Metalliatomit luovuttavat suhteellisen helposti valenssielektroneja ja muuttuvat positiivisesti varautuneiksi ioneiksi. Siksi metallit ovat pelkistäviä aineita. Tämä on niiden tärkein ja yleisin kemiallinen ominaisuus.
Metallit pelkistysaineina reagoivat erilaisten hapettimien - happojen, vähemmän aktiivisten metallien suolojen ja joidenkin muiden yhdisteiden kanssa.
Metalliyhdisteitä halogeenien kanssa kutsutaan halogenideiksi, rikkisulfideiksi, typen kanssa - nitrideiksi, fosforin kanssa - fosfideiksi, hiilen kanssa - karbidiksi, piin kanssa - silisideiksi, booriborideiksi, vetyhydrideiksi jne. Monet näistä yhdisteistä ovat löytäneet tärkeitä sovelluksia uudessa tekniikassa. Esimerkiksi metalliborideja käytetään radioelektroniikassa sekä ydintekniikassa materiaaleina neutronisäteilyn säätelyyn ja siltä suojautumiseen.
Metallien vuorovaikutus happojen kanssa on redox-prosessi. Hapettava aine on vetyioni, joka ottaa vastaan elektronin metallista:
Metallien vuorovaikutusta vähemmän aktiivisten metallien suolojen vesiliuosten kanssa voidaan havainnollistaa esimerkillä:
Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu
Tässä tapauksessa tapahtuu elektronien irtoaminen aktiivisemman metallin (Zn) atomeista ja niiden lisäys vähemmän aktiivisen metallin (Cu 2+) ioneilla.
Aktiiviset metallit ovat vuorovaikutuksessa veden kanssa, joka toimii hapettavana aineena. Esimerkiksi: Na - e- = Na + 2
2H2O + 2e- = H2 + 2OH- 1
2Na + 2H2O = 2Na + 2OH- + H2
Metallit, joiden hydroksidit ovat amfoteerisia, ovat yleensä vuorovaikutuksessa sekä happojen että alkalien liuosten kanssa. Esimerkiksi:
Siten metallien suhde ei-metalleihin, happoihin, vähemmän aktiivisten metallien suolojen liuoksiin, veteen ja alkaleihin vahvistaa niiden pääkemiallisen ominaisuuden - pelkistyskyvyn.
Metalleja voi muodostua kemialliset yhdisteet keskenään. Heillä on yleinen nimi - metallien väliset yhdisteet, tai metallien väliset ideat. Esimerkkinä eräiden metallien yhdisteet antimonin kanssa: Na 2 Sb, Ca 3 Sb 2, NiSb, Ni 4 Sb, FeSb x (x = 0,72 ... 0,92). Niissä ei useimmiten havaita ei-metalliyhdisteille ominaisia hapetustiloja.
Kemiallinen sidos intermetallisissa se on pääasiassa metallia. Tekijä: ulkonäkö ne ovat kuin metalleja. Metallienvälisten yhdisteiden kovuus on yleensä korkeampi ja sitkeys on paljon pienempi kuin niitä muodostavien metallien. Monet intermetaplidit on löydetty käytännön käyttöä... Esimerkiksi antimoni-alumiini AlSb; antimoni-indium InSb ja muut ovat laajalti käytössä puolijohteina.
Metalleja esiintyy luonnossa sekä vapaassa tilassa (natiivimetallit) että kemiallisten yhdisteiden muodossa.
Vähiten aktiiviset metallit löytyvät luonnollisten metallien muodossa. Niiden tyypillisiä edustajia ovat kulta ja platina. Hopeaa, kuparia, elohopeaa, tinaa löytyy luonnosta sekä luonnollisessa tilassa että yhdisteinä, kaikki muut metallit (olemassa standardielektrodipotentiaalien sarjassa aina tinaan asti) ovat vain yhdisteinä muiden alkuaineiden kanssa. .
Mineraalit ja kiviä Metalleja tai niiden yhdisteitä sisältäviä ja metallien teolliseen tuotantoon sopivia ns malmit. Tärkeimmät metallimalmit ovat niiden oksidit ja suolat (sulfidit, sulfaatit, karbonaatit jne.). Jos malmit sisältävät kahden tai useamman metallin yhdisteitä, niitä kutsutaan polymetallisiksi (esimerkiksi kupari-sinkki, lyijy-hopea jne.).
Nykyaikainen metallurgia vastaanottaa yli 75 metallia ja lukuisia niihin perustuvia seoksia. Metallien hankintamenetelmistä riippuen erotetaan pyro-, hydro- ja sähkömetallurgia.
Pyrometallurgia on johtava asema metallurgiassa. Se kattaa menetelmät metallien saamiseksi malmeista käyttämällä korkeissa lämpötiloissa suoritettuja pelkistysreaktioita. Pelkistysaineina käytetään hiiltä, aktiivisia metalleja, hiilimonoksidia (II), vetyä, metaania. Joten esimerkiksi kivihiili ja hiilimonoksidi (II) pelkistävät kuparia punaisesta kuparimalmista (cuprite) Cu 2 O:sta:
Cu 2 O + C = 2 Cu + CO
Cu 2 O + CO = 2 Cu + CO 2
Jos malmi on metallisulfidi, se muunnetaan alustavasti oksidiksi hapettavalla pasutauksella (paahtaminen ilman sisäänpääsyllä), esim.
2ZnS + ЗО 2 = 2ZnO + 2SO 2
Sitten metallioksidi pelkistetään hiilellä:
ZnO + C = Zn + CO
Pelkistys hiilellä (koksi) suoritetaan yleensä tapauksissa, joissa tuloksena olevat metallit eivät muodosta karbideja ollenkaan tai muodostavat hauraita karbideja (yhdisteitä hiilen kanssa); sellaisia ovat rauta ja monet ei-rautametallit - kupari, sinkki, kadmium, germanium, tina, lyijy jne.
Metallien pelkistämistä niiden yhdisteistä muiden kemiallisesti aktiivisempien metallien kanssa kutsutaan metallotermia. Nämä prosessit tapahtuvat myös korkeissa lämpötiloissa. Pelkistysaineina käytetään alumiinia, magnesiumia, kalsiumia, natriumia ja piitä. Jos pelkistin on alumiinia, prosessia kutsutaan aluminotermiaksi, jos magnesium on mapnium. Esimerkiksi:
Cr 2 O 3 + 2AI = 2Cr + AI 2 O 3
TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCI2
Metallurgiaa käytetään yleensä sellaisten metallien (ja niiden metalliseosten) saamiseksi, jotka, kun niiden oksideja pelkistetään hiilellä, muodostavat karbideja. Näitä ovat mangaani, kromi, titaani, molybdeeni, volframi jne.
Joskus metallit pelkistetään oksideista vedyllä (vety-dotermia). Esimerkiksi:
MoO 3 + ZN 2 = Mo + ZN 2 O
WO 3 + ZN 2 = W + ZN 2 O
Tässä tapauksessa saadaan erittäin puhtaita metalleja.
Hydrometallurgia kattaa menetelmät metallien saamiseksi niiden suolojen liuoksista. Tässä tapauksessa malmiin kuuluva metalli siirretään ensin liuokseen käyttämällä vesiliuokset sopivia reagensseja ja otettiin sitten talteen tästä liuoksesta. Joten esimerkiksi prosessoitaessa kupari(II)oksidia CuO sisältävää kuparimalmia laimealla rikkihapolla, kupari liukenee sulfaatin muodossa;
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O
Sitten kupari otetaan talteen liuoksesta joko elektrolyysillä tai syrjäyttämällä rautajauheella:
CuSO 4 + Fe = Cu + FeSO 4
Tällä hetkellä hydrometallurginen menetelmä tuottaa jopa 25 % kaikesta louhitusta kuparista. Sillä on suuri tulevaisuus, sillä sen avulla voit saada metalleja ilman malmin uuttamista pintaan.
Samaa menetelmää käytetään kullan * hopean, sinkin, kadmiumin, molybdeenin,
uraani jne. Natiivi kultaa sisältävä malmi jauhamisen jälkeen
käsitelty kaliumsyanidi-KCN-liuoksella. Kaikki kulta menee liuokseen.
Se poistetaan liuoksesta elektrolyysillä tai syrjäyttämällä metallilla
sinkki.
Elektrometallurgia kattaa menetelmät metallien saamiseksi elektrolyysillä. Näillä menetelmillä saadaan pääasiassa kevytmetalleja - alumiinia, natriumia jne. - niiden sulaista oksideista tai klorideista.
Elektrolyysiä käytetään myös tiettyjen metallien puhdistukseen.
Seokset
Metalleille on ominaista kyky muodostaa seoksia. Seoksen nimi tarkoittaa, että useimmiten seokset saadaan sekoittamalla metalleja sulassa tilassa. Seos voi koostua kahdesta tai useammasta komponentista, mukaan lukien "ei-metallit". Metallit metalliseoksissa voivat liueta toisiinsa, liittyä toisiinsa ja muodostaa tavanomaisia mekaanisia seoksia.
Tällä hetkellä jotkin seokset valmistetaan menetelmällä jauhemetallurgia. Metalliseos otetaan jauheiden muodossa, puristetaan korkeassa paineessa ja sintrataan korkeassa lämpötilassa pelkistävässä ympäristössä. Tällä tavalla saadaan superkovia seoksia.
Jotkut seokset sisältävät ei-metalleja, kuten hiiltä, piitä, booria jne.
Tekniikassa käytetään yli 5000 metalliseosta.
Teräs on raudan seos, jonka hiilipitoisuus on alhainen (jopa 1,7 %) ja jossa on metallurgisia epäpuhtauksia (Mn, Si, S, P) Erikoisteräkset sisältävät jopa 10 eri alkuainetta. Verrattuna puhtaaseen rautaan ne ovat erittäin kovia.
Valurauta- raudan seos hiilen (yli 2 %), piin, mangaanin, fosforin ja rikin kanssa. Verrattuna puhtaaseen rautaan, se on erittäin kovaa ja hauras.
Tekniikassa rautapohjaisia seoksia eli terästä, valurautaa sekä itse rautaa kutsutaan ns. rautametallit, ja kaikki muut metallit - värillinen. Tästä syystä metallurgian, joka saa metalleja malmeista, jako rauta- ja ei-rautametalliin.
Pronssi- kuparin seos muiden alkuaineiden, pääasiassa metallien, kanssa. Koostumuksesta riippuen ne erotetaan: tinapronssi (koostuu kuparista ja tinasta), alumiinipronssi (sisältää enintään 5 ... 11% alumiinia), lyijy (jopa 33% lyijyä), silikoni (jopa 4% piitä) ) jne. koneenosien ja taiteellisten valujen valmistus.
Messinki- kupari-sinkkiseos (jopa 30 ... 35% sinkkiä). Sillä on korkea plastisuus. Käytetään laitteiden, koneenosien, taloustavaroiden valmistukseen.
Babbits- kitkaa vähentävät seokset valmistetaan tinasta tai lyijystä, joihin on lisätty antimonia, kuparia ja muita metalleja. Käytetään laakereiden täyttämiseen.
Metallien yleiset ominaisuudet.
Ytimeen heikosti sitoutuneiden valenssielektronien läsnäolo määrää metallien yleiset kemialliset ominaisuudet. V kemialliset reaktiot ne toimivat aina pelkistimenä; yksinkertaiset metallit eivät koskaan osoita hapettavia ominaisuuksia.
Metallien saaminen:
- pelkistys oksideista hiilellä (C), hiilimonoksidilla (CO), vedyllä (H2) tai aktiivisemmalla metallilla (Al, Ca, Mg);
- talteenotto suolaliuoksista aktiivisemmalla metallilla;
- metalliyhdisteiden liuosten tai sulatteiden elektrolyysi - aktiivisimpien metallien (alkalit, maa-alkalimetallit ja alumiini) pelkistys sähkövirralla.
Luonnossa metalleja löytyy pääasiassa yhdisteiden muodossa, vain matala-aktiivisia metalleja löytyy muodossa yksinkertaiset aineet(alkuperäiset metallit).
Kemiallisia ominaisuuksia metallit.
