Какие типичны свойства для металов
Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:
- 6 элементов в группе щелочных металлов,
- 6 в группе щёлочноземельных металлов,
- 38 в группе переходных металлов,
- 11 в группе лёгких металлов,
- 7 в группе полуметаллов,
- 14 в группе лантаноиды + лантан,
- 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
- вне определённых групп бериллий и магний.
Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.
В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия
Характерные свойства металлов
- Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
- Хорошая электропроводность
- Возможность лёгкой механической обработки
- Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
- Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
- Большая теплопроводность
- В реакциях чаще всего являются восстановителями.
Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
Химические свойства металлов
На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)
Реакции с простыми веществами
- С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:
оксид лития
пероксид натрия
надпероксид калия
Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:
- С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:
При нагревании:
- С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:
Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:
- С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:
- С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.
Взаимодействие кислот с металлами
Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода
Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:
Взаимодействие серной кислоты H2SO4 с металлами
Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:
Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:
При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:
Реакции для азотной кислоты (HNO3)
При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:
Среди металлов традиционно выделяют несколько групп. Входящие в их состав представители характеризуются отличной от других металлов химической активностью. Такими группами являются:
- благородные металлы (серебро, золото, платина);
- щелочные металлы (металлы, образованные элементами (I)А группы периодической системы);
- щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий, радий).
Простые вещества, обладающие металлическими свойствами, в химических реакциях всегда являются восстановителями. Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются свойства восстановителя).
Ряд активности металлов
| (Li, K, Ba, Ca, Na, ) | (Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb) | H2 | (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) |
активные металлы | металлы средней активности | неактивные металлы |
1. Чем левее стоит металл в этом ряду, тем более сильным восстановителем он является.
2. Каждый металл способен вытеснять из растворов солей те металлы, которые в ряду активности стоят после него (правее).
3. Металлы, находящиеся в ряду активности левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.
4. Щелочные и щелочноземельные металлы в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.
Общие химические свойства металлов
Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами
1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды.
Металл + кислород → оксид.
Например, при взаимодействии магния с кислородом образуется оксид магния:
2Mg0+O02→2Mg+2O−2.
Видеофрагмент:
Обрати внимание!
Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют.
2. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и иодом), образуя галогениды.
Металл + галоген → галогенид металла.
Например, при взаимодействии натрия с хлором образуется хлорид натрия:
2Na0+Cl02→2Na+1Cl−1.
3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.
Металл + сера → сульфид металла.
Например, при взаимодействии цинка с серой образуется сульфид цинка:
Zn0+S0→Zn+2S−2.
Видеофрагмент:
Взаимодействие цинка с серой
4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.
Например, при взаимодействии лития с азотом образуется нитрид лития:
6Li0+N02→2Li+13N−3.
При взаимодействии кальция с фосфором образуется фосфид кальция:
3Ca0+2P0→Ca+23P−32.
Взаимодействие со сложными веществами
1. Щелочные и щелочноземельные металлы взаимодействуют с водой при обычных условиях, образуя растворимое в воде основание (щёлочь) и водород.
Активный металл + вода → щёлочь + водород.
Например, при взаимодействии натрия с водой образуются гидроксид натрия и водород:
2Na0+2H+12O−2→2Na+1O−2H+1+H02.
Видеофрагмент:
Взаимодействие натрия с водой
Обрати внимание!
Некоторые металлы средней активности реагируют с водой при повышенной температуре, образуя оксид металла и водород.
Например, раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe_3O_4 и водород:
3Fe0+4H+12O−2→Fe+2O−2⋅Fe+32O−23+4H02.
2. Mеталлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот, образуя соль и водород.
Металл + кислота → соль + водород.
Например, при взаимодействии алюминия с серной кислотой образуются сульфат алюминия и водород:
2Al0+3H+12S+6O−24→Al+32(S+6O−24)3+3H02.
Видеофрагмент:
Реакция алюминия с серной кислотой
3. Металлы реагируют с солями менее активных металлов в растворе, образуя соль более активного металла и менее активный металл в свободном виде.
Более активный металл + соль → соль более активного металла + менее активный металл.
Например, при взаимодействии железа с сульфатом меди((II)) образуются сульфат железа((II)) и медь:
Fe0+Cu+2S+6O−24→Fe+2S+6O−24+Cu0.
Видеофрагмент:
Взаимодействие железа с сульфатом меди
Химия
Металлические свойства проявляют элементы, расположенные в главных подгруппах I-IVгрупп Периодической системы. Так же металлами являются все элементы, расположенные в побочных подгруппах I-VIII групп, их называют переходными металлами.
Абсолютно все металлы (кроме ртути, которая при обычных условиях жидкая) – твёрдые вещества. Физические, как и химические свойства, отличаются от свойств неметаллов благодаря отличному от последних типу связи (металлическая связь). Электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне слабо связаны с конкретным атомом, которых очень много, допустим, в той же алюминиевой проволоке. Благодаря этим электронам внутри каждого металла существует электронный газ. Поэтому все металлы хорошо проводят электрический ток, в отличие от неметаллов, особенно Cu, Ag, Au, Hg, Mg и Al. Так же металлы хорошо проводят тепло. Встречаются низкоплавкие металлы, как цезийCs, который плавится от тепла руки, и , наоборот , весьма тугоплавкие, как вольфрам W, его температура плавления превышает 3400 °C. Многие металлы обладают хорошей пластичностью (ковкостью), поэтому могут быть раскатаны в листы (фольгу) и вытянуты в проволоку, но существуют хрупкие металлы (цинк, висмут, сурьма).
Типичными металлами являются элементы I группы от Liдо Fr, элементы II группы от Mg до Ra. Для них характерны степени окисления +Iи +II соответственно.
Небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает их лёгкую потерю, значит, и проявление сильных восстановительных свойств, низкую электроотрицательность. Отсюда можно судить о химических свойствах металлов.
Металлы стремятся образовывать ионную химическую связь с атомами неметаллов. Пример типичных соединений металлов с неметаллами – катион металла-анион неметалла. Например, Катионы металлов входят также в состав соединений со сложными анионами, напримерKOH, Li2CO3.
Свойства металлов I-III групп А-подгрупп на примере Na, Ca, Al:
I группа А-подгруппа (на примере Na):
Металл серебристо-белого цвета, легкий, мягкий (режется ножом). Хранят в керосине, чтоб избежать его реакцию с воздухом и влагой:
4Na+O2+2H2O→ 4NaOH
Обладает большой химической активностью, является сильным восстановителем, реагирует с неметаллами:
2Na+O2→Na2 O2(все металлы I группы А-подгруппы реагируют с кислородом, окисляясь до пероксидов, толькоLi, как самый “слабый” металл, окисляется только до оксида); НО при избытке Nа начнётся ещё одна реакция:
Na2 O2+2Na→2Na2O
2Na +Cl2→2NaCl
6Na + N2→2Na3N
2Na + H2→2NaH
2Na + S→Na2S
2Na + 2C→Na2 C2
Реагирует с водой очень бурно с большим выделением теплоты
2Na+2H2O→2NaOH+H2↑+Q
В ряду напряжений металлов стоит левее H, значит вытесняет H из разбавленных кислот HCl, H2SO4и др.
2N+2HCl→2NaCl+H2↑
2Na+H2SO4→Na2 SO4+H2↑
II группа А-подгруппа (на примере Ca):
Серебристо-белый металл, мягкий, пластичный, реакционно-способный, воспламеняется на воздухе при нагревании:
2Ca+O2→2CaO
3Ca+N2→Ca3 N2
Ca+H2→CaH2
Ca+Cl2→CaCl2
Ca+S→CaS
Ca+C(графит)→CaC2
Способен восстанавливать менее активные металлы из их оксидов:
5Ca+V2
O5→5CaO+2V
Реагирует с водой с большим выделением тепла:
Ca+2H2 O→Ca(OH)2+H2↑+Q
В ряду напряжений металлов стоит левее H, значит вытесняет H из разбавленных кислот HCl, H2SO4 и др.
Ca+2HCl→CaCl2+H2↑
Ca+H2SO4→CaSO4↓+H2↑
III группа А-подгруппа (на примере Al):
Серебристо-белый, блестящий металл, лёгкий, пластичный металл. На воздухе покрывается защитной оксидной плёнкой Al2O3(в случае, когда Al порошкообразный, он сгорает на воздухе), которая препятствует его реакции с водой. Al пассивируется в концентрированной HNO3 с образованием той же оксидной плёнки.
Очищенный от оксидной плёнки алюминий энергично реагирует с водой с большим выделением тепла:
2Al+6H2O→2Al(OH)3↓+3H2+Q
Алюминий – типичный восстановитель, реагирует с галогенами при комнатной температуре (кроме F2), с F,S,N,P и C–при нагревании:
4Al(порошок)+3O2→2Al2O3
2Al(порошок)+3X2→2AlX3 (X=Cl, Br, I)
2Al+3F2
→ 2AlF3
2Al+3S→Al2S3
2Al(порошок)+N2 → 2AlN
Al+P→AlP
4Al+3C(графит)→Al3C4
Восстанавливает более слабые металлы из их оксидов:
2Al+Cr2O3 →Al2O3+2Cr
10Al+3V2O5 → 5Al2O3+6V
8Al+3Fe3O4 →4Al2O3+9Fe
В ряду напряжений металлов стоит левее H, значит вытесняет H из разбавленных кислот HCl, H2
SO4и др.
