Какие физические свойства металлов обуславливает металлическая связь

Слайд 1

Физические свойства Металлов. Работу выполняла: Саженцева Наталья Васильевна учитель химии

Слайд 2

Из курса химии прошлого года вы уже имеете представление о природе химической связи, существующей в кристаллах металлов, — металлической связи. Напомним, что в узлах металлических кристаллических решеток располагаются атомы и положительные ионы металлов, связанные посредством обобществленных внешних электронов, которые принадлежат всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их, обеспечивая устойчивость металлической решетки. Металлическая связь – обусловливает все важнейшие физические свойства металлов: электро – и теплопроводность, металлический блеск, пластичность, характерную для многих металлов, и т. д.

Слайд 3

Свойства. Металлическая связь обуславливает все важнейшие физические свойства металлов: 1- пластичность 2- электро – и теплопроводность 3- металлический блеск 4- плавление 5- плотность

Слайд 4

Пластичность. Пластичность — это свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия. Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоев атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются, золото, серебро и медь. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации почти не сгибаются, а сразу ломаются.

Слайд 5

Металлическая проволока.

Слайд 9

Золото

Слайд 10

Серебро

Слайд 11

Олово и Цинк

Слайд 12

Электропроводность. Электропроводность — способность металла проводить электрический ток. Все металлы хорошо проводят ток. Это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро медь и алюминий имеют небольшую электропроводность; по этой причине последние 2 металла чаще всего используют в качестве материала для проводов.

Слайд 13

Электропровода, в которых используются алюминий и медь

Слайд 14

Теплопроводность. Теплопроводность — способность металла с той или иной скоростью проводить теплоту при нагревании. Она дает возможность производить их физические свойства. Теплопроводность используется также при производстве пайки и сварки металлов Серебро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для де­талей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть из­готовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью.

Слайд 15

Чугунные батареи

Слайд 16

Двигатель и его поршень

Слайд 17

Металлический блеск. Электроны заполняющие межатомное пространство отражают световые лучи , поэтому все металлы а кристаллическом состоянии имеют металлический блеск. Самые блестящие металлы: ртуть, серебро, палладий. В порошке все металлы кроме алюминия и магния, теряют блеск и имеют тёмный или тёмно-серый цвет.

Слайд 18

Ртуть

Слайд 20

Плавление. Плавление — способность металла переходить из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты. В зависимости от температуры плавления металлов их подразделяют на следующие группы: Легкоплавкие(температура плавления не превышает 600°С)-цинк, олово, свинец, висмут и др. Среднеплавкие(от 600°С до 1600°С)-к ним относятся почти половина металлов, в том числе, магний, алюминий, железо, никель, медь золото Трудноплавкие(свыше 1600°)-вольфрам, молибден, титан, хром и тд .

Слайд 21

Легкоплавкие: Цинк и Олово

Слайд 22

Среднеплавкие: алюминий

Слайд 23

Тугоплавкие: молибден, титан

Слайд 24

Плотность. Плотность — количество вещества, содержащееся в единице объема. Одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. По плотности Me делятся на следующие группы: Легкие(плотность не более 5г / см3)-магний, алюминий, титан и другие Тяжелые(плотность от 5 до 10 г / см3)-железо, никель, медь, цинк, олово и др.(это наиболее обширная группа) Очень тяжелые(плотность более 10г / см3)-молибден, вольфрам, золото, свинец и др.

Слайд 25

Легкие: алюминий, литий, натрий

Слайд 26

Тяжелые: никель, железо, цинк, олово, медь

Слайд 27

Очень тяжелые: вольфрам, золото, свинец

Слайд 28

Самые мягкие и твердые металлы. Самые мягкие металлы: калий, цезий, натрий, рубидий — их можно разрезать ножом. Самым твердым металлом, которым можно порезать стекло, является хром.

Слайд 29

Самые мягкие калий, цезий, натрий— их можно разрезать ножом.

Слайд 30

Твердые металл-хром.

Металлическая связь — химическая связь, обусловленная наличием относительно свободных электронов. Характерна как для чистых металлов, так и их сплавов и интерметаллических соединений.

