Тема 14. Металлы

Определения и обозначения

Металлическая связь — притяжение положительно заряженных узлов к общим для всего кристалла электронам. Эти электроны не принадлежат одной паре атомов и могут перемещаться по металлу. Такое представление помогает объяснить, почему металл удерживается как единое целое и проводит электрический ток.

Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное строение твёрдого металла, в узлах которого находятся положительные ионы или атомные остовы, окружённые обобществлёнными электронами. Частицы расположены не случайно, а образуют повторяющуюся структуру. Понимание этой модели нужно, чтобы связать внутреннее строение с физическими свойствами металлов.

Сплав — материал из двух или более элементов, хотя бы один из которых является металлом. В сплаве могут сочетаться атомы разных металлов, а иногда и неметаллов; его свойства не обязаны совпадать со свойствами чистых компонентов. Это определение важно для понимания, почему в изделиях часто используют не чистое вещество, а материал с заданной прочностью или устойчивостью.

Коррозия — самопроизвольное разрушение металла под действием окружающей среды. Она проявляется, например, в появлении ржавчины, потускнении или постепенном истончении изделия. Термин отличает химическое и электрохимическое разрушение от повреждений, вызванных только ударом или трением.

Как это устроено

Обобществлённые электроны свободно перемещаются по металлической решётке, поэтому при появлении электрического поля они переносят заряд. Движение электронов и частиц также эффективно передаёт энергию, отчего металлы обычно хорошо проводят тепло. Пластичность связана с тем, что слои решётки могут смещаться без полного разрыва металлической связи. Блеск возникает потому, что поверхность металла взаимодействует с падающим светом и отражает его.

Химическое поведение металлов удобно оценивать по ряду активности: чем выше металл в ряду, тем легче он обычно отдаёт электроны. Кислород окисляет многие металлы, но скорость и продукты реакции зависят от самого металла и температуры. С водой активные металлы могут образовывать гидроксид и водород, тогда как менее активные реагируют с ней лишь при нагревании или не реагируют в обычных условиях. Металл, стоящий до водорода в ряду, обычно вытесняет его из разбавленных кислот, а более активный металл может вытеснить менее активный из раствора его соли.

В природе металлы встречаются и как простые вещества, и в составе соединений. Малоактивные металлы, например золото, могут сохраняться в самородном виде, потому что слабо взаимодействуют с окружающей средой. Активные металлы легко образуют оксиды, сульфиды и другие соединения, поэтому их находят преимущественно в рудах. Чем выше химическая активность, тем меньше вероятность обнаружить металл в природе в свободном состоянии.

Способ получения металла выбирают с учётом того, насколько прочно он связан с другими элементами. Очень активные металлы трудно восстановить обычными химическими веществами, поэтому их получают электролизом расплавов соединений. Менее активные металлы можно выделить восстановлением оксидов или других соединений углём, угарным газом либо более активным металлом. При выборе метода учитывают состав руды и свойства самого металла.

Коррозия возникает, когда металл взаимодействует с компонентами среды, например с кислородом и влагой; в электрохимическом процессе участки поверхности могут вести себя как электроды. В результате металл переходит в соединения, и изделие теряет прочность. Покрытия из краски, лака или другого металла отделяют поверхность от среды, а легирование изменяет состав и повышает устойчивость материала. Коррозию также замедляют, если уменьшить влажность, доступ кислорода или контакт с агрессивными веществами.

Свойства металлов и их химическое поведение

Сначала определите, какое свойство или реакцию описывает строка, затем прочитайте, от чего она зависит. Примеры в последнем столбце показывают применение правила, а не универсальное поведение каждого металла. Для прогноза реакции всегда сопоставляйте металлы по активности и учитывайте условия.

Разбор задач

Магний и кислород, разбавленная соляная кислота

Условие. Запишите уравнения реакций магния с кислородом и разбавленной соляной кислотой, расставьте коэффициенты и назовите продукты. Сначала определим ожидаемые продукты: при соединении с кислородом образуется оксид магния, а при реакции с кислотой — соль и водород. Формулы составляем с учётом зарядов ионов: Mg²⁺ и O²⁻ дают MgO, а Mg²⁺ и Cl⁻ — MgCl₂.

1. Для первой реакции записываем Mg + O₂ → MgO и уравниваем число атомов кислорода: 2Mg + O₂ → 2MgO.
2. Во второй реакции магний вытесняет водород: Mg + HCl → MgCl₂ + H₂. Для двух атомов хлора и образования H₂ ставим коэффициент 2 перед HCl: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
3. Проверяем, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково, и называем вещества: оксид магния, хлорид магния и водород.

