Atomii de metal renunță relativ ușor la electronii de valență și devin ioni încărcați pozitiv. Prin urmare, metalele sunt restauratori. Aceasta este proprietatea lor chimică principală și generală.
Metalele ca agenți reducători reacționează cu diferiți agenți oxidanți - acizi, săruri ale metalelor mai puțin active și alți compuși.
Compușii metalelor cu halogeni se numesc halogenuri, cu sulf - sulfuri, cu azot - nitruri, cu fosfor - fosfuri, cu carbon - carburi, cu siliciu - siliciuri, cu bor - boruri, cu hidrogen - hidruri etc. Mulți dintre acești compuși și-au găsit aplicații importante în tehnologie nouă. De exemplu, borurile metalice sunt utilizate în electronica radio, precum și în inginerie nucleară ca materiale pentru reglarea și protejarea împotriva radiațiilor neutronice.
Interacțiunea metalelor cu acizii este un proces redox. Agentul de oxidare este un ion de hidrogen care acceptă un electron din metal:
Interacțiunea metalelor cu soluțiile apoase de săruri ale metalelor mai puțin active poate fi ilustrată cu un exemplu:
Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
În acest caz, electronii sunt îndepărtați din atomii unui metal mai activ (Zn) și atașați de ei prin ionii unui metal mai puțin activ (Cu 2+).
Metalele active interacționează cu apa, care acționează ca un agent oxidant. De exemplu: Na – e- = Na+ 2
2H2O + 2e- = H2+ 2OH- 1
2Na + 2H2O = 2Na+ 2OH- + H2
Metalele ai căror hidroxizi sunt amfoteri, de regulă, reacționează cu soluții atât de acizi, cât și de alcaline. De exemplu:
Astfel, raportul dintre metale și nemetale, acizi, soluții de săruri ale metalelor mai puțin active, apă și alcalii confirmă principala lor proprietate chimică - capacitatea de reducere.
Se pot forma metale compuși chimiciîntre ei. Ei au nume comun - compuși intermetalici, sau ide intermetale. Un exemplu sunt compușii unor metale cu antimoniu: Na 2 Sb, Ca 3 Sb 2, NiSb, Ni 4 Sb, FeSb x (x = 0,72 ... 0,92). Cel mai adesea ele nu respectă stările de oxidare caracteristice compușilor cu nemetale.
Legatura chimicaîn compuşii intermetalici este predominant metalic. De aspect arata ca metale. Duritatea compuşilor intermetalici este, de regulă, mai mare, iar ductilitatea este mult mai mică decât cea a metalelor care îi formează. Au fost găsite multe intermetaplide aplicare practică. De exemplu, antimoniu-aluminiu AlSb; Antimoniu-indiu InSb și altele sunt utilizate pe scară largă ca semiconductori.
Metalele se găsesc în natură atât în stare liberă (metale native), cât și sub formă de compuși chimici.
Cele mai puțin active metale se găsesc sub formă de metale native. Reprezentanții lor tipici sunt aurul și platina. Argintul, cuprul, mercurul și staniul pot fi găsite în natură atât în stare nativă, cât și sub formă de compuși, toate celelalte metale (în seria potențialelor standard de electrozi până la staniu) - numai sub formă de compuși cu alte metale; elemente.
Minerale și stânci, care conțin metale sau compușii acestora și potrivite pentru producție industrială metalele se numesc minereuri. Cele mai importante minereuri ale metalelor sunt oxizii și sărurile acestora (sulfuri, sulfați, carbonați etc.). Dacă minereurile conțin compuși din două sau mai multe metale, atunci ele sunt numite polimetalice (de exemplu, cupru-zinc, plumb-argint etc.).
Metalurgia modernă produce peste 75 de metale și numeroase aliaje pe baza acestora. În funcție de metodele de obținere a metalelor, se disting piro-, hidro- și electrometalurgia.
Pirometalurgia ocupă un loc de frunte în metalurgie. Acesta acoperă metode de obținere a metalelor din minereuri folosind reacții de reducere efectuate la temperaturi ridicate. Cărbunele, metalele active, monoxidul de carbon (II), hidrogenul și metanul sunt utilizați ca agenți reducători. De exemplu, cărbunele și monoxidul de carbon (II) reduc cuprul din minereul de cupru roșu (cuprita) Cu 2 O:
Cu 2 O + C = 2Cu + CO
Cu 2 O + CO = 2Cu + CO 2
Dacă minereul este o sulfură de metal, acesta este mai întâi transformat într-un oxid prin prăjire oxidativă (prăjire cu acces la aer), de ex.
2ZnS + ZO 2 = 2ZnO + 2SO 2
Oxidul metalic este apoi redus cu carbon:
ZnO + C = Zn + CO
Reducerea cu cărbune (cocs) se realizează de obicei în cazurile în care metalele rezultate nu formează carburi deloc sau formează carburi slabe (compuși cu carbon); astfel sunt fierul și multe metale neferoase - cupru, zinc, cadmiu, germaniu, staniu, plumb etc.
Se numește reducerea metalelor din compușii lor de către alte metale, care sunt mai active din punct de vedere chimic metalotermie. Aceste procese au loc și la temperaturi ridicate. Ca agenți reducători se folosesc aluminiu, magneziu, calciu, sodiu și siliciu. Dacă agentul reducător este aluminiu, atunci procesul se numește aluminotermie, dacă magneziu - mapniumthermy. De exemplu:
Cr 2 O 3 +2AI = 2Cr + AI 2 O 3
TiCl4 +2Mg = Ti + 2MgCl2
Metalotermia produce de obicei acele metale (și aliajele lor) care formează carburi atunci când oxizii lor sunt redusi cu cărbune. Acestea sunt mangan, crom, titan, molibden, wolfram etc.
Uneori, metalele sunt reduse din oxizi cu hidrogen (hidrotermie). De exemplu:
MoO3 + ZN2 = Mo + ZN2O
WO3 + ZN2 = W + ZN2O
În acest caz, se obțin metale de înaltă puritate.
Hidrometalurgia acoperă metode de obținere a metalelor din soluții ale sărurilor acestora. În acest caz, metalul care face parte din minereu este mai întâi transferat în soluție folosind solutii apoase reactivi adecvați și apoi îndepărtați din această soluție. De exemplu, atunci când minereul de cupru care conține oxid de cupru (II) CuO este tratat cu acid sulfuric diluat, cuprul intră în soluție sub formă de sulfat;
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O
Cuprul este apoi îndepărtat din soluție fie prin electroliză, fie prin deplasare folosind pulbere de fier:
CuSO 4 + Fe = Cu + FeSO 4
În prezent, până la 25% din tot cuprul extras este obținut prin metoda hidrometalurgică. Are un viitor mare, deoarece face posibilă obținerea de metale fără a extrage minereu la suprafață.
Aceeași metodă este folosită pentru a extrage aur* argint, zinc, cadmiu, molibden,
uraniu etc. Minereu care contine aur nativ, dupa macinare
tratată cu o soluție de cianură de potasiu KCN. Tot aurul intră în soluție.
Este extras din soluție prin electroliză sau deplasarea metalului
zinc
Electrometalurgia acoperă metodele de producere a metalelor prin electroliza. Aceste metode produc în principal metale uşoare - aluminiu, sodiu etc. - din oxizii sau clorurile lor topiţi.
Electroliza este folosită și pentru purificarea anumitor metale.
Aliaje
Metalele se caracterizează prin capacitatea de a forma aliaje. Numele de aliaj în sine înseamnă că aliajele sunt cel mai adesea obținute prin amestecarea metalelor în stare topită. Un aliaj poate consta din două sau mai multe componente, inclusiv nemetale. Metalele din aliaje se pot dizolva unele în altele, pot intra în compuși între ele și pot forma amestecuri mecanice obișnuite.
În prezent, unele aliaje sunt preparate folosind metoda metalurgia pulberilor. Un amestec de metale este luat sub formă de pulberi, presat sub presiune mare și sinterizat la temperaturi ridicate într-un mediu reducător. În acest fel se obțin aliaje superdure.
Unele aliaje conțin nemetale, cum ar fi carbonul, siliciul, borul etc.
Peste 5.000 de aliaje sunt folosite în tehnologie.
Oţel este un aliaj de fier cu un conținut scăzut de carbon (până la 1,7%) și cu impurități metalurgice (Mn, Si, S, P conțin până la 10 elemente diferite). În comparație cu fierul pur, au o duritate mare.
Fontă- un aliaj de fier cu carbon (mai mult de 2%), siliciu, mangan, fosfor și sulf. În comparație cu fierul pur, este foarte dur și fragil.
