ПЛАН
Будівля атомів металів. Положення металів у періодичній системі. Групи металів
Фізичні властивості металів
Хімічні властивості металів
Корозія металів
Поняття про сплави
Способи одержання металів
Список використаної літератури
I. Будова атомів металів. Положення металів у періодичній системі. Групи металів
В даний час відомо 105 хімічних елементів, більшість з них - метали. Останні дуже поширені в природі і зустрічаються у вигляді різних сполук у надрах землі, водах рік, озер, морів, океанів, сполуках тіл тварин, рослин і навіть в атмосфері.
По своїх властивостях метали різко відрізняються від неметалів. Уперше це розходження металів і неметалів визначив М. В. Ломоносов. “Метали, - писав він, - тіла тверді, ковкі блискучі”.
Зараховуючи той чи інший елемент до розряду металів, ми маємо на увазі наявність у нього визначеного комплексу властивостей:
Щільна кристалічна структура.
Характерний металевий блиск.
Висока теплопровідність і електрична провідність.
Зменшення електричної провідності з ростом температури.
Низькі значення потенціалу іонізації, тобто здатність легко віддавати електрони.
Ковкість і тягучість.
Здатність до утворення сплавів.
Усі метали і сплави, застосовувані в даний час у техніку, можна розділити на дві основні групи. До першої з них відносять чорні метали - залізо і весь його сплави, у яких воно складає основну частину. Цими сплавами є чавуни і стали. У техніку часто використовують так називані леговані сталі. До них відносяться сталі, що містять кульгавий, нікель, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт, титан і інші метали. Іноді в леговані сталі входять 5-6 різних металів. Методом легування одержують різні коштовні сталі, що володіють в одних випадках підвищеною міцністю, в інші - високою опірністю до стирання, у третіх - корозійною стійкістю, тобто здатністю не руйнуватися під дією зовнішнього середовища.
До другої групи відносять кольорові метали і їхні сплави. Вони одержали таку назву тому, що мають різне забарвлення. Наприклад, мідь ясно-червона, нікель, олово, срібло - білі, свинець - блакитнувато-білий, золото -жовте. Зі сплавів у практиці знайшли велике застосування: бронза - сплав міді з оловом і іншими металами, латунь - сплав міді з цинком, бабіт - сплав олова із сурмою і міддю й ін.
Цей розподіл на чорні і кольорові метали умовно.
Поряд з чорними і кольоровими металами виділяють ще групу шляхетних металів: срібло, золото, платину, рутеній і деякі інші. Вони названі так тому, що практично не окисляються на повітрі навіть при підвищеній температурі і не руйнуються при дії на них розчинів кислот і лугів.
Фізичні властивості металів
З зовнішньої сторони метали, як відомо, характеризуються насамперед особливим “металевим” блиском, що обумовлюється їх здатністю сильно відбивати промені світла. Однак цей блиск спостерігається звичайно тільки в тому випадку, коли метал утворить суцільну компактну масу. Правда, магній і алюміній зберігають свій блиск, навіть будучи перетвореними в порошок, але більшість металів у мілкораздрібленому виді має чорний чи темно-сірий колір. Потім типові метали володіють високою тепло- і електропровідністю, причому по здатності проводити тепло і струм розташовуються в тому самому порядку: кращі провідники - срібло і мідь, гірші - свинець і ртуть. З підвищенням температури електропровідність падає, при зниженні температури, навпаки, збільшується.
Дуже важливою рисою металів є їх порівняно легка механічна властивість деформуватися. Метали пластичні, вони добре куються, витягаються в дріт, прокочуються в аркуші і т.п.
Характерні фізичні властивості металів знаходяться в зв'язку з особливостями їхньої внутрішньої структури. Відповідно до сучасних поглядів, кристали металів складаються з позитивно заряджених іонів і вільних електронів, які відщепилися від відповідних атомів. Весь кристал можна собі представити у виді просторових ґрат, вузли якої зайняті іонами, а в проміжках між іонами знаходяться легкорухливі електрони. Ці електрони постійно переходять від одних атомів до іншим і обертаються навколо ядра те одного, те іншого атома. Тому що електрони не зв'язані з визначеними іонами, те вже під впливом невеликої різниці потенціалів вони починають переміщатися у визначеному напрямку, тобто виникає електричний струм.
Наявністю вільних електронів обумовлюється і висока теплопровідність металів. Знаходячись у безупинному русі, електрони постійно зіштовхуються з іонами й обмінюються з ними енергією. Тому коливання іонів, що підсилилися в даній частині металу внаслідок нагрівання, зараз же передаються сусіднім іонам, від них - наступним і т.д., і тепловий стан металу швидко вирівнюється; уся маса металу приймає однакову температуру.
По щільності метали умовно підрозділяються на дві великі групи: легені метали, щільність яких не більше 5 г/см3, і важкі метали - всі інші. Щільність, а також температури плавлення деяких металів приведені в таблиці №1.
Таблиця №1
Щільність і температура плавлення деяких металів.
Частки металів, що знаходяться у твердому і рідкому стані, зв'язані особливим типом хімічного зв'язку - так називаним металевим зв'язком. Вона визначається одночасною наявністю звичайних ковалентних зв'язків між нейтральними атомами і кулонівським притяганням між іонами і вільними електронами. Таким чином, металевий зв'язок є властивістю не окремих часток, а їхніх агрегатів.
Хімічні властивості металів
Основною хімічною властивістю металів є здатність їхніх атомів легко віддавати свої валентні електрони і переходити в позитивно заряджені іони. Типові метали ніколи не приєднують електронів; їхні іони завжди заряджені позитивно.
Легко віддаючи при хімічних реакціях свої валентні електрони, типові метали є енергійними відновлювачами.
Здатність до віддачі електронів виявляється в окремих металів далеко не в однаковому ступені. Ніж легше метал віддає свої електрони, тим він активніше, тим енергійніше вступає у взаємодію з іншими речовинами.
Опустимо шматочок цинку в розчин якої-небудь свинцевої солі. Цинк починає розчинятися, а з розчину виділяється свинець. Реакція виражається рівнянням:
Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2
З рівняння випливає, що ця реакція є типовою реакцією окислювання-відновлення. Сутність її зводиться до того, що атоми цинку віддають свої валентні електрони іонам двовалентного свинцю, тим самим перетворюючи в іони цинку, а іони свинцю відновлюються і виділяються у виді металевого свинцю. Якщо надійти навпаки, тобто занурити шматочок свинцю в розчин цинкової солі, те ніякої реакції не відбудеться. Це показує, що цинк більш активний, чим свинець, що його атоми легше віддають, а іони сутужніше приєднують електрони, чим атоми й іони свинцю.
Витиснення одних металів з їхніх сполук іншими металами вперше було докладно вивчене росіянином ученим Бекетовим, що розташував метали по їх убутній хімічній активності в так називаний “витіснювальний ряд”. В даний час витіснювальний ряд Бекетова називається рядом напруг.
У таблиці №2 представлені значення стандартних електродних потенціалів деяких металів. Символом Me+/Me позначений метал Me, занурений у розчин його солі. Стандартні потенціали електродів, що виступають як відновлювачі стосовно водню, мають знак “-”, а знаком “+” відзначені стандартні потенціали електродів, що є окислювачами.
Таблиця №2
Стандартні електродні потенціали металів.
Метали, розташовані в порядку зростання їх стандартних електродних потенціалів, і утворять електрохімічний ряд напруг металів: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Ряд напруг характеризує хімічні властивості металів:
Чим менше електродний потенціал металу, тим більше його відбудовна здатність.
Кожен метал здатний витісняти(відновлювати) з розчинів солей ті метали, що коштують у ряді напруг після нього.
Усі метали, що мають негативний стандартний електродний потенціал, тобто, що знаходяться в ряді напруг лівіше водню, здатні витісняти його з розчинів кислот.
Необхідно відзначити, що представлений ряд характеризує поводження металів і їхніх солей тільки у водяних розчинах і при кімнатній температурі. Крім того, потрібно мати через, що висока електрохімічна активність металів не завжди означає його високу хімічну активність. Наприклад, ряд напруг починається літієм, тоді як більш активні в хімічному відношенні рубідій і калій знаходяться правіше літію. Це зв'язано з винятково високою енергією процесу гідратації іонів літію в порівнянні з іонами інших лужних металів.
Корозія металів
Майже всі метали, приходячи в зіткнення з навколишньою їх газоподібним чи рідким середовищем, більш-менш швидко піддаються з поверхні руйнуванню. Причиною його є хімічна взаємодія металів з газами, що знаходяться у повітрі, а також водою і розчиненими в ній речовинами.
Усякий процес хімічного руйнування металів під дією навколишнього середовища називають корозією.
Простіше всього протікає корозія при зіткненні металів з газами. На поверхні металу утворяться відповідні сполуки: оксиди, сірчисті сполуки, основні солі вугільної кислоти, що нерідко покривають поверхню щільним шаром, що захищає метал від подальшого впливу тих же газів.
Інакше обстоїть справа при зіткненні металу з рідким середовищем - водою і розчиненими в ній речовинами. Сполуки, що утворяться при цьому, можуть розчинятися, завдяки чому корозія поширюється далі всередину металу. Крім того, вода, що містить розчинені речовини, є провідником електричного струму, унаслідок чого постійно виникають електрохімічні процеси, що є одним з головних факторів, що обумовлюють і прискорюють корозію.
Чисті метали в більшості випадків майже не піддаються корозії. Навіть такий метал, як залізо, у зовсім чистому виді майже не іржавіє. Але звичайні технічні метали завжди містять різні домішки, що створює сприятливі умови для корозії.
Збитки, заподіювані корозією металів, величезні. Обчислено, наприклад, що внаслідок корозії щорічно гине така кількість стали, що дорівнює приблизно чверті усього світового видобутку його за рік. Тому вивченню процесів корозії і відшуканню найкращих засобів її запобігання приділяється дуже багато уваги.
Способи боротьби з корозією надзвичайно різноманітні. Найбільш простий з них полягає в захисті поверхні металу від безпосереднього зіткнення з навколишнім середовищем шляхом покриття олійною фарбою, лаком, чи емаллю, нарешті, тонким шаром іншого металу. Особливий інтерес з теоретичної точки зору представляє покриття одного металу іншим.
До них відносяться: катодне покриття, коли захищаючий метал коштує в ряді напруг правіше захищаючого (типовим прикладом може служити луджена, тобто покрита оловом, сталь); анодне покриття, наприклад, покриття стали цинком.
Для захисту від корозії доцільно покривати поверхня металу шаром більш активного металу, чим шаром менш активного. Однак інші розуміння нерідко змушують застосовувати також покриття з менш активних металів.
На практиці найчастіше приходиться вживати заходів до захисту стали як металу, особливо підданого корозії. Крім цинку, з більш активних металів для цієї мети іноді застосовують кадмій, що діє подібно цинку. З менш активних металів для покриття стали найчастіше використовують олово, мідь, нікель.
Покриті нікелем сталеві вироби мають красивий вигляд, чим пояснюється поширення нікелювання. При ушкодженні шаруючи нікелю корозія проходить менш інтенсивно, чим при ушкодженні шаруючи міді (чи олова), тому що різниця потенціалів для пари нікель-залізо набагато менше, ніж для пари мідь-залізо.
З інших способів боротьби з корозією існує ще спосіб протекторів, що полягає в тому, що металевий об'єкт, який захищається, приводиться в контакт із великою поверхнею більш активного металу. Так, у парові казани вводять аркуші цинку, що знаходяться в контакті зі стінками казана й утворюють з ними гальванічну пару.
Поняття про сплави
Характерною рисою металів є їхня здатність утворювати один з одним чи з неметалами сплави. Щоб одержати сплав, суміш металів звичайно піддають плавленню, а потім прохолоджують з різною швидкістю, що визначається природою компонентів і зміною характеру їхньої взаємодії в залежності від температури. Іноді сплави одержують спіканням тонких порошків металів, не прибігаючи до плавлення (порошкова металургія). Отже сплави - це продукти хімічної взаємодії металів.
Кристалічна структура сплавів багато в чому подібна чистим металам, що, взаємодіючи один з одним при плавленні і наступній кристалізації, утворять: а) хімічні сполуки, називані інтерметалідами; б) тверді розчини; в) механічну суміш кристалів компонентів.
Той чи інший тип взаємодії визначається співвідношенням енергії взаємодії різнорідних і однорідних часток системи, тобто співвідношенням енергій взаємодії атомів у чистих металах і сплавах.
Сучасна техніка використовує величезне число сплавів, причому в переважній більшості випадків вони складаються не з двох, а з трьох, чотири і більшого числа металів. Цікаво, що властивості сплавів часто різко відрізняються від властивостей індивідуальних металів, який вони утворені. Так, сплав, що містить 50% вісмуту, 25% свинцю, 12,5% олова і 12,5% кадмію, плавиться усього при 60,5 градусах Цельсія, у той час як компоненти сплаву мають відповідно температури плавлення 271, 327, 232 і 321 градус Цельсія. Твердість олов'яної бронзи (90% міді і 10% олова) утроє більше, ніж у чистої міді, а коефіцієнт лінійного розширення сплавів заліза і нікелю в 10 разів менше, ніж у чистих компонентів.
Однак деякої домішки погіршують якість металів і сплавів. Відомо, наприклад, що чавун (сплав заліза і вуглецю) не має ту міцність і твердістю, що характерні для сталі. Крім вуглецю, на властивості стали впливають добавки сірки і фосфору, що збільшують її крихкість.
Серед властивостей сплавів найбільш важливими для практичного застосування є жароміцність, корозійна стійкість, механічна міцність і ін. Для авіації велике значення мають легкі сплави на основі магнію, чи титана алюмінію, для металообробної промисловості - спеціальні сплави, що містять вольфрам, кобальт, нікель. В електронній техніці застосовують сплави, основним компонентом яких є мідь. Надпотужні магніти удалося одержати, використовуючи продукти взаємодії кобальту, самарію й інших рідкоземельних елементів, а зверхпровідні при низьких температурах сплави - на основі інтерметалідів, утворених ніобієм з оловом і ін.
VI. Способи одержання металів
Величезна більшість металів знаходиться в природі у виді сполук з іншими елементами.
Тільки деякі метали зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються самородними. Золото і платина зустрічаються майже винятково в самородному виді, срібло і мідь - почасти в самородному виді; іноді потрапляються також самородні ртуть, олово і деякі інші метали.
Добування золота і платини чи виробляється за допомогою механічного відділення їх від тієї породи, у якій вони укладені, наприклад промиванням води, чи шляхом витягу їх з породи різними реагентами з наступним виділенням металу з розчину. Всі інші метали добуваються хімічною переробкою їхніх природних сполук.
Мінерали і гірські породи, що містять сполуки металів і придатні для одержання цих металів заводським шляхом, звуться руд. Головними рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металів.
Найважливіший спосіб одержання металів з руд заснований на відновленні їхніх оксидів вугіллям.
Якщо, наприклад, змішати червону мідну руду (куприт) Cu2O з вугіллям і піддати сильному накалюванню, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться в оксид вуглецю(II), а мідь виділиться в розплавленому стані:
Cu2O + C = 2Cu + CO
Подібним же чином виробляється виплавка чавуна їхніх залізних руд, одержання олова з олов'яного каменю Sn2 і відновлення інших металів з оксидів.
При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті сполуки в кисневі шляхом випалювання в особливих печах, а потім уже відновлюють отримані оксиди вугіллям. Наприклад:
2Zn + 3O2 = 2Zn + 2SO2
Zn + C = Zn + CO
У тих випадках, коли руда являє собою сіль вугільної кислоти, її можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, тому що при нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:
ZnCO3 = Zn + CO2
Звичайно руди, крім хімічної сполуки даного металу, містять ще багато домішок у виді піску, глини, вапняку, що дуже важко плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руди домішують різні речовини, що утворять з домішками легкоплавкі сполуки - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як флюс уживають пісок, що утворить з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у випадку великої кількості піску флюсом служить вапняк.
У багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) так велико, що безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідної. Такі руди попередньо “збагачують”, тобто видаляють з них частина домішок. Особливо широким поширенням користається флотационний спосіб збагачення руд (флотація), заснований на різнії змочуваності чистої руди і порожньої породи.
Дуже важливим способом одержання металів є також електроліз. Деякі найбільш активні метали виходять винятково шляхом електролізу, тому що всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їхніх іонів.
