§ 19. Металлы в природе. Первые представления о химических свойствах металлов

Определения и обозначения

Самородные металлы — металлы, встречающиеся в природе в свободном, не связанном с другими элементами виде. Так могут встречаться золото и платина, реже — медь. Понятие помогает отличить природный металл от вещества, которое человек получил из руды.

Минерал — природное вещество определённого состава, входящее в состав горных пород и руд. Например, минералами являются соединения металлов с кислородом или серой. Это понятие нужно, чтобы описывать, в каком виде вещества находятся в земной коре.

Руда — природное минеральное сырьё, из которого металл можно получить с практической выгодой. В руде могут быть полезные минералы и примеси. Термин помогает оценить не только наличие металла, но и возможность его извлечения.

Оксид металла — сложное вещество, образованное металлом и кислородом. Например, магний при реакции с кислородом образует оксид магния: 2Mg + O₂ → 2MgO. Понятие позволяет назвать продукт реакции и отличить его от смеси исходных веществ.

Как это устроено

В природе металл может сохраниться свободным, если он мало склонен вступать в реакции с окружающими веществами. Активный металл быстрее соединяется с кислородом, водой или другими элементами, поэтому постепенно превращается в соединения. Именно поэтому золото и платина могут обнаруживаться самородными, а многие распространённые металлы приходится извлекать из руд.

Металлы входят в состав минералов, а минералы образуют горные породы и руды. Однако одного присутствия металла недостаточно, чтобы сырьё считалось ценным: имеет значение, сколько металла содержится в породе и можно ли извлечь его без чрезмерных затрат. Поэтому бедная руда не всегда пригодна для промышленной переработки, даже если в ней обнаружен металл.

Золото и платина встречаются в природе в самородном виде, поскольку сравнительно мало склонны соединяться с другими веществами. Медь тоже может образовывать самородки, но чаще входит в состав минералов, например соединений с серой или кислородом. Следовательно, один и тот же металл иногда обнаруживается в разных формах, а его нахождение зависит от условий и химических превращений в земной коре.

При взаимодействии металла с кислородом атомы металла соединяются с атомами кислорода и образуют новое сложное вещество — оксид. Например, магний при горении даёт белый порошок оксида магния: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициенты показывают, что две частицы магния реагируют с одной молекулой кислорода, образуя две частицы продукта.

Реакции металлов с кислородом протекают неодинаково, потому что металлы различаются химической активностью. Магний при нагревании горит ярко, тогда как некоторые другие металлы окисляются медленно или требуют особых условий. Сравнение реакций показывает, что общая способность образовывать оксиды не означает одинаковой скорости или заметности процесса.

Металлы в природе и их взаимодействие с кислородом

Сначала найдите в таблице строку, которая отвечает на нужный вопрос: о форме нахождения металла, примерах или выводе. Сравните столбцы, чтобы увидеть разницу между свободным состоянием и соединениями. Последний столбец показывает, что при реакции с кислородом появляется новое вещество — оксид.

Разбор задач

Задача 1. Распределите золото, платину и натрий на металлы, которые могут встречаться в природе в самородном виде, и металлы, которые обычно находят в составе соединений.

1. Вспомним, что свободными чаще сохраняются металлы, мало склонные к химическим реакциям.
2. Золото и платина могут встречаться самородными. Натрий очень активен и быстро образует соединения с другими элементами, поэтому в природе его обычно находят связанным.

Ответ: самородными могут быть золото и платина; натрий обычно встречается в составе соединений.

Задача 2. Составьте уравнение реакции магния с кислородом и назовите образовавшееся вещество.

1. Запишем формулы реагентов: магний — Mg, кислород как простое вещество — O₂. Продукт должен содержать атомы обоих элементов, значит, это оксид магния MgO.
2. Уравняем число атомов кислорода и магния: поставим коэффициент 2 перед MgO, затем 2 перед Mg. Получим 2Mg + O₂ → 2MgO.
3. Проверим: слева и справа по два атома магния и два атома кислорода. MgO относится к оксидам, поскольку состоит из металла и кислорода.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; образуется оксид магния.

Задача 3. При сжигании 4,8 г магния образовался оксид магния. Рассчитайте массу кислорода, вступившего в реакцию.

1. Запишем уравнение реакции: 2Mg + O₂ → 2MgO. По коэффициентам видно, что количество вещества Mg и атомов кислорода в продукте соотносятся как 1:1.
2. Найдём количество магния: n(Mg) = m/M = 4,8 г / 24 г/моль = 0,2 моль. Значит, для реакции потребуется 0,2 моль атомов кислорода, то есть 0,1 моль O₂.
3. Вычислим массу кислорода: m(O₂) = nM = 0,1 моль × 32 г/моль = 3,2 г. Проверка по продукту: из 4,8 г Mg и 3,2 г O₂ получается 8,0 г MgO.

Ответ: в реакцию вступило 3,2 г кислорода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все металлы встречаются в природе в чистом виде. Так думают, потому что в быту металлы часто видят как отдельные материалы, но многие из них получают из соединений. Проверьте себя: вспомните, что активные металлы легко реагируют с веществами окружающей среды; натрий, например, находят в составе соединений.

Ошибка — путать минерал и руду. Минерал является природным веществом определённого состава, а руда — сырьём, из которого металл можно извлечь с выгодой. Путаница возникает потому, что руда сама состоит из минералов; чтобы проверить себя, спросите, говорится ли о веществе или о пригодном для извлечения металла сырье.

Ошибка — приписывать всем металлам одинаковую интенсивность реакции с кислородом. Общий результат реакции может быть похожим — образование оксида, — но скорость и условия различаются из-за разной химической активности металлов. Проверьте себя, сравнив, как ведут себя разные металлы при нагревании и без него.

Ошибка — записывать продукт реакции как простую смесь металла и кислорода. При химической реакции появляется новое вещество с собственным составом, например MgO при взаимодействии магния с кислородом. Проверка проста: в уравнении справа должна быть формула оксида, а число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны понятия химического элемента, простого и сложного вещества, химической реакции и химической формулы. Они помогают понять, почему металл и кислород в исходном состоянии записываются как Mg и O₂, а продукт — как новое вещество MgO. Также необходимо уметь читать уравнения и расставлять коэффициенты.

Эти знания пригодятся при изучении способов получения металлов из руд: сначала нужно понимать, в каких соединениях металл находится. Они также помогают сравнивать химические свойства отдельных металлов и объяснять, почему одни реагируют быстро, а другие — медленно. Уравнения реакций с кислородом служат простыми примерами такого сравнения.

Что запомнить

• В природе металлы встречаются как в свободном виде, так и в составе соединений.
• Большинство металлов находят в составе минералов и руд.
• Руда — природное сырьё, из которого металл можно извлечь с практической выгодой.
• При реакции металла с кислородом образуется оксид металла.
• Металлы реагируют с кислородом с разной интенсивностью.