2Al+6HCl→2AlCl3+3H2↑
2Al+3H2SO4→Al2 (SO4)3+3H2↑
Металл является амфотерным, то есть, его основание может вступать в реакции срастворами щелочей и вести себя как кислота:
Амфотерность – проявление у элемента двойственности свойств. То есть, речь идёт о проявлении основных или кислотных свойств в зависимости от условий (чаще всего, от среды ). Такое “поведение” обусловлено характером химической связи. В твёрдом виде соединения нетипичного металла с неметаллов содержат преимущественно ковалентные связи (гораздо менее прочные, чем в соединениях типичных металлов. В растворе же все ковалентные связи разрушаются, и соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично, это зависит от активности металла в соединении). Например, AlCl3 в растворе полностью диссоциирует на ионы, когда HgCl2 – в очень малой степени (на ионы HgCl+ и Cl-)
Если мысленно начертить диагональ в Периодической таблице от Beк Po, то мы отделим типичные металлы и неметаллы от амфотерных элементов, примыкающие к ним металлы (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) так же будут проявлять амфотерность. В их атомах на внешнем энергетическом уровне расположено больше электронов, чем у типичных металлов Iи II группы А-подгруппы, поэтому у них выше способность удерживать свои электроны, не говоря о разнообразии степеней окисления. От Be к Po постепенно понижаются восстановительные свойства и увеличиваются окислительные, особенно в высоких степенях окисления. Наиболее часто встречающиеся амфотерные элементы выделены на картинке:
2Al+2NaOH+6H2O→2Na[Al(OH)4
]+3H2↑
Объясню, почему в реакции выше в реакцию вступает алюминий, а не его основание. Как было описано выше, алюминий пассивируется в воде, НО при нагревании его оксидная плёнка перестаёт защищать от воздействия воды и проходит реакция с водой, от которой в продуктах реакции получаем H2 (реакция была описана выше).
А дальнейшем происходит реакция между амфотерным основанием и щелочью:
Al(OH)3+NaOH(р-р)→Na[Al(OH)4]
Если же реакция пойдёт в расплаве щёлочи, то продукты реакции будут совсем другие:
Al(OH)3+NaOH(расплав)→NaAlO2+2H2O
Реагирует с разбавленной HNO3:
Al+4HNO3 (разб)→Al(NO3 )3+NO↑+2H2O
О разнообразии степеней окисления:
Не все элементы, как Alи Zn, имеют одну степень окисления. Например, у Cr и Mn их большое разнообразие. Важно знать о особенностях степеней окисления, от этого зависят химические свойства соединения.
В низших степенях окисления соединения амфотерных элементов проявляют только основныйхарактер, например Cr+2
O, Mn+2O, Fe+2O.
В высших степенях окисления соединения амфотерных элементов проявляют только кислотный характер, например: Cr+6O3, Mn+6O3, Fe2+3O3
Во всех степенях окисления, которые располагаются между высшей и низшей степенями, амфотерный элемент будет проявлять либо основные, либо кислотные свойства, это зависит напрямую от условий реакции.
Металлы побочных групп:
Обладают всеми химическими свойствами типичных металлов, приведённых выше. Их отличие от типичных металлов – наличие большего числа электронов, что даёт несколько степеней окисления, всё зависит от вещества-окислителя. Например, можем окислить железо двумя способами:
Fe+2HCl→FeCl2+H2↑
2Fe+3Cl2→2FeCl3
Тем не менее, амфотерность многих элементов побочных подгрупп проявится только при добавлении концентрированных растворах щелочи и нагревании.
Все металлы являются восстановителями, но реакционная способность многих снижена из-за образования поверхностной оксидной плёнки, она очень прочная и устойчивая к воздействию кислот, щелочей, воды.
Например, свинец всегда покрыт оксидной плёнкой, и для его растворения потребуется не только воздействие реактива, но и нагревание. Оксидная плёнка алюминия препятствует реакции с водой, но разрушается воздействием кислот и щелочей. Ржавчина на железных изделиях тоже является оксидной плёнкой, но она настолько рыхлая, что не мешает дальнейшему окислению железа.
Под действием концентрированных кислот на некоторых металла так же образуется оксидная плёнка и она полностью препятствует реакции. Этот процесс называется пассивацией. В концентрированной серной кислоте пассивируются: Be, Bi, Co, Fe, Mg, Nb, а в концентрированной азотной кислоте: Al, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th, U
Большинство металлов растворяются в соляной и серной разбавленных кислотах, но Cu, Ag и Hg – только серной концентрированной и азотной концентрированной кислотами, а Pt и Au – “царской водкой”.
Cu+2H2SO4→CuSO4+SO2↑+2H2O
2Ag+2H2SO4→Ag2SO4↓+SO2↑+2H2O
Hg+2H2SO4→HgSO4↓+SO2↑+2H2O
3Pt+18HCl+4HNO3→3H2 [PtCl6 ]+4NO↑+8H2O
Au+4HCl+HNO3→H[AuCl4 ]+NO↑+2H2O
Все металлы в земной коре распространены по-разному: от самых распространенных (Al, Na, Ca) до самых редких (Bi, In, Ag, Au, Pt). Многие находятся в виде соединений (металлические руды), но существуют самородные металлы (Ag, Au, Pt).
Автор статьи: Симкин Егор Андреевич
Редактор: Харламова Галина Николаевна
Вернутся к темам