СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Все элементы в Периодической системе делят условно на металлы и неметаллы. К неметаллическим элементам относятся:
Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn, F, С1, Вr, I, Аt, О, S, Sе. Те, N, Р, Аs, С, Si, В, Н
Все остальные элементы считаются металлическими.
Простые вещества (элементы в свободном виде) также подразделяют на металлы и неметаллы, основываясь на их физико-химических свойствах. Так, по физическим свойствам, например по электронной проводимости, бор это неметалл, а медь - металл, хотя и возможны исключения (графит).
В Периодической системе неметаллы - это элементы главных групп (А-групп), начиная с IIIА группы (бор); остальные элементы А-групп и все элементы Б- групп - металлы. В главных группах металлические свойства отчетливее выражены для более тяжелых элементов, причем в 1А-группу входят только металлы, а в VПА и VIIIА группы - только неметаллы.
В главных группах металлические свойства элементов увеличиваются, а неметаллические свойства уменьшаются с возрастанием порядкового номера элемента.
В периодах для элементов главных групп металлические свойства уменьшаются, а неметаллические свойства увеличиваются с возрастанием порядкового номера, элемента.
Отсюда следует, что самый типичный неметаллический элемент - это фтор, самый типичный металлический элемент - это франций.
В Периодической системе отчетливо видны естественные границы, относительно которых наблюдается изменение свойств элементов. 1А группа содержит типичные металлы, элементы VIIIА группы (благородные газы) - типичные неметаллы, промежуточные группы включают неметаллы «вверху» таблицы элементов и металлы «внизу» таблицы элементов. Другая граница между металлами и неметаллами соответствует элементам Ве - А1-Gе - Sb - Ро (диагональная граница). Элементы самой этой границы и примыкающие к ней обладают одновременно и металлическими, и неметаллическими свойствами, этим элементам свойственно амфотерное поведение. Простые вещества этих элементов могут встречаться как в виде металлических, так и неметаллических модификаций (аллотропных форм).
В качестве меры металлического и неметаллического характера элементов можно принять энергию ионизации их атомов. Энергия ионизации - это энергия, которую необходимо затратить для полного удаления одного электрона из атома. Обычно металлы обладают относительно низкой энергией ионизации (496 кДж/моль для Nа, 503 кДж/моль для Ва), а неметаллы - высокой энергией ионизации (1680 кДж/моль для F, 1401 кДж/моль для N). Атомам элементов, проявляющих амфотерное поведение (Ве, А1, Ge, Sb, Ро и др.), отвечают промежуточные значения энергии ионизации (762 кДж/моль для Ge, 833 кДж/моль для Sb), а благородным газам - наивысшие значения (2080 кДж/моль для Nе, 2372 кДж/моль для Не). В пределах группы Периодической системы значения энергии ионизации атомов уменьшаются с возрастанием порядкового номера элемента, т. е. при увеличении размеров атомов. Электроположительные и электроотрицательные элементы. В соответствии со склонностью атомов элементов образовывать положительные и отрицательные одноатомные ионы, различают электроположительные и электроотрицательные элементы.
Атомы электроотрицательных элементов обладают высоким сродством к электрону. Атомы таких элементов очень прочно удерживают собственные электроны и имеют тенденцию принимать дополнительные электроны в химических реакциях. Атомы электроположительных элементов обладают низким сродством к электрону. Атомы таких элементов слабо удерживают собственные электроны и имеют тенденцию терять эти электроны в химических реакциях.
Самыми электроположительными элементами являются типичные металлы (элементы 1А группы), а самыми электроотрицательными элементами - типичные неметаллы (элементы VПА группы).
Электроположительный характер элементов увеличивается при переходе сверху вниз в пределах главных групп я уменьшается при переходе слева направо в пределах периодов. Электроотрицательный характер элементов уменьшается при переходе сверху вниз в пределах главных групп и увеличивается при переходе слева направо в пределах периодов.
БИЛЕТ 5
Неметаллы: положение этих химических элементов в периодической системе, строение их атомов (на примере атомов хлора, кислорода, азота). Отличие физических свойств неметаллов от свойств металлов. Реакции неметаллов с простыми веществами: металлами, водородом, кислородом.
Неметалличность определяется способностью атомов принимать электроны. Чем меньше надо принять электронов до восьми и чем легче их удержать, тем ярче выражены неметаллические свойства атомов.
ТАБЛИЦА 1.
| H) | НЕМЕТАЛЛЫ | He) |
||||
| B)) | C)) | N)) | O)) | F)) | Ne)) |
|
Al | Si))) | P))) | S))) | Cl))) | Ar))) |
|
Ge | As)))) | Se)))) | Br)))) | Kr)))) |
||
Sb | Te))))) | I))))) | Xe))))) |
|||
Po | Rn)))))) |
|||||
Элементы-неметаллы имеют на последнем слое от 4 до 8 электронов (бор – 3 электрона). В периодической системе элементы-неметаллы расположены в правом верхнем углу выше диагонали алюминий-германий-сурьма-полоний. В периоде с возрастанием заряда ядра атома неметаллические свойства усиливаются, т. к. увеличивается число электронов на последнем слое. В подгруппе с возрастанием заряда ядра неметаллические свойства ослабевают, т. к. увеличивается радиус атома и удерживать электроны становится труднее. Наиболее активным неметаллом является фтор.
Химическая связь в простых веществах неметаллах ковалентная неполярная. Кристаллическая решётка может быть молекулярная или атомная. Она определяет физические свойства неметаллов. Они могут быть газообразными, жидкими, твёрдыми, тогда как металлы – все твёрдые вещества (кроме ртути).
Рисунок 1. Неметаллы
Газообразные Твёрдые
H 2 , O 2 , N 2 , Жидкие S 8 , P 4 , I 2 ,
Cl 2 , F 2 . Br 2 C n .
Неметаллы имеют разнообразную окраску: фосфор – красную, сера жёлтую, сажа чёрную, бром красно-коричневую; или бесцветны: азот, кислород, водород. Металлы различаются по тону от светло- до тёмно-серого (искл. – золото, медь). Неметаллы не обладают такими свойствами, как ковкость, пластичность, не проводят электрический ток и тепло, не имеют металлического блеска. Причиной различия физических свойств неметаллов и металлов является их различное строение. Все металлы имеют кристаллическую решётку, а наличие «электронного газа» обусловливает их общие свойства: ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, цвет и блеск.
При химических взаимодействиях неметаллы проявляют свойства как окислителей, так и восстановителей. Большинство неметаллов реагируют с кислородом с образованием оксидов (1); О 2 – окислитель 2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q S + O 2 = SO 2 + Q C + O 2 = CO 2 + Q
4P + 5O 2 = 2P 2 O 5 + Q N 2 + O 2 = 2 NO – Q
Водород, сера, уголь, фосфор горят в кислороде, азот взаимодействует с кислородом при электрическом разряде.
При различных условиях неметаллы реагируют с водородом с образованием летучих водородных соединений (2); Н 2 – восстановитель H 2 + S == H 2 S (при t 0 до 300 0) 3H 2 + N 2 == 2NH 3 (P, t 0 , kat) H 2 + Cl 2 == 2HCl (свет)
При взаимодействии с металлами неметаллы всегда являются окислителями (3).
При горении магния в кислороде образуется оксид магния: 2Mg + O 2 == 2MgO; при взаимодействии железа с серой образуется сульфид железа(II) Fe + S == FeS
Ca + Cl 2 == CaCl 2 - хлорид кальция 2Li + H 2 == 2LiH - гидрид лития.
Часть I
1. Положение неметаллов (НМ) в Периодической системе.
По диагонали B-At и над ней в 6 группах располагаются неметаллы. Всего из 114 элементов к НМ относят 22.
2. Особенности строения атомов НМ:
1) небольшой радиус атома
2) число электронов на внешнем уровне 4-8.
3. НМ обладают свойством аллотропии – явление существования одного хим. элемента в виде 2 или нескольких простых веществ.
4. Заполните таблицу «Причины аллотропии».
5. НМ – простые вещества и свободные атомы, проявляют и окислительные, и восстановительные свойства.
Заполните таблицу «Химические свойства неметаллов».
Запишите уравнения реакций, рассмотрите их в свете процессов окисления-восстановления.
