Признаки металлов для химических элементов

Металлы – обобщенное название химических элементов, объеденных по ряду признаков. В периодической таблице они занимают большую часть, однако до сих пор не существует документа, позволяющего разделить их на классы.

Отличаются металлы в первую очередь своими качественными характеристиками. Какие-то имеют высокую теплопроводимость, другие выдерживают высокие нагрузки на разрыв и растяжение.

В зависимости от этих качеств определяется и сфера применения, но металлы в природном виде, даже очищенные, не обладают необходимыми показателями в достаточном виде, поэтому применяется технология сплавов, то есть соединения нескольких элементов в одну молекулярную решетку. Это позволяет существенно улучшить характеристики, и придать сплаву необходимые качества.

Простой пример: возьмем распространенный в промышленности сплав бронзу. Это соединение, где основным элементом выступает медь. В качестве легирующего, то есть улучшающего качество, компонента используется олово. В результате соединения получается новый металл, более твердый и упругий по сравнению с чистой медью, который часто используют для изготовления крепежа.

Основные виды классификации металлов

Существует несколько видов классификации металлов. Начнем с основного типа – деления на две большие группы: черные и цветные. Черные металлы отличает высокая температура плавления, плотность и повышенная твердость. Цветные металлы, в большинстве случаев, плавятся при более низких температурах и обладают повышенной электро и теплопроводимостью.

Такое разделение обусловлено распространением элементов в природе. На добычу черных элементов приходится более 90 процентов от всей массы добываемых металлов, в то время как на цветную группу приходится не более 5-10 процентов.

Необходимо отметить, что виды классификации являются условными, и используются в зависимости от назначения конечного продукта, который производят из этих металлов.

Так, для изготовления крепежа используется классификация по техническим характеристикам, а для изготовления сложных сплавов химическая и кристаллическая. Рассмотрим эти виды подробнее.

Химическая классификация металлов

Все элементы в периодической таблице делятся на четыре основных группы, маркируемые латинскими буквами:

• S. Отмечены розовым цветом.
• P. Желтые элементы.
• D. Бирюзовый цвет.
• F. Зеленые элементы в таблице.

Каждая группа содержит в себе металлы. Элементы из первых двух категорий (S и P) называют простым видом, а элементы из групп D и F переходным. Также каждая группа делится еще на несколько категорий. В группу S входят щелочные и щелочеземеленые металлы, а в группы D и F платиновые, урановые и редкоземельные.

При этом в каждой группе существуют исключения, из чего можно сделать вывод, что деление металлов по химическим группам является условностью, и редко применяется в практических сферах. Такое деление интересно только для научных изысканий, и практически не применимо в промышленности и производстве.

Например, изготовление крепежа отталкивается от технических аспектов, и лишь в малой степени от химических.

Классификация металлов по кристаллической решетке

Все элементы имеют, так называемую, кристаллическую решетку. Абстрактная структура, определяющая расположение атомов и электронов, а также их привязку к ядру.

В аморфных материалах, таких как стекло, атомы расположены хаотично, и не имеют строгой конструкции. В отличие от металлов, которые в твердом виде обладают строго структурированной решеткой, с четким построением молекулярных элементов.

Всего разделяют 4 вида кристаллических решеток, которые проще представить в виде таблицы:

Это наиболее распространенные типы кристаллических решеток, часто встречающиеся у металлов. В общей сложности система классификации насчитывает 14 конфигураций, но у металлов они или встречаются крайне редко, или не встречаются вообще.

Также следует отметить, что правильное построение решетки возможно только при естественном затвердевании металла, без искусственных ускорений. Если процесс остывания был ускорен, форма решетки изменится.

В производстве это называют закаливанием, в результате которого меняется не только молекулярная структура, но и технические свойства.

Также, при нарушении норм производства металлического проката, может наблюдаться замена в кристаллической решетке. Это ведет к полному изменению качеств готового изделия. Чтобы условия производства соблюдались, были разработаны нормы стандартизации, гарантирующие четкое соответствие готового проката техническому описанию его свойств.

