Сайт учителя биологии и географии Лотоцкой Е. Г.

Блок 3. Металлы. Неметаллы. Основные классы неорганических соединений

Химические свойства простых веществ-металлов

Металлы (от лат. metallum – шахта, рудник): группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами.

СТРОЕНИЕ АТОМА  

Металлы имеют большой атомный радиус и малое  число электронов (от 1 до 3) на внешнем слое. 

Исключение:

Ge,  Sn,  Pb   ─    4 электрона; 

Sb, Bi            ─    5 электронов; 

Po                 ─    6 электронов

Ме – одноатомны:  K, Fe, Zn и т.д. 

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

1. Металлическая кристаллическая решетка – наличие подвижных электронов

2. Металлический блеск (неметаллы йод и углерод в виде графита) Наиболее хорошо: алюминий, серебро, палладий и родий. 

3. Твёрдое состояние  (кроме ртути ).Обладают различной твёрдостью:  щелочные металлы режутся  ножом, а ванадий, вольфрам и хром легко царапают самую твёрдую сталь и стекло. 

4. Пластичность - возможность лёгкой механической обработки. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь , германий и висмут непластичны.

5. Высокая теплопроводность  и  электропроводимость обусловлена наличием  подвижных электронов. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность.

6. Высокая плотность. Металлы делят на: лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³). Самый лёгкий  литий (плотность 0.53 г/см³).тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³).  Самые тяжёлые металлы осмий и иридий (около 22.6 г/см³).

7. Температура плавления лежит в диапазоне от −39 °C (ртуть) до  3410 °C (вольфрам). 

МЕТАЛЛЫ I ГРУППЫ ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЫ (А) (ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ): литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций.

Мягкие металлы, легко режутся ножом. На срезе белого цвета с блеском, исчезающим на воздухе.

МЕТАЛЛЫ II ГРУППЫ ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЫ (А): бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий

АЛЮМИНИЙ И ЭЛЕМЕНТЫ III-A ГРУППЫ

Цинк — элемент побочной подгруппы второй группы (А), четвёртого периода,  не входит в число переходных элементов. 

Хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка). 

Минералы цинка - сфалерит, или цинковая обманка ZnS (разнообразные примеси придают  всевозможные цвета) . 

Медь — элемент побочной подгруппы первой группы (А), четвёртого периода. Электронное строение: 3d¹⁰4s¹. ПРОВАЛ ЭЛЕКТРОНА!

Железо - металл 4 группы 8 группы побочной подгруппы.

ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА  МЕТАЛЛОВ

По химическим свойствам металлы подразделяют на:

1)Активные (щелочные  и щелчноземельные металлы, Mg, Al, Zn  и др.)

2) Металлы средней активности (Fe, Cr, Mn и др.) ;

3)Малоактивные  (Cu, Ag)

4) Благородные металлы – Au, Pt, Pd и др.

В реакциях  - только  восстановители.

Атомы металлов легко отдают электроны внешнего (а некоторые – и предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы.

Возможные степени окисления Ме

Низшая 0,+1,+2,+3

Высшая +4,+5,+6,+7,+8

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛАМИ 

С ВОДОРОДОМ

Реагируют при нагревании металлы IA  и  IIA группы, кроме бериллия.

Образуются  твёрдые нестойкие  вещества  гидриды, остальные металлы не реагируют.

2K + H₂ = 2KH (гидрид калия)

Ca + H₂ = CaH₂ 

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. 

Щелочные металлы при нормальных условиях  образуют  оксиды, пероксиды, надпероксиды  (литий – оксид, натрий – пероксид, калий, цезий, рубидий – надпероксид)

4Li + O₂ = 2Li₂O (оксид)

2Na + O₂ = Na₂O₂ (пероксид)  

K+O₂=KO₂ (надпероксид)

Остальные металлы главных подрупп  при нормальных условиях образуют оксиды со степенью окисления, равной номеру группы

2Сa+O₂=2СaO

Металлы побочных подрупп образуют оксиды при нормальных условиях и при нагревании оксиды  разной степени окисления, а  железо железную окалину Fe₃O₄  (Fe⁺²O∙Fe₂⁺³O₃)

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

4Cu + O₂ = 2Cu₂⁺¹O (красный)             2Cu + O₂ = 2Cu⁺²O (чѐрный); 

2Zn +  O₂ = ZnO

4Cr + 3О₂ = 2Cr₂О₃ 

С ГАЛОГЕНАМИ – галогениды (фториды, хлориды, бромиды, иодиды). 

Щелочные при нормальных условиях с F, Cl , Br  воспламеняются:

2Na + Cl₂ = 2NaCl (хлорид)

Щелочноземельные  и алюминий реагируют при нормальных условиях:

Сa+Cl₂=СaCl₂

2Al+3Cl₂ = 2AlCl₃

Металлы побочных подгрупп при повышенных температурах

Cu + Cl₂  =  Cu⁺²Cl₂

Zn +  Cl₂ = ZnCl₂

2Fe + 3С1₂ = 2Fe⁺³Cl3 хлорид железа (+3)

2Cr + 3Br₂ = 2Cr⁺³Br3 

2Cu + I₂ = 2Cu⁺¹I (не бывает йодида меди (+2)!) 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С СЕРОЙ  при нагревании даже у щелочных металлов, с ртутью при нормальных условиях. Реагируют все металлы, кроме золота и платины.

с серой – сульфиды:            

 2K + S  = K₂S                2Li+S = Li₂S (сульфид)

 Сa+S = СaS (сульфид)         2Al+3S = Al₂S₃

Cu + S = Cu⁺²S (чѐрный)        Zn +  S = ZnS

2Cr + 3S = Cr₂⁺³S₃            Fe + S = Fe⁺²S 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ФОСФОРОМ И АЗОТОМ протекает при нагревании (исключение: литий с азотом при нормальных условиях):

с фосфором – фосфиды:       3Ca + 2P =Са₃P₂,

С азотом – нитриды                6Li + N2 = 3Li₂N (нитрид лития) (н.у.) 

                                                   3Mg + N₂ = Mg₃N₂ (нитрид магния)

                                                    2Al + N₂ = 2A1N  

                                                    2Cr + N₂ = 2CrN 

                                                     3Fe + N₂ = Fe₃⁺²N₂¯³

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С УГЛЕРОДОМ И КРЕМНИЕМ протекает при нагревании:

С углеродом образуются карбиды 

С углеродом реагируют только наиболее активные металлы.  

Из щелочных металлов карбиды образуют литий и натрий, калий, рубидий, цезий не взаимодействуют с углеродом:

                                                     2Li + 2C =  Li₂C₂, 

                                                     Са + 2С = СаС₂

Металлы – d-элементы образуют с углеродом  соединения нестехиометрического состава типа твердых растворов: WC, ZnC, TiC – используются для получения сверхтвёрдых сталей.

с кремнием – силициды:        4Cs + Si  = Cs4Si,

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ  МЕТАЛЛОВ С ВОДОЙ

С водой реагируют металлы, стоящие до водорода в электрохимическом ряду напряжений 

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой без нагревания , образуя  растворимые гидроксиды( щелочи ) и водород,  алюминий (после разрушения оксидной пленки  - амальгирование), 

 магний при нагревании, образуют нерастворимые основания и водород.

              2Na  + 2HOH =  2NaOH  + H₂↑

              Сa  +  2HOH =  Ca(OH)₂   + H₂↑

             2Аl + 6Н₂O = 2Аl(ОН)₃ + 3Н₂↑

Остальные металлы реагируют с водой только в раскаленном состоянии, образуя оксиды (железо – железную окалину) 

 Zn + Н2O =  ZnO + H2 ↑                      3Fe   +  4HOH  =   Fe₃O₄  +  4H₂↑

2Cr + 3H₂O =  Cr₂O₃ + 3H₂↑

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ  МЕТАЛЛОВ С КИСЛОРОДОМ  И ВОДОЙ 