Механизм металлической связи

Во всех узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа движутся валентные электроны, отцепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены.

Поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8). Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. Если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталями первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орбиталь. Когда атомов много, возникает огромное число трехмерных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех направлениях. Вследствие многократного перекрывания орбиталей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов.

Характерные кристаллические решётки

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решёток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объемно центрированную решётку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba и др.

В кубической гранецентрированной решётке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решётку такого типа имеют металлы: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt,Rh, γ-Fe, Cu, α-Co и др.

В гексагональной решётке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca и др.

Другие свойства

Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей. Также важным свойством является металлическая ароматичность.

Металлы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объясняются особым типом химической связи, соединяющей атомы металлов между собой – металлической связью.

Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристаллов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море свободно движущихся между ними электронов.

Металлическая связь объясняет свойства металлов, в частности, их прочность. Под действием деформирующей силы решетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие от ионных кристаллов.

Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии распространится в “ электронном море” по всему образцу с большой скоростью.

Становится понятной и электрическая проводимость металлов. Если к концам металлического образца приложить разность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала: этот поток электронов, движущихся в одном направлении, и представляет собой всем знакомый электрический ток.

Сегодня разберем урок химии 10 — Металлы.  Общая характеристика. Металлическая связь. Физические и химические свойства, методы получения. Коррозия металлов. Как обещал, даю ответы к тестовым заданиям урока химии 9: 1-3, 2-2, 3-2, 4-2, 5-3, 6-1, 7-1, 8-2, 9-4, 10-2, 11-2, 12-2, 13-2, 14-3, 15-1, 16-1, 17-1, 18-1, 19-4, 20-3, 21-3, 22-2, 23-1, 24-4, 25-1.

Теперь перейдем к уроку химии 10.

Общая характеристика. Из всех известных в настоящее время элементов около 80% относятся к металлам: s-элементы I и  II групп, все d- и f- элементы и ряд  p-элементов главных подгрупп периодической системы. Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (кроме первого). Главной особенностью элементов-металлов является наличие у них на внешних  энергетических уровнях небольшого числа  электронов.(1,2,3).

В природе металлы встречаются как в свободном виде, так и в виде соединений. В свободном виде существуют химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и прокатываться. По цвету, все металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. По плотности различают металлы легкие (ρ < 5) и тяжелые (ρ > 5). Примером легких металлов служат калий, натрий, кальций, алюминий и др. К тяжелым металлам относятся осмий, олово, свинец, никель,  ртуть, золото, платина и т.д. Температура плавления металлов также различна: от -38.9 °С (ртуть) до 3380 °С (вольфрам). Металлы могут отличаться и по твердости: самыми мягкими металлами являются натрий и калий (режутся ножом), а самыми твердыми – никель, вольфрам, хром (последний режет стекло). Тепло и электричество различные металлы проводят неодинаково: лучшим проводником электричества является серебро, худшим – ртуть.

В расплавленном состоянии металлы могут распределяться друг в друге, образуя сплавы. Большинство расплавленных металлов могут смешиваться друг с другом в неограниченных количествах. При смешивании расплавленных металлов происходит либо простое растворение расплавов одного металла в другом, либо металлы вступают в химическое соединение. Чаше всего сплавы представляют собой смеси свободных металлов с их химическими соединениями. В состав сплавов могут входить также и неметаллы (чугун – сплав железа с углеродом). Свойства металлов существенно отличаются от свойств составляющих их элементов.

Известно, что у металлов на внешнем энергетическом уровне (ВЭУ) имеется 1-3 валентных электрона. Поэтому они сравнительно легко отдают свои электроны неметаллам, у которых на ВЭУ 5-7 электронов. Так, металлы непосредственно реагируют с галогенами. Большинство Ме хорошо реагируют с кислородом (исключая золото, платину, серебро), образуя оксиды и пероксиды; взаимодействуют с серой с образованием сульфидов. Щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой с образованием растворимых в ней щелочей. Металлы средней активности реагируют с водой только при нагревании. Малоактивные металлы с водой вообще не реагируют. Большинство металлов растворяется в кислотах. Однако химическая активность различных металлов различна. Она определяется легкостью  атомов металла отдавать валентные электроны.

