План урока:

Строение атомов металлов

Разновидности металлов

Способы получения металлов

Электролиз

Свойства металлов

Нахождение металлов в природе

Строение атомов металлов

Решетки атомов металлов кристаллические, связанные металлической связью. Отличие металлической связи от ковалентной в том, что валентные электроны в атомах металлов притягиваются с меньшей силой к своим атомам или к своей паре атомов, и поэтому отщепление электронов от атомов происходит свободнее. И движения электронов напоминает «блуждание» между атомами.

Атомы металлов на внешнем уровне содержат от одного до четырех электронов. Этими электронами атомы металлов «делятся» с другими элементами (преимущественно с неметаллами) при взаимодействии, принимая роль восстановителей.

Рисунок строение атома кальция, для примера строения атома металла

Разновидности металлов

Щелочные металлы

Щелочные металлы представлены: литием, натрием, калием, рубидием, цезием и францием. Все эти элементы входят в Ia группу.

Вещества характеризуются прежде всего большой активностью, потому как быстро окисляются даже на воздухе. С водой происходит активная реакция, сопровождаемая нагреванием веществ. Поэтому есть свои особенности хранения этих веществ. Хранят обычно под керосином.

По физическим свойствам данный класс веществ мягкие на ощупь, серебристо-серого цвета, могут обладать блеском, но только на свежо срезанной поверхности.

Сверху вниз в периодической таблице увеличивается атомный радиус, усиливаются основные, металлические, восстановительные свойства и реакционная активность.

Рисунок. Щелочные металлы в периодической системе

Строение атома лития, как типичного представителя щелочных металлов

Химические свойства щелочных металлов

Взаимодействие с неметаллами

Щелочные металлы — сильные восстановители. Поэтому они реагируют почти со всеми неметаллами.

Взаимодействие со сложными веществами

Таблица нахождения щелочных металлов в природе

Щелочноземельные металлы

К этой категории относят: бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий. Это металлы IIa группы. Металлы легкие, мягкие и реакционно активные. Они тверже щелочных, и редко обладают блеском, только серый цвет объединяет их с щелочными металлами.

Свойства веществ данной группы в зависимости от положения в периодическую систему сходны со свойствами предыдущей группы.

Рисунок. Щелочноземельные металлы в периодической системе

Получают их так же, как и щелочные металлы, электролизом расплавов, веществ, расплавленных до жидкого состояния. Или используя алюминотермию и вытеснение их из солей другими более активными металлами.

MgCl₂ → Mg + Cl₂ (электролиз расплава)

CaO + Al → Al₂O₃ + Ca (эта реакция носит название алюминотермии–процесс получения металлов из их оксидов, где алюминий вытесняет щелочные металлы из соединений).

MgBr₂ + Ca → CaBr₂ + Mg

Химические свойства

Взаимодействие с неметаллами

Взаимодействие со сложными веществами

Таблица нахождения щелочноземельных металлов в природе

d- металлы

Помимо щелочных и щёлочноземельных существуют d-металлы. Класс элементов, содержащих от 1 до 10 электронов на d-подуровне, уступающие щелочным и щёлочноземельным металлам в активности.

К d-металлам относят: скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк и т.д.Отличий этих металлов в строении атома, а точнее в заполнении d-подуровня.

Железо

Железо находится в 4-м периоде, в VIII группе, в побочной подгруппе. Железо — металл средней активности, по ряду активности металлов в своих соединениях проявляет наиболее характерные степени окисления +2 и +3.  Известны также соединения железа, в которых оно проявляет степень окисления +6, которые являются сильными окислителями..

Источник

Медь

Медь находится в 4-м периоде, в I группе, в побочной подгруппе. Ее наиболее устойчивые степени окисления +2 и +1. В ряду напряжений металлов медь находится после водорода, ее химическая активность не очень велика.

Источник

Цинк

Цинк находится в 4-м периоде, во II-группе, в побочной подгруппе. Цинк относится к металлам средней активности, в своих соединениях проявляет единственную степень окисления +2.

Источник

В каждом большом периоде d-элементы располагаются после двух s-элементов, которые являются щелочным и щелочноземельным металлами.

По своей значимости особо можно выделить роль этих элементов в организме человека. Микроэлементы цинка, марганца, железа, кобальта и меди очень важны для организма, наряду с биологически активными веществами, жирами, белками.

Цветной и черный металлы

Отличие цветного и черного металлов состоит в составе, структуре и свойствах. Например, черный металл подвергается влиянию магнитов, и зачастую прочнее цветных.

Черный металл — это прежде всего железо, его сплав с углеродом и добавлением иных веществ (как металлов, так и неметаллов).

Типы черных металлов

• Углеродистая сталь - железо смешано с углеродом
• Мягкая сталь - железо смешивается с относительно меньшим количеством углерода
• Нержавеющая сталь - смесь железа и хрома
• Чугун - очень высокое содержание углерода с железом
• Кованое железо - почти чистое железо

Цветные металлы — это тоже сплавы, но уже без железа, это могут быть: алюминий, магний, медь, никель, цинк, олово, свинец.

Данные подразделения металлов очень важны в жизни человечества. Но основная металлургическая промышленность использует черный металл (90% от общего объема). Важнейшие черные металлы: чугун, сталь, кованное железо.