6. Дополните таблицу «Состав воздуха».
Часть II
1. Запишите, в каком порядке «выкипают» из жидкого воздуха его основные составные части.
1) азот N2 (tк)=-196 ⁰С
2) аргон Ar (tк)=-186 ⁰С
3) кислород O2 (tк)=-183 ⁰С
2. Молярный объём воздуха имеет массу 29 г. Величина, показывающая, во сколько раз молярная масса любого газа тяжелее М воздуха, называется относительной плотностью этого газа по воздуху и обозначается Dвозд.
Найдите Dвозд для:
3. Какой объём каждого из трёх основных компонентов воздуха можно получить из 500 м3 воздуха?
4. Дополните схему «Роль воздуха в природе и жизни человека».
5. Соотнесите газ, собираемый способом вытеснения воздуха, с расположением сосуда.
6. Выберите явления, которые вызывает присутствие в воздухе его составных частей: 1) случайных; 2) переменных. Из букв, соответствующих правильным ответам, вы составите названия химических элементов – неметаллов:
1) азот; 2) сера.
а) смог – 1
б) парниковый эффект – 2
в) грипп – 1
г) озоновые дыры – 2
д) аллергия на цветение растений – 1
е) туман – 2
ж) кислотные дожди – 1
з) свежесть воздуха в сосновых лесах – 2
Все известные на сегодняшний день химические элементы имеют общий "дом" - периодическую систему. Однако располагаются они там не как придется, а в строгом порядке, определенной последовательности. Одним из главных критериев, по которым классифицируются все атомы, являются характеристики.
Неметаллов и представителей металлических элементов - это основа, на которой базируется не только их разделение в пределах таблицы, но и области применения человеком. Познакомимся ближе с неметаллами и их характеристикой.
Положение в периодической системе
Если рассмотреть систему химических элементов в целом, то можно определить место положения неметаллов так:
- Верхний правый угол.
- Выше условной граничной диагонали от бора до астата.
- Главные подгруппы с IV-VIII группу.
Очевидно, что количество их явно уступает таковому у металлов. По численному соотношению это будет примерно 25/85. Однако данный факт нисколько не уменьшает их значимости и важности. При этом физические свойства неметаллов гораздо более разнообразные, чем таковые у их "оппонентов".
Разновидности простых соединений неметаллов
Определяют несколько основных категорий, к которым относятся все известные рассматриваемые элементы. Физические свойства - неметаллов - позволяют разделить их на:
- твердые;
- газообразные;
- жидкие.
При этом есть и особая группа элементов - благородные газы. По своим характеристикам они не относятся ни к одной из обозначенных категорий.
Газообразные неметаллы
Таковых достаточно много. К ним относятся такие простые вещества, как:
- кислород;
- азот;
- галогены хлор и фтор;
- водород;
- белый фосфор;
- озон.
Однако такое возможно при условии стандартных параметров окружающей среды. Кристаллическая решетка этих представителей - молекулярная, тип химической связи в молекулах - ковалентная неполярная. Физические свойства группы схожи. Они обладают:
- сжимаемостью;
- способностью безграничного смешения между собой;
- расширяемостью;
- заполняют весь объем сосуда.
Среди приведенных веществ ядовитыми являются два - хлор и Очень опасные, удушающие соединения. При этом хлор - желто-зеленый газ, фосфор - белый, легко воспламеняющийся на воздухе.
Кислород и озон - хорошие окислители. Первый - постоянный компонент воздуха, необходимый для жизни большинства организмов. Второй образуется после грозы при действии электрических разрядов молнии на кислород воздуха. Имеет приятный запах свежести.
Жидкие неметаллы
Физические свойства неметаллов этой группы можно описать, дав характеристику всего лишь одному веществу - брому. Поскольку только он является жидкостью при обычных условиях среди всех представителей рассматриваемой группы элементов.
Это темно-бурая жидкость, достаточно тяжелая, которая является сильнейшим ядом. Даже пары брома способны вызывать сложные, не заживающие долгое время язвы на руках. Запах его очень неприятный, за что элемент и получил свое название (в переводе bromos - зловонный).
По своим химическим характеристикам бром является окислителем для металлов и восстановителем для более сильных неметаллов, чем он сам.
Несмотря на такие особенности, ионы брома обязательно должны присутствовать в организме человека. Без него возникают заболевания, связанные с гормональными нарушениями.
Твердые представители
К простым веществам этой категории относится большинство неметаллов. Это:
- все углерода;
- красный и черный фосфор;
- сера;
- кремний;
- мышьяк;
- одна из модификаций олова.
Все они имеют достаточно твердые, но хрупкие вещества. Черный фосфор - жирное на ощупь сухое соединение. Красный же - пастообразная масса.
Самым твердым из всех обозначенных веществ является алмаз - разновидность углерода. Физические и химические свойства неметаллов данной группы очень разные, так как в таблице располагаются некоторые из них далеко друг от друга. Значит, степени окисления, проявляемая химическая активность, характер соединений - все эти показатели будут варьироваться.
Интересным неметаллом в твердом состоянии является йод. Его кристаллы блестят на срезе, проявляя тем самым схожесть с металлами. Это не удивительно, ведь он располагается практически на границе с ними. Также есть у этого вещества особое свойство - сублимация. При нагревании йод переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Пары его имеют ярко-фиолетовую насыщенную окраску.
Физические свойства неметаллов: таблица
Чтобы проще обозначить, что собой представляют неметаллы, лучше выстроить обобщающую таблицу. Она покажет, в чем заключаются общие физические свойства неметаллов, а в чем проявляются их различия.
| Физическое свойство | Пример неметалла |
| при обычных условиях | Характерны все три: твердое (сера, углерод, кремний и прочие), газообразное (например, галогены), жидкое (бром) |
| Электро- и теплопроводность | Не характерна ни для чего, кроме углерода и черного фосфора |
| Окраска простого вещества | Очень разнообразная. Пример: бром - красный, сера - желтая, кристаллы йода - темно-фиолетовые, углерод в виде графита - темно-серый, хлор - желто-зеленый и так далее |
| Металлический блеск | Характерен только для кристаллического йода |
| Ковкость и пластичность | Полностью отсутствует. Все твердые вещества - хрупкие, кроме алмаза и некоторых форм кремния |
Очевидно, что в физических свойствах неметаллов больше преобладают различия, нежели сходства. Если для металлов можно выделить несколько характеристик, под которые будет подпадать каждый из них, то для рассмотренных нами элементов такое невозможно.
В периодической системе более 3/4 мест занимают : они находятся в I, II, III группах, в побочных подгруппах всех групп. Кроме того, металлами являются наиболее тяжелые элементы IV, V, VI и VII групп. Надо отметить, однако, что многие обладают амфотер-ными свойствами и иногда могут вести себя как неметаллы.
Особенностью строения атомов металлов является небольшое количество электронов на внешнем электронном слое, не превышающее трех.
Атомы металлов имеют, как правило, большие атомные радиусы. В периодах наибольшие атомные радиусы у щелочных металлов. Отсюда их наиболее высокая химическая активность, т. е. атомы металлов легко отдают электроны, - являются хорошими восстановителями. Лучшие восстановители - I и II групп главных подгрупп.
В соединениях металлы проявляют всегда положительную степень окисления, обычно от +1 до +4.
Рис 70. Схема образования металлической связи в куске металла,
В соединениях с неметаллами типичные металлы образуют химическую связь ионного характера. В виде простого атомы металлов связаны между собой так называемой металлической связью.
Запишите в тетрадь этот термин.
Металлическая связь - особый вид связи, присущий исключительно металлам. Сущность ее в том, что от атомов металлов постоянно отрываются электроны, которые перемещаются по всей массе куска металла (рис. 70). Атомы металла, лишенные электронов, превращаются в положительные ионы, которые стремятся снова притянуть к себе свободно движущиеся электроны. Одновременно другие атомы металла отдают электроны. Таким образом, внутри куска металла постоянно циркулирует так называемый электронный газ, который прочно связывает между собой все атомы металла. Электроны оказываются как бы обобществленными одновременно всеми атомами металла. Такой особый тип химической связи между атомами металлов обусловливает как физические, так и химические свойства металлов.
