57348

Металлы. Особенности строения атома. Сплавы. Коррозия металлов. Щелочные и щелочноземельные металлы. Алюминий. Соединения алюминия. Железо. Соединения Железа

Конспект урока

Педагогика и дидактика

6 элементов в группе щелочных металлов литий натрий калий рубидий цезий франций 6 в группе щёлочноземельных металлов магний кальций стронций барий радий 38 в группе переходных металлов скандий титан ванадий хром марганец железо кобальт никель медь...

Русский

2014-04-11

363.5 KB

3 чел.

Урок 5-6. Металлы. Особенности строения атома. Сплавы. Коррозия металлов. Щелочные и щелочноземельные металлы. Алюминий. Соединения алюминия. Железо. Соединения Железа.

Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, обладающих свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, положительным температурным коэффициентом сопротивления, высокой пластичностью и металлическим блеском.

Из 118[1] химических элементов к металлам относят:

6 элементов в группе щелочных металлов (литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций)

6 в группе щёлочноземельных металлов (магний, кальций, стронций, барий, радий…),

38 в группе переходных металлов (скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, золото, серебро, кадмий, ртуть, иттрий, цирконий, ниобий, молибден…)

11 в группе лёгких металлов,

7 в группе полуметаллов,

14 в группе лантаноиды + лантан,

14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.

Характерные свойства металлов

  •  Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
  •  Хорошая электропроводность
  •  Возможность лёгкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, например германий и висмут, непластичны)
  •  Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
  •  Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
  •  Большая теплопроводность
  •  В реакциях чаще всего являются восстановителями

  •  Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.
  •  Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам).
  •  В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца).
  •  Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются.
  •  Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов.
  •  Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
  •  Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света — это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке.
  •  Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
  •  

Реакции с простыми веществами

  •  С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

оксид лития
пероксид натрия

надпероксид калия

  •  С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:


При нагревании:

  •  С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

  •  С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:


  •  С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.



С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Взаимодействие серной кислоты H2SO4 с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Реакции для азотной кислоты (HNO3)

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:

Свойства некоторых металлов.

На́трий — элемент главной подгруппы первой группы, третьего периода ПС, с атомным номером 11. Обозначается символом Na (лат. Natrium). Простое вещество натрий (CAS-номер: 7440-23-5) — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

Натрий (а точнее, его соединения) использовался с давних времён. Например, сода (натрон), встречается в природе в водах натронных озёр в Египте. Природную соду древние египтяне использовали для бальзамирования, отбеливания холста, при варке пищи, изготовлении красок и глазурей. Плиний Старший пишет, что в дельте Нила соду (в ней была достаточная доля примесей) выделяли из речной воды. Она поступала в продажу в виде крупных кусков, из-за примеси угля окрашенных в серый или даже чёрный цвет.

Название «натрий» происходит от латинского слова natrium (ср. др.-греч. νίτρον), которое было заимствовано из среднеегипетского языка (nr), где оно означало среди прочего: «сода», «едкий натр»[2].

, так как сода применялась в то время в качестве лекарства от головной боли[4].

Натрий впервые был получен английским химиком Хемфри Дэви в 1807 году электролизом твердого NaOH.

В организме натрий находится большей частью снаружи клеток (примерно в 15 раз больше чем в цитоплазме). Эту разницу поддерживает натрий-калиевый насос, который откачивает попавший внутрь клетки натрий.

Совместно с калием натрий выполняет следующие функции:

  •  Создание условий для возникновения мембранного потенциала и мышечных сокращений.
  •  Поддержание осмотической концентрации крови.
  •  Поддержание кислотно-щелочного баланса.
  •  Нормализация водного баланса.
  •  Обеспечение мембранного транспорта.
  •  Активация многих энзимов.

Ка́лий — элемент главной подгруппы первой группы, четвёртого периода ПС, с атомным номером 19. Обозначается символом K (лат. Kalium). Простое вещество калий (CAS-номер: 7440-09-7) — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

  •  В природе калий встречается только в соединениях с другими элементами, например, в морской воде, а также во многих минералах. Очень быстро окисляется на воздухе и очень легко вступает в химические реакции, особенно с водой, образуя щёлочь. Во многих отношениях химические свойства калия очень близки к натрию, но с точки зрения биологической функции и использования их клетками живых организмов они всё же отличаются.

В свободном состоянии не встречается. Калий входит в состав сильвина KCl, сильвинита KCl·NaCl, карналлита KCl·MgCl2·6H2O, каинита KCl·MgSO4·6H2O, а также присутствует в золе некоторых растений в виде карбоната K2CO3 (поташ). Калий входит в состав всех клеток

Калий — важнейший биогенный элемент, особенно в растительном мире. При недостатке калия в почве растения развиваются очень плохо, уменьшается урожай, поэтому около 90 % добываемых солей калия используют в качестве удобрений.

Ка́льций — элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода ПС, с атомным номером 20. Обозначается символом Ca (лат. Calcium). Простое вещество кальций (CAS-номер: 7440-70-2) — мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий камень».

Соединения кальция — известняк, мрамор, гипс (а также известь — продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад.

Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca[Al2Si2O8].

В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO3, ангидрит CaSO4, алебастр CaSO4·0.5H2O и гипс CaSO4·2H2O, флюорит CaF2, апатиты Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), доломит MgCO3·CaCO3. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость.

В биосфере

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. тж. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca5(PO4)3OH, или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2·Са(OH)2 — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция — около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

Биологическая роль

Кальций — распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть содержится в скелете и зубах в виде фосфатов

Ионы кальция также служат одним из универсальных вторичных посредников и регулируют самые разные внутриклеточные процессы — мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов и др.

Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al[2]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Минералы железа

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O).

  •  Сидерит — FeCO3 — содержит примерно 35 % железа. Обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом. Плотность равна 3 г/см³ и твёрдость 3,5—4,5 по шкале Мооса.
  •  Марказит — FeS2 — содержит 46,6 % железа. Встречается в виде жёлтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6—4,9 г/см³ и твёрдостью 5—6 по шкале Мооса.
  •  Лёллингит — FeAs2 — содержит 27,2 % железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов. Плотность равна 7—7,4 г/см³, твёрдость 5—5,5 по шкале Мооса.
  •  Миспикель — FeAsS — содержит 34,3 % железа. Встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6—6,2 г/см³ и твёрдостью 5,5—6 по шкале Мооса.
  •  Мелантерит — FeSO4·7H2O — реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие. Плотность равна 1,8—1,9 г/см³.
  •  Вивианит — Fe3(PO4)2·8H2O — встречается в виде сине-серых или зелено-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твёрдостью 1,5—2 по шкале Мооса.

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

  •  Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
  •  Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
  •  Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
  •  Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих черно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
  •  Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
  •  Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
  •  Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
  •  Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
  •  Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

Биологическое значение железа

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 78 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине — важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

Неорганические соединения железа встречается в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа — был потерян «лишний» ноль после запятой).

Алюминий

Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al со следами 26Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей.

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры[3].

В природе алюминий в связи с высокой химической активностью встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из них:

  •  Бокситы — Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)
  •  Нефелины — KNa3[AlSiO4]4
  •  Алуниты — (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3
  •  Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)
  •  Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al2O3
  •  Полевые шпаты — (K,Na)2O·Al2O3·6SiO2, Ca[Al2Si2O8]
  •  Каолинит — Al2O3·2SiO2 · 2H2O
  •  Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al2О3 · 6SiO2
  •  Хризоберилл (александрит) — BeAl2O4.
  •  
  •  Легенда из «Historia naturalis» гласит, что однажды к римскому императору Тиберию (42 год до н. э. — 37 год н. э.) пришёл ювелир с металлической, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной якобы из глинозёма — Al2O3. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опасаясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал на всякий случай отрубить ювелиру голову. Данная легенда сомнительна, так как самородный алюминий в природе не встречается в силу своей высокой активности и во времена Римской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюминий из глинозёма.
  •  Лишь почти через 2000 лет после Тиберия, в 1825 году, датский физик Ганс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида алюминия.

PAGE   \* MERGEFORMAT 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72709. РЕЗЬБОВОЙ МИКРОМЕТР СО ВСТАВКАМИ 1.49 MB
  Комплексный метод служит для оценки годности резьбы. При этом учитываются погрешности всех параметров резьбы. Контроль резьбы калибрами прост и удобен.
72711. Микрометрический нутромер 198.5 KB
  Устройство и принцип действия прибора Микрометрический нутромер по устройству напоминает микрометр. Цена деления прибора -– 001 мм. Настройка прибора на конкретное измерение выполняется путём подбора подходящих удлинителей отсчёт производится п шкалам барабана и стебля.
72713. Индикаторный нутромер 100 KB
  Нутромеры индикаторного вида выпускают со стандартизованными пределами измерений 610 мм 1018 мм и др. К прибору прилагаются сменные стержни и шайбы устанавливающиеся в отверстие тройника головки нутромера. Устройство и принцип действия прибора.
72714. Оптимизация каналов реализации продукции 37.5 KB
  Постановка задачи Определить оптимальную структуру каналов реализации получения максимальной выручки от реализации продукции. Известна цена реализации продукции по каждому каналу реализации табл. цена реализации продукции тыс.
72715. Знакомство со средой программирования C++ Builder 6 394 KB
  Цель работы: Знакомство с оболочкой среды визуального программирования C++Builder. Получение навыков создания простейших приложений. Методические указания. В ходе выполнения лабораторной работы необходимо, используя предложенную последовательность действий, ознакомиться с интерфейсом...