Благодаря свойству цветного металла сопротивляться окислению, мы легко можем отличить его от черного. Черный металл ржавеет, цветной – нет. Большинству черных металлов присущи магнитные свойства. Что используют в автомобильной и технической промышленности. Черные металлы очень прочные, а цветные легкие, но менее прочные. Цветные металлы очень популярны в авиационной, консервной, электронной, электротехнической, строительной промышленностях

Благородными металлами называют те редкие металлы, не подвергающиеся окислению, коррозии и не взаимодействующие с кислотами.Также эти металлы называют драгоценными в силу редкости и большой цены.

Способы получения металлов

Основные способы получения металлов представлены в схеме ниже. Промышленным способом металлы получают электролизом растворов и расплавов.

Более подробное рассмотрение пирометаллургических способов получения металлов

Более подробное рассмотрение гидрометаллургических способов получения металлов

Электролиз

Электролизом называют процесс разложения веществ на составляющие, под действием тока. Его можно рассмотреть, как химическую реакцию.

На катоде реакции происходят различные для разных металлов. И для того, чтобы определить какая именно реакция произойдет необходимо обратиться к такому фактору, как активность металла. Эти данные мы получим из положения в электрохимическом ряду напряжений металла.

Источник

Как видно из электрохимического ряда напряжений металлов наиболее активным металлом является литий. Металлами средней активности считают элементы в ряду от алюминия до свинца. После водорода металлы малоактивные.

Электролиз расплавов

Из выше указанного стало ясно как получать малоактивные металлы в чистом виде при электролизе, а как получать активные металлы, если они не восстанавливаются на катоде при электролизе их растворов?В таких случая используют расплавы не содержащие воды.

Электролиз воды

Электролиз воды, как и в целом электролиз, это физико-химический процесс, осуществляемый с помощью электрического тока. Этот процесс позволяет очистить воду от тяжелых металлов и других примесей (примеси и металлы оседают на катоде и аноде).  В результате данного процесса выделяется два газа: водород и кислород.

Электролиз воды необходим для очистки сточных вод. Сточные воды попадают в землю, в почву, и для предотвращения загрязнения окружающей среды, необходимо очищение воды.

Свойства металлов

Физические свойства металлов

Химические свойства металлов

Взаимодействие металлов с кислотами

Взаимодействие металлов с серной кислотой

Разбавленный раствор серной кислоты взаимодействует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода по схеме:

Ме + H₂SO_4(разб.) ↔ соль + Н₂↑

Взаимодействие металлов с азотной кислотой (HNO₃)

Очень сильный окислитель. И нужно запомнить, что при взаимодействии с кислотой никогда не выделяется водород в свободном виде.

Процесс протекает следующим образом:

Продукты восстановления HNO₃:

Какой из продуктов будет основным, зависит от концентрации кислоты и активности металла.

Взаимодействие металлов с разбавленной азотной кислоты

При реакции с разбавленной азотной кислотой металла продукты реакции другие, и каков будет продукт восстановления зависит от активности металла и представлен в схеме ниже.

Нахождение металлов в природе

Благородные малоактивные металлы, в свободном (самородном) состоянии встречаются в природе не часто, ввиду своей редкости.В самородном состоянии встречаются золото, серебро, платина, медь.

В малых количествах металлы находятся в морской воде (1,05%, - 0,12%), растениях, живых организмах. Играют при этом важную роль в организмах живых существ. Например, входят в состав важнейших питательных веществ, и в состав ферментов, необходимых для работы множества процессов.

Пожалуй, наиболее важное значение в организме живых существ играет железо, входя в состав крови, а точнее в составную часть гемоглобина крови – гемо. Гемоглобин — это белок крови транспортирующий кислород в нужные органы живого организма по крови. Недостаток железа вызывает анемию, заболевание характеризирующийся вялым состоянием, слабостью, снижением трудоспособности и утомляемостью и в некоторых случаях имеет летальные последствия. Определяется заболевание преимущественно анализом крови.

Таблица содержание некоторых металлов в земной коре

Урановая руда

Уран принято использовать в атомной промышленности, как топливо. Но элемент является очень активным поэтому уран в чистом виде не встречается, для его производства используют такие образования, как урановые руды. Последний содержит достаточно элемента, чтобы можно было считать добычу руды экономически выгодной.

Урановая руда Источник

Сплавы

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы очень часто используются в отраслях промышленности. Обусловлено это тем, что сплавы алюминия отличаются большой прочностью. 

Наиболее применяемые сплавы алюминия: дюралюминий, силумин.

МЕТАЛЛОТЕРМИЯ – способ восстановления металлов и соединений этих металлов.Сопровождается выделением теплоты. Этот процесс подлежит классификации по при­ро­де ме­тал­ла-восстановителя (алю­ми­но­тер­мия, маг­ние­термия, кальциетермия и др.).

Источник

Вывод

Металлы очень большая категория веществ, объединяющая в себе элементы с различными физическими и химическими свойствами. Но при этом имеющие много общего, главное из которых — это принятие роли восстановителя в реакциях, отдавая свои электроны. Так же многие металлы широко применяются человечеством в промышленности, в быту, в медицине, в фармацевтике и т.д. Исторически именно добыча железа из руд ознаменовала новый виток развития в истории человека. Поэтому сложно переоценить данную категорию веществ.

Современное человечество использует металлы в промышленности, в быту и в хозяйстве. На протяжения многих веков металл является верным спутником прогресса. Но набольшее распространение металл получил в строительстве, позволяя сделать здания прочнее, а сроки возведения в разы короче.