Реферат: Металлы. Свойства металлов
Реферат потеме: «Металлы. Свойства металлов.»
Ученика 9-гкласса
средней школы№9
АгееваМаксима.
Учитель:
БелокопытовЮ.С.
Июнь 1999
г.Чехов.
Содержание.
1.Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе.Группы металлов..................2
2.Физические свойства металлов....................................3
3.Химические свойства металлов....................................4
4.Коррозияметаллов.........................................................6
5.Понятие о сплавах..........................................................8
6.Способы получения металлов........................................9
7.Список использованной литературы...........................11
I. Строение атомов металлов.Положение металлов в периодической системе. Группы металлов.
В настоящее время известно 105химических элементов, большинство из них — металлы. Последние весьмараспространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрахземли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже ватмосфере.
По своим свойствам металлы резкоотличаются от неметаллов. Впервые это различие металлов и неметаллов определилМ. В. Ломоносов. «Металлы, — писал он, — тела твердые, ковкие блестящие».
Причисляя тот или иной элемент кразряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенного комплексасвойств:
1. <span Times New Roman"">
Плотная кристаллическая структура.2. <span Times New Roman"">
Характерный металлический блеск.3. <span Times New Roman"">
Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.4. <span Times New Roman"">
Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.5.<span Times New Roman"">
Низкие значения потенциалаионизации, т.е. способность легко отдавать электроны.6.<span Times New Roman"">
Ковкость и тягучесть.7.<span Times New Roman"">
Способность к образованиюсплавов.Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее времяв технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относятчерные металлы — железо и все его сплавы, в которых оно составляет основнуючасть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют такназываемые легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель,вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда влегированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получаютразличные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, вдругих — высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих — коррозионнойустойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды.
Ко второй группе относят цветные металлы и ихсплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску.Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро — белые, свинец — голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике нашли большоеприменение: бронза — сплав меди с оловом и другими металлами, латунь — сплавмеди с цинком, баббит — сплав олова с сурьмой и медью и др.
Это деление на черные и цветные металлы условно.
Наряду с черными и цветными металлами выделяют ещегруппу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторыедругие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе дажепри повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворовкислот и щелочей.
II. Физические свойства металлов.
С внешней стороны металлы, как известно,характеризуются прежде всего особым «металлическим» блеском, которыйобусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блескнаблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошнуюкомпактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучипревращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный илитемно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- иэлектропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаютсяв одном и том же порядке: лучшие проводники — серебро и медь, худшие — свинец иртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижениитемпературы, наоборот, увеличивается.
Очень важным свойством металлов является ихсравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошокуются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.
Характерные физические свойства металлов находятся всвязи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям,кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободныхэлектронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себепредставить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а впромежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроныпостоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного,то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то ужепод влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться вопределенном направлении, т.е. возникает электрический ток.
Наличием свободных электронов обусловливается ивысокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроныпостоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтомуколебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания,сейчас же передаются соседним ионам, от них — следующим и т.д., и тепловоесостояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковуютемпературу.
По плотности металлы условно подразделяются на двебольшие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3,и тяжелые металлы — все остальные. Плотность, а также температуры плавлениянекоторых металлов приведены в таблице №1.
Таблица №1
Плотность и температура плавления некоторых металлов.
Название
Атомный вес
Плотность,
г/см3
Температура плавления, C
Легкие металлы.
Литий
6,939
0,534
179
Калий
39,102
0,86
63,6
Натрий
22,9898
0,97
97,8
Кальций
40,08
1,55
850
Магний
24,305
1,74
651
Цезий
132,905
1,90
28,5
Алюминий
26,9815
2,702
660,1
Барий
137,34
3,5
710
Тяжелые металлы
Цинк
65,37
7,14
419
Хром
51,996
7,16
1875
Марганец
54,9380
7,44
1244
Олово
118,69
7,28
231,9
Железо
55,847
7,86
1539
Кадмий
112,40
8,65
321
Никель
58,71
8,90
1453
Медь
63,546
8,92
1083
Висмут
208,980
9,80
271,3
Серебро
107,868
10,5
960,8
Свинец
207,19
11,344
327,3
Ртуть
200,59
13,546
-38,87
Вольфрам
183,85
19,3
3380
Золото
196,967
19,3
1063
Платина
195,09
21,45
1769
Осмий
190,2
22,5
2700
Частицы металлов, находящихся в твердом и жидкомсостоянии, связаны особым типом химической связи — так называемой металлическойсвязью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связеймежду нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободнымиэлектронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельныхчастиц, а их агрегатов.
