В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• положение металлов в периодической системе;
• биологическую роль и применение металлов в медицине;

уметь

• охарактеризовать особенности строения атомов металлических элементов;
• описывать природу металлической связи и ее отличия от обычной ковалентной или ионной связи;
• объяснять особенности кристаллической структуры металлов;
• составлять уравнения реакций, характеризующих химические свойства металлов;
• описывать важнейшие способы получения металлов, реакции обнаружения катинов металлов;

владеть

Навыками интерпретации важнейших свойств металлов в соответствии с их положением в периодической системе.

Положение в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и общие свойства металлов

Более 80% известных химических элементов являются металлами, и в соответствии со строением электронных оболочек к ним относятся s-элемен- ты 1-й и 2-й групп, все элементы d- и /-семейств, p-элементы 13-й группы (кроме бора), а также олово и свинец (14-я группа), висмут (15-я группа) и полоний (17-я группа). Металлы в большинстве своем имеют на внешнем энергетическом уровне 1-2 электрона. Этим объясняется их слабая по сравнению с неметаллами электроотрицательность.

Элементы-металлы, относящиеся к 5-семейству, составляют 1-ю и 2-ю группы, а принадлежащие к J-семейству - 3-12-ю группы. У атомов d- элементов внутри периодов слева направо происходит заполнение ^-подуровней предвнешнего уровня.

Металлы, в атомах которых происходит заполнение /-подуровней третьего от конца уровня, образуют семейства лантаноидов и актиноидов, каждое из которых содержит по 14 элементов.

Физические свойства. Металлы имеют кристаллическую структуру, и для них характерны три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная, гексагональная и кубическая объемно-центрированная (см. рис. 5.7 в параграфе 5.2).

Электрическая проводимость, которая является важнейшей физической характеристикой металлического состояния, осуществляется этими электронами. По этой причине металлы относятся к проводникам I рода, т.е. к веществам, в межатомном пространстве которых всегда есть свободные электроны, и благодаря последним создается ток в проводнике. Проводники II рода - это электролиты.

Если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, то свободные электроны приобретают направленное движение и перемещаются от отрицательного полюса к положительному, т.е. создается направленный поток движущихся электронов - электрический ток.

Электрическая проводимость металлов сильно зависит от температуры. С повышением температуры колебательные движения ионов в узлах решетки усиливаются, а это, в свою очередь, очень препятствует направленному движению электронов. С понижением температуры тепловые колебания ионов в узлах сильно уменьшаются и электрическая проводимость увеличивается. При температурах, близких к абсолютному нулю, у большинства металлов проявляется сверхпроводимость.

Теплопроводимость металлов также связана с подвижностью свободных электронов и колебательным движением самих атомов. Эти колебания распространяются в виде системы упругих тепловых волн но всей кристаллической решетке. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися атомами и обмениваются с ними энергией. Поэтому при нагревании металла тепловая энергия незамедлительно передается от одних атомов к другим благодаря свободным электронам. При этом сравнительно быстро происходит выравнивание температуры по всей массе металла.

Все металлы, за исключением ртути, являются твердыми веществами. Ртуть - единственный металл, жидкий при обыкновенных условиях: температура плавления равна -39°С. Большинство металлов имеет цвет от темно-серого до серебристо-белого. В промышленности существует разделение металлов на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и все его сплавы, а остальные металлы - к цветным. Иногда особо выделяют благородные металлы - золото и платиновые металлы.

По плотности металлы делят на легкие и тяжелые. К первым относят такие, у которых плотность меньше 5 г/см 3 ; ко вторым - у которых плотность больше 5 г/см 3 .

По значениям температур плавления металлы делят на легкоплавкие (температура плавления меньше 1000°С) и тугоплавкие (температура плавления больше 1500°С). К числу главных механических свойств относятся: упругость - свойство восстанавливать свою первоначальную форму после снятия деформирующих сил; пластичность - состояние металла, в котором он способен сохранять изменение формы, вызванное воздействием деформирующих сил после того, как их действие прекращено.

Химические свойства. Свойства металлов обусловлены характерным строением их внешних электронных оболочек.

Как уже указывалось, в пределах периода с увеличением заряда ядра радиусы атомов при одинаковом числе электронных оболочек уменьшаются. В каждом периоде наибольшими радиусами обладают атомы щелочных металлов. Чем меньше радиус атома, тем больше энергия ионизации, а чем больше радиус атома, тем эта энергия меньше. Поскольку атомы щелочных металлов обладают наибольшими радиусами атомов, то для них характерны в целом сравнительно низкие значения энергии ионизации и сродства к электрону.

Свободные металлы проявляют исключительно восстановительные свойства.

Металлы образуют оксиды М х О у, например:

С галогенами металлы образуют галогениды, которые являются солями соответствующих галогеноводородных кислот:

Металлы способны присоединить водород, образуя гидриды. Реакция обычно протекает при температуре 350-400°С:

Характерны реакции металлов, стоящих в ряду активности металлов до водорода, с кислотами. Если металл взаимодействует с кислотой, анион которой не является окислителем, то функции окислителя выполняет протон кислоты:

Некоторые металлы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды, вступают в реакцию и со щелочами:

Металлы взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами (подробно см. соответствующие главы).

При взаимодействии с водными растворами солей нейтральный атом более активного металла, окисляясь, восстанавливает ион металла из молекулы соли:

Реакции протекают в соответствии с положением металлов в электрохимическом ряду напряжений (см. гл. 8).