Техническая классификация металлов

Наиболее полную систему классификации предложил профессор Гуляев, хотя современные ученые и не согласны с некоторыми ее аспектами, ничего нового пока предложено не было. Итак, черные металлы делят на 5 основных подгрупп:

1. Железные металлы. Сюда входят марганец, кобальт, никель, и конечно, железо. Наиболее распространенная в природе группа, используемая в сплавах как основной компонент.
2. Тугоплавкие. Элементы, имеющие высокую температуру расплавления. В качестве эталона принята мера в 1539 градусов по Цельсию.
3. Редкоземельные. Дорогостоящие в плане добычи и обработки элементы, к которым относят неодим, европий, самарий и другие металлы, используемые в качестве присадок к основному сплаву. Способны даже при небольшом проценте вмешательства существенно повысить или полностью изменить характеристики сплава.
4. Щелочные. Особая группа, практически не применяемая в чистом виде. Чаще всего используются в атомной энергетике. Сюда относят: литий, барий, радий и другие.
5. Урановые. Торий, уран, плутоний. Применяются исключительно в атомной энергетике.

Цветные металлы также делят на несколько подгрупп. Их три:

1. Легкие. Алюминий, магний, бериллий. Обладают низким удельным весом и часто применяются в авиастроении и прочих сферах, где необходим твердый, но в то же время легкий материал.
2. Легкоплавкие. Металлы с наиболее низкой температурой плавления: цинк, олово, свинец. Используются как в чистом виде, в качестве припоя и соединительного элемента, и как легирующие добавки, повышающие или изменяющие характеристики сплава.
3. Благородные или драгоценные металлы. Наиболее редкие элементы, к которым относят: золото, серебро, палладий, платину. Обладают максимальной устойчивостью к коррозии и окислению, благодаря чему получают широкое распространение в различных промышленных сферах.

Практически все металлы из двух групп поддаются смешению, то есть производству из них сплавов с необходимыми техническими характеристиками.

Классификатор металлов по ГОСТ

Если рассматривать метлы с точки зрения геологии и распространения в природе, их делят на две большие группы: черные и цветные. Об этом мы уже говорили выше. В химии деление происходит по 4 направлениям, но чтобы привести виды металлов к общему знаменателю, необходимо более точное разделение.

Начнем с основного типа классификации: металлы и сплавы. Металлы – это материалы, используемые в чистом, или практически чистом виде. Здесь допускаются примеси, но в незначительной степени, то есть те, которые не способны оказать влияния и изменить технические характеристики.

Сплавами называют соединения, с высоким содержанием двух и более элементов.

Для того чтобы сплав получил маркировку, в его составе должно быть не менее 50 процентов основного компонента.

То есть, если мы берем бронзу, то понимаем, что в ее составе больше половины занимает медь, а остальное делится между другими металлическими компонентами. Чистые металлы, в свою очередь, делятся на стали и чугуны.

Эти металлы имеют в составе углерод. Если его содержание не превышает 2,14 %, его называют сталью. Свыше этого значения уже чугун.

Классификация металлов

Чтобы привести все виды металлов к единому стандарту качества, необходимо разделить их на группы. Таких групп 3:

1. Стали,
2. Чугуны,
3. Сплавы на основе цветных металлов.

Каждая группа имеет деление на подгруппы. У стали это:

• углеродистая,
• легированная,
• специальная.

Углеродистая сталь не имеют легирующих, то есть изменяющих структуру элементов. Допускаются примеси, но в незначительном количестве. Углеродистая сталь в свою очередь делится на инструментальную и конструкционную. Кардинальные различия заключаются в процентах содержания в составе углерода.

Конструкционная сталь содержит не более 0,6%, а инструментальная от 0,7 до 1,5%. Далее конструкционная сталь делится на обычное качество и высокое. В обычном качестве допускаются примеси серы и фосфора, но в количестве, не превышающем 0,3 процента.

Соответственно высококачественная сталь не предусматривает наличия этих элементов в составе, или их количество должно быть меньше установленной нормы.

Далее легированная сталь, то есть материал, имеющий в составе компонент, влияющий на качественные характеристики сплава. Список легирующих элементов довольно большой, и здесь его приводить не имеет смысла.

Содержание легирующего элемента начинается от 2,5%. Такая сталь называется низколегированной.

Если в составе от 2,5 до 10 процентов, это уже среднелегированная марка, а при содержании свыше 10 процентов, получается высоколегированная сталь.

Помимо этого легированные стали делятся по назначению. Здесь три группы:

1. инструментальная,
2. конструкционная,
3. специальная

В стандартизации каждый элемент имеет буквенное обозначение, а для причисления легированной стали к тому или иному классу используется отдельный список. Все легированные стали обозначаются сочетанием букв и цифр. Для примера рассмотрим такое соединение: 10Г2СД.

Первая цифра здесь – это количество углерода в сотых долях процента. Далее буква Г, в классификаторе означающая марганец. Следующая за буквой Г цифра 2 говорит нам о том, что марганец в этом составе присутствует в двухпроцентной доле. И последние две буквы – это дополнительные элементы, процентная доля которых менее 1,5%. В данном случае сюда добавлены медь и кремний.

Последний вид стали – специальный. Он делится на несколько групп:

• строительная,
• подшипниковая,
• арматурная,
• котельная,
• автоматная.

Соответственно для каждой группы имеются свои стандарты.

Далее идут чугуны, делящиеся на три группы:

1. белый,
2. отбеленный,
3. и графитизированный.

У каждой группы также имеется свое разделения, но наибольший интерес представляет графитизированный чугун, который делится на:

• серый,
• вермикулярный,
• ковкий
• и высокопрочный.

• Отношение к какой-либо группе определяется процентным соотношением углерода к металлу в составе, а также наличию примесей, допустимых стандартами, то есть ГОСТами.
• И, наконец, последняя крупная группа – сплавы на основе цветных металлов. Здесь очень много разделений и видов классификации, поэтому остановимся на трех основных категориях, и представим их в виде таблиц:
• Алюминиевые сплавы:

Медные сплавы:

Поиск сплава в классификаторе ГОСТ

Государственные стандарты четко определяют не только виды металлов и сплавов, но и качество производства заготовок для дальнейшей обработки и производства металлоизделий. Реестр очень большой, и первый пункт, который нам нужен – металлы и металлические изделия.

Далее переходим в необходимый раздел. Углеродистая и качественная сталь имеет маркировку В2 и В3 соответственно, а цветные металлы и их сплавы находятся в разделе В5. Также имеет смысл поискать в разделе В8, где перечислены стандарты литейных отливок.

Если мы говорим про изготовление крепежа, наибольший интерес представляет раздел В5, а внутри него подраздел В51.

Перед нами открывается список всех ГОСТов, связанных с этими определениями.

Он довольно большой, и не зная конкретного номера найти необходимую статью довольно сложно. Если же номер известен изначально, то на сайте ГосСтандарта есть готовый поиск, куда необходимо внести свой номер, чтобы сразу получить доступ к необходимому элементу.

Сферы применения основных металлов

Рассматривать радиоактивные и редкоземельные металлы не имеет смысла, так как в производстве крепежа они практически не принимают участия, как и в других сферах, не связанных с атомной энергетикой и некоторыми редкими видами промышленности. Нас интересуют основные металлы и сплавы рассмотренные выше.

Сферы их применения очень разнообразны:

• строительство,
• авиастроение,
• машиностроение,
• производство инструментов,
• металлоконструкции,
• станкостроение.

И так далее. Изготовление крепежа можно отнести нескольким категориям, но по сути, это металлоконструкции, называемые в народе Метизы. Для производства метизов используются десятки различных металлов и сплавов, от конструкционной стали и чугуна, до сложных сплавов на основе титана и меди.

Коротко по каждому виду, применяемому для изготовления крепежей

Перед тем как перейти к описанию конкретных видов металлов и сплавов, необходимо определиться, какие основные технические требования предъявляются к продуктам, попадающим под категорию «крепеж». Их несколько:

• прочность учитывается прочность на разрыв и излом.
• Пружинистость. Возможность металла возвращать изначальную форму после сжатия.
• Устойчивость к коррозии и окислению. Актуально для всех видов крепежа.

И многое друге. Теперь поговорим о конкретных металлах и сплавах. Их список выглядит следующим образом:

1. Алюминий и сплавы на его основе,
2. Медь,
3. Латунь,
4. Бронза,
5. Инструментальная сталь,
6. Легированная сталь,
7. Ковкий чугун,
8. Сталь нержавеющая.

Начнем по порядку: первый пункт – это алюминий и сплавы на его основе. Он применяется при изготовлении клепок и различных зажимов. Также в клепках может быть использована медь для повышения качества метиза. Помимо этого из меди изготавливают гайки специального назначения. Они используются, в частности, при судостроении, так как медь при контакте с другими металлами не создает искру.

Латунь и бронза отличаются повышенной, по сравнению с медью, прочностью, поэтому из них изготавливают различные шпонки, элементы анкеров, а также болты, шурупы и винты. Еще одна особенность этих сплавов заключается в отсутствии скипания. То есть при электрическом замыкании, сталь сплавляется, а медь остается цельной и не разрушается.

Из легированной и конструкционной стали изготавливаются барашковые гайки, струбцины и прочие удерживающие элементы. Это обусловлено высокой прочностью этих марок. Нержавеющая сталь, в свою очередь применяется там, где необходима максимальная устойчивость к коррозии. Что касается чугуна, то он чаще всего применяется при производстве запорной арматуры, то есть вентилей и запоров.

Что такое металлы

• Электрохимический ряд напряжений металлов
• Электролиз
• Коррозия металлов

Ou brille l’ardent metal!.. — Люди гибнут за металл!

Наверняка, многие слышали эту фразу из куплетов Мефистофеля (опера Гуно «Фауст»). Трудно не согласиться с автором, ведь металлы действительно играют чрезвычайно важную роль в жизни человека.

Большинство, известных современной науке, химических элементов являются металлами (их более 80). Металлы входят в большинство неорганических соединений.

Наибольшую химическую активность проявляют щелочные и щелочноземельные металлы, которые образуют наиболее типичные для металлов химические соединения.

Еще одним существенным нюансом является тот факт, что соединения некоторых металлов Ia и IIa групп (литий, калий, магний, кальций) принимают участие во многих химико-биологических процессах, протекающих в клетках живых организмов.

Общая характеристика металлов

Все химические элементы делятся на металлы и неметаллы. В основе такого деления лежит различие в строении атомов элементов.

Неметаллы в таблице Периодической системы Менделеева занимают правый верхний угол (желтые ячейки на рисунке внизу):

Все остальные, не желтые ячейки плюс водород и гелий — занимают металлы. Таким образом, неметаллы и металлы в Периодической таблице разделены условной диагональю бор-астат.

Химические элементы, расположенные в непосредственной близости от этой диагонали (алюминий, титан, галлий, германий, сурьма, теллур, астат), имеют двойственные свойства, реагируя в некоторых случаях, как металлы, а в других — как неметаллы.

Закономерности расположения элементов в периодах (слева-направо):

• Радиус атома — уменьшается;
• Заряд ядра — увеличивается;
• Электроотрицательность — увеличивается;
• Кол-во электронов на внешнем слое — увеличивается;
• Прочность связи внешних электронов с ядром атома — увеличивается;
• Способность отдавать электроны — уменьшается.

Исходя из вышеуказанных закономерностей, нетрудно догадаться, что металлы находятся в начале каждого периода (слева), а неметаллы — в конце (справа).

Атомы металлов:

• как правило, на внешнем электронном слое имеют 1-3 электрона (4 электрона у Ge, Sn, Pb; 5 — у Sb, Bi; 6 — у Po);
• имеют больший размер атома и меньший заряд его ядра, по сравнению с неметаллами своего периода;
• имеют высокопрочную связь внешних электронов с ядром атома;
• легко расстаются с валентными электронами, превращаясь в катионы.

При н.у. все металлы (за исключением ртути) являются твердыми веществами, обладающими прочной кристаллической решеткой, образованной за счет металлических связей.

Между узлами кристаллической решетки находятся свободные электроны, которые могут переносить теплоту и проводить электрический ток.

Поэтому, в отличие от неметаллов, металлы хорошо проводят тепло и обладают высокой электропроводностью.

Физические свойства металлов:

• твердые вещества (кроме ртути);
• обладают характерным металлическим блеском;
• обладают высокой электро- и теплопроводностью;
• обладают высокими механическими качествами: упругостью, пластичностью, прочностью.

• Самыми мягкими металлами являются калий и натрий (их можно резать ножом), самый твердый металл — хром (царапает стекло).
• Самый легкоплавкий металл ртуть (-38,9°C), самый тугоплавкий — вольфрам (3380°C).
• Самая низкая плотность у лития (0,59 г/см3), самая высокая — у осмия (22,48 г/см3).
• Еще одной характерной особенностью металлов является их способность намагничиваться:

• ферромагнетики обладают высокой способностью намагничиваться даже под действием незначительного магнитного поля (железо, никель);
• парамагнетики проявляются слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром);
• диамагнетики не намагничиваются (олово, медь).

Химические свойства металлов

Выше уже было сказано, что металлы достаточно легко расстаются со своими электронами (окисляются), т.е. в окислительно-восстановительных реакциях являются восстановителями.

• M — металл;
• e- — электрон;
• n — целое число.

Металлы характеризуются низкими величинами энергии ионизации (энергии, необходимой, для отрыва электрона от атома).

Восстановительная способность металлов:

• в периодах уменьшается слева-направо;
• в главных подгруппах увеличивается сверху-вниз.

