Форми знаходження металів у природі

ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ

Метали

Характерною ознакою металів є здатність їх атомів утворювати позитивні іони, і тому з елементами, що мають високу електронегативність, вони утворюють солі.

Метали складають 75% від усіх відомих хімічних елементів. Метали утворюють різноманітні хімічні сполуки. Більшість неорганічних сполук – це сполуки металів.

З металів починаються всі періоди (окрім першого). Чим вищий номер періоду, тим більше у ньому металів. Класифікація відбувається за групами періодичної системи: лужні метали, лужноземельні й т. п.

У промисловості зберігся розподіл на чорні і кольорові метали. До чорнихметалів належать залізо та його сплави і метали, які застосовуються, головним чином, у цих сплавах (Мn, Сг); до кольорових – мідь і її сплави, платина, золото, титанові метали та ін.

Рідкіcні – це ті, які мало поширені у природі (побічна підгрупа III групи, лантаніди та ін.).

Фізичні властивості металів

У вузлах кристалічної ґратки металів розташовані позитивні іони, а між ними знаходяться вільні електрони, які переміщуються в усьому об'ємі металу. Металевий зв'язок, що виявляється при усуспільненні зовнішніх електронів, є одним з видів хімічного зв'язку. Він відрізняється від ковалентного, у якому усуспільнюються електрони лише двох сусідніх атомів, тим, що усуспільнюються електрони всіх атомів металу. Характерні властивості металів (електро- і теплопровідність, термоелектронна емісія, пластичність та ін.) обумовлені присутністю в їх ґратках вільних рухливих електронів.

Вільні електрони при накладанні електричного поля отримують направлений рух. Тому метали мають високу електропровідність. З підвищенням температури електропровідність металів зменшується, тому що посилюється коливальний рух іонів у вузлах кристалічної ґратки, який заважає направленому руху електронів. При температурах, близьких до абсолютного нуля, у багатьох металів спостерігається надпровідність. Найбільшу електропровідність мають срібло, мідь.

У металів спостерігається фотоелектричний ефект. Гладка поверхня металів віддзеркалює падаючі промені світла, тому метали мають металевий блиск. Для металів характерна висока теплопровідність, що, як і електропровідність, зумовлена присутністю вільних електронів.

Густина металів коливається в дуже широких межах (від 0,53 г/см³ у літію до 22,5 г/см³ в осмію).

До легких належать лужні й лужноземельні метали, крім того, берилій, алюміній, магній, скандій, ітрій та ін. До важких – усі останні. Легкі метали мають густину < 5 г/см³, важкі – > 5 г/см³.

Характерна властивість металів – пластичність. Під пластичністю розуміють здатність тіл під впливом зовнішніх сил підпадати під деформацію, яка залишається після припинення дії. Пластичність металів зумовлена тим, що під впливом зовнішніх сил шари іонів, які утворюють кристалічні ґратки, зсовуються один відносно одного без розриву зв'язку.

Найбільш твердими є метали групи хрому, найменш твердими – калій, рубідій, цезій.

Тугоплавкі метали: t_пл ≥ 1500 ⁰С; легкоплавкі метали: t_пл ≤ 1000 ⁰С:

t_пл (Нg) = – 38,9 ⁰C; t_пл (W) = 3360 ⁰C.

Хімічні властивості металів

Відновна здатність

Характерною особливістю металів є їх відновна властивість – здатність віддавати валентні електрони і перетворюватися у позитивно заряджені іони.

Відновну здатність металів кількісно характеризують енергією іонізації їх атомів (I).

Металеві (відновні) властивості

I

Відновна здатність у водних розчинах кількісно характеризується значенням стандартних електродних потенціалів металів.

16.3.2. Взаємодія металів з кислотами

У кислотах, аніони яких не мають окисних властивостей, у ролі окисника виступають іони Н⁺. З такими кислотами реагують лише ті метали, які мають негативні значення стандартних електродних потенціалів (до водню).

Реакція протікає з виділенням водню:

Zn + H₂SO_{4 (розб.)} = ZnSO₄ + H₂↑

відновник Zn⁰ – 2ē = Zn⁺² – окиснення,

окисник 2Н⁺ + 2ē = Н₂ ↑ – відновлення.

Метали, що знаходяться у ряду електрохімічних потенціалів після водню, не витісняють водень з кислот і розчиняються лише у кислотах, аніони яких виявляють окисні властивості (наприклад, у HNO₃ або у концентрованій H₂SO₄).

16.3.3. Взаємодія металів з водою

Вода діє на метали подібно кислотам, з яких метали витісняють водень. Але з водою реагують тільки найактивніші метали – лужні та лужноземельні:

2Na + 2H₂O = 2NаOH + H₂ ↑

Na⁰ – ē = Na⁺ 2

2H⁺ + 2ē = H₂↑ 1.

16.3.4. Взаємодія металів з лугами

З лугами реагують метали, гідроксиди яких виявляють амфотерні властивості. З лугів ці метали витісняють водень:

Zn + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂↑

Zn⁰ – 2ē = Zn⁺² 1

2H⁺ + 2ē = H₂↑ 1.

16.3.5. Оксиди і гідроксиди металів

Оксиди металів виявляють основні, амфотерні або кислотні властивості залежно від активності металу і його ступеня окиснення.

Ступінь окиснення: +1;(+2) – основні оксиди;

ступінь окиснення: (+2); +3; +4 – амфотерні оксиди;

ступінь окиснення: > +5 – кислотні оксиди.

Оксиди лужних та лужноземельних металів і деякі з кислотних оксидів (СгО₃, Мn₂O₇ та ін.) розчинні у воді.

В одного й того ж металу зі збільшенням ступеня окиснення зростають кислотні властивості оксидів і зменшуються основні:

MnO – основний;

Mn₂O₃ – амфотерний з перевагою основних властивостей;

MnO₂ – амфотерний з перевагою кислотних властивостей;

MnO₃

кислотні оксиди.

Mn₂O₇

Гідроксиди лужних та лужноземельних металів можна отримати безпосередньо взаємодією оксидів з водою:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Основні гідроксиди інших металів і амфотерні гідроксиди можуть бути отримані тільки побічним (непрямим) шляхом (дією лугу на розчини солей):

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃ + 3NaCl.

Основні властивості гідроксидів залежно від положення металу в періодичній системі змінюються таким чином:

Збільшення основних властивостей гідроксидів

Збільшення кислотних властивостей гідроксидів

Кислотні властивості гідроксидів змінюються у зворотному порядку. Добре розчинними у воді є тільки основні гідроксиди лужних і лужноземельних металів і деякі кислоти ( Н₂Cr₂O₇, HMnO₄ та ін.).

Форми знаходження металів у природі

З металів найбільш поширений у природі алюміній. Далі йдуть Fe, Ca, Na, K.

Здебільшого метали знаходяться у вигляді всіляких сполук і тільки найменш активні, такі як Au, Hg, Ag, Pt, зустрічаються у самородному стані.

Найчастіше в природі зустрічаються оксиди металів, наприклад, гематит Fe₂O₃, магнетит Fe₃O₄, куприт Cu₂O, корунд Al₂O₃, рутил TiO₂, піролюзит MnO₂, каситерит SnO₂ тощо.

Часто зустрічаються сульфіди ZnS, PbS, FeS₂ та ін. (ZnS – цинкова обманка, PbS – галеніт, FeS₂ – пірит).

Також часто зустрічаються у природі галіти, хлориди: НСІ, NаСІ, МgСІ₂; СаF₂ – кальцій флюорит, КСІ – сильвін, NаСІ – кам'яна сіль, Na₂SO₄·10H₂O – глауберова сіль, СаСО₃ – кальцит, вапняк, мармур.

Поширені також солі кисневмісних кислот: карбонати (СаСО₃), сульфати (Na₂SO₄ ), силікати ([Be₃Al₂(SiO₃)₆]), фосфати [Ca₃(PO₄)₂].

Розчинні солі металів частково знаходяться у розчиненому стані у воді океанів, морів, озер, підземних джерел.