III. Химические свойства металлов.
Основным химическим свойствомметаллов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроныи переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда неприсоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.
Легко отдавая при химическихреакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичнымивосстановителями.
Способность к отдаче электроновпроявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легчеметалл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает вовзаимодействие с другими веществами.
Опустим кусочек цинка в растворкакой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а из растворавыделяется свинец. Реакция выражается уравнением:
Zn +Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2
Из уравнения следует, чтоэта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления. Сущность еесводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные электроны ионамдвухвалентного свинца, тем самым превращаясь в ионы цинка, а ионы свинцавосстанавливаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступитьнаоборот, то есть погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакойреакции не произойдет. Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, чтоего атомы легче отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионысвинца.
Вытеснение одних металлов из ихсоединений другими металлами впервые было подробно изучено русским ученымБекетовым, расположившим металлы по их убывающей химической активности в такназываемый «вытеснительный ряд». В настоящее время вытеснительный ряд Бекетованосит название ряда напряжений.
В таблице №2 представлены значениястандартных электродных потенциалов некоторых металлов. Символом Me+/Meобозначен металл Me,погруженный в раствор его соли. Стандартные потенциалы электродов, выступающихкак восстановители по отношению к водороду, имеют знак «-», а знаком «+» отмеченыстандартные потенциалы электродов, являющихся окислителями.
Таблица №2
Стандартныеэлектродные потенциалы металлов.
Электрод
Е0, В
Электрод
Е0, В
Li+/Li
-3,02
Co2+/Co
-0,28
Rb+/Rb
-2,99
Ni2+/Ni
-0,25
K+/K
-2,92
Sn2+/Sn
-0,14
Ba2+/Ba
-2,90
Pb2+/Pb
-0,13
Sr2+ /Sr
-2,89
H+/1/2H2
0,00
Ca2+/Ca
-2,87
Sb3+/Sb
+0,20
Na+/Na
-2,71
Bi3+/Bi
+0,23
La3+/La
-2,37
Cu2+/Cu
+0,34
Mg2+/Mg
-2,34
Cu+/Cu
+0,52
Al3+/Al
-1,67
Ag+/Ag
+0,80
Mn2+/Mn
-1,05
Pd2+/Pd
+0,83
Zn2+/Zn
-0,76
Hg2+/Hg
+0,86
Cr3+/Cr
-0,71
Pt2+/Pt
+1,20
Fe2+/Fe
-0,44
Au3+/Au
+1,42
Cd2+/Cd
-0,40
Металлы, расположенныевпорядкевозрастанияихстандартныхэлектродныхпотенциалов, иобразуютэлектрохимическийряднапряженийметаллов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb,H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Ряд напряжений характеризуетхимические свойства металлов:
1.<span Times New Roman"">
Чем меньше электродныйпотенциал металла, тем больше его восстановительная способность.2.<span Times New Roman"">
Каждый металл способенвытеснять(восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в рядунапряжений после него.3.<span Times New Roman"">
Все металлы, имеющиеотрицательный стандартный электродный потенциал, то есть находящиеся в рядунапряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.Необходимо отметить, чтопредставленный ряд характеризует поведение металлов и их солей только в водныхрастворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно иметь ввиду, чтовысокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его высокуюхимическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда как болееактивные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития. Этосвязано с исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития посравнению с ионами других щелочных металлов.
IV. Коррозия металлов.
Почти все металлы, приходя в соприкосновениес окружающей их газообразной или жидкой средой, более или менее быстроподвергаются с поверхности разрушению. Причиной его является химическоевзаимодействие металлов с находящимися в воздухе газами, а также водой ирастворенными в ней веществами.
Всякий процесс химическогоразрушения металлов под действием окружающей среды называют коррозией.
Проще всего протекает коррозия присоприкосновении металлов с газами. На поверхности металла образуютсясоответствующие соединения: оксиды, сернистые соединения, основные солиугольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность плотным слоем,защищающим металл от дальнейшего воздействия тех же газов.
Иначе обстоит дело присоприкосновении металла с жидкой средой — водой и растворенными в ней веществами.Образующиеся при этом соединения могут растворяться, благодаря чему коррозияраспространяется дальше вглубь металла. Кроме того, вода, содержащаярастворенные вещества, является проводником электрического тока, вследствиечего постоянно возникают электрохимические процессы, которые являются одним изглавных факторов, обуславливающих и ускоряющих коррозию.
Чистые металлы в большинстве случаевпочти не подвергаются коррозии. Даже такой металл, как железо, в совершенночистом виде почти не ржавеет. Но обыкновенные технические металлы всегдасодержат различные примеси, что создает благоприятные условия для коррозии.
Убытки, причиняемые коррозиейметаллов, огромны. Вычислено, например, что вследствие коррозии ежегодно гибнеттакое количество стали, которое равно приблизительно четверти всей мировойдобычи его за год. Поэтому изучению процессов коррозии и отысканию наилучшихсредств ее предотвращения уделяется очень много внимания.
Способы борьбы с коррозиейчрезвычайно разнообразны. Наиболее простой из них заключается в защитеповерхности металла от непосредственного соприкосновения с окружающей средойпутем покрытия масляной краской, лаком, эмалью или, наконец, тонким слоемдругого металла. Особый интерес с теоретической точки зрения представляетпокрытие одного металла другим.
К ним относятся: катодное покрытие,когда защищающий металл стоит в ряду напряжений правее защищающего (типичнымпримером может служить луженая, то есть покрытая оловом, сталь); анодноепокрытие, например, покрытие стали цинком.
Для защиты от коррозии целесообразнопокрывать поверхность металла слоем более активного металла, чем слоем менееактивного. Однако другие соображения нередко заставляют применять такжепокрытия из менее активных металлов.
На практике чаще всего приходится приниматьмеры к защите стали как металла, особенно подверженного коррозии. Кроме цинка,из более активных металлов для этой цели иногда применяют кадмий, действующийподобно цинку. Из менее активных металлов для покрытия стали чаще всегоиспользуют олово, медь, никель.
Покрытые никелем стальные изделия имеют красивыйвид, чем объясняется широкое распространение никелирования. При повреждениислоя никеля коррозия проходит менее интенсивно, чем при повреждении слоя меди(или олова), так как разность потенциалов для пары никель-железо гораздоменьше, чем для пары медь-железо.
Из других способов борьбы скоррозией существует еще способ протекторов, заключающийся в том, чтозащищаемый металлический объект приводится в контакт с большой поверхностьюболее активного металла. Так, в паровые котлы вводят листы цинка, находящиеся вконтакте со стенками котла и образующие с ними гальваническую пару.
V. Понятие о сплавах.
Характерной особенностью металлов является ихспособность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы. Чтобы получитьсплав, смесь металлов обычно подвергают плавлению, а затем охлаждают сразличной скоростью, которая определяется природой компонентов и изменениемхарактера их взаимодействия в зависимости от температуры. Иногда сплавы получаютспеканием тонких порошков металлов, не прибегая к плавлению (порошковаяметаллургия). Итак сплавы — это продукты химического взаимодействия металлов.
Кристаллическая структура сплавов во многом подобначистым металлам, которые, взаимодействуя друг с другом при плавлении ипоследующей кристаллизации, образуют: а) химические соединения, называемыеинтерметаллидами; б) твердые растворы; в) механическую смесь кристалловкомпонентов.
Тот или иной тип взаимодействия определяетсясоотношением энергии взаимодействия разнородных и однородных частиц системы, тоесть соотношением энергий взаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.
