Металните атоми относително лесно се отказват от валентни електрони и се превръщат в положително заредени йони. Следователно металите са реставратори.Това е тяхното основно и най-общо химично свойство.
Металите като редуциращи агенти реагират с различни окислители - киселини, соли на по-малко активни метали и някои други съединения.
Съединенията на металите с халогени се наричат халогениди, със сяра - сулфиди, с азот - нитриди, с фосфор - фосфиди, с въглерод - карбиди, със силиций - силициди, с бор - бориди, с водород - хидриди и др. Много от тези съединения са намерили важни приложения в нова технология. Например, металните бориди се използват в радиоелектрониката, както и в ядрената техника като материали за регулиране и защита срещу неутронно лъчение.
Взаимодействието на метали с киселини е редокс процес. Окислителят е водороден йон, който приема електрон от метала:
Взаимодействието на метали с водни разтвори на соли на по-малко активни метали може да се илюстрира с пример:
Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu
В този случай електроните се отстраняват от атомите на по-активен метал (Zn) и се прикрепват към тях от йони на по-малко активен метал (Cu 2+).
Активните метали взаимодействат с водата, която действа като окислител. Например: Na – e- = Na+ 2
2H2O + 2e- = H2+ 2OH- 1
2Na + 2H2O = 2Na+ 2OH- + H2
Металите, чиито хидроксиди са амфотерни, като правило реагират с разтвори както на киселини, така и на основи. Например:
По този начин съотношението на метали към неметали, киселини, разтвори на соли на по-малко активни метали, вода и основи потвърждава тяхното основно химично свойство - редуцираща способност.
Металите могат да се образуват химични съединенияпомежду си. Те имат общо име - интерметални съединения,или интерметални иди.Пример са съединенията на някои метали с антимон: Na 2 Sb, Ca 3 Sb 2, NiSb, Ni 4 Sb, FeSb x (x = 0,72 ... 0,92). Те най-често не отговарят на степента на окисление, характерна за съединенията с неметали.
Химическа връзкав интерметалните съединения е предимно метален. от външен видизглеждат като метали. Твърдостта на интерметалните съединения като правило е по-висока, а пластичността е много по-ниска от тази на металите, които ги образуват. Открити са много интерметаплиди практическо приложение. Например антимон-алуминий AlSb; Антимон-индий InSb и други се използват широко като полупроводници.
Металите се срещат в природата както в свободно състояние (самородни метали), така и под формата на химични съединения.
Най-малко активните метали се намират под формата на самородни метали. Техни типични представители са златото и платината. Среброто, медта, живакът и калайът се срещат в природата както в самородно състояние, така и под формата на съединения (стоящи в редицата на стандартните електродни потенциали до калай) - само под формата на съединения с други; елементи.
Минерали и скали, съдържащи метали или техни съединения и подходящи за промишлено производствометалите се наричат руди.Най-важните руди на металите са техните оксиди и соли (сулфиди, сулфати, карбонати и др.). Ако рудите съдържат съединения на два или повече метала, тогава те се наричат полиметални (например медно-цинкови, оловно-сребърни и др.).
Съвременната металургия произвежда повече от 75 метала и множество сплави на тяхна основа. В зависимост от методите за получаване на метали се разграничават пиро-, хидро- и електрометалургия.
Пирометалургиязаема водещо място в металургията. Той обхваща методи за получаване на метали от руди чрез редукционни реакции, извършвани при високи температури. Като редуциращи агенти се използват въглища, активни метали, въглероден оксид (II), водород и метан. Например въглищата и въглеродният оксид (II) редуцират медта от червена медна руда (куприт) Cu 2 O:
Cu 2 O + C = 2Cu + CO
Cu 2 O + CO = 2Cu + CO 2
Ако рудата е метален сулфид, тя първо се превръща в оксид чрез окислително изпичане (изпичане с достъп на въздух), напр.
2ZnS + ZO 2 = 2ZnO + 2SO 2
След това металният оксид се редуцира с въглерод:
ZnO + C = Zn + CO
Редукцията с въглища (кокс) обикновено се извършва в случаите, когато получените метали изобщо не образуват карбиди или образуват слаби карбиди (съединения с въглерод); такива са желязото и много цветни метали - мед, цинк, кадмий, германий, калай, олово и др.
Редукцията на металите от техните съединения от други метали, които са по-химически активни, се нарича металотермия.Тези процеси протичат и при високи температури. Като редуциращи агенти се използват алуминий, магнезий, калций, натрий и силиций. Ако редукторът е алуминий, тогава процесът се нарича алуминотермия, ако магнезият - мапнийтермия. Например:
Cr 2 O 3 +2AI = 2Cr + AI 2 O 3
TiCI 4 +2Mg = Ti + 2MgCI 2
Металотермията обикновено произвежда онези метали (и техните сплави), които образуват карбиди, когато техните оксиди се редуцират с въглища. Това са манган, хром, титан, молибден, волфрам и др.
Понякога металите се редуцират от оксиди с водород (хидротермия). Например:
MoO 3 + ZN 2 = Mo + ZN 2 O
WO 3 + ZN 2 = W + ZN 2 O
В този случай се получават метали с висока чистота.
Хидрометалургияобхваща методите за получаване на метали от разтвори на техните соли. В този случай металът, който е част от рудата, първо се прехвърля в разтвор с помощта водни разтвориподходящи реагенти и след това се отстранява от този разтвор. Например, когато медна руда, съдържаща меден (II) оксид CuO, се третира с разредена сярна киселина, медта преминава в разтвор под формата на сулфат;
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O
След това медта се отстранява от разтвора чрез електролиза или чрез изместване с помощта на железен прах:
CuSO 4 + Fe = Cu + FeSO 4
В момента до 25% от цялата добита мед се получава по хидрометалургичен метод. Той има голямо бъдеще, тъй като позволява получаването на метали без извличане на руда на повърхността.
Същият метод се използва за извличане на злато* сребро, цинк, кадмий, молибден,
уран и др. Руди, съдържащи самородно злато, след смилане
обработен с разтвор на калиев цианид KCN. Цялото злато отива в разтвор.
Извлича се от разтвор чрез електролиза или изместване на метал
цинк
Електрометалургияобхваща методи за производство на метали чрез електролиза. Тези методи произвеждат предимно леки метали - алуминий, натрий и др. - от техните стопени оксиди или хлориди.
Електролизата се използва и за пречистване на определени метали.
Сплави
Металите се характеризират със способността да образуват сплави. Самото наименование сплав означава, че сплавите се получават най-често чрез смесване на метали в разтопено състояние. Една сплав може да се състои от два или повече компонента, включително неметали. Металите в сплавите могат да се разтварят един в друг, да влизат в съединения помежду си и да образуват обикновени механични смеси.
Понастоящем някои сплави се получават по метода прахова металургия.Смес от метали се взема под формата на прахове, пресовани под високо налягане и синтеровани при високи температури в редуцираща среда. По този начин се получават свръхтвърди сплави.
Някои сплави съдържат неметали, като въглерод, силиций, бор и др.
Повече от 5000 сплави се използват в технологията.
Стоманае сплав от желязо с ниско съдържание на въглерод (до 1,7%) и с металургични примеси (Mn, Si, S, P).Съдържат до 10 различни елемента. В сравнение с чистото желязо те имат голяма твърдост.
Чугун- сплав от желязо с въглерод (повече от 2%), силиций, манган, фосфор и сяра. В сравнение с чистото желязо, то е много твърдо и крехко.
В технологията сплавите на основата на желязо, т.е. стомана, чугун, както и самото желязо, се наричат черни метали,и всички други метали - оцветени.Оттук и разделянето на металургията, която произвежда метали от руди, на черна и цветна.
бронз- сплав от мед с други елементи, главно метали. В зависимост от състава се разграничават: калаен бронз (състои се от мед и калай), алуминиев бронз (съдържа до 5... 11% алуминий), олово (до 33% олово), силиций (до 4% силиций) и др. Използва се за производство на машинни детайли и за художествени отливки.
Месинг- медна сплав с цинк (до 30...35% цинк). Има висока пластичност. Използва се за направата на инструменти, машинни части и битови предмети.
Бабити- сплави, които намаляват триенето, се правят на базата на калай или олово с добавяне на антимон, мед и други метали. Използва се за пълнене на лагери.
Общи свойства на металите.
Наличието на валентни електрони, слабо свързани с ядрото, определя общите химични свойства на металите. IN химически реакциите винаги действат като редуциращ агент; простите метални вещества никога не проявяват окислителни свойства.
Получаване на метали:
- редукция от оксиди с въглерод (C), въглероден оксид (CO), водород (H2) или по-активен метал (Al, Ca, Mg);
- редукция от солни разтвори с по-активен метал;
- електролиза на разтвори или стопилки на метални съединения - редукция на най-активните метали (алкални, алкалоземни метали и алуминий) с помощта на електрически ток.
В природата металите се срещат главно под формата на съединения; прости вещества(самородни метали).
Химични свойстваметали
1. Взаимодействие с прости вещества, неметали:
Повечето метали могат да бъдат окислени от неметали като халогени, кислород, сяра и азот. Но повечето от тези реакции изискват предварително загряване, за да започнат. Впоследствие реакцията може да продължи с освобождаване голямо количествотоплина, което кара метала да се запали.
При стайна температураРеакциите са възможни само между най-активните метали (алкални и алкалоземни) и най-активните неметали (халогени, кислород). Алкалните метали (Na, K) реагират с кислорода, за да образуват пероксиди и супероксиди (Na2O2, KO2).
а) взаимодействие на метали с вода.
