Физические свойства металлов и общее применение металлической связи в таблице (9 класс, химия)

Физические свойства металлов

Металлы – химические элементы, атомы которых в процессе реакции стремятся отдавать электроны. Они обладают металлической кристаллической решеткой и общими физическими свойствами. На данный момент известно более 87 металлов.

Для металлов характерен ряд свойств:

• твердость (кроме ртути, которая представляет собой жидкость);
• металлический блеск;
• проводимость электрического тока и тепла;
• пластичность.

Металлы при ударах не разрушаются, а меняют форму. С этой особенностью связано то, что из них производят проволоку, металлические листы и др. Развитие бронзового и железного века связано с производством товаров из металлов.

Как находят величину?

Плотность металлов — это характеристика, которую можно определить двумя принципиально разными способами:

• экспериментальным;
• теоретическим.

Экспериментальные методы бывают следующего вида:

• Непосредственные измерения веса тела и его объема. Последний легко вычислить, если известны геометрические параметры тела, а его форма является идеальной, например, призмой, пирамидой или шаром.
• Гидростатические измерения. В этом случае используются специальные весы, изобретенные еще Галилеем в XVI веке. Принцип их действия достаточно прост: сначала взвешивают тело неизвестной плотности в воздухе, а затем — в жидкости (воде). После этого по простой формуле вычисляют искомую величину.

Что касается теоретического способа определения плотности металлов — это достаточно простой метод, который требует знания типа кристаллической решетки, межатомного расстояния в ней и массы атома. Далее покажем на примере осмия, как этот метод применяют.

Физические свойства неметаллов

Неметаллы – химические элементы, атомы которых стремятся принять чужие электроны. Для них характерны атомные и молекулярные кристаллические решетки. Для атомов неметаллов не характерны общие физические свойства. На данный момент существует 22 неметалла.

Для неметаллов характерен ряд свойств:

• хрупкость (неметаллы нельзя ковать);
• отсутствие блеска;
• непроводимость электрического тока и тепла.

Расположение металлов и неметаллов в периодической таблице Д.И. Менделеева

Определить, является простое вещество металлом или неметаллом, можно с помощью периодической таблицы Менделеева. Металлы располагаются ниже диагонали «водород-бор- кремний-мышьяк-теллур-астат», а неметаллы выше.

Красные ячейки – неметаллы, синие – металлы

Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают смешанными свойствами: проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Они называются полуметаллами.

Красные ячейки – полуметаллы

Полуметаллы имеют ковалентную кристаллическую решетку при наличии металлической проводимости (электропроводности). Валентных электронов у них либо недостаточно для образования полноценной ковалентной связи, либо они не удерживаются достаточно прочно из-за больших размеров атома. Поэтому связь в ковалентных кристаллах этих элементов имеет частично металлический характер.

Закономерности в таблице Д.И. Менделеева

Каждый атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре, который несет положительный заряд. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Атомный номер указывает на количество протонов.

Чем больше заряд ядра, тем сильнее к нему притягиваются электроны. Т.о., атому сложнее отдавать электроны. Поэтому в периоде слева направо, с увеличением порядкового номера металлические свойства ослабевают, а неметаллические – усиливаются.

Неметаллы стремятся принять электроны от других атомов. Период в таблице указывает на количество электронных уровней. По мере увеличения числа орбиталей электроны отдаляются от ядра и атому сложнее удерживать электроны на последних уровнях. Т.о., в группе сверху вниз количество орбиталей возрастает, поэтому металлические свойства усиливаются, а неметаллические – уменьшаются.

Химические свойства металлов

Все металлы проявляют восстановительные свойства. Легкость в отдачи внешнего электрона применяется в фотоэлементах. Степень активности определяется рядом активности. У самых активных на внешнем уровне располагается по одному электрону.

Общие химические свойства металлов выражаются в реакциях со следующими соединениями.

• С неметаллами

4 Li + O2→ 2 LiO2

3 Mg + N2 → Mg3N2

Активные металлы реагируют с галогенами и кислородом. С азотом взаимодействуют только литий, кальций и магний. Большинство металлов при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, а наиболее активные металлы – пероксиды (N2O2).

• С оксидами металлов

2 Ca + MnO2 → 2 CaO + Mn(нагревание)

• С кислотами

Mg + H2SO4(разб)→MgSO4 + H2

Водород в кислотах вытесняют только те металлы, которые в ряду напряжений стоят до водорода.

• С растворами солей

Fe + CuSO4→ Cu + FeSO4

Cu + 2 AgNO3→ 2 Ag + Cu(NO3)2

Более активные металлы вытесняют из соединений менее активные.

