутся к катоду и принимают от него электроны.
На катоде образуется металлический натрий, на аноде — газообразный хлор.

Главное, что вы должны помнить: в процессе электролиза за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

Сложнее дело обстоит в случае электролиза растворов электролитов.

В растворе соли, кроме ионов металла и кислотного остатка, присутствуют молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие в электролизе.

Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов существуют следующие правила.

1. Процесс на катоде зависит не от материала катода, на которого он сделан, а от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений, при этом если:

1.1. Катион электролита расположен в ряду напряжений а начале ряда (по Аl включительно), то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород). Катионы металла не восстанавливаются, они остаются в растворе.
1.2. Катион электролита находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливаются одновременно и ноны металла, и молекулы воды.
1.3. Катион электролита находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде восстанавливаются катионы металла.
1.4. В растворе содержится катионы разных металлов, то скачала восстанавливается катион металла, стоящего в ряду напряжений

Эти правили отражены на схеме 10.

2. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аннона (схема 11).

2.1. Коли анод растворяется (железо, цинк. медь, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона. 2.2. Если анод не растворяется (его называют инертным — графит, золото, платина), то:
а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (про ме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;
б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кисяот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды. Анионы не окисляются, они остаются в растворе;


Onov43.jpg

Электролиз расплавов н растворов веществ широко используют в промышленности:

1. Для получения металлов (алюминии, магний, натрий, кадмий получают только электролизом).
2. Для получения водорода, галогенов, щелочей.
3. Для очистки металлов — рафинирования (очистку меди, никеля, свинца проводят электрохимическим методом).
4. Для защиты металлов от коррозии — нанесения защитных покрытий в виде тонкого слоя другого металла, устойчивого к коррозии (хроме, никеля, меди, серебра, золота) — гальваностегия.
5. Получение металлических копий, пластинок — гальванопластика.

Практическое задание

1. Как связаны строение металлов к расположение их в главных и побочных подгруппах Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева?
2. Почему щелочные и щелочноземельные металлы имеют в соединениях единственную степень окислення: (+1) и (+2) соответственно, а металлы побочных подгрупп, как правило, проявляют в соединениях разные степени окисления?
3. Какие степени окисления может проявлять марганец? Какие оксиды к гидрокенды соответствуют марганцу в этих степенях окисления? Каков их характер?
4. Сравните электронное строение атомов элементов VII группы: марганца и хлора. Объясните различие в их химических свойствах и наличие разных степенен окисления атомов у обоих элементов.
5. Почему положение металлов в электрохимическом ряду напряжений не всегда соответствует нх положению в Периодической системе Д. И. Менделеева?
9. Составьте уравнения реакций натрия и магния с уксусной кислотой. В каком случае и почему скорость реакции будет больше?
11. Какие способы получения металлов вы знаете? В чем состоит сущность всех способов?
14. Что такое коррозия? Какие виды коррозии вы знаете? Какой из них предстппляст собой физико-химический процесс?
15. Можно ли считать коррозией следующие процессы: а) окисление железа при электросварке, б) взаимодействие цинка с соляной кислотой при получении травленой кислоты для паяния? Дайте обоснованный ответ.
17. Изделие из марганца находится в воде н контактирует с медным изделием. Сохранятся ли оба они в неизменном виде?
18. Будет ли защищена железная конструкция от электрохимической коррозии в воде, если на ней украпить пластину из другого металла: а) магния, б) свинца, в) никеля?
19. С какой целью поверхность цистерн для хранения нефтепродуктов (бензина, керосина) окрашивают серебрином — смесью алюминиевой пудры с одним из растительных масел?
20. На поверхности закисленной почвы садового учпеткл находятся железные трубы со вставленными латунными кранами. Что будет подвергаться коррозии: труба иян кран? В каком месте разрушение наиболее выражено?
21. Чем отличается электролиз расплавов от электролиза водных растворов?
22*. Какие металлы можно получить электролизом расплавов их солей и нельзя получить электролизом водных растворов этих веществ?
23*. Составьте уравнения электролиза хлорида бария в: а) расплаве, б) растворе
28. К раствору, содержащему 27 г хлорида меди(II), добавили 1-4 г железных опилок. Какая масса медн выделилась в результате этой реакции?
Ответ: 12,8 г.
29. Какую массу сульфата цинка можно получить при взаимодействии избытки цинка с 500 мл 20%-ного раствора серной кислоты с плотностью 1.14 г/мл?
Ответ: 187.3 г.
31. При обработке 8 г смеси магния и оксида магния соляной кислотой выделилось 5.6 л водорода (н, у.). Какова массовая доля (в %) ИЮНЯ в исходной смеси?
Ответ: 75%.
34. Определите массовую долю (в процентах) углерода в стали (сплав железа с углеродом), если при сжигании ее навески массой 10 г в токе кислорода было собрано 0,28 л оксида углеродя(ІV) (н. у.).
Ответ: 1.5%.
35. Образец натрии массой 0.5 г поместили в воду. Ни нейтрализацию полученного раствора израсходовали 29,2 г 1,5%-ной соляной кислоты. Какова массовая доля (в процентах) натрия в образце?
Ответ: 55.2%.
36. Сплав меди и алюминия обработали избытком раствора гидроксидя натрия, при этом выделился газ объемом 1,344 л (н. у.), Остаток после реакции растворили в азотной кислоте, затем раствор выпарили и прокалили до постоянной массы, которая оказалась равной 0.4 г. Каков состав сплава? Ответ: 1.08 г Аl 0,32 г Сu или 77,14% Аl  22.86% Сu.
37. Какую массу чугуна, содержащего 94% железа, можно получить из 1 т красного железняка (Fe2О3), содержащего 20% примесей?
Ответ: 595.74 кг.