Отримання металів

Руди майже завжди бувають забруднені так званою пустою породою. Тому металеві руди часто підлягають очищенню від пустої породи або збагаченню. Для збагачення металевих руд застосовують різні методи: механічні, електромагнітні, фізико-хімічні.

До кінця XIX ст. металургія розвивалася майже виключно на основі пірометалургійних переробок, тобто процесів відновлення, що протікають при високих температурах.

Пірометалургійні процеси підрозділяються на випал, плавку, дистиляцію (сублімацію).

Випал проводиться при температурах, недостатніх для плавлення рудної сировини. Найчастіше проводять окисний випал – взаємодія сировини з киснем повітря. Прикладом є випал мідних, цинкових і свинцевих концентратів для виведення сірки у вигляді SO₂ і перетворення сульфідних мінералів у оксиди:

2ZnS + 2O₂ = 2ZnO + 2SO₂.

Плавка здійснюється при температурі, достатній для розплавлення всієї сировини або її частини.

Основними відновними плавками є доменний процес, а також свинцева, олов'яна та інші плавки, у яких відбуваються процеси відновлення металів з їх оксидів та інших сполук. Відновниками служать вуглець (карботермія) або активні метали (металотермія) АІ, Мg й ін.:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂,

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂,

FeO + CO = Fe + CO₂,

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂.

Дистиляція– випал або плавка, при яких метали або їх сполуки випаровуваються, а потім концентруються з газів у вигляді рідини або кристалів. Цей спосіб застосовують для витягання Hg, Cd, As та деяких інших корисних елементів.

Гідрометалургія – видобування металів з руд, концентратів і відходів різних виробництв у вигляді їх сполук з водними розчинами хімічних реагентів з подальшим виділенням металів з розчинів. Ця галузь металургії отримала розвиток на межі XIX – XX ст. Відновлення металів у водних розчинах проводять або більш активними металами, або шляхом виділення їх на катод при електролізі.

Процеси катодного відновлення металів з розчинів або розплавів називаються електрометалургією. Електролізом водних розчинів можуть бути отримані лише порівняно малоактивні метали. Активними ж є лужні, лужноземельні; алюміній отримують виключно електролізом розплавлених солей.

Питання для самоперевірки

1. Як змінюються металеві властивості елементів у періодах, групах і підгрупах? Як залежить активність металу від його положення в періодичній системі та значень потенціалів іонізації?

2. Основні методи отримання металів.

3. Які метали взаємодіють з водою, а які з лугами? Наведіть приклади реакцій.

4. Які продукти відновлення HNO₃ утворюються при взаємодії концентрованої кислоти з активними металами?

5. У яких формах частіше зустрічаються метали у природі?

6. Як змінюються основні та кислотні властивості гідроксидів у періодах і групах періодичної системи?

Контрольні завдання

16.1. Складіть електронні та молекулярні рівняння реакцій взаємодії: а) кальцію з водою; б) магнію з нітратною кислотою, враховуючи максимальне відновлення останньої.

16.2. Який ступінь окиснення виявляють мідь, срібло та золото у сполуках? Який ступінь окиснення більш характерний для кожного з них? Іодид калію відновлює іони міді (+2) у сполуках міді зі ступенем окиснення +1. Складіть електронні та молекулярні рівняння реакцій взаємодії KI з сульфатом міді.

16.3. Складіть рівняння реакцій, які треба провести для здійснення таких перетворень: Na₂Cl₂O₇ Na₂CrO₄ Na₂Cr₂O₇ CrCl₃. Рівняння окисно-відновних реакцій напишіть на основі електронних рівнянь.

16.4. Як змінюється ступінь окиснення мангану при відновленні KMnO₄ у кислому, нейтральному і луговому середовищах? Складіть електронні та молекулярні рівняння реакцій взаємодії KMnO₄ з KNO₂ у нейтральному середовищі.

16.5. Які з перелічених металів можуть бути використані для отримання водню з хлоридної кислоти: Cu, Al, Fe, Mg, Hg? Який з них при однаковій масі витісняє найбільшу кількість водню?

16.6. Назвіть важливіші способи отримання металів з руд.

Поиск по сайту: