Получение металлов. оксиды и гидроксиды металлов

.

Подавляющее число химических элементов – это элементы, образующие простые вещества – металлы. В периодической системе химических элементов металлы располагаются во всех периодах (кроме 1-го), во всех группах и подгруппах химических элементов. Металлы относятся к s-, p-, d- и f-семействам химических элементов.

Атомы металлов характеризуются:

– малым числом электронов на внешнем уровне (1-3 электрона, редко 4);

– большим радиусом атома;

– большим числом свободных орбиталей;

– легкостью отдачи валентных электронов.

Атомы металлов в химических реакциях являются только восстановителями, приобретая в соединениях положительные степени окисления.

В периодах с возрастанием заряда ядра атома химических элементов металлические и восстановительные свойства атомов ослабевают. В главных подгруппах с возрастанием заряда ядра атомов металлические и восстановительные свойства атомов возрастают.

Металлы и их сплавы образуют металлические кристаллические решетки, в узлах которых расположены атомы и катионы металлов, взаимно превращающиеся друг в друга. Все пространство между узлами решеток занимает так называемый “электронный газ” – это валентные электроны, которые за счет перекрывания свободных орбиталей внешнего уровня атома металла могут свободно перемещаться по всему объему металла, не принадлежа определенному атому. Эти “свободные” электроны удерживают катионы металлов в узлах решетки, а также определяют основные физические свойства металлов.

Физические свойства металлов:

– ковкость и пластичность (наличие “свободных” электронов, удерживающих катионы металлов в узлах решетки, не позволяет разрушить эти решетки, при ударе происходит только смещение слоев кристаллической решетки, а не ее разрушение);

–электро- и теплопроводность (“свободные” электроны являются переносчиками тепловой энергии и электрического заряда);

–непрозрачность и металлический блеск (луч света не может пройти сквозь кристалл металла, так как отражается от электронов, которые имеют двойственный характер – частица и волна одновременно). Легкие металлы:Na, Ca, Mg, Al, Ti

Тяжелые металлы: Fe, Cu, Ag, Pb, Au, W, Os

Легкоплавкие металлы (t_пл < 1000⁰C): Hg, Na, Sn, Pb, Zn, Al

Тугоплавкие металлы (t_пл> 1000⁰ C): Fe, Ti, Cr, Os, W

Самая высокая электропроводность у Ag, Au, Cu, Al, Fe

Наибольшее сопротивление имеет W

Обратите внимание!Названы только отдельные примеры металлов, имеющих определенные свойства.

При рассмотрении способов получения и химических свойств металлов следует опираться на электрохимический ряд напряжений металлов:

Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Co Sn Pb H₂Cu Ag Hg Au

Разделим ряд напряжений металлов на 3 участка - металлы, cтоящие доMg-Al (будут в дальнейшем обозначаться (1)), металлы, расположенные между Mg-Al и H₂ (2) и металлы, расположенные после H₂ (3). Будем рассматривать способы получения и химические свойства на трех примерах - по одному из каждого участка ряда напряжений.

__________ Mg Al __________________________ H₂ ____________

(1) (2) (3)

Нахождение в природе:

1. металлы находятся в природе в виде растворимых или нерастворимых солей
2. металлы встречаются в виде руды (нерастворимые оксиды или сульфиды)
3. металлы могут находиться в виде простого вещества (самородки)

Способы получения металлов:

1. единственный способ – электролиз расплава соединений (электрометаллургия)

_{Эл. ток}

2 Al₂O₃à 4 Al + 3 O₂↑

_{Эл. ток}

2 NaBr à 2 Na + Br₂

(2) Пирометаллургия – восстановление металлов из оксидов при повышенной температурес помощью восстановителей (C, CO, CH₄, NH₃, H₂, активные металлы и др.)

WO₃ + 3 H₂ = W + 3 H₂O

Fe₂O₃ + 3 CO = 2 Fe + 3 CO₂

Cr₂O₃ + 2 Al = 2 Cr + Al₂O₃

Гидрометаллургия – вытеснение металлов из водных растворов их соединений

NiSO₄ + Zn = Ni + ZnSO₄

^{раствор}

Возможен и электрохимический метод – электролиз растворов солей:

NiSO₄ + 2H₂O = Ni + O₂ + H₂ + H₂SO₄

(3) Возможны все способы получения: электролиз растворов солей, вытеснение более активным металлом, физическое очищение самородков.

