Металлы

Металлы

Металл имеет способность быть очень красочным и каждый придает разные цвета разным соединениям. Твёрдые вещества можно чётко разделить на металлы, такие как медь, серебро, золото или алюминий, которые способны эффективно пропускать электрический ток, и неметаллы, такие как сера, стекло, поваренная соль и дерево, которые явно являются изоляторами.

Исходя из нашего общего опыта, совокупными свойствами, которые мгновенно характеризуют металл, являются: они обладают высокой электрической и теплопроводностью, пластичностью и узнаваемым металлическим блеском. Естественная пластичность золота, например, позволяла мастерам с незапамятных времён создавать изысканные украшения.

Металлами называют вещества или химические элементы, которые являются блестящими, пластичными, твёрдыми (кроме ртути) телами и имеют природную способность передавать электрический ток и тепло, и образуют ионные связи с другими элементами.

Мы все инстинктивно осознаём, что металлы являются великолепными проводниками электричества. В конечном счёте, именно это ключевое, неотъемлемое свойство отличает металлы от изоляторов или неметаллов.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Существует более сотни различных элементов и каждый из них обладает свойствами, которые заставляют его выглядеть и вести себя иначе, чем другие. Каждый элемент состоит из атомов.

Элементы делятся на две основные группы: металлы и неметаллы, в зависимости от их свойств. Около трёх четверти элементов составляют металлы. Все они обладают схожими свойствами и описываются как металлические.

В этом списке показаны основные свойства металлов:

  • В основном твёрдые (кроме ртути при комнатной t) — все металлы  состоят из невероятно крошечных частиц, называемых атомами, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть даже в самые мощные микроскопы. Атом состоит из центрального ядра, окружённого частицами, называемыми электронами. Каждый атом соединён с окружающими его атомами химическими связями. В куске металла атомы расположены аккуратными рядами и столбцами и они плотно упакованы вместе. Вот почему большинство металлов являются прочными материалами.
  • Блестящие — все металлы имеют блестящую поверхность, когда они только что огранены или отполированы. Многие из них через некоторое время теряют свой блеск, потому что металл на поверхности вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя слой оксида. Некоторые, такие как золото, не вступают в реакцию с кислородом, поэтому они остаются блестящими и используются для украшений, таких как ювелирные изделия. Большинство металлов серого или серебристого цвета.
  • Податливы к механическому воздействию (изменяют формы) — металлы являются гибкими, что означает, что они могут слегка изменять форму и возвращаться к своей первоначальной структуре. Вот почему пружины сделаны из металла. Металлы являются также податливыми, что означает, что кусок металла можно забить в другую форму с возможностью вытащить обратно. Металлы пластичны — это означает, что их можно вытягивать в тонкие и длинные формы, не ломая.
  • Хорошие проводники электричества — металлы пропускают через себя электричество, поэтому принято говорить, что они являются хорошими проводниками электричества.  Электрический ток состоит из движущегося электрического заряда, а в металле заряд переносится электронами. Некоторые электроны из каждого атома могут свободно перемещаться от атома к атому и они проходят через весь металл, неся заряд. Такие металлы, как железо, медь, алюминий и золото, используются в электрических кабелях и в электрических цепях внутри машин, поскольку они отлично проводят электричество.

В большинстве неметаллов и соединений электроны не могут двигаться, поэтому они не могут проводить электричество.

  • Магнитятся — некоторые металлы являются магнитными, а это значит, что они притягиваются магнитами и также могут быть превращены в магниты. Например, металлические скрепки притягиваются к магнитному настольному органайзеру. Наиболее распространенным магнитным металлом является железо.  Легированная сталь также магнитится, потому что в ней содержится два других основных магнитных металла — никель и кобальт. Магнетизм иногда используется в промышленности для сортировки металлов во время обработки или переработки.
  • Хорошие проводники тепла — все металлы пропускают через себя тепло. Их называют хорошими проводниками тепла, что означает, что если вы нагреваете одну часть металлического предмета, тепло быстро распространяется на другие части предмета. Это свойство металлов имеет как преимущества, так и недостатки. Кастрюли для приготовления пищи сделаны из металла, потому что они передают тепло от плиты к пище внутри них, но если у вас есть кастрюля с металлической ручкой, вы должны поднять её с помощью ткани, чтобы она не обжигала руки!

Металлы являются хорошими проводниками, потому что их атомы плотно упакованы вместе и плотно соединены. Атомы в каждом материале всегда вибрируют, потому что они обладают тепловой энергией. Чем горячее становится объект, тем быстрее вибрируют его атомы, потому что каждый из них получает больше тепловой энергии.

Когда одна часть металлического предмета нагревается, атомы в этой части начинают вибрировать быстрее, потому что они получают больше энергии. Часть этой энергии передаётся атомам по соседству, заставляя их тоже вибрировать, и постепенно энергия распространяется по всему объекту.

Когда атомы получают больше энергии и вибрируют больше, они начинают занимать немного больше пространства. Вот почему все материалы, включая металлы, расширяются (становятся больше), когда они нагреваются и слегка сжимаются (становятся меньше), когда они охлаждаются.

Металлы и их свойства
Ртуть, заключённая внутри термометра, расширяется, когда становится теплее, указывая на температуру (радиоактивна)
  • Высокие температуры плавления и кипения — все металлы, кроме ртути, являются твёрдыми веществами при комнатной температуре. Это показывает, что они имеют высокие температуры плавления. Они также имеют высокие температуры кипения. Например, железо плавится при 1535 ° C (2795 °F) и кипит при 2,861 °C (5182 °F). Металлы имеют такие высокие температуры плавления и кипения, потому что их атомы плотно соединены вместе. Металлы с очень высокой температурой плавления используются для изготовления предметов, которые используются в очень экстремальных условиях, например внутри реактивных двигателях.
  • Высокая плотность — большинство металлов имеют высокую плотность, что означает, что они тяжёлые для своих размеров по сравнению с другими материалами, такими как дерево или пластик. Некоторые металлы очень плотные. Например, кусок вольфрама размером с большую бутылку с водой весит столько же, сколько средний взрослый человек! Есть несколько металлов с очень низкой плотностью. Например, натрий даже плавает в воде.
  • Радиоактивность некоторых  металлов — некоторые металлы являются радиоактивными. Ядро атома состоит из частиц, называемых протонами и нейтронами. Некоторые металлы, такие как уран и плутоний, имеют в своих атомах большое ядро, содержащее сотни протонов и нейтронов. Такое большое ядро, довольно  нестабильно. Эти металлы описываются как радиоактивные, потому что, когда ядро распадается, оно выделяет излучение в виде невидимых лучей. Обычно в новом ядре меньше протонов, поэтому атом исходного элемента становится атомом нового, другого элемента.

ГРУППЫ  МЕТАЛЛОВ (СЕМЕЙСТВА)

Все металлы в периодической таблице находятся на левой стороне. Они объединены в группы металлов со схожими свойствами.  Этими группами являются:

Щелочные металлы

Это металлы первой группы (1-ой) периодической таблицы Менделеева.

  • Литий
  • Натрий
  • Рубидий
  • Цезий  
  • Франций

Их называют щелочными металлами, потому что они вступают в реакцию с водой с образованием щелочных растворов.

Например:

натрий + вода —> гидроксид натрия +  водород

2Na+ 2H2O —> 2NaOH + H2

Свойства щелочных металлов

Все щелочные металлы обладают свойствами — высокой реакционной способностью, и чем ниже вы продвигаетесь по группе, тем более реакционноспособными они становятся. Это означает, что они с большей вероятностью будут участвовать в химических реакциях.

Например литий (вверху группы) медленно шипит в холодной воде, но цезий (в нижней части группы) мгновенно загорается при воздействии холодного воздуха. Литий и натрий имеют очень низкую плотность для металлов и они очень мягкие.

Все щелочные металлы серебристо — белого цвета. Поскольку эти металлы настолько реакционноспособны, они редко используются, но несут в себе много возможно  полезных соединений.

Щёлочноземельные металлы

Это металлы второй группы (2-ой) периодической таблицы Менделеева.

  • Бериллий
  • Магний  
  • Кальций
  • Стронций
  • Барий
  • Радий

Их называют щёлочноземельными металлами, потому что их соединения были впервые обнаружены в растительных остатках в почве. Они также вступают в реакцию с водой с образованием щелