Химические свойства металлов.

Лекция 18. Общие свойства металлов

Ключевые слова: Металлическая связь, электронный газ, ряд активности металлов, активные металлы, металлы средней активности, благородные металлы, тугоплавкие металлы, «амфотерные» металлы.

 

Из 110 известных к настоящему времени элементов только 22 относятся к неметаллам, большинство же элементов – металлы. К металлам относят все s-, d-, f-элементы, а также p-элементы, условно располагающиеся в нижней части периодической системы от диагонали, проведенной от бора к астату.

Металлы – это элементы, между атомами которых осуществляется металлическая связь. Это сильно нелокализованная связь, когда свободные электроны (электронный газ) связывают положительные ионы металла, находящиеся в узлах кристаллической решетки. Для осуществления металлической связи необходимо, чтобы атомы имели свободные орбитали на валентном уровне. Металлическая связь ненасыщенна и ненаправлена: она объединяет очень большое число атомов и при дальнейшем их увеличении делокализация электронов усиливается. Перекрывание s-орбиталей зависит только от расстояния между ними и не зависит от направлений по которым они сближаются.

Металлам присущи характерные признаки, проявляющиеся, как правило, одновременно:

1. Твердость – сопротивление к царапанью, вдавливанию

2. Пластичность – способность необратимо деформироваться под действием механических нагрузок.

3. Блеск – способность компактного куска металла отражать свет.

4. Большая электро- и теплопроводность. Все эти физические свойства можно объяснить наличием электронного газа в компактном куске металла.

5. Тугоплавкость – если Т_пл>1359 ⁰C – тугоплавкие (Ti, Zr, V, Cr, Mo, W) – это связано с прочностью кристаллических решеток этих металлов.

Главным признаком металлов, как химических веществ, является их способность терять электроны при взаимодействии с другими атомами, проявляя восстановительные свойства. В соответствии с восстановительной способностью получен ряд химической активности металлов: от Li до Al – активные, от Al до H⁺ – средней активности. Металлы, расположенные в ряду активности справа от водорода, называют малоактивными или благородными.

1. Металлы реагируют с простыми веществами - неметаллами: со фтором – почти все металлы, продукты реакции называют фториды; хлором – почти все, продукты реакции называют хлориды; кислородом – многие металлы, продукты реакции называют оксиды; серой – многие при нагревании, продукты называют сульфидами; водородом, азотом – щелочные и щелочно - земельныне металлы, продукты реакции гидриды и нитриды, соответственно.

2. С водой взаимодействуют, вытесняя водород из воды, только те металлы, значение электродных потенциалов которых значительно меньше чем у воды (–0,41 В).

2Li + 2H₂O ® 2LiOH + H₂

Металлы, расположенные между магнием и свинцом пассивируют протекание реакции, с образованием защитной оксидной пленки.

3. Металлы, стоящие в ряду электродных потенциалов левее водорода, взаимодействуют с хлороводородной кислотой. Окислителем в хлороводородной кислоте является ион водорода H⁺:

Fe + 2HCl ® FeCl₂ + H₂

4. Металлы взаимодействуют с серной кислотой. В разбавленной, также как в хлороводородной кислоте, окислителем является ион водорода:

Ме + Н₂SO_{4 (разб.)} ® MeSO₄ + H₂

В концентрированной серной кислоте в роли окислителя выступает атом серы . В этом случае становится возможным окисление некоторых благородных металлов.

3Cu + 4H₂SO₄ ® 3CuSO₄ + S¯ + 4H₂O

4. Более сильным окислителем, чем серная кислота является азотная. В разбавленной азотной кислоте окислителем выступает атом азота . Продуктами восстановления азота могут являться NH₄NO₃, N₂, N₂O, NO. Концентрированная азотная кислота обычно восстанавливается до NO.

5. Действие растворов щелочей возможно только на «амфотерные» металлы Be, Al, Zn, Sn, Pb. Причем реакция протекает в две стадии: реакция металла с водой с образованием гидроксида и водорода, реакция гидроксида металла со щелочью.