Современная техника используетогромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаев они состоят неиз двух, а из трех, четырех и большего числа металлов. Интересно, что свойствасплавов часто резко отличаются от свойств индивидуальных металлов, которыми ониобразованы. Так, сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5%кадмия, плавится всего при 60,5 градусах Цельсия, в то время как компонентысплава имеют соответственно температуры плавления 271, 327, 232 и 321 градусЦельсия. Твердость оловянной бронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем учистой меди, а коэффициент линейного расширения сплавов железа и никеля в 10раз меньше, чем у чистых компонентов.
Однако некоторые примеси ухудшаюткачество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун (сплав железа иуглерода) не обладает той прочностью и твердостью, которые характерны длястали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы и фосфора,увеличивающие ее хрупкость.
Среди свойств сплавов наиболееважными для практического применения являются жаропрочность, коррозионнаястойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значение имеютлегкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, для металлообрабатывающейпромышленности — специальные сплавы, содержащие вольфрам, кобальт, никель. Вэлектронной технике применяют сплавы, основным компонентом которых являетсямедь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продукты взаимодействиякобальта, самария и других редкоземельных элементов, а сверхпроводящие принизких температурах сплавы — на основе интерметаллидов, образуемых ниобием соловом и др.
VI. Способы получения металлов.
Огромное большинство металловнаходится в природе в виде соединений с другими элементами.
Только немногие металлы встречаютсяв свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платинавстречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь — отчасти всамородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторыедругие металлы.
Добывание золота и платиныпроизводится или посредством механического отделения их от той породы, вкоторой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их изпороды различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Всеостальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.
Минералы и горные породы, содержащиесоединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем,носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонатыметаллов.
Важнейший способ получения металловиз руд основан на восстановлении их оксидов углем.
Если, например, смешать краснуюмедную руду (куприт) Cu2Oсуглем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь,превратится в оксид углерода(II), а медь выделится врасплавленном состоянии:
Cu2O+ C = 2Cu + CO
Подобным же образомпроизводится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянногокамня SnO2и восстановление других металлов из оксидов.
При переработке сернистых рудсначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особыхпечах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например:
2ZnS+ 3O2 = 2ZnO + 2SO2
ZnO+ C = Zn + CO
В тех случаях, когда рудапредставляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственновосстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонатыраспадаются на оксид металла и двуокись углерода. Например:
ZnCO3= ZnO+ CO2
Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат ещемного примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся.Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества,образующие с примесями легкоплавкие соединения — шлаки. Такие веществаназываются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюсаупотребляют песок, образующий с известняком силикат кальция. Наоборот, в случаебольшого количества песка флюсом служит известняк.
Во многих рудах количество примесей(пустой породы) так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих рудявляется экономически невыгодной. Такие руды предварительно «обогащают», тоесть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространениемпользуется флотационный способ обогащения руд (флотация), основанный наразличной смачиваемости чистой руды и пустой породы.
Техника флотационного способа оченьпроста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, изсернистого металла и силикатной пустой породы, тонко измельчают и заливают вбольших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическоевещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, инебольшое количество специального реагента, так называемого «коллектора»,который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает еенеспособной смачиваться водой. После этого через смесь снизу пропускают сильнуюструю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причемпузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. Впроцессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоемадсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха,поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене; частицы же пустой породы,смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду сзначительно большим содержанием металла.
Для восстановления некоторыхметаллов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магнийи другие элементы.
Процесс восстановления металла изего оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, вчастности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носитназвание алюминотермии.
Очень важным способом полученияметаллов является также электролиз. Некоторые наиболее активные металлыполучаются исключительно путем электролиза, так как все другие средстваоказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.
Список использованнойлитературы.
1. «Основы общей химии».Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин. Москва «Просвещение» 1980 г.
2. «Общая химия». Н.Л.Глинка.Издательство «Химия», Ленинградское отделение 1972 г.
3. «Отчего и как разрушаютсяметаллы». С.А.Балезин. Москва «Просвещение» 1976 г.
4. «Пособие по химии дляпоступающих в вузы». Г.П.Хомченко. 1976 г.
5. «Книга для чтения понеорганической химии».
Часть 2. Составитель В.А.Крицман. Москва«Просвещение» 1984 г.
6. «Химия и научно-техническийпрогресс». И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня. Москва «Просвещение» 1988г.