Металлы и неметаллы

Особенности строения и свойств металлов

Положение металлов в периодической системе

В перечне простых веществ, составленном великим французским химиком Лавуазье в 1789 г. присутствует 17 металлов, в первом варианте периодической таблицы Д.И. Менделеева (1869) – их уже 47. Из 114 химических элементов 92 являются металлами. В традиционном варианте Периодической системе элементы-металлы расположены в начале периодов, а также в побочных подгруппах. Условной границей, отделяющей металлы от неметаллов, служит прямая, проведенная от бора до астата в длинном варианте периодической таблицы. Металлы оказываются левее и ниже этой прямой, неметаллы – правее и выше, а элементы, находящиеся вблизи прямой имеют двойственную природу, иногда их называют металлоидами. В Периодической системе, утвержденной ИЮПАК, металлы расположены в 1-12 группах.

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Атомы металлов на внешнем уровне содержат не более четырех электронов, как правило, от одного до трех. Отдавая эти электроны, они приобретают устойчивую оболочку ближайшего инертного газа:

Таким образом, металлы в химических реакциях являются восстановителями – они приобретают положительную степень окисления. В этом заключается их принципиальное отличие от элементов-неметаллов. 

Определение

Способность атома элемента смещать на себя электроны химической связи называют электроотрицательностью.

Вследствие низких значений электроотрицательности  металлы легче отдают электроны, чем притягивают их, и, следовательно проявляют восстановительные свойства.

Слова «металл» и «неметалл» применимы не только к химическим элементам, но и к простым веществам. Например, говоря, что простое вещество является металлом, мы подразумеваем не только что оно состоит из атомов элемента-металла, но и определенную общность физических (металлический блеск, пластичность) и химических (восстановитель) свойств. Металлические свойства простых веществ убывают при движении по периоду  слева направо, а по группе - снизу вверх. В наибольшей степени металлические свойства выражены у элементов главной подгруппы I группы Периодической системы – щелочных металлов. Их атомы настолько легко отдают валентный электрон, что в природе эти элементы встречаются исключительно в виде соединений.

Кристаллическая решетка и металлическая связь 

Металлы имеют металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой расположены отдельные атомы. Они слабо удерживают валентные электроны, которые по этой причине свободно перемещаются по всему объему металла, формируя единое электронное облако и в равной степени притягиваются всеми атомами. Такая связь называется металлической.

Общие свойства металлов – пластичность, способность отражать свет, тепло- и электропроводность – объясняются особенностями их строения.  При сильном надавливании кусок металла изменяет форму – часть атомов смещается, но не рассыпается: общее электронное облако прочно удерживает все атомы вместе. В электрическом поле свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, такое упорядоченное движение электронов называют электрическим током. 

Чем больше в металле свободных электронов и чем сильнее колебания атомов, находящихся в узлах решетки, тем быстрее происходит выравнивание температуры во всем куске металла, то есть тем больше его теплопроводность. Поэтому относительные значения тепло- и электропроводности для многих металлов близки.

Физические свойства металлов

Агрегатное состояние и температуры плавления. Температуры плавления металлов меняются в очень широких пределах. Самый легкоплавкий из металлов – ртуть – при комнатной температуре является жидкостью. Металл галлий плавится от теплоты человеческого тела. Из металлов широко применяемых в технике, наиболее легкоплавкие – олово и свинец. Наибольшую температуру плавления имеет вольфрам, из которого изготавливают нити накаливания лампочек. Металлы с температурой плавления выше  принято называть тугоплавкими.

Окраска. Среди металлов немногие обладают характерной окраской. «Золото через свой изрядно желтый цвет и блещущую светлость от прочих металлов отлично», – писал Михаил Васильевич Ломоносов. Медь имеет розово-красный цвет, серебро и платина – белый, щелочной металл цезий – бледно-желтый. Для описания цвета других металлов трудно подобрать слова. Все они кажутся нам серыми с тем или иным едва заметным оттенком.        

