Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются восстановителями. В этом и состоит их главное и наиболее общее химическое свойство.
Металлы как восстановители вступают в реакции с различными окислителями - кислотами, солями менее активных металлов и некоторыми другими соединениями.
Соединения металлов с галогенами называются галогенидами, с серой - сульфидами, с азотом - нитридами, с фосфором - фосфидами, с углеродом - карбидами, с кремнием - силицидами, с бором - боридами, с водородом - гидридами и т.д. Многие из этих соединений нашли важное применение в новой технике. Например, бориды металлов используют в радиоэлектронике, а также в ядерной технике в качестве материалов для регулирования нейтронного излучения и защиты от него.
Взаимодействие металлов с кислотами является окислительно-восстановительным процессом. Окислителем является ион водорода, который принимает электрон от металла:
Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активных металлов можно иллюстрировать примером:
Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Сu
В этом случае происходит отрыв электронов от атомов более активного металла (Zn) и присоединение их ионами менее активного (Сu 2+).
Активные металлы взаимодействуют с водой, которая выступает в роли окислителя. Например: Na – e- = Na+ 2
2H2O + 2e- = H2+ 2OH- 1
2Na + 2H2O = 2Na+ 2OH- + H2
Металлы, гидроксиды которых амфотерны, как правило, взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей. Например:
Таким образом, отношение металлов к неметаллам, кислотам, растворам солей менее активных металлов, к воде и щелочам подтверждает их главное химическое свойство - восстановительную способность.
Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Они имеют общее название - интерметаллические соединения, или интерметалл иды. Примером могут служить соединения некоторых металлов с сурьмой: Na 2 Sb, Ca 3 Sb 2 , NiSb, Ni 4 Sb, FeSb x (x = 0,72 ... 0,92). В них чаще всего не соблюдаются степени окисления, характерные в соединениях с неметаллами.
Химическая связь в интерметаллидах преимущественно металлическая. По внешнему виду они похожи на металлы. Твердость интерметаллидов, как правило, выше, а пластичность намного ниже, чем у образующих их металлов. Многие интерметаплиды нашли практическое применение. Например, сурьма-алюминий AlSb; сурьма-индий InSb и другие широко используют как полупроводники.
Металлы встречаются в природе как в свободном состоянии (самородные металлы), так и в виде химических соединений.
В виде самородных металлов находятся наименее активные металлы. Типичными их представителями являются золото и платина. Серебро, медь, ртуть, олово могут находиться в природе как в самородном состоянии, так и в виде соединений, все остальные металлы (стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов до олова) - только в виде соединений с другими элементами.
Минералы и горные породы, содержащие металлы или их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами. Важнейшими рудами металлов являются их оксиды и соли (сульфиды, сульфаты, карбонаты и др.). Если руды содержат соединения двух или нескольких металлов, то они называются полиметаллическими (например, медно-цинковые, свинцово-серебряные и др.).
Современная металлургия получает более 75 металлов и многочисленные сплавы на их основе. В зависимости от способов получения металлов различают пиро-, гидро- и электрометаллургию.
Пирометаллургия занимает ведущее место в металлургии. Она охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют уголь, активные металлы, оксид углерода (II), водород, метан. Так, например, уголь и оксид углерода (II) восстанавливают медь из красной медной руды (куприта) Си 2 О:
Cu 2 O + С = 2Cu + СО
Cu 2 O + СО = 2Cu + СО 2
Если руда является сульфидом металла, ее предварительно переводят в оксид путем окислительного обжига (обжиг с доступом воздуха), например
2ZnS + ЗО 2 = 2ZnO + 2SO 2
Затем оксид металла восстанавливают углем:
ZnO + С = Zn + CO
Восстановление углем (коксом) проводят обычно в тех случаях, когда получаемые металлы совсем не образуют карбидов или образуют непрочные карбиды (соединения с углеродом); таковы железо и многие цветные металлы - медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и др.
Восстановление металлов из их соединений другими металлами, химически более активными, называются металлотермией. Эти процессы протекают тоже при высоких температурах. В качестве восстановителей используют алюминий, магний, кальций, натрий, а также кремний. Если восстановителем является алюминий, то процесс называется алюминотермией, если магний - мапнийтермией. Например:
Cr 2 O 3 +2AI = 2Cr + AI 2 O 3
TiCI 4 +2Mg = Ti + 2MgCI 2
Металлотермией обычно получают те металлы (и их сплавы), которые при восстановлении их оксидов углем образуют карбиды. Это - марганец, хром, титан, молибден, вольфрам и др.
Иногда металлы восстанавливают из оксидов водородом (водоро-дотермия). Например:
МоО 3 +ЗН 2 = Мо + ЗН 2 О
WO 3 + ЗН 2 = W + ЗН 2 О
При этом получают металлы большой чистоты.
Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из растворов их солей. При этом металл, входящий в состав руды, сначала переводят в раствор с помощью водных растворов подходящих реагентов, а затем извлекают из этого раствора. Так, например, при обработке разбавленной серной кислотой медной руды, содержащей оксид меди (II) СиО, медь переходит в раствор в виде сульфата;
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + Н 2 О
Затем медь извлекают из раствора либо электролизом, либо вытеснением с помощью порошка железа:
CuSO 4 + Fe = Сu + FeSO 4
В настоящее время гидрометаллургическим методом получают до 25% всей добываемой меди. Он имеет большое будущее, так как позволяет получать металлы, не извлекая руду на поверхность.
Этим же методом добывают золото* серебро, цинк, кадмий, молибден,
уран и др. Руду, содержащую самородное золото, после измельчения
обрабатывают раствором цианида калия KCN. Всё золото переходит в раствор.
Из раствора его извлекают электролизом или вытеснением металлическим
цинком.
Электрометаллургия охватывает способы получения металлов с помощью электролиза. Этими способами получают главным образом легкие металлы - алюминий, натрий и др. - из их расплавленных оксидов или хлоридов.
Электролиз используют также для очистки некоторых металлов.
Сплавы
Для металлов характерна способность образовывать сплавы. Само название сплав означает, что чаще всего сплавы получают смешиванием металлов в расплавленном состоянии. Сплав может состоять из двух компонентов и более, в том числе и»неметаллов. Металлы в сплавах могут растворяться друг в друге, вступать друг с другом в соединения и образовывать обычные механические смеси.
В настоящее время некоторые сплавы готовят методом порошковой металлургии. Берется смесь металлов в виде порошков, прессуется под большим давлением и спекается при высокой температуре в восстановительной среде. Таким путем получают сверхтвердые сплавы.
В состав некоторых сплавов входят неметаллы, например углерод, кремний, бор и др.
В технике применяется более 5000 сплавов.
Сталь - это сплав железа с небольшим содержанием углерода (до 1,7%) и с металлургическими примесями (Мn, Si, S, Р).Специальные стали содержат до 10 различных элементов. По сравнению с чистым железом они обладают большой твердостью.
Чугун - сплав железа с углеродом (более 2%), кремнием, марганцем, фосфором и серой. По сравнению с чистым железом он очень тверд и хрупок.
В технике сплавы на основе железа, т. е. сталь, чугун, а также само железо, называются черными металлами, а все остальные металлы -цветными. Отсюда и деление металлургии, получающей металлы из руд, на черную и цветную.
Бронза - сплав меди с другими элементами, в основном с металлами. В зависимости от состава различают: оловянную бронзу (состоит из меди и олова), алюминиевую бронзу (содержит до 5... 11% алюминия), свинцовую (до 33% свинца), кремниевую (до 4% кремния) и др. Применяют для изготовления частей машин и для художественных отливок.
Латунь - сплав меди с цинком (до 30...35% цинка). Обладает высокой пластичностью. Используют для изготовления приборов, деталей машин, предметов домашнего обихода.
Баббиты - сплавы, уменьшающие трение, изготовляются на основе олова или свинца с добавками сурьмы, меди и других металлов. Применяют для заливки подшипников.
Общие свойства металлов.
Наличие слабо связанных с ядром валентных электронов обуславливает общие химические свойства металлов. В химических реакциях они всегда выступают в роли восстановителя, простые вещества металлы никогда не проявляют окислительных свойств.
Получение металлов:
- восстановление из оксидов углеродом (С), угарным газом (СО), водородом (Н2) или более активным металлом (Al, Ca, Mg);
- восстановление из растворов солей более активным металлом;
- электролиз растворов или расплавов соединений металлов - восстановление наиболее активных металлов (щелочных, щелочноземельных металлов и алюминия) с помощью электрического тока.
В природе металлы встречаются преимущественно в виде соединений, только малоактивные металлы встречаются в виде простых веществ (самородные металлы).
Химические свойства металлов.
1. Взаимодействие с простыми веществами неметаллами:
Большинство металлов могут быть окислены такими неметаллами как галогены, кислород, сера, азот. Но для начала большинства таких реакций требуется предварительное нагревание. В дальнейшем реакция может идти с выделением большого количества тепла, что приводит к воспламенению металла.
При комнатной температуре возможны реакции только между самыми активными металлами (щелочными и щелочноземельными) и самыми активными неметаллами (галогенами, кислородом). Щелочные металлы (Na, K) в реакции с кислородом образуют пероксиды и надпероксиды (Na2O2, KO2).
а) взаимодействие металлов с водой.
При комнатной температуре с водой взаимодействуют щелочные и щелочноземельные металлы. В результате реакции замещения образуются щёлочь (растворимое основание) и водород: Металл + Н2О = Ме(ОН) + Н2
При нагревании с водой взаимодействуют остальные металлы, стоящие в ряду активности левее водорода. Магний реагирует с кипящей водой, алюминий - после специальной обработки поверхности, в результате образуются нерастворимые основания - гидроксид магния или гидроксид алюминия - и выделяется водород. Металлы, находящиеся в ряду активности от цинка (включительно) до свинца (включительно) взаимодействуют с парами воды (т.е. выше 100 С), при этом образуются оксиды соответствующих металлов и водород.
Металлы, стоящие в ряду активности правее водорода, с водой не взаимодействуют.
б) взаимодействие с оксидами:
активные металлы взаимодействуют по реакции замещения с оксидами других металлов или неметаллов, восстанавливая их до простых веществ.
в) взаимодействие с кислотами:
Металлы, расположенные в ряду активности левее водорода, вступают в реакцию с кислотами с выделением водорода и образованием соответствующей соли. Металлы, стоящие в ряду активности правее водорода, с растворами кислот не взаимодействуют.
Особое место занимают реакции металлов с азотной и концентрированной серной кислотами. Все металлы, кроме благородных (золото, платина), могут быть окислены этими кислотами-окислителями. В результате этих реакций всегда будут образовываться соответствующие соли, вода и продукт восстановления азота или серы соответственно.
г) с щелочами
Металлы, образующие амфотерные соединения (алюминий, бериллий, цинк), способны реагировать с расплавами (при этом образуются средние соли алюминаты, бериллаты или цинкаты) или растворами щелочей (при этом образуются соответствующие комплексные соли). Во всех реакциях будет выделяться водород.
д) В соответствии с положением металла в ряду активности возможны реакции восстановления (вытеснения) менее активного металла из раствора его соли другим более активным металлом. В результате реакции образуется соль более активного и простое вещество - менее активный металл.
Общие свойства неметаллов.
Неметаллов намного меньше, чем металлов (22 элемента). Однако химия неметаллов гораздо сложнее за счёт большей заполненности внешнего энергетического уровня их атомов.
Физические свойства неметаллов более разнообразны: среди них есть газообразные (фтор, хлор, кислород, азот, водород), жидкости (бром) и твёрдые вещества, сильно отличающиеся друг от друга по температуре плавления. Большинство неметаллов не проводят электрический ток, но кремний, графит, германий обладают полупроводниковыми свойствами.
Газообразные, жидкие и некоторые твёрдые неметаллы (йод) имеют молекулярное строение кристаллической решётки, остальные неметаллы обладают атомной кристаллической решёткой.
Фтор, хлор, бром, йод, кислород, азот и водород в обычных условиях существуют в виде двухатомных молекул.
Многие элементы-неметаллы образуют несколько аллотропных модификаций простых веществ. Так кислород имеет две аллотропные модификации - кислород О2 и озон О3, сера имеет три аллотропные модификации - ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фосфор имеет три аллотропные модификации - красный, белый и чёрный фосфор, углерод - шесть аллотропных модификаций - сажа, графит, алмаз, карбин, фуллерен, графен.
В отличие от металлов, проявляющих только восстановительные свойства, неметаллы в реакциях с простыми и сложными веществами могут выступать как в роли восстановителя, так и в роли окислителя. Согласно своей активности неметаллы занимают определённое место в ряду электроотрицательности. Самым активным неметаллом считается фтор. Он проявляет только окислительные свойства. На втором месте по активности - кислород, на третьем - азот, далее галогены и остальные неметаллы. Наименьшей электроотрицательностью среди неметаллов обладает водород.
Химические свойства неметаллов.
1. Взаимодействие с простыми веществами:
Неметаллы взаимодействуют с металлами. В таких реакция металлы выступают в роли восстановителя, неметаллы - в роли окислителя. В результате реакции соединения образуются бинарные соединения - оксиды, пероксиды, нитриды, гидриды, соли бескислородных кислот.
В реакциях неметаллов между собой более электроотрицательный неметалл проявляет свойства окислителя, менее электроотрицательный - свойства восстановителя. В результате реакции соединения образуются бинарные соединения. Необходимо помнить, что неметаллы могут проявлять переменные степени окисления в своих соединениях.
2. Взаимодействие со сложными веществами:
а) с водой:
В обычных условиях с водой взаимодействуют только галогены.
б) с оксидами металлов и неметаллов:
Многие неметаллы могут реагировать при высоких температурах с оксидами других неметаллов, восстанавливая их до простых веществ. Неметаллы, стоящие в ряду электроотрицательности левее серы, могут взаимодействовать и с оксидами металлов, восстанавливая металлы до простых веществ.
в) с кислотами:
Некоторые неметаллы могут быть окислены концентрированными серной или азотной кислотами.
г) со щелочами:
Под действием щелочей некоторые неметаллы могут подвергаться дисмутации, являясь одновременно и окислителем и восстановителем.
Например в реакции галогенов с растворами щелочей без нагревания: Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O или при нагревании: 3Cl2 + 6NaOH = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O.
д) с солями:
При взаимодействии, являющимися сильными окислителями, проявляют восстановительные свойства.
Галогены (кроме фтора) вступают в реакции замещения с растворами солей галогеноводородных кислот: более активный галоген вытесняет из раствора соли менее активный галоген.