Приводим таблицу газообразных продуктов реакций кислот и металлов. Ее надо запомнить, или иметь всегда под рукой.

По своей активности все металлы расположены в определенной последовательности, образуя ряд активности или ряд стандартных электродных потенциалов:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

В этом ряду каждый предыдущий металл вытесняет из соединений все последующие металлы.

Электролиз мы рассматривали ранее. Здесь же коротко напомним его основные моменты.  Анод — положительный электрод, на нем происходит окисление; катод — отрицательный электрод, на нем происходит восстановление. При электролизе расплава происходит распределение ионов соли в анодном и катодном пространстве. Ион металла восстанавливается до металла, а кислотный остаток бескислородной кислоты окисляется до соответствующего газа или элемента. Электролиз растворов солей более сложен из-за возможности участия в электродных процессах молекул воды. На катоде: 1) ионы металлов от лития до алюминия не восстанавливаются, но  идет процесс восстановления водорода из воды, 2) ионы металлов от алюминия до водорода восстанавливаются до металлов вместе с восстановлением водорода из воды, 3) ионы металлов от висмута до золота восстанавливаются до металлов. На аноде: 1) анионы бескислородных кислот окисляются до соответствующих элементов, 2) при электролизе солей кислородсодержащих кислот происходит окисление не кислотных остатков, а воды с выделением кислорода, 3) в щелочных растворах происходит окисление гидроксид-ионов до кислорода и воды, 4) при использовании растворимых анодов, на них образуются катионы металла, из которого сделан анод.

 Металлическая связь. Связь между положительными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов называется металлической связью.

Физические свойства. Для всех металлов характерны электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Металлы различаются по плотности: самый легкий металл литий ( ρ = 0,53 г/см3).

Основные промышленные способы получения металлов:

1. Пирометаллургический:

1)    коксотермия                    Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Fe(CO)3 → Fe + 3CO

2)    алюмотермия                   Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

3)    магнийтермия                  TiO2 + 2Mg → Ti + 2MgO

4)    водородотермия              CuO + H2 → Cu + H2O

2. Электрохимический:

1)    электролиз расплавов:   NiCl2 → Ni + Cl2

2)    электролиз растворов:   MnSO4 + 2H2O → Mn + O2­ + H2­ + H2SO4

3. Гидрометаллургический:

Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 +  2H2O

CuSO4 + Fe → Cu + FeSO4.

Коррозия – это самопроизврольный процесс разрушения металлов при ввзаимодействии  их с окружающей средой, например, железо на воздухе: 4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3

Коррозия наносит большой ущерб народному хозяйству. Поэтому с коррозией ведут борьбу. Существуют следующие методы защиты металлов от коррозии.

1. Исключение контакта металла с атмосферой и электролитами. Это может быть достигнуто нанесением защитных покрытий:

а) неметаллических – специальные лаки, краски, эмали;

б) химических – покрытий, к которым относятся искуственно создаваемые поверхностные пленки (оксидные, фосфатные, нитридные и др.);

в) металлических – покрытий, полученных электрохимическим осаждением на защищаемой детали тонкого слоя другого металла (хромирование, никелирование, цинкование, лужение и т.д.);

2. Электрохимические методы защиты:

а) протекторная – к защищаемому металлу присоединяется кусок более активного металла, который и разрушается в присутствии электролита;

     б) катодная – металлоконструкции подсоединяются к катоду внешнего источника тока, что исключает возможность их анодного разрушения.

3. Специальная обработка электролита или среды, в которой находится защищаемая конструкция:

а) введение веществ-ингибиторов, замедляющих коррозию;

б) удаление растворенного воздуха в воде (деаэрация) – например, в воде, поступающей в котельные установки.

Это был урок химии 10 — Металлы.  Общая характеристика. Металлическая связь. Физические и химические свойства, методы получения. Коррозия металлов.

{lang: ‘ru’}

Friend me: