Введение
Металлы — это обширная группа элементов, которые составляют значительную часть Периодической системы Д. И. Менделеева (примерно 80% всех элементов). Они играют фундаментальную роль в современной цивилизации, являясь основой для машиностроения, строительства, электроники и многих других отраслей. Понимание их общих свойств и методов получения — ключевая задача химии и металлургии.
1. Положение металлов в Периодической системе и особенности строения
Металлы расположены преимущественно в левой нижней части Периодической таблицы. К ним относятся:
- s-элементы (кроме Водорода и Гелия): щелочные (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и щелочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba, Ra).
- p-элементы: Al, Ga, In, Sn, Pb, Bi, Po и др.
- Все d- и f-элементы — это переходные металлы (Fe, Cu, Zn, Ag, Au, Pt, редкоземельные металлы и актиноиды).
Атомы металлов характеризуются относительно большим радиусом и малым количеством электронов (от 1 до 3) на внешнем энергетическом уровне. Эта особенность предопределяет их главное химическое свойство — легкую отдачу валентных электронов и превращение в положительно заряженные ионы (катионы).
В твердом состоянии металлы образуют металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой находятся как бы "погруженные" в общее электронное облако катионы. Эти "свободные" электроны (его часто называют "электронным газом") ответственны за общие физические свойства металлов.
2. Общие физические свойства металлов
Эти свойства вытекают из металлического типа химической связи и кристаллической решетки.
- Металлический блеск. Все металлы в компактном состоянии имеют характерный блеск благодаря способности их поверхности сильно отражать световые лучи. Обычно он серебристо-белый, хотя некоторые металлы имеют свой оттенок (медь — розово-красный, золото — желтый, висмут — розоватый).
- Высокая электропроводность. Металлы — лучшие проводники электрического тока. Это обусловлено наличием подвижных электронов, которые, двигаясь под действием электрического поля, переносят заряд. Наивысшей электропроводностью обладают серебро (Ag), медь (Cu) и алюминий (Al). С ростом температуры проводимость уменьшается из-за усиления тепловых колебаний ионов, затрудняющих движение электронов.
- Высокая теплопроводность. Также связана с подвижностью "электронного газа". Электроны, сталкиваясь с ионами и друг с другом, быстро передают кинетическую энергию, выравнивая температуру по всему объему металла.
- Пластичность (ковкость). Металлы способны под ударом или давлением деформироваться без разрушения. Слои ионов в кристаллической решетке легко смещаются друг относительно друга, не теряя связи благодаря общему электронному облаку. Самыми пластичными являются золото (Au), серебро (Ag) и медь (Cu). Из золота можно изготовить фольгу толщиной всего 0,003 мм.
- Высокая плотность. Большинство металлов имеют плотность больше единицы. Самые тяжелые — осмий (Os) и иридий (Ir), самые легкие — литий (Li), натрий (Na), калий (K).
- Твердость. Твердость металлов варьируется в широких пределах. Щелочные металлы (натрий, калий) настолько мягки, что режутся ножом, а хром (Cr), вольфрам (W) и титан (Ti) относятся к числу самых твердых веществ.
- Температура плавления. Разнообразная. Ртуть (Hg) является жидкостью уже при комнатной температуре, цезий (Cs) и галлий (Ga) плавятся в руке, а вольфрам (W) имеет самую высокую температуру плавления среди металлов (~3422 °C) и используется для нитей накаливания в лампах.
Важно: Эти свойства могут значительно меняться при легировании (создании сплавов).
3. Общие химические свойства металлов
С химической точки зрения, металлы являются восстановителями, то есть отдают электроны в химических реакциях. Их восстановительная способность возрастает снизу вверх и справа налево в Периодической системе (чем меньше энергия ионизации атома, тем легче он отдает электрон).
- Реакции с неметаллами.
