Тема 12 ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ

Приклад 1. Чим відрізняються кристалічні гратки металів від: а) йонних; б) атомних?

Відповідь:

Кристалічні гратки металів утворюються тільки позитивними йонами. Йонні – як позитивними, так і негативно зарядженими йонами. Тип зв’язку в кристалічних гратках металів – металічний, а в атомних – ковалентний.

Будова кристалічних граток металів обумовлюється їх фізичними і хімічними властивостями. Завдяки рухливим електронам метали мають високу тепло- і електропровідність. Поскільки метали легко віддають зовнішні електрони, тому вони є сильними відновниками.

Питання 2. Які загальні фізичні властивості металів? Поясніть ці властивості, ґрунтуючись на уявленнях про металічний зв’язок.

Відповідь:

Фізичні властивості металів: металічний блиск, висока тепло- і електропровідність, ковкість і пластичність. Провідність тепла і електрики пояснюється рухом вільних електронів в кристалічній гратці металів. Ковкість і пластичність металів пояснюється рухом окремих шарів йонів один відносно іншого. Густина металів, температури їх плавлення і кипіння відрізняються і залежать від міцності металічного зв’язку.

Питання 3. Чому деякі метали пластичні (наприклад, мідь), а інші – крихкі (наприклад, стибій)?

Відповідь:

Атоми крихких металів мають число вільних електронів від п’яти до семи. Ці електрони забезпечують міцну взаємодію між окремими шарами йонів і запобігають їх ковзанню один відносно іншого. Взаємодія між йонними шарами у пластичних металів мала, оскільки число вільних електронів між шарами менше, ніж у крихких металів.

Приклад 4. На основі вчення про будову атомів поясність, чим метали за хімічними властивостями відрізняються від неметалів.

Відповідь:

Основна відмінність металів від неметалів та, що атоми металів легко віддають свої валентні електрони, тобто є сильними відновниками. Метали окиснюються окисниками: киснем, воднем, галогенами, сіркою, гідроген-іонами та йонами інших металів.

Приклад 5.Чому метали взаємодіють з неметалами? Напишіть рівняння реакцій, вкажіть які продукти реакцій утворюються.

Відповідь:

Хімічні властивості металів визначаються здатністю їх атомів легко віддавати валентні електрони і перетворюватись на позитивні йони внаслідок низьких значень електронегативностей, які обумовлені невеликими енергіями йонізації та спорідненістю до електрона (часто від’ємною). Приклади взаємодії металів з неметалами:

Реагент (неметал)	Рівняння реакцій	Продукти реакцій
Кисень	2Ca + O2 → 2CaO 4Fe + 3O2 →2 Fe2O3 2Na + O2 → Na2O2	оксид або пероксид

(з киснем реагують усі метали, крім золота, срібла, платинових металів).

Сірка

Fe + S → FeS

сульфід

(з сіркою реагують усі метали, крім золота та платини).

Хлор

2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 2Au + 3Cl2 → 2AuCl3

хлорид

(реагують - всі).

Азот

6Na + N2 → 2Na3N

нітрид

(реагують тільки лужні, магній та лужноземельні).

Фосфор

3Mg + 2P → Ca3P2 3Na + P → Na3P

фосфід

(реагують майже всі)

Вуглець

4Al + 3C → Al4C3 3Fe + C → Fe3C

карбід

(реагують майже всі)

Кремній

2Ca + Si → Ca2Si

силіцид

(реагують майже всі)

Водень

2La + 3H2 → 2LaH3

гідрид

(реагують майже всі).

Приклад 6.Як взаємодіють метали з водою? Напишіть рівняння відповідних реакцій.

Відповідь:

По відношенню до води та водних розчинів метали діляться на активні, пасивуючі та інертні. Всі метали, які знаходяться в ряду активності до водню повинні витісняти його з води. В дійсності - витісняють тільки активні метали, решта не витісняють, тому що:

1. Метали покриваються оксидною плівкою, яка захищає їх від розчинення.

2. Ряд активності справджується для 1 моль∙екв./лрозчинів, а концентрація йонів H⁺ у воді тільки 10^-7 моль/л, надзвичайно мала.

З водою при звичайній температурі взаємодіють лужні та лужноземельні метали і талій. При цьому утворюються відповідні гідроксиди і виділяється водень. Наприклад:

2Tl + 2H₂O = 2TlOH + H₂

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

При нагріванні з водою взаємодіють також магній та берилій:

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂

Be + 2H₂O = Вe(ОН)₂ + H₂

Метали підгрупи скандію і лантаноїди теж реагують з водою, хоча іповільно:

2Sc + 6H₂O = 2Sc(OH)₃ + ЗH₂↑

При взаємодії калію з водою загоряється водень, реакція Rb і Cs супроводжується вибухом.

Алюміній, галій, індій, германій, олово, свинець, стибій і бісмут при високих температурах взаємодіють з водяною парою, при цьому виділяється водень і утворюються відповідні оксиди, в яких метали проявляють свої стійкі ступені окиснення.