• Химические свойства щелочных и щелочно-земельных металлов (реакции с водой)

2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2

Ca + 2 H2O →Ca(OH)2 + H2

Плотность:

В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность от 0,53 до 5 г/см³) и тяжёлые (от 5 до 22,6 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), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Химические свойства неметаллов

Неметаллы проявляют окислительные свойства. Самый активный неметалл – фтор. Он бурно реагирует со всеми веществами, а некоторые реакции сопровождаются горением и взрывом. В атмосфере фтора горят даже вода и платина. Фтор окисляет кислород и образует фторид кислорода OF2.

Неметаллы вступают в реакции со следующими веществами.

• С металлами

3 F + 2 Al → 2 AlF3 (нагревание)

S + Fe →FeS (нагревание)

• С другими неметаллами

2 F2 + C → CF2 (нагревание)

S + O2→ SO2(нагревание)

• Со сложными веществами

4 F2 + CH4→CH3F + HF

3 O2 + 4 NH3→ 2 N2 + 6 H2O

Меньшей активностью обладают такие неметаллы как бор, графит, алмаз. Они могут проявлять восстановительные свойства.

2 C + MnO2 → Mn + 2 CO

4 H2 + Fe3O2 → 3 Fe + 4 H2O

Коррозия металла

Коррозия – это процесс разрушения металлов или металлических конструкций под действием кислорода, воды и вредных примесей. Не все металлы подвергаются коррозии. Их стойкость зависит от ряда факторов.

• На благородных металлах не образуется коррозия.
• На поверхности алюминия, титана, цинке, хрома и никеля есть оксидная пленка, которая предотвращает процессы коррозии.

Различают несколько видов коррозии – химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия

Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Она образуется под действием газов.

3 Fe + 2 O2 → Fe3O4

2 Fe + 3 Cl2 → 2 FeCl3

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия – процесс разрушения металлов или металлических конструкций, который сопровождается электрохимическими реакциями. В большинстве металлов находятся примеси. В процессе коррозии электродами могут служить не только металлы, но и его примеси.

Например, в железе могут находиться примеси олова. В этом случае на аноде электроны переносятся от олова к железу и металлы растворяются, т.е. железо подвергаются коррозии. На катоде восстанавливается водород из воды или растворенного кислорода. Электрохимическая коррозия может сопровождаться следующими процессами.

Анод: Fe2+ — 2e → Fe0

Катод: 2H+ + 2e → H2

Способы защиты от коррозии

В промышленности популярны различные методы защиты металлов от коррозии.

• Защитные покрытия

Покрытия защищают поверхности от действия окислителей. Ими служат различные вещества:

• покрытие менее активным металлом (железо покрывают оловом);
• краски, лаки, смазки.
• Создание специальных сплавов

Физические свойства сплавов и чистых металлов отличаются. Поэтому для повышения стойкости в сплав необходимо добавить дополнительные металлы.

Классификация и виды металлов

Есть чистые, однокомпонентные структуры и сплавы. Самым классическим примером можно назвать различные виды стали. Они различаются по ГОСТу в соответствии с добавлением легирующих добавок. Чем больше содержание углерода, тем крепче материал. Также есть общепринятое разграничение, ниже представим подтипы.

Черные

Их добывают из металлической руды. В производстве они занимают 90% от всего сырья. Обычно это чугуны и стали. Для изменения характеристик добавляют большее или меньшее количество углерода и легирующие добавки: медь, кремний, хром, никель. Одним из очень популярных подвидов является нержавейка, которая отличается своим блеском поверхности и уникальными свойствами – легкостью, высокой прочностью и устойчивостью к влажности, температурным перепадам.

Что относится к цветным металлам

Второе название – нежелезные, то есть сплавы не содержат в себе железа, а состоят из более дорогостоящих материалов. Вещества имеют различный цвет, отличаются уникальными качествами:

• долговечность;
• длительное сохранение свойств;
• образование оксидной пленки, которая препятствует коррозии.

Благодаря этому, определенные разновидности можно использовать в медицине, ювелирном деле, химической промышленности, при изготовлении электрических проводов. К цветмету относится алюминий, цинк, олово, свинец, никель, хром, серебро, золото и другие.

Медь и ее сплавы являются популярными металлами

Медная руда была обработана человеком одна из первой, потому что она подвергается холодному методу ковки и штамповки. Податливость привела к востребованности повсеместно. Кислород в составе приводит к красному отливу. Но уменьшение валентности в различных соединениях приведет к желтому, зеленому, синему цвету. Привлекательным качеством считается отличная теплопроводность – на втором месте после серебра, поэтому она применяется для проводов. Соединения могут быть:

• твердыми – в сочетании с железом, мышьяком, цинком, фосфором;
• с плохой растворимостью с висмутом, свинцом;
• хрупкими – с серой или кислородом.

К металлам относятся алюминий и сплавы

Al открыт в 1825 году и отличается легкостью и простотой в металлообработке. Производится из бокситов, при этом запасы этой горной породы практически неиссякаемы. Далее элемент соединяют в различных пропорциях с медью, марганцем, магнием, цинком, кремнием. Реже с титаном, литием, бериллием. Особенности в зависимости от добавок:

• хорошая свариваемость;
• устойчивость к коррозии;
• высокая усталостная прочность;
• пластичность.

Его применяют для изготовления ювелирных изделий, столовых приборов, а также для стекловарения, в пищевой и военной промышленности, для создания ракет и для производства водорода и тепла в алюмоэнергетике.

Все о металлах магний, титан и их сплавах

Mg – самое легкое вещество из этой группы. Не обладает прочностью, но есть достоинства, например, пластичность, химическая активность. Благодаря высокой конструкционной способности его добавляют в составы, чтобы увеличивать свариваемость, простоту металлообработки режущим ножом. Необходимо учитывать, что магний очень восприимчив к ржавлению. Титан имеет похожие качества – легкость, пластичность, серебристый цвет. Но антикоррозийная пленка появляется при первом соприкосновении с кислородом. Отличительные особенности – низкая теплопроводность, электропроводность, отсутствие магнитизма. Металл, содержащий титан, – это вещество, используемое для авиационной, химической, судостроительной промышленности.

Антифрикционные сплавы

Характерная особенность этой группы – удобство применения при механических воздействиях. Они практически не создают трения, а также снижают его у других композитов. Очень часто они выступают в качестве твердой смазки для узлов, например, для подшипников. В составе обычно бывает фторопласт, латунь, бронза, железографит и баббит.

Мягкие

Это те, у которых ослаблены металлические связи. По этой причине они имеют более низкую температуру плавления и кипения, просто деформируются. Иногда можно одним нажатием пальца сделать вмятину, ногтем оставить царапину К ним относятся: медь, серебро, золото, бронза, свинец, алюминий, цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Одним из наиболее мягких является ртуть, она находится в природе в жидком состоянии.

Что значит твердый металл

В природе такая руда встречается крайне редко. Порода находится у упавших метеоритов. Один из наиболее популярных – хром. Он тугоплавкий и легко поддается металлообработке. Еще один элемент – вольфрам. Он очень плохо плавится, но при правильной обработке используется в осветительных приборах благодаря устойчивости к теплу и гибкости.

Металлические материалы в энергетике

Мы бы не имели такую развитую электросеть и массу приборов, потребляющих электричество, если бы ряд веществ не отличались наличием свободных электронов, положительных ионов и высокой проводимостью. Провода делают из свинца, меди и алюминия. Отлично бы подошло серебро, но его редкость влияет на стоимость, поэтому редко используется.

Особенности черных вторичных металлов

Это отходы, которые образуются в результате одного из этапа металлообработки – ковки, резки. Это могут быть обрезки или стружки. Они отправляются в сталеплавильные печи, но перед этим должны пройти проверки по ГОСТу. Лом называют чермет, его различают на стальной и чугунный по цене. Его использование очень востребовано вместо обработки руды.

Щелочноземельные сплавы

Это твердые вещества, которые имеют высокую химическую активность. В чистом виде встречаются очень редко, зато применяются в соединениях. Их значение нельзя переоценить с точки зрения анатомии человека и животного. Магний и кальций – необходимые микроэлементы.

Понятие щелочной металл

Они способны растворяться в воде, образуя щелочь. Из-за своей повышенной химической активности (вступление в реакцию происходит с бурным действием, воспламенением, выделением газа, дыма) в природе почти не встречается. Ведь на внешнем уровне всего один электрон, который легко отдается любому веществу. Гидроксиды очень важны в промышленности.

Общая характеристика материалов из d- и f-семейств

Это переходные элементы, которые могут являться как окислителями, так и восстановителями. Свойства зависят от среды, в которой они находятся. Но есть и общие:

• на внешнем уровне много электронов;
• несколько степеней окисления;
• увеличенная валентность;
• прочность;
• тягучесть;
• ковкость.

Из чего состоят побочные подгруппы металлов системы Менделеева

По сути это разновидности предыдущей категории – переходные элементы. Это линейка от скандия до цинка. Они часто выплавляются и обладают фактически такими же характеристиками, как и вышеперечисленные материалы из d- и f-семейств.

Биологическая роль металлов и неметаллов

В организмах содержится множество различных металлов и неметаллов. Различных химических элементов в организме может не хватать, поэтому приходится потреблять их извне.Химические элементы можно разделить на две большие группы – макроэлементы и микроэлементы.

К макроэлементам относятся вещества, содержание которых в организме превышает 0,005 %. Эта группа включает водород, углерод, кислород, азот, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций.Микроэлементы – элементы, содержание которых не превышает 0,005%. К ним относятся железо, медь, селен, йод, хром, цинк, фтор, марганец, кобальт, молибден, кремний, бром, ванадий, бор. Каждый макро- и микроэлемент в организме выполняет определенную функцию.