Свойства металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Оглавление

1. Положение металлов в периодической системе

2. Щелочные металлы

3. Щелочно-земельные металлы

4. Функции металлов в организме человека

5. Металлы побочных подгрупп

Список использованной литературы



1. Положение металлов в периодической системе

В настоящее время известно 118 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере.

В периодической системе Д.И.Менделеева каждый период, кроме первого (он включает в себя два элемента-неметалла - водород и гелий), начинается с активного химического элемента-металла. Эти начальные элементы образуют главную подгруппу I группы и называются щелочными металлами. Своё название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, - щелочей.

Атомы щелочных металлов содержат на внешнем энергетическом уровне только один электрон, который они легко отдают при химических взаимодействиях, потому что являются сильнейшими восстановителями. Понятно, что в соответствии с ростом радиуса атома восстановительные свойства щелочных металлов усиливаются от лития к францию.

Следующие за щелочными металлами элементы, составляющие главную подгруппу II группы, также являются типичными металлами, обладающими сильной восстановительной способностью (их атомы содержат на внешнем уровне два электрона). Из этих металлов кальций, стронций, барий и радий называют щелочноземельными металлами. Такое название эти металлы получили потому, что их оксиды, которые алхимики называли «землями», при растворении в воде образуют щелочи.

К металлам относятся элементы главной подгруппы III группы, исключая бор.

Из элементов главных подгрупп следующих групп к металлам относятся: в IV группе германий, олово, свинец (первые два элемента - углерод и кремний - неметаллы), в V группе сурьма и висмут (первые три элемента - неметаллы), в VI группе только последний элемент - полоний - явно выраженный металл. В главных подгруппах VII и VIII групп все элементы - типичные неметаллы.

Что касается элементов побочных подгрупп, то все они металлы.

Таким образом, условная граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами проходят по диагонали B (бор) - Si (кремний) - As (мышьяк) - Te (теллур) - At (астат).

Атомы металлов имеют сравнительно большие размеры (радиусы), поэтому и их внешние электроны значительно удалены от ядра и слабо с ним связаны. И вторая особенность, которая присуща атомам наиболее активных металлов, - это наличие на внешнем энергетическом уровне 1 - 3 электронов.

Отсюда вытекает самое характерное свойство всех металлов - их восстановительная способность, т. е. способность атомов легко отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы. Металлы не могут быть окислителями, т. е. атомы металлов не могут присоединять к себе электроны.

2. Щелочные металлы

Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами. Используя общее обозначение для металлов Ме, запишем в общей форме уравнение реакций щелочных металлов с неметаллами - водородом, хлором и серой:

2Me0 + H20 = 2Me+1H-1(2е-)

2Me0 + Cl20 = 2Me+1Cl-1(2е-)

2Me0 + S0 = Me2+1S-2(2е-)

Щелочноземельные металлы при высоких температурах окисляются водородом до гидридов:



Me0 + H20 = Me+2H2-1(2е-)

Бериллий, магний и все щелочноземельные металлы взаимодействуют при нагревании с неметаллами - хлором, серой, азотом и т. д., образуя соответственно хлориды, сульфиды, нитриды:

Me0 + Cl20 = Me+2Cl2-1(2е-)

Me0 + S0 = Me+2S-2(2е-)

3Me0 + N20 = Me3+2N2-3(6е)

Все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой, образуя щелочи и восстанавливая воду до водорода (рисунок справа[2]). Скорость взаимодействия щелочного металла с водой будет увеличиваться от лития к цезию:

2Me0 + 2H+1OH = 2Me+1OH + + H20(2е-)

Из всех металлов главной подгруппы II группы только бериллий практически не взаимодействует с водой[3], магний реагирует с ней медленно, остальные металлы бурно взаимодействует с водой в обычных условиях:

Me0 + 2H+1OH = Me+2(OH)2 + H20(2е-)

Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определённых условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную плёнку:

2Al0 + 6H2+10 = 2Al+3(OH)3 + 3H20

Железо взаимодействует с водой только в раскаленном виде:

3Fe0 + 4H2+1O = (Fe+2Fe2+3)O4 + 4H20

С кислотами в растворе (HCl, H2SO4(разб.), CH3COOH и др., кроме HNO3) взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуется соль и водород.

2Al0 + 6H+1Cl = 2Al+3Cl3 + 3H20

2CH3COOH+1 + Mg0 = Mg+2(CH3COO)2 + H20

С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой реакции образуется растворимая соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде:

Fe0 + Cu+2SO4 = Fe+2SO4 + Cu0

3. Щелочно-земельные металлы

Щелочноземельными металлами называют 4 химических элемента IIA группы Периодической системы Д. И. Менделеева, начиная с кальция:

кальций Ca, стронций Sr, барий Ba, радий Ra.

На внешнем энергетическом уровне атомы металлов IIA группы имеют два электрона.

Поэтому для всех щелочноземельных металлов характерна степень окисления +2.

Этим объясняется сходство их свойств.

Для металлов IIA группы (сверху вниз) характерно:

увеличение радиуса атомов;

уменьшение электроотрицательности;

усиление восстановительных, металлических свойств.

Из щелочноземельных металлов кальций наиболее широко распространён в природе, а радиоактивный радий -- менее всего.

Все щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, поэтому встречаются в природе только в виде соединений.

Основными источниками кальция являются его карбонаты CaCO3 (мел, мрамор, известняк).

В свободном виде простые вещества представляют собой типичные металлы от серого до серебристого цвета.

Физические свойства простых веществ

В твёрдом агрегатном состоянии атомы связаны металлической связью. Это обусловливает общие физические свойства простых веществ металлов: металлический блеск, ковкость, пластичность, высокую тепло- и электропроводность.

Тем не менее, металлы IIA группы имеют разные значения температуры плавления, плотности и других физических свойств.

Химические свойства

Щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, реагируют с кислородом, водородом, другими неметаллами, оксидами, кислотами, солями.

Они являются сильными восстановителями.

Щелочноземельные металлы активно реагируют с:

водой, образуя соответствующие гидроксиды и выделяя водород:

Ba+2H2O=Ba(OH)2+H2^?;

кислотами, легко растворяясь в их растворах с образованием соответствующих солей:



Ba+2HCl=BaCl2+H2^;

с неметаллами, образуя оксиды или соответствующие соли (гидриды, галогениды, сульфиды и др.):

2Ca+O2=2CaO,

Ca+H2=CaH2,

Bа+Cl2=BаCl2,

Bа+S=BаS.

Щелочноземельные металлы получают в основном электролизом расплавов галогенидов. Чаще используются хлориды металлов.

При этом на катоде восстанавливаются катионы, а на аноде окисляются анионы.

Суммарное уравнение реакции электролиза расплава хлорида кальция:

CaCl2=Ca+Cl2^.

4. Функции металлов в организме человека

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Са, Р, О, Na, Мg, S, В, С1, К, V, Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn, Мо, Сг, Si, I, F, Se.

Железо (Fe).

В тканях человеческого тела содержится 4-5 г железа, в том числе 65-70 % в виде гемоглобина, 15 % хранится в печени, селезенке, костном мозге и почках, а остольное количество участвует в синтезе белка и окислительно-восстановительных реакциях в плазме.

Железо входит в состав гемогрупп кислород-переносящих белков гемоглобина и миоглобина. Существующее в гемоглобине сочетание координационного состояния двухвалентного железа и его пространственного экранирования благоприятствует обратимому связыванию кислорода и одновременно препятствует необратимому окислению железа до трехвалентного состояния.

Гемовые простетические группы содержатся также в целом ряде важных ферментов. Примером может служить каталаза, осуществляющая расщепление перекиси водорода, или пероксидаза, катализирующая окисление различных органических веществ перекисями. Ион железа в молекуле каталазы активно участвует в каталитическом цикле.

Плазма крови содержит менее 0.1% железа, имеющегося в человеческом теле, причем все это количество переходит в сыворотку. Концентрация железа в плазме не постоянна и изменяется в зависимости от пола, времени суток и потребляемых продуктов питания. Нормальная концентрация железа в плазме крови мужчины составляет около 23 мкМ, у женщин - на 10-15% меньше.

При потере крови, беременности, родах и менструациях потребность в железе превышает количество, обычно получаемое с пищей. Недостаток железа может привести к железодефицитным анемиям. Высокий показатель железодифицитных состояний зарегистрирован у населения Филиппин, Пакистана и Турции. Особую актуальность проблема железодефицитных состояний представляет для регионов с экстремальными условиями проживания, такими как высокогорье и Крайний Север.



Рис. 1

металл вещество марганец

Марганец (Mn)

Может входить в фосфатазы (перенос PO4-группы). В организм человека попадает с растительной пищей; он необходим для активации ряда ферментов, например дегидрогеназ изолимонной и яблочной кислот и декарбоксилазы пировиноградной кислоты. Его много в трубчатых костях и в печени. Как показали опыты, марганец усиливает рост и размножение некоторых животных.

Положительно влияет марганец и на процессы кроветворения у людей и животных, причем увеличивается количество красных кровяных шариков и процент гемоглобина в крови.

