Химические и физические свойства металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Физические свойства металлов

2. Химические свойства металлов

2.1 Отношение металлов к окислителям - простым веществам

Список литературы

Введение

К металлам относят простые вещества, образованные атомами элементов, имеющих небольшое число (от 1 до 4) электронов на внешнем энергетическом уровне. Атомы металлов обладают тенденцией к отдаче электронов, поэтому для них характерна высокая восстановительная активность, определяющаяся низкими значениями энергии ионизации (E_и) валентных электронов атомов. Известно, что в пределах одного периода величина E_и возрастает с увеличением порядкового номера элемента, а в главных подгруппах - уменьшается. Такая тенденция изменения восстановительной активности атомов и объясняет тот факт, что элементы-металлы находятся в Периодической системе (длиннопериодный вариант) левее диагонали "бор - астат".

К металлам относят s-элементы (за исключением Водорода и Гелия), d- и f-элементы, а также p-элементы, расположенные левее и ниже указанной. При этом следует помнить, что деление элементов на металлы и неметаллы является условным (об этом свидетельствует наличие так называемых амфотерных элементов, которые группируются у отмеченной выше диагонали). Для них характерна малая электроотрицательность (ЭО) (в рамках шкалы ЭО по Полингу считают, что для атомов металлов величина ЭО меньше 2). Этим обусловлена способность атомов металлов образовывать центры только положительных зарядов в молекулах, элементарных и сложных ионах.

1. Физические свойства металлов

В простых веществах, образованных атомами элементов-металлов, доминирующим типом химической связи является металлическая. Металл рассматривают как плотно упакованную структуру из катионов, погруженных в “электронный газ” (газ Ферми) (более подробно см. главу “Химическая связь”). Наличие в металлах свободных электронов (электронного газа) определяет общие для всех металлов физические свойства: высокую электро- и теплопроводность, металлический блеск (как правило в компактном состоянии), преимущественно серый цвет (исключения - медь, золото); легкую механическую деформируемость (пластичность) и ковкость; способность испускать электроны под действием высокочастотного облучения (фотоэффект) или высоких температур (термоэлектронная эмиссия); компактность кристаллических структур.

Наряду с общими свойствами каждый металл имеет и свои индивидуальные особенности. К ним относят: строение кристаллических решеток; для металлов характерны, в основном, три вида решеток: кубическая объемно-центрированная (координационное число 8, плотность упаковки или часть пространства в данном кубе, занятая шарообразными ионами, составляет 68%); кубическая гранецентрированная (координационное число 12 и плотность упаковки 74%) и гексагональная (координационное число 12 и плотность упаковки также 74%).

Особенности кристаллических решеток металлического типа обусловливают характерные физические свойства металлов. Так, железо имеет четыре полиморфные модификации (рис.1).

Рис. 1. Полиморфные превращения железа.

До 770 °C устойчиво a-железо с объемно-центрированной кубической решеткой и ферромагнитными свойствами. При 770°C a -железо переходит в b - железо; кристаллическая структура его существенно не изменяется, железо становится парамагнитным. При 910°C происходит полиморфное превращение, при котором кристалл из объемно-центрированной переходит в гранецентрированную кубическую структуру g - железо: металл остается парамагнитным. При 1400°C происходит новый полиморфный переход: образуется d - железо с объемно-центрированной кубической решеткой, которая существует вплоть до температуры плавления железа (1539°C).

Плотность металлов (r). Она определяется типом кристаллической решетки металла и радиусом его атома. Чем больше радиус атома металла, тем меньше его плотность. Наименьшие объемы (следовательно, наибольшую плотность) имеют атомы, расположенные в середине периодов: - кобальт, никель, медь (4 период); рутений, родий, палладий (5 период); осмий, иридий, платина (6 период). Условно металлы подразделяют на легкие - r < 5000 кг/м3 (5 г/см3) и тяжелые r > 5000 кг/м3 (5 г/см3). К легким металлам относят щелочные, щелочноземельные металлы, бериллий, магний, алюминий, скандий, иттрий и титан; к тяжелым - все остальные.

Температура плавления. Из всех известных металлов при стандартных условиях в жидком состоянии находится только ртуть (t = -39,2°С). Наиболее легкоплавкими из них являются цезий (28,5°C); галлий (29,78°C); и рубидий (39°C).

В малых периодах температуры плавления металлов с увеличением порядкового номера элемента возрастают, что связано с увеличением плотности упаковки кристаллической решетки металла. В больших периодах по этой же причине температура плавления увеличивается до середины периода, а затем уменьшается. Следовательно, самые тугоплавкие металлы, например, вольфрам (t = 3422°С) находятся в середине больших периодов.

Пластичность. Наличие свободных электронов в структуре металла допускает смещение ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки, без разрыва химической связи между ними. Благодаря этому металлы обладают способностью сохранять деформацию, изменять форму под воздействием механических нагрузок, не разрушаясь, прокатываться в листы и проволоку. Наиболее пластичные металлы: золото, серебро, медь, олово, свинец, цинк, железо и др.

Электро и теплопроводность. Для металлов характерны высокие значения электро- и теплопроводности. Наибольшей электропроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо и др.

Кроме перечисленных общих и индивидуальных физических свойств металлов, можно выделить и другие их характеристики: электромагнитные, оптические и механические.

2. Химические свойства металлов

Характерным химическим свойством металлов является их восстановительная активность, т.е. способность переходить в состояние положительно заряженного иона, теряя при этом электроны:

Количественно восстановительная активность металлов определяется: величиной E_и атома металла (для реакций, протекающих в газовой фазе); величиной стандартного электродного потенциала металла j°_Men+/Me (для реакций, протекающих в растворах). При этом следует иметь в виду тот факт, что величина j°_Men+/Me изменяется в зависимости от условий процесса, т.к. образовавшиеся ионы Meⁿ⁺ могут участвовать в процессе комплексообразования.

Восстановительная активность металлов проявляется при взаимодействии их с окислителями.

2.1 Отношение металлов к окислителям - простым веществам

Металлы чаще всего реагируют со следующими окислителями - простыми веществами: кислородом, галогенами, серой, азотом, водородом.

Отношение металлов к кислороду.

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, но при различных условиях:

По отношению к кислороду все металлы принято подразделять на 4 группы:

Металлы, активно окисляющиеся кислородом воздуха при обычных условиях. К ним относят: элементы IА, IIА (кроме бериллий, магний), IIIБ (кроме скандия) групп. При взаимодействии указанных металлов с кислородом могут образовываться различные продукты:

Металлы, окисляющиеся только с поверхности (с образованием плотной оксидной пленки, предохраняющей металл от дальнейшего окисления). К этой группе металлов относят берилий, магний, скандий, алюминий, цинк, хром, свинец. Например, при окислении алюминия образуется оксидная пленка толщиной менее 30 нм, которая защищает металл от дальнейшего окисления.

Металлы, не окисляющиеся при обычных условиях кислородом воздуха (кобальт, никель, медь, теллур, рений, висмут и др.) окисляются при нагревании. Поверхностный слой (преимущественно оксидного характера) при этом металл не защищает.

Металлы, для которых устойчивы высшие степени окисления, в частности, элементы VIБ-группы, окисляются с образованием высших оксидов.

Металлы не окисляющиеся кислородом в отсутствие других реагентов: золото, серебро, палладий, иридий, платина. Для оксидов этих металлов величина D_fG°(298 K) > 0, следовательно, образующиеся оксиды этих металлов должны распадаться в момент образования.

В некоторых случаях металлы, не взаимодействующие с кислородом, окисляются им в присутствии других соединений. Например, молекулы аммиака, способствующие комплексообразованию, облегчают процесс окисления меди кислородом.

Медные изделия на воздухе покрываются зеленоватым налетом - патиной, состоящей преимущественно из основного карбоната меди.

Серебряные предметы на воздухе темнеют из-за образования на поверхности металла сульфида серебра.

Медь, серебро и золото растворяются в цианидах (в присутствии кислорода).

Аллотропная модификация кислорода - озон (O₃) также является достаточно сильным окислителем, взаимодействующим даже с малоактивными металлами.

Отношение металлов к галогенам.

Практически все металлы при нагревании окисляются галогенами (F₂, Cl₂, Br₂, I₂) с образованием соответствующих галидов (при обычных условиях с галогенами взаимодействуют только элементы IА-группы).

Большинство металлов взаимодействуют с галогенами при нагревании.

Отношение металлов к сере.

