Онлайн-учебник для ОГЭ по химии

Логотип2

Онлайн-учебник для ОГЭ по химии

16. Общие свойства металлов

Большинство элементов в ПСХЭ являются металлами, они образуют простые вещества-металлы, которые занимают важное место в химии и используются человеком в промышленности и строительстве. 

Металлы – это простые вещества, образованные элементами-металлами

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решётка,
которая придаёт их простым веществам особые физические свойства:

Металлы отличаются друг от друга по химической активности, закономерность изменения которых представлена в электрохимическом ряду напряжений металлов (ряд активности металлов):

  1. Активные металлы: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al
  2. Среднеактивные металлы: Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb
  3. Малоактивные металлы: Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pt, Au
  4. Благородные или инертные металлы: Pt, Au

 

Общие химические свойства металлов

1. Кислород взаимодействует с металлами (как правило при нагревании), кроме благородных или инертных металлов: 

В большинстве случаев образуются оксиды металлов:

Ca + O2  2CaO

3Fe + 2O2  Fe3O4 до железной окалины (FeO + Fe2O3)

Щелочные металлы взаимодействуют до образования пероксидов или надпероксидов (кроме лития – до оксида): 

4Li + O2 → 2Li2O – до оксида (с.о. О равна -2)

2Na + O2 →  Na2O2 – до пероксида (с.о. О равна -1)

K + O2 → KO2 – до надпероксида (с.о. О равна -1/2)

Rb + O2 → RbO2 – до надпероксида (с.о. О равна -1/2)

Cs + O2 → CsO2 – до надпероксида (с.о. О равна -1/2)

Щелочноземельные металлы взаимодействуют до оксидов, барий может реагировать и до оксида и до пероксида: 

2Ba + O2 → 2BaO

Ba + O2 → BaO2

2. Водород взаимодействует с активными металлами до образования гидридов (с.о. водорода равна -1):

Ba + H2 → BaH2

2Na + H2 → 2NaH

Гидриды реагируют с водой и кислотами:

NaH + H2O → NaOH + H2↑ 

NaH + HCl → NaCl + H2

3. Сера взаимодействует с металлами при нагревании до образования сульфидов (с.о. серы равна -2):

2Na + S → Na2S

Ca + S → CaS

Fe + S → FeS

4. Кремний реагирует при нагревании c активными и среднеактивными металлами до образования силицидов (с.о. кремния обычно равна -4):

2Mg + Si → Mg2Si 

Силициды реагируют с водой и кислотами: 

Mg2Si + 4H2O → 2Mg(OH)2↓ + SiH4↑ 

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4

5. Углерод реагирует при нагревании c активными и среднеактивными металлами до образования карбидов (с.о. углерода равна -1 или -4, нужно запомнить два примера):

Ca + 2C → CaC2 

4Al + 3C → Al4C3 

Карбиды реагируют с водой и кислотами до органических ацетилена С2H2 или метана СН4 (зависит от степени окисления углерода в карбиде): 

CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2↓ + C2H2↑ 

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3↓ + 3CH4↑ 

CaC2 + 2HCl → CaCl2 + C2H2↑ 

Al4C3 + 12HCl → 4AlCl3 + 3CH4

6. Фосфор реагирует при нагревании c активными и среднеактивными металлами до фосфидов (с.о. фосфора равна -3):

3Ca + 2P → Ca3P2 

Фосфиды реагируют с водой и кислотами до образования фосфина PH3

Ca3P2 + 6H2O → 3Ca(OH)2↓ + 2PH3↑ 

Ca3P2 + 6HCl → 3CaCl2 + 2PH3

7. Азот реагирует при нагревании c активными и среднеактивными (без нагревания только с литием) до образования нитридов (с.о. азота равна -3):

6Na + N2 → 2Na3

Нитриды реагируют с водой и кислотами: 

Na3N + 3H2O → 3NaOH + NH3↑ – до аммиака

Na3N + 4HCl → 3NaCl + NH4Cl – до соли аммония (аммиак основный)

8. Галогены (как правило при нагревании) – фтор со всеми, остальные не реагируют с Au и Pt:

Образуют галогениды – фториды, хлориды, бромиды, иодиды (с.о. -1): 

Ca + Cl2 → CaCl2 

2K + F2 → 2KF 

Mg + I2 → MgI2 

2Na + Br2 → 2NaBr

9. Кислоты взаимодействуют с металлами левее водорода в ряду активности:

Металлы замещают водород из кислот, образуются соли: 

Mg + H2SO(разб.) → MgSO4 + H2↑ 

Cu + 2HCl → нет реакции 

Если металл реагирует с водой без температуры, то идёт конкурирующая реакция с ней, так как реакции идут в растворах

10. Кислоты-окислители взаимодействуют с металлами иначе (к ним относим H2SO4 концентрированную и HNO3 любой концентрации):

С кислотами-окислителями способны реагировать все металлы кроме благородных (Au, Pt). При реакции с ними не выделяется водород, реакция идёт по схеме: 

Me + H2SO4 (конц.) → MeSO4 + H2S↑/S↓/SO2↑ + H2

Me + HNO3 → MeNO3 + NO2↑/NO↑/N2O↑/N2↑/NH4NO3 + H2

Продукт с серой при реакции с серной кислотой зависит от активности металла, продукт с азотом при реакции с азотной кислотой – от активности металла и степени разбавленности кислоты 

11. Взаимодействие с водой:

Активные металлы (от Li до Al) реагируют с водой без нагревания с образованием гидроксида:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

Исключения: магний – только при кипячении, алюминий – при снятии оксидной плёнки

Среднеактивные металлы (после Al до H) реагируют только при нагревании с образованием оксида и водорода:

Zn + H2O → ZnO + H2

Малоактивные металлы (правее H) с водой не взаимодействуют

12. Соли взаимодействуют с металлами в растворах и расплавах:

Более активные металлы в ряду активности способны
замещать из солей менее активные:

Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag↓

13. Взаимодействие с оксидами протекает при нагревании с замещением менее активного металла из оксида:

2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3

Также могут реагировать с оксидами неметаллов:

2Mg + SiO2 → 2MgO + Si

Mg + CO → MgO + C

Cu + N2O → CuO + N2

14. С щелочами реагируют металлы, образующие амфотерные соединения (Be, Zn, Al и др.):

При взаимодействии с раствором щёлочи образуется комплексная соль:

Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑ – до тетрагидроксоцинката

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ – до тетрагидроксоалюмината

При взаимодействии в расплаве образуется средняя соль:

Zn + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2↑ – до цинката

2Al + 6NaOH → 2NaAlO2 + 2Na2O + 3H2↑ – до алюмината

 

Методы получения металлов

Металлы в природе встречаются в основном в виде соединений, лишь самые малоактивные металлы могут встречаться в виде простых веществ. Возникает вопрос: а как получить металл из его соединения – руды? Методами получения металлов путём восстановления из соединений занимается металлургия.

Металлургия – область науки и промышленности, занимающаяся вопросами получения металлов из руд, а также получением сплавов металлов с заданными свойствами

Пирометаллургия – метод получения металлов из соединений при взаимодействии с восстановителем при высокой температуре (подходит для среднеактивных и малоактивных металлов)

1. Карботермия (восстановитель: C, CO) – для металлов правее Al в ряду активности:

FeO + C  Fe + CO

FeO + CO  Fe + CO2

2. Водородотермия (восстановитель: H2) – для металлов правее Al в ряду активности:

CuO + H Cu + H2O

3. Металлотермия (восстановитель: более активный металл)

Fe2O3 + 2Al  Al2O3 + 2Fe – алюмотермия (алюминотермия)

Zn + CuO  ZnO + Cu – цинкотермия

Mg + ZnO  MgO + Zn – магнийтермия

Гидрометаллургия – метод получения металлов из растворов солей замещением более активным металлом (подходит для среднеактивных и малоактивных металлов)

Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu

Электрометаллургия – метод получения металлов с помощью электролиза растворов и расплавов их соединений (подходит для металлов любой активности)

Электролиз расплавов – для активных металлов:

 2NaCl → 2Na + Cl2 

Электролиз растворов – для средне-/малоактивных:

 2CuSO4 + 2H2 2Cu + O2 + 2H2SO4

 

Сплавы металлов – однородные смеси из нескольких компонентов с преобладанием металлических 

Легированный сплав – сплав с добавлением небольшого количества дополнительных компонентов, дающих определённые свойства: термостойкость, коррозионную стойкость, кислотоупорность и др.

Схема получения чугуна и стали

Чугун получают в доменной печи при высокой температуре в доменной печи путём восстановления железа из оксидов в руде с помощью кокса С. В чугуне содержание углерода более 2% из-за чего сплав обладает хрупкостью.

Чтобы получить из чугуна сталь, где содержание углерода меньше, используют мартеновскую печь, конвертер или электропечь. Полученная сталь с низким содержанием углерода обладает высокой пластичностью.

 

Читать следующую главу