Металлы их положение в периодической. Л.п.иванова, учитель химии новинской средней школы (астраханская обл.)

Классификации:

Все неорганические соединения делятся на две большие группы:

Простые вещества - состоят из атомов одного элемента;

Сложные вещества - состоят из атомов двух или более элементов.

Простые вещества

• неметаллы

  амфотерные простые вещества

  благородные газы

Сложные вещества по химическим свойствам делятся на:

осно́вные оксиды

кислотные оксиды

амфотерные оксиды

двойные оксиды

несолеобразующие оксиды

Гидроксиды;

основания

• амфотерные гидроксиды

средние соли

кислые соли

осно́вные соли

двойные и/или комплексные соли

бинарные соединения:

бескислородные кислоты

бескислородные соли

прочие бинарные соединения

Неорганические вещества, содержащие углерод:

Данные вещества традиционно относятся к области неорганической химии:

Карбонаты

• Оксиды углерода

• Неорганические тиоцианаты (роданиды)

  Селеноцианаты

Карбонилы металлов

Металлы - группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами , такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Характерные свойства металлов

Металлический блеск

Хорошая электропроводность

Возможность лёгкой механической

Высокая плотность

Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)

Большая теплопроводность

В реакциях чаще всего являются восстановителями окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

Неметаллы - химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы.

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов, и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.

Вопрос 25:

Электрохимический ряд активности (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) металлов - последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения ихстандартных электрохимических потенциалов, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в

Соли взаимодействуют с металлами - более активные металлы, расположенные левее в электрохимическом ряду напряжений**, вытесняют из солей менее активные металлы. Например, железо вытесняет медь из раствора хлорида меди (II): Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu↓

Вопрос 28: Металлы, их положение в периодической системе химических элементов д.И. Менделеева, строение их атомов, металлические связи. Общие химические свойства металлов.

Положение металлов в периодической системе.

Все химические элементы принято делить на металлы и неметаллы. Большинство элементов (более 85 из 109 известных) - это металлы.

К металлам относятся s–элементы (элементы IA и IIA групп за исключением водорода и гелия); некоторые p–элементы (Al, Sn, Pb и другие); все d–элементы (элементы побочных подгрупп); все f–элементы (лантаноиды и актиноиды).

Так как металлические свойства элементов с увеличением заряда ядра их атомов в периодах ослабевают, а в главных подгруппах усиливаются, то наиболее активные металлы сосредоточены в левом нижнем углу периодической системы элементов.

Строение металлов .

Отличительные особенности в строении атомов металлов - их большие по сравнению с неметаллами размеры (радиус) и небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (как правило, 1-2 электрона, реже 3 или 4). Этим объясняется слабая связь внешних (валентных) электронов с ядром и способность атомов металлов легко отдавать эти электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Этот процесс обратим, катионы металлов могут вновь притягивать к себе электроны (не только «свои», но и «чужие», то есть «потерянные» другими атомами). Иными словами, электроны свободно перемещаются в объеме металла, являются общими, «коллективными», называемыми также «электронным газом». Эти электроны и обеспечивают химическую связь металлов. В отличие от ковалентной связи (чаще всего образуемой парой электронов между двумя соседними атомами), металлическая связь делокализована (многоцентровая).

Металлическая связь - это связь в металлах между атомами и ионами, образованная за счет обобществления электронов.

Металлическая связь бывает не только в чистых металах но также характерна для смесей разных металов, сплавов в разных агрегатных состояниях. Металлическая связь имеет важное значение и обуславливает основные свойства металлов - электропроводность – беспорядочное движение електронов в объеме металла. Но при небольшой разности потенциалов, чтобы электроны двигались упорядоченно. Металами с лучшей проводимостью являются Ag, Cu, Au, Al. - пластичность Связи между слоями металла не очень значительны, это позволяет перемещать слои под нагрузкой (деформировать металл не ломая его). Наилучше деформирующиеся металы (мягкие)Au, Ag, Cu. - металлический блеск Электронный газ отражает почти все световые лучи. Вот почему чистые металлы так сильно блестят и чаще всего имеют сенрый или белый цвет. Металы являющиеся наилучшими отражателями Ag, Cu, Al, Pd, H

Сильные восстановители: Me 0 – nē ® Me n+

Часть I

1. Положение металлов (М) в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Условная диагональ от В к At через элементы А групп: IV → V → VI. На диагонали и над ней расположены неметаллы, а под ней – металлы.
Только из М состоят В группы. Всего из 110 элементов к металлам относят 88 элементов.
IA группа – это щелочные металлы.
IIA группа – это щелочноземельные металлы.

2. Особенности строения атомов М:

1) число е во внешнем слое атома 1-3;
2) R атома – большие размеры.

3. Относительность деления элементов на М и НМ (приведите примеры):

1) серое олово – НМ, белое олово – М.
2) графит – НМ, но электропроводный.
3) Cr, Zn, Al – М, но амфотерные.

