Урок 26 Получить доступ за 75 баллов Металлы. Общая характеристика
Положение металлов в Периодической системе элементов
Из всех химических элементов металлы представляют абсолютное большинство, ученые выделяют 94 металла.
Среди них есть элементы, которые проявляют и металлические, и неметаллические свойства.
Алюминий – металл, но его оксид и гидроксид амфотерны.
Мышьяк As очень похож на металл. Он серый, с металлическим блеском ,однако в реакциях проявляет все свойства неметалла.
Деление простых веществ на металлы и неметаллы условно.
В природе абсолютное количество металлов находятся в виде соединений.
Только некоторые металлы (золото, платина и подобные им) находятся в природе в виде простых веществ (в самородном состоянии).
Есть металлы, которые встречаются и в виде самородков, и в виде соединений (серебро, медь).
Получение металлов из их соединений – задача металлургии.
Любой металлургический процесс является процессом восстановления металла различными восстановителями.
В зависимости от условий проведения различают несколько способов получения металлов.
Пирометаллургия – получение металлов из их соединений при высокой температуре с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, других металлов (более активных, чем требуемый). Например, если смешать медную руду с углём и накалить, то уголь, восстанавливая медь, превращается в углекислый газ, а медь выделяется в чистом виде:
Этот способ наиболее распространен в металлургии.
Таким же способом выплавляют железо, при этом избыток углерода растворяется в железе, образуя сталь или чугун.
Чугун содержит более 2 % углерода, сталь – менее 2 %.
Избыток углерода придает чугуну твердость, однако при этом он становится хрупким. Сталь же, наоборот, мягче чугуна, но прочнее.
Например, вилки и ложки делают из стали – здесь нужна прочность. Эти приборы не разбиваются при падении.
Например, при изготовлении напильника нужна твердость, чтобы он смог выполнять свои функции, и поэтому его делают из чугуна или из высокоуглеродистой стали. Но при этом он хрупкий: если напильник уронить на пол, он легко расколется на части.
А в глубокой древности, когда человечество еще не было знакомо с современными технологиями производства стали, железо укреплялось посредством обжига в навозе и лоскутах кожи, за счет чего и происходило обогащение железа углеродом.
Поэтому кузницы с древних времён строились возле конюшен.
Гидрометаллургия – получение металлов из растворов их соединений.
Этот процесс включает два этапа: природное соединение металла растворяют в кислоте, щёлочи или в другом реагенте, и из полученного раствора данный металл восстанавливают более активным металлом.
Этим методом получают редкие и дорогие металлы: серебро, золото, молибден.
Электрометаллургия – получение металлов электролизом расплавов или растворов их соединений.
При электролизе восстановителем является катод (отрицательный электрод).
Этим методом получают активные металлы: щелочные, щёлочно-земельные и некоторые другие.
Физические свойства металлов
Все металлы обладают общими физическими и химическими свойствами.
Физические свойства вещества определяются типом его кристаллической решётки.
Атомы металлов, в отличие от атомов неметаллов, содержат небольшое число электронов на внешнем уровне (1-3) и обладают большими радиусами.
Поэтому они легко отдают свои внешние электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.
Поэтому металлы имеют особую кристаллическую решётку – металлическую.
В узлах такой решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, окружённые относительно свободными электронами, движущимися по всему объёму кристалла.
Электроны равномерно распределяются между ионами и соединяют их, в результате чего кристаллическая решётка металлов является устойчивой.
Так образуется металлическая связь.
Именно специфические свойства металлической связи определяют металлический блеск и непрозрачность.
Эти же электроны обеспечивают электропроводность металлов.
При понижении температуры колебание ионов в узлах решётки ослабляется и электропроводность металлов растёт.
Около абсолютного нуля у многих металлов наблюдается сверхпроводимость – весьма интересное свойство, при котором металл полностью теряет внутреннее сопротивление.
Это важное свойство широко применяется в электронике!
Кроме того, что металл приобретает бесконечную проводимость, в нем не затухают токи наведения, например, при воздействии магнитного поля.
Этим объясняется эффект левитации: металл, охлажденный до очень низкой температуры, способен парить над постоянным магнитом.
Электропроводность металлов неодинакова, максимальной электропроводностью обладают серебро и медь.
Именно поэтому медь используется в качестве материала для электрических проводов.
Серебро более электропроводно, но оно для этой цели слишком дорогое.
Наименьшей электропроводностью среди металлов обладает ртуть.
Важные свойства металлов – ковкость и пластичность.
По определению М. В. Ломоносова, «металлом называется светлое тело, которое ковать можно».
Механическое воздействие на твёрдое тело приводит к смещению слоёв частиц (атомы, ионы) в его кристалле друг относительно друга.
Наиболее пластичны золото, серебро и медь.
Из всех металлов наименее пластично железо.
Из 1 г золота можно получить проволоку длиной 3 км или изготовить золотую фольгу толщиной 0,0001 мм.
Из других физических свойств металлов наибольшее практическое значение имеют твёрдость, плотность, температура плавления.
Все металлы при обычных условиях – твёрдые вещества.
Есть, правда, два исключения: ртуть и галлий.
Ртуть плавится при температуре –40°С, галлий – при +29 °С.
Таким образом, при обычной температуре галлий твердый, но стоит взять его в руку, и он сразу же начнет плавиться.
Это (и другие) свойство галлия предсказал ещё Д. И. Менделеев после открытия периодического закона.
На тот момент галлий еще не был открыт, и великий ученый оставил в таблице пустую ячейку, назвав неизвестный элемент экаалюминий («под алюминием»).
Памятник Д. И. Менделееву у здания химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета:
А ртуть используют в медицинских термометрах из-за того, что у металлов очень большой коэффициент температурного расширения - изменение температуры на 0,1 градуса хорошо видно на ртутной шкале.
Спиртовой термометр не обладает такой точностью.
По твёрдости металлы сильно отличаются друг от друга.
Самыми мягкими являются щелочные металлы – их можно резать ножом, а самым твёрдым – хром, он сам способен резать стекло.
В технике металлы подразделяют на чёрные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные металлы).
Применение металлов
Странно представить себе в наше время, что люди когда-то могли обходиться без металлов.
Представьте, что металлы вдруг исчезли из употребления.
Перед вами откроется пустынный и страшный мир: опустеют улицы городов и сёл, не будет поездов, а в небе не будет самолетов.
Возрастут трудности общения между людьми в мире без телевидения, радио, телефона и интернета, не будет электрического света и даже керосиновой лампы.
Тот самый каменный век, который царил на Земле до того, как человек впервые взял в руки железо.
Мир без металлов ужасен, а без их соединений невозможен вообще.
Без металлов и сплавов была бы невозможна жизнь в том виде, в котором она сейчас известна человечеству.
Высотные дома, самолеты, посуда, зеркала, электроприборы, автомобили и многое другое существует лишь благодаря далекому переходу людей от камня к меди, бронзе и железу.
Из-за своей исключительной электро- и теплопроводности металлы используются в проводах и кабелях самого различного назначения.
Золото применяется для изготовления неокисляемых контактов.
Когда вы видите электрический контакт золотистого цвета, это на самом деле настоящее золото, только его там настолько мало, что каким-то образом его выделить будет совершенно нецелесообразно.
Благодаря своей прочности и твердости металлы широко используются в строительстве и для получения самых разных конструкций.
Еще одна область применения - инструментальная.
Для изготовления режущей части часто используются твердые сплавы и специальные виды стали, они так и называются инструментальными.
Благородные металлы высоко ценятся как материал для ювелирных изделий. Для их изготовления золото сплавляют с серебром и медью.
А всё дело в том, что золото в чистом виде настолько мягкое, что его легко можно поцарапать ногтем, а тонкие кусочки сминать и гнуть голыми руками.
Использование этих элементов настолько широко и имеет такую длинную историю, что неудивительно возникновение различных курьезных ситуаций.
Например, много лет после открытия алюминия этот металл ценился дороже серебра.
Столовые приборы, которыми при приеме гостей пользовался Наполеон III, были изготовлены из алюминия и были предметом гордости монарха.
Так произошло из-за того, что для выделения алюминия требовалось затратить очень много энергии, ведь алюминий химически очень активный металл, и восстановление его из оксида алюминия требует больших энергозатрат, несмотря на то, что алюминий буквально валяется у нас под ногами: оксид алюминия Al2O3 - основной компонент самой обыкновенной глины.
При обжиге глины в печи оксид алюминия связывается с оксидами калия, натрия, кремния и образуются алюмосиликаты – твёрдые прочные вещества.
Интересно, что название «платина» в переводе с испанского означает «серебришко». Такое пренебрежительное имя элемент получил в связи с относительно высокой температурой плавления и, следовательно, невозможностью на протяжении долгого времени его применять.
Ведь серебро плавится при 962 °С, а платина – при 1768 °С
Существуют сплавы с любопытным свойством термоупругости, то есть эффектом «памяти формы».
При деформации и последующем нагревании они возвращаются к изначальному состоянию.
Один из таких сплавов – нитинол – сплав никеля и титана.
Изделия из такого материала удобно использовать там, где есть необходимость возврата в первоначальную форму.
Ученые и по сей день не прекращают поиски сплавов с уникальными свойствами.
В бесплатной версии урока недоступны:
- Видео
- Изображения
- Дополнительная информация
- Таблицы
- Тесты