Активные металлы взаимодействуют с водой:

Получение. Большинство металлов в природе встречается в виде соединений, и лишь немногие из них (благородные и полублагородные) - в самородном состоянии.

Природные материалы и горные породы, которые содержат соединения металлов, называют рудами. Все способы получения металлов из руд основаны на реакциях восстановления. Восстановление безводных соединений металлов при высоких температурах называется пирометаллургическим процессом. В качестве восстановителей используют либо металлы (металлотермия), либо углерод (карботермия).

Частным случаем металлотермии является алюминотермия:

Металлотермией обычно пользуются для получения тугоплавких металлов, таких как титан, молибден, хром, вольфрам и др.:

В основе карботермии лежит термическое восстановление металла из его оксида углеродом (или СО):

Восстановление металлов из их оксидов может быть проведено и с помощью водорода:

Из водных растворов солей металлы могут быть восстановлены электролизом. Катодное восстановление металлов из растворов или расплавов солей называется электрометаллургическим процессом.

Некоторые методы получения будут рассмотрены более подробно при изучении конкретных представителей металлов.

Сплавы. Характерной особенностью металлов является их способность смешиваться друг с другом в расплавленном состоянии и образовывать гомогенные смеси. Они остаются гомогенными и после охлаждения. Системы, образующиеся при затвердении расплавленной смеси металлов, называются сплавами. В более широком смысле сплавы можно рассматривать как макроскопически однородные системы, состоящие из двух или нескольких металлов (реже - металлов и неметаллов). Строение сплавов может быть различным. Составные части сплавов могут образовать твердый раствор, либо макрооднородную механическую смесь, либо химическое соединение (интерметаллические соединения). Образование того или иного типа сплава зависит от активности металлов. Системы в виде твердых растворов образуются между металлами одной и той же группы или же металлами, у которых близки радиусы атомов.

Химическая связь в сплавах металлическая, благодаря чему они обладают электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском (это блеск металлов, например блестят золото, сталь и др.) и т.д.

При взаимодействии металлов друг с другом образующиеся соединения по свойствам отличаются от свойств составных компонентов. Формульный состав интерметаллических соединений не всегда удовлетворяет классическим представлениям о валентности элементов.

Так, ртуть соединяется со многими металлами с образованием твердых или жидких композиций - сплавов, называемых амальгамами. Щелочные и щелочно-земельные металлы образуют устойчивые амальгамы, представляющие собой твердые вещества состава NaHg 9 , KHg 2 , Callg и т.д.

Сплавы, как правило, имеют температуру плавления более низкую, чем температура плавления входящих в их состав металлов. Твердость сплавов намного выше твердости отдельных металлов. Коррозионная стойкость многих сплавов выше, чем индивидуальных металлов.

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Положение металлов в Периодической системе Д.И. Менделеева. Особенности строения атомов, свойства.

Цель урока: 1. на основе положения металлов в ПСХЭ прийти к пониманию особенностей строения их атомов и кристаллов (металлической химической связи и кристаллической металлической решетки). 2.Обобщить и расширить знания о физических свойствах металлов и их классификаций. 3. Развивать умение анализировать, делать выводы исходя из положения металлов в периодической системе химических элементов.

МЕДЬ Иду на мелкую монету, В колоколах люблю звенеть, Мне ставят памятник за это И знают: имя мое-….

ЖЕЛЕЗО Пахать и строить - все он может, если ему уголек в том поможет…

Металлы – это группа веществ с общими свойствами.

Металлами являются элементы I – III групп главных подгрупп, и IV-VIII групп побочных подгрупп I группа II группа III группа IV группа V группа VI группа VII группа VIII группа Na Mg Al Ti V Cr Mn Fe

Из 109 элементов ПСХЭ 85 являются металлами: выделены голубым, зелёным и розовым цветом (кроме H и He)

Положение элемента в ПС отражает строение его атомов ПОЛОЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ СТРОЕНИЕ ЕГО АТОМОВ Порядковый номер элемента в периодической системе Заряд ядра атома Общее число электронов Номер группы Число электронов на внешнем энергетическом уровне. Высшая валентность элемента, степень окисления Номер периода Число энергетических уровней. Число подуровней на внешнем энергетическом уровне

Модель атома натрия

Электронное строение атома натрия

Задание 2. Составьте схему электронного строения атома алюминия и кальция в тетради самостоятельно по примеру с атомом натрия.

Вывод: 1. Металлы – элементы, имеющие на внешнем энергетическом уровне 1-3 электрона, реже 4-6. 2. Металлы – это химические элементы атомы которых отдают электроны внешнего (а иногда предвнешнего) электронного слоя превращаясь в положительные ионы. Металлы – восстановители. Это обусловлено небольшим числом электронов внешнего слоя, большим радиусом атомов, вследствие чего эти электроны слабо удерживаются с ядром.

Металлическая химическая связь характеризуется: - делокализацией связи, т.к. сравнительно небольшое количество электронов одновременно связывают множество ядер; - валентные электроны свободно перемещаются по всему куску металла, который в целом электронейтрален; - металлическая связь не обладает направленностью и насыщенностью.

Кристаллические решетки металлов

Видеоинформация о кристаллах металлов

Свойства металлов определяются строением их атомов. Свойство металла Характеристика свойства твердость Все металлы кроме ртути, при обычных условиях твердые вещества. Самые мягкие – натрий, калий. Их можно резать ножом; самый твердый хром – царапает стекло. плотность Металлы делятся на лёгкие (плотность 5г/см) и тяжелые (плотность больше 5г/см). плавкость Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие электропроводность, теплопроводность Хаотически движущиеся электроны под действием электрического напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает электрический ток. металлический блеск Электроны, заполняющие межатомное пространство отражают световые лучи, а не пропускают как стекло пластичность. Механическое воздействие на кристалл с металлической решеткой вызывает только смещение слоев атомов и не сопровождается разрывом связи, и поэтому металл характеризуется высокой пластичностью.

