Лекция 1/ 2 Химические свойства металлов Общность химических свойств металлов обусловлена особенностями строения их атомов, а именно, сравнительно большими размерами атомов, отсюда - удаленностью внешних e -нов от ядра и слабой связью с ним. Характерная особенность металлов - восстановительные свойства, т.е. в химических реакциях они способны к отдаче e –нов, превращаясь в положительно заряженные ионы. 1. Металлы реагируют с О2 по-разному: Na, K, Rb, Cs (щелочные металлы) + О2 → легко Fe, Cu + О2 → t0, τ Au, Pt + О2 → Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов обладают сильно выраженными основными свойствами. Если металл имеет несколько степеней окисления, то свойства его оксидов будут меняться от щелочных через амфотерные к кислотным при увеличении степени окисления. Пример, Mn 2+, 4+, 6+, 7+ MnO MnO2 Mn2O7 основной амфотерный кислотный оксиды 2. Металлы реагируют с неметаллами и галогенами: S 3. Металл + H CaS сульфид B FeB борид N2 AlH3 гидрид Si Ca3N2 нитрид Ca2Si силицид P C Ca2C карбид Ca3P2 фосфид 1 Лекция 1/ 2 4. По степени химической активности металлы располагаются в ряд напряжений (электрохимический ряд напряжений): Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au Количественной характеристикой стремления одного металла восстанавливать ионы другого металла является напряжение (электродвижущая сила), создаваемое гальваническим элементом, в котором один из электродов изготовлен из одного металла, а другой – из другого металла. В ряду напряжений металлы располагаются в порядке возрастания напряжения, создаваемого гальваническим элементом, в котором один из электродов все время остается постоянным (стандартный электрод), а другой изготавливают из того металла, положение которого в ряду напряжений хотят определить. В качестве стандартного электрода применяют так называемый водородный электрод, представляющий собой платиновую (Pt) пластинку, опущенную в кислый раствор, через который непрерывно пропускают газообразный водород при давлении 1 атм. Из ряда напряжений следует: 1. Чем левее находится металл в ряду напряжений, тем он: a. Химически более активен; b. Обладает большей восстановительной способностью, т.е.легче окисляется и труднее восстанавливается из его ионов 2. Чем правее расположен металл, тем он: a. Химически менее активен; b. Обладает меньшей восстановительной способностью, т.е.труднее окисляется и легче восстанавливается из его ионов 3. Каждый металл ряда напряжений восстанавливает катионы всех следующих за ним в ряду металлов из растворов их солей 4. Металлы, стоящие в ряду левее Н, восстанавливают его из разбавленных кислот (кроме HNO3), а Mg и стоящие левее его металлы вытесняют Н2 при обычной температуре даже из H2O. Металлы, стоящие в ряду правее Н не вытесняют его из разбавленных кислот. 2 Лекция 1/ 2 Все металлы взаимодействуют с галогенами и S (кроме Au), причем их активность соответствует положению в ряду напряжений. Пример: K + Br2 → взрыв Al + Br2→ горит Другие металлы реагируют менее энергично. Рассмотрим это на примерах: 1. CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu Cu2+ +Fe = F2+ +Cu 2. 2Na + H2O = 2NaOH + H2 ↑ 3. H2SO4 + Zn = ZnSО4 + H2 ↑ 2H+ +Zn = Zn2+ +H2 ↑ H2SO4 + Cu ≠ Однако 2H2SО4 + Cu = CuSo4 + SO2 ↑ + 2H2O 4. 4HNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O 8HNO3 + 3Cu = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O 4HNO3 + Zn = Zn(NO3)2 + 2NO2+2H2O 8HNO3 + 3Zn = 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O 10HNO3 + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O 4Zn + NO3- + 1OH+ = 4Zn2+ +NH4+ + 3H2O Необходимо запомнить, что ряд напряжений характеризует лишь окислительно-восстановительную способность электрохимической системы «металл – ион металла» в строго определенных условиях: величины стандарты электродных потенциалов относятся к водному раствору, t=250С и единичной концентрации ионов металла. Нахождение в природе Самородные – Au, Pt, реже Ag, Cu, еще реже Hg, Sn. Металлы из левой части ряда напряжений легко окисляются, не встречаются в самородном виде, только в соединениях. 3 Лекция 1/ 2 Источник получения металлов – руды. Состоят обычно из нескольких металлов – полиметаллические (медно-цинковые, свинцово-серебрянные). Обычно представляют собой окислы, сульфиды, фосфаты соответствующих металлов. Находятся вместе с пустой породой. Способы получения металлов. Из руд - металлургический. Задача: отделить от пустой породы, обогатить, получить концентраты, являющиеся сырьем. 1. Пирометаллургия → из руд, при высокой температуре, путем восстановления окислов металлов коксом, CO, H2 и др. a. Cu2O + C = 2Cu + CO Cu2O + CO = 2Cu + CO2 2ZnS + 3O2 = ZnO + 2SO2 ↑ (чугун из FeS) так получают Fe, Cu, Zn, Cd, Sn, Pb, Ge ZnO + C = Zn + CO Разновидность пирометаллургии – металлотермия b. восстановление металлом Cr2O3 + 2Al=Al2O3+2Cr c. Водородом: MoO3 + 3H2 = Mo + 3H2O WO3 + 3H2 = W+3H2O 2. Гидрометаллургия – способ получения металлов из растворов солей. Оксид растворяют в кислоте, получают электролит. Затем, металл восстанавливают или выделяют электролизом CuO + H2SО4 = CuSО4 + H2O CuSО4 + Fe = Cu+FeSО4 Таким образом получают Au, Ag, Zn, Cd 3. Электрометаллургия – способ получения металлов путем восстановления их из различных окислов, щелочей или хлоридов с помощью электротока. Так получают очень чистые Na, Al, Mg, щелочноземельные металлы. 4 Лекция 1/ 2 Для получения металлов высокой степени чистоты из очищаемого металла изготавливают анод. При электролизе он растворяется, ионы металла переходят в раствор, а на катоде они восстанавливаются и осаждаются на нем. Электролитически чистые металлы: Cu, Ag, Ni, Pb, Fe 4. Переплавка в вакууме 5. Термическое разложение летучих соединений 6. Зонная плавка Сплавы интерметаллические Латунь 60% Cu, 40% Zn большая твердость 90% Cu, 10% Zn Бронза 89,5% Cu, 0,5 % Pb, ост. сплав 10% 90% СU, 10% Sn высокие механические свойства Мельхиор Cu + Ni твердость 50 + 50 53Cu, 7Ni, 40Zn – изготавливают посуду Нейзильбер 65Cu, 20Zn, 15Ni Константан 59Cu, 40Ni, 1Mn Никелин 68Cu, 32 Ni Дюралюминий Al + Cu, Mg легкость, твердость как у стали 87,5Mg, 8,5Al, 0,2Mn, 2Cu, 1Cd, 0,5Zn Баббит 83,5Sn, 11Sb, 5,5Cu 72Pb, 10Sn, 15Sb, 3Cu «Нихром» 80Ni, 20Cr мало окисляется 60Ni, 25Fe, 11Cr, 4Mn высокие механические свойства, большое электросопротивление Чугун – сплав Fe и C (>=2%), Si, Mn, P, S –тверд и хрупок Сталь – сплав C ( <=1.7%) + Mn, Si, S, P – большая твердость 5