Плотность. Металлы сильно различаются по плотности. Наиболее легкими являются щелочные металлы литий, натрий и калий. Литий плавает даже на поверхности керосина – жидкости с плотностью меньшей плотности воды. Металлы с плотностью ниже 5 г/см называют легкими. К ним, помимо щелочных и щелочно-земельных металлов, принадлежат магний, алюминий и другие. В число наиболее тяжелых входят переходные металлы, расположенные в шестом периоде, а также актиноиды. Ртуть, например, имеет плотность 13,6 г/см, то есть литровая банка, заполненная ртутью, весит 13,6 кг!

Твердость вещества оценивают по его способности оставлять царапину на другом веществе. Наиболее твердым веществом является алмаз – он оставляет след на любых поверхностях. Из металлов по твердости к алмазу приближается хром – он царапает стекло. Наиболее мягкие металлы – щелочные. Они легко режутся ножом. Мягкими являются также свинец, олово, цинк, серебро.

Электро- и теплопроводность. Все без исключения металлы хорошо проводят электрический ток. Наибольшей электропроводностью обладает серебро, немного уступают ему медь и золото. Серебро – очень дорогой металл. Его используют в электротехнике при изготовлении высокоточных дорогостоящих приборов. Самые хорошие провода, применяемые в быту, медные. Они во много раз превосходят по самим характеристикам провода, изготовленные из алюминия. При прохождении через металл электрического тока часть электрической энергии преобразуется в тепловую – металл нагревается. Использование алюминиевых проводов при больших нагрузках на электрическую сеть может привести к их плавлению. Особенно опасны места стыка алюминиевых и медных проводов – они нагреваются намного быстрее. Неисправная электропроводка является причиной многих пожаров.

Пластичность. Многие металлы пластичны, то есть обладают способностью изменять форму, например, расплющиваться при ударе молотком. Наибольшей пластичностью обладают золото, серебро, медь, олово. Их можно раскатывать в фольгу.

Общие химические свойства металлов

В химических реакциях металлы выступают в роли восстановителей и повышают степень окисления, превращаясь из простых веществ в катионы. 

Химические свойства металлов различаются в зависимости от химической активности металла. По активности в водных растворах металлы расположены в ряд напряжений. 

В этот ряд, составленный русским химиком Н.Н. Бекетовым, включен также неметалл водород. Активность металлов убывает слева направо:

Запомнить! Металлы, стоящие в ЭХ ряду после водорода, называют неактивными металлами.

Металлы, расположенные в ЭХ ряду до алюминия называют сильноактивными или активными металлами.       

Общие химические свойства металлов

1) Многие металлы вступают в реакцию с типичными неметаллами – галогенами, кислородом, серой. При этом образуются соответственно хлориды, оксиды, сульфиды и другие бинарные соединения:

• с азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании;

• с серой металлы образуют сульфиды – соли сероводородной кислоты;

• с водородом самые активные металлы образуют ионные гидриды (бинарные соединения, в которых водород имеет степень окисления -1);

• с кислородом большинство металлов образует оксиды – амфотерные и основные. Основной продукт горения натрия - пероксид ; а калий и цезий горят с образованием надпероксидов .

2) Следует обратить внимание на особенности взаимодействие металлов с водой: 

• Активные металлы, находящиеся в ряду активности металлов до Mg (включительно), реагируют с водой с образованием щелочей и водорода:

• Активные металлы (например, натрий и литий), взаимодействуют с водой со взрывом.

• Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:

• Неактивные металлы (Au, Ag, Pt) - не реагируют с водой.

  активные металлы (до Al)

 среднеактивные металлы (от Al до H), только при нагревании

 неактивные металлы (после Н)

Более подробно взаимодействие металлов с водой рассмотрено в темах, посвященных химии отдельных групп.

3) С разбавленными кислотами реагируют металлы, стоящие в ЭХР до водорода: происходит реакция замещения с образованием соли и газообразного водорода. При этом кислота проявляет окислительные свойства за счет наличия катиона водорода:

4) Взаимодействие азотной кислоты (любой концентрации) и концентрированной серной кислоты протекает с образованием других продуктов: кроме соли в этих реакциях образуется продукт восстановления серной (или азотной) кислоты. Подробнее см.тему "Взаимодействие азотной кислоты с металлами и неметаллами.