Проверьте усвоение знаний на уроке тестированием 1) Электронная формула кальция. А) 1S 2 2S 2 2Р 6 3S 1 Б) 1S 2 2S 2 2 Р 6 3 S 2 В) 1S 2 2S 2 2 Р 6 3 S 2 3S 6 4S 1 Г) 1S 2 2S 2 2 Р 6 3 S 2 3 Р 6 4 S 2

Задания теста 2 и 3 2) Электронную формулу 1S 2 2S 2 2Р 6 3S 2 3Р 6 4S 2 имеет атом: а) Nа б) Са в) Сu г) Zn 3) Электропроводность, металлический блеск, пластичность, плотность металлов определяются: а) массой атомов б) температурой плавления металлов в) строением атомов металлов г) наличием неспаренных электронов

Задания теста 4 и 5 4) Металлы при взаимодействии с неметаллами проявляют свойства а) окислительные; б) восстановительные; в) и окислительные, и восстановительные; г) не участвуют в окислительно-восстановительных реакциях; 5) В периодической системе типичные металлы расположены в: а) верхней части; б) нижней части; в) правом верхнем углу; г) левом нижнем углу;

Правильные ответы Номер задания Вариант правильного ответа 1 Г 2 Б 3 В 4 Б 5 Г

Предварительный просмотр:

Цель и задачи урока:

1. На основе положения металлов в ПСХЭ подвести учащихся к пониманию особенностей строения их атомов и кристаллов (металлической химической связи и кристаллической металлической решетки), изучить общие физические свойства металлов. Повторить и обобщить знания о химической связи и металлической кристаллической решетке.
2. Развивать умение анализировать, делать выводы о строении атомов исходя из положения металлов в ПСХЭ.
3. Развивать умение владеть химической терминологией, чётко формулировать и высказывать свои мысли.
4. Воспитывать самостоятельность мышления в ходе учебной деятельности.
5. Формировать интерес к будущей профессии.

Форма урока:

комбинированный урок с применением презентации

Методы и приёмы:

Рассказ, беседа, демонстрация видео типов кристаллических решеток металлов, тест, составление схем электронного строения атомов, демонстрация коллекции образцов металлов и сплавов.

Оборудование:

1. Таблица «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева»;
2. Презентация урока на электронном носителе.
3. Коллекция образцов металлов и сплавов.
4. Проектор.
5. Карточки с таблицей «Характеристика строения атома по положению в ПСХЭ»
   

ХОД УРОКА

I. Организационный момент урока .

II. Постановка и оглашение темы урока, его целей и задач.

Слайд 1-2

III. Изучение нового материала.

Учитель: Человек использовал металлы с древних времён. Кратко об истории использования металлов.

Сообщение 1 учащегося. Слайд 3

В начале был век медный .

К концу каменного века человек открыл возможность использования металлов для изготовления орудий труда. Первым таким металлом была медь.

Период распространения медных орудий называют энеолитом или халколитом , что в переводе с греческого означает «медь». Медь обрабатывалась с помощью каменных орудий методом холодной ковки. Самородки меди превращались в изделия под тяжелыми ударами молота. В начале медного века из меди делали лишь мягкие орудия, украшения, предметы домашней утвари. Именно с открытием меди и других металлов стала зарождаться профессия кузнеца.

Позже появилось литьё, а потом человек стал добавлять к меди олово или сурьму, делать бронзу, более долговечную, прочную, легкоплавкую.

Сообщение 2 учащегося. Слайд 3

Бронза – сплав меди и олова. Хронологические границы бронзового века датируются в начале 3-го тысячелетия до н.э. до начала 1-го тысячелетия до н.э.

Сообщение 3 учащегося. Слайд 4

Третий и последний период первобытной эпохи характеризуется распространением железной металлургии и железных орудий и знаменует собой железный век. В современном значении этот термин был введен в употребление в середине IХ века датским археологом К. Ю. Томсоном и вскоре распространился в литературе наряду с терминами «каменный век» и « бронзовый век».

В отличие от других металлов железо, кроме метеоритного, почти не встречается в чистом виде. Ученые предполагают, что первое железо, попавшее в руки человека, было метеоритного происхождения, и не зря железо именуется « небесным камнем». Самый крупный метеорит нашли в Африке, он весил около шестидесяти тонн. А во льдах Гренландии нашли железный метеорит весом тридцать три тонны.

И настоящее время продолжается железный век. Ведь в настоящее время железные сплавы составляют почти 90 % всего металлов и металлических сплавов.

Учитель.

Золото и серебро – благородные металлы в настоящее время служат для изготовления ювелирных украшений, а также деталей в электронике, авиакосмической промышленности, в судостроении. Где в судоходстве могут применяться эти металлы? Исключительное значение металлов для развития общества обусловлено, конечно, их уникальными свойствами. Назовите эти свойства.

Продемонстрировать учащимся коллекцию образцов металлов.

Учащиеся называют такие свойства металлов как электропроводность и теплопроводность, характерный металлический блеск, пластичность, твердость (кроме ртути) и др.

Учитель задает учащимся ключевой вопрос: а чем же обусловлены эти свойства?

