Строение атомов, физические и химические свойства металлов, ряд активности и способы получения металлов
Положение металлов в периодической системе и строение их атомов
Из известных химических элементов большинство (около 90 из 118) — металлы. В периодической системе они расположены преимущественно в левой и нижней частях: все элементы I и II групп (кроме водорода), большая часть элементов III–VII групп в нижних периодах, а также все d- и f-элементы. Общая особенность атомов металлов — небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (обычно 1–3) и сравнительно большой радиус атома, из-за чего эти электроны слабо удерживаются ядром. Поэтому атомы металлов легко отдают внешние электроны, проявляя выраженные восстановительные свойства.
Металлическая кристаллическая решётка и металлическая связь
В твёрдом состоянии атомы металла образуют металлическую кристаллическую решётку, в узлах которой находятся атом-ионы металла, а обобществлённые валентные электроны свободно перемещаются по всему объёму кристалла, образуя так называемый электронный газ. Связь, удерживающая такую структуру, называется металлической связью — это связь между катионами металла и общим для всех них электронным газом. Именно делокализация валентных электронов по всему кристаллу и объясняет весь комплекс характерных физических свойств металлов.
Физические свойства металлов
Общие для всех металлов физические свойства объясняются наличием электронного газа: электро- и теплопроводность (свободные электроны легко переносят и заряд, и энергию), металлический блеск (свободные электроны хорошо отражают падающий свет), пластичность и ковкость (при механической деформации слои атом-ионов сдвигаются друг относительно друга, но связь между ними не разрывается, так как электронный газ перераспределяется вслед за смещением). По физическим свойствам металлы существенно различаются: самый твёрдый — хром, самые мягкие — щелочные металлы (натрий можно резать ножом); самый тугоплавкий — вольфрам (t°пл≈3422 °C), самый легкоплавкий из типичных металлов — ртуть (t°пл=−39 °C, единственный жидкий при комнатной температуре металл); самый лёгкий — литий, самые тяжёлые — осмий и иридий.
Химические свойства: металлы как восстановители
Все химические свойства простых веществ-металлов объединяет одно: в реакциях металлы выступают исключительно восстановителями, отдавая валентные электроны и переходя в положительно заряженные ионы:
Чем легче атом металла отдаёт электроны, тем сильнее выражены его восстановительные (металлические) свойства и тем более он химически активен.
Взаимодействие металлов с неметаллами
Большинство металлов реагирует с типичными неметаллами непосредственно при нагревании (а самые активные — уже при обычных условиях): с кислородом металлы образуют оксиды, с галогенами — соли-галогениды, с серой — сульфиды, с азотом (некоторые активные металлы) — нитриды, с водородом (наиболее активные металлы) — гидриды:
Взаимодействие металлов с водой
Активные металлы (щелочные и щёлочноземельные) реагируют с водой уже при комнатной температуре с выделением водорода и образованием растворимого гидроксида (щёлочи):
Металлы средней активности (Mg, Zn, Fe и др.) реагируют с водой значительно медленнее и обычно только при нагревании (с образованием оксида и водорода, если реакция идёт с парами воды), а металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода (Cu, Ag, Au и др.), с водой не взаимодействуют вовсе.
Взаимодействие металлов с кислотами
С разбавленными растворами кислот-неокислителей (HCl, разбавленная H₂SO₄) реагируют только металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, с выделением водорода и образованием соли:
Кислоты-окислители — концентрированная H₂SO₄ и азотная кислота HNO₃ любой концентрации — реагируют по-иному, по механизму окислительно-восстановительной реакции (за счёт восстановления атома серы или азота, а не иона водорода), с образованием разнообразных продуктов восстановления (SO₂, S, H₂S для серной кислоты; NO₂, NO, N₂O, NH₄NO₃ для азотной кислоты в зависимости от концентрации кислоты и активности металла) — эти особенности подробно разбираются в теме окислительно-восстановительных реакций. Золото и платину растворяет только смесь концентрированных кислот — «царская водка» (3 части HCl и 1 часть HNO₃).
Взаимодействие металлов с растворами солей
Более активный металл способен вытеснять менее активный металл из раствора его соли — это реакция замещения, тоже относящаяся к ОВР:
Такая реакция возможна только тогда, когда вытесняющий металл стоит в электрохимическом ряду напряжений левее вытесняемого. Активные металлы (до магния включительно) не годятся для вытеснения из водных растворов, поскольку сначала реагируют с водой.
Электрохимический ряд напряжений металлов
Металлы можно расположить в ряд по убыванию их восстановительной активности в водных растворах — этот ряд называют электрохимическим рядом напряжений (или рядом активности) металлов. Чем левее стоит металл, тем легче он отдаёт электроны (сильнее восстановитель) и тем труднее восстанавливается его ион из раствора; и наоборот.
| Участок ряда | Металлы и характерные особенности |
|---|---|
Самые активные | Li, K, Ba, Ca, Na — реагируют с водой уже при обычных условиях |
Активные | Mg, Al, Mn, Zn, Cr — реагируют с кислотами, с водой медленно или при нагревании |
Средней активности | Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb — реагируют с кислотами-неокислителями |
Водород | H₂ — граница: металлы левее вытесняют H₂ из кислот-неокислителей, правее — нет |
Малоактивные | Cu, Hg, Ag, Pt, Au — реагируют только с кислотами-окислителями (или вовсе инертны) |
Ряд напряжений строго применим только к водным растворам и характеризует именно способность металла отдавать электроны в водной среде (что связано со стандартным электродным потенциалом); он не всегда совпадает с общей химической активностью металла в других условиях (например, при реакциях с сухими газами или при высоких температурах).
Способы получения металлов
Свободные металлы получают восстановлением их ионов из природных соединений (руд), и метод получения напрямую зависит от активности металла. Пирометаллургия — восстановление металлов из оксидов при высокой температуре с помощью восстановителей (углерод, угарный газ, водород, более активный металл): например, выплавка железа из руды углём и коксом в доменной печи, или алюминотермия — восстановление металлов алюминием. Гидрометаллургия — извлечение металла из руды переводом в раствор (например, действием кислоты) с последующим восстановлением из раствора более активным металлом. Электрометаллургия — получение металлов электролизом расплавов (для самых активных металлов — Na, K, Ca, Mg, Al) или растворов их солей (для металлов средней и малой активности, например меди, никеля, цинка).
Пример 1: составление уравнений реакций металла
Задание. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения: Zn → ZnCl₂ → Zn(OH)₂ → ZnO.
Решение. Цинк реагирует с соляной кислотой, вытесняя водород:
Хлорид цинка реагирует со щёлочью с образованием осадка гидроксида цинка:
Нерастворимое основание при нагревании разлагается на оксид и воду:
Ответ. Цепочка превращений подтверждена тремя уравнениями реакций выше.
Пример 2: применение ряда активности металлов
Задание. Определите, какие из указанных реакций возможны: а) Cu + ZnSO₄ →; б) Zn + CuSO₄ →; в) Ag + FeCl₂ →.
Решение. Реакция возможна только если вытесняющий металл стоит левее вытесняемого в ряду напряжений. а) Медь стоит правее цинка — реакция невозможна. б) Цинк стоит левее меди — реакция возможна: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. в) Серебро стоит правее железа — реакция невозможна.
Ответ. Возможна только реакция (б): Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.
Типичные ошибки
Частая ошибка — пытаться вытеснить активный металл (например, натрий или кальций) из раствора соли другим металлом, не учитывая, что такой металл сначала прореагирует с водой. Другая ошибка — считать, что все металлы реагируют с разбавленной серной или соляной кислотой одинаково, забывая, что металлы после водорода в ряду напряжений с этими кислотами не реагируют вовсе. Также часто путают понятия «ряд активности металлов» и общую реакционную способность вещества в любых условиях — ряд напряжений строго относится только к водным растворам.
Краткий словарь терминов
Металлическая связь — связь между катионами металла в узлах кристаллической решётки и общим электронным газом.
Электронный газ — совокупность обобществлённых, свободно перемещающихся валентных электронов в металле.
Электрохимический ряд напряжений — ряд металлов, расположенных по убыванию восстановительной активности в водных растворах.
Пирометаллургия — получение металлов восстановлением из руд при высокой температуре.
Электрометаллургия — получение металлов электролизом их расплавов или растворов солей.
Заключение
Общие свойства металлов — их строение, физические характеристики, восстановительная природа и положение в ряду напряжений — образуют фундамент для изучения химии конкретных групп металлов и важнейших процессов с их участием, в том числе коррозии, которой посвящена следующая статья.