Ртуть с серой взаимодействует при стандартных условиях.

Все остальные металлы (за исключением золота, платины, палладия) взаимодействуют с серой при нагревании.

Отношение металлов к азоту.

При обычных условиях с азотом взаимодействует только литий. Натрий, калий, рубидий, цезий - взаимодействуют с азотом в электрическом разряде. Алюминий, марганец, магний, а также элементы IIIБ, IVБ, VБ, VIБ - групп взаимодействуют с азотом при нагревании.

Не взаимодействуют с азотом элементы IБ, IIБ, VIIIБ - групп, а также - олово, свинец, висмут, технеций, рений.

Отношение металлов к водороду.

При нагревании с водородом взаимодействуют металлы IА и IIА - групп. Окислителем в данных реакциях является водород.

С остальными металлами водород непосредственно не реагирует, но образует со многими из них твердые растворы. Это приводит к повышению хрупкости и снижению пластичности металла.

Способность некоторых металлов (алюминий, элементы VБ, VIБ, VIIIБ - групп) поглощать (адсорбировать) своей поверхностью значительные объемы водорода широко используют в катализе. Так, один объем палладия при 80°С может поглотить до 900 объемов водорода, что позволяет использовать его (как и некоторые другие металлы, например, никель) в качестве катализатора в реакциях гидрирования (восстановления водородом).

Отношение металлов к окислителям - сложным веществам.

В качестве окислителей сложного состава, с которыми чаще всего контактируют металлы, обычно рассматривают воду, водные растворы щелочей и кислот.

По химической активности в водных средах все металлы условно делят на: активные - стоящие в ряду напряжений от лития по алюминий (включительно), средней активности - стоящие в ряду напряжений от алюминия до водорода, малоактивные - стоящие в ряду напряжений после водорода.

Следует отметить, что восстановительная активность металлов может существенно изменяться в зависимости от условий протекания реакции. В частности, при комплексообразовании величина электродного потенциала металла значительно уменьшается.

Аналогичный характер изменения величины электродного потенциала металла наблюдают, если в процессе реакции образуются малорастворимые соединения.

Отношение металлов к воде.

В реакциях данного типа роль окислителя играют ионы водорода, образующиеся при диссоциации молекул воды. При рН = 7 j°_2H+/H2 = -0,41 В, следовательно, с водой теоретически могут реагировать все металлы, имеющие величину j° меньше -0,41 В. Реально же наблюдается следующее:

а) активные металлы интенсивно взаимодействуют с водой, вытесняя при этом водород.

Аналогичная реакция с магнием протекает при нагревании, исключения составляют: - берилий, алюминий и скандий, поверхность которых покрыта прочными оксидными пленками, нерастворимыми в воде; магний, образующийся гидроксид которого - Mg(OH)₂, малорастворим;

б) металлы средней активности при стандартных условиях с водой практически не реагируют, т.к. они или покрыты оксидными пленками, или образуют труднорастворимые гидроксиды (хром, никель, цинк) на поверхности металлов. Данные металлы могут разлагать воду при достаточно высоких температурах (до 1000 °С).

в) малоактивные металлы с водой при обычных условиях не взаимодействуют, поскольку величина их стандартного электродного потенциала значительно больше потенциала окислителя (-0,41 В) и термодинамически данная реакция невозможна.

Отношение металлов к водным растворам щелочей.

С водными растворами щелочей взаимодействуют металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода и образующие амфотерные гидроксиды: берилий, алюминий, цинк, хром, олово, свинец. Взаимодействие часто обусловлено сдвигом величины электродного потенциала металла в сторону отрицательных значений за счет процесса образования гидроксокомплексов. Тем не менее, данный процесс возможен. Его можно представить в виде двух более простых:

1) взаимодействие металла с водой.

2) растворение образующегося амфотерного гидроксида в избытке щелочи с образованием гидроксокомплекса.

Отношение металлов к кислотам.

По окислительной активности кислоты условно делят на 2 группы:

1) кислоты - слабые окислители. В растворах этих кислот окислителем является ион водорода.

2) кислоты - сильные окислители. Окислителями в растворах этих кислот являются кислородсодержащие анионы.

Отношение металлов к кислотам - слабым окислителям.

Величина стандартного электродного потенциала окислителя (H+) при рН = 0 равна j°_2H+/H2 = 0 В. Следовательно, металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода (j°_Men+/Me < 0), должны вытеснять его из растворов этих кислот. Исключение составляют металлы, которые при взаимодействии с данными кислотами образуют труднорастворимые соединения.

Некоторые малоактивные металлы, не взаимодействующие с разбавленными растворами кислот - слабых окислителей, взаимодействуют с концентрированными растворами этих же кислот. В частности, медь не взаимодействует с разбавленными растворами соляной кислоты, но растворяется в ее концентрированных растворах за счет процесса комплексообразования.

Ряд металлов, для которых характерны устойчивые соединения в высшей степени окисления образуют анионные комплексы.

Отношение металлов к кислотам - сильным окислителям.

а). Отношение металлов к концентрированной серной кислоте.

Окислителем в концентрированных растворах серной кислоты является сера в ионах HSO₄^-, SO₄^2-. В зависимости от активности металла он может восстанавливаться до H₂S, S или до SO₂. Кроме этих соединений, во всех трех случаях основными продуктами реакции также являются соответствующая соль (сульфат или гидросульфат) и вода.

Некоторые металлы взаимодействуют с концентрированными и разбавленными растворами серной кислоты неодинаково. Так, олово с разбавленной серной кислотой образует соль катионного типа, повышая свою степень окисления до (+2), а с концентрированной серной кислотой образует соль, в которой олово находится в высшей степени окисления (+4).

В концентрированных растворах серной кислоты пассивируются на холоду алюминий, хром, железо, кобальт, никель, титан, цирконий, гафний, молибден, вольфрам и др.

Не взаимодействуют с серной кислотой: платина, золото, рутений, родий, иридий, и др.

б). Отношение металлов к разбавленной азотной кислоте.

Окислителем в растворах азотной кислоты является нитрат-ион: NO₃^-. Как и в предыдущем случае, состав основных продуктов реакции определяется активностью металла, участвующего во взаимодействии.

Пассивация - торможение (или полное прекращение) химического процесса за счет продуктов взаимодействия (образование труднорастворимых оксидных, гидроксидных, солевых и иных пленок на поверхности металла). Пассивируются в разбавленных растворах азотной кислоты (на холоду) алюминий, молибден, вольфрам и др. Не взаимодействуют: платина, золото, рутений, родий, иридий.

в). Отношение металлов к концентрированной азотной кислоте.

В отличие от взаимодействия металлов с разбавленной HNO3 в данном случае состав продуктов реакции менее разнообразен. В большинстве случаев нитрат-ион восстанавливается до NO₂. Часто процесс протекает при нагревании. Ряд элементов, имеющих высокие (+4 и более) степени окисления при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образует гидроксиды (оксиды) в данной степени окисления.

Пассивируются в концентрированных растворах азотной кислоты (на холоду) бериллий, алюминий, хром, железо, кобальт, никель, титан, цирконий, гафний, свинец, висмут но при нагревании ряд металлов начинает активно взаимодействовать с азотной кислотой. Не взаимодействуют: платина, золото, иридий, рутений, родий, ниобий, тантал.

г) Отношение металлов к смесям кислот.

Ряд малоактивных металлов (золото, рутений, смий) не растворяется (или очень плохо) в перечисленных выше кислотах - сильных окислителях. Однако, в смесях кислот, в частности, HNO3 + 3HCl (“царская водка”) эти металлы растворяются. Вместо соляной кислоты при растворении ряда металлов предпочтительнее использовать HF (плавиковая кислота).

Отношение металлов к смесям окислителей.

Для решения ряда технологических вопросов, связанных с получением или обработкой некоторых металлов, иногда приходится использовать в качестве окислителей различные смеси сложных веществ. Можно привести процессы окисления ряда металлов в щелочной среде:

а) нитратами.

б) гипохлоритами.

в) хлоратами.

г) пероксидами.

Возможно использование и других окислительных смесей.

металл свойство окислитель кислота

Список литературы

1. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Липецкий Я.Л., Физические свойства металлов и сплавов, 2 изд., М., 1980

2. Зайцев Б.Е., Общие физические и химические свойства металлов, М., 1987

3. Семенов И.Н., Максимов А.С., Макареня А.А., Химия и научно-технический прогресс, М., “Просвещение”, 1988

Размещено на Allbest.ru