2020-06-29
326
Тема 9. Металлы и их соединения
| Дата | Тема урока | Задание |
| 01.06.2020 | 1. Общая характеристика металлов. Общие физические свойства | Повторить конспект |
| 02.06.2020 | 2. Сплавы металлов | Составить кроссворд «Сплавы металлов» |
| 02.06.2020 | 3. Химические свойства металлов. Ряд активности металлов | Подготовить доклад «Значение металлов в жизни человека» |
| 03.06.2020 | 4. Способы получения металлов | Подготовить доклад «Использование металлов в космической промышленности» |
| 03.06.2020 | 5. Электролиз | Повторить конспект |
| 04.06.2020 | 6. Оксиды и гидроксиды. Изменение свойств оксидов. | Составить кроссворд «Природные соединения металлов» |
| 05.06.2020 | 7. Применение металлов. Век медный, бронзовый, железный. Практическая работа № 2 | Повторить конспект Выполнить практическую работу Ã35 учебника на стр.161 |
Домашнее задание на неделю: изучить, конспектировать и повторитьÃ26-34 учебника (стр. 119-160)
Общая характеристика металлов. Общие физические свойства
Металлы - это элементы, проявляющие в своих соединениях только положительные степени окисления, и в простых веществах которые имеют металлические связи. Металлическая связь - это химическая связь в металлах, осуществляемая за счет валентных электронов металла, относительно свободно перемещаться по всему образцу металла (электронный газ). В узлах кристаллической решетки в твердом состоянии находятся положительно заряженные ионы металла (часть атомов остается в нейтральном состоянии).
Металлическая связь сохраняется при переходе металла в жидкое состояние.
В периодической системе элементов в главных подгруппах металлы располагаются левее диагонали, проходящие от В к At. Все элементы побочных подгрупп, лантаниды и актиниды являются металлами.
Общие физические свойства:
1) Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду - Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe уменьшается.
2) Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.
3) Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду - Ag, Cu, Al, Fe уменьшается. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа".
4) Теплопроводность. Закономерность та же. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность - у висмута и ртути.
5) Твердость. Самый твердый - хром (режет стекло); самые мягкие - щелочные металлы - калий, натрий, рубидий и цезий - режутся ножом.
6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий - литий (r=0,53 г/см3); самый тяжелый - осмий (r=22,6 г/см3) Металлы, имеющие r < 5 г/см3 считаются "легкими металлами".
7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл - ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл - вольфрам (t°пл. = 3390°C).
Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже - низкоплавкими.
Сплавы металлов
| С металлами и сплавами можно встретиться не только на уроках физики и химии, но и на уроках литературы, изучая, например, произведения «Медный всадник» А.С. Пушкина, русскую народную сказку «Огонь, вода и медные трубы», роман Н.А. Островского «Как закалялась сталь». В повседневной жизни люди часто имеют дело не с чистыми металлами, а в основном с их сплавами. Включая лампу или телевизор – ток идет по медным проводам, идем в магазин – пользуемся металлическими деньгами, которые как желтые так и белые, изготовлены из сплавов меди. Наши дома украшают изделия из бронзы. Несмотря на то, что медь не самый распространенный в природе элемент: содержание меди в земной коре составляет 0,01%, что позволяет ей занимать лишь 23 –е место среди всех элементов, именно медь явилась тем металлом, который впервые стал использовать человек в глубокой древности. Первые медные оружия изготовлялись из самородной меди. В глубокой древности человеку было известно, кроме меди, еще шесть металлов: золото, серебро, олово, свинец, железо и ртуть. Из семи металлов человек вначале познакомился с теми, которые в природе встречаются в самородном виде. Это золото, серебро и медь. Из этих металлов изготавливали древние монеты. Остальные четыре металла вошли в жизнь человека после того, как он научился получать их из руд с помощью огня. Часы истории человечества стали отсчитывать время быстрее, когда в его жизнь вошли металлы и, что важнее всего, их сплавы. Век каменный сменился веком медным, потом бронзовым, а затем веком железным. Бронзовый век наступил тогда, когда люди научились получать бронзу — сплав двух металлов: меди и олова, который гораздо твёрже своих компонентов. Бронза более легкоплавка по сравнению с медью. До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Знаменитые Царь –пушка и Царь –колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. Бронзовый век сменился железным только после того, как человечество смогло поднять температуру пламени в металлургических печах до температуры плавления железа. Но первые изделия из железа имели низкую механическую прочность. Стали изготовлять из железных руд сплавов — чугуна и стали — более прочных, чем само железо. Железный век длится и по сей день, так как человек в повседневной жизни в основном использует сплавы на основе железа. Когда начался железный век, этот металл ценился дороже