Ответ. 2Mg + O₂ → 2MgO; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Продукты первой реакции — оксид магния, второй — хлорид магния и водород.

Железо в растворе сульфата меди(II)

Условие. В раствор CuSO₄ опустили железную пластинку. Нужно решить, произойдёт ли реакция, записать уравнение и указать наблюдения. Железо стоит выше меди в ряду активности, поэтому оно способно вытеснить медь из раствора её соли. При этом железо переходит в раствор как ион Fe²⁺, а ионы Cu²⁺ превращаются в металлическую медь.

1. Сравниваем активности: Fe активнее Cu, значит реакция возможна.
2. Записываем замену катиона: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Коэффициенты равны единице.
3. Предсказываем признаки: на пластинке появляется красноватый налёт меди, а голубой раствор сульфата меди постепенно бледнеет из-за образования FeSO₄.

Ответ. Реакция идёт: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Её подтверждают осаждение меди на железе и изменение окраски раствора.

Получение алюминия электролизом

Условие. Электролизом расплава Al₂O₃ прореагировало 10,2 кг оксида, выход алюминия равен 80% от теоретического. Найдём массу продукта. По уравнению 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂ из двух моль оксида образуются четыре моль алюминия, то есть из одного моля Al₂O₃ получается два моля Al.

1. Вычисляем молярные массы: M(Al₂O₃) = 102 г/моль, M(Al) = 27 г/моль. Из 102 г оксида теоретически получается 54 г алюминия.
2. Находим теоретическую массу для 10,2 кг оксида: 10,2 × 54 / 102 = 5,4 кг Al.
3. Учитываем практический выход: 5,4 × 0,80 = 4,32 кг.

Ответ. Можно получить 4,32 кг алюминия. Выход 80% применяют к теоретической массе, а не вычитают из массы исходного оксида.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все металлы при обычных условиях твёрдые. Её допускают, перенося свойства большинства знакомых металлов на весь класс веществ. Ртуть при комнатной температуре жидкая, а агрегатное состояние зависит от температуры и давления. Проверяйте условия задачи и не забывайте об исключениях.

Ошибка — приписывать каждому металлу свойства одного знакомого примера. Металлы отличаются активностью, поэтому магний, железо, медь и золото реагируют неодинаково. Обобщение возникает из-за того, что слово «металл» обозначает целую группу веществ, а не одно вещество. Перед прогнозом реакции найдите положение металла в ряду активности и учтите условия.

Ошибка — утверждать, что любой металл вытесняет водород из любой кислоты. Такое рассуждение игнорирует положение металла относительно водорода и свойства конкретной кислоты; некоторые кислоты проявляют окислительные свойства. Проверяйте, допускает ли ряд активности выделение водорода, и учитывайте концентрацию и состав кислоты. Если условие не задано, не делайте вывод без оговорок.

Ошибка — называть коррозией любое механическое повреждение металла. Царапина сама по себе означает нарушение поверхности, но коррозия связана с взаимодействием металла со средой и превращением его в соединения. Путаница появляется потому, что повреждения часто соседствуют с ржавчиной. Для проверки спросите, произошло ли химическое или электрохимическое разрушение, а не только деформация или разлом.

Связь с другими темами

Для объяснения металлической связи нужны знания о строении атома, электронных оболочках и образовании положительных ионов. Они помогают понять, почему атомы металлов отдают электроны и какие заряженные частицы входят в модель металлической решётки. Без этих представлений трудно связать строение вещества с его свойствами.

При изучении реакций металлов пригодятся знания о типах химической связи и окислительно-восстановительных процессах. Нужно уметь определять, кто отдаёт и принимает электроны, составлять формулы солей и уравнивать уравнения. Ряд активности дополняет эти знания и помогает оценить возможность реакции.

Тема связана с электролизом и электрохимическими процессами, поскольку они объясняют получение металлов и коррозию. Представления о сплавах и защите материалов применяются в химической технологии и повседневной жизни. Эти знания помогают выбирать состав и способ обработки материала под нужные условия эксплуатации.

Что запомнить

• Металлическая связь обусловлена взаимодействием узлов решётки с обобществлёнными электронами.
• Свободное перемещение электронов объясняет электропроводность металлов.
• Химическая активность металлов неодинакова и учитывается при прогнозировании реакций.
• Более активный металл может вытеснять менее активный из раствора его соли.
• Способ получения металла из соединения выбирают с учётом его активности.
• Коррозия разрушает металл; покрытия и другие методы защиты могут замедлять этот процесс.