Неорганическая химия. 
Химия

МЕТАЛЛЫ

Изучив материал данной главы, вы будете:

знать

• • общие физические и химические свойства металлов;
• • методы получения металлов;
• • типичные свойства металлов;
• • классификацию соединений металлов;

уметь

• • определять принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам;
• • составлять уравнения реакций металлов с кислотами и неметаллами, обменных и окислительно-восстановительных реакций оксидов, гидроксидов и солей металлов.

Общая характеристика

Одним из важных признаков ряда химических элементов является металличность. Под «металличностью» подразумевают существование простых веществ в виде металлов, проявление в сложных веществах исключительно положительных степеней окисления, основные свойства оксидов элементов в низких степенях окисления.

Химический элемент называют металлом, если его простое вещество имеет физические свойства металла.

Общие физические свойства металлов хорошо известны. При обычной температуре это твердые (кроме ртути) вещества с характерным металлическим блеском; имеют высокую электрои теплопроводность. При ударе металл, как правило, не раскалывается, а расплющивается. Это свойство называют пластичностью, или ковкостью. Металлы образуют между собой разнообразные сплавы, которые тоже обладают металлическими свойствами.

К металлам относится большая часть химических элементов. Если применить классификацию элементов по 5-, р-, d-, /-блокам, то окажется, что металлами являются все элементы d- и /-блоков, элементы s-блока (кроме водорода и гелия) и несколько элементов p-блока. Все элементы, расположенные в Периодической таблице после радона, в том числе и вновь открываемые, — металлы. Металличность возникает при наличии достаточного числа свободных валентных орбиталей, незначительно различающихся по энергии. Чем выше главное квантовое число заполняющегося уровня, тем меньше различие в энергиях подуровней. В результате металличность увеличивается в группах при переходе сверху вниз. В периодах слева направо по мере увеличения числа валентных электронов и уменьшения числа остающихся вакансий металличность понижается. Граница между металлами и неметаллами проходит по диагонали p-блока элементов через бор — кремний — мышьяк — теллур — астат; ниже диагонали находятся металлы, на самой диагонали и выше нее — неметаллы.

Атомы элементов металлов всегда имеют достаточное число свободных орбиталей, по которым могут распределяться валентные электроны. При этом условии между атомами возникает металлическая связь. В металлах с малым числом валентных электронов (группы IA, НА) все электроны участвуют в образовании металлической связи. В структурах металлов с достаточно большим числом валентных электронов (элементы d-блока) могут одновременно возникать ковалентные и металлические связи.

Электроотрицательность металлов в целом ниже, чем неметаллов. Она изменяется от 0,7 у цезия до 2,5 у золота. Последнее значение близко к электроотрицательности неметалла иода. Поэтому можно сделать вывод, что значение электроотрицательности не определяет принадлежность элемента к металлам или неметаллам.

Степени окисления металлов в сложных веществах, за редким исключением, положительные. Поэтому получение металлов из руд, т. е. природных соединений, осуществляется восстановлением. Производство металлов и их сплавов — задача металлургии, важной отрасли промышленности. Обширные знания о процессах получения металлов, накопленные металлургами до формирования химии как самостоятельной науки, в дальнейшем стали составной частью химии.

В металлургии применяют различные восстановители в зависимости от природы получаемого металла и состава имеющегося сырья:

• • неметаллы — уголь, кремний, водород;
• • металлы — натрий, кальций, алюминий, железо;
• • сложные вещества — оксид углерода (Н), метан, карбид кальция, гидрид натрия;
• • катод при электролизе играет роль восстановителя.

Методы получения металлов подразделяют на высокотемпературные (пирометаллургия) и низкотемпературные (гидрометаллургия), а также на химические и электрохимические (электролиз). Применение этих методов для получения отдельных металлов показано на рис. 5.1.

По химической активности металлы сильно отличаются друг от друга. Активные металлы (натрий, кальций и др.) бурно реагируют с водой. Стойкие металлы (золото, платина, иридий) не реагируют с концентрированными кислотами, кислородом, хлором.

Металлы можно расположить в ряд по снижению их восстановительной способности в водной среде:

Это электрохимический ряд напряжений металлов. С его помощью решают вопрос о возможности замещения металла в соли или водорода в кислоте каким-либо другим металлом. При этом необходимо учитывать, что ожидаемая реакция замещения металла не может быть осуществлена, если взятый металл реагирует с водой. Электрохимический ряд напряжений металлов можно применять также к реакциям металлов с твердыми солями и оксидами, но лишь при условии, что данные металлы достаточно удалены друг от друга в электрохимическом ряду напряжений. Близко расположенные металлы могут менять последовательность в зависимости от условий проведения реакции.

Рис. 5.1. Способы получения металлов

Пример 5.1.

Можно ли восстановить олово из раствора SnCl₂ магнием или натрием? Напишите уравнение реакции.

Согласно положению в электрохимическом ряду напряжений как натрий, так и магний могут замещать олово в солях. Однако натрий быстро реагирует с водой. Поэтому для восстановления олова следует взять магний:

Типичные соединения металлов — оксиды, гидроксиды, бинарные и кислородсодержащие соли, комплексные соединения. Для металлов в растворах наиболее характерно образование катионов. Однако понятие металличности не исключает и способность входить в состав анионов. Как неметаллы, так и металлы в высоких (+5 и выше) степенях окисления дают оксиды с кислотными свойствами. Элементы хром и марганец образуют сильные кислоты Н₂Сг₂0₇ и НМп0₄ соответственно.

Многие элементы-металлы необходимы для жизни. По массе в организме человека больше всего кальция — около 1 кг. Он сосредоточен в костях, а также в небольшом количестве обязательно содержится в крови и клетках. Далее следуют калий и натрий. Содержание каждого из них превышает 100 г. Еще около 10 элементов-металлов (железо, кобальт, медь, цинк и некоторые другие) необходимы для жизни в малых количествах. Они регулируют скорость биохимических превращений, входя в состав ферментов.

Вопросы и задания

• 1. Какие химические элементы являются металлами?
• 2. Перечислите металлы, относящиеся к p-блоку элементов.
• 3. Перечислите важнейшие общие свойства металлов.
• 4. По каким признакам классифицируют металлы?
• 5. Каково практическое значение металлов?
• 6. Какие реакции лежат в основе методов получения металлов?