Наприклад : Pb + H₂O = PbO + H₂

Деякі метали здатні взаємодіяти зводою не витісняючи з неї водню. Це пояснюється тим, що вони утворюють погано розчинні у воді гідроксиди, які осідають на поверхню металу і утворюють на ній захисні плівки. Наприклад, магній, який спочатку взаємодіє з водою, потім покривається нерозчинним гідроксидом:

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂↑

Якщо ж гідроксид нестійкий, то він на поверхні металу розпадається і утворює захисну плівку оксиду, наприклад, Al₂O₃, Сr₂О₃, на цинку у вигляді ZnO і т.д. Зменшення активності металу за рахунок утворення захисних плівок називається пасивацією. При видаленні захисної плівки метал реагує з водою.

З металів побічних підгруп, з водою, при нагріванні взаємодіють тільки елементи третьої побічної підгрупи. При цьому виділяється водень і утворюються практично нерозчинні у воді гідроксиди :

2La + 6H₂О = 2La(ОH)₃ + ЗН₂

Інші d-метали, за винятком найменш активних (технецію, ренію, металів родини платини, металів побічної підгрупи першої групи та ртуті), взаємодіють при високих температурах з водяною парою. При цьому виділяється водень і утворюються відповідні оксиди або гідроксиди:

2Cr + ЗН₂О = Сr₂О₃ +3H₂

Mn + 2H₂O = Mn(OH)₂ + Н₂

При нагріванні лантаноїди взаємодіють з водою, при цьому утворюються нерозчинні у воді гідроксиди :

2Lа + 6H₂O = 2Lа(OH)₃ + 3H₂,

де Ln - атом лантаноїду. Цей процес краще відбувається з металами церієвої групи. Уран і торій взаємодіють з водяною парою при температурі 200-300⁰C, при цьому водень, щоутворюється, реагує з металом, утворюючи гідрид:

U + 2H₂O = UO₂ + 2Н₂↑

2U + 3H₂ = 2UH₃

Приклад 7. Як взаємодіють метали з лугами ? Напишіть рівняння відповідних реакцій.

Відповідь:

3 лугами взаємодіють тільки ті метали, оксиди якихволодіють амфотерними властивостями. При дії лугу на цинк одержується сіль цинкової кислоти - цинкат з виділенням водню, яке пов’язується з взаємодією атомів металу з молекулами води

Zn + Н₂О = Zn(OH)₂ + Н₂

Роль лугу полягає в розчиненні захисної плівки

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + 2H₂O

Сумарно записують:

Zn + 2NaОН + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑

2Al + 2NaОН + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

або 2Al + 2NaОН + 2H₂O= 2NaAlO₂ + 3H₂↑

Берилій, алюміній, галій, індій, олово й свинець розчиняються у лугах, причому олово й свинець краще, при нагріванні, з утворенням відповідних гідроксосолей:

Be + 2KОН + 2H₂O = K₂[Be(OH)₄] + H₂↑

2Al + 2KОН + 6H₂O= 2K[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Pb + 2KОН + 2H₂O = K₂[Pb(OH)₄] + H₂↑

Sn + 2KОН + 4H₂O = K₂[Sn(OH)₆] + 2H₂↑

Всі інші елементів головних підгруп у лугах нерозчинні.

Деякі метали побічних підгруп добре розчинні у лугах, зокрема цинк. Титан, цирконій, а також ванадій, ніобій і тантал повільно взаємодіють при нагріванні з концентрованими розчинами лугів, окиснюючись до вищих ступенів окиснення і утворюючи солі відповідних кислот :

Ti + 2KOH + H₂O = K₂TiO₃ +2H₂

2V + 2KOH + 4H₂O = 2KVO₃ + 5H₂

Хром, вольфрам, реній і метали родини платини взаємодіють при високій температурі з розтопленими лугами в присутності окисників (кисню, калій нітрату KNO₃, калій перхлорату KClO₄ тощо):

W + 2KOH + 3KNO₃ = K₂WO₄ + KNO₂ + H₂O

З лугами за звичайних умовлантаноїди й актиноїди не взаємодіють.

Приклад 8. Як реагують метали з найбільш вживаними кислотами HCl, HNO₃, H₂SO₄?

Відповідь:

Майже всі метали окиснюються кислотами. Характер взаємодії з кислотою залежить від активності металу, його властивостей, а також від концентрації кислоти.

При взаємодії безоксигенової кислоти з металом, роль окислювача відіграє йон гідрогену Н⁺. Якщо ж з металом реагує оксигеновмісна кислота, то в ролі окислювача виступає Н⁺, або аніон кислотного залишку.

Хлоридна кислота HCl сильна кислота (α = 99%), вона містить 38% HCl у водному розчині (більше гідроген хлориду у воді не розчиняється).