Обратите внимание, механизмы процессов электролиза расплавов и растворов в данном пособии не рассматриваются. Обратитесь к более подробным учебным пособиям и учебникам по неорганической химии.

Химические свойства металлов.

1. Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

(1) 2 Na + O₂ = Na₂O₂ перексид натрия

Na₂O₂ + 2 Na = 2 Na₂O оксид натрия

2 K + S = K₂S сульфид калия

_t

(2) 2 Zn + O₂ = 2 ZnO оксид цинка

Mn + Cl₂ = MnCl₂ хлорид марганца (II)

(3) Ag + O₂ ≠

Hg + C ≠

2. Взаимодействие со сложными веществами.

2.1. Взаимодействие с водой (реагируют металлы, стоящие в ряду напряжений до Н₂)

(1) 2 Na + 2 H₂O = 2 NaOH + H₂↑

_t

(2) Fe + H₂O = Fe₃O₄↓ + H₂↑

(3) Au + H₂O ≠

2.2. Взаимодействие с кислотами – неокислителями (все кислоты кромеHNO₃ и H₂SO₄ конц.). Металлы, стоящие в ряду напряжений до Н₂вытесняют водород из растворов кислот.

(1) 2 Li + 2 HBr = 2 LiBr + H₂↑

(2) Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑

(3) Hg + HCl ≠

2.3. Взаимодействие с кислотами – окислителями (HNO₃ и концентрированной H₂SO₄)

(1) 8 Na + 5H₂SO₄ (конц.) = 4Na₂SO₄ + 4 H₂O + Н₂S↑

(2) 2 Fe + 4H₂SO₄ (конц.) = Fe₂(SO₄)₃ + 4 H₂O + S↓

(3) 2 Ag + 2 H₂SO₄ (конц.) = Ag₂SO₄ + 2 H₂O + SO₂↑

Продукты реакции зависят от активности металла и концентрации кислоты. Но в любом случае получают соль металла, воду и продукт восстановления кислоты-окислителя – соединения азота или серы.

1. Взаимодействие с растворами щелочей.

В реакции с растворами щелочей могут вступать переходные металлы, образующие амфотерные соединения. Следует помнить, что все металлы покрыты защитной оксидной пленкой, “пленка” может быть плотной или рыхлой, видимой или незаметной простым глазом, растворимой в воде или нерастворимой, растворимой в кислотах или щелочах или нет. Свойства оксидной “пленкой” и определяют химические свойства металла.

Цинк покрыт защитной оксидной пленкой ZnO, которая нерастворима в воде, но растворяется в растворах кислот или щелочей.

ZnO + 2 NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂O

После растворения оксидной пленки металл цинк остается незащищенным. Так как он находится в ряде напряжений металлов до Н₂, он может реагировать с водой (растворителя в растворе достаточное количество)

Zn + H₂O = ZnO + H₂↑

Сложив почленно оба уравнения, получим суммарное уравнение процесса, получим суммарное уравнение:

ZnO + 2NaOH + Zn + H₂O = Na₂ZnO₂ + H₂O + ZnO + H₂↑

После сокращения получаем выражение:

Zn + 2NaOH = Na₂ZnO₂+ H₂↑

Обратите внимание!Газообразный водород вытесняется из воды.

1. Взаимодействие с растворами солей.

Необходимо учитывать следующие условия:

- металл, реагирующий с раствором соли, должен быть активнее металла, образующего соль;

- в итоге реакции должна образовываться растворимая соль, иначе металл покроется нерастворимым соединением, и реакция прекратиться; - всегда следует рассматривать возможность гидролиза соли и появление в растворе продуктов гидролиза;

- возможны окислительно-восстановительные процессы между металлом и его катионом в составе исходной соли.

Например, при взаимодействии цинка с раствором сульфат меди (II)

CuSO₄ + Zn = ZnSO₄ + Cu (вытеснение менее активного металла)

2 CuSO₄ + 2 HOH (CuOH)₂SO₄ + H₂SO₄ (гидролиз соли)

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑ (взаимодействие металла с

продуктами гидролиза)

2 FeCl₃ + Fe = 3 FeCl₂ (окислительно-восстановительное взаимо-

действие атома металла и его катиона в соли)

Обратите внимание!Для вытеснения металлов из растворов не рекомендуется брать щелочной металл, так как последний реагирует с водой, а не с солью.

2 NaOH + ZnSO₄ + H₂O = Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄ + H₂↑