Ожидаемый ответ: свойства веществ обусловлены строением молекул и атомов этих веществ.

Слайд 5. Итак, металлы – группа веществ с общими свойствами.

Демонстрация презентации.

Учитель: Металлами являются элементы 1-3 групп главных подгрупп, и элементы 4-8 групп побочных подгрупп.

Слайд 6. Задание 1 . Самостоятельно, используя ПСХЭ, в тетради допишите представителей групп, являющиеся металлами.

Заслушивание ответов учащихся выборочно.

Учитель: металлами будут элементы, размещенные в левом нижнем углу ПСХЭ.

Учитель подчеркивает, что в ПСХЭ металлами будут все элементы, расположенные ниже диагонали В - Аt, даже те, у которых на внешнем слое 4 электрона (Gе, Sn, Рb), 5 электронов (Sb, Вi), 6 электронов (Ро), так как они отличаются большим радиусом.

Таким образом, из 109 элементов ПСХЭ 85 являются металлами. Слайд № 7

Учитель: положение элемента в ПСХЭ отражает строение атома элемента. С помощью таблиц, которые вы получили в начале урока, охарактеризуем строение атома натрия по его положению в ПСХЭ.
Демонстрация слайда 8.

Что представляет собой атом натрия? Посмотрите на приближенную модель атома натрия, в которой видны ядро и электроны, движущиеся по орбитам.

Демонстрация Слайда 9. Модель атома натрия.

Напомню вам, как составляется схема электронного строения атома элемента.

Демонстрация слайда 10. У вас должна получиться следующая схема электронного строения атома натрия.

Слайд 11 . Задание 2. Составьте схему электронного строения атома кальция и алюминия в тетради самостоятельно по примеру с атомом натрия.

Учитель проверяет работу в тетради.

Какой вывод можно сделать об электронном строении атомов металлов?

На внешнем энергетическом уровне 1-3 электрона. Мы помним, что вступая в химические соединения, атомы стремятся восстановить полную 8-электронный оболочку внешнего энергетического уровня. Для этого атомы металлов легко отдают 1-3 электрона с внешнего уровня, превращаясь в положительно-заряженные ионы. При этом проявляют восстановительные свойства.

Демонстрация слайда 12. Металлы – это химические элементы, атомы которых отдают электроны внешнего (а иногда предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы. Металлы – восстановители. Это обусловлено небольшим числом электронов внешнего слоя, большим радиусом атомов, вследствие чего эти электроны слабо удерживаются с ядром.

Рассмотрим простые вещества – металлы.

Демонстрация слайда 13.

Сначала обобщим сведения о типе химической связи, образуемой атомами металлов и строении кристаллической решетки

1. сравнительно небольшое количество электронов одновременно связывают множество ядер, связь делокализована;
2. валентные электроны свободно перемещаются по всему куску металла, который в целом электронейтрален;
3. металлическая связь не обладает направленностью и насыщенностью.

Демонстрация

Слайд 14 « Типы кристаллических решёток металлов »

Слайд 15 Видео кристаллической решетки металлов.

Учащиеся делают вывод, что в соответствие именно с таким строением металлы характеризуются общими физическими свойствами.

Учитель подчеркивает, что физические свойства металлов определяются именно их строением.

Слайд 16 Свойства металлов определяются строением их атомов

а) твердость – все металлы кроме ртути, при обычных условиях твердые вещества. Самые мягкие – натрий, калий. Их можно резать ножом; самый твердый хром – царапает стекло (демонстрация).

б) плотность - металлы делятся на лёгкие (5г/см) и тяжелые (больше 5г/см) (демонстрация).

в) плавкость - металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие (демонстрация).

г) электропроводность, теплопроводность металлов обусловлена их строением. Хаотически движущиеся электроны под действием электрического напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает электрический ток.

При повышении температуры амплитуда движения атомов и ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки резко возрастает, и это мешает движению электронов, и электропроводность металлов падает.

Следует отметить, что у некоторых неметаллов, при повышении температуры электропроводность возрастает, например, у графита, при этом с повышением температуры разрушаются некоторые ковалентные связи, и число свободно перемещающихся электронов возрастает.

д) металлический блеск – электроны, заполняющие межатомное пространство отражают световые лучи, а не пропускают, как стекло.

Поэтому все металлы в кристаллическом состоянии имеют металлический блеск. Для большинства металлов в равной степени рассеиваются все лучи видимой части спектра, поэтому они имеют серебристо – белый цвет. Только золото и медь в большой степени поглощают короткие волны и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют желтый свет. Самые блестящие металлы – ртуть, серебро, палладий. В порошке все металлы, кроме АI и Мg, теряют блеск и имеют черный или темно-серый цвет.

е) пластичность . Механическое воздействие на кристалл с металлической решеткой вызывает только смещение слоев атомов и не сопровождается разрывом связи, и поэтому металл характеризуется высокой пластичностью.

IV. Закрепление изученного материала.

Учитель: мы рассмотрели строение и физические свойства металлов, их положение в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Теперь для закрепления предлагаем выполнить тест.

Слайды 15-16-17.

1) Электронная формула кальция.

1. а) 1S 2 2S 2 2Р 6 3S 1
2. б) 1S 2 2S 2 2Р 6 3S 2
3. в) 1S 2 2S 2 2Р 6 3S 2 3S 6 4S 1
4. г) 1S 2 2S 2 2Р 6 3S 2 3Р 6 4S 2

2) Электронную формулу 1S 2 2S 2 2Р 6 3S 2 3Р 6 4S 2 имеет атом:

1. а) Nа
2. б) Са
3. в) Сu
4. г) Zn

3) Электропроводность, металлический блеск, пластичность, плотность металлов определяются:

1. а) массой металла
2. б) температурой плавления металлов
3. в) строением атомов металлов
4. г) наличием неспареных электронов

4) Металлы при взаимодействии с неметаллами проявляют свойства

1. а) окислительные;
2. б) восстановительные;
3. в) и окислительные, и восстановительные;
4. г) не участвуют в окислительно-восстановительных реакциях;

5) В периодической системе типичные металлы расположены в:

1. а) верхней части;
VI. Домашнее задание.

Строение атомов металлов, их физические свойства




Элементы, образующие простые вещества - металлы, занимают левую нижнюю часть периодической системы (для наглядности можно сказать, что они расположены влево от диагонали, соединяющей Be и полоний, № 84) , также к ним относятся элементы побочных (Б) подгрупп.

Для атомов металлов характерно небольшое число электронов на внешнем уровне. Так, у натрия на внешнем уровне расположен 1 электрон, у магния - 2, у алюминия - 3 электрона. Эти электроны сравнительно слабо связаны с ядром, что обуславливает характерные физические свойства металлов:

• электрическую проводимость,
• хорошую теплопроводность,
• ковкость, пластичность.
• Металлы также отличает характерный металлический блеск.

В химических реакциях металлы выступают в роли восстановителей :

1. При взаимодействии с кислородом металлы образуют оксиды, например, магний сгорает с образованием оксида магния:
   2Mg + O 2 = 2MgO

Наиболее активные металлы (щелочные) при горении на воздухе образуют пероксиды:

2Na + O 2 = Na 2 O 2 (пероксид натрия)

1. Активные металлы, например, натрий, реагируют с водой с образованием гидроксидов:
   2Na + 2HOH = 2NaOH + H 2

или оксидов, как магний при нагревании:

Mg + H 2 O = MgO + H 2

1. Металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений левее водорода (Н), вытесняют водород из кислот (кроме азотной). Так, цинк реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида цинка и водорода:
   Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2

Металлы, в том числе правее водорода, за исключением золота и платины, реагируют с азотной кислотой, с образованием различных соединений азота:

Cu + 4HNO 3 (конц.) = Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O + 2NO 2

Коэффициенты в этих уравнениях легче расставить методом электронного баланса. Проставляем степени окисления:

Cu 0 + 4HN +5 O 3 (конц.) = Cu +2 (NO 3) 2 + 2H 2 O + 2N +4 O 2

Записываем элементы с изменившейся степенью окисления:

* наименьшее общее кратное для добавленных и отнятых электронов

** коэффициент для вещества, содержащего этот элемент, получаем делением наименьшего общего кратного на число добавленных или отнятых электронов (у этого атома)

2. Опыт. Получение и собирание кислорода. Доказательство наличия кислорода в сосуде

В школьной лаборатории кислород чаще получают разложением перекиси водорода в присутствии оксида марганца (IV):

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

или разложением перманганата калия при нагревании:

2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Чтобы собрать газ, сосуд закрывают пробкой с газоотводной трубкой.

Чтобы доказать наличие кислорода в сосуде, вносят в него тлеющую лучинку - она ярко вспыхивает.

Главная > Документ

Металлы в периодической системе. Строение атомов-металлов. Общая характеристика металлов.

Положение металлов в периодической системе Если в таблице Д. И. Менделеева провести диагональ от бора к астату, то в главных подгруппах под диагональю окажутся атомы-металлы, а в побочных подгруппах все элементы ― металлы. Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают двойственными свойствами: в некоторых своих соединениях ведут себя как металлы; в некоторых ― как неметаллы.Строение атомов металлов В периодах и главных подгруппах действуют закономерности в изменении металлических свойств.Атомы многих металлов имеют 1, 2 или 3 валентных электрона, например:

Na (+ 11): 1S 2 2S 2 2p 6 3S 1

Са (+ 20): 1S 2 2S 2 2p 6 3S 2 3p 6 3d 0 4S 2

Щелочные металлы (1 группа, главная подгруппа): ...nS 1 .Щелочно-земельные (2 группа, главная подгруппа): ...nS 2 .Свойства атомов–металлов находятся в периодической зависимости от их местоположения в таблице Д. И. Менделеева. В ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЕ :

не изменяется .

Радиус атома увеличивается

Электроотрицательность уменьшается .

Восстановительные свойства усиливаются .

Металлические свойства усиливаются .

В ПЕРИОДЕ:
Заряды ядер атомов увеличиваются .

Радиусы атомов уменьшаются .

Число электронов на внешнем слое увеличивается .

Электроотрицательность увеличивается .

Восстановительные свойства уменьшаются .

Металлические свойства ослабевают .

Строение кристаллов металлов Большинство твердых веществ существует в кристаллической форме: их частицы расположены в строгом порядке, образуя регулярную пространственную структуру ― кристаллическую решетку.Кристалл ― твердое тело, частицы которого (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке (в узлах). При мысленном соединении узлов линиями образуется пространственный каркас ― кристаллическая решетка.Кристаллические структуры металлов в виде шаровых упаковок



а ― медь; б ― магний; в ― α-модификация железа

Атомы металлов стремятся отдать свои внешние электроны. В куске металла, слитке или металлическом изделии атомы металла отдают внешние электроны и посылают их в этот кусок, слиток или изделие, превращаясь при этом в ионы. «Оторвавшиеся» электроны перемещаются от одного иона к другому, временно снова соединяются с ними в атомы, снова отрываются, и этот процесс происходит непрерывно. Металлы имеют кристаллическую решетку, в узлах которой находятся атомы или ионы (+); между ними находятся свободные электроны (электронный газ). Схему связи в металле можно отобразить так:

М 0 ↔ nē + М n+ ,

атом ― ион

где n ― число внешних электронов, участвующих в связи (у Na ― 1 ē , у Са ― 2 ē , у Al ― 3 ē ).Наблюдается этот тип связи в металлах ― простых веществах-металлах и в сплавах.Металлическая связь ― это связь между положительно заряженными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов.Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, но и некоторое отличие, поскольку металлическая связь основана на обобществлении электронов (сходство), в обобществлении этих электронов принимают участие все атомы (отличие). Именно поэтому кристаллы с металлический связью пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск. Однако в парообразном состоянии атомы металлов связаны между собой ковалентной связью, пары металлов состоят из отдельных молекул (одноатомных и двухатомных).Общая характеристика металлов

Способность атомов отдавать электроны (окисляться)	← Возрастает
Взаимодействие с кислородом воздуха	Быстро окисляются при обычной температуре	Медленно окисляются при обычной температуре или при нагревании	Не окисляются
Взаимодействие с водой	При обычной температуре выделяется Н 2 и образуется гидроксид	При нагревании выделяется Н 2	Н 2 из воды не вытесняют
Взаимодействие с кислотами	Вытесняют Н 2 из разбавленных кислот	Не вытесняют Н 2 из разбавленных кислот
		Реагируют с конц. и разб. HNO 3 и с конц. H 2 SO 4 при нагревании		С кислотами не реагируют
Нахождение в природе	Только в соединениях	В соединениях и в свободном виде		Главным образом в свободном виде
Способы получения	Электролиз расплавов	Восстановлением углем, оксидом углерода(2), алюмотермия, или электролиз водных растворов солей
Способность ионов присоединять электроны (восстанавливаться)	Li K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
	Возрастает →

Электрохимический ряд напряжений металлов. Физические и химические свойства металлов

Общие физические свойства металлов Общие физические свойства металлов определяются металлической связью и металлической кристаллической решеткой. Ковкость, пластичность Механическое воздействие на кристалл металла вызывает смещение слоев атомов. Так как электроны в металле перемещаются по всему кристаллу, то разрыва связей не происходит. Пластичность уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe . Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной не более 0,001 мм, которые используют для позолоты различных предметов. Алюминиевая фольга появилась сравнительно недавно и раньше чай, шоколад поковали в фольгу из олова, которая так и называлась ― станиоль. Однако не обладают пластичностью Mn и Bi: это хрупкие металлы. Металлический блеск Металлический блеск, который в порошке теряют все металлы, кроме Al и Mg . Самые блестящие металлы ― это Hg (из нее изготовляли в средние века знаменитые «венецианские зеркала»), Ag (из него теперь с помощью реакции «серебряного зеркала» изготовляют современные зеркала). По цвету (условно) различают металлы черные и цветные. Среди последних выделим драгоценные ― Au, Ag, Pt. Золото ― металл ювелиров. Именно на его основе изготовляли замечательные пасхальные яйца Фаберже. Звон Металлы звенят, и это свойство используется для изготовления колокольчиков (вспомните Царь-колокол в Московском Кремле). Самые звонкие металлы ― это Au, Ag, Cи. Медь звенит густым, гудящим звоном ― малиновым звоном. Это образное выражение не в честь ягоды-малины, а в честь голландского города Малина, где выплавлялись первые церковные колокола. В России потом русские мастера стали лить колокола даже лучшего качества, а жители городов и поселков жертвовали золотые и серебряные украшения, чтобы отливаемый для храмов колокол звучал лучше. В некоторых русских ломбардах определяли подлинность принимаемых на комиссию золотых колец по звону золотого обручального кольца, подвешенного на женском волосе (слышен очень долгий и чистый высокий звук). При нормальных условиях все металлы, кроме ртути Hg, ― твердые вещества. Самый твердый из металлов ― хром Cr: он царапает стекло. Самые мягкие ― щелочные металлы, они режутся ножом. Щелочные металлы хранят с большими предосторожностями ― Na ― в керосине, а Li ― в вазелине из-за своей легкости, керосин ― в стеклянной баночке, баночка ― в асбестовой крошке, асбест ― в жестяной баночке. Электропроводность Хорошая электрическая проводимость металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов приобретают направленное движение от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры усиливаются колебания атомов (ионов), что затрудняет направленное движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электрической проводимости. При низких же температурах колебательное движение, наоборот, сильно уменьшается и электрическая проводимость резко возрастает. Вблизи абсолютного нуля металлы проявляют сверхпроводимость. Наибольшей электрической проводимостью обладают Ag, Cu, Au, Al, Fe; худшие проводники ― Hg, Pb, W. Теплопроводность При обычных условиях теплопроводность металлов изменяется в основном в такой же последовательности, как их электрическая проводимость. Теплопроводность обусловливается высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Наибольшая теплопроводность ― у серебра и меди, наименьшая ― у висмута и ртути. Плотность Плотность металлов различна. Она тем меньше, чем меньше атомная масса элемента-металла и чем больше радиус его атома. Самый легкий из металлов ― литий (плотность 0,53 г/см 3), самый тяжелый ― осмий (плотность 22,6 г/см 3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см 3 называются легкими, остальные ― тяжелыми. Разнообразны температуры плавления и кипения металлов. Самый легкоплавкий металл ― ртуть (t кип = -38,9°С), цезий и галлий ― плавятся соответственно при 29 и 29,8°С. Вольфрам ― самый тугоплавкий металл (t кип = 3390°С). Понятие аллотропии металлов на примере олова Некоторые металлы имеют аллотропные модификации. Например, олово различают на:
α-олово, или серое олово («оловянная чума» ― превращение обычного β-олова в α-олово при низких температурах стало причиной гибели экспедиции Р. Скотта к Южному полюсу, который потерял все горючее, так как оно хранилось в баках, запаянных оловом), устойчиво при t <14°С, серый порошок. β-олово, или белое олово (t = 14 ― 161°С) очень мягкий металл, но тверже свинца, поддается литью и пайке. Используется в сплавах, например, для изготовления белой жести (луженого железа).
Электрохимический ряд напряжений металлов и два его правила Расположение атомов в ряд по их реакционной способности может быть представлен следующим образом: Li,K,Ca,Na,Mg,Al, Mn,Zn,Fe,Ni,Sn,Pb, Н 2 , Сu,Hg,Ag,Pt,Au . Положение элемента в электрохимическом ряду показывает, насколько легко он образует ионы в водном растворе, т. е. его реакционную способность. Реакционная способность элементов зависит от способности принимать или отдавать электроны, участвующие в образовании связи. 1-е правило ряда напряжений Если металл стоит в этом ряду до водорода, он способен вытеснять его из растворов кислот, если после водорода, то нет. Например, Zn, Mg, Al давали реакцию замещения с кислотами (они находятся в ряду напряжений до H ), а Cu нет (она после H ). 2-е правило ряда напряжений Если металл стоит в ряду напряжений до металла соли, то он способен вытеснить этот металл из раствора его соли. Например, CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. В таких случаях положение металла до или после водорода может не иметь значения, важно, чтобы вступающий в реакцию металл предшествовал металлу, образующему соль: Cu + 2AgNO 3 = 2Ag + Cu(NO 3) 2 . Общие химические свойства металлов В химических реакциях металлы являются восстановителями (отдают электроны). Взаимодействие с простыми веществами .
С галогенами металлы образуют соли ― галогениды:
Mg + Cl 2 = MgCl 2 ; Zn + Br 2 = ZnBr 2 .
С кислородом металлы образуют оксиды:
4Na + O 2 = 2 Na 2 O; 2Cu + O 2 = 2CuO.
С серой металлы образуют соли ― сульфиды:
Fe + S = FeS.
С водородом самые активные металлы образуют гидриды, например:
Са + Н 2 = СаН 2 .
с углеродом многие металлы образуют карбиды:
Са + 2С = СаС 2 . Взаимодействие со сложными веществами
Металлы, находящиеся в начале ряда напряжений (от лития до натрия), при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют щелочи, например:
2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 .
Металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода, взаимодействуют с разбавленными кислотами (НCl, Н 2 SO 4 и др.), в результате чего образуются соли и выделяется водород, например:
2Al + 6НCl = 2AlCl 3 + 3H 2 .
Металлы взаимодействуют с растворами солей менее активных металлов, в результате чего образуется соль более активного металла, а мене активный металл выделяется в свободном виде, например:
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.

