ПЛАН 1 Введение Классификация металлов 2 Металлическая связь

ПЛАН 1. Введение. Классификация металлов. 2. Металлическая связь. 3. Химические свойства. 4. Природные соединения металлов. 5. Общие методы получения. 6. Сплавы. 7. Интерметаллические соединения.

характерные признаки: металлы тяжелее воды

Ga Большинство - твердые вещества при комнатной температуре, но есть и жидкие: Hg Cs

Большинство имеют металлический блеск, серые или белые Cs кристаллы Au самородок Cu самородок

1. Черные и цветные 2. Тяжелые (ƍ≥ 5 гсм 3) и легкие (ƍ≤ 5 гсм 3) 3. Драгоценные Благородные 4. Платиновые металлы 5. Редкоземельные Y, Sc, La и лантаноиды

Черные Получено электролизом, чистота 99, 97% Fe

Цветные Ag Bi Rb Ti Sn

Fe Тяже лые Pb Bi Hg

Тяжелые 99, 99% Sb Co Ni Медленный электролиз

Li, Na, Cs, Be, Ca, Ba, Sn K, Rb, Fr, Mg, Sr, Al, Mg Легкие Al «осч» Ca Rb

Ag Au

Os Pt Rh

La

Sc Eu Y

Металлы: s-, d-, f- элементы, а также небольшое количество p- элементов – Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi. ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Металлическая связь

Li 2 s 1 Al 3 s 23 p 1 Fe 4 s 23 d 6 Pb 6 s 26 p 2 Число ē мало, число АО с низкой энергией велико

В кристаллах металлов АО перекрываются Единая 3 -мерная АО, в пределах которой движутся валентные ē

Металлическая связь ненаправленная, поэтому большие значения координационных чисел КЧ=12 КЧ=8 кубические: объемноцентрированная гранецентрирован -ная КЧ = 8 12 КЧ=12 гексагональная плотная упаковка

Общие: 1. Малая электроотрицательность (ЭО). 2. Ме в реакциях образуют только катионы: 2. Me 0 ─ nē → Men+ Металлы – s-элементы: Образуют основные оксиды и гидроксиды СО = +1 и +2 Li 2 O, Li. OH, K 2 O, KOH, Ca. O, Ca(OH)2, Sr. O, Sr(OH)2

Металлы p- и d-элементы: Низшая СО +1, +2 Основные оксиды и гидроксиды Pb. O, Pb(OH)2, Cu. O, Cu(OH)2, Cr. O, Cr(OH)2, Mn. O, Mn(OH)2 Высшая СО Промежуточ+4, +5, +6, +7, ная СО +3, +4 +8 Амфотер. Кислотные оксиды ные и гидроксиды Al 2 O 3, Al(OH)3, Cr 2 O 3, Cr(OH)3, Mn 2 O 3, Mn(OH)3, Mn. O 2, Mn(OH)4 Os. O 4, Mn 2 O 7, HMn. O 4, H 2 Mn. O 4, Mn. O 3, Mn 2 O 5, HMn. O 3, Cr. O 3, H 2 Cr. O 4

О-ль Реагируют ОВР с неметаллами Реагируют и пас- Не реагируют Основной сивируются Al, Fe, Ni, Cu, Zn – _ без нагревания Fe – в отсутствие _ влаги Al, Ti, Pb, Be, Mg – Au, Pt без нагревания F 2 Почти все Cl 2 Почти все O 2 Многие S Многие, но при _ нагревании H 2 Щелочные и _ щелочноземельные металлы Li, щелочно _ земельные металлы N 2 продукт Фторид Na. F, Al. F 3, Zn. F 2 Хлорид KCl Ni. Cl 2, Al. Cl 3 Оксид (Al 2 O 3, Mg. O, Na 2 O) Большинство (при Сульфид н. у. и (Na 2 S, Mg. S) охлаждении) Большинство, но Гидрид (Na. H, многие рас. Ca. H 2, творяют водород Mg. H 2) Почти все Нитрид (Li 3 N, Ca 3 N 2)

Отношение металлов к воде и водным растворам окислителей В водных растворах восстановительная активность металлов характеризуется значением стандартного окислительно-восстановительного потенциала φ0 Me 0 → Me+n + nē Вос-ль Ок-ль Чем меньше φ0, тем сильнее восстановительные свойства Ме 0 и слабее окислительные φ0 (Mg) = ─2, 36 B, φ0 (Pt) = 1, 19 В Mg легче окисляется, чем Pt

это ОВР, где окислитель Н+ 2 Н 2 О + 2ē = 2 ОН─ + Н 2 φ(2 Н+/Н 2) = - 0, 059 • р. Н = 0, 059 • 7 = -0, 413 В Активные Li – Al ─3, 04 В ─1, 66 В Реагируют Ме 0 + Н 2 О → →Ме+ОН + Н 2 Средней активности Al – H 2 ─1, 66 В 0, 0 В Реагируют при нагревании, пассивируются: Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Sn, Cd, Pb Малоактивные H 2 – Au 0, 0 В 1, 69 В Не реагируют ─0, 413<0 Легче идет реакция 2 ОН─ +Н 2 ─ 2ē = 2 Н 2 О

Взаимодействие со щелочами: Реагируют только металлы, образующие амфотерные оксиды: Ме 0 + ОН– → Ме. О 2– + Н 2 Ме 0 + Н 2 О + ОН– → [Ме(ОН)4]– + Н 2 Ок-ль Н+: 2 Н 2 О + 2ē = 2 ОН─ + Н 2 При р. Н=14 φ(2 Н 2 О/Н 2) = -0, 059 • 14 = -0, 83 В φ0(Be) = -1, 85 B, φ0(Al) = -1, 62 B, φ0(Sn) = -0, 14 B Be + 2 Na. OH + 2 H 2 O = Na 2[Be(OH)4] + H 2 2 Al + 2 Na. OH + 6 H 2 O = 2 Na[Al(OH)4] + 3 H 2 Sn + 2 Na. OH = Na 2 Sn. O 2 + H 2 сплавление

Взаимодействие с кислотами зависит от активности металла (φ0) и окислительных свойств кислоты Наиболее типичная реакция: Ме 0 + 2 Н+ → Ме 2+ + Н 2 окислитель – Н+ Me + H 2 SO 4(к), Me + HNO 3 Окислители – S+6, N+5

Руды – природные соединения металлов Оксидные: Fe 2 O 3 - гематит, Fe 2 O 3 • H 2 O – гетит, Al 2 O 3 – боксит, Ti. O 2 – рутил, Sn. O 2 – касситерит; Сульфидные: Fe. S 2 – железный колчедан (пирит), : Cu 2 S • Fe. S 2 – медный колчедан (халькопирит), Pb. S – свинцовый блеск, Zn. S – цинковая обманка Силикатные и алюмосиликатные: полевой шпат K 2 O • Al 2 O 3 • 6 Si. O 2, каолинит Al 2 O 3 • 2 Si. O 2 • 2 H 2 O, берилл 3 Be. O • Al 2 O 3 • 6 Si. O 2; Карбонатные: Ca. CO 3 - мрамор, мел, известняк; Mg. CO 3 - магнезит, Cu. CO 3 • Cu(OH)2 – малахит; Галидные: Na. Cl - каменная или поваренная соль, KCl - сильвин, KCl • Mg. Cl 2 • 6 H 2 O – карналлит.

гематит Fe 2 O 3 боксит Al 2 O 3 касситерит Sn. O 2

пирит Fe. S 2 халькопирит Cu 2 S • Fe. S 2

Общие методы получения: Вытеснение металла более активным металлом. Восстановление металлов неметаллами - газообразными СО и Н 2 или твердым углеродом С. Электрометаллургия - электролиз либо водных растворов либо расплавов.

Вытеснение металлами: металлотермия гидрометаллургия водный р-р 2[Au(CN)2]– + Zn → [Zn(CN)4]2– + 2 Au при нагревании 3 V 2 O 5 (к) + 10 Al(к) → 5 Al 2 O 3(к) + 6 V(к) 700 -900 о. С Ti. Cl 4 (к) + 4 Na (к) → Ti (к) + 4 Na. Cl (к)

Восстановление неметаллами пирометаллургия -только при высоких температурах 2000 o. C Mg. O + C = CO + Mg Sb 2 O 4 + 4 C = 2 Sb + 4 CO Sn. O 2 + 2 C = Sn + 2 CO Pb. O + CO = Pb + CO 2 280 -700 o. C Fe 2 O 3 + 3 H 2 = 2 Fe + 3 H 2 O 950 o. C Mo. O 3 + 3 H 2 = Mo + 3 H 2 O

электролиз водных растворов или расплавов: расплав Na. Cl → Na+ + Cl─ катод─: анод+: Na+ + ē = Na 2 Cl─ - 2ē = Cl 2 раствор Zn. SO 4 → Zn 2+ + SO 4 2─ катод─: анод+: Zn+2 + 2ē =Zn 2 H 2 O - 4ē = 4 H+ + 2 O 2

макрогомогенная система, обладающая металлическими свойствами и состоящая из двух или более химических элементов. Компоненты: Не взаимодействуют расслоение Al и Pd Al и Cd Zn и Pb Взаимодействуют бо ла с Гомогенная система- твердый р-р Гетерогенная система- смесь компонентов С И Л Ь Н О

однородное (гомогенное) кристаллическое вещество переменного состава, в кристаллическую решетку которого входят атомы или ионы нескольких компонентов. Непрерывные: с постепенно меняющейся концентрацией компонентов от 0 до 100% Ограниченные: существует предел растворимости одного металла в другом.

растворы замещения растворы внедрения упорядоченные растворы Cu - Ni Fe - Cr Fe – Al Fe - C Fe - H Cu – Au Fe – Si, Ni - Mn

Очень сильное взаимодействие между атомами металлов Интерметаллические соединения (интерметаллиды)Соединения металлов между собой и с неметаллами (Н, В, С, N и др. ); связь металлическая. Sc. Mn 2, Sc 3 Fe, Sc. Fe 3, Ti. Cr 3, Cr. Mn 3, Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, Mg 3 P 2, Mg 3 As 2, Ag 3 Sn

Примеры сплавов: Чугун – сплав Fe с С, содержание С > 2% масс. ; Зеркальный чугун Сталь – сплав Fe с С, содержание С менее 2% масс. ; Марганцовистая сталь – сталь, содержащая марганец не менее 1%; Манганин – сплав 11% Mn, 2, 5 -3, 5% Ni и 86% Cu; Бронза – сплавы на основе Cu (Sn, Al, Be, As, Pb, Cr); Нейзильбер, фехраль.

сплав Fe с С (3, 5 -5, 5%) и Mn (5 -20%); используется в производстве стали для раскисления и науглероживания: На изломе – зеркальный блеск Mn + S = Mn. S 2 Mn + O 2 = 2 Mn. O

Обычная углеродистая Кровля, до 25 лет нержавеющая

Сталь 35 Г Повышенная твердость и износостойкость щеки дробилок литье башня танка

высокое электрическое сопротивление, демпфирование - поглощение энергии механических колебаний - при ударе по сплаву звук не звучит громко. самые «тихие» сплавы: 70% Mn и 30% Cu

Бронза: оловянная – Cu-Sn алюминиевая – Cu-Al бериллиевая – Cu-Be и т. п. Самая древняя !

Нейзильбер: Cu(5060%) –Ni(20 -25%) –Zn(18 -22%) Фехраль: Al-Cr (15 -30%)-Fe (70% и более)

двухфазная система, в которой фазы различаются степенью порядка в атомной структуре (расположение атомов). Система Ni – Al, решетка кубическая - фаза Ni 3 Al Определенный порядок расположения Ni Al - фаза хаотичное расположение

Поверхность суперсплава под микроскопом: увеличение 140 упорядоченная -фаза Прочность никелевых суперсплавов обусловлена трудностью перемещения одиночной дислокации через хаотичная - фаза упорядоченные кубики γ -фазы. В неупорядоченной γ-фазе дислокация перемещается относительно легко.

Неупорядоченный кристалл скалывающая сила stop дислокация Упорядоченный кристалл Нарушение порядка требует дополнительной энергии!!!

Сверхбыстрое охлаждение 1900% сплав Al-Mg-Li после испытаний на сверхпластичность зерна < 5 мкм, под нагрузкой скользят (текут) друг по другу без разрушения: относительное растяжение Δl/l 0=10, то есть длина образца увеличивается на 1000% от первоначальной. Чем мельче зерно, тем выше скорость деформации. Причина - деформация металлических связей в контактах зерен, то есть большое количество поверхностных дефектов.

Чем больше S поверхности частиц (наноразмеры), тем больше поверхностная G Сплав не устойчив! При Т зерна укрупняются! Сверхпластическое формование детали нагрев быстрое охлаждение твердая прочная деталь конец 1990 -х, американская компания Superform: в режиме сверхпластической формовки из листа обычного алюминиевого сплава можно изготовить кузов «Феррари» за одну операцию втечение 16 часов.

Сверхбыстрое охлаждение Только ближний порядок в структуре

1960 г. -первый аморфный сплав Au 75 Si 25 1976 г. - лента аморфного магнитного сплава Ni-Fe-P-B нет кристаллитов (зерен) нет кристаллической решетки нет дефектов нет границ между ними высокая химическая однородность нет напряжений Высокая коррозионная стойкость Высокая прочность НО! Материал пока получается довольно дорогой!

тарелки с нагревательным контуром из тонких металлических лент: подогрев пищи прямо в тарелке. Металл для нагревательного элемента - Au и аморфный металл. Корейский ресурс Korea IT News пустил слух о применении аморфоного метала фирмы Liquidmetal в новых i. Phone 6 го поколения. Впервые аморфный металл применялся в иголках для слота SIM в ограниченных партиях i. Phone 3 GS и i. Pad. Новый i. Phone будет представлен в июне на WWDC 2012.

Источники информации: Фролов В. В. Химия. М. : Высшая школа. 1986. Глинка Н. А. Общая химия. М. : «Интеграл-Пресс» . 2009. 727 с. http: //www. avglob. org/fehralevaya-lenta. html http: //www. nanonewsnet. ru/ http: //chemistry-chemists. com/index. html Popgun. ru, Azocm. ua, To. Student, ru Nuclearfusion. narod. ru Expert. ru http: //itrecord. ru/gadzhety/korpus-iphone-5 -budet-sdelan-izliquidmetal/ Hrenovina. net Radelan. com. ua, periodictable. ru,