Загальні властивості металів. Корозія

Елементи з металевими властивостями розташовані в IA – VIA групах Періодичної системи.

Металами є також всі елементи, розташовані в ІБ – VIIIб-групах (перехідні метали).

В даний час в Періодичній системі 92 металу.

Типовими металами є s-елементи (елементи IA-групи від Li до Fr, елементи IIA-групи від Mg до Ra). Загальна електронна формула їх атомів ns1-2. Для них характерні ступені окислення + I і + II відповідно.

Невелике число електронів (1-2) на зовнішньому енергетичному рівні атомів типових металів припускає легку втрату цих електронів і прояв сильних відновлювальних властивостей, що відображають низькі значення електронегативності. Звідси випливає обмеженість хімічних властивостей і способів отримання типових металів.

Характерною особливістю типових металів є прагнення їх атомів утворювати катіони та іонні хімічні зв’язки з атомами неметалів. З’єднання типових металів з неметалами – це іонні кристали «катіон металлааніон неметалла», наприклад К + Br-, Са2 + O2-. Катіони типових металів входять також до складу з’єднань зі складними аніонами – гідроксидів і солей, наприклад Mg2 + (OH-) 2, (Li +) 2CO32-.

Метали А-груп, що утворюють діагональ амфотерности в Періодичній системі Be-Al-Ge-Sb-Po, а також прилеглі до них метали (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) не виявляють типово металевих властивостей. Загальна електронна формула їх атомів ns2np0-4 передбачає більшу різноманітність ступенів окислення, більшу здатність утримувати власні електрони, поступове зниження їх відновної здатності і поява окислювальної здатності, особливо у високих ступенях окислення (характерні приклади – з’єднання ТlIII, PbIV, Biv). Подібне хімічне поведінка характерна і для більшості d-елементів, т. Е. Елементів Б-груп Періодичної системи (типові приклади – амфотерні елементи Cr і Zn).

Це прояв подвійності (амфотерности) властивостей, одночасно металевих (основних) і неметалевих, обумовлено характером хімічного зв’язку. У твердому стані з’єднання нетипових металів з неметалами містять переважно ковалентні зв’язки (але менш міцні, ніж зв’язку між неметалами). У розчині ці зв’язки легко розриваються, а з’єднання диссоциируют на іони (повністю або частково). Наприклад, метал галій складається з молекул Ga2, у твердому стані хлориди алюмінію і ртуті (II) AlCl3 і HgCl2 містять сильно ковалентні зв’язки, але в розчині AlCl3 дисоціює майже повністю, a HgCl2 – в дуже малому ступені (та й то на іони HgCl + і Cl-).

У вільному вигляді всі метали – тверді речовини, крім одного – ртуті Hg, яка за звичайних умов рідину. У кристалах металів переважає особливий вид зв’язку (металева зв’язок); валентні електрони слабо пов’язані з конкретним атомом в решітці, і всередині металу існує так званий електронний газ. Всі метали мають високу електропровідністю (найбільша y Ag, Cu, Аі, Al, Mg) і теплопровідністю. Зустрічаються низкоплавкие метали (цезій Cs з температурою плавлення 28,7 ° C плавиться від тепла руки) і, навпаки, вельми тугоплавкі (вольфрам W плавиться лише при 3387 ° C). Відмітною властивістю металів служить їх пластичність (ковкість), внаслідок чого вони можуть бути прокатані в тонкі аркуші – фольгу (Sn, Al, Au) або витягнуті в дріт (Cu, Al, Fe), проте зустрічаються і дуже крихкі метали (Zn, Sb , Bi).

У промисловості часто використовують не чисті метали, а їх суміші – сплави, в яких корисні властивості одного металу доповнюються корисними властивостями іншого. Так, мідь має невисоку твердість і малопридатна для виготовлення деталей машин, сплави же міді з цинком (латунь) є вже досить твердими і широко використовуються в машинобудуванні. Алюміній володіє високою пластичністю і достатньою легкістю (малою щільністю), але занадто м’який. На його основі готують сплав з магнієм, міддю і марганцем – дуралюмин (дюраль), який, не втрачаючи корисних властивостей алюмінію, набуває високу твердість і стає придатним в авіабудуванні. Сплави заліза з вуглецем (і добавками інших металів) – це широко відомі чавун і сталь.

Метали у вільному вигляді є відновниками. Однак реакційна здатність деяких металів невелика через те, що вони покриті поверхневої оксидної плівкою, різною мірою стійкою до дії таких хімічних реактивів, як вода, розчини кислот і лугів.

Наприклад, свинець завжди покритий оксидною плівкою, для його переходу в розчин потрібно не тільки вплив реактиву (наприклад, розведеною азотної кислоти), але і нагрівання. Оксидна плівка на алюмінії перешкоджає його реакції з водою, але під дією кислот і лугів руйнується. Пухка оксидна плівка {іржа), що утворюється на поверхні заліза у вологому повітрі, не заважає подальшому окисленню заліза.

Під дією концентрованих кислот на металах утворюється стійка оксидна плівка. Це явище називається пасивацією. Так, в концентрованої сірчаної кислоти пасивуються (і після цього не реагують з кислотою) такі метали, як Be, Bi, Со, Fe, Mg і Nb, а в концентрованої азотної кислоти – метали Al, Be, Bi, Со, Cr, Fe , Nb, Ni, Pb, Th і U.

При взаємодії з окислювачами в кислих розчинах більшість металів переходить в катіони, заряд яких визначається стійкою ступенем окислення даного елемента в сполуках (Na +, Са2 +, Al3 +, Fe2 + і Fe3 +).

Відновлювальна активність металів в кислому розчині передається поруч напруг. Більшість металів переводиться в розчин соляної і розведеної сірчаної кислотами, але Cu, Ag і Hg – тільки сірчаної (концентрованої) і азотної кислотами, a Pt та Аі – «царської горілкою».

Небажаним хімічною властивістю металів є їх корозія, т. Е. Активне руйнування (окислення) при контакті з водою і під впливом розчиненого в ній кисню (киснева корозія). Наприклад, широко відома корозія залізних виробів у воді, в результаті чого утворюється іржа, і вироби розсипаються в порошок.

Корозія металів протікає у воді також через присутність розчинених газів СO2 і SO2; створюється кислотне середовище, і катіони Н + витісняються активними металами у вигляді водню Н2 (воднева корозія).

Особливо корозійно-небезпечним може бути місце контакту двох різнорідних металів (контактна корозія). Між одним металом, наприклад Fe, та іншим металом, наприклад Sn або Cu, поміщеними в воду, виникає гальванічна пара. Потік електронів іде від активнішого металу, що стоїть лівіше в ряду напруг (Fe), до менш активного металу (Sn, Cu), і більш активний метал руйнується (кородує).

Саме через це іржавіє луджена поверхня консервних банок (залізо, покрите оловом) при зберіганні у вологій атмосфері і недбалому поводженні з ними (залізо швидко руйнується після появи хоч би невеликої подряпини, що допускає контакт заліза з вологою). Навпаки, оцинкована поверхня залізного відра довго не іржавіє, оскільки навіть за наявності подряпин кородує НЕ залізо, а цинк (активніший метал, ніж залізо).

Опір корозії для даного металу посилюється при його покритті більш активним металом або при їх сплаві; так, покриття заліза хромом або виготовлення сплаву заліза з хромом усуває корозію заліза. Хромоване залізо і сталь, що містить хром (нержавіюча сталь), мають високу корозійну стійкість.

Загальні способи отримання металів у промисловості:

• електрометалургія, т. Е. Отримання металів електролізом розплавів (для найбільш активних металів) або розчинів солей;

• Пірометалургія, т. Е. Відновлення металів з руд при високій температурі (наприклад, отримання заліза в доменному процесі);

• гідрометалургія, т. Е. Виділення металів з розчинів їх солей більш активними металами (наприклад, отримання міді з розчину CuSO4 дією цинку, заліза або алюмінію).

У природі іноді зустрічаються самородні метали (характерні приклади – Ag, Au, Pt, Hg), але частіше метали знаходяться у вигляді сполук (металеві руди). За поширеністю в земній корі метали різні: від найбільш поширених – Al, Na, Са, Fe, Mg, К, Ti до найрідкісніших – Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.

Посилання на основну публікацію