1. Vuorovaikutus yksinkertaisten aineiden, ei-metallien kanssa:
Useimmat metallit voidaan hapettaa ei-metalleilla, kuten halogeeneilla, hapella, rikillä, typellä. Mutta useimmat näistä reaktioista vaativat esilämmityksen käynnistyäkseen. Jatkossa reaktio voi tapahtua vapautumisen myötä suuri numero lämpöä, joka saa metallin syttymään.
Huoneenlämpötilassa reaktiot ovat mahdollisia vain aktiivisimpien metallien (alkali- ja maa-alkalimetallit) ja aktiivisimpien ei-metallien (halogeenit, happi) välillä. Alkalimetallit (Na, K) reagoivat hapen kanssa muodostaen peroksideja ja superoksideja (Na2O2, KO2).
a) metallien vuorovaikutus veden kanssa.
Huoneenlämpötilassa alkali- ja maa-alkalimetallit ovat vuorovaikutuksessa veden kanssa. Substituutioreaktion seurauksena muodostuu alkalia (liukoinen emäs) ja vetyä: Metalli + H2O = Me (OH) + H2
Kuumennettaessa loput metallit aktiivisuusrivistä vedyn vasemmalla puolella ovat vuorovaikutuksessa veden kanssa. Magnesium reagoi kiehuvan veden kanssa, alumiini - erityisen pintakäsittelyn jälkeen, seurauksena muodostuu liukenemattomia emäksiä - magnesiumhydroksidia tai alumiinihydroksidia - ja vetyä vapautuu. Metallit, joiden aktiivisuus on sinkistä (mukaan lukien) lyijyyn (mukaan lukien), ovat vuorovaikutuksessa vesihöyryn kanssa (eli yli 100 C) muodostaen siten vastaavien metallien ja vedyn oksideja.
Metallit aktiivisuuslinjassa vedyn oikealla puolella eivät ole vuorovaikutuksessa veden kanssa.
b) vuorovaikutus oksidien kanssa:
aktiiviset metallit ovat vuorovaikutuksessa substituutioreaktiolla muiden metallien tai ei-metallien oksidien kanssa, jolloin ne pelkistyvät yksinkertaisiksi aineiksi.
c) vuorovaikutus happojen kanssa:
Metallit, jotka sijaitsevat aktiivisuusrivillä vedyn vasemmalla puolella, reagoivat happojen kanssa, jolloin muodostuu vetyä ja muodostuu vastaavaa suolaa. Metallit aktiivisuusrivillä vedyn oikealla puolella eivät ole vuorovaikutuksessa happoliuosten kanssa.
Erityinen paikka on metallien reaktioilla typpi- ja väkevien rikkihappojen kanssa. Kaikki metallit, paitsi jalometallit (kulta, platina), voivat hapettua näillä hapettavilla hapoilla. Näiden reaktioiden seurauksena muodostuu aina vastaavat suolat, vesi ja vastaavasti typen tai rikin pelkistystuote.
d) alkalien kanssa
Metallien muodostuminen amfoteeriset yhdisteet(alumiini, beryllium, sinkki), pystyvät reagoimaan sulatteiden kanssa (tässä tapauksessa muodostuu aluminaattien, beryllaattien tai sinkkien keskisuoloja) tai alkaliliuosten kanssa (tässä tapauksessa muodostuu vastaavat kompleksisuolat). Vetyä kehittyy kaikissa reaktioissa.
e) Metallin aseman mukaan toimintalinjassa vähemmän aktiivisen metallin pelkistys- (syrjäytys)reaktiot sen suolan liuoksesta toisella aktiivisemmalla metallilla ovat mahdollisia. Reaktion seurauksena muodostuu aktiivisemman ja yksinkertaisemman aineen suola - vähemmän aktiivinen metalli.
Epämetallien yleiset ominaisuudet.
Ei-metalleja on paljon vähemmän kuin metalleja (22 alkuainetta). Ei-metallien kemia on kuitenkin paljon monimutkaisempaa johtuen niiden atomien suuremmasta ulkoisesta energiatasosta.
Epämetallien fysikaaliset ominaisuudet ovat monimuotoisempia: niiden joukossa on kaasumaisia (fluori, kloori, happi, typpi, vety), nesteitä (bromi) ja kiinteät aineet jotka eroavat hyvin toisistaan sulamispisteen suhteen. Useimmat ei-metallit eivät johda sähköä, mutta piillä, grafiitilla ja germaniumilla on puolijohtavia ominaisuuksia.
Kaasumaisilla, nestemäisillä ja joillakin kiinteillä ei-metalleilla (jodilla) on kidehilan molekyylirakenne, muilla ei-metalleilla on atomikidehila.
Fluori, kloori, bromi, jodi, happi, typpi ja vety ovat normaaleissa olosuhteissa kaksiatomisten molekyylien muodossa.
Monet ei-metalliset elementit muodostavat useita yksinkertaisten aineiden allotrooppisia modifikaatioita. Joten hapella on kaksi allotrooppista muunnelmaa - happi O2 ja otsoni O3, rikillä on kolme allotrooppista muunnelmaa - rombinen, muovinen ja monokliininen rikki, fosforilla on kolme allotrooppista muunnelmaa - punainen, valkoinen ja musta fosfori, hiilellä - kuusi allotrooppista muunnelmaa - noki, grafiitti, timantti , karbiini, fullereeni, grafeeni.
Toisin kuin metallit, joilla on vain pelkistäviä ominaisuuksia, ei-metallit voivat reaktioissa yksinkertaisten ja monimutkaisten aineiden kanssa toimia sekä pelkistimenä että hapettavana aineena. Ei-metallit ovat aktiivisuutensa mukaan tietyn paikan elektronegatiivisuussarjassa. Aktiivisin ei-metalli on fluori. Hän vain näyttää hapettavat ominaisuudet... Happi on toisella sijalla aktiivisuudessa, typpi kolmannella, sitten halogeenit ja muut epämetallit. Vetyllä on pienin elektronegatiivisuus ei-metallien joukossa.
Ei-metallien kemialliset ominaisuudet.
1. Vuorovaikutus yksinkertaisten aineiden kanssa:
Epämetallit ovat vuorovaikutuksessa metallien kanssa. Tällaisissa reaktioissa metallit toimivat pelkistimenä, ei-metallit hapettimena. Yhdisteen reaktion seurauksena muodostuu binäärisiä yhdisteitä - oksideja, peroksideja, nitridejä, hydridejä, hapettomien happojen suoloja.
Epämetallien reaktioissa toistensa kanssa elektronegatiivisemmalla ei-metallilla on hapettimen ominaisuuksia, vähemmän elektronegatiivisella - pelkistimen ominaisuuksia. Yhdistereaktion seurauksena muodostuu binäärisiä yhdisteitä. On muistettava, että ei-metallien yhdisteissä voi olla vaihtelevia hapetusasteita.
2. Vuorovaikutus monimutkaisten aineiden kanssa:
a) vedellä:
Normaaleissa olosuhteissa vain halogeenit reagoivat veden kanssa.
b) metallien ja ei-metallien oksidien kanssa:
Monet epämetallit voivat reagoida korkeissa lämpötiloissa muiden ei-metallien oksidien kanssa, jolloin ne pelkistyvät yksinkertaisiksi aineiksi. Epämetallit elektronegatiivisuussarjassa rikin vasemmalla puolella voivat myös olla vuorovaikutuksessa metallioksidien kanssa, jolloin metallit pelkistyvät yksinkertaisiksi aineiksi.
c) happojen kanssa:
Jotkut epämetallit voidaan hapettaa väkevällä rikki- tai typpihapolla.
d) alkalien kanssa:
Alkalien vaikutuksesta jotkut ei-metallit voivat dismutoitua, koska ne ovat sekä hapettavia että pelkistäviä aineita.
Esimerkiksi halogeenien reaktiossa alkaliliuosten kanssa ilman kuumennusta: Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O tai kuumentamalla: 3Cl2 + 6NaOH = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O.
e) suolojen kanssa:
Vuorovaikutuksessa ne ovat vahvoja hapettimia ja niillä on pelkistäviä ominaisuuksia.
Halogeenit (lukuun ottamatta fluoria) tulevat substituutioreaktioihin halogeenivetyhappojen suolojen liuosten kanssa: aktiivisempi halogeeni syrjäyttää vähemmän aktiivisen halogeenin suolaliuoksesta.