Сегодня разберем урок химии 10 — Металлы.  Общая характеристика. Металлическая связь. Физические и химические свойства, методы получения. Коррозия металлов. Как обещал, даю ответы к тестовым заданиям урока химии 9: 1-3, 2-2, 3-2, 4-2, 5-3, 6-1, 7-1, 8-2, 9-4, 10-2, 11-2, 12-2, 13-2, 14-3, 15-1, 16-1, 17-1, 18-1, 19-4, 20-3, 21-3, 22-2, 23-1, 24-4, 25-1.

Теперь перейдем к уроку химии 10.

Общая характеристика. Из всех известных в настоящее время элементов около 80% относятся к металлам: s-элементы I и  II групп, все d- и f- элементы и ряд  p-элементов главных подгрупп периодической системы. Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (кроме первого). Главной особенностью элементов-металлов является наличие у них на внешних  энергетических уровнях небольшого числа  электронов.(1,2,3).

В природе металлы встречаются как в свободном виде, так и в виде соединений. В свободном виде существуют химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и прокатываться. По цвету, все металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. По плотности различают металлы легкие (ρ < 5) и тяжелые (ρ > 5). Примером легких металлов служат калий, натрий, кальций, алюминий и др. К тяжелым металлам относятся осмий, олово, свинец, никель,  ртуть, золото, платина и т.д. Температура плавления металлов также различна: от -38.9 °С (ртуть) до 3380 °С (вольфрам). Металлы могут отличаться и по твердости: самыми мягкими металлами являются натрий и калий (режутся ножом), а самыми твердыми – никель, вольфрам, хром (последний режет стекло). Тепло и электричество различные металлы проводят неодинаково: лучшим проводником электричества является серебро, худшим – ртуть.

В расплавленном состоянии металлы могут распределяться друг в друге, образуя сплавы. Большинство расплавленных металлов могут смешиваться друг с другом в неограниченных количествах. При смешивании расплавленных металлов происходит либо простое растворение расплавов одного металла в другом, либо металлы вступают в химическое соединение. Чаше всего сплавы представляют собой смеси свободных металлов с их химическими соединениями. В состав сплавов могут входить также и неметаллы (чугун – сплав железа с углеродом). Свойства металлов существенно отличаются от свойств составляющих их элементов.

Известно, что у металлов на внешнем энергетическом уровне (ВЭУ) имеется 1-3 валентных электрона. Поэтому они сравнительно легко отдают свои электроны неметаллам, у которых на ВЭУ 5-7 электронов. Так, металлы непосредственно реагируют с галогенами. Большинство Ме хорошо реагируют с кислородом (исключая золото, платину, серебро), образуя оксиды и пероксиды; взаимодействуют с серой с образованием сульфидов. Щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой с образованием растворимых в ней щелочей. Металлы средней активности реагируют с водой только при нагревании. Малоактивные металлы с водой вообще не реагируют. Большинство металлов растворяется в кислотах. Однако химическая активность различных металлов различна. Она определяется легкостью  атомов металла отдавать валентные электроны.

Приводим таблицу газообразных продуктов реакций кислот и металлов. Ее надо запомнить, или иметь всегда под рукой.

По своей активности все металлы расположены в определенной последовательности, образуя ряд активности или ряд стандартных электродных потенциалов:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

В этом ряду каждый предыдущий металл вытесняет из соединений все последующие металлы.

Электролиз мы рассматривали ранее. Здесь же коротко напомним его основные моменты.  Анод — положительный электрод, на нем происходит окисление; катод — отрицательный электрод, на нем происходит восстановление. При электролизе расплава происходит распределение ионов соли в анодном и катодном пространстве. Ион металла восстанавливается до металла, а кислотный остаток бескислородной кислоты окисляется до соответствующего газа или элемента. Электролиз растворов солей более сложен из-за возможности участия в электродных процессах молекул воды. На катоде: 1) ионы металлов от лития до алюминия не восстанавливаются, но  идет процесс восстановления водорода из воды, 2) ионы металлов от алюминия до водорода восстанавливаются до металлов вместе с восстановлением водорода из воды, 3) ионы металлов от висмута до золота восстанавливаются до металлов. На аноде: 1) анионы бескислородных кислот окисляются до соответствующих элементов, 2) при электролизе солей кислородсодержащих кислот происходит окисление не кислотных остатков, а воды с выделением кислорода, 3) в щелочных растворах происходит окисление гидроксид-ионов до кислорода и воды, 4) при использовании растворимых анодов, на них образуются катионы металла, из которого сделан анод.

 Металлическая связь. Связь между положительными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов называется металлической связью.

Физические свойства. Для всех металлов характерны электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Металлы различаются по плотности: самый легкий металл литий ( ρ = 0,53 г/см³).

Основные промышленные способы получения металлов:

1. Пирометаллургический:

1)    коксотермия                    Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Fe(CO)₃ → Fe + 3CO

2)    алюмотермия                   Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃

3)    магнийтермия                  TiO₂ + 2Mg → Ti + 2MgO

4)    водородотермия              CuO + H₂ → Cu + H₂O

2. Электрохимический:

1)    электролиз расплавов:   NiCl₂ → Ni + Cl₂

2)    электролиз растворов:   MnSO₄ + 2H₂O → Mn + O₂­ + H₂­ + H₂SO₄

3. Гидрометаллургический:

Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ +  2H₂O

CuSO₄ + Fe → Cu + FeSO₄.

Коррозия – это самопроизврольный процесс разрушения металлов при ввзаимодействии  их с окружающей средой, например, железо на воздухе: 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃

Коррозия наносит большой ущерб народному хозяйству. Поэтому с коррозией ведут борьбу. Существуют следующие методы защиты металлов от коррозии.

1. Исключение контакта металла с атмосферой и электролитами. Это может быть достигнуто нанесением защитных покрытий:

а) неметаллических – специальные лаки, краски, эмали;

б) химических – покрытий, к которым относятся искуственно создаваемые поверхностные пленки (оксидные, фосфатные, нитридные и др.);

в) металлических – покрытий, полученных электрохимическим осаждением на защищаемой детали тонкого слоя другого металла (хромирование, никелирование, цинкование, лужение и т.д.);

2. Электрохимические методы защиты:

а) протекторная – к защищаемому металлу присоединяется кусок более активного металла, который и разрушается в присутствии электролита;

     б) катодная – металлоконструкции подсоединяются к катоду внешнего источника тока, что исключает возможность их анодного разрушения.

3. Специальная обработка электролита или среды, в которой находится защищаемая конструкция:

а) введение веществ-ингибиторов, замедляющих коррозию;

б) удаление растворенного воздуха в воде (деаэрация) – например, в воде, поступающей в котельные установки.

Это был урок химии 10 — Металлы.  Общая характеристика. Металлическая связь. Физические и химические свойства, методы получения. Коррозия металлов.