Запомнить! Все металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют его из разбавленных кислот, а металлы, расположенные справа от водорода, с растворами кислот не реагируют (азотная кислота – исключение).

5) Активность металлов также влияет на возможность протекания простого вещества металла с оксидом или солью другого металла. Металл вытесняет из солей менее активные металлы, стоящие правее его в ряду напряжений. 

Запомнить! Для протекания реакции между металлом и солью  другого требуется, чтобы соли, как вступающие в реакцию, так и образующиеся в ходе нее, были растворимы в воде. Металл вытесняет из соли только более слабый металл.

Например, для вытеснения меди из водного раствора сульфата меди подходит железо,

но не подходят свинец – так как он образует нерастворимый сульфат. Если опустить кусочек  свинца в раствор сульфата меди, то с поверхности металла покроется тонким слоем сульфата, и реакция прекратится

Другой пример: цинк легко вытесняет серебро из раствора нитрата серебра, однако реакция цинка со взвесью сульфида серебра, нерастворимого в воде, практически не протекает. 

Общие химические свойства металлов обобщены в таблице:

Получение и применение металлов

Слово "металл" восходит к греческому корню «металлон», означающему «рудник». Действительно, многие металлы встречаются в природе в виде руд, содержащих один или несколько минералов. Минералы, содержащие металлы, называют рудными, а все остальные – пустой породой. Железные руды содержат магнитный железняк – магнетит  или красный железняк – гематит , алюминиевые – корунд  или боксит , медные – медный блеск  или медный колчедан . Извлечением металлов из руд занимается особая наука – металлургия. 

Металлургия

Определение

Науку о промышленных способах получения металлов из природного сырья называют металлургией.

Такое же название носит и отрасль промышленности, занимающаяся добычей и производством металлов. Различают черную (производство железа и его сплавов) и цветную металлургию (производство всех других металлов, кроме железа).

Определение

Пирометаллургией называют процессы восстановления металлов из руд, проводимые при высоких температурах.

Она включает восстановление оксидов активными металлами (алюминием – алюмотермия, магнием – магнийтермия), углем, водородом. Методами пирометаллургии получают цинк, олово, свинец, железо, хром, титан, молибден и многие другие металлы.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ

Из оксидов и некоторых солей металлы выделяют восстановлением. В качестве восстановителя чаще всего используют уголь (карботермия):

Некоторые металлы восстанавливают действием водорода (водородотермия). Так в промышленности получают тугоплавкие металлы – молибден и вольфрам: 

Иногда в качестве восстановителя используют другой, более активный металл, например, кальций или алюминий (алюмотермия):

Если металл встречается в природе в виде соединений с серой, первоначально их переводят в оксиды путем обжига – нагревания на воздухе или в кислороде:

Карбонатные породы переводят в оксиды нагреванием:

Определение

Гидрометаллургия охватывает методы получения металлов из растворов их солей путем электролиза растворов или вытеснением более активным металлом.

Так производят медь, кадмий, извлекают золото и серебро.

Определение

Электрометаллургия занимается получением металлов при помощи электролиза расплавов.

Этим способом получают активные металлы – алюминий, натрий, кальций.

Способ получения данного металла выбирают исходя из его химической активности, а также из типа соединений, в виде которых он встречается в природе.

Электролиз

Электролиз является еще одним распространенным способом производства металлов   (подробнее см. тему "Электролиз расплавов и растворов"). Многие активные металлы (натрий, кальций, алюминий) получают электролизом расплавленных солей или оксидов. Малоактивные металлы, например, медь, выделяют при пропускании электрического тока через водные растворы их солей: 

элток

Электролиз используют также для очистки металлов (электролитическое рафинирование).

Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3. При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, то есть переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.  