Металлы в природе

Если вы внимательно изучали химию в предыдущих классах, то вам известно, что таблица Менделеева насчитывает более девяноста видов металлов и приблизительно шестьдесят из них можно встретить в природной среде.

Встречающиеся в природе металлы можно условно разделить на такие группы:

• металлы, которые можно встретить в природе в свободном виде;
• металлы, встречающиеся в виде соединений;
• металлы, которые можно встретить в смешанном виде, то есть, они могут быть, как в свободном виде, так и в виде соединений.


металлы

В отличие от других химических элементов, металлы довольно часто встречаются в природе в виде простых веществ. Они, как правило, имеют самородное состояние. К таким металлам, которые представлены в виде простых веществ, можно отнести золото, серебро, медь, платину, ртуть и другие.

Но не все металлы, встречающиеся в природной среде, представлены в самородном состоянии. Некоторые металлы можно встретить в виде соединений и их называют минералами.

Кроме того, такие химические элементы, как серебро ртуть и медь, можно встретить, как в самородном состоянии, так и в состоянии имеющих вид соединений.

Все те минералы, из которых в дальнейшем можно получить металлы, называются рудами. В природе существуют руда, в состав которой входит железо. Такое соединение получило название железной руды. А если же в составе находится медь, но соответственно, такое соединение называется медной рудой.

Конечно же, наиболее распространенными в природе являются металлы, которые активно взаимодействуют с кислородом и серой. Их принято называть оксидами и сульфидами металлов.

Таким распространенным элементом, который образует металл, является алюминий. Алюминий содержится в глине, а также входит в состав таких драгоценных камней, как сапфир и рубин.


металлы

Вторым по популярности и распространению, является такой металл, как железо. Он, как правило, встречается в природе в виде соединений, а в самородном виде его можно встретить только в составе метеоритных камней.

Следующими по распространению в природной среде, вернее в земной коре, являются такие металлы, как магний, кальций, натрий, калий.

Интересные факты о металлах

Держа в руке монеты, вы, наверное, замечали, что от них исходит характерный запах. Но, оказывается это не запах металла, а запах, который исходит от соединений, который образуется при соприкосновении металла с человеческим потом.

А знали ли вы, что в Швейцарии налажен выпуск золотых слитков в форме шоколадной плитки, которую можно разломать на дольки и использовать в качестве подарка или платежного средства? Такие шоколадные плитки компания производит из золота, серебра, платины и палладия. Если такую плитку разломать на дольки, то каждая из них весит всего один грамм.


металлы

А еще, довольно таки интересным свойством обладает такой металлический сплав, как нитинол. Он уникален тем, что обладает эффектом памяти и при нагреве деформированное изделие из этого сплава способно возвращаться к своей первозданной форме. Такие своеобразные материалы с так называемой памятью применяют для изготовления втулок. Они обладают свойством при низких температурах сжиматься, а при комнатной температуре эти втулки распрямляются и это соединение является даже надежнее, чем сварка. А происходит такое явление благодаря тому, что эти сплавы имеют структуру термоупругости.

А задумывались ли вы над тем, почему в золотые ювелирные изделия принято добавлять сплав серебра или меди? Оказывается, это происходит потому, что золото в чистом виде очень мягкое и его легко поцарапать даже с помощью ногтя.