Регистрация

Версия для слабовидящих
И воспитание, и образование нераздельны. Нельзя воспитывать, не передавая знания, всякое же знание действует воспитательно
Лев Николаевич Толстой
Сертификат владельца сайта
Сертификат владельца сайта http://www.kuksova-irina.ru/
Школа "Карьера"
Высшая школа делового администрирования
Общероссийский рейтинг сайтов школьной тематики-2018
Проголосуй за наш сайт
Оцените мой сайт





Результаты
счетчик посещений
Банк Интернет-портфолио учителей
Мир олимпиад
ФГОС урок
Сейчас на сайте: 27
Периодическая таблица
Таблица растворимости
Праздники сегодня

Установите себе наш баннер

Показать код баннера

Положение металлов в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Металлическая связь. Физические и химические свойства металлов. Ряд напряжений металлов


На этом уроке рассматривается положение химических элементов металлов в Периодической системе, а также особенности строения атомов этих элементов, определяющие свойства простых и сложных веществ. Вы узнаете, почему химических элементов металлов значительно больше, чем неметаллов. В ходе урока будут рассмотрены общие химические свойства металлов, особенности металлической химической связи. Учитель объяснит сходство химических и физических свойств металлов, используя модель их внутреннего строения.

I. Положение металлов в таблице Менделеева

Большая часть из­вест­ных хи­ми­че­ских эле­мен­тов об­ра­зу­ет про­стые ве­ще­ства ме­тал­лы.

К ме­тал­лам от­но­сят­ся все эле­мен­ты по­боч­ных (Б) под­групп, а также эле­мен­ты глав­ных под­групп, рас­по­ло­жен­ные ниже диа­го­на­ли «бе­рил­лий – астат» (Рис. 1). Кроме того, хи­ми­че­ские эле­мен­ты ме­тал­лы об­ра­зу­ют груп­пы лан­та­но­и­дов и ак­ти­но­и­дов.

Расположение металлов среди элементов подгрупп А (выделены синим)

Рис. 1. Рас­по­ло­же­ние ме­тал­лов среди эле­мен­тов под­групп А (вы­де­ле­ны синим)

Анимация: “Деление элементов на металлы и неметаллы”

Виртуальная образовательная лаборатория: “Знакомство с образцами металлов”

Тренажёр "Положение металлов в таблице элементов"

II. Строение атомов металлов

По срав­не­нию с ато­ма­ми неме­тал­лов, атомы ме­тал­лов имеют большие раз­ме­ры и мень­шее число внеш­них элек­тро­нов, обыч­но оно равно 1–2. Сле­до­ва­тель­но, внеш­ние элек­тро­ны ато­мов ме­тал­лов слабо свя­за­ны с ядром, ме­тал­лы их легко от­да­ют, про­яв­ляя в хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ства.

Анимация: “Металлы - восстановители”

Рас­смот­рим за­ко­но­мер­но­сти из­ме­не­ния неко­то­рых свойств ме­тал­лов в груп­пах и пе­ри­о­дах.

В пе­ри­о­дах с уве­ли­че­ни­ем за­ря­да ядра ра­ди­ус ато­мов умень­ша­ет­ся. Ядра ато­мов все силь­нее при­тя­ги­ва­ют внеш­ние элек­тро­ны, по­это­му воз­рас­та­ет элек­тро­от­ри­ца­тель­ность ато­мов, ме­тал­ли­че­ские свой­ства умень­ша­ют­ся. Рис. 2.

Изменение металлических свойств в периодах

Рис. 2. Из­ме­не­ние ме­тал­ли­че­ских свойств в пе­ри­о­дах

В глав­ных под­груп­пах свер­ху вниз в ато­мах ме­тал­лов воз­рас­та­ет число элек­трон­ных слоев, сле­до­ва­тель­но, уве­ли­чи­ва­ет­ся ра­ди­ус ато­мов. Тогда внеш­ние элек­тро­ны будут сла­бее при­тя­ги­вать­ся к ядру, по­это­му на­блю­да­ет­ся умень­ше­ние элек­тро­от­ри­ца­тель­но­сти ато­мов и уве­ли­че­ние ме­тал­ли­че­ских свойств. Рис. 3.

