Какими свойствами обладают металлы и их соединения

В химических реакциях металлы выступают в роли восстановителей и повышают степень окисления, превращаясь из простых веществ в катионы.

Химические свойства металлов различаются в зависимости от химической активности металла. По активности в водных растворах металлы расположены в ряд напряжений.

Какими свойствами обладают металлы и их соединения

В этот ряд, составленный русским химиком Н.Н. Бекетовым, включен также неметалл водород. Активность металлов убывает слева направо:

Запомнить! Металлы, стоящие в ЭХ ряду после водорода, называют неактивными металлами.

Металлы, расположенные в ЭХ ряду до алюминия называют сильноактивными или активными металлами.

Общие химические свойства металлов

1) Многие металлы вступают в реакцию с типичными неметаллами – галогенами, кислородом, серой. При этом образуются соответственно хлориды, оксиды, сульфиды и другие бинарные соединения:

с азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании;
с серой металлы образуют сульфиды – соли сероводородной кислоты;
с водородом самые активные металлы образуют ионные гидриды (бинарные соединения, в которых водород имеет степень окисления -1);
с кислородом большинство металлов образует оксиды – амфотерные и основные. Основной продукт горения натрия – пероксид $Na_2O_2$; а калий и цезий горят с образованием надпероксидов $MeO_2$.

2) Следует обратить внимание на особенности взаимодействие металлов с водой:

Какими свойствами обладают металлы и их соединения

Активные металлы, находящиеся в ряду активности металлов до Mg (включительно), реагируют с водой с образованием щелочей и водорода:$Ca + 2H_2O = Ca(OH)_2 + H_2uparrow$
Активные металлы (например, натрий и литий), взаимодействуют с водой со взрывом.
Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
$6Cr + 6H_2O xrightarrow[]{t, ^circ C} 2Cr_2O_3 + 3H_2uparrow$
Неактивные металлы (Au, Ag, Pt) – не реагируют с водой.

$hspace{1.5cm} xrightarrow []{[Li……Mg]} MOH +H_2uparrow$ активные металлы (до Al)

$H_2O + M xrightarrow []{[Al……Pb} M_xO_y +H_2uparrow$ среднеактивные металлы (от Al до H), только при нагревании

$hspace{1.5cm} xrightarrow []{[Bi……Au]} hspace{1cm} ne hspace{1cm}$ неактивные металлы (после Н)

Более подробно взаимодействие металлов с водой рассмотрено в темах, посвященных химии отдельных групп.

3) С разбавленными кислотами реагируют металлы, стоящие в ЭХР до водорода: происходит реакция замещения с образованием соли и газообразного водорода. При этом кислота проявляет окислительные свойства за счет наличия катиона водорода:

$mathrm{Mg} + 2mathrm{HCl} = mathrm{MgCl}_2 + mathrm{H}_2$

4) Взаимодействие азотной кислоты (любой концентрации) и концентрированной серной кислоты протекает с образованием других продуктов: кроме соли в этих реакциях образуется продукт восстановления серной (или азотной) кислоты. Подробнее см.тему “Взаимодействие азотной кислоты с металлами и неметаллами.

Запомнить! Все металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют его из разбавленных кислот, а металлы, расположенные справа от водорода, с растворами кислот не реагируют (азотная кислота – исключение).

5) Активность металлов также влияет на возможность протекания простого вещества металла с оксидом или солью другого металла. Металл вытесняет из солей менее активные металлы, стоящие правее его в ряду напряжений.

Запомнить! Для протекания реакции между металлом и солью другого требуется, чтобы соли, как вступающие в реакцию, так и образующиеся в ходе нее, были растворимы в воде. Металл вытесняет из соли только более слабый металл.

Например, для вытеснения меди из водного раствора сульфата меди подходит железо,

$mathrm{CuSO}_4 + mathrm{Fe} = mathrm{FeSO}_4 + mathrm{Cu}$

но не подходят свинец – так как он образует нерастворимый сульфат. Если опустить кусочек свинца в раствор сульфата меди, то с поверхности металла покроется тонким слоем сульфата, и реакция прекратится

$mathrm{CuSO}_4 + mathrm{Pb} = mathrm{PbSO}_4downarrow + mathrm{Cu}$

Другой пример: цинк легко вытесняет серебро из раствора нитрата серебра, однако реакция цинка со взвесью сульфида серебра, нерастворимого в воде, практически не протекает.

Общие химические свойства металлов обобщены в таблице:

Уравнение реакции	Продукты реакции	Примечания
с простыми веществами – неметаллами
с кислородом
$4Li + O_2 = 2Li_2O$	оксиды $O^{-2}$
$2Na + O_2 = Na_2O_2$	пероксиды $(O_2)^{-2}$	только натрий
$K + O_2 = KO_2$	надпероксиды $(O_2)^{-2}$	надпероксиды при горении образуют K, Rb, Cs
с водородом
$Ca + H_2 = CaH_2$	гидриды	щелочные металлы 0 при комнатной температуре; остальные металлы – при нагревании
с галогенами
$2Fe + 3Cl_2 =2Fe^{+3}Cl_3$	хлориды и др.	при взаимодействии с хлором и бромом (сильные окислители) железо и хром образуют хлориды в степени окисления +3
с серой
$Fe + S = FeS$	сульфиды	при взаимодействии с серой и иодом железо приобретает степень окисления +2
с азотом и фосфором
$3Mg + N_2 = Mg_3N_2 $	нитриды	* при комнатной температуре с азотом реагируют только литий и магний
$3Ca + 2P = Ca_3P_2$	фосфиды
с углеродом
$4Al + 3C = Al_4C_3$	карбиды
с водой
$2Na^0 + 2H_2O = 2NaOH + H_2 $	Основание + $H_2$	щелочные металлы
$ Zn^0 + H_2O = ZnO + H_2$	Оксид + $H_2$	среднеактивные металлы, при нагревании
$Au, Ag, Pt+ H_2O /ne $	не реагируют	неактивные металлы (после Н)
с окисдами менее активных металлов
$2Al + 3ZnO = Al_2O_3 + 2Zn$	др оксид + др.металл
с солями менее активных металлов
$Fe+ CuSO_4 = Cu + FeSO_4$	Др. соль + др. металл	Более сильный металл вытесняют более слабый из его соли. Соли, как вступающие в реакцию, так и образующиеся в ходе нее, были растворимы в воде.
$Cu + AlCl_3 ne$
с кислотами
$Fe + 2HCl = FeCl_2 + H_2 $ $6Na + 2H_3PO_4 = 2Na_3PO_4 + 3H_2 $	Др. соль +водород	Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H реагируют с разбавленными кислотами (кроме $HNO_3$)
$Cu + 2H_3PO_4 ne$	Др. соль +водород

Источник

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп. Входящие в их состав представители характеризуются отличной от других металлов химической активностью. Такими группами являются:

благородные металлы (серебро, золото, платина);
щелочные металлы (металлы, образованные элементами (I)А группы периодической системы);
щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий, радий).

Простые вещества, обладающие металлическими свойствами, в химических реакциях всегда являются восстановителями. Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются свойства восстановителя).

Ряд активности металлов

(Li, K, Ba, Ca, Na, )

(Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb)

(Cu, Hg, Ag, Pt, Au)

активные

металлы

металлы средней

активности

неактивные

металлы

1. Чем левее стоит металл в этом ряду, тем более сильным восстановителем он является.

2. Каждый металл способен вытеснять из растворов солей те металлы, которые в ряду активности стоят после него (правее).

3. Металлы, находящиеся в ряду активности левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.

4. Щелочные и щелочноземельные металлы в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.

Общие химические свойства металлов

Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды.

Металл + кислород → оксид.

Например, при взаимодействии магния с кислородом образуется оксид магния:

2Mg0+O02→2Mg+2O−2.

Видеофрагмент:

Обрати внимание!

Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют.

2. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и иодом), образуя галогениды.

Металл + галоген → галогенид металла.

Например, при взаимодействии натрия с хлором образуется хлорид натрия:

2Na0+Cl02→2Na+1Cl−1.

3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.

Металл + сера → сульфид металла.

Например, при взаимодействии цинка с серой образуется сульфид цинка:

Zn0+S0→Zn+2S−2.

Видеофрагмент:

Взаимодействие цинка с серой

4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.

Например, при взаимодействии лития с азотом образуется нитрид лития:

6Li0+N02→2Li+13N−3.

При взаимодействии кальция с фосфором образуется фосфид кальция:

3Ca0+2P0→Ca+23P−32.

Взаимодействие со сложными веществами

1. Щелочные и щелочноземельные металлы взаимодействуют с водой при обычных условиях, образуя растворимое в воде основание (щёлочь) и водород.

Активный металл + вода → щёлочь + водород.

Например, при взаимодействии натрия с водой образуются гидроксид натрия и водород:

2Na0+2H+12O−2→2Na+1O−2H+1+H02.

Видеофрагмент:

Взаимодействие натрия с водой

Обрати внимание!

Некоторые металлы средней активности реагируют с водой при повышенной температуре, образуя оксид металла и водород.

Например, раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe_3O_4 и водород:

3Fe0+4H+12O−2→Fe+2O−2⋅Fe+32O−23+4H02.

2. Mеталлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот, образуя соль и водород.

Металл + кислота → соль + водород.