Металлы в природе.

Нахождение металлов в природе. Большинство металлов встречается в природе в виде различных соединений: активные металлы находятся только в виде соединений; малоактивные металлы ― в виде соединений и в свободном виде; благородные металлы (Аg, Рt, Аu...) в свободном виде.Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зерен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов ― самородки. Многие металлы в природе существуют в связанном состоянии в виде химических природных соединений ― минералов . Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк 2Fe 2 O 3 ∙ 3Н 2 О, магнитный железняк Fe 3 O 4 .Минералы входят в состав горных пород и руд. Рудами называют содержащие минералы природные образования, в которых металлы находятся в количествах, пригодных в технологическом и экономическом отношении для получения металлов в промышленности.По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.Обычно перед получением металлов из руды ее предварительно обогащают ― отделяют пустую горную породу, примеси, в результате образуется концентрат, служащий сырьем для металлургического производства.Способы получения металлов. Получение металлов из их соединений ― это задача металлургии. Любой металлургический процесс является процессом восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей, в результате чего получаются металлы в свободном виде. В зависимости от способа проведения металлургического процесса различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.Пирометаллургия ― это получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей: углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов (алюминия, магния) и др.Примеры восстановления металлов
углем:
ZnO + C → Zn + CO 2 ;
оксидом углерода:
Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 ;
водородом:
WO 3 + 3H 2 → W + 3Н 2 О; CoO + H 2 → Co + Н 2 О;
алюминием (алюмотермия):
4Al + 3MnO 2 → 2Al 2 O 3 + 3Mn; Cr 2 O 3 + 2Al = 2Al 2 O 3 + 2Cr;
магнием:
TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2 .Гидрометаллургия ― это получение металлов, которое состоит из двух процессов: 1) природное соединение металла растворяется в кислоте, в результате чего получается раствор соли металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняется более активным металлом. Например:
2CuS + 3О 2 = 2CuO + 2SО 2 .
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O.
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.
Электрометаллургия ― это получение металлов при электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя в процессе электролиза играет электрический ток.

Общая характеристика металлов IА-группы.

