"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Металлы — элементы, атомы которых обычно отдают валентные электроны и превращаются в положительные ионы. Их строение объясняет общие физические свойства: электропроводность, теплопроводность, пластичность и блеск. В реакциях металлы чаще всего выступают восстановителями, а их активность определяет взаимодействие с водой, кислотами и солями. Ряд активности помогает предсказывать такие реакции и оценивать склонность металлов к коррозии. Из металлов получают сплавы — материалы с полезными для техники свойствами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металл — химический элемент, атомы которого обычно отдают валентные электроны и образуют положительные ионы. Валентные электроны находятся на внешнем энергетическом уровне атома. Это определение помогает понять, почему металлы часто вступают в реакции как частицы, отдающие электроны.
Металлическая связь — связь между положительными ионами металла и обобществлёнными электронами в кристаллической решётке. Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Такое представление нужно, чтобы объяснять общие физические свойства металлов, а не запоминать их отдельно.
Ряд активности металлов — последовательность металлов по уменьшению их химической активности и восстановительной способности. Чем выше металл в таком ряду, тем легче он обычно отдаёт электроны. Ряд используют, чтобы заранее решать, пойдёт ли реакция замещения или металл вытеснит водород из кислоты.
Сплав — материал, состоящий из металла и других элементов, обладающий изменёнными по сравнению с чистым металлом свойствами. Другими элементами могут быть как металлы, так и неметаллы. Это понятие важно при выборе материалов: состав сплава позволяет получить нужное сочетание прочности, твёрдости и устойчивости к коррозии.
В Периодической системе металлы расположены преимущественно слева и в центре. У многих их атомов на внешнем уровне сравнительно мало электронов, поэтому атомам часто выгоднее отдать их, чем присоединить недостающие до завершения уровня. В результате образуются положительные ионы, а способность отдавать электроны связана с химической активностью. Однако она различается у разных металлов: строение атомов и положение элемента в ряду активности не позволяют считать их одинаковыми.
В твёрдом металле частицы собраны в кристаллическую решётку, а часть электронов перемещается по всему кристаллу. Эти электроны переносят заряд при движении, поэтому металлы проводят электрический ток. Они же быстро передают энергию от нагретых участков к холодным — так объясняется теплопроводность. Слои ионов могут смещаться, не разрушая связи с подвижными электронами, поэтому металл можно ковать и вытягивать; взаимодействие электронов со светом создаёт характерный блеск.
Отдавая электроны, металл превращается в положительно заряженный ион, а частица, которая принимает эти электроны, восстанавливается. Поэтому металл в большинстве окислительно-восстановительных реакций является восстановителем. Например, в реакции Mg + Cl₂ → MgCl₂ атом магния отдаёт электроны, а атомы хлора их принимают. Насколько легко металл отдаёт электроны, зависит от его активности.
Активность определяет, с какими веществами и при каких условиях реагирует металл. Многие металлы соединяются с кислородом с образованием оксидов, но скорость реакции бывает разной; некоторые требуют нагревания. Очень активные металлы реагируют с водой с образованием щёлочи и водорода, а металлы средней активности могут реагировать с водяным паром. Металлы, стоящие до водорода в ряду активности, обычно вытесняют его из разбавленных кислот, тогда как медь и металлы правее водорода этого не делают; важны также состав кислоты и условия реакции.
Ряд активности позволяет предсказывать реакцию замещения: металл, стоящий выше, обычно вытесняет из раствора соли металл, стоящий ниже. Например, железо может вытеснить медь из раствора её соли, но медь не вытеснит железо из его соли. Положение в ряду помогает оценить и склонность к коррозии — разрушению металла под действием окружающей среды. На практике скорость коррозии зависит не только от активности, но и от влаги, кислорода, состава среды и защитных плёнок.
В таблице собраны типичные свойства, причины их проявления и примеры. Формулировки описывают общие закономерности: конкретная реакция зависит от вида металла и условий. При решении задачи сначала найдите нужное свойство, а затем проверьте, выполняются ли указанные условия.
| Свойство или реакция | Как проявляется у металлов | Причина или условие | Пример |
|---|---|---|---|
| Электропроводность | Проводят электрический ток | В решётке есть подвижные электроны | Медные провода |
| Теплопроводность | Передают тепло по всему образцу | Подвижные электроны переносят энергию | Алюминиевая посуда |
| Пластичность и ковкость | Деформируются без разрушения, их можно прокатывать и ковать | Слои частиц смещаются, сохраняя металлическую связь | Листы алюминия |
| Металлический блеск | Поверхность отражает свет | Свободные электроны взаимодействуют со светом | Полированная сталь |
| Взаимодействие с кислородом | Образуются оксиды | Реакция зависит от активности и нагревания | 2Mg + O₂ → 2MgO |
| Взаимодействие с водой | Активные металлы образуют гидроксид или оксид и водород | Результат зависит от металла и температуры | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ |
| Взаимодействие с кислотами | Металл до водорода обычно вытесняет его из разбавленной кислоты | Металл должен быть достаточно активным; учитывают состав кислоты | Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ |
| Вытеснение металлов из растворов солей | Более активный металл замещает менее активный | Нужно сравнить металлы в ряду активности | Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu |
| Коррозия | Металл постепенно разрушается | Воздействуют кислород, влага и другие вещества среды | Ржавление железа во влажном воздухе |
Условие. Распределите медь, алюминий, железо и натрий по возрастанию химической активности и обоснуйте порядок. Нужно сравнить не физические свойства металлов, а их готовность отдавать электроны и вступать в реакции. Для этого используем ряд активности.