Изменение металлических свойств в подгруппах

Рис. 3. Из­ме­не­ние ме­тал­ли­че­ских свойств в под­груп­пах

Пе­ре­чис­лен­ные за­ко­но­мер­но­сти ха­рак­тер­ны и для эле­мен­тов по­боч­ных под­групп, за ред­ким ис­клю­че­ни­ем.

Атомы эле­мен­тов ме­тал­лов склон­ны к от­да­че элек­тро­нов. В хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях ме­тал­лы про­яв­ля­ют себя толь­ко как вос­ста­но­ви­те­ли, они от­да­ют элек­тро­ны и по­вы­ша­ют свою сте­пень окис­ле­ния.

III. Физические свойства металлов

1. Агрегатное состояние и температуры плавления.

Температуры плавления металлов меняются в очень широких пределах. Самый легкоплавкий из металлов – ртуть – при комнатной температуре является жидкостью. Металл галлий плавится от теплоты человеческого тела. Из металлов широко применяемых в технике, наиболее легкоплавкие – олово и свинец. Наибольшую температуру плавления имеет вольфрам, из которого изготавливают нити накаливания лампочек. Металлы с температурой плавления выше 1000oC принято называть тугоплавкими.

                  ртуть                                   галлий                                     вольфрам

2. Окраска

Среди металлов немногие обладают характерной окраской. «Золото через свой изрядно желтый цвет и блещущую светлость от прочих металлов отлично», – писал Михаил Васильевич Ломоносов. Медь имеет розово-красный цвет, серебро и платина – белый, щелочной металл цезий – бледно-желтый. Для описания цвета других металлов трудно подобрать слова. Все они кажутся нам серыми с тем или иным едва заметным оттенком.

           медь                                                     литий

3. Плотность 

Металлы сильно различаются по плотности. Наиболее легкими являются щелочные металлы литий, натрий и калий. Литий плавает даже на поверхности керосина – жидкости с плотностью меньшей плотности воды. Металлы с плотностью ниже 5 г/смназывают легкими. К ним, помимо щелочных и щелочно-земельных металлов, принадлежат магний, алюминий и другие. В число наиболее тяжелых входят переходные металлы, расположенные в шестом периоде, а также актиноиды. Ртуть, например, имеет плотность 13,6 г/см3, то есть литровая банка, заполненная ртутью, весит 13,6 кг!

4. Твердость 

Вещества оценивают по его способности оставлять царапину на другом веществе. Наиболее твердым веществом является алмаз – он оставляет след на любых поверхностях. Из металлов по твердости к алмазу приближается хром – он царапает стекло. Наиболее мягкие металлы – щелочные. Они легко режутся ножом. Мягкими являются также свинец, олово, цинк, серебро.

5. Электро- и теплопроводность

Все без исключения металлы хорошо проводят электрический ток. Наибольшей электропроводностью обладает серебро, немного уступают ему медь и золото. Серебро – очень дорогой металл. Его используют в электротехнике при изготовлении высокоточных дорогостоящих приборов. Самые хорошие провода, применяемые в быту, медные. Они во много раз превосходят по самим характеристикам провода, изготовленные из алюминия. При прохождении через металл электрического тока часть электрической энергии преобразуется в тепловую – металл нагревается. Использование алюминиевых проводов при больших нагрузках на электрическую сеть может привести к их плавлению. Особенно опасны места стыка алюминиевых и медных проводов – они нагреваются намного быстрее. Неисправная электропроводка является причиной многих пожаров.

Анимация: “Изменение электропроводности металла при его нагревании и охлаждении”

6. Пластичность 

Многие металлы пластичны, то есть обладают способностью изменять форму, например, расплющиваться при ударе молотком. Наибольшей пластичностью обладают золото, серебро, медь, олово. Их можно раскатывать в фольгу.

                                    Фольга из меди  

             Фольга из золота

Общие свойства металлов – пластичность, способность отражать свет, тепло- и электропроводность – объясняются особенностями их строения.  При сильном надавливании кусок металла изменяет форму – часть атомов смещается, но не рассыпается: общее электронное облако прочно удерживает все атомы вместе. В электрическом поле свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, такое упорядоченное движение электронов называют электрическим током. 

Чем больше в металле свободных электронов и чем сильнее колебания атомов, находящихся в узлах решетки, тем быстрее происходит выравнивание температуры во всем куске металла, то есть тем больше его теплопроводность. Поэтому относительные значения тепло- и электропроводности для многих металлов близки.

Металлическая связь– это связь, которую осуществляют свободные электроны между катионами в металлической кристаллической решётке.

krist_Me.gifНа рисунке изображена модель кристаллической решётки металлов: в узлах кристаллической решётки находятся как электрически нейтральные, так и положительно заряженные катионы металлов, а между ними свободно перемещаются отрицательно заряженные электроны (электронный газ). За счёт наличия в кристаллах свободно движущихся электронов для большинства металлов характерны общие физические свойства: особый металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность, ковкость и другие.

IV. Получение металлов

Рудами называют минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых технически возможно и экономически целесообразно получать чистые металлы.

Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, а также соответствующая отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления катионов металла с помощью различных восстановителей.
Существует несколько способов получения металлов:
  • пирометаллургический,
  • электрометаллургический.

Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода C, оксида углерода(II) CO, водорода H2, металлов — алюминия Al, магния Mg.

pirometalurg.jpg
Цех пирометаллургического производства

1. Восстановление металлов из их оксидов с помощью углерода (в виде кокса, раньше – в виде древесного угля)  или угарным газом – карботермия

xOy + C = CO2 + Me  или   MеxOy + CO = CO2 + Me 

  • Олово восстанавливают из оловянного камня углеродом: Sn +4O2−2 + C→ (t°) Sn+ C + 4O−22
  • Медь восстанавливают из куприта оксидом углерода(II): Cu+12O−2 + C+2O−2 → (t°) 2Cu0 + C+4O−22

2.Обжиг сульфидов с последующим восстановлением

1 стадия – MеxSy+O2=MеxOy+SO2

2 стадия -  MеxOy + C = CO2 + Me  или   MеxOy + CO = CO2 + Me 

Например, цинковую обманку (сульфид цинка) подвергают обжигу (при этом образуется оксид цинка и диоксид серы), а затем полученный оксид цинка восстанавливают углеродом: 
1) 2Zn+2S−2 + 3O0→ (t°) 2Zn+2O−2 + 2S+4O−22;       2) Zn+2O−2 + C→ (t°) Zn+ C+2O−2

3. Восстановление металлов из их оксидов с помощью металлов называется металлотермией.

xOy + Al = Al2O3 + Me 

  • Хром восстанавливают из оксида хрома(III) при помощи алюминия (алюминотермия)Cr+32O−2+ 2Al→ (t°) 2Cr+ Al+32O−23

  • Титан восстанавливают из оксида титана(IV) магнием: Ti + 4O2−2 + 2Mg0 → (t°) Ti+ 2Mg+2O−2

4. Восстановление металлов из их оксидов с помощью водорода – водородотермия. Таким образом получают металлы с высокой степенью чистоты.

xOy + H2 = H2O + Me 

5. Восстановление металлов электрическим током (электролиз)

Электрометаллургия — восстановление металлов из растворов или расплавов их соединений под действием электрического тока (электролиз).

В процессе электролиза за счёт электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.
 
elektro_ceh.jpg
Электролизный цех металлургического завода
  
1. Восстановление активных металлов электролизом из расплавов их солей (галогенидов).
Например, натрий можно получить из расплавленного хлорида натрия под действием электрического тока:

2NaCl –расплав, электр. ток. → 2 Na + Cl2

CaClрасплав, электр. ток.→  Ca + Cl2

расплавов гидроксидов:

4NaOH –расплав, электр. ток.→  4Na + O2↑ + 2H2O

2. Восстановление металлов средней активности и неактивных металлов электролизом из растворов их солей.
  • Олово образуется при электролизе раствора хлорида олова(II): Sn+2Cl2−1 (электролиз) Sn0+Cl02
  • Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na3AlF6 (из бокситов): 2Al2O3 расплав в криолите, электр. ток.→  4Al + 3O2
  • Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных: 2CuSO4+2H2O –раствор, электр. ток.    2Cu + O2 + 2H2SO4

Электролиз используют для очистки металлов (электролитическое рафинирование).

Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3. При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, то есть переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.  

Большинство металлов переводят в слитки при помощи литья: расплавленный металл заливают в форму, где он и застывает. Однако наиболее тугоплавкие металлы, например, вольфрам, из которого делают нити накаливания элепктроламп, расплавить в печи необычайно трудно. Для получения их слитков применяют порошковую металлургию – особый метод, позволяющий избежать литья. Он основан на спекании предварительно спрессованного порошка металла при температуре выше 1000°C в атмосфере водорода. Затем через брусок из металла пропускают электрический ток, за счет чего он разогревается до температуры плавления, и при этом отдельные его зерна свариваются друг с другом. Полученное изделие подвергают горячей ковке и прокатке.

V. Нахождение металлов в природе

Самый распространённый в земной коре металл – алюминий. Металлы встречаются как в соединениях, так и в свободном виде.

1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)

2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов (Fe3O4, FeS2)

3. Благородные – в свободном виде (Au, Pt, Ag)

В сво­бод­ном со­сто­я­нии при­сут­ству­ют в при­ро­де ме­тал­лы, ко­то­рые либо плохо окис­ля­ют­ся кис­ло­ро­дом, либо со­всем не окис­ля­ют­ся. На­при­мер, пла­ти­на, зо­ло­то, се­реб­ро. Реже – медь, ртуть и неко­то­рые дру­гие. Са­мо­род­ные ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в при­ро­де в неболь­ших ко­ли­че­ствах  в виде зерен или вкрап­ле­ний в раз­лич­ных ми­не­ра­лах. Лишь из­ред­ка они об­ра­зу­ют боль­шие куски – са­мо­род­ки. Самый боль­шой са­мо­ро­док зо­ло­та весил 112 кг. Ино­гда ме­тал­лы прак­ти­че­ски в чи­стом виде со­дер­жат­ся в ме­тео­ри­тах. Так, неко­то­рые пред­ме­ты из вы­со­ко­чи­сто­го же­ле­за, най­ден­ные ар­хео­ло­га­ми, объ­яс­ня­ют­ся имен­но тем, что они были из­го­тов­ле­ны из ме­тео­рит­но­го же­ле­за. Но чаще всего ме­тал­лы су­ще­ству­ют в при­ро­де в свя­зан­ном со­сто­я­нии в со­ста­ве ми­не­ра­лов.

Ми­не­рал это хи­ми­че­ски и фи­зи­че­ски ин­ди­ви­ду­а­ли­зи­ро­ван­ный про­дукт при­род­ной фи­зи­ко-хи­ми­че­ской ре­ак­ции, на­хо­дя­щий­ся в кри­стал­ли­че­ском со­сто­я­нии.

Очень часто это ок­си­ды. На­при­мер, оксид же­ле­за (III) Fe2O3 – ге­ма­тит, или крас­ный же­лез­няк. Рис. 1.

Fe3O4 – маг­не­тит, или маг­нит­ный же­лез­няк. Неред­ко ми­не­ра­ла­ми яв­ля­ют­ся суль­фид­ные со­еди­не­ния: га­ле­нит ZnS, ки­но­варь HgS.

Ак­тив­ные ме­тал­лы часто при­сут­ству­ют в при­ро­де в виде солей (суль­фа­ты, нит­ра­ты, хло­ри­ды, кар­бо­на­ты).

Ми­не­ра­лы вхо­дят в со­став гор­ных пород и руд. Ру­да­ми на­зы­ва­ют­ся при­род­ные об­ра­зо­ва­ния, со­дер­жа­щие ми­не­ра­лы в таком ко­ли­че­стве, чтоб из этих руд было вы­год­но по­лу­чать ме­тал­лы. Обыч­но перед по­лу­че­ни­ем ме­тал­ла из руды руду обо­га­ща­ют, уда­ляя пу­стую по­ро­ду и раз­лич­ные при­ме­си. При этом об­ра­зу­ет­ся кон­цен­трат, ко­то­рый и яв­ля­ет­ся ис­ход­ным сы­рьем для ме­тал­лур­ги­че­ской про­мыш­лен­но­сти.

VI. Химические свойства металлов

Общие химические свойства металлов представлены в таблице:

Важно за­пом­нить, что в хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях ме­тал­лы вы­сту­па­ют в ка­че­стве вос­ста­но­ви­те­лей: от­да­ют элек­тро­ны и по­вы­ша­ют свою сте­пень окис­ле­ния. Рас­смот­рим неко­то­рые ре­ак­ции, в ко­то­рых участ­ву­ют ме­тал­лы.

1. Взаимодействие с кислородом

Мно­гие ме­тал­лы могут всту­пать в ре­ак­цию с кис­ло­ро­дом. Обыч­но про­дук­та­ми этих ре­ак­ций яв­ля­ют­ся ок­си­ды, но есть и ис­клю­че­ния, о ко­то­рых вы узна­е­те на сле­ду­ю­щем уроке. Рас­смот­рим вза­и­мо­дей­ствие маг­ния с кис­ло­ро­дом.

Маг­ний горит в кис­ло­ро­де, при этом об­ра­зу­ет­ся оксид маг­ния:

2Mg0 + O20 = 2Mg+2O-2

Горение магния в кислороде

Рис. 1. Го­ре­ние маг­ния в кис­ло­ро­де

Атомы маг­ния от­да­ют свои внеш­ние элек­тро­ны ато­мам кис­ло­ро­да: два атома маг­ния от­да­ют по два элек­тро­на двум ато­мам кис­ло­ро­да. При этом маг­ний вы­сту­па­ет в роли вос­ста­но­ви­те­ля, а кис­ло­род – в роли окис­ли­те­ля.

Видео-опыт: “Горение магния”

Обратите внимание!!! Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют.

2. Взаимодействие с галогенами, образуются галогениды

Для ме­тал­лов ха­рак­тер­на ре­ак­ция с га­ло­ге­на­ми. Про­дук­том такой ре­ак­ции яв­ля­ет­ся га­ло­ге­нид ме­тал­ла, на­при­мер, хло­рид.

Горение калия в хлоре

Рис. 2. Го­ре­ние калия в хлоре

Калий сго­ра­ет в хлоре  об­ра­зо­ва­ни­ем хло­ри­да калия:

0 + Cl20 = 2K+1Cl-1

Два атома калия от­да­ют мо­ле­ку­ле хлора по од­но­му элек­тро­ну. Калий, по­вы­шая сте­пень окис­ле­ния, иг­ра­ет роль вос­ста­но­ви­те­ля, а хлор, по­ни­жая сте­пень окис­ле­ния,- роль окис­ли­те­ля

3. Взаимодействие с серой

Мно­гие ме­тал­лы ре­а­ги­ру­ют с серой с об­ра­зо­ва­ни­ем суль­фи­дов. В этих ре­ак­ци­ях ме­тал­лы также вы­сту­па­ют в роли вос­ста­но­ви­те­лей, тогда как сера будет окис­ли­те­лем. Сера в суль­фи­дах на­хо­дит­ся в сте­пе­ни окис­ле­ния -2, т.е. она по­ни­жа­ет свою сте­пень окис­ле­ния с 0 до -2. На­при­мер, же­ле­зо при на­гре­ва­нии ре­а­ги­ру­ет с серой с об­ра­зо­ва­ни­ем суль­фи­да же­ле­за (II):

Fe0 + S0 = Fe+2S-2

Взаимодействие железа с серой

Рис. 3. Вза­и­мо­дей­ствие же­ле­за с серой

Видео-опыт: “Взаимодействие цинка с серой”

Ме­тал­лы также могут ре­а­ги­ро­вать с во­до­ро­дом, азо­том и дру­ги­ми неме­тал­ла­ми при опре­де­лен­ных усло­ви­ях.

Видео: "Самовоспламенение никеля на воздухе"

4. Взаимодействие с водой

Металлы по - разному  реагируют с водой:

Помните!!!

Алюминий реагирует с водой подобно активным металлам, образуя основание:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

Видео-опыт: “Взаимодействие натрия с водой”

Раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe3O4 и водород: 3Fe0+4H+12O−2 → Fe+2O−2⋅Fe+32O−2+ 4H02

5. Взаимодействие с кислотами

Металлы особо реагируют с серной концентрированной  и азотной кислотами:

H2SO(конц.) + Me = соль + H2O + Х

 

 

 

Щелочные 

и щелочноземельные

Fe, Cr, Al

Металлы

до водорода

 Сd-Pb

Металлы после

водорода (при t)

 

Au, Pt

 X

H2S↑

могут S↓ или SO2

1)пассивируются на холоде;

2) при нагревании → SO2

 S

могут H2S илиSO2

SO2

-

H2SO4 (разб) + Zn = ZnSO4 + H2

H2SO4 (разб) + Cu ≠

2H2SO4 (конц.) + Cu = CuSO4 + 2H2O + SO2

Внимание!

Pt, Au + H2SO(конц.) реакции нет

Al, Fe, Cr + H2SO(конц.)  холодная пассивация

Документы (всего: 4)
Документы (всего: 4)