Металл является более сильным восстановителем, чем он стоит левее в периоде и ниже в главной подгруппе.

Восстановительная активность металлов, в реакциях, протекающих в растворах веществ, зависит от места металла в электрохимическом ряду напряжений.

Химические реакции металлов с неметаллами (простыми веществами):

• с водородом металлы образуют гидриды:Ca+H2 = CaH2 — гидрид кальция
• с галогенами металлы образуют галогениды (соли):Mg+Br2 = MgBr2 — бромид магния
• с кислородом металлы образуют оксиды:4Na+O2 = 2Na2O — оксид натрия
• с серой металлы образуют сульфиды (соли):Fe+S = FeS — сульфид железа
• с углеродом металлы образуют карбиды:Ca+2C = CaC2 — карбид кальция

Химические реакции металлов с сложными веществами:

• металлы от лития до натрия (см. ряд напряжений) вытесняют водород при н.у. с образованием щелочей: 2Na+2H2O = 2NaOH+H2↑
• металлы, стоящие левее водорода, реагируют с разбавленными кислотами с образованием солей и выделением водорода: 2Al+6HCl = 2AlCl3+3H2↑
• металлы реагируют с растворами солей менее активных металлов, восстанавливая при этом менее активный металл, с образованием соли более активного металла:
  Fe+CuSO4 = FeSO4+Cu

Получение металлов

В свободном виде в природе присутствуют наименее активные металлы, встречаются они в виде так называемых самородков (кто не мечтает найти самородок золота). Так уж сложилось, что количество таких металлов на земле не так уж и много, поэтому, их еще называют драгоценными металлами — это золото, серебро, платина.

Остальные металлы, не имеющие «благородного» происхождения, т.к. являются достаточно активными, чтобы вступать во взаимодейcтвие с другими веществами, в природе присутствуют в разнообразных соединениях — сульфидах, сульфатах, оксидах, хлоридах, нитратах, фосфатах и проч.

Благодаря своим высоким практическим качествам, металлы заслужили «уважение» у наших далеких предков, которые, поняв их полезность, пытались найти способы извлечения металлов из соединений. Так зародилась целая отрасль, называемая металлургией.

Любой современный металлургический процесс заключается в восстановлении ионов металла, с получением на выходе металла в свободном виде.

Разновидности металлургических процессов:

• Прометаллургия — получение металлов из их руд при помощи различных восстановителей при высоких температурах: FeO+C = Fe+COCr2O3+2Al = Al2O3+2Cr
• Гидрометаллургия — получение металлов из раствора соли металла путем вытеснения более активным металлом:
  • на первом этапе оксид металла растворяют в кислоте с целью получения раствора соли металла: CuO+H2SO4 = CuSO4+H2O
  • на втором этапе из полученного раствора более активным металлом вытесняют «нужный» металл: CuSO4+Fe = FeSO4+Cu
• Электрометаллургия — получение металлов электролизом растворов (расплавов) их соединений (роль восстановителя выполняет электрический ток).

Сплавы металлов

1. По мере развития науки, человек понял, что соединяя воедино несколько различных металлов, можно получить вещество, которое будет превосходить по своим показателям исходные компоненты — так появились сплавы металлов.
2. Сплавы получают из расплавов металлов, которые в жидком виде хорошо растворяются и смешиваются друг с другом.
3. Главные разновидности сплавов металлов:

• Механическая смесь металлов представляет собой смесь очень мелких кристаллов отдельных металлов, как, например, перемешать цемент с песком;
• Твердые растворы представляют собой однородные кристаллы в узлах кристаллической решетки которых находятся атомы сплавляемых металлов;
• Интерметаллические соединения получаются взаимным растворением металлов, в результате которого атомы образуют «экзотические» соединения, например, Ag2Zn5, Cu3Zn.

Следует сказать, что сплавляются друг с другом не только металлы, в состав некоторых сплавов входят и неметаллы, с которыми металлы не только механически смешиваются, но и образуют атомные соединения, в результате чего полученный сплав обладает резко отличающимися физическими свойствами от исходных металлов. Современная наука разработала много разнообразных сплавов, которые обладают заранее заданными свойствами.

Популярные сплавы:

• Сталь — сплав железа с углеродом (обычно, до 1%) с легирующими добавками хрома, никеля, кремния, фосфора, марганца и проч.
• Чугун — сплав железа с углеродом (более 3%) с легирующими добавками.
• Бронза — сплав меди с оловом с легирующими добавками.
• Латунь — сплав меди с цинком.
• Мельхиор — сплав меди с никелем.
• Дюралюминий — сплав алюминия с медью (3-5%), магнием (1%), марганцем (1%).
• Амальгама — сплав металла с ртутью.

Классификация металлов: металлы, их сплавы, характеристики и другое

Классификация металлов: металлы, их сплавы, характеристики и другое добавить в закладки

Металлы – соединения, в которых атомы закономерно расположены в узлах кристаллической решетки. Они имеют ряд особенных свойств:

• металлический блеск;
• твердость (исключение – ртуть);
• проводимость электрического тока и тепла;
• пластичность.

В химических реакциях металлы играют роль восстановителей, т. е. стремятся отдать свои электроны другим атомам. Металлы не встречаются в чистом виде. Человек, как правило, применяет сплавы – смесь из двух и более металлических компонентов.

Как классифицируются металлы

На данный момент известно около 96 металлов. Все они обладают одинаковой металлической кристаллической решеткой, но отличными характеристиками. Таким образом, металлы классифицируются по различным признакам.

Классификация по химическим свойствам

1. Щелочные (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)

Щелочные металлы – активные элементы, на внешнем энергетическом уровне которых располагается по одному электрону. В периодической таблице Д.И. Менделеева они находятся в первой главной «IA» подгруппе.

Щелочные металлы реагируют практически со всеми неметаллами. Некоторые химические реакции со щелочными металлами сопровождаются взрывом.

1. Щелочноземельные (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)

Щелочноземельные металлы – элементы, которые на внешнем уровне содержат два электрона.

Они располагаются во второй главной «IIA» подгруппе. Щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, реагируют с кислородом, водородом, другими неметаллами, оксидами, кислотами, солями.

1. Переходные (Сu, Zn, Cr, Mn и др.

   )

Переходные металлы – элементы побочных групп, атомы которых содержат электроны на d- и f-орбиталях. В соединениях они проявляют положительную степень окисления. В соединениях атомы используют валентные s- и p, так и d-электроны.

Исходя из этого, d-элементы обладают переменной валентностью. По этой причине они могут образовывать комплексные соединения.

Для переходных металлов характерна небольшая электроотрицательность и переменная степень окисления. Они представляют собой твердые вещества с высокими температурами плавления и кипения.

Классификация по физическим свойствам

Тугоплавкие металлы – класс химических элементов, обладающих высокой температурой плавления и устойчивостью к изнашиванию. Они обладают температурой плавления выше 2000 °C. Тугоплавкие металлы редко вступают в реакции.

1. Цветные (Cu, Zn, Ni, Sn и др.

   )

Все цветные металлы и их сплавы делятся на две группы – тяжелые и легкие. Тяжелые металлы (Pb, Cu, Hg, Co и др.) – соединения, плотность которых 5 г/cm3 и выше. Их соли загрязняют окружающую среду и негативно влияют на животных и человека. Легкие металлы (Al, Sn и др.

) – металлы, которые расположены в р-блоке периодической таблицы. Их плотность меньше 5 г/cm3. Цветные металлы устойчивы к коррозии и агрессивным средам. Черные металлы – железо и его сплавы. По некоторым классификациям к ним также относятся марганец, ванадий, хром. Главные продукты черной металлургии – сталь и чугун.

Черные металлы составляют более 90 % всего объема используемых в экономике металлов. Основным элементом, придающим сплавам железа разнообразные свойства, является углерод.

1. Благородные (Au, Ag и металлы платиновой группы)

Благородные металлы — металлы, которые не подвергаются коррозии и окислению. Они не реагируют с соляной кислотой. Благородные металлы часто называют драгоценными.

Различные классификации позволяют эффективно использовать металлы и применять их во многих отраслях. 

Лекция по Химии на тему "Металлы"

• УЧЕБНАЯ
  ДИСЦИПЛИНА: ХИМИЯ
  Тема: Металлы
• Задание №1
• Ознакомьтесь с лекционным материалом по
  теме.
• Задание №2
• Ответить на вопросы:

1.
 Где расположены металлы в периодической системе химических элементов
Д.И.Менделеева?

2.
Каковы особенности строения атомов металлов?
3. В чём различие в строении внешнего энергетического уровня у металлов и
неметаллов?
4. Сколько наружных электронов имеют атомы металлов главных и побочных
подгрупп?
5. В каких формах могут находиться металлы в природе?
6.  Как устроена кристаллическая решетка металлов?

7. Каковы физические свойства металлов?

8.
Как можно получить металлы из их соединений?
9. Как ведут себя атомы металлов в химических реакциях и почему?
10. Какие свойства – окислителей или восстановителей – проявляют металлы в
химических реакциях?
11. Расскажите об электрохимическом ряде напряжений металлов.
12. Перечислите реакции, в которые могут вступать металлы.

13. Каково значение металлов в жизни человека?

Лекция

1.     Особенности
электронного строения металлов.

     
Металлы — это химические элементы, атомы которых отдают электроны внешнего (а
иногда предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы.
Металлы – восстановители Ме0 – nе = Меn+.
Это обусловлено небольшим числом электронов внешнего слоя (в основном 1 — 3),
большим радиусом атомов,  вследствие чего эти электроны слабо удерживаются
с ядром.

2.    Положение
металлов в ПСХЭ.

Легко
увидеть, что большинство элементов ПСХЭ – металлы (92 из 114).

     
Металлы  размещены в левом нижнем углу ПСХЭ. Это все элементы,
расположенные ниже диагонали В – Аt, даже
те у которых на внешнем слое 4 электрона ( Je, Sn, Pb),
5 электронов ( Sb, Di), 6 электронов ( Po), так
как они отличаются большим радиусом. Среди них есть s и p-элементы
– металлы главных подгрупп, а также d и f металлы,
образующие побочные подгруппы.

В
соответствии с местом, занимаемым в периодической системе, различают переходные
(элементы побочных подгрупп) и непереходные металлы (элементы главных
подгрупп). Металлы главных подгрупп характеризуются тем, что в их атомах
происходит последовательное заполнение электронных s- и р-подуровней. В атомах
металлов побочных подгрупп происходит достраивание d- и f-подуровней.

Закономерности в изменении
свойств элементов – металлов.

  
         У элементов – металлов побочных подгрупп свойства чуть-чуть
другие.

В
побочных подгруппах (Cu, Ag, Au) – активность
элементов – металлов падает. Эта закономерность наблюдается и у элементов
второй побочной подгруппы Zn, Cd, Hg.

        
 У элементов побочных подгрупп – это элементы 4-7 периодов – с увеличением
порядкового элемента радиус атомов изменятся мало, а величина заряда ядра
увеличивается значительно, поэтому прочность связи валентных электронов с ядром
усиливается, восстановительные свойства ослабевают.

3.    Металлическая
химическая связь. Кристаллические решетки.

    
Связь в металлах между («атом-ионами» ) посредством (большого
количества не связанных с ядрами подвижных электронов) называется  (металлической
связью).

Все
металлы являются кристаллическими телами, имею­щими определенный тип
кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных
ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный
газ). Такой тип структуры называется металлической связью.   

1.    
   Тип ре­шетки определяется формой элементарного геометриче­ского тела,
   многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку
   данного кристал­лического тела.
2.             Обобщим
   сведения о типе химической связи, образуемой атомами металлов и строение
   кристаллической решетки:
3.        
   —  сравнительно небольшое количество электронов одновременно связывают
   множество ядер, связь делаколизована;
4.       
   —  валентные электроны свободно перемещаются по всему куску металла,
   который в целом электронейтрален;
5.      
   —  металлическая связь не обладает направляемостью и насыщенностью.
6. 4.    Физические
   свойства металлов
7.     
   В соответствие именно с таким строением металлы характеризуются общими
   физическими свойствами.      

       
а)  твердость – все металлы кроме ртути, при обычных
условиях твердые вещества. Самые мягкие – натрий, калий. Их можно резать ножом;
самый твердый хром – царапает стекло.

      
б)  плотность. Металлы делятся на мягкие (5г/см³) и
тяжелые (меньше 5г/см³).

      
в)  плавкость. Металлы делятся на легкоплавкие и
тугоплавкие.

      
г) электропроводность, теплопроводность металлов обусловлена
их строением. Хаотически движущиеся электроны под действием электрического
напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает
электрический ток.

     
При повышении температуры амплитуда движения атомов и ионов, находящихся в
узлах кристаллической решетки резко возрастает, и  это мешает движению
электронов,  и электропроводность металлов падает.

           д) металлический
блеск – электроны, заполняющие межатомное пространство отражают
световые лучи, а не пропускают как стекло. Поэтому все металлы в
кристаллическом состоянии имеют металлический блеск.

Для большинства металлов в
ровной степени рассеиваются все лучи видимой части спектра, поэтому они имеют
серебристо-белый цвет. Только золото и медь в большой степени поглощают
короткие волны и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют желтый
цвет.

