Раздел 14. Общие свойства металлов

Металлы – самая представительная группа элементов: 87 из 110 элементов – металлы. Это s-элементы I и II групп периодической системы, р-элементы III группы (кроме бора), все d-элементы и все f-элементы. Если провести в таблице Д. И. Менделеева диагональ от Be к At , то слева от нее окажутся металлы, а справа – неметаллы (исключая элементы побочных подгрупп – переходные металлы). Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают двойственной природой (это Al, Be и др.). Общность свойств металлов объясняется сходством строения их атомов:

1. Как правило, атомы металлов имеют небольшое число электронов на внешнем уровне электронной оболочки.

2. Практически для всех металлов характерна слабая связь валентных электронов с ядрами атомов, что подтверждается низкими значениями энергии ионизации.

Эти особенности строения обусловливают металлическую связь. Дело в том, что на внешнем электронном уровне атомов металлов сравнительно мало электронов при довольно большом числе свободных орбиталей валентного уровня. Например, на один электрон валентного слоя Li (1s²2s¹) приходится три совершенно свободных р-орбиталей. На единственный валентный электрон атома Na приходится восемь свободных энергетически близких орбиталей (три 3р- и пять 3d-орбиталей и не заполненная полностью 3s-орбиталь.

Из-за небольшой энергии ионизации валентные электроны слабо удерживаются ядром. В результате при образовании кристаллической решетки (все металлы, за исключением Hg) валентные орбитали соседних атомов перекрываются и электроны свободно перемещаются с одной орбитали на другую в пределах всей кристаллической решетки. Тем самым осуществляется связь между всеми атомами кристалла. Такой тип химической связи называется металлической связью.

Сама кристаллическая решетка металлов представляет собой локализованные положительные ионы, окруженные свободно перемещающимся по всему в целом электронейтральному куску металла обобществленными электронами.

Следует отметить, что металлическая связь характерна для металлов только в жидком и твердом состояниях.

В газообразном состоянии металл существует в виде пара, состоящего из отдельных молекул (одно- и двухатомных), связь в молекулах – ковалентная.

Наличие металлической связи объясняет многие свойства металлов: их высокую электропроводность, теплопроводность, пластичность, т. е. возможные смещения ионов и атомов без нарушения связи. Отличает металлическую связь от ковалентной отсутствие направленности связи и меньшая прочность. Энергия металлической связи в 3–4 раза меньше энергии ковалентной связи.

Мерой энергии связи в металлах является величина энергии атомизации металла. Энергия атомизации (Е_атом) – это та энергия, которую необходимо затратить для распада 1 моля вещества на свободные атомы: Ме_(тв) ® Ме_(г).

Температура плавления – мера прочности связи в кристаллической решетке металла. Например, Т_пл.Hg = -61,2 °С; Е_атом.Hg = 61,1 кДж/моль; Т_пл.W = 3420 °С; Е_атом.W = 836 кДж/моль.

Получение металлов

В свободном состоянии в природе встречаются только металлы с низкой химической активностью: золото – Au, серебро – Ag, платина – Pt, ртуть – Hg, медь – Cu. Остальные металлы находятся в природе в виде соединений.

Получение свободных металлов сводится к процессу их восстановления: Me⁺ⁿ + n e ® Me⁰.

Восстановление металлов из руды осуществляют химическим или электрохимическим путем. В качестве восстановителей используют H₂, C, CO, CH₄, Si и активные металлы. Металлы получают пирометаллургическим, гидрометаллургическим и электрометаллургическим методом.

1. Пирометаллургический способ. Вначале металл в руде переводят в оксиды (обжиг):

2ZnS + 3O₂ 2ZnO + ­2SO₂

2MoS₂ + 7O₂ 2MoO₃ + ­4SO₂

затем восстанавливают:

ZnO + CO ® Zn + ­CO₂

MoO₃ + 3H₂ ® Mo + 3H₂O

В качестве восстановителей используют активные металлы:

магниотермия: TiCl₄ + 2Mg Ti + 2MgCl₂

натриотермия: TiCl₄ + 4Na Ti + 4NaCl

алюмотермия: Fe₂O₃ + 2Al ® 2Fe + Al₂O₃

2. Гидрометаллургический способ.

Этот способ включает две стадии: входящий в руду металл переводят в растворимую соль, затем металл извлекают химическим или электрохимическим путем. Например,

CuO + H₂SO_4(разб) ® CuSO₄ + H₂O

CuSO₄ + Fe ® Cu + FeSO₄

3. Электрометаллургический способ. Электролиз расплавов оксидов или солей металлов – одна из основных стадий данного способа.