На воздухе железо и хром легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃

4Cr + 3O₂ + 6H₂O = 4Cr(OH)₃

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С ОКСИДАМИ 

(оксидами неметаллов и менее активных металлов)

Металлы (Al, Mg,Са ), восстанавливают  при высокой температуре  неметаллы или  менее активные металлы из их оксидов → неметалл или малоактивный металл и оксид (кальцийтермия, магнийтермия, алюминотермия)

2Al + Cr₂O₃   =  2Cr + Al₂O₃

ЗСа + Cr₂O₃ = ЗСаО + 2Cr (800 °C)

8Al+3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃+9Fe (термит)

2Mg + CО₂ = 2MgO + С                     Mg + N₂O = MgO + N₂↑

Zn + CО₂ = ZnO+ CO                         2Cu + 2NO  =  2CuO + N₂↑

3Zn + SО₂ = ZnS + 2ZnO  

Металлы  железо и хром реагируют со  оксидами, уменьшая степень окисления

Cr + Cr2⁺³O3  = 3Cr⁺²O

Fe+ Fe₂⁺³O₃ = 3Fe⁺²O

5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С КИСЛОТАМИ (КРОМЕ  HNO₃ и  Н₂SО₄ (конц.)

Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений металлов левее водорода, вытесняют его из разбавленных кислот → соль и водород.

Мg + 2НС1 = МgСl2 + Н2↑

Al + 2НС1 =  Al⁺³Сl₃ + Н2↑

С концентрированной серной и азотной любой концентрации реакции идет по другому механизму

Металл + HNO₃  →  соль + H₂O + …

Запомни! Азотная кислота никогда не выделяет водород при взаимодействии с металлами.

В качестве продуктов могут образовываться оксиды азота в разных степенях окисления, молекулярный азот, аммиак и соли аммония.

Металлы платиновой группы - золото, платина и тантал инертны к азотной кислоте во всём диапазоне концентраций, остальные металлы реагируют с ней, ход реакции при этом определяется  концентрацией кислоты.

Общая закономерность при взаимодействии азотной кислоты с металлами: чем более разбавленная кислота и чем активнее металл, тем глубже восстанавливается азот:

                                                              ←увеличение концентрации кислоты

                                                                         NO₂,NO,N₂O,N₂,NH₄NO₃

                                                              → увеличение активности металла

 Пассивация: с холодной конц. серной кислотой не реагируют: Al, Cr, Fe, Be, Co

При нагревании пассивирующие  пленки растворяются, и взаимодействие с кислотой протекает интенсивно.

Металл + H₂SO₄(конц)   →  соль + H₂O + …

6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С СОЛЯМИ

Активные металлы вытесняют из  солей менее активные.

Восстановление из растворов:

CuSO₄ + Zn = Zn SO₄ + Cu 

FeSO₄ + Cu =

Mg + CuCl₂(pp) = MgCl₂ + Сu 

Восстановление металлов из расплавов их солей

3Na+ AlCl₃ =  3NaCl + Al

TiCl2 + 2Mg  = MgCl₂ +Ti

Металлы  групп В реагируют с солями, понижая степень окисления.

2Fe⁺³Cl₃ + Fe = 3Fe⁺²Cl₂ 

7. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ СО ЩЕЛОЧАМИ 

Со щелочами взаимодействуют только те металлы, оксиды и гидроксиды которых обладают амфотерными свойствами ((Zn, Al, Cr(III), Fe(III) и др. 

РАСПЛАВ → соль металла + водород.

2NaOH  + Zn → Na₂ZnO₂ + H₂↑ (цинкат натрия)

2Al + 2(NaOH · H₂O) = 2NaAlO₂ + 3H₂↑

РАСТВОР  → комплексная  соль металла + водород.

2NaOH + Zn0 + 2H₂O = Na₂[Zn⁺²(OH)₄] + H₂↑ (тетрагидроксоцинкат натрия) 

2Al+2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄]+3H₂↑