Марганец входит в состав ферментов окислительной группы, от которых зависят характер и сила тканевого дыхания. Необходим марганец и для образования витамина C, роль которого в организме огромна. Но самым важным в действии марганца является его участие в разнообразных окислительно-восстановительных процессах, протекающих в организмах животных. В присутствии соединений марганца все эти процессы протекают гораздо энергичнее. Увеличивается потребление кислорода. Благоприятно действует марганец и на обмен углеводов.

Отравление марганцем наиболее частое происходит из-за вдыхания его оксида в промышленном производстве. Хроническое воздействие может привести к необратимым нарушениям центральной нервной системы и мозга, т.к избыток марганца в организме оказывает действие на ферментные системы мозга.

Кобальт (Co)

Необходим для организма человека в виде витамина B12. Этот витамин (цианкобаламин) представляет собой комплекс трехвалентного кобальта (4%): (рисунок 2).

Он участвует в синтезе гемоглобина, фибрин5 крови является кобальтсодержащим белком. Витамин B12необходим костному мозгу для образования эритроцитов. Он участвует в синтезе РНК. Усиливает основной обмен и образование мышечных белков. Кобальт (II) активирует некоторые ферменты, например карбоангидразу и карбоксилазу. Его нехватка вызывает злокачественную (пернициозную) анемию и остановку роста.

Рис. 2

Избыток Co2+ стимулирует костный мозг к продуцированию эритроцитов; от также уменьшает способность щитовидной железы аккумулировать иод, т.е. гипотиреоз может быть следствием приема солей кобальта при анемии.

Медь (Cu)

Входит в состав некоторых ферментов, например фенолазы и гемоцианина, способных переносить кислород, подобно гемоглобину. Кроме того, медь необходима в биосинтезе гемоглобина.

Но избыток меди, если он не выводится из организма человека, может отлагаться в глазах. Значительное количество меди, попавшей в желудочно-кишечный тракт, раздражает нервные окончания в желудке и кишечнике и вызывает рвоту. А хронический избыток меди ведет к остановке роста, гемолизу6 и низкому содержанию гемоглобина, а также к нарушению тканей в печени, почках, мозге.

Цинк (Zn)

Входит в состав простетических групп более 80 ферментов, таких, как алкогольдегидрогеназа, карбоангидраза, ДНК- и РНК-полимеразы и карбоксипептидаза; в больших концентрациях цинк содержится в предстательной железе, сперматозоидах и тканях глаза. В организм человека цинк попадает как с растительной так и с животной пищей. Цинк является важной составной частью нескольких ферментов, например карбоксипептидазы А (один атом цинка на молекулу белка) и др.

Рис. 3

Цинк делает более активными некоторые ферменты, оказывая этим влияние на обмен веществ, помогает усвоению витаминов. Фермент, названный угольной ангидразой, содержит в себе цинк. По химическому составу это прочное соединение белка с цинком. Удаление цинка из молекулы этого фермента ведет к его разрушению. Роль этого фермента в жизни организма очень велика: без него невозможен процесс дыхания. Этот фермент обеспечивает расщепление угольной кислоты на углекислый газ и воду. Таким образом облегчается удаление углекислого газа из крови в легкие и выведение его наружу. Фермент связывает углекислый газ, образующийся в тканях, в угольную кислоту, которая превращается в соли, переходит в кровь и тоже приносится в легкие. В крови фермент почти целиком сосредоточен в красных кровяных шариках - эритроцитах. Таким образом, цинк играет огромную роль в переносе углекислоты.

Цинк задерживается и накапливается в гипофизе, мускулах и половых железах. Считается, что повышенное содержание цинка в пище и питьевой воде вызывает поражение почек, кишечное отравление. При определенных условиях (Ca и P присутствуют в минимальных количествах) у животных цинк (в избыточном количестве) замедляет развитие костного скелета. Следует также отметить, что соединения цинка довольно широко встречается в быту: например, окись цинка входит в состав резиновых изделий (наполнитель) и красителей, а поэтому представляет опасность.

Мышьяк (As)

Микрочастицы мышьяка усваиваются клетками человеческого организма, этот элемент №33 содержится в крови, тканях и органах, особенно много его в печени: от 2 до 12 мг на 1 кг веса. Ученые предполагают, что микродозы мышьяка повышают устойчивость организма к действию вредных микробов. Но в случае его избыточного поступления в организм мышьяк вызывает --> рак легких и кожи, приводит к смерти.

