Загальна характеристика металів. Фізичні властивості металів на основі їхньої будови Зі 118 хімічних елементів, відомих на сьогодні, близько 100 елементів є металічними. У Періодичній системі вони розташовані від початку кожного періоду, а також у двох родинах f-елементів: Лантаноїди та Актиноїди. В атомів металічних елементів на зовнішньому енергетичному рівні міститься невелике число електронів: • у s-елементів — один або два; • у d-елементів — два (як виняток — один); • у р-елементів по-різному: в елементів 3-5 періодів — по 3-4 електрони, в елементів 6-7 періодів значно більше, але через значне віддалення від ядра вони слабко притягаються до нього. Атоми металічних елементів у хімічних взаємодіях лише віддають електрони та, як наслідок, набувають стійкої електронної конфігурації атомів найближчого інертного елемента. Отже, метали в хімічних реакціях є виключно відновниками. У цьому полягає їх принципова відмінність від неметалів. На зовнішньому рівні один – три електрони (s- або p-), в утворенні зв'язку беруть участь d- електрони передзовнішнього підрівня Me° - ne⁻ = Meⁿ У атомів металічних елементів на зовнішньому енергетичному рівні, як правило, знаходиться від 1 до 3 електронів. Атоми металічних елементів мають великий радіус. Метали являються сильними відновниками, так як легко віддають зовнішні електрони. І, ІІ, ІІІ групи, головні підгрупи, побічні підгрупи, лантаноїди, актиноїди Атоми металів у реакціях перетворюються на позитивно заряджені йони. Металічний зв’язок і кристалічна гратка Металічна кристалічна гратка У вузлах ґраток – атоми й катіони металу, між вузлами – відносно вільні електрони. + + + + + + Металевий зв’язок – зв’язок між катіонами в металі, здійснюваний за допомогою делокалізованих електронів. Поширення елементів у природі оксиген алюміній 26% ферум кальцій 49% натрій калій магній 2% 1% 2% 2% 2% 4% гідроген інші елементи 5% силіцій 7% Знаходження металів у природі Активних у вигляді солей Середньої активності у вигляді оксидів і сульфідів Благородних у вільному вигляді Хлоридні руди: NaCl, KCl, KCl∙NaCl∙MgCl2, KCl∙MgCl2∙6H2O Сульфідні руди: PbS, FeS2, MoS2, ZnS Ag, Pt, Au Карбонатні руди: CaCO3, CaCO3∙MgCO3, FeCO3, Ca(HCO3)2 Оксидні руди: Fe3O4, Al2O3, NiO, MoO3 Поширеність металічних елементів у природі Слово «метал» походить від грецького metallon, що означає «рудник» або «шахта». Мінерали й гірські породи, які містять сполуки металічних елементів і придатні для добування металів промисловим способом, називають рудами: залізна руда, алюмінієва, мідна, свинцева тощо. Найпоширеніший у земній корі металічний елемент — Алюміній (7%), він поступається лише двом неметалічним — Оксигену й Силіцію. Друге місце серед металічних елементів посідає Ферум (4%); Третє — Кальцій (3%), потім Натрій, Калій і Магній (близько 2%), Титан (0,6%). Набагато менше в земній корі Хрому (0,01%), Купруму (0,005%), Урану, Стануму (близько 0,0002%), Аргентуму (0,000007 %), Меркурію (0,000005%), Ауруму (0,0000001%). Усі радіоактивні металічні елементи (за винятком Урану й Торію) у природі наявні в незначних кількостях або взагалі не виявлені. Метали як прості речовини Металічні хімічні елементи існують у вільному стані у вигляді простих речовин металів. Назви деяких металічних елементів та утворених ними простих речовин не збігаються. Приклади металів, назви яких не збігаються з назвами елементів за сучасною українською номенклатурою. Тип кристалічних граток Характеристика Тип зв’язку Приклади речовин Фізичні властивості Молекулярна У вузлах кристалічних граток Ковалентний знаходяться полярні або неполярні молекули, зв’язані між собою слабкими силами електростатичного притягання Вода, амоніак, більшість органічних сполук Невисокі температури плавлення й кипіння, нетверді, діелектрики, розчинні (з полярним типом зв’язку) і нерозчинні (з неполярним типом зв’язку), гази або рідини за кімнатної температури Атомна У вузлах атомних кристалічних граток розміщені атоми, зв’язані між собою спільними електронними парами Ковалентний неполярний Алмаз, кремній, силіцій Високі температури плавлення й кипіння, тверді, крихкі, діелектрики або напівпровідники, нерозчинні Йонна У вузлах йонних кристалічних граток почергово розташовані позитивно й негативно заряджені йони Йонний Більшість солей, оксидів, основ Високі температури плавлення й кипіння, тверді, крихкі, діелектрики, у водних розчинах і розплавах – провідники, розчинні Металічна У вузлах металічних кристалічних граток поряд із нейтральними атомами Металічний Метали, сплави Різні температури плавлення й кипіння, переважно високі, тверді, пластичні, провідники, Фізичні властивості Металевий блиск зумовлюється здатністю металів майже повністю відбивати світлові промені будь-якої довжини спектру. Найяскравіше блищать паладій, іридій та срібло Золото, мідь, цезій сильніше поглинають світло з певними довжинами хвиль, тому вони забарвлені у жовті чи червоні кольори. У порошкоподібному стані більшість металів набуває чорного чи темно-сірого кольору. Непрозорість металів пов’язана із наявністю в кристалічній rратці вільних рухливих електронів, які гасять світлові коливання, перетворюючи їх у теплоту чи, в деяких випадках, використовуючи їх енергію для вивільнення електронів зі своєї поверхні (явище фотоефекту). Теплопровідність – вільні електрони обмінюються енергією з іонами у вузлах кристалічної решітки. При нагріванні металу коливання іонів на його поверхні зростають, а енергія коливань через електронний газ миттєво передається сусіднім йонам, тому відбувається швидке вирівнювання температури по всій масі металу. Механічні властивості металів Пластичність Густина Твердість Пружність Міцність Пластичність здатність без руйнування піддаватися деформаціям за звичайних чи підвищених температурах, завдяки чому метали можна кувати, прокатувати, штампувати, витягувати у дріт тощо. Найбільш пластичний метал – золото. Пластичність забезпечується специфічними особливостями металічного зв’язку. Густина характеристика механічних властивостей, залежно від якої метали поділяються легкі важкі густина яких не перебільшує 5 г/см3 густина яких перебільшує 5 г/см3 всі s-метали, алюміній, титан і скандій d-метали V-VII періодів Найлегший метал – літій найважчий – осмій Твердість опір проникненню у метал іншого твердого тіла. Найтвердішими металами є хром, молібден і вольфрам Найменш твердими: індій та лужні метали Міцність – здатність металу протистояти руйнуванню під дією будь-яких інших зовнішніх сил. Пружність металу – здатність повертати первісну форму і розмір, після того як навантаження, що викликало деформацію металу усунене. Технологічні властивості металів Плинність Ковкість Обробка різанням Проколюваність Зварюваність Технологічні властивості металів Під ковкістю розуміється здатність металу змінювати форму в нагрітому і холодному станах. Здатність двох металевих сплавів при нагріванні з’єднуватися один з одним називають зварюваністю. Плинність металу теж дуже важлива, вона визначає здатність розплавленого металу розтікатися по заготовленій формі. Властивість металу гартуватися називається проколюваністю. Хімічні властивості металів Серед основних хімічних властивостей можна виділити їх окислюваність та корозійну стійкість Реагуючи з киснем, метали утворюють плівку, тобто проявляють окислюваність. Корозія металів – їх повільне руйнування через хімічну або електрохімічноу взаємодії. Здатність металів протистояти корозії називається їх корозійною стійкістю. Взаємодія з неметалами Горіння магнію Каталітична реакція взаємодії алюмінію з йодом 0 0 +2 -2 2Мg + O2 = 2MgO 4Al + 3I2 2AlI3 Взаємодія металів з водою Li, К, Ва, Са, Nа, Мg, Ве Реагують з водою звичайних умовах 2Na + 2H2О = 2 NaOH +H2 Від Аl до Рb при Реагують з нагріванні водою Від Ві до Аи при З водою взаємодіють Zn + H2O = ZnO + H2 Ag + H2O =/= не Взаємодія лужного мет алу з водою 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 Взаємодія лужноземельного металу з водою ● Проблемне питання: -Чому дівчати носять золоті чи срібні сережки виготовлені із золота чи срібла, а не з алюмінію чи заліза? 1865р. російський хімік М.М. Бекетов відкрив ряд активності металів (витискувальний ряд металів) K Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb(H2)Cu Ag Hg Pt Au 2Al + 6HCl → 2AlCl3+ 3H2↑ Zn + 2HСl→ ZnCl2+ H2↑ Cu + HCl → Взаємодія між простою і складною речовинами внаслідок якої атоми простої речовини заміщують атоми у складній речовині називають реакцією заміщення. М.М.Бекетов Взаємодія металів з розчинами солей Якщо метал, що реагує з розчином солі, активніший за метал, що утворює сіль, то відбувається хімічна реакція: Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu Забарвлення полум'я йонами металів Застосування Найважливішими для практики металами є залізо, алюміній, мідь, цинк. Вони набули широкого використання завдяки стійкості до природних умов і поширеності природної сировини, з якої їх добувають. Золото, срібло, платина — дорогоцінні метали. З них виготовляють ювелірні вироби, прикраси, іноді карбують монети. Ці метали також застосовують у хімічній промисловості, приладобудуванні, електронній техніці. Вироби з металів. 1. Золоту (Аu 999,9) монету присвячено важливій спортивній події - Фінальному турніру чемпіонату Європи з футболу, який було проведено в Україні та Польщі у 2012 році. 2. Пам’ятну монету зі срібла 925 проби присвячено 150-річчю від дня народження української письменниці - Дніпрової Чайки (Людмили Олексіївни Василевської), яка написала чимало оповідань і віршів, створила лібрето багатьох дитячих опер, зокрема «Коза-дереза», «Пан Коцький», «Зима й весна» Миколи Лисенка. 3. Бляшанки виготовляють зі сталі (сплаву заліза), укритої тонким шаром олова. 4. Мідний кіт-флюгер завжди знає, звідкіля вітер дме. Сплави металів Значно частіше за метали використовують їх сплави. Кожний сплав є однорідною сумішшю (твердим розчином), яку виготовляють шляхом сумісного сплавляння металів із подальшим охолодженням. За фізичними властивостями сплави відрізняються від металів, що входять до їх складу. Вони мають, як правило, нижчі температури плавлення порівняно з відповідними металами, а також інші твердість і густину. Однак сплавам, як і чистим металам, властиві металевий блиск, висока електропровідність. У хімічних реакціях сплави зазвичай поводяться як суміші металів. Учені добувають і досліджують сплави з метою покращення властивостей металів. Так, звичайне залізо швидко ржавіє, а сплави цього металу із хромом і нікелем дуже стійкі у природних умовах. Для виготовлення ювелірних прикрас використовують не чисті дорогоцінні метали, а їх твердіші сплави з міддю і сріблом. Срібна монета За допомогою припою — сплаву олова зі свинцем — легше паяти (tпл. припою 180 °С), ніж чистими металами — оловом (tпл. 232 °С) чи свинцем (tпл. 327 °С). Сплави металів використовують у хімічній та харчовій промисловості, літако- і машинобудуванні, техніці, будівництві, монументальному мистецтві, побуті. Використання сплавів: а — обладнання з нержавіючої сталі; б — монумент із бронзи; в — вироби з латуні; г — столовий набір із мельхіору