К металлам главной подгруппы первой группы (IА-группы) относятся литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr). Эти металлы называются щелочными, так как они и их оксиды при взаимодействии с водой образуют щелочи.Щелочные металлы относятся к s-элементам. На внешнем электронном слое у атомов металлов один s-электрон (ns 1).Калий, натрий ― простые вещества



Щелочные металлы в ампулах:
а - цезий; б - рубидий; в - калий; г – натрийОсновные сведения об элементах IА группы

Элемент	Li литий	Na натрий	K калий	Rb рубидий	Cs цезий	Fr франций
Атомный номер	3	11	19	37	55	87
Строение внешних электрон-ных оболочек атомов	ns 1 np 0 ,где n = 2, 3, 4, 5, 6, 7, n ― номер периода
Степень окисления	+1	+1	+1	+1	+1	+1
Основные природные соединения	Li 2 O·Al 2 O 3 · 4SiO 2 (сподумен); LiAl(PO 4)F, LiAl(PO 4)OH (амблигонит)	NaCl (поварен-ная соль); Na 2 SO 4 · 10H 2 O (глауберо-ва соль, мираби-лит); КCl·NaCl (сильви-нит)	КCl (сильвин), КCl·NaCl (сильвинит); K (калиевый полевой шпат, ортоглаз); KCl·MgCl 2 ·6H 2 O (карналлит) ― содержится в растениях	В качестве изоаморф-ной примеси в минералах калия ― сильвини-те и кар-наллите	4Cs 2 O·4Al 2 O 3 ·18 SiO 2 · 2H 2 O (полу-цит); спутник минера-лов калия	Продукт α-распада актиния

Физические свойства Калий и натрий ― мягкие серебристые металлы (режутся ножом); ρ(К) = 860 кг/м 3 , Т пл (К) = 63,7°С, ρ(Na) = 970 кг/м 3 , Т пл (Na) = 97,8°С. Обладают высокой тепло- и электропроводностью, окрашивают пламя в характерные цвета: К ― в бледно-фиолетовый цвет, Na ― в желтый цвет.

Как вам уже известно из курса химии 8 класса, большинство химических элементов относят к металлам (рис. 24 и 25).

Рис. 24.
Положение химических элементов-металлов в Периодической системе Д. И. Менделеева (короткопериодный вариант)

В Периодической системе Д. И. Менделеева каждый период, кроме первого (он включает в себя два элемента-неметалла - водород и гелий), начинается с активного химического элемента-металла. Эти элементы образуют главную подгруппу I группы (IA группу) и называются щелочными металлами. Своё название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, - щелочей.



Рис. 25.
Положение химических элементов-металлов в Периодической системе Д. И. Менделеева (длиннопериодный вариант)

Атомы щелочных металлов содержат на внешнем энергетическом уровне только один электрон, который они легко отдают при химических взаимодействиях, поэтому являются сильнейшими восстановителями. Понятно, что в соответствии с увеличением радиуса атома восстановительные свойства щелочных металлов усиливаются от лития к францию.

Следующие за щелочными металлами элементы, составляющие главную подгруппу II группы (IIA группы), также являются типичными металлами, обладающими сильной восстановительной способностью (их атомы содержат на внешнем уровне два электрона). Из этих металлов кальций, стронций и барий называют щёлочноземельными металлами. Такое название эти металлы получили потому, что их оксиды, которые на Руси в старину называли «землями», при растворении в воде образуют щёлочи.

К металлам относят и химические элементы главной подгруппы III группы (IIIA группы), исключая бор.

Из элементов главных подгрупп следующих групп к металлам относят: в IVA группе - германий * , олово, свинец (первые два элемента - углерод и кремний - неметаллы), в VA группе - сурьму и висмут (первые три элемента - неметаллы), в VIA группе только последний элемент - полоний - явно выраженный металл. В главных подгруппах VIIA и VIIIA групп все элементы - типичные неметаллы.

* Германий проявляет и некоторые неметаллические свойства, занимая промежуточное положение между металлами и неметаллами.

Что касается элементов побочных подгрупп, то все они металлы.

Таким образом, условная граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами проходит по диагонали В (бор) - Si (кремний) - As (мышьяк) - Те (теллур) - At (астат) (проследите её в таблице Д. И. Менделеева).

Атомы металлов имеют сравнительно большие размеры (радиусы), поэтому их внешние электроны значительно удалены от ядра и слабо с ним связаны. Вторая особенность, которая присуща атомам наиболее активных металлов, - это наличие на внешнем энергетическом уровне 1-3 электронов. Отсюда вытекает самое характерное химическое свойство всех металлов - их восстановительная способность, т. е. способность атомов легко отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы. Металлы - свободные атомы и простые вещества - не могут быть окислителями, т. е. атомы металлов не могут присоединять к себе электроны.

Следует, однако, иметь в виду, что деление химических элементов на металлы и неметаллы условно. Вспомните, например, свойства аллотропных модификаций олова: серое олово, или α-олово, - неметалл, а белое олово, или β-олово, - металл. Другой пример - модификации углерода: алмаз - неметалл, а графит имеет некоторые характерные свойства металла, например электропроводность. Хром, цинк и алюминий - типичные металлы, но образуют оксиды и гидроксиды амфотерного характера. И наоборот, теллур и иод - типичные неметаллы, но образованные ими простые вещества обладают некоторыми свойствами, присущими металлам.

Новые слова и понятия

1. Диагональ В-Si-As-Те-At.
2. Щелочные и щёлочноземельные металлы.
3. Восстановительные свойства металлов.
4. Относительность деления химических элементов на металлы и неметаллы.

Задания для самостоятельной работы