În tehnologie, aliajele pe bază de fier, adică oțel, fontă, precum și fierul în sine, sunt numite metale feroase,și toate celelalte metale - colorat. De aici și împărțirea metalurgiei, care produce metale din minereuri, în feroase și neferoase.
Bronz- un aliaj de cupru cu alte elemente, în principal metale. În funcție de compoziție, se disting: bronz de staniu (constă din cupru și cositor), bronz de aluminiu (conține până la 5... 11% aluminiu), plumb (până la 33% plumb), siliciu (până la 4% siliciu) , etc. Folosit pentru producția de piese de mașini și pentru turnări artistice.
Alamă- aliaj de cupru cu zinc (pana la 30...35% zinc). Are plasticitate ridicată. Folosit pentru a face instrumente, piese de mașini și articole de uz casnic.
Babbitts- aliajele care reduc frecarea sunt realizate pe baza de staniu sau plumb cu adaos de antimoniu, cupru si alte metale. Folosit pentru umplerea rulmenților.
Proprietăți generale ale metalelor.
Prezența electronilor de valență legați slab de nucleu determină proprietățile chimice generale ale metalelor. ÎN reactii chimice acţionează întotdeauna ca un agent reducător, substanţele metalice simple nu prezintă niciodată proprietăţi oxidante.
Obținerea metalelor:
- reducerea din oxizi cu carbon (C), monoxid de carbon (CO), hidrogen (H2) sau un metal mai activ (Al, Ca, Mg);
- reducerea din solutii sarate cu un metal mai activ;
- electroliza solutiilor sau topiturii compusilor metalici - reducerea celor mai active metale (metale alcaline, alcalino-pamantoase si aluminiu) cu ajutorul curentului electric.
În natură, metalele se găsesc în principal sub formă de compuși; substanțe simple(metale native).
Proprietăți chimice metale
1. Interacțiunea cu substanțe simple, nemetale:
Majoritatea metalelor pot fi oxidate de nemetale precum halogeni, oxigen, sulf și azot. Dar majoritatea acestor reacții necesită preîncălzire pentru a începe. Ulterior, reacția poate continua cu eliberarea cantitate mare căldură, care provoacă aprinderea metalului.
La temperatura camerei Reacțiile sunt posibile numai între metalele cele mai active (alcaline și alcalino-pământoase) și cele mai active nemetale (halogeni, oxigen). Metalele alcaline (Na, K) reacţionează cu oxigenul pentru a forma peroxizi şi superoxizi (Na2O2, KO2).
a) interacţiunea metalelor cu apa.
La temperatura camerei, metalele alcaline și alcalino-pământoase interacționează cu apa. Ca rezultat al reacției de substituție, se formează alcalii (bază solubilă) și hidrogen: Metal + H2O = Me(OH) + H2
Când sunt încălzite, alte metale care se află la stânga hidrogenului din seria de activități interacționează cu apa. Magneziul reactioneaza cu apa clocotita, aluminiul - dupa un tratament special de suprafata, rezultand formarea de baze insolubile - hidroxid de magneziu sau hidroxid de aluminiu - si se elibereaza hidrogen. Metalele din seria de activitate de la zinc (inclusiv) la plumb (inclusiv) interacționează cu vaporii de apă (adică peste 100 C) și se formează oxizi ai metalelor corespunzătoare și hidrogen.
Metalele situate în seria de activitate din dreapta hidrogenului nu interacționează cu apa.
b) interacțiunea cu oxizii:
metalele active reacţionează prin reacţie de substituţie cu oxizi ai altor metale sau nemetale, reducându-le la substanţe simple.
c) interacțiunea cu acizii:
Metalele situate în seria de activitate din stânga hidrogenului reacţionează cu acizii pentru a elibera hidrogen şi formează sarea corespunzătoare. Metalele situate în seria de activitate din dreapta hidrogenului nu interacționează cu soluțiile acide.