Самые блестящие металлы – ртуть, серебро, палладий. В порошке все
металлы, кроме Al и Mg, теряют блеск и имеют
черный или темно-серый цвет.

 е)    пластичность. Механическое
воздействие на кристалл с металлической решеткой вызывает только смещение слоев
атомов и не сопровождается разрывом связи, и поэтому металл характеризуется
высокой пластичностью.

    
Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и др. способны по достижении
определенных температур изменять кристаллическое строение. Это явление получило
название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного
кристаллического строения к другому называются аллотропическими или
полиморфными.

• 5.    Химические
  свойства металлов
•             Ряд
  напряжений характеризует химические свойства металлов: чем меньше электродный
  потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.
• А)
  Взаимодействие с неметаллами (в названиях полученных
  веществ окончание
•  -иды)
• 2Mg0+O20—>2Mg2+O2- (оксид магния)
• Fe0+S0—>Fe2+S2- (сульфиджелеза II)
• Б)
  Взаимодействие с водой. Самые активные
  металлы реагируют с водой при обычных условиях, и в результате
  этих реакций образуются растворимые в воде основания и выделяется водород
• 2Na + 2HOH =
  2NaOH + H2 
• 2Li0+2H2+O2– —>
  2Li+O2-H+ + H20
• Менее
  активные металлы реагируют с водой при
  повышенной температуре с выделением водорода и образованием оксида
  соответствующего
  металла           
                     Zn
  + H2O = ZnO +H2
• В)
  Взаимодействие с растворами кислот. Происходит при соблюдении ряда условий
• ·       Металл
  должен находиться левее в ряду напряжений металлов;
• ·       В
  результате реакции должна образовываться растворимая соль, иначе металл
  покроется осадком и доступ кислоты к металлу прекратиться;
• ·       Для
  этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они
  взаимодействуют с водой в растворе кислоты;
• ·       По
  особому взаимодействуют с металлами концентрированные азотная и серная кислоты;
• 2H+Cl– +Zn0
   → Zn2+Cl2- +H20
• Г)
  Взаимодействие с растворами солей.  При этом соблюдаются следующие условия
• ·       Металл
  должен находиться в ряду напряжений левее металла, образующего соль;
• ·       В
  результате реакции должна образовываться растворимая соль, иначе металл
  покроется осадком и доступ кислоты к металлу прекратиться;
• ·       Для
  этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они
  взаимодействуют с водой в растворе соли;
• Fe0+Cu2+Cl2– →Fe2+Cl2– +Cu0
• Д)
  Взаимодействие со щелочами (только амфотерные)
• Be + 2NaOH + 2H2O
  = Na2[Be(OH)4] + H2
• Магний
  и щелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.
• Е)
  Взаимодействие с оксидами металлов (металлотермия).
• Некоторые
  активные металлы способны вытеснять другие металлы из их оксидов при поджигании
  смеси.
• 2Al0 + Fe2O3 = Al2O3 +2Fe
• Ж) Коррозия (будет
  рассмотрена на другом занятии).
• 6.   Способы
  получения металлов

Существуют
несколько основных способов получения — металлов.
 а) Пирометаллургия – это получение металлов из их
соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей (C, CO,
H2, Al, Mg и др.).

—
из их оксидов углем или оксидом углерода (II)
ZnО + С = Zn + СО

Fе2О3 + ЗСО = 2Fе + ЗСО2

— водородом

WO3 + 3H2 =W + 3H2O

СоО + Н2 = Со + Н2О
— алюминотермия

4Аl + ЗМnО2 = 2А12О3 + ЗМn

б) Гидрометаллургия – это получение металлов,
которое состоит из двух процессов: сначала природное соединение металла (оксид)
растворяют в кислоте, в результате чего получают соль металла. Затем из
полученного раствора необходимый металл вытесняют более активным металлом.
Например:

1. CuO +
   H2SO4 = CuSO4 + H2O,
2. CuSO4 +
   Zn = ZnSO4 + Cu.
3.  Обжигом
   сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов
   (например, углем):

2ZnS + ЗО2 = 2ZnО + 2SО2
ZnО + С = СО + Zn

в) Электрометаллургия – это получение металлов при
электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя при этом
играет электрический ток.

• СuСl2 →
  Сu2+ 2Сl-
  Катод (восстановление): Сu2+ — 2е- = Сu0                   
• Анод
  (окисление): 2Cl- — 2е- = Сl°2