золота. Именно с железом, а не с золотом сравнивали сердца выдающихся людей. Так, герои «Илиады» Гомера облачались в «меднокованые доспехи» и имели «сердца твёрдые, как железо», а героев его «Одиссеи», победителей игр, награждали куском золота и куском железа. Железные сплавы — чугун и сталь — не только основа развития техники, но и важнейший материал искусства. Из чугуна в Санкт-Петербурга сделали решётку Летнего сада. Из стали сделаны барельефы, светильники и опоры метро, а также скульптуры, например, «Рабочий и колхозница» скульптора В. И. Мухиной. Рассмотрим свойства сплавов с точки зрения химии. Сплавы – это материалы с металлической кристаллической решеткой, которые обладают характерными свойствами и состоят из двух и более компонентов. Вспомним несколько примеров из биологии. Например, яблоки бывают разных сортов: они отличаются друг от друга вкусом, качеством и разным содержанием ионов железа; люди тоже отличаются друг от друга физическими и умственными способностями. Исходя из этих примеров, можно сделать вывод, что за основу разделения, классификации берется его признак. Тоже и со сплавами. Так, если основополагающим признаком будет состав, то сплавы можно поделить на алюминиевые, никелевые, титановые и другие. Рассмотрим использование сплавов в технике. В технике используют сплавы, не чистые металлы, потому что металлы в отдельности не обладают всеми свойствами, которые необходимы для практического применения. Например, алюминий - легкий, но непрочный металл, не имеющий достаточной твердости. Чтобы повысить твердость и прочность алюминия, получают его сплав с магнием, медью, марганцем, который называется дюралюминием. Другой пример: золото красиво, но очень пластично. Изделия из чистого золота легко деформируются, истираются. Чтобы этого не происходило, для изготовления ювелирных изделий применяют сплавы золота с медью. Часто сплавы представляют собой твердые растворы. Так их называют потому, что после кристаллизации из расплава в них сохраняется то же равномерное распределение различных компонентов, какое было и в жидком состоянии. При очень большой близости размеров ионов металлов, составляющих сплав, и совпадений типов их кристаллических решеток возникает твердый раствор замещения, в котором ионы одного из металлов частично замещены в узлах кристаллической решетки ионами другого. Примеры: сплавы меди с никелем (мельхиоры), меди с алюминием. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав – нейзИльбер – содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно- никелевые сплавы обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно- никелевых сплавов – их высокая стойкость к процессам коррозии – они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком (содержание цинка до 50%) носит название латунь. Это дешевые сплавы, которые обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Благодаря своим качествам латуни нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуни изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали. Если ионы одного из металлов или неметаллов, входящего в сплав, значительно меньше по размерам ионов другого металла, то может образоваться сплав значительно меньше по размерам ионов другого металла, то может образоваться сплав – твердый раствор внедрения. В этом случае меньшие по размерам частицы размещаются при кристаллизации сплава между положительно заряженными ионами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки. К сплавам внедрения относится, например, сталь – сплав железа с углеродом. Некоторые металлы, образующие однородный жидкий сплав, при охлаждении кристаллизуются отдельно друг от друга. Поэтому их твердый сплав представляет собой механическую связь кристаллов разных металлов. Эти сплавы имеют значительную прочность, но низкие температуры плавления. К таким сплавам относятся сплавы состоящие из олова и свинца. Почему же сплав имеет другие свойства, чем металлы, которые входят в его состав? Сплав обычно обладает более низкими электрической проводимостью и теплопроводностью. Это связано с присутствием в сплавах ионов разных металлов, затрудняющих движение свободных электронов. У сплавов большая твердость и меньшая пластичность. В настоящее время некоторые сплавы готовят методом порошковой металлургии. Берется смесь металлов в виде порошков, прессуется под большим давлением и спекается при высокой температуре в восстановительной среде. Таким путем получают сверхтвердые сплавы. С помощью этого метода установлена зависимость между составом и свойствами многих сплавов, благодаря этому появилась возможность получать сплавы с заранее заданными свойствами: кислотоупорные, жаропрочные, сверхтвердые и др. Сплавы используются в металлургии. Существуют черные и цветные металлы. К черным металлам относят железо и все его сплавы. Остальные металлы и их сплавы относятся к цветным металлам. Например, сорта помидор отличаются друг от друга по цвету, форме, вкусу. Так и черные и цветные металлы отличаются друг от друга своими свойствами. К цветным металлам относятся все металлы и их сплавы, в составе которых нет природного железа. Медь, свинец, титан и многие другие металлы относятся к цветным, несмотря на то, что они очень сильно отличаются друг от друга по химическому составу. Название «цветные» эти металлы приобрели из-за меди, ведь медь и медные сплавы имеют специфические, порой весьма яркие цвета, отсюда и возникло название «цветные». Цветные металлы и их сплавы очень широко применяются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме углерода черные металлы в небольшом количестве могут содержать кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы. Для придания черным металлам специфических свойств к ним добавляют некоторые, так называемые, легирующие вещества — медь, никель, хром. Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали. Чугун — это сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2,14%. Чугун бывает двух видов: белый и серый. Серый чугун -сравнительно мягкий материал, который хорошо поддается механической обработке. Белый чугун - твердый и хрупкий материал. Серый чугун применяется в производстве литых деталей и в художественном литье, белый чугун перерабатывается в сталь. Сталь по химическому составу делится на две группы: углеродистую и легированную, по качеству - на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества, высококачественную и особовысококачественную. Углеродистой сталью называется сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2%) с примесями кремния, серы и фосфора, причем главной составляющей, определяющей свойства, является углерод. Процентное содержание элементов в стали примерно следующее: Fe феррум- до 99,0; С углерод - 0,05-2,0; Si кремний - 0,15-0,35; Mn марганец - 0,3-0,8; S сера - до 0,06; P фосфор - до 0,07. К недостаткам углеродистой стали относятся: · отсутствие сочетания прочности и твердости с пластичностью; · потеря твердости и режущей способности при нагревании до 200°C и потери прочности при высокой температуре; · низкая коррозионная устойчивость в среде электролита, в агрессивных средах, в атмосфере и при высоких температурах; · низкие электротехнические свойства; · высокий коэффициент теплового расширения; · увеличение веса изделий, удорожание их стоимости, усложнение проектирования вследствие невысокой прочности этой стали. Легированной называется сталь, в которой наряду с обычными примесями имеются легированные элементы, резко улучшающие ее свойства: хром, вольфрам, никель, ванадий, молибден и др., а также кремний и марганец в большом количестве. Примеси вводятся в процессе плавки. По химическому составу (ГОСТ 5200) легированная сталь делится на три группы: · низколегированная сталь - не более 2,5% примесей; · среднелегированная - 2,5-10%; · высоколегированная - свыше 10%. Легированная сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали повышает долговечность изделий, экономит металл, увеличивает производительность, упрощает проектирование и потому в прогрессивной технике приобретает решающее значение. Каждый легирующий элемент придает особые свойства стали, такие как твердость, вязкость, прочность, коррозионная стойкость, устойчивость к ударам и трению. Из стали изготавливают различные изделия для производства: инструменты, резцы, зубила, турбины электростанций и реактивных двигателей, железнодорожные рельсы, быстрорежущие инструменты, пилы идр. Большой вклад в развитие современной металлургии внесли работы Д.К. Чернова и П.П. Аносова. Павел Петрович Аносов (1799-1851г) в 1831г. Впервые использовал микроскоп при исследовании строения высококачественной стали. Эту проблему изготовления П.П. Аносов блестяще разрешил на Златоустовском заводе (1837г). Им была установлена связь между строением стали и ее свойствами. Аносов явился зачинателем производства высококачественных сталей, играющих важную роль в современной технике. В своих работах П.П. Аносов изучил влияние углерода на структуру и свойства стали, оценил роль ряда других элементов. В XIX веке химия и физика играли большую роль в развитии многих сложившихся к тому времени отраслей, связанных с производством материалов. Хотелось бы отметить огромную роль выдающегося русского ученого – металлурга Д.К. Чернова (1839-1921г). В 1868г. он сделал крупнейшее и исключительное по своим последствиям открытие: установил критические точки – температуры, при которых происходит изменение структуры и свойств охлажденной стали. Этим открытием Чернов разрешил основной вопрос об условиях термообработки и ковки стали. А в 1878г. изложил основы современной теории кристаллизации металлов. Эти и последующие работы Чернова послужили фундаментом для создания современного материаловедения термической обработки стали. За свои работы Чернов Д.К. в научной литературе был назван «отцом металлографии». |
Химические свойства металлов. Ряд активности металлов
Металлы — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами. На сегодняшний день металлы составляют большинство химических элементов (95 из 118)
Вспомним основные физические свойства металлов
Физические свойства:
Металлы обладают металлическим блеском, что связано со способностью поверхности металлов отражать световые лучи. Высокие теплопроводность и электропроводность обусловлены легкостью перемещения электронов в кристаллической решетке металлов.
Металлы характеризуются также плотностью. Характерное свойство металлов – пластичность – проявляется в их ковкости.
Температурой плавления (самый легкий металл ртуть, ее температура плавления 38,90С, цезий и галий плавятся соответственно при 29 и 29,80С. Вольфрам –самый тугоплавкий металл, температура его плавления 34100С. Он применяется для изготовления нитей электроламп. Твердостью (самый твердый металл хром, а самый мягкий калий, рубидий и цезий. Они легко режутся ножом).
Физические свойства металлов заключаются в том, что они ковкие, пластичные, тягучие вещества, которые способны проводить тепло и электрический ток. Наиболее важны в практическом отношении плотность и температура плавления.
Физические и химические свойства неразрывно связаны друг с другом.
Рассмотрим химические свойства металлов. Химические свойства металлов обусловлены способностью их атомов легко отдавать электроны с внешнего энергетического уровня, превращаясь в положительно заряженные ионы. Таким образом в химических реакциях металлы проявляют себя энергичными восстановителями. Это является их главным общим химическим свойством.
Химические реакции металлов относятся к окислительно-восстановительным и могут быть только двух типов: соединения и замещения.
Реакции замещения- это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы одного из химических элементов в сложном веществе.
Реакции соединения –это такие реакции, в результате которых из одного или нескольких веществ образуется одно сложное вещество.
В химических реакциях металлы способны отдавать электроны, т.е. быть восстановителями, проявлять в образовавшихся соединениях только положительную степень окисления. Металлы способны отдавать свои валентные электроны атомам неметаллов, ионам водорода, ионам других металлов.
Взаимодействие металлов с другими веществами зависит от природы этих веществ и условий проведения реакции.
1.Взаимодействие металлов с неметаллами
Практически все металлы (кроме золота и платины) взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды.
2Mg0 + O20  2Mg+2O-2
((два магний в нулевой степени окисления плюс кислород в нулевой степени окисления(о два) равно два магний в степени окисления плюс два и кислород в степенью окисления минус два)(два магний плюс два о минус два))
Щелочные и щелочноземельные металлы хранят в закрытых сосудах под слоем керосина или масла, а на поверхности некоторых металлов (таких как алюминий, цинк, свинец) образуется тонкая пленка при обычной температуре, которая защищает их от дальнейшего воздействия.
Металлы могут взаимодействовать и с другими неметаллами с образованием солей:
+3 -1
б) 2AI0 +3Br20 =2AIBr3
(два алюминий в нулевой степени окисления плюс три бром с нулевой степенью окисления равно два алюминий в степени окисления плюс три плюс бром три в степени окисления минус один (два алюминий плюс три бром три минус один)
Проведем опыт взаимодействия алюминия с серой.В фарфоровую чашку поместим порошкообразную серу и алюминевую пудру. Ступкой перемешаем смесь, у смеси изменился цвет. Полученную смесь нанесем на тонкий лист асбеста и будем нагревать с помощью спиртовки. При сильном нагревании, можно заметить, что сера горит синим пламенем, а когда происходят вспышки – это признак горения алюминия с серой. В данной реакции при взаимодействии алюминия с серой, образуется сульфид алюминия(алюминий два эс три)
Уравнение реакции выглядит следующим образом:
2AI0 +3S0 = AI+3 2S-2 3
Два алюминий плюс три эс, равно алюминий два эс три.)
Расставив степени окисления, видим, что алюминий в реакции восстановитель, сера- окислитель.
2.Взаимодействие металлов с разбавленными кислотами.
Химические свойства металлов зависят от их положения в ряду активности металлов.
Русский химик Н.Н. Бекетов расположил металлы в ряд, называемый электрохимическим рядом напряжений металлов или электрохимическим рядом активности металлов.
К, Са, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, ((H2), Cu, Hg, Ag, Au.
В этот ряд вместе с металлами включен единственный неметал – водород.
Металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, вытесняют его из растворов кислот.
Металлы стоящие правее, как правило, не вытесняют водород из растворов кислот.
Чем ближе к началу ряда расположен металл, тем легче его атомы отдают электроны, участвуя в окислительно-восстановительных процессах в водных растворах. Таким образом, справа налево восстановительные свойства простых веществ металлов повышаются.
Химические свойства металлов зависят от их положения в ряду активности металлов. Вещества, которые стоят в ряду активности до водорода, будут взаимодействовать с разбавленными кислотами.
Zn0 +2H+1 CI =Zn+2 CI2 +H20 
(цинк плюс два аш хлор равно цинк хлор два плюс аш два стрелочка вверх)
В данной реакции цинк является восстановителем, но в ходе реакции он окисляется. Соляная кислота(аш хлор) – является окислителем, но в ходе реакции восстанавливается, водород принял электрон плюс один и превратился в водород со степенью окисления ноль. Данная реакция относится к реакции замещения.
Провидем опыт.Помещаем в пробирку две - три гранулы цинка и приливаем небольшое количество соляной кислоты. Происходит бурная реакция с выделением водорода. Пробирка при этом нагревается, т.е идет реакция с выделением теплоты – экзотермическая.
В данном случае мы видим, что металл реагирует с кислотой с выделением водорода. Происходит реакция замещения.
Химические свойства металлов зависят от их положения в ряду активности металлов. Простые вещества металлы, которые стоят в ряду активности до водорода, будут взаимодействовать с разбавленными кислотами.
Металлы, которые располагаются в ряду активности после водорода, реагируют с концентрированными кислотами с выделением сернистого газа.
2H2S+6 O4 конц. + Cu0 = S+4 O2 ↑+ Cu+2 SO4 + 2H2O Медь – менее активный металл. При взаимодействии с с конценрированной серной кислотой восстанавливает ее до сернистого газа.
3.Взаимодействие металла с водой
Самые активные металлы стоят левее от водорода, они располагаются в начале электрохимического ряда напряжения. Металлы литий, натрий, калий реагируют с водой с образованием щелочи и выделением водорода. Натрий реагирует с водой с образованием растворимого основания и выделение водорода. Активными металлами в электрохимическом ряду напряжения считаются с лития до алюминия.
2Na0 + 2 H+1 2O  2 Na+1 OH + H0 2 
Натрий является восстановителем, а вода –окислителем.
В данной реакции происходит вытеснение водорода из воды с образованием щелочи, т.к. металл находится в начале электрохимического ряда напряжений.
Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не вытесняют его из воды ни при каких условиях.
4. Взаимодействие металла с растворами солей.
Химические свойства металлов зависят от их положения в ряду активности металлов. Вещества, которые стоят в ряду активности после водорода, будут также взаимодействовать с растворами солей.
Например:
Cu0+2Ag+1 NO3=Cu +2 (NO3)2+Ag0.
(Купрум плюс два нитрата серебра (два аргентум эн о три) равно нитрат меди(II) (купрум эн о три дважды) плюс аргентум.)
В данной реакции купрум активнее в ряду напряжений аргентума.
Проведем опыт: В пробирку поместим обезжиренный кусочек меди и прильем немного раствора нитрата серебра AgNO3 (1:10). Через несколько часов на поверхности меди появляется лес иглообразных ярко блестящих кристаллов серебра.
В данной реакции медь является – восстановителем, а нитрат серебра(два аргентум эн о три) – окислителем.
Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag
Если в раствор меди (II) сульфата погрузить серебряную пластину, то никакой реакции не произойдет, т.к. аргентум менее активен купрума и он не может вытеснить медь из соли.
Следовательно, металлы способны реагировать с неметаллами, водой, кислотами и солями. Во всех этих случаях металлы окисляются и являются восстановителями. Для прогнозирования течения химических реакций с участием металлов следует использовать вытеснительный ряд металлов.
|