Un loc aparte îl ocupă reacțiile metalelor cu acizii azotic și sulfuric concentrat. Toate metalele cu excepția celor nobile (aur, platină) pot fi oxidate de acești acizi oxidanți. Aceste reacții vor produce întotdeauna sărurile corespunzătoare, apă și produsul de reducere al azotului sau respectiv al sulfului.
d) cu alcalii
Formarea metalelor compuși amfoteri(aluminiu, beriliu, zinc), sunt capabile să reacționeze cu topituri (aceasta formează săruri medii aluminați, berilați sau zincați) sau soluții alcaline (aceasta formează sărurile complexe corespunzătoare). Toate reacțiile vor produce hidrogen.
e) În conformitate cu poziția metalului în seria de activități, sunt posibile reacții de reducere (deplasare) a unui metal mai puțin activ dintr-o soluție de sare a acestuia cu un alt metal mai activ. Ca rezultat al reacției, se formează o sare a unui metal mai activ și o substanță simplă - un metal mai puțin activ.
Proprietăți generale ale nemetalelor.
Există mult mai puține nemetale decât metale (22 de elemente). Cu toate acestea, chimia nemetalelor este mult mai complexă datorită umplerii mai mari a exteriorului nivelul energetic atomii lor.
Proprietățile fizice ale nemetalelor sunt mai diverse: printre acestea se numără gaze (fluor, clor, oxigen, azot, hidrogen), lichide (brom) și solide, foarte diferite unele de altele ca punct de topire. Majoritatea nemetalelor nu conduc curent electric, dar siliciul, grafitul, germaniul au proprietăți semiconductoare.
Nemetale gazoase, lichide și unele solide (iodul) au structura moleculara rețea cristalină, alte nemetale au o rețea cristalină atomică.
Fluorul, clorul, bromul, iodul, oxigenul, azotul și hidrogenul în condiții normale există sub formă de molecule diatomice.
Multe elemente nemetalice formează mai multe modificări alotropice ale substanțelor simple. Deci oxigenul are două modificări alotropice - oxigenul O2 și ozonul O3, sulful are trei modificări alotrope - sulf ortorombic, plastic și monoclinic, fosforul are trei modificări alotropice - fosfor roșu, alb și negru, carbon - șase modificări alotrope - funingine, grafit, diamant , carbyne, fullerene, grafen.
Spre deosebire de metale, care prezintă doar proprietăți reducătoare, nemetalele, în reacții cu substanțe simple și complexe, pot acționa atât ca agent reducător, cât și ca agent oxidant. După activitatea lor, nemetalele ocupă un anumit loc în seria electronegativității. Fluorul este considerat cel mai activ non-metal. El doar arată proprietăți oxidante. Pe locul doi în activitate se află oxigenul, pe al treilea se află azotul, apoi halogenii și alte nemetale. Hidrogenul are cea mai scăzută electronegativitate dintre nemetale.
Proprietățile chimice ale nemetalelor.
1. Interacțiunea cu substanțe simple:
Nemetalele interacționează cu metalele. În astfel de reacții, metalele acționează ca un agent reducător, iar nemetalele acționează ca un agent de oxidare. Ca rezultat al reacției, se formează compuși compuși binari- oxizi, peroxizi, nitruri, hidruri, săruri ale acizilor fără oxigen.
În reacțiile nemetalelor între ele, nemetalul mai electronegativ prezintă proprietățile unui agent oxidant, iar cel mai puțin electronegativ prezintă proprietățile unui agent reducător. Reacția compusă produce compuși binari. Trebuie amintit că nemetalele pot prezenta grade variabile oxidarea compușilor lor.
2. Interacțiunea cu substanțe complexe:
a) cu apa:
În condiții normale, numai halogenii interacționează cu apa.
b) cu oxizi de metale și nemetale:
Multe nemetale pot reacționa la temperaturi ridicate cu oxizii altor nemetale, reducându-le la substanțe simple. Nemetalele care se află în stânga sulfului în seria electronegativității pot interacționa și cu oxizii metalici, reducând metalele la substanțe simple.
c) cu acizi:
Unele nemetale pot fi oxidate cu acizi sulfuric sau azotic concentrați.
d) cu alcalii:
Sub influența alcalinelor, unele nemetale pot suferi dismutări, fiind atât un agent oxidant, cât și un agent reducător.
De exemplu, în reacția halogenilor cu soluții alcaline fără încălzire: Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O sau cu încălzire: 3Cl2 + 6NaOH = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O.
d) cu săruri:
Când interacționează, sunt agenți oxidanți puternici și prezintă proprietăți reducătoare.
Halogenii (cu excepția fluorului) intră în reacții de substituție cu soluții de săruri ale acizilor hidrohalici: un halogen mai activ înlocuiește un halogen mai puțin activ din soluția de sare.