При стайна температура алкалните и алкалоземните метали реагират с вода. В резултат на реакцията на заместване се образуват алкали (разтворима основа) и водород: Метал + H2O = Me(OH) + H2
При нагряване други метали, които са отляво на водорода в серията активност, взаимодействат с водата. Магнезият реагира с вряща вода, алуминият - след специална повърхностна обработка, в резултат на което се образуват неразтворими основи - магнезиев хидроксид или алуминиев хидроксид - и се отделя водород. Металите в редицата на активност от цинк (включително) до олово (включително) взаимодействат с водни пари (т.е. над 100 C) и се образуват оксиди на съответните метали и водород.
Металите, разположени в серията активност вдясно от водорода, не взаимодействат с водата.
б) взаимодействие с оксиди:
активните метали реагират чрез реакция на заместване с оксиди на други метали или неметали, като ги редуцират до прости вещества.
в) взаимодействие с киселини:
Металите, разположени в серията активност вляво от водорода, реагират с киселини, за да освободят водород и да образуват съответната сол. Металите, разположени в серията активност вдясно от водорода, не взаимодействат с киселинни разтвори.
Специално място заемат реакциите на металите с азотна и концентрирана сярна киселина. Всички метали, с изключение на благородните (злато, платина), могат да бъдат окислени от тези окислителни киселини. Тези реакции винаги ще произвеждат съответните соли, вода и редукторния продукт съответно на азот или сяра.
г) с алкали
Формоване на метали амфотерни съединения(алуминий, берилий, цинк), са способни да реагират със стопилки (това образува средни соли алуминати, берилати или цинкати) или алкални разтвори (това образува съответните комплексни соли). Всички реакции ще произведат водород.
д) В съответствие с позицията на метала в серията на активността са възможни реакции на редукция (изместване) на по-малко активен метал от разтвор на неговата сол от друг по-активен метал. В резултат на реакцията се образува сол на по-активен метал и просто вещество - по-малко активен метал.
Общи свойства на неметалите.
Има много по-малко неметали от металите (22 елемента). Химията на неметалите обаче е много по-сложна поради по-голямото запълване на външния енергийно нивотехните атоми.
Физичните свойства на неметалите са по-разнообразни: сред тях има газове (флуор, хлор, кислород, азот, водород), течности (бром) и твърди вещества, много различни един от друг по точка на топене. Повечето неметали не водят проводимост електрически ток, но силиций, графит, германий имат полупроводникови свойства.
Газообразни, течни и някои твърди неметали (йод) имат молекулярна структура кристална решетка, други неметали имат атомна кристална решетка.
Флуорът, хлорът, бромът, йодът, кислородът, азотът и водородът при нормални условия съществуват под формата на двуатомни молекули.
Много неметални елементи образуват няколко алотропни модификации на прости вещества. Така че кислородът има две алотропни модификации - кислород O2 и озон O3, сярата има три алотропни модификации - орторомбична, пластична и моноклинна сяра, фосфорът има три алотропни модификации - червен, бял и черен фосфор, въглеродът - шест алотропни модификации - сажди, графит, диамант , карбин, фулерен, графен.
За разлика от металите, които проявяват само редуциращи свойства, неметалите в реакции с прости и сложни вещества могат да действат както като редуциращ агент, така и като окислител. Според тяхната активност неметалите заемат определено място в редицата на електроотрицателността. Флуорът се счита за най-активния неметал. Той само показва окислителни свойства. На второ място по активност е кислородът, на трето е азотът, след това халогените и другите неметали. Водородът има най-ниска електроотрицателност сред неметалите.
Химични свойства на неметалите.
1. Взаимодействие с прости вещества:
Неметалите взаимодействат с металите. При такива реакции металите действат като редуциращ агент, а неметалите действат като окислител. В резултат на реакцията се образуват съединения бинарни съединения- оксиди, пероксиди, нитриди, хидриди, соли на безкислородни киселини.
При реакциите на неметалите един с друг по-електроотрицателният неметал проявява свойствата на окислител, а по-малко електроотрицателният проявява свойствата на редуциращ агент. Реакцията на съединението произвежда бинарни съединения. Трябва да се помни, че неметалите могат да се проявяват променливи степениокисление в техните съединения.
2. Взаимодействие със сложни вещества:
а) с вода:
При нормални условия само халогените взаимодействат с водата.
б) с оксиди на метали и неметали:
Много неметали могат да реагират при високи температури с оксиди на други неметали, като ги редуцират до прости вещества. Неметалите, които са отляво на сярата в серията за електроотрицателност, също могат да взаимодействат с метални оксиди, редуциращи металите до прости вещества.
в) с киселини:
Някои неметали могат да бъдат окислени с концентрирана сярна или азотна киселина.
г) с алкали:
Под въздействието на алкали някои неметали могат да претърпят дисмутация, като са едновременно окислител и редуциращ агент.
Например при реакцията на халогени с алкални разтвори без нагряване: Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O или с нагряване: 3Cl2 + 6NaOH = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O.
г) със соли:
При взаимодействие те са силни окислители и проявяват редуциращи свойства.
Халогени (с изключение на флуор) влизат в реакции на заместване с разтвори на соли на халогеноводородни киселини: по-активен халоген измества по-малко активен халоген от солевия разтвор.