Большинство металлов переводят в слитки при помощи литья: расплавленный металл заливают в форму, где он и застывает. Однако наиболее тугоплавкие металлы, например, вольфрам, из которого делают нити накаливания элепктроламп, расплавить в печи необычайно трудно. Для получения их слитков применяют порошковую металлургию – особый метод, позволяющий избежать литья. Он основан на спекании предварительно спрессованного порошка металла при температуре выше 1000°C в атмосфере водорода. Затем через брусок из металла пропускают электрический ток, за счет чего он разогревается до температуры плавления, и при этом отдельные его зерна свариваются друг с другом. Полученное изделие подвергают горячей ковке и прокатке.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

По практической важности cреди металлов на втором месте после железа находится алюминий. Он почти в три раза легче стали, имеет высокую электропроводность, устойчив к коррозии. Из алюминия делают провода и конденсаторы, бытовую посуду, алюминиевая фольга является удобным оберточным материалом. Чистый алюминий – мягкий и пластичный, что ограничивает его применение в технике. Для увеличения твердости металл легируют магнием, медью, цинком, кремнием.

Так создают сплавы алюминия:

• дуралюмин (алюминий-медь-магний),

• магналий (алюминий-магний) и

• силумин (алюминий-кремний), используемые в авиастроении, машиностроении, строительстве зданий.

Сырьем для производства алюминия служат бокситы, которые прокаливанием переводят в корунд. Алюминий подобно другим высоко активным металлам в промышленности алюминий получают электролизом расплава.

В качестве элеткролита используют расплавленную смесь корунда Al₂O₃ и криолита. Корпус электролизера, являющийся катодом, выполняют из стали. Анодом служат графитовые блоки, погруженные в реактор. Так как в ходе процесса выделяется кислород, они постепенно выгорают, восстанавливая его до угарного газа:

Плотность жидкого алюминия выше плотности расплава криолита, поэтому продукт собирается на дне электролизера, откуда его периодически выпускают и разливают в слитки. Производство алюминия относят к числу энергоемких, поэтому его размещают не рядом с местом добычи сырья, а вблизи источников дешевой электроэнергии.

Производство чугуна и стали

Сырьем для производства чугуна служат железная руда и кокс, то есть чистый углерод, полученный при коксовании каменного угля – его разложении без доступа воздуха (подробнее см. тему "Принципы переработки и применение горючих ископаемых"). В качестве железной руды обычно используют железняки – магнитный Fe₃O₄, красный Fe₂O₃, бурый Fe₂O₃×xH₂O.

Выплавку чугуна производят в домнах – больших печах, высотой до 80 м, выложенных изнутри огнеупорным кирпичом, а сверху покрытых стальным кожухом. Сверху в доменную печь непрерывно загружают руду и кокс, а снизу подают горячий воздух, обогащенный кислородом. В основе получения железа из руды лежат реакции восстановления оксидов углем и угарным газом  СО – продуктом его неполного окисления:

В верхней части печи температура достигает 2000°C. В расплавленном железе, образовавшемся при восстановлении руды, растворяется углерод, частично взаимодействуя с ним с образованием карбида – цементита Fe₃C. Так образуется чугун.

Для передела его в сталь излишний углерод необходимо выжечь – окислить кислородом. Это осуществляют в сталеплавильном цехе. Однако при пропускании кислорода через расплавленный чугун часть железа также окисляется кислородом до оксида:

Для обратного восстановления оксида железа(II) до металла в расплав вводят раскислители, как правило, это марганец, барий, кальций, лантан. Они и восстанавливают окислившееся железо:

 а затем отделяются от расплава, всплывая на его поверхность в виде легкоплавких шлаков.

Рис.1.Схема производства чугуна и стали

Особенности строения неметаллов

Элементы-неметаллы расположены в конце периодов, и имеют электронную конфигурацию внешнего слоя, близкую к конфигурации ближайшего инертного газа или равную ей. Таким образом, до достижения этой конфигурации атомам элементов-неметаллов не хватает от нуля до четырех электронов, поэтому в химических реакциях они являются окислителями.

В периодической системе элементы-неметаллы расположены выше диагонали, проведенной от бора к астату. Все они входят в состав главных подгрупп.

В наибольшей степени свойства неметаллов проявляют галогены – элементы главной подгруппы VII группы и халькогены - элементы главной подгруппы VI группы.

 Рассмотрим электронное строение некоторых неметаллов.

В атоме хлора 17 электронов распределено по трем энергетическим уровням. Два внутренних электронных слоя полностью заполнены, находящиеся на них электроны не принимают участия в химических реакциях. На внешнем энергетическом уровне находится 7 электронов. Эти электроны являются валентными, то есть атом может отдавать их в химических реакциях. 

Максимальная степень окисления хлора как раз и равна +7, то есть она реализуется в том случае, если атом отдаст все семь электронов. Однако для хлора, как и для других неметаллов, более характерно принимать электроны, чем отдавать их. Принимая один электрон, атом хлора превращается в ион  c конфигурацией инертного газа аргона.Такой ион в отличие от атома хлора гораздо более устойчив и гораздо менее вреден для организма (он содержится в поваренной соли, а свободный хлор – это отравляющее вещество). Таким образом, минимальная степень окисления хлора равна –1. Она реализуется в соединениях с металлами и водородом.

Атом кислорода содержит всего восемь электронов, занимающих два энергетических уровня. Внешние электроны (их число для неметаллов всегда равно номеру группы, в которой находится элемент, у кислорода  6) обычно участвуют в образовании химических связей.

Однако кислород не способен в химической реакции отдать все 6 электронов, то есть степень окисления +6 (высшая для элементов шестой группы) для него недостижима. Будучи типичным неметаллом, кислород имеет тенденцию принимать электроны. Для приобретения электронной конфигурации ближайшего инертного газа неона ему не хватает двух электронов. Принимая их, атом кислорода становится отрицательно заряженным ионом О, то есть приобретает степень окисления –2. Именно она и характерна для кислорода.

Атом азота содержит на один электрон меньше, чем атом кислорода. Соответственно, у него всего 5 валентных электронов. Высшая степень окисления этого элемента равна +5 (например, в оксиде ), а низшая –3 (в аммиаке ).

Физические свойства неметаллов

Простые вещества-неметаллы, как правило, не обладают металлическим блеском, не проводят электрический ток, являются плохими проводниками тепла. Среди них есть газы (), жидкости (), твердые вещества (СР). Таким образом, в противоположность металлам, для неметаллов нельзя выделить обших свойств, некоторые из них, подобно металлам, имеют даже металлический блеск (йод). Химическая связь в простых веществах – ковалентная неполярная, они имеют либо молекулярную, либо атомную кристаллические решетки. Для неметаллов характерно явление аллотропии.

Определение

Аллотропия – существование элемента в форме различных простых веществ, различающихся либо строением и составом молекул (кислород и озон), либо способом упаковки (алмаз и графит).

   Например, фосфор имеет следующие аллотропные модификации:

Химические свойства неметаллов

1) Для неметаллов характерны реакции с металлами, при это они проявляют окислительные свойства и в образующихся бинарных соединениях проявляют отрицательную степень окисления.

             водород образует гидриды;

            хлор - хлориды;

            кислород - оксиды (пероксиды и надпероксиды);

                     сера - сульфиды;

           фосфор - фосфиды;

                углерод - карбиды;

2) Взаимодействие с другими неметаллами:

• взаимодействуя с водородом, большинство неметаллов проявляет окислительные свойства, образуя летучие водородные соединения – ковалентные гидриды:

Следует помнить, что такие неметаллы как кремний, фосфор, бор с водородом непосредственно не реагируют.

• взаимодействуя с кислородом , все неметаллы, кроме фтора, проявляют восстановительные свойства:

S + O = SO,

C + O = CO.

Наиболее типичные неметаллы – галогены – с кислородом не реагируют. Это неудивительно, ведь кислород, как и галогены – сам является сильным окислителем. При взаимодействии с фтором фтор является окислителем, а кислород – восстановителем:

• неметаллы взаимодействуют между собой, более электроотрицательный металл играет роль окислителя, менее электроотрицательный – роль восстановителя: