Реферат: Металлы. Свойства металлов

Реферат по теме: «.»

Ученика 9-г класса

средней школы №9

Агеева Максима.

Учитель:

Белокопытов Ю.С.

Июнь 1999

г.Чехов.

Содержание.

 

1. Строениеатомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группыметаллов..................2

 

2. Физическиесвойства металлов....................................3

 

3. Химическиесвойства металлов....................................4

 

4. Коррозияметаллов.........................................................6

 

5. Понятиео сплавах..........................................................8

 

6. Способыполучения металлов........................................9

 

7. Списокиспользованной литературы...........................11

 

I.Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группыметаллов.

 

            В настоящее времяизвестно 105 химических элементов, большинство из них — металлы. Последниевесьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений внедрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений идаже в атмосфере.

            По своимсвойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые это различие металлови неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, — писал он, — тела твердые,ковкие блестящие».

            Причисляя тот илииной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенногокомплекса свойств:

1.   Плотная кристаллическая структура.

2.   Характерный металлический блеск.

3.   Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.

4.   Уменьшение электрической проводимости с ростомтемпературы.

5.   Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способностьлегко отдавать электроны. 

6.   Ковкость и тягучесть.

7.   Способность к образованию сплавов.

Всеметаллы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить надве основные группы. К первой из них относят черные металлы — железо и все егосплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуныи стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К нимотносятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт,титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различныхметаллов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие водних случаях повышенной прочностью, в других — высокой сопротивляемостью кистиранию, в третьих — коррозионной устойчивостью, т.е. способностью неразрушаться под действием внешней среды.

Ковторой группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое названиепотому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель,олово, серебро — белые, свинец — голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов впрактике нашли большое применение: бронза — сплав меди с оловом и другимиметаллами, латунь — сплав меди с цинком, баббит — сплав олова с сурьмой и медьюи др.

Этоделение на черные и цветные металлы условно.

Нарядус черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов:серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому,что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и неразрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.

II. Физические свойства металлов.  

Свнешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым«металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильноотражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в томслучае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний иалюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, нобольшинство металлов  в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серыйцвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью,причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том жепорядке: лучшие проводники — серебро и медь, худшие — свинец и ртуть. Сповышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры,наоборот, увеличивается.

Оченьважным свойством металлов является их сравнительно легкая механическаядеформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются впроволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерныефизические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутреннейструктуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительнозаряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующихатомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки,узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятсялегкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов кдругим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроныне связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разностипотенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е.возникает электрический ток.

Наличиемсвободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов.Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами иобмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в даннойчасти металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, отних — следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; всямасса металла принимает одинаковую температуру.

Поплотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы,плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы — всеостальные. Плотность, а также температуры плавления некоторых металловприведены 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

Частицыметаллов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типомхимической связи — так называемой металлической связью. Она определяетсяодновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами икулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом,металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

III. Химические свойства металлов.

 

            Основнымхимическим свойством металлов является способность их атомов легко отдаватьсвои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичныеметаллы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряженыположительно.

            Легко отдавая прихимических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являютсяэнергичными восстановителями.

            Способность к отдачеэлектронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чемлегче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает вовзаимодействие с другими веществами.

            Опустим кусочекцинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а израствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением:

Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2

            Из уравнения следует, что эта реакция являетсятипичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, чтоатомы цинка отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, темсамым превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются ввиде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить кусочексвинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет. Этопоказывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, аионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.

            Вытеснение однихметаллов из их соединений другими металлами впервые было подробно изученорусским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их убывающей химическойактивности в так называемый «вытеснительный ряд». В настоящее времявытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений.

            В таблице №2представлены значения стандартных электродных потенциалов некоторых металлов.Символом Me+/Meобозначен металл Me, погруженный в раствор его соли. Стандартныепотенциалы электродов, выступающих как восстановители по отношению к водороду,имеют знак «-», а знаком «+» отмечены стандартные потенциалы электродов,являющихся окислителями.       

Таблица №2

Стандартные электродные 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,расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений металлов: 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 характеризует химические свойстваметаллов:

1.   Чем меньше электродный потенциал металла, тем большеего восстановительная способность.

2.   Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) израстворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.

3.   Все металлы, имеющие отрицательный стандартныйэлектродный потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода,способны вытеснять его из растворов кислот.

            Необходимоотметить, что представленный ряд характеризует поведение металлов и их солейтолько в водных растворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно иметьввиду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает еговысокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием,тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятсяправее лития. Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратацииионов лития по сравнению с ионами других щелочных металлов.

IV. Коррозия металлов.

 

            Почти всеметаллы, приходя в соприкосновение с окружающей их газообразной или жидкойсредой, более или менее быстро подвергаются с поверхности разрушению. Причинойего является химическое взаимодействие металлов с находящимися в воздухегазами, а также водой и растворенными в ней веществами.

            Всякий процессхимического разрушения металлов под действием окружающей среды называюткоррозией.

            Проще всегопротекает коррозия при соприкосновении металлов с газами. На поверхностиметалла образуются соответствующие соединения: оксиды, сернистые соединения,основные соли угольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность плотнымслоем, защищающим металл от дальнейшего воздействия тех же газов.

            Иначе обстоитдело при соприкосновении металла с жидкой средой — водой и растворенными в нейвеществами. Образующиеся при этом соединения могут растворяться, благодаря чемукоррозия распространяется 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 вбольшинстве случаев почти не подвергаются коррозии. Даже такой металл, какжелезо, в совершенно чистом виде почти не ржавеет. Но обыкновенные техническиеметаллы всегда содержат различные примеси, что создает благоприятные условиядля коррозии.

            Убытки,причиняемые коррозией металлов, огромны. Вычислено, например, что вследствиекоррозии ежегодно гибнет такое количество стали, которое равно приблизительночетверти всей мировой добычи его за год. Поэтому изучению процессов коррозии иотысканию наилучших средств ее предотвращения уделяется очень много внимания.

            Способы борьбы скоррозией чрезвычайно разнообразны. Наиболее простой из них заключается взащите поверхности металла от непосредственного соприкосновения с окружающейсредой путем покрытия масляной краской, лаком, эмалью или, наконец, тонкимслоем другого металла. Особый интерес с теоретической точки зрения представляетпокрытие одного металла другим.

            К ним относятся:катодное покрытие, когда защищающий металл стоит в ряду напряжений правеезащищающего (типичным примером может служить луженая, то есть покрытая оловом,сталь); анодное покрытие, например, покрытие стали цинком.

            Для защиты откоррозии целесообразно покрывать поверхность металла слоем более активногометалла, чем слоем менее активного. Однако другие соображения нередкозаставляют применять также покрытия из менее активных металлов.

            На практике чащевсего приходится принимать меры к защите стали как металла, особенноподверженного коррозии. Кроме цинка, из более активных металлов для этой целииногда применяют кадмий, действующий подобно цинку. Из менее активных металловдля покрытия стали чаще всего используют олово, медь, никель.

Покрытыеникелем стальные изделия имеют красивый вид, чем объясняется широкоераспространение никелирования. При повреждении слоя никеля коррозия проходитменее интенсивно, чем при повреждении слоя меди (или олова), так как разностьпотенциалов для пары никель-железо гораздо меньше, чем для пары медь-железо.

            Из другихспособов борьбы с коррозией существует еще способ протекторов, заключающийся втом, что защищаемый металлический объект приводится в контакт с большойповерхностью более активного металла. Так, в паровые котлы вводят листы цинка,находящиеся в контакте со стенками котла и образующие с ними гальваническуюпару.

V. Понятие о сплавах.

 

             Характернойособенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или снеметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергаютплавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяетсяприродой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости оттемпературы. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, неприбегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы — это продуктыхимического взаимодействия металлов.

Кристаллическаяструктура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуядруг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а)химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в)механическую смесь кристаллов компонентов.

Тотили иной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействияразнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергийвзаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.

            Современнаятехника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинствеслучаев они состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов.Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойствиндивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50%висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5 градусахЦельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температурыплавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90%меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейногорасширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов.

            Однако некоторыепримеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун(сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которыехарактерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы ифосфора, увеличивающие ее хрупкость.

            Среди свойствсплавов наиболее важными для практического применения являются жаропрочность,коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значениеимеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, дляметаллообрабатывающей промышленности — специальные сплавы, содержащие вольфрам,кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентомкоторых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продуктывзаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, асверхпроводящие при низких температурах сплавы — на основе интерметаллидов,образуемых ниобием с оловом и др.

VI.Способы получения металлов.   

            Огромноебольшинство металлов находится в природе в виде соединений с другимиэлементами.

            Только немногиеметаллы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными.Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро имедь — отчасти в самородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть,олово и некоторые другие металлы.

            Добывание золотаи платины производится или посредством механического отделения их от тойпороды, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлеченияих из породы различными реагентами с последующим выделением металла израствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природныхсоединений.

            Минералы и горныепороды, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металловзаводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфидыи карбонаты металлов.

            Важнейший способполучения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем.

            Если, например,смешать красную медную руду (куприт) Cu2O суглем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь,превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:

Cu2O + C = 2Cu + CO

            Подобным же образом производится выплавка чугуна ихжелезных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов.

            При переработкесернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путемобжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем.Например:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

ZnO + C = Zn + CO

            В тех случаях, когда руда представляет собой сольугольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды,так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокисьуглерода. Например:

ZnCO3 = ZnO + CO2

            Обычно руды, кроме химического соединения данногометалла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которыеочень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешиваютразличные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения — шлаки.Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то вкачестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция.Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк.

            Во многих рудахколичество примесей (пустой породы) так велико, что непосредственная выплавкаметаллов из этих руд является экономически невыгодной. Такие рудыпредварительно «обогащают», то есть удаляют из них часть примесей. Особенношироким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд(флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.

            Техникафлотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду,состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонкоизмельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудьмалополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пеныпри взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, такназываемого «коллектора», который хорошо адсорбируется поверхностьюфлотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этогочерез смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водойи прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкимимасляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицыфлотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора,прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху иостаются в пене; частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно.Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержаниемметалла.

            Длявосстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород,кремний, алюминий, магний и другие элементы.

            Процессвосстановления металла из его оксида с помощью другого металла называетсяметаллотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяетсяалюминий, то процесс носит название алюминотермии.

            Очень важнымспособом получения металлов является также электролиз. Некоторые наиболееактивные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другиесредства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.     

Список использованнойлитературы.

 

1. «Основыобщей химии». Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин. Москва «Просвещение» 1980 г.

2. «Общаяхимия». Н.Л.Глинка. Издательство «Химия», Ленинградское отделение 1972 г.

3. «Отчегои как разрушаются металлы». С.А.Балезин. Москва «Просвещение» 1976 г.

4. «Пособиепо химии для поступающих в вузы». Г.П.Хомченко. 1976 г.

5. «Книгадля чтения по неорганической химии».

   Часть 2. Составитель В.А.Крицман. Москва«Просвещение» 1984 г.

6. «Химияи научно-технический прогресс». И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня. Москва«Просвещение» 1988г.