Ответ: Cu < Fe < Al < Na. Чем правее металл в этой последовательности, тем сильнее его восстановительная способность в рассматриваемом ряду.
Условие. Запишите уравнение реакции железа с соляной кислотой и меди с раствором сульфата железа(II); укажите, какая реакция невозможна. Проверка ряда активности нужна до записи продуктов: она показывает, может ли исходный металл вытеснить водород или другой металл. Затем уравниваем только ту реакцию, которая возможна.
Ответ: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑; реакция меди с раствором FeSO₄ невозможна, потому что медь менее активна, чем железо.
Условие. Предложите способ защиты железного изделия и объясните, почему цинковое покрытие помогает даже при небольшом повреждении. Коррозию можно замедлить, если изолировать железо от воздуха и влаги, например покрыть его краской. Цинк действует иначе: он не только закрывает поверхность, но и может защищать железо электрохимически.
Ответ: железо можно оцинковать. Цинк защищает его и как барьер, и благодаря своей большей активности, расходуясь вместо железа при небольшом повреждении покрытия.
Ошибка: считать все металлы одинаково активными. Так думают, когда ориентируются только на общее свойство отдавать электроны, но забывают, что атомы разных элементов устроены по-разному. Проверка: найди оба металла в ряду активности и сравни их положение. Металл выше в ряду обычно легче окисляется и выступает более сильным восстановителем.
Ошибка: ожидать реакции любого металла с водой или кислотой. Некоторые металлы с водой не реагируют, а металл после водорода в ряду обычно не вытесняет его из разбавленной кислоты. Ошибку провоцирует слишком широкое правило без учёта условий. Перед записью реакции уточни состав реагентов, активность металла и, если требуется, температуру.
Ошибка: записывать замещение металла из соли без проверки ряда активности. Наличие двух металлов в уравнении ещё не означает, что один вытеснит другой. Сначала сравни положение металла, который добавляют, и металла в составе соли: первый должен быть активнее. Если это условие не выполняется, реакцию замещения записывать нельзя.
Ошибка: путать физические и химические свойства. Электропроводность и пластичность описывают поведение металла как вещества, но сами по себе не означают превращения его в новые вещества. Путаница появляется из-за того, что оба вида свойств относятся к одному материалу. Проверка проста: выясни, изменился ли химический состав; если новых веществ не образовалось, химической реакции нет.
Для понимания свойств металлов нужны знания о строении атома и валентных электронах: они помогают объяснить образование катионов. Периодический закон, типы химической связи и правила составления уравнений позволяют сравнивать элементы и описывать реакции. Эти представления понадобятся при изучении окислительно-восстановительных процессов, электрохимии, получения металлов и гальванических элементов. В быту и технике они помогают объяснять коррозию, выбирать материалы и способы защиты изделий.
Почему металлы проводят электрический ток?
В металлической решётке часть электронов не принадлежит одному атому и может перемещаться между положительными ионами. При приложении напряжения эти подвижные электроны направленно движутся и переносят электрический заряд.
Почему натрий реагирует с водой, а медь — нет?
Натрий расположен в ряду активности значительно выше водорода, поэтому легко отдаёт электроны и вытесняет водород из воды. Медь гораздо менее активна и с холодной водой не реагирует.
Как определить, вытеснит ли один металл другой из раствора соли?
Нужно сравнить металлы в ряду активности. Если металл, который помещают в раствор, стоит выше металла соли, он обычно вытесняет его; если ниже — реакция замещения не происходит.
Почему алюминий мало разрушается на воздухе, хотя он активный металл?
На воздухе поверхность алюминия быстро покрывается тонкой и плотной плёнкой оксида. Она мешает кислороду и влаге проникать к металлу, поэтому замедляет дальнейшую коррозию.
Чем сплав отличается от чистого металла и зачем его используют?
Сплав содержит металл и один или несколько других элементов, поэтому его свойства отличаются от свойств чистого металла. Сплавы выбирают, когда нужны, например, большая прочность, твёрдость или устойчивость к коррозии.
§ 29. Металлы. Обзор свойств
