I. Положение металлов в таблице Менделеева

Анимация: “Деление элементов на металлы и неметаллы”

Виртуальная образовательная лаборатория: “Знакомство с образцами металлов”

Тренажёр "Положение металлов в таблице элементов"

II. Строение атомов металлов

По срав­не­нию с ато­ма­ми неме­тал­лов, атомы ме­тал­лов имеют большие раз­ме­ры и мень­шее число внеш­них элек­тро­нов, обыч­но оно равно 1–2. Сле­до­ва­тель­но, внеш­ние элек­тро­ны ато­мов ме­тал­лов слабо свя­за­ны с ядром, ме­тал­лы их легко от­да­ют, про­яв­ляя в хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ства.

Анимация: “Металлы - восстановители”

Рас­смот­рим за­ко­но­мер­но­сти из­ме­не­ния неко­то­рых свойств ме­тал­лов в груп­пах и пе­ри­о­дах.

В пе­ри­о­дах с уве­ли­че­ни­ем за­ря­да ядра ра­ди­ус ато­мов умень­ша­ет­ся. Ядра ато­мов все силь­нее при­тя­ги­ва­ют внеш­ние элек­тро­ны, по­это­му воз­рас­та­ет элек­тро­от­ри­ца­тель­ность ато­мов, ме­тал­ли­че­ские свой­ства умень­ша­ют­ся. Рис. 2.

Рис. 2. Из­ме­не­ние ме­тал­ли­че­ских свойств в пе­ри­о­дах

В глав­ных под­груп­пах свер­ху вниз в ато­мах ме­тал­лов воз­рас­та­ет число элек­трон­ных слоев, сле­до­ва­тель­но, уве­ли­чи­ва­ет­ся ра­ди­ус ато­мов. Тогда внеш­ние элек­тро­ны будут сла­бее при­тя­ги­вать­ся к ядру, по­это­му на­блю­да­ет­ся умень­ше­ние элек­тро­от­ри­ца­тель­но­сти ато­мов и уве­ли­че­ние ме­тал­ли­че­ских свойств. Рис. 3.

Рис. 3. Из­ме­не­ние ме­тал­ли­че­ских свойств в под­груп­пах

Пе­ре­чис­лен­ные за­ко­но­мер­но­сти ха­рак­тер­ны и для эле­мен­тов по­боч­ных под­групп, за ред­ким ис­клю­че­ни­ем.

Атомы эле­мен­тов ме­тал­лов склон­ны к от­да­че элек­тро­нов. В хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях ме­тал­лы про­яв­ля­ют себя толь­ко как вос­ста­но­ви­те­ли, они от­да­ют элек­тро­ны и по­вы­ша­ют свою сте­пень окис­ле­ния.

III. Физические свойства металлов

1. Агрегатное состояние и температуры плавления.

Температуры плавления металлов меняются в очень широких пределах. Самый легкоплавкий из металлов – ртуть – при комнатной температуре является жидкостью. Металл галлий плавится от теплоты человеческого тела. Из металлов широко применяемых в технике, наиболее легкоплавкие – олово и свинец. Наибольшую температуру плавления имеет вольфрам, из которого изготавливают нити накаливания лампочек. Металлы с температурой плавления выше 1000^oC принято называть тугоплавкими.

                  ртуть                                   галлий                                     вольфрам

2. Окраска

Среди металлов немногие обладают характерной окраской. «Золото через свой изрядно желтый цвет и блещущую светлость от прочих металлов отлично», – писал Михаил Васильевич Ломоносов. Медь имеет розово-красный цвет, серебро и платина – белый, щелочной металл цезий – бледно-желтый. Для описания цвета других металлов трудно подобрать слова. Все они кажутся нам серыми с тем или иным едва заметным оттенком.

           медь                                                     литий

3. Плотность 

Металлы сильно различаются по плотности. Наиболее легкими являются щелочные металлы литий, натрий и калий. Литий плавает даже на поверхности керосина – жидкости с плотностью меньшей плотности воды. Металлы с плотностью ниже 5 г/см³ называют легкими. К ним, помимо щелочных и щелочно-земельных металлов, принадлежат магний, алюминий и другие. В число наиболее тяжелых входят переходные металлы, расположенные в шестом периоде, а также актиноиды. Ртуть, например, имеет плотность 13,6 г/см³, то есть литровая банка, заполненная ртутью, весит 13,6 кг!

4. Твердость 

Вещества оценивают по его способности оставлять царапину на другом веществе. Наиболее твердым веществом является алмаз – он оставляет след на любых поверхностях. Из металлов по твердости к алмазу приближается хром – он царапает стекло. Наиболее мягкие металлы – щелочные. Они легко режутся ножом. Мягкими являются также свинец, олово, цинк, серебро.

5. Электро- и теплопроводность

Все без исключения металлы хорошо проводят электрический ток. Наибольшей электропроводностью обладает серебро, немного уступают ему медь и золото. Серебро – очень дорогой металл. Его используют в электротехнике при изготовлении высокоточных дорогостоящих приборов. Самые хорошие провода, применяемые в быту, медные. Они во много раз превосходят по самим характеристикам провода, изготовленные из алюминия. При прохождении через металл электрического тока часть электрической энергии преобразуется в тепловую – металл нагревается. Использование алюминиевых проводов при больших нагрузках на электрическую сеть может привести к их плавлению. Особенно опасны места стыка алюминиевых и медных проводов – они нагреваются намного быстрее. Неисправная электропроводка является причиной многих пожаров.

Анимация: “Изменение электропроводности металла при его нагревании и охлаждении”

6. Пластичность 

Многие металлы пластичны, то есть обладают способностью изменять форму, например, расплющиваться при ударе молотком. Наибольшей пластичностью обладают золото, серебро, медь, олово. Их можно раскатывать в фольгу.

                                    Фольга из меди  

             Фольга из золота

Общие свойства металлов – пластичность, способность отражать свет, тепло- и электропроводность – объясняются особенностями их строения.  При сильном надавливании кусок металла изменяет форму – часть атомов смещается, но не рассыпается: общее электронное облако прочно удерживает все атомы вместе. В электрическом поле свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, такое упорядоченное движение электронов называют электрическим током. 

Чем больше в металле свободных электронов и чем сильнее колебания атомов, находящихся в узлах решетки, тем быстрее происходит выравнивание температуры во всем куске металла, то есть тем больше его теплопроводность. Поэтому относительные значения тепло- и электропроводности для многих металлов близки.

Металлическая связь– это связь, которую осуществляют свободные электроны между катионами в металлической кристаллической решётке.

На рисунке изображена модель кристаллической решётки металлов: в узлах кристаллической решётки находятся как электрически нейтральные, так и положительно заряженные катионы металлов, а между ними свободно перемещаются отрицательно заряженные электроны (электронный газ). За счёт наличия в кристаллах свободно движущихся электронов для большинства металлов характерны общие физические свойства: особый металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность, ковкость и другие.

IV. Получение металлов

Рудами называют минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых технически возможно и экономически целесообразно получать чистые металлы.

• пирометаллургический,
• электрометаллургический.

​Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода C, оксида углерода(II) CO, водорода H₂, металлов — алюминия Al, магния Mg.

1. Восстановление металлов из их оксидов с помощью углерода (в виде кокса, раньше – в виде древесного угля)  или угарным газом – карботермия

Mе_xO_y + C = CO₂ + Me  или   Mе_xO_y + CO = CO₂ + Me 

• Олово восстанавливают из оловянного камня углеродом: Sn +4O₂⁻² + C⁰ → (t°) Sn⁰ + C + 4O⁻²₂
• Медь восстанавливают из куприта оксидом углерода(II): Cu⁺¹₂O⁻² + C⁺²O⁻² → (t°) 2Cu0 + C⁺⁴O⁻²₂

2.Обжиг сульфидов с последующим восстановлением

1 стадия – Mе_xS_y+O₂=Mе_xO_y+SO₂

2 стадия -  Mе_xO_y + C = CO₂ + Me  или   Mе_xO_y + CO = CO₂ + Me 

3. Восстановление металлов из их оксидов с помощью металлов называется металлотермией.

Mе_xO_y + Al = Al₂O₃ + Me 

• Хром восстанавливают из оксида хрома(III) при помощи алюминия(алюминотермия): Cr⁺³₂O⁻²₃ + 2Al⁰ → (t°) 2Cr⁰ + Al⁺³₂O⁻²₃

• Титан восстанавливают из оксида титана(IV) магнием: Ti + 4O₂⁻² + 2Mg0 → (t°) Ti⁰ + 2Mg⁺²O⁻²

4. Восстановление металлов из их оксидов с помощью водорода – водородотермия.Таким образом получают металлы с высокой степенью чистоты.

Mе_xO_y + H₂ = H₂O + Me 

5. Восстановление металлов электрическим током (электролиз)

Электрометаллургия — восстановление металлов из растворов или расплавов их соединений под действием электрического тока (электролиз).

• Олово образуется при электролизе раствора хлорида олова(II): Sn⁺²Cl₂⁻¹ → (электролиз) Sn⁰+Cl⁰₂
• Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na₃AlF₆ (из бокситов): 2Al₂O₃ –^{расплав в криолите, электр. ток.}→  4Al + 3O₂↑
• Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных: 2CuSO₄+2H₂O –^{раствор, электр. ток.} →   2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

​Электролиз используют для очистки металлов (электролитическое рафинирование).

Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3. При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, то есть переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.  

Большинство металлов переводят в слитки при помощи литья: расплавленный металл заливают в форму, где он и застывает. Однако наиболее тугоплавкие металлы, например, вольфрам, из которого делают нити накаливания элепктроламп, расплавить в печи необычайно трудно. Для получения их слитков применяют порошковую металлургию – особый метод, позволяющий избежать литья. Он основан на спекании предварительно спрессованного порошка металла при температуре выше 1000°C в атмосфере водорода. Затем через брусок из металла пропускают электрический ток, за счет чего он разогревается до температуры плавления, и при этом отдельные его зерна свариваются друг с другом. Полученное изделие подвергают горячей ковке и прокатке.

V. Нахождение металлов в природе

Самый распространённый в земной коре металл – алюминий. Металлы встречаются как в соединениях, так и в свободном виде.

1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)

2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов (Fe₃O₄, FeS₂)

3. Благородные – в свободном виде (Au, Pt, Ag)

В сво­бод­ном со­сто­я­нии при­сут­ству­ют в при­ро­де ме­тал­лы, ко­то­рые либо плохо окис­ля­ют­ся кис­ло­ро­дом, либо со­всем не окис­ля­ют­ся. На­при­мер, пла­ти­на, зо­ло­то, се­реб­ро. Реже – медь, ртуть и неко­то­рые дру­гие. Са­мо­род­ные ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в при­ро­де в неболь­ших ко­ли­че­ствах  в виде зерен или вкрап­ле­ний в раз­лич­ных ми­не­ра­лах. Лишь из­ред­ка они об­ра­зу­ют боль­шие куски – са­мо­род­ки. Самый боль­шой са­мо­ро­док зо­ло­та весил 112 кг. Ино­гда ме­тал­лы прак­ти­че­ски в чи­стом виде со­дер­жат­ся в ме­тео­ри­тах. Так, неко­то­рые пред­ме­ты из вы­со­ко­чи­сто­го же­ле­за, най­ден­ные ар­хео­ло­га­ми, объ­яс­ня­ют­ся имен­но тем, что они были из­го­тов­ле­ны из ме­тео­рит­но­го же­ле­за. Но чаще всего ме­тал­лы су­ще­ству­ют в при­ро­де в свя­зан­ном со­сто­я­нии в со­ста­ве ми­не­ра­лов.

Ми­не­рал – это хи­ми­че­ски и фи­зи­че­ски ин­ди­ви­ду­а­ли­зи­ро­ван­ный про­дукт при­род­ной фи­зи­ко-хи­ми­че­ской ре­ак­ции, на­хо­дя­щий­ся в кри­стал­ли­че­ском со­сто­я­нии.

Очень часто это ок­си­ды. На­при­мер, оксид же­ле­за (III) Fe₂O₃ – ге­ма­тит, или крас­ный же­лез­няк. Рис. 1.

Fe₃O₄ – маг­не­тит, или маг­нит­ный же­лез­няк. Неред­ко ми­не­ра­ла­ми яв­ля­ют­ся суль­фид­ные со­еди­не­ния: га­ле­нит ZnS, ки­но­варь HgS.

Ак­тив­ные ме­тал­лы часто при­сут­ству­ют в при­ро­де в виде солей (суль­фа­ты, нит­ра­ты, хло­ри­ды, кар­бо­на­ты).

Ми­не­ра­лы вхо­дят в со­став гор­ных пород и руд. Ру­да­ми на­зы­ва­ют­ся при­род­ные об­ра­зо­ва­ния, со­дер­жа­щие ми­не­ра­лы в таком ко­ли­че­стве, чтоб из этих руд было вы­год­но по­лу­чать ме­тал­лы. Обыч­но перед по­лу­че­ни­ем ме­тал­ла из руды руду обо­га­ща­ют, уда­ляя пу­стую по­ро­ду и раз­лич­ные при­ме­си. При этом об­ра­зу­ет­ся кон­цен­трат, ко­то­рый и яв­ля­ет­ся ис­ход­ным сы­рьем для ме­тал­лур­ги­че­ской про­мыш­лен­но­сти.

VI. Химические свойства металлов

Общие химические свойства металлов представлены в таблице:

Важно за­пом­нить, что в хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях ме­тал­лы вы­сту­па­ют в ка­че­стве вос­ста­но­ви­те­лей: от­да­ют элек­тро­ны и по­вы­ша­ют свою сте­пень окис­ле­ния. Рас­смот­рим неко­то­рые ре­ак­ции, в ко­то­рых участ­ву­ют ме­тал­лы.

1. Взаимодействие с кислородом

Видео-опыт: “Горение магния”

Обратите внимание!!! Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют.

2. Взаимодействие с галогенами, образуются галогениды

3. Взаимодействие с серой

Видео: "Самовоспламенение никеля на воздухе"

4. Взаимодействие с водой

Металлы по - разному  реагируют с водой:

Помните!!!

Алюминий реагирует с водой подобно активным металлам, образуя основание:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂↑

Видео-опыт: “Взаимодействие натрия с водой”

5. Взаимодействие с кислотами

Металлы особо реагируют с серной концентрированной  и азотной кислотами:

H₂SO₄ (конц.) + Me = соль + H₂O + Х

H₂SO₄ (разб) + Zn = ZnSO₄ + H₂↑

H₂SO₄ (разб) + Cu ≠

2H₂SO₄ (конц.) + Cu = CuSO₄ + 2H₂O + SO₂↑

Внимание!

Pt, Au + H2SO4 (конц.) →реакции нет

Al, Fe, Cr + H2SO4 (конц.)  холодная→ пассивация