С кислородом: Большинство металлов образуют оксиды. Щелочные металлы быстро окисляются на воздухе, а железо (ржавление) — медленно. Некоторые металлы (Al, Cr, Zn) покрываются плотной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему окислению (пассивация).
4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃
С галогенами: Образуются галогениды.
2Na + Cl₂ → 2NaCl
С серой: Образуются сульфиды.
Fe + S → FeS
С водородом и азотом: С водородом реагируют только самые активные металлы (щелочные и щелочноземельные), образуя гидриды. С азотом реагируют в основном щелочные и щелочноземельные металлы, образуя нитриды.
2Na + H₂ → 2NaH
3Mg + N₂ → Mg₃N₂ - Реакции с кислотами.
Металлы, стоящие в ряду активности (ряду стандартных электродных потенциалов) до водорода, вытесняют его из растворов кислот-неокислителей (HCl, H₂SO₄(разб.)).
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
Fe + H₂SO₄(разб.) → FeSO₄ + H₂↑
С кислотами-окислителями (HNO₃, конц. H₂SO₄) реакция протекает иначе, и водород, как правило, не выделяется. Например, концентрированная серная кислота окисляет медь до оксида серы (IV):
Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O - Реакции с водой.
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) бурно реагируют с водой при комнатной температуре с образованием щелочи и водорода.
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
Металлы средней активности (Fe, Zn и др.) вытесняют водород из воды только при высокой температуре (в виде пара).
3Fe + 4H₂O(пар) → Fe₃O₄ + 4H₂↑
Неактивные металлы (Cu, Ag, Au) с водой не реагируют. - Реакции с солями.
Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓ - Взаимодействие с оксидами.
Активные металлы (Al, Mg, Ca) могут восстанавливать менее активные металлы из их оксидов (алюмотермия).
8Al + 3Fe₃O₄ → 9Fe + 4Al₂O₃
4. Способы получения металлов
Большинство металлов в природе встречаются в виде соединений (руд). Задача металлургии — выделить металл из руды, то есть восстановить его катионы до атомарного состояния. Выбор метода зависит от химической активности металла.
- Пирометаллургия (восстановление при высоких температурах).
Это основной способ получения железа, меди, свинца, цинка и многих других металлов.
Восстановление углеродом (коксом) или оксидом углерода (II): Применяется для металлов средней активности.
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (в доменной печи)
ZnO + C → Zn + CO
Восстановление водородом: Используется для получения металлов высокой чистоты.
MoO₃ + 3H₂ → Mo + 3H₂O
Восстановление более активным металлом (металлотермия): Особенно важна алюмотермия.
Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃ - Гидрометаллургия (получение с помощью водных растворов).
Этот метод применяется для получения меди, серебра, золота, цинка, урана.
Стадия 1: Выщелачивание. Металл или его соединение переводят в раствор с помощью реагентов. Например, медную руду, содержащую CuO, обрабатывают разбавленной серной кислотой:
CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O
Стадия 2: Восстановление. Металл из раствора извлекают либо электролизом, либо вытесняют более активным металлом:
Fe + CuSO₄ → Cu + FeSO₄ - Электрометаллургия (восстановление путем электролиза).
Это единственный способ получения самых активных металлов (щелочных, щелочноземельных, алюминия), которые невозможно получить другими восстановителями.
Электролиз расплавов: Используется для получения алюминия, натрия, кальция, магния.
2Al₂O₃ (в расплаве криолита) → 4Al + 3O₂ (на аноде)
2NaCl (расплав) → 2Na + Cl₂
Электролиз растворов: Применяется для очистки (рафинирования) металлов, например, меди.
Заключение
Металлы — это уникальный класс веществ, объединенных общими физическими свойствами (блеск, проводимость, пластичность), обусловленными металлической связью, и общими химическими свойствами (восстановительная способность). Многообразие их характеристик определяет широчайшее применение в технике. Современные способы получения металлов — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз — позволяют извлекать их из природного сырья в соответствии с положением в ряду активности, обеспечивая потребности человечества в этих фундаментальных материалах.