■ 1.Чем объяснить малую электроотрицательность металлов?
2. Как возникает металлическая связь?
3. В чем отличие металлической связи от ковалентной?
Рис. 71. Сравнение температур плавления разных металлов
Металлы обладают рядом сходных физических свойств, отличающих их от неметаллов. Чем больше валентных электронов имеет металл, тем прочнее металлическая связь, тем прочнее кристаллическая решетка, тем прочнее и тверже металл, тем выше его температура плавления и кипения и т. д. Ниже рассматриваются особенности физических свойств металлов.
Все они обладают более или менее ярко выраженным блеском, который принято называть металлическим. Металлический блеск характерен для куска металла в целом. В порошке металлы темного цвета, за исключением магния и алюминия, которые сохраняют серебристо-белый цвет, в связи с чем алюминиевая пыль используется для изготовления краски «под серебро». Многие неметаллы обладают жирным или стеклянным блеском.
Цвет металлов довольно однообразен: он либо серебристо-белый ( , ), либо серебристо-серый ( , ). Только желтого цвета, а - красного. Неметаллы имеют весьма разнообразную окраску: - лимонно-желтая, - красно-бурый, - красный или белый, - черный.
Таким образом, по цвету металлы условно делят на черные и цветные. К черным металлам относятся и его . Все остальные металлы называются цветными.
При обычных условиях металлы представляют собой твердые с кристаллической структурой. Среди неметаллов встречаются как твердые ( , ), так и жидкие () и газообразные ( , ) .
Все металлы, за исключением ртути, - твердые вещества, поэтому температура плавления их выше нуля, только температура плавления ртути -39°. Наиболее тугоплавким металлом является , температура плавления которого 3370°. Температура плавления остальных металлов лежит в этих пределах (рис. 71).
Температуры плавления неметаллов значительно ниже, чем металлов, например кислорода -219°, водорода -259,4°, фтора -218°, хлора -101°, брома -5,7°.
Рис. 72. Сравнение твердости металлов с твёрдостью алмаза.
Металлы обладают различной твердостью, которую сопоставляют с твердостью алмаза. Показатель твердости металла определяют специальным прибором - твердомером. При этом в массу металла вдавливают стальной шарик или, в случае большей твердости металла, алмазный конус. По силе давления и глубине образовавшейся лунки определяют твердость металла.
Наиболее твердым металлом является . Мягкие металлы - , - легко режутся ножом. Твердость отдельных металлов по общепринятой десятибалльной шкале,твердости представлена на рис. 72.
Металлы в большей или меньшей степени обладают пластичностью (ковкостью). У неметаллов это свойство отсутствует. Наиболее ковким металлом является . Из него можно выковать золотую фольгу толщиной 0,0001 мм - в 500 раз тоньше человеческого волоса. В же время весьма хрупка; ее можно даже растереть в ступке в порошок.
Пластичностью называют способность к сильной деформации без нарушения механической прочности. Пластичность металлов используется при их прокатке, когда огромные раскаленные металлические болванки пропускают между обжимными валами, приготовляя из них листы, при волочении, когда из них вытягивают проволоку, при прессовании, штамповке, когда под действием
Рис. 73. Сравнение металлов по плотности.
давления нагретому металлу придают определенную форму, которую он сохраняет при охлаждении. Пластичность зависит от структуры кристаллической решетки металлов.
Все металлы нерастворимы в воде, но зато растворимы друг в друге в расплавах. Твердый раствор одного металла в другом называется сплавом.
По плотности металлы разделяются на тяжелые и легкие. Тяжелыми считают те, плотность которых больше 3 г/см3 (рис. 73). Самым тяжелым металлом является . Наиболее легкие металлы - , .- имеют плотность даже меньше единицы. Большое применение в промышленности получили легкие металлы - и .
Металлы характеризуются высокой электро- и теплопроводностью (рис. 74), тогда как неметаллы обладают этими свойствами в слабой степени. Наибольшей электро-и теплопроводностью обладает , на втором месте стоит . Довольно высоки эти свойства у алюминия.
Рис. 74. Сравнение электропроводности и теплопроводности разных металлов
Следует отметить, что металлы с высокой электропроводностью имеют и высокую теплопроводность.
Металлы проявляют магнитные свойства. Если при соприкосновении с магнитом металл притягивается к нему и после этого сам становится магнитом, мы говорим, что металл намагничивается. Хорошо намагничиваются , и их . Такие металлы и называют ферромагнитными. Неметаллы магнитными свойствами не обладают.
■ 4. Составьте и заполните следующую таблицу:
Химические свойства металлов. Коррозия
Химические и физические свойства металлов определяются атомной структурой и особенностями металлической связи. Все металлы отличаются способностью легко отдавать валентные электроны. В связи с этим они проявляют ярко выраженные восстановительные свойства. Степень восстановительной активности металлов отражает электрохимический ряд напряжений (см. приложение III, п. 6).
Зная положение металла в этом ряду, можно сделать вывод о сравнительной величине энергии, затрачиваемой на отрыв от атома валентных электронов. Чем ближе к началу ряда, тем легче окисляется металл. Наиболее активные металлы вытесняют из воды при обычных условиях с образованием щелочи:
2Na + 2Н2О = 2NaOH + H2
Менее активные металлы вытесняют из воды в виде перегретого пара и образуют
2Fe + 4Н2О = Fe3О4 + 4H2
реагируют с разбавленными и бескислородными кислотами, вытесняя из них водород:
Zn + 2НСl = ZnCl2 + H2
Металлы, стоящие после водорода, не могут вытеснять его из воды и из кислот, а вступают с кислотами в окислительно-восстановительные реакции без вытеснения водорода:
Сu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + Н2O
Все предшествующие металлы вытесняют последующие из их солей:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Сu
Fe0 + Сu2+ = Fe2+ + Сu0
Во всех случаях вступающие в реакции металлы окисляются. Окисление металлов наблюдается и при непосредственном взаимодействии металлов с неметаллами:
2Na + S = Na2S
2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3
Большинство металлов активно реагируют с кислородом, образуя разного состава (см. стр. 38).
■ 5. Как можно охарактеризовать восстановительную активность металла, пользуясь рядом напряжений?
6. Приведите примеры металлов, реагирующих с водой по типу натрия, железа. Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.
7. Сравните взаимодействие с водой активных металлов и активных неметаллов.
8. Перечислите химические свойства металлов, подтверждая свой ответ уравнениями реакций.
9. С какими из перечисленных ниже веществ будет реагировать железо: а) , б) гашеная известь, в) карбонат меди, г) , д) сульфат цинка, е) ?
10. Какой газ и в каком объеме может быть получен при действии на 5 кг смеси меди и окиси меди концентрированной азотной кислотой, если окиси меди в смеси 20%?
Окисление металлов часто приводит к их разрушению. Разрушение металлов под действием окружающей среды называется коррозией.
Запишите в тетрадь определение коррозии.
Происходит под влиянием кислорода, влаги и углекислоты, а также окислов азота и пр. Коррозия, вызванная непосредственным взаимодействием металла с веществом окружающей его среды, называется химической, или газовой, коррозией. Например, на химических производствах металл иногда контактирует с кислородом, хлором, окислами азота и т. д., в результате чего образуются соли и металла:
2Сu + О2 = 2СuО
Кроме газовой, или химической, коррозии, существует еще электрохимическая коррозия, которая встречается гораздо чаще. Для того чтобы понять схему электрохимической коррозии, рассмотрим гальваническую пару - .
Возьмем цинковую и медную пластинки (рис. 75) и опустим их в раствор серной кислоты, которая, как нам известно, содержится в растворе в виде ионов:
H2SO4 = 2Н+ + SO 2 4 —
Соединив цинковую и медную пластинки через гальванометр, мы обнаружим наличие в цепи электрического тока. Это объясняется тем, что атомы цинка, отдавая электроны, в виде ионов переходят в раствор:
Zn 0 - 2е
— → Zn +2
Электроны через проводник переходят на медь, а с меди - на ионы водорода:
Н + + е
— → Н 0
Водород в виде нейтральных атомов выделяется на медной пластинке, а постепенно растворяется. Таким образом, медь, как бы оттягивая электроны с цинка, заставляет последний быстрее растворяться, т. е. способствует окислению. В же время совершенно чистый может некоторое время находиться в кислоте, совершенно не подвергаясь ее действию.
Рис. 75. Схема образования гальванической пары при электрохимической коррозии. 1 - цинк; 2 - медь; 3 - пузырьки водорода на медном электроде; 4 - гальванометр
По такой же схеме происходит коррозия такого металла, как железо, только электролитом на воздухе является , а примеси к железу играют роль второго электрода гальванической пары. Эти пары микроскопические, поэтому разрушение металла идет гораздо медленнее. Разрушению обычно подвергается более активный металл. Таким образом, электрохимическая коррозия - это окисление металла, сопровождающееся возникновением гальванических пар. причиняет большой ущерб народному хозяйству.
12. Дайте определение коррозии.
11. Можно ли считать коррозией то, что на воздухе быстро окисляется, взаимодействие цинка с соляной кислотой, взаимодействие алюминия с окисью железа при термитной сварке, получение водорода при взаимодействии железа с перегретым водяным паром.
13. Какая разница между химической и электрохимической коррозией?
Для борьбы с коррозией существует много способов. Металлы (в частности, железо) покрывают масляной краской, образующей на поверхности металла плотную пленку, не пропускающую и пары воды. Можно покрывать металлы, например медную проволоку, лаком, который одновременно защищает металл от коррозии и служит изолятором.
Воронение - это процесс, при котором железо подвергают действию сильных окислителей, в результате чего металл покрывается не проницаемой для газов пленкой окислов, предохраняющей его от воздействия внешней среды. Чаще всего это бывает магнитная окись Fe304, которая глубоко внедряется в слой металла и защищает его от окисления лучше всякой краски. Уральское кровельное железо, подвергнутое воронению, продержалось на кровле без ржавления более 100 лет. Чем лучше отполирован металл, тем плотнее и прочнее образованная на его поверхности пленка окислов.
Эмалирование - очень хороший вид защиты от коррозии различной посуды. Эмаль не поддается не только действию кислорода и воды, но даже сильных кислот и щелочей. К сожалению, эмаль весьма хрупка и при ударе и быстрой смене температур довольно легко трескается.
Очень интересными способами защиты металлов от коррозии являются , а также никелирование и лужение.
- это покрытие металла слоем цинка (так защищают главным образом железо). При таком покрытии в случае нарушения поверхностной пленки цинка коррозии подвергается сначала цинк как более активный металл, но цинк хорошо сопротивляется коррозии, так как его поверхность покрыта не проницаемой для воды и кислорода защитной пленкой окиси.
При никелировании (покрытии никелем) и лужении (покрытии оловом) ржавление железа не происходит до тех пор, пока не нарушен слой покрывающего его металла. Как только он нарушается, начинается коррозия железа как наиболее активного металла. Но - металл, сравнительно мало подвергающийся коррозии, поэтому его пленка держится на поверхности очень долго. Лудят чаще всего медные предметы, и тогда гальваническая пара медь - всегда приводит к коррозии олова, а не меди, которая менее активна как металл. При лужении железа получают «белую жесть» для консервной промышленности.
Для защита oт коррозии можно воздействовать не только на металл, но и на среду, которая его окружает. Если к соляной кислоте примешать некоторое количество хромата натрия, то реакция соляной кислоты с железом настолько замедлится, что практически кислоту можно перевозить в железных цистернах, тогда, как обычно это невозможно. Вещества, замедляющие коррозию, а иногда и практически полностью останавливающие ее, называются ингибиторами - замедлителями (от латинского слова inhibere - тормозить).
Характер действия ингибиторов различен. Они либо создают на поверхности металлов защитную пленку, либо уменьшают агрессивность среды. К первому типу относятся, например, NaNО2, замедляющий коррозию стали в воде и растворах солей, замедляющие коррозию алюминия в серной кислоте, ко второму - органическое соединение CO(NH2)2 - мочевина, которая очень замедляет растворение в азотной кислоте меди и других металлов. Ингибиторными свойствами обладают животные белки, некоторые высушенные растения - чистотел, лютик и т. д.
Иногда, чтобы усилить устойчивость металла к коррозии, а также придать ему некоторые более ценные свойства, из него изготовляют сплавы с другими металлами.
■ 14. Запишите в тетрадь перечисленные способы защиты металла от коррозии.
15. Чем определяется выбор способа защиты металла от коррозии?
16. Что такое ингибитор? Чем ингибитор отличается от катализатора?
Способы выплавки металлов из руд
Металлы в природе могут встречаться в самородном состоянии. Это в основном , например . Его извлекают путем механической отмывки от окружающих пород. Однако подавляющее большинство металлов встречается в природе в виде соединений. Вместе с тем не всякий природный минерал годится для получения содержащегося в нем металла. Следовательно, не всякий минерал можно назвать металлической рудой.
Горная порода или минерал, содержащие тот или иной металл в количестве, которое делает экономически выгодным его промышленное получение, называются рудами данного металла.
Запишите определение руд.
Из руд металлы получаются различными способами.
1. Если руда представляет собой окисел, то ее восстанавливают каким-либо восстановителем - чаще всего углеродом или окисью углерода СО, реже - водородом, например:
FesO4 + 4СО = 3Fe + 4CO2
2. Если руда представляет собой сернистое соединение, то ее сначала обжигают:
2PbS + 3О2 = 2РbO + 2SO2
затем полученный окисел восстанавливают углем:
РbО + С = РbО + CO
Из хлоридов металлы выделяют электролизом из расплавов. Например, при плавлении поваренной соли NaCl происходит термическая диссоциация вещества.
NaCl ⇄ Na + + Cl —
При пропускании постоянного электрического тока через этот расплав идут следующие процессы:
а) на катоде:
Na + + е
— → Na 0
б) на аноде
Сl — - е
— → Сl 0
Этим способом можно получить металлы и из других солей.
4. Иногда металлы можно восстановить из окислов путем вытеснения при высокой температуре другим, более активным металлом. Этот способ получил особенно широкое распространение при восстановлении металлов алюминием и потому сначала был назван алюминотермией:
2Аl + Fe2O3 = Аl2O3 + 2Fe.
Подробнее алюминотермия будет рассмотрена ниже.
Во многих случаях руда может оказаться смешанной с большим количеством пустой породы, для удаления которой, т. е. для «обогащения» руды, существуют различные методы, в частности метод пенной флотации. Для этой цели применяются минеральные масла, обладающие свойством избирательной адсорбции. Это значит, что частицы руды они поглощают, а пустую породу нет. В огромные чаны с водой помещают измельченную вместе с пустой породой руду и минеральное масло. После этого воду сильно вспенивают воздухом. Масло окружает пузырьки воздуха, образуя на них пленку. Получается устойчивая пена. Частицы, руды адсорбируются и вместе с пузырьками воздуха поднимаются наверх. Пена вместе с рудой сливается, а пустая порода остается на дне чана. В дальнейшем руду легко освобождают от масла, которое снова используется для флотации.
■ 17. Что такое пенная ?
18. Какими свойствами должен обладать металл, чтобы находиться в природе в самородном состоянии?
19. Можно ли назвать рудой любой минерал или горную породу, содержащую в своем составе тот или иной металл?
20. Перечислите, какие виды металлических руд вам известны.
21. Цинк встречается в природе в виде минерала цинковой обманки, содержащей сульфид цинка. Предложите способ получения цинка из цинковой обманки.
22. Из 2 т магнитного железняка, содержащего 80% магнитной окиси железа Fe3O4 получено 1,008 т железа. Рассчитайте практический выход железа.
23. Какие металлы могут быть получены электролизом растворов солей?
24. Из железа, полученного при восстановлении 5 т магнитного железняка, содержащего 13% примесей, приготовили сплав, содержащий 4% углерода. Сколько сплава при этом удалось получить?
25. Какое количество цинка и серной кислоты можно получить из 242,5 т цинковой обманки ZnS, содержащей 20% пустой породы?
31
Обоснование периодической системы элементов Поскольку электроны в атоме располагаются на различных энергетических уровнях и образуют квантовые слои, логично предположить, что...
ПЕРВАЯ ГРУППА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Элементы первой группы периодической системы характеризуются прежде всего одинаковым строением внешнего электронного слоя атомов, в котором...