Например, при взаимодействии алюминия с серной кислотой образуются сульфат алюминия и водород:

2Al0+3H+12S+6O−24→Al+32(S+6O−24)3+3H02.

Видеофрагмент:

Реакция алюминия с серной кислотой

3. Металлы реагируют с солями менее активных металлов в растворе, образуя соль более активного металла и менее активный металл в свободном виде.

Более активный металл + соль → соль более активного металла + менее активный металл.

Например, при взаимодействии железа с сульфатом меди((II)) образуются сульфат железа((II)) и медь:

Fe0+Cu+2S+6O−24→Fe+2S+6O−24+Cu0.

Видеофрагмент:

Взаимодействие железа с сульфатом меди

Источник

Уравнения реакций отношения металлов:

а) к простым веществам: кислороду, водороду, галогенам, сере, азоту,
углероду;
б) к сложным веществам: воде, кислотам, щелочам, солям.

К металлам относятся s-элементы I и II групп, все s-элементы, р-элементы
III группы (кроме бора), а также олово и свинец (IV группа), висмут
(V группа) и полоний (VI группа). Металлы в большинстве своем имеют
на внешнем энергетическом уровне 1—3 электрона. У атомов d-элементов
внутри периодов слева направо происходит заполнение d-подуровней предвнешнего
слоя.
Химические свойства металлов обусловлены характерным строением их
внешних электронных оболочек.

В пределах периода с увеличением заряда ядра радиусы атомов при одинаковом
числе электронных оболочек уменьшаются. Наибольшими радиусами обладают
атомы щелочных металлов. Чем меньше радиус атома, тем больше энергия ионизации,
а чем больше радиус атома, тем меньше энергия ионизации. Так как атомы
металлов обладают наибольшими радиусами атомов, то для них характерны
в основном низкие значения энергии ионизации и сродства к электрону. Свободные
металлы проявляют исключительно восстановительные свойства.

3) Металлы образуют оксиды, например:

С водородом реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы, образуя
гидриды:

Металлы реагируют с галогенами, образуя галогениды, с серой — сульфиды,
с азотом — нитриды, с углеродом – карбиды.

С увеличением алгебраического значения стандартного электродного потенциала
металла Е0
в ряду напряжений способность металла реагировать с водой уменьшается.
Так, железо реагирует с водой только при очень высокой температуре:

Металлы с положительным значением стандартного электродного потенциала,
то есть стоящие после водорода в ряду напряжений, не реагируют с водой.

Характерны реакции металлов с кислотами. Металлы с отрицательным значением
Е0
вытесняют водород из растворов НСl, H2S04,
H3P04
и т. д.

Металл с меньшим значением Е0
вытесняет металл с большим значением Е0
из растворов солей:

Важнейшие соединения кальция, получаемые в промышленности, их химические
свойства и способы получения.

Оксид кальция СаО называют негашеной известью. Его получают обжигом
известняка СаС03
–> СаО + СО, при температуре 2000°С.
Оксид кальция обладает свойствами основного оксида:

а) реагирует с водой с выделением большого количества теплоты:

СаО + Н20
= Са(ОН)2
(гашеная известь).

б) реагирует с кислотами, образуя соль и воду:

СаО + 2НСl = СаСl2
+ Н2О

СаО + 2Н+
= Са2+
+ Н2О

в) реагирует с кислотными оксидами с образованием соли:

СаО + С02
= СаС03

Гидроксид кальция Са(ОН)2
применяется в виде гашеной извести, известкового молока и известковой
воды.

Известковое молоко — это взвесь, образованная при смешивании избытка
гашеной извести с водой.

Известковая вода — прозрачный раствор, полученный при фильтровании известкового
молока. Используется в лаборатории для обнаружения оксида углерода (IV).

Са(ОН)2
+ СО2
= СаСО3
+ Н2О

При длительном пропускании оксида углерода (IV) paствор становится прозрачным,
так как образуется кислая соль, растворимая в воде:

СаС03
+ С02
+ Н2О
= Са(НСО3)2

Если полученный прозрачный раствор гидрокарбоната кальция нагреть, то
снова происходит помутнение, так как выпадает осадок СаС03:

Источник

На чтение 5 мин.

Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.

Крыло самолета Свойства металлов и сплавов

У металлов есть признаки, которые их характеризуют:

Высокие показатели теплопроводности. Металлические материалы хорошо проводят электричество.
Блеск на изломе.
Ковкость.
Кристаллическая структура.

Не все материалы прочные и обладают высокими показателя износоустойчивости. Это же касается плавления при высоких температурах.

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Сталь Производство стали

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

Устойчивость к низким температурам.
Электропроводность.
Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Двигатель внутреннего сгорания

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

прочность;
твердость;
пластичность;
вязкость;
хрупкость;
устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:

Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
Обработка режущим инструментом.
Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).

Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.

Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.

Источник