4. Металлическая химическая связь – это связь в металлах и сплавах между атом-ионами посредством обобществлённых е.

Общая схема образования металлической связи:

5. Заполните таблицу «Строение и свойства металлов».

6. Запишите признаки, по которым можно различить пластины, изготовленные:

а) из алюминия и меди – цвет, плотность, электро- и теплопроводность
б) из свинца и алюминия – цвет, плотность, температура плавления
в) из серебра и графита – цвет, форма, электропроводность.

7. Используя рисунки, заполните пропуски, чтобы получилась последовательность: название металла (ов), свойства (о), область (и) применения.

а) чугунная батарея - чугун, теплопроводность, прочность, износостойкость. В хозяйстве, быту, металлургии.
б) алюминиевая фольга – алюминий, легко раскатывается, пластичность, высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость. В пищевой промышленности, производство сплавов.
в) стальные кнопки и скрепки – сталь, «мягкая» сталь, эластична, легко гнется, не ржавеет, прочная и твердая. Во всех отраслях народного хозяйства.
г) металлическая опора – железо (сталь), прочны, твердые, не подвергаются действию среды. Во всех отраслях народного хозяйства.
д) купола – золото, инертное, внешний вид. Используется в строительстве – прокатка, в ювелирном деле.
е) термометр – ртуть (жидкий металл), расширяется при нагревании, в медицинских термометрах. Получение сплавов, для добычи золота. Лампы.

8. Заполните таблицу «Классификация металлов».

9. Сплав – это – это однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

10. Чёрные сплавы:

11. Заполните таблицу «Сплавы и их компоненты».

12. Подпишите названия сплавов, из которых могут быть сделаны изображённые на рисунках предметы.

а) сталь
б) мельхиор
в) дюралюминий
г) бронза
д) бронза
е) чугун

Часть II

1. Атомы металлов, имеющие во внешнем слое:

а) 5е – Sb (сурьма), Bi (висмут)
б) 6е – Po (полоний)

Почему?
Они расположены в 5 и 6 группах соответственно

2. Атом металла, имеющий во внешнем слое 3е , - бор.
Почему?
Он расположен в 3 группе.

3. Заполните таблицу «Строение атома и химическая связь».

4. Исключите «лишний элемент».
4) Si

5. Какая из следующих групп элементов содержит только металлы?
Нет правильного ответа

6. Какое физическое свойство не является общим для всех металлов?
3) твёрдое агрегатное состояние при стандартных условиях

7. Какое утверждение верно?
4) атомы металлов и металлы – простые вещества проявляют только восстановительные свойства.

8. Все элементы главных подгрупп являются металлами, если они расположены в Периодической системе ниже диагонали:
3) бор – астат

9. Число электронов на внешнем электронном уровне атома металла, находящегося в главной подгруппе Периодической системы, не может быть равно:

Задачи урока:

Обучающая - рассмотреть положение металлов в системе элементов Д.И. Менделеева, познакомить обучающихся с основными свойствами металлов, выяснить, чем они обусловлены, познакомить с понятием коррозия металлов

Развивающая – уметь находить в таблице ПСХЭ металлы, уметь сравнивать металлы и неметаллы, объяснять причины химических и физических свойств металлов, развивать теоретическое мышление учащихся и их умение прогнозировать свойства металлов на основе их строения.

Воспитывающая - способствовать развитию познавательного интереса учащихся к изучению химии

Тип урока: урок изучения нового материала.

Методы обучения : словесные и наглядные

Ход урока:

Хронометраж урока.

Организационный момент (1 мин.)

Актуализация знаний(3 мин)

Изучение нового материала

1.1. Положение в периодической системе. (10 мин)

1.2. Особенности электронного строения атомов.(10 мин)

1.3. Восстановительные свойства металлов. (10 мин)

2.1. Металлическая связь. (5 мин)

4. Эмоциональная разгрузка 2 мин

2.2. Физические свойства.(10 мин)

3. Химические свойства. (17 мин)

4. Коррозия металлов.(5 мин)

Закрепление (15 мин)

Задание на дом (3 мин)

Итог урока (1мин)

Организационный момент

(Взаимное приветствие, фиксация присутствующих).

Актуализация знаний. В начале урока учитель акцентирует внимание учащихся на значимости новой темы, определяемой той ролью, которую металлы играют в природе и во всех сферах деятельности человека . Промышленность

Учитель читает загадку:

Я твердый, ковкий и пластичный,

Блестящий, нужный всем, практичный.

Я вам уже подсказку дал,

Так кто же я такой…? и предлагает записать отгадку в тетрадь в виде темы урока?

Изучение нового материала

План лекции.

1. Характеристика элемента-металла.

1.2. Особенности электронного строения атомов.

1.3. Восстановительные свойства металлов.

2. Характеристика простого вещества.

2.1. Металлическая связь.

2.2. Физические свойства.

3. Химические свойства.

4. Коррозия металлов.

1.1. Положение в периодической системе.

Условная граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами проходит по диагонали В (бор) - (кремний) - Si (мышьяк) - Те (теллур) - Аs (астат) (проследите ее в таблице Д. И. Менделеева)..

Начальные элементы образуют главную подгруппу I группы и называются щелочными металлами . Свое название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, - щелочей.

Из элементов главных подгрупп следующих групп к металлам относят: в IV группе германий, олово, свинец(32,50,82) (первые два элемента - углерод и кремний - неметаллы), в V группе сурьма и висмут(51,83) (первые три элемента - неметаллы), в VI группе только последний элемент - полоний(84) - явно выраженный металл . В главных подгруппах VII и VIII групп все элементы - типичные неметаллы.

Что касается элементов побочных подгрупп, то все они металлы.

Атомы щелочных металлов содержат на внешнем энергетическом уровне только один электрон, который они легко отдают при химических взаимодействиях, поэтому 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 и элементы главной подгруппы III группы, исключая бор.

к 3 группе относятся металлы называемые подгруппой алюминия.

1.2 Особенности электронного строения металлов.

Учащиеся на основе полученных знаний формулируют сами определение «металл»

Металлы - это химические элементы, атомы которых отдают электроны внешнего (а иногда предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы. Металлы – восстановители. Это обусловлено небольшим числом электронов внешнего слоя, большим радиусом атомов, вследствие чего эти электроны слабо удерживаются с ядром. 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.
Атомы металлов имеют сходство в строении внешнего электронного слоя, который образован небольшим числом электронов (в основном не больше трех).
Это утверждение можно проиллюстрировать на примерах Na, алюминия А1 и цинка Zn. Составляя схемы строения атомов, по желанию можно составлять электронные формулы и приводить примеры строения элементов больших периодов, например цинка.

В связи с тем, что электроны внешнего слоя атомов металлов слабо связаны с ядром, они могут быть «отданы» другим частицам, что и происходит при химических реакциях:

Свойство атомов металлов отдавать электроны является их характерным химическим свойством и свидетельствует о том, что металлы проявляют восстановительные свойства.

1.3 Восстановительные свойства металлов.

Как изменяется окислительная способность элементов III периода?

(окислительные свойства в периодах усиливаются, а восстановительные – ослабевают. Причиной изменения этих свойств- увеличение количества электронов на последней орбитале.)

Как изменяются окислительные свойства у элементов 4 группы главной подгруппы? (снизу вверх окислительные свойства усиливаются. Причиной изменения этих свойств является уменьшение радиуса атома(легче принять чем отдать)

Исходя из положения металлов в Периодической системе какой можно сделать вывод об окислительно-восстановительных свойствах элементов- металлов?

(Металлы являются восстановителями в химических реакциях, т.к. отдают свои валентные электроны)

Учащиеся отвечают, что прочность связи валентных электронов с ядром зависит от двух факторов: величины заряда ядра и радиуса атома. .

(запись вывода в тетрадях учащихся)в периодах с увеличением заряда ядра восстановительные свойства уменьшаются.

У элементов – металлов побочных подгрупп свойства чуть-чуть другие.

Учитель предлагает сравнить активность элементов побочной подгруппы. Cu , Ag , Au – активност ь элементов – металлов падает. Эта закономерность наблюдается и у элементов второй побочной подгруппы Zn , Cd , Hg .Увеличение электронов на внешнем уровне поэтому восстановительные свойства ослабевают

У элементов побочных подгрупп – это элементы 4-7 периодов 31-36, 49-54 – с увеличением порядкового элемента радиус атомов изменятся мало, а величина заряда ядра увеличивается значительно, поэтому прочность связи валентных электронов с ядром усиливается, восстановительные свойства ослабевают.

2.1. Металлическая связь.

Металлическая связь осуществляется посредством взаимного притяжения атом-ионов и относительно свободных электронов.

Рисунок 1.
Строение кристаллической решетки металлов

В металлах валентные электроны удерживаются атомами крайне слабо и способны мигрировать. Атомы, оставшиеся без внешних электронов, приобретают положительный заряд. Они образуют металлическую кристаллическую решётку.

Совокупность обобществлённых валентных электронов (электронный газ), заряженных отрицательно, удерживает положительные ионы металла в определённых точках пространства - узлах кристаллической решётки, например, металла серебро.

Внешние электроны могут свободно и хаотично перемещаться, поэтому металлы характеризуются высокой электропроводностью (особенно золото, серебро, медь, алюминий).

Химическая связь предполагает определенный вид кристаллической решетки. Металлическая химическая связь способствует образованию кристаллов с металлической кристаллической решеткой. В узлах кристаллической решетки находятся атом-ионы металлов, а между ними свободно движущиеся электроны. Металлическая связь отличается от ионной, т.к. нет анионов, хотя есть катионы. Отличается она и от ковалентной, т.к. не образуются общие электронные пары.

Эмоциональная разгрузка

Отсутствие какого металла описал академик А. Е. Ферсман?

На улицах стоял бы ужас разрушения: ни рельсов, ни вагонов, ни паровозов, ни автомобилей не оказалось бы, даже камни мостовой превратились бы в глинистую труху, а растения начали бы чахнуть и гибнуть без этого металла. Разрушение ураганом прошло бы по всей Земле, и гибель человечества сделалась бы неминуемой. Впрочем, человек не дожил бы до этого момента, ибо лишившись трех граммов этого металла в своем теле и в крови, он бы прекратил свое существование раньше, чем развернулись бы нарисованные события (Ответ: Все люди бы погибли, лишившись железа в крови)

Назовите металл фальшивомонетчиков

Название металлу было дано испанскими конкистадорами, которые в середине XVI в. впервые познакомились в Южной Америке (на территории современной Колумбии) с новым металлом, внешне похожим на серебро. Название металла буквально означает «маленькое серебро», «серебришко».

Объясняется такое пренебрежительное название исключительной тугоплавкостью металла, который не поддавался переплавке, долгое время не находил применения и ценился вдвое ниже, чем серебро. Они использовали этот металл для изготовления фальшивых монет.

На сегодняшний день, этот металл, используемый как катализатор и в ювелирном деле, является одним из самых дорогих.

В чистом виде ее в природе не существует. Самородная платина обычно представляет собой естественный сплав с другими благородными (палладий, иридий, родий, рутений, осмий) и неблагородными (железо, медь, никель, свинец, кремний) металлами. Для ее получения самородки разогревают в котлах с "царской водкой" (смесь азотной и соляной кислоты) и затем "доводят" многочисленными химическими реакциями, нагревом и плавкой.

Таким образом, кристаллическая решетка зависит и определяется видом химической связи, но в то же время является причиной для физических свойств.

2.2. Физические свойства.

Учитель подчеркивает, что физические свойства металлов определяются именно их строением.

а) твердость – все металлы кроме ртути, при обычных условиях твердые вещества. Самые мягкие – натрий, калий. Их можно резать ножом; самый твердый хром – царапает стекло

б) плотность. Металлы делятся на мягкие (5г/см³) и тяжелые (меньше 5г/см³).

в) плавкость. Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

г) электропроводность, теплопроводность металлов обусловлена их строением. Хаотически движущиеся электроны под действием электрического напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает электрический ток.

При повышении температуры амплитуда движения атомов и ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки резко возрастает, и это мешает движению электронов, и электропроводность металлов падает.

Следует отметить, что у некоторых неметаллов, при повышении температуры электропроводность возрастает, например, у графита, при этом с повышением температуры разрушаются некоторые ковалентные связи, и число свободно перемещающихся электронов возрастает.

д) металлический блеск – электроны, заполняющие межатомное пространство отражают световые лучи, а не пропускают как стекло. Попадают на узлы кристаллической рещетки. Поэтому все металлы в кристаллическом состоянии имеют металлический блеск. Для большинства металлов в ровной степени рассеиваются все лучи видимой части спектра, поэтому они имеют серебристо-белый цвет. Только золото и медь в большой степени поглощают короткие волны и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют желтый цвет. Самые блестящие металлы – ртуть, серебро, палладий. В порошке все металлы, кроме Al и Mg , теряют блеск и имеют черный или темно-серый цвет.

е) пластичность

Механическое воздействие на кристалл с металлической решеткой вызывает только смещение слоев атомов и не сопровождается разрывом связи, и поэтому металл характеризуется высокой пластичностью.

3. Химические свойства.

По своим химическим свойствам все металлы являются восстановителями, все они сравнительно легко отдают валентные электроны, переходят в положительно заряженные ионы, то есть окисляются . Восстановительную активность металла в химических реакциях, протекающих в водных растворах, отражает его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов(Открыл и составил Бекетов)

Чем левее стоит металл в ряду электрохимическом ряду напряжений металлов, тем более сильным восстановителем он является, самый сильный восстановитель – металлический литий, золото – самый слабый, и, наоборот, ион золото (III) – самый сильный окислитель, литий (I) – самый слабый.

Каждый металл способен восстанавливать из солей в растворе те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него, например, железо может вытеснять медь из растворов ее солей. Однако следует помнить, что металлы щелочных и щелочно-земельных металлов будут взаимодействовать непосредственно с водой.

Металлы, стоящее в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов разбавленных кислот, при этом растворяться в них.

Восстановительная активность металла не всегда соответствует его положению в периодической системе, потому что при определении места металла в ряду учитывается не только его способность отдавать электроны, но и энергия, которая затрачивается на разрушение кристаллической решетки металла, а также энергия, затрачиваемая на гидратацию ионов.

Взаимодействие с простыми веществами

С кислородом большинство металлов образует оксиды – амфотерные и основные:

4Li + O 2 = 2Li 2 O,

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 .

Щелочные металлы, за исключением лития, образуют пероксиды:

2Na + O 2 = Na 2 O 2 .

С галогенами металлы образуют соли галогеноводородных кислот, например,

Cu + Cl 2 = CuCl 2 .

С водородом самые активные металлы образуют ионные гидриды – солеподобные вещества, в которых водород имеет степень окисления -1.

2Na + H 2 = 2NaH.

С серой металлы образуют сульфиды – соли сероводородной кислоты:

Zn + S = ZnS.

С азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании:

3Mg + N 2 = Mg 3 N 2 .

С углеродом образуются карбиды:

4Al + 3C = Al 3 C 4 .

С фосфором – фосфиды:

3Ca + 2P = Ca 3 P 2 .

Металлы могут взаимодействовать между собой, образуя интерметаллические соединения :

2Na + Sb = Na 2 Sb,

3Cu + Au = Cu 3 Au.

Металлы могут растворяться друг в друге при высокой температуре без взаимодействия, образуя сплавы.

Отношение металлов к кислотам.

Чаще всего в химической практике используются такие сильные кислоты как серная H 2 SO 4 , соляная HCl и азотная HNO 3 .

с HCl

Образующиеся в этом процессе ионы водорода H + выполняют роль окислителя, окисляя металлы, расположенные в ряду активности левее водорода . Взаимодействие протекает по схеме:

Me + HCl - соль + H 2

2 Al + 6 HCl → 2 AlCl 3 + 3 H 2

2│Al 0 – 3 e - → Al 3+ - окисление

3│2H + + 2 e - → H 2 – восстановление

«Царская водка» (ранее кислоты называли водками) представляет собой смесь одного объема азотной кислоты и трех-четырех объемов концентрированной соляной кислоты, обладающую очень высокой окислительной активностью. Такая смесь способна растворять некоторые малоактивные металлы, не взаимодействующие с азотной кислотой. Среди них и «царь металлов» - золото. Такое действие «царской водки» объясняется тем, что азотная кислота окисляет соляную с выделением свободного хлора и образованием хлороксида азота (III), или хлорида нитрозила – NOCl:

Реакции окисления золота протекают согласно следующим уравнениям:

Au + HNO3 + 4 HCl → H + NO + 2H2O

Если кислоты могут взаимодействовать с основаниями и основными оксидами, а ключевым элементом в их составе является металл, то возможно ли взаимодействие металлов с кислотами. Проверим это экспериментально.

Магний взаимодействует с кислотой при нормальных условиях, цинк - при нагревании, медь - не взаимодействует.

Ряд напряжений используется на практике для сравнительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе:

Металлы, стоящие левее, являются более сильными восстановителями, чем металлы, расположенные правее: они вытесняют последние из растворов солей . Металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют водород при взаимодействии с водными растворами кислот-неокислителей; наиболее активные металлы (до алюминия включительно) - и при взаимодействии с водой.

Металлы, стоящие в ряду правее водорода, с водными растворами кислот-неокислителей при обычных условиях не взаимодействуют.

При электролизе металлы, стоящие правее водорода, выделяются на катоде; восстановление металлов умеренной активности сопровождается выделением водорода; наиболее активные металлы (до алюминия) невозможно при обычных условиях выделить из водных растворов солей.

4. Коррозия металлов – физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы.

Слово коррозия происходит от латинского «corrodo» – «грызу» (позднелатинское «corrosio» означает «разъедание»).

Коррозия вызывается химической реакцией металла с веществами окружающей среды, протекающей на границе металла и среды. Чаще всего это окисление металла, например, кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, с которыми контактирует металл. Особенно подвержены этому металлы, расположенные в ряду напряжений (ряду активности) левее водорода, в том числе железо.

В результате коррозии железо ржавеет. Этот процесс очень сложен и включает несколько стадий. Его можно описать суммарным уравнением:

4Fe + 6H 2 O (влага) + 3O 2 (воздух) = 4Fe(OH) 3

Гидроксид железа(III) очень неустойчив, быстро теряет воду и превращается в оксид железа(III). Это соединение не защищает поверхность железа от дальнейшего окисления. В результате железный предмет может быть полностью разрушен.

Для замедления коррозии на поверхность металла наносят лаки и краски, минеральные масла и смазку. Подземные конструкции покрывают толстым слоем битума или полиэтилена. Внутренние поверхности стальных труб и резервуаров защищают дешевыми покрытиями из цемента.

Для стальных изделий используют так называемые преобразователи ржавчины, содержащие ортофосфорную кислоту (Н 3 РО 4 ) и ее соли. Они растворяют остатки оксидов и формируют плотную и прочную пленку фосфатов, которая способна на некоторое время защитить поверхность изделия. Затем металл покрывают грунтовочным слоем, который должен хорошо ложиться на поверхность и обладать защитными свойствами (обычно используют свинцовый сурик или хромат цинка). Только после этого можно наносить лак или краску.

Закрепление (15 мин)

Учитель:

Теперь, для закрепления проведем тест.

Решите тестовые задания

1.Выберите группу элементов, в которой находятся только металлы:

А ) Al, As, P; Б ) Mg, Ca, Si; В ) K, Ca, Pb

2. Выберите группу, в которой находятся только простые вещества – неметаллы:

А ) K 2 O, SO 2 , SiO 2 ; Б ) H 2 , Cl 2 , I 2 ; В )Ca, Ba, HCl;

3. Укажите общее в строении атомов K и Li:

А) 2 электрона на последнем электронном слое;

Б) 1 электрон на последнем электронном слое;

В) одинаковое число электронных слоев.

4. Металлический кальций проявляет свойства:

А) окислителя;

Б) восстановителя;

В) окислителя или восстановителя в зависимости от условий.

5. Металлические свойства натрия слабее, чем у –

А) магния; Б) калия; В) лития.

6. К неактивным металлам относятся:

А) алюминий, медь, цинк; Б) ртуть, серебро, медь;

В) кальций, бериллий, серебро.

7. Какое физическое свойство не является общими для всех металлов:

А) электропроводность, Б) теплопроводность,

В) твердое агрегатное состояние при нормальных условиях,

Г) металлический блеск

8.Металлы при взаимодействий с неметаллами проявляют свойства:

а) окислительные;

б) восстановительные;

в) и окислительные, и восстановительные;

г) не участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.

9.В периодической системе типичные металлы расположен

а) верхней части

б) нижней части

в) правом верхнем углу

г) левом нижнем углу

Часть В. Ответом к заданиям этой части является набор букв, которые следует записать

Установите соответствие.

С увеличением порядкового номера элемента в главной подгруппе II группы Периодической системы свойства элементов и образуемых ими веществ изменяются следующим образом:

1) число электронов на внешнем уровне

А) увеличивается

3) электроотрицательность

4) восстановительные свойства

Б) уменьшается

В) не изменяется

(Ответы: 1 –Г, 2 –А, 3 –В, 4-Б, 5-Г)

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Закончить уравнения практически осуществимых реакций, назвать продукты реакции

Li+ H 2 O =

Cu + H 2 O = Cu ( OH ) 2 + H 2

Ba + H 2 O =

Mg + H 2 O =

Ca + HCl=

2 Na + 2 H 2 SO 4 ( К )= Na 2 SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

HCl + Zn =

H 2 SO 4 ( к )+ Cu= CuSO 4 + SO 2 + H 2 O

H 2 S + Mg =MgS+H 2

HCl + Cu =

Задание на дом: записи в тетрадях, сообщения о применении металлов.

Учитель Предлагает создать синквейн по теме.

1 строка: Существительное (одно по теме) (Металлы)

2 строка: два прилагательных

3 строка: три глагола

4 строка: четыре слова объединённых в предложение

5 строка: слово выражающее сущность данной темы.

Итог урока

Учитель : И так, мы рассмотрели строение и физические свойства металлов, их положение в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• положение металлов в периодической системе;
• биологическую роль и применение металлов в медицине;

уметь

• охарактеризовать особенности строения атомов металлических элементов;
• описывать природу металлической связи и ее отличия от обычной ковалентной или ионной связи;
• объяснять особенности кристаллической структуры металлов;
• составлять уравнения реакций, характеризующих химические свойства металлов;
• описывать важнейшие способы получения металлов, реакции обнаружения катинов металлов;

владеть

Навыками интерпретации важнейших свойств металлов в соответствии с их положением в периодической системе.

Положение в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и общие свойства металлов

Более 80% известных химических элементов являются металлами, и в соответствии со строением электронных оболочек к ним относятся s-элемен- ты 1-й и 2-й групп, все элементы d- и /-семейств, p-элементы 13-й группы (кроме бора), а также олово и свинец (14-я группа), висмут (15-я группа) и полоний (17-я группа). Металлы в большинстве своем имеют на внешнем энергетическом уровне 1-2 электрона. Этим объясняется их слабая по сравнению с неметаллами электроотрицательность.

Элементы-металлы, относящиеся к 5-семейству, составляют 1-ю и 2-ю группы, а принадлежащие к J-семейству - 3-12-ю группы. У атомов d- элементов внутри периодов слева направо происходит заполнение ^-подуровней предвнешнего уровня.

Металлы, в атомах которых происходит заполнение /-подуровней третьего от конца уровня, образуют семейства лантаноидов и актиноидов, каждое из которых содержит по 14 элементов.

Физические свойства. Металлы имеют кристаллическую структуру, и для них характерны три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная, гексагональная и кубическая объемно-центрированная (см. рис. 5.7 в параграфе 5.2).

Электрическая проводимость, которая является важнейшей физической характеристикой металлического состояния, осуществляется этими электронами. По этой причине металлы относятся к проводникам I рода, т.е. к веществам, в межатомном пространстве которых всегда есть свободные электроны, и благодаря последним создается ток в проводнике. Проводники II рода - это электролиты.

Если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, то свободные электроны приобретают направленное движение и перемещаются от отрицательного полюса к положительному, т.е. создается направленный поток движущихся электронов - электрический ток.

Электрическая проводимость металлов сильно зависит от температуры. С повышением температуры колебательные движения ионов в узлах решетки усиливаются, а это, в свою очередь, очень препятствует направленному движению электронов. С понижением температуры тепловые колебания ионов в узлах сильно уменьшаются и электрическая проводимость увеличивается. При температурах, близких к абсолютному нулю, у большинства металлов проявляется сверхпроводимость.

Теплопроводимость металлов также связана с подвижностью свободных электронов и колебательным движением самих атомов. Эти колебания распространяются в виде системы упругих тепловых волн но всей кристаллической решетке. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися атомами и обмениваются с ними энергией. Поэтому при нагревании металла тепловая энергия незамедлительно передается от одних атомов к другим благодаря свободным электронам. При этом сравнительно быстро происходит выравнивание температуры по всей массе металла.

Все металлы, за исключением ртути, являются твердыми веществами. Ртуть - единственный металл, жидкий при обыкновенных условиях: температура плавления равна -39°С. Большинство металлов имеет цвет от темно-серого до серебристо-белого. В промышленности существует разделение металлов на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и все его сплавы, а остальные металлы - к цветным. Иногда особо выделяют благородные металлы - золото и платиновые металлы.

По плотности металлы делят на легкие и тяжелые. К первым относят такие, у которых плотность меньше 5 г/см 3 ; ко вторым - у которых плотность больше 5 г/см 3 .

По значениям температур плавления металлы делят на легкоплавкие (температура плавления меньше 1000°С) и тугоплавкие (температура плавления больше 1500°С). К числу главных механических свойств относятся: упругость - свойство восстанавливать свою первоначальную форму после снятия деформирующих сил; пластичность - состояние металла, в котором он способен сохранять изменение формы, вызванное воздействием деформирующих сил после того, как их действие прекращено.

Химические свойства. Свойства металлов обусловлены характерным строением их внешних электронных оболочек.

Как уже указывалось, в пределах периода с увеличением заряда ядра радиусы атомов при одинаковом числе электронных оболочек уменьшаются. В каждом периоде наибольшими радиусами обладают атомы щелочных металлов. Чем меньше радиус атома, тем больше энергия ионизации, а чем больше радиус атома, тем эта энергия меньше. Поскольку атомы щелочных металлов обладают наибольшими радиусами атомов, то для них характерны в целом сравнительно низкие значения энергии ионизации и сродства к электрону.

Свободные металлы проявляют исключительно восстановительные свойства.

Металлы образуют оксиды М х О у, например:

С галогенами металлы образуют галогениды, которые являются солями соответствующих галогеноводородных кислот:

Металлы способны присоединить водород, образуя гидриды. Реакция обычно протекает при температуре 350-400°С:

Характерны реакции металлов, стоящих в ряду активности металлов до водорода, с кислотами. Если металл взаимодействует с кислотой, анион которой не является окислителем, то функции окислителя выполняет протон кислоты:

Некоторые металлы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды, вступают в реакцию и со щелочами:

Металлы взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами (подробно см. соответствующие главы).

При взаимодействии с водными растворами солей нейтральный атом более активного металла, окисляясь, восстанавливает ион металла из молекулы соли:

Реакции протекают в соответствии с положением металлов в электрохимическом ряду напряжений (см. гл. 8).

Активные металлы взаимодействуют с водой:

Получение. Большинство металлов в природе встречается в виде соединений, и лишь немногие из них (благородные и полублагородные) - в самородном состоянии.

Природные материалы и горные породы, которые содержат соединения металлов, называют рудами. Все способы получения металлов из руд основаны на реакциях восстановления. Восстановление безводных соединений металлов при высоких температурах называется пирометаллургическим процессом. В качестве восстановителей используют либо металлы (металлотермия), либо углерод (карботермия).

Частным случаем металлотермии является алюминотермия:

Металлотермией обычно пользуются для получения тугоплавких металлов, таких как титан, молибден, хром, вольфрам и др.:

В основе карботермии лежит термическое восстановление металла из его оксида углеродом (или СО):

Восстановление металлов из их оксидов может быть проведено и с помощью водорода:

Из водных растворов солей металлы могут быть восстановлены электролизом. Катодное восстановление металлов из растворов или расплавов солей называется электрометаллургическим процессом.

Некоторые методы получения будут рассмотрены более подробно при изучении конкретных представителей металлов.

Сплавы. Характерной особенностью металлов является их способность смешиваться друг с другом в расплавленном состоянии и образовывать гомогенные смеси. Они остаются гомогенными и после охлаждения. Системы, образующиеся при затвердении расплавленной смеси металлов, называются сплавами. В более широком смысле сплавы можно рассматривать как макроскопически однородные системы, состоящие из двух или нескольких металлов (реже - металлов и неметаллов). Строение сплавов может быть различным. Составные части сплавов могут образовать твердый раствор, либо макрооднородную механическую смесь, либо химическое соединение (интерметаллические соединения). Образование того или иного типа сплава зависит от активности металлов. Системы в виде твердых растворов образуются между металлами одной и той же группы или же металлами, у которых близки радиусы атомов.

Химическая связь в сплавах металлическая, благодаря чему они обладают электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском (это блеск металлов, например блестят золото, сталь и др.) и т.д.

При взаимодействии металлов друг с другом образующиеся соединения по свойствам отличаются от свойств составных компонентов. Формульный состав интерметаллических соединений не всегда удовлетворяет классическим представлениям о валентности элементов.

Так, ртуть соединяется со многими металлами с образованием твердых или жидких композиций - сплавов, называемых амальгамами. Щелочные и щелочно-земельные металлы образуют устойчивые амальгамы, представляющие собой твердые вещества состава NaHg 9 , KHg 2 , Callg и т.д.

Сплавы, как правило, имеют температуру плавления более низкую, чем температура плавления входящих в их состав металлов. Твердость сплавов намного выше твердости отдельных металлов. Коррозионная стойкость многих сплавов выше, чем индивидуальных металлов.

Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп), а справа вверху – элементы-неметаллы. Элементы, расположенные вблизи диагонали (Be, Al, Ti, Ge, Nb, Sb и др.), обладают двойственным характером.

К элементам - металлам относятся s - элементы I и II групп, все d- и f - элементы, а также p- элементы главных подгрупп: III (кроме бора), IV (Ge, Sn, Pb), V (Sb,Bi) и VI (Po). Наиболее типичные элементы – металлы расположены в начале периодов (начиная со второго).

Общие свойства металлов
Виды кристаллических решеток

Кристаллические решетки металлического типа содержат в узлах положительно заряженные ионы и нейтральные атомы; между ними передвигаются относительно свободные электроны.

Общие физические свойства

Объясняются особым строением кристаллической решетки - наличием свободных электронов ("электронного газа").

1) Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду ––Au,Ag,Cu,Sn,Pb,Zn,Fe® уменьшается.

2) Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.

3) Электропроводность.

Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду ––Ag,Cu,Al,Fe® уменьшается.

При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа".

4) Теплопроводность. Закономерность та же. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность - у висмута и ртути.

5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.

6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий - литий (r=0,53 г/см 3); самый тяжелый – осмий (r=22,6 г/см 3).

Металлы, имеющие r < 5 г/см 3 считаются "легкими металлами".

7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C).

Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.

Общие химические свойства металлов

Сильные восстановители: Me 0 – nē ® Me n+

I. Реакции с неметаллами

1) С кислородом:

2Mg 0 + O 2 ® 2Mg +2 O

2) С серой:

Hg 0 + S ® Hg +2 S

3) С галогенами:

Ni + Cl 2 – t ° ® Ni +2 Cl 2

4) С азотом:

3Ca 0 + N 2 – t ° ® Ca 3 +2 N 2

5) С фосфором:

3Ca 0 + 2P – t ° ® Ca 3 P 2

6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):

2Li 0 + H 2 ® 2Li +1 H

Ca 0 + H 2 ® Ca +2 H 2

II. Реакции с кислотами

1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:

Mg 0 + 2HCl ® Mg +2 Cl 2 + H 2 0 ­

(Mg 0 + 2H + ® Mg 2+ + H 2 0 ­)

2Al 0 + 6HCl ® 2AlCl 3 + 3H 2 0 ­

(2Al 0 + 6H + ® 2Al 3+ + 3H 2 0 ­)

6Na 0 + 2H 3 PO 4 ® 2Na 3 +1 PO 4 + 3H 2 ­

(6Na 0 + 6H + ® 6Na + + 3H 2 0 ­)

Восстановление металлами кислот-окислителей смотри в разделах: "окислительно-восстановительные реакции", "серная кислота", "азотная кислота".

III. Взаимодействие с водой

1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание и водород:

2Na 0 + 2H 2 O ® 2Na +1 OH + H 2 0 ­

(2Na 0 + 2H 2 O ® 2Na 1+ + 2OH 1- + H 2 0 ­)

Ca 0 + 2H 2 O ® Ca +2 (OH) 2 + H 2 0 ­

(Ca 0 + 2H 2 O ® Ca 2+ + 2OH 1- + H 2 0 ­)

2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:

Zn 0 + H 2 O – t ° ® Zn +2 O + H 0 2 ­

3) Неактивные (Au, Ag, Pt) - не реагируют.

4) Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:

Cu 0 + Hg +2 Cl 2 ® Hg 0 + Cu +2 Cl 2

(Cu 0 + Hg 2+ ® Cu 2+ + Hg 0)

Fe 0 + Cu +2 SO 4 ® Cu 0 + Fe +2 SO 4

(Fe 0 + Cu 2+ ® Cu 0 + Fe 2+)