Более 80 % элементов периодической системы — металлы. Их общие физические свойства — металлический блеск, электро- и теплопроводность, ковкость и пластичность — имеют одну причину: металлическую связь. С химической точки зрения металлы всегда восстановители: в реакциях они отдают электроны и превращаются в положительные ионы (катионы). Металлы определили целые эпохи истории человечества (медный, бронзовый, железный века), а сегодня без них невозможны строительство, транспорт, электротехника и электроника. В этой теме рассматриваются общие свойства металлов, способы их получения и защита от коррозии; отдельные группы подробно разобраны в темах «Щелочные металлы» и «d-металлы».
§1. Положение металлов в периодической системе и их строение
Металлы находятся в левой и нижней части периодической системы — ниже и левее диагонали бор–астат. К ним относятся все s-элементы (кроме H и He), d- и f-элементы, а также некоторые p-элементы (Al, Sn, Pb, Bi и другие).
На внешнем уровне атомов металлов обычно 1–3 электрона, радиус атома большой, энергия ионизации и электроотрицательность малы — поэтому они легко отдают электроны.
В узлах кристаллической решётки находятся катионы (и атомы) металла, между ними движутся обобществлённые свободные электроны («электронный газ») — это металлическая связь.
Металлическая связь ненаправленна, поэтому при сдвиге слоёв атомов связь не разрывается — металлы куются и вытягиваются. Свободные электроны переносят электричество и теплоту и отражают свет (блеск).
§2. Физические свойства
Лучшие проводники электричества: Ag > Cu > Au > Al; поэтому провода делают из меди и алюминия. При нагревании электропроводность металлов уменьшается.
Самый лёгкий металл — Li, самый тяжёлый (плотный) — Os; самый тугоплавкий — вольфрам (около 3400 °C, нить лампы накаливания), жидкий при обычных условиях — ртуть (застывает при −39 °C), самый твёрдый — хром, самые мягкие — щелочные металлы.
Цвет: большинство серебристо-серые, золото жёлтое, медь красная.
В технике различают чёрные металлы (железо и его сплавы) и цветные; по плотности — лёгкие (ρ < 5 г/см³: Li, Na, Mg, Al, Ti) и тяжёлые (Fe, Cu, Pb, Hg, Au). Благородные металлы — Au, Ag, Pt — очень устойчивы к коррозии.
§3. Химические свойства
Me⁰ − ne⁻ → Meⁿ⁺ — металлы в свободном виде только восстановители
Активность металлов соответствует ряду напряжений: Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au.
С неметаллами: 2Na + Cl₂ → 2NaCl, Fe + S → FeS, 2Mg + O₂ → 2MgO, 3Ca + N₂ → Ca₃N₂.
С водой: Li–Na, Ca, Ba на холоду дают щёлочь и H₂ (2K + 2H₂O → 2KOH + H₂); Mg — с горячей водой; Zn, Fe — с раскалённым водяным паром дают оксид и H₂ (3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂); металлы после водорода с водой не реагируют.
С кислотами: металлы до водорода вытесняют H₂ из разбавленных HCl и H₂SO₄; с HNO₃ и конц. H₂SO₄ выделяется не H₂, а соединения азота или серы.
С растворами солей: более активный металл вытесняет менее активный из его соли (кроме очень активных металлов, которые сначала реагируют с водой).
Амфотерные металлы (Al, Zn, Be) выделяют водород и с растворами щелочей.
Пример
Медную пластинку опустили в раствор AgNO₃, её масса увеличилась на 15,2 г. Сколько граммов серебра выделилось?
Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag.
Растворяется 1 моль Cu (−64 г), оседает 2 моль Ag (+216 г): Δm = +152 г.
15,2/152 = 0,1 моль Cu → 0,2 моль Ag = 0,2·108 = 21,6 г.
Пример
При растворении 2,4 г двухвалентного металла в избытке соляной кислоты выделилось 2,24 л водорода (н.у.). Определите металл.
В свободном виде в природе встречаются только малоактивные металлы (Au, Pt, частично Ag, Cu); остальные — в виде руд: оксидов, сульфидов, карбонатов, хлоридов. Суть получения металлов — восстановление их ионов: Meⁿ⁺ + ne⁻ → Me⁰.
Пирометаллургия — восстановление при высокой температуре: углём или CO (Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂, ZnO + C → Zn + CO), водородом (WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O), более активным металлом — алюминотермия (Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃).
Гидрометаллургия — перевод руды в раствор и вытеснение металла более активным металлом: CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu; золото извлекают из цианидных растворов.
Электрометаллургия — самые активные металлы (Na, K, Ca, Mg, Al) получают электролизом расплавов; медь и цинк очищают электролизом растворов.
Сульфидные руды сначала обжигают на воздухе, переводя в оксиды: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂, затем восстанавливают. В Узбекистане на Алмалыкском горно-металлургическом комбинате производят медь, цинк и свинец, в Навои — золото.
§5. Коррозия и сплавы
Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов под действием среды: химическая (в сухих газах, при высокой температуре) и электрохимическая (в присутствии электролита, с образованием гальванической пары).
Ржавление железа: 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃
Способы защиты: краска, лак, слой смазки; металлические покрытия (цинк — оцинковка, олово — белая жесть, хром, никель); протекторная защита (присоединяют более активный металл — цинк или магний, который разрушается сам); ингибиторы; нержавеющая сталь (с добавками Cr и Ni). Сплавы — смеси металла с другими металлами или неметаллами, полученные сплавлением; они твёрже и прочнее чистых металлов: сталь и чугун (Fe + C), бронза (Cu + Sn), латунь (Cu + Zn), дюралюминий (Al + Cu + Mg).
Пример
Какое железо ржавеет быстрее при царапине: оцинкованное или лужёное (покрытое оловом)?
Цинк активнее железа → в гальванической паре цинк становится анодом и растворяется, железо защищено.
Олово менее активно, чем железо → анодом становится железо и быстро разрушается.
Ответ: лужёное железо.
Проверьте себя
Какой металл реагирует с холодной водой: Fe, Ca, Cu, Zn?
5,4 г Al растворили в избытке HCl. Сколько литров H₂ (н.у.) выделится?
В какой паре идёт реакция: а) Cu + FeSO₄; б) Fe + CuSO₄; в) Ag + HCl?
При алюминотермии восстановили 30,4 г Cr₂O₃. Сколько граммов Al нужно?
Какой металл присоединяют к железной трубе в земле для защиты от ржавления?
1,2 г Mg сожгли на воздухе. Какова масса продукта?
Какой металл лучше всех проводит электрический ток?
Каким способом получают алюминий: пирометаллургией, гидрометаллургией или электролизом?
Типичные ошибки
Писать, что Na или K вытесняют медь из раствора CuSO₄: они реагируют с водой.
Учитывать при изменении массы пластинки только осевший металл: есть и растворившийся.
Говорить, что свободные металлы бывают и окислителями.
Считать оловянное покрытие протектором: олово менее активно, чем железо.
Думать, что электропроводность металлов при нагревании растёт: она уменьшается.