Свинец (Pb)

У взрослых всасывается 10% свинца, попадающего в огранизм вместе с пищей. Период полувыведения свинца из крови и мягких тканей составляет 28-36 суток. Острое свинцовое отравление приводит сначала к потере аппетита и рвоте; хроническое отравление - оказывает влияние на многие биохимические процессы, замедляет скорость проведения в периферических нервах, поражает проксимальные канальцы почек, повышает артериальное давление, сказывается на нервной системе, препятствует одной из многочисленных ступеней биосинтеза гема!

Никель (Ni)

Никель стабилизирует структуру РНК и ДНК и структуру рибосом, совместно с другими ионами металлов Ni2+(именно в этом виде он встречается в биологических системах) активирует определенные ферменты, входит в состав фермента уреазы.

При попадании внутрь большое количество ионов Ni2+ вызывает острый желудочно-кишечный дискомфорт. Хроническая интоксикация никелем приводит к разрушению сердечной мышцы и других тканей.

Ванадий (V)

Играет важную роль в регуляции сокращения гладкой мускулатуры. В увеличенных концентрациях вызывает сужение кровеносных сосудов и желудочно-кишечные нарушения.

Олово (Sn)

Выполняет вспомогательную, но важную роль в процессе кальцификации, таким образом, без олова невозможно правильное развитие скелета.

Хром (Cr)

Является кофактором инсулина (глюкозный фактор толерантности). Участвует в регуляции усвоения глюкозы тканями животных. Необходим лишь в незначительных количествах, при избытке возможно возникновение рака.

Селен (Se)

Долгое время считалось, что селен оказывает только токсическое действие. От повышенного количества селена в растениях из-за большого содержания его солей в почвах, например некоторых территорий штатов Монтана и Дакота, страдали сельскохозяйственные животные , пасущиеся в этих местностях.

Однако, проведенные в последние годы исследования показали, что селен в комплесе с какой-либо аминокислотой входит в состав простетических групп нескольких ферментов, в частности глутатионпероксидазы, которая вместе с пептидом глутатионом защищает клетки от разрушающего действия перекиси водорода. В эритроцитах железо, присутствующее в молекуле гемоглобина, обычно находится в ферроформе [Fe(II)]. Однако под воздействием перекиси водорода оно легко окисляется до ферриформы [Fe(III)]; образующийся при этом метгемоглобин не способен переносить кислород. Глутатионпероксидаза предотвращает образование метгемоглобина путем разложения перекиси водорода.

Активный центр глутатионпероксидазы содержит остаток необычной аминокислоты - селеноцистеина (рис. 5), в которой атом серы цистеина заменен на атом селена. Возможно, что -SeH-группа этого остатка обладает какими-то преимуществами по сравнению с -SH-группой в механизме действия этого и других селенсодержащих ферментов.

Рис. 4

Ртуть (Hg)

В среднем в человеке содержится 13 мг ртути, которые не приносят ему никакой пользы. Соли ртути аккумулируются в почках, мозге, происходит нарушение функционирования нервной системы; ртуть преодолевает плацентарный барьер;

Кадмий (Cd)

До сих пор не известно о каких-либо биохимических функциях кадмия в организме человека, но обнаружено еще в 1946 г., что кадмий приводит к заболеванию Итай-Итай, выявленному в Японии (префектура Тояма). Причиной болезней послужило повышенное поступление в организм кадмия с рисом, выращенным на полях, орашаемых из реки Дзинцу, в которую кадмий попадал со стоками вышерасположенного рудника. Заболевание характеризовалось сильными болями, деформацией скелета, переломами костей, поражением почек. Кадмий очень медленно выводится из организма человека и отравления им может принимать хроническую форму. Спустя 15 - 30 лет после первого обнаружения болезни более 150 человек погибли от хронического отравления кадмием. Кадмий считается самым опасным тяжелым металом. Он обладает канцерогенными свойствами.

5. Металлы побочных подгрупп

Все элементы побочных подгрупп - металлы. Их часто называют переходными элементами. Переходные элементы классифицируют по заполняемому энергетическому подуровню. Так у железа заполняется 3d-подуровень, поэтому железо - 3d-элемент, а серебро - 4d-элемент, потому что у него заполняется 4d-подуровень. Металлы побочных подгрупп также делят на металлы первого переходного ряда (металлы побочных подгрупп четвёртого периода, 3d-элементы), второго переходного ряда (металлы побочных подгрупп пятого периода, 4d-элементы), третьего переходного ряда (металлы побочных подгрупп шестого периода, 5d-элементы) и четвёртого переходного ряда (металлы побочных подгрупп седьмого периода, 6d-элементы). Кроме того, к переходным относят лантаноиды и актиноиды - 4f- и 5f-элементы соответственно.

В отличие от элементов главных подгрупп, у которых происходит заполнение электронами s- и p-орбиталей, у элементов побочных подгрупп происходит заполнение d- и f-орбиталей, то есть валентными являются электроны, располагающиеся на d- и f-орбиталях, а также - на внешней s-орбитали. На рисунке 1 изображена модель строения электронной оболочки атома железа.

Для элементов начала переходного ряда (побочные группы 3-7 групп) высшая степень окисления соответствует числу внешних электронов (то есть номеру группы). Для второго переходного ряда эта закономерность распространяется на рутений, а для третьего - на осмий и иридий (для которого оказалась возможна крайне нестабильная степень окисления +9). Ближе к концу переходного ряда внешние электроны становятся сильнее связаны с ядром, и высшая степень окисления уменьшается, так для элементов первого переходного ряда: у кобальта и никеля высшая степень окисления +4, у меди +3, у цинка +2.

У f-элементов заполняются f-подуровни, эти элементы находятся в шестом и седьмом периодах, но обыкновенно изображаются отдельно, под периодической системой. f-элементы шестого периода называются лантаноидами (или лантанидами), а f-элементы седьмого периода - актиноидами (или актинидами). В этом занятии особенности f-элементов рассматриваться не будут.

Металлы побочных подгрупп - как правило, твёрдые, за исключением ртути, серебристо-белые или серебристо-серые вещества. Медь окрашена в оранжево-красный цвет, а золото - в жёлтый. Некоторые металлы, такие как хром и осмий, обладают голубоватым оттенком. Температуры плавления переходных металлов обычно увеличиваются от начала ряда к середине, а затем снова уменьшаются. Аналогичным образом ведёт себя твёрдость металлов.

Железо находится близко к середине ряда и обладает довольно высокой температурой плавления (1538 °C) и умеренной твёрдостью. Чистое железо не находит широкого применения, однако сплавы на его основе распространены необычайно широко. Добавки других металлов, а также некоторых неметаллов, могут очень сильно влиять на механические свойства железа, а также на его химическую устойчивость. Например, примесь хрома делает железо устойчивым к коррозии, а примесь марганца - твёрдым, но пластичным.

Химические свойства металлов главных подгрупп сильно разнятся от металла к металлу. Так, например, все элементы первого переходного ряда, кроме меди, - весьма активные металлы, в ряду напряжений находятся до водорода и реагируют с кислотами с выделением водорода. Элементы III-VI групп второго и третьего переходных рядов (от иттрия до молибдена и от лантана до вольфрама) также в ряду напряжений расположены до водорода, однако, имеют очень устойчивые кристаллические решётки, в результате чего очень медленно взаимодействуют с кислотами (только лантан быстро растворяется в кислотах). Все остальные элементы второго и третьего переходных рядов расположены после водорода в ряду напряжений.

Большинство d-элементов проявляет переменную валентность в соединениях. Фактически, постоянные степени окисления в соединениях проявляют только скандий (+3), иттрий (+3), лантан (+3), актиний (+3), цинк (+2) и кадмий (+2).

Многие из химических соединений переходных металлов - окрашены. Окраска зависит от природы металла, степени окисления металла и окружения (то есть от того, какие атомы непосредственно связаны с ионом металла). В водных растворах кислородсодержащих солей ионы металлов, как правило, связаны только с молекулами воды, поэтому окраска растворов разных солей одного и того же металла, как правило, одинакова. На рисунке 3 представлены фотографии водных растворов солей металлов первого переходного ряда в степени окисления +2 (зелёный , серо-фиолетовый , серо-голубой , практически бесцветный , светло-зелёный , розовый , зелёный , голубой , бесцветный ). На рисунке 4 представлены фотографии разбавленных растворов соединений ванадия в различных степенях окисления (серо-фиолетовый +2, зелёный +3, синий +4, жёлтый +5). На рисунке 5 представлены разбавленные растворы сульфата меди(II) в разных системах (в чистой воде медь соединена с молекулами воды и окрашивает раствор в голубой цвет, в концентрированном растворе аммиака медь соединена с молекулами аммиака - в тёмно-синий, в концентрированном растворе хлорида натрия с хлорид-анионами - в зелёный, в концентрированной бромоводородной кислоте с бромид-анионами - в коричнево-фиолетовый).



Список использованной литературы

1. https://stud-baza.ru/metallyi-referatyi-himiya

2. https://revolution.allbest.ru/biology/00668528_0.html#text

3. https://studfile.net/preview/3142374/page:5/

4. https://do2.rcokoit.ru/mod/page/view.php?id=384904

Размещено на Allbest.ru