Хлороводнева кислота – слабкий окисник за рахунок йонів Н⁺ , тому вона взаємодіє лише з металами, які стоять в ряду стандартних електродних потенціалів перед воднем, наприклад:

2 HCl + Mg → MgCl₂ + H₂↑

HCl + Cu ≠

Схема взаємодії сульфатної кислоти з металами:

З металами, що розміщені в ряду електрохімічних потенціалів зліва від гідрогену

Mg, Ca, K, Zn

Fe(t0), Cu, Sn, Hg

H2SO4

Приклади:

Під час взаємодії з активними металами (наприклад, із магнієм) в залежності від концентрації і температури паралельно відбуваються кілька реакцій з утворенням сполук сірки, в яких сірка має різні ступені окиснення (S⁺⁴O₂, S⁰,
H₂S^-2); однак переважають реакції з утворенням S⁰ і H₂S.

+ = + + 2H₂O

– 2e →		відновник
+ 2e →	окисник

8 8

3 + = 3 + + 4H₂O

– 2e →			відновник
+ 6e →		окисник

16 16

4 + = 4 + + 4H₂O

– 2e →			відновник
+ 8e →		окисник

20 20

Внаслідок взаємодії з малоактивними металами (наприклад, міддю) утворюються сіль та сульфур (ІV):оксид

Cu + 2H₂SO₄(к) → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

У випадку розведеної сульфатної кислоти метали реагують з нею аналогічно хлоридній кислоті, тобто виділяється водень:

Zn + H₂SO₄ (р) → ZnSO₄ + H₂↑

Нітратна кислота – сильний окисник. Внаслідок взаємодії з металами водень не виділяється, він окислюється з утворенням води.

Схема взаємодії нітратної кислоти з металами:

Приклади:

a) + 4 = + 2 + 2H₂O

– 2e →			відновник
+ e →		окисник

12 12

б) + 10Н _(к) = 4 + + 5H₂O

– 2e →			відновник
2 + 8e → 2		окисник

30 30

в) + 4H O_3(р) = 3 NO₃ + O + 2H₂O

–e →			відновник
+ 3e →		окисник

12 12

г) 4 + 10 H O_{3 (Р)} = 4 + + 3H₂O

– 2e →			відновник
+ 8e →		окисник

30 30

Не реагуєнітратна кислота з платиною (Pt), золотом (Au), радієм (Rh), талієм (Tl), іридієм (Ir), пасивує(при звичайній температурі): алюміній (Al), хром (Cr), залізо (Fe).

Приклад 9. Як можна встановити, що при горінні металічного натрію утворюється не оксид, а пероксид?

Відповідь:

Натрій пероксид, на відміну від оксиду, сильний окисник, він окислює йодиди в кислому середовищі до йоду.

.

Натрій оксид реагує не з , а із .

.

Приклад 10. Атоми яких елементів є більш сильними відновниками – лужні метали чи водень? Підвердіть відповідь рівняннями реакцій.

Відповідь:

Лужні метали – більш сильні відновники, ніж водень. Це підтверджується тим, що вони витісняють водень із води і кислот:

;

.

Приклад 11 Чому у фотоелементах використовують переважно цезій а не літій?

Відповідь:

Енергія йонізації атома цезію – найменша серед всіх лужних металів (за виключенням радіоактивного францію), тому при опроміненні цезію з його поверхні легко відриваються електрони, які використовуються у фотоелементах.

Приклад 12. Напишіть рівняння реакцій, які дозволяють здійснити наступні перетворення:

.

Відповідь:

1) натрій утворюються під час електролізу розплаву натрій хлориду

;

2) натрій реагує із воднем:

.

3) натрій гідрид повністю гідролізується:

.

4) при пропусканні надлишку сульфур (IV) оксиду через розчин натрій гідроксиду утворюється натрій гідросульфіт

.

Приклад 13. Напишіть рівняння реакцій:

.

Відповідь:

;

;

;

;

↑.

Приклад 14. У вашому розпорядженні натрій хлорид і вода. Які речовини можна отримати із цих речовин, використовуючи необхідні прилади?

Відповідь:

1) ;

2) .

3) .

4) .

5) .

6) .

7) .

8) .

9) .

10) .

11) .

Приклад 15. Напишіть рівняння реакцій взаємодії лужних металів з киснем

Відповідь:

Всі лужні метали легко окиснюються киснем повітря, причому літій утворює оксид:

;

натрій пероксид:

;

калій, рубідій та цезій – надпероксиди

.

Приклад 16. Металічний кальцій твердіший за літій, але м’якший від берилію. Як це можна пояснити, ґрунтуючись на вченні про будову кристалічних ґраток.

Відповідь:

Кальцій твердіший за літій, оскільки він має два електрони на зовнішньому рівні, а літій – один, і тому в утворенні металічного зв’язку в кальцію беруть участь більше число електронів, ніж у літію. Значить, металічний зв’язок в кальцію міцніший, ніж у літію, тому кальцій твердіший.

Атом берилію має менший радіус, ніж атом кальцію, тому в металічного берилію шари йонів міцніше зв’язані один з одним, ніж у металічного кальцію. Значить, берилій твердіший, ніж кальцій

Ці приклади свідчать про те, що твердість металу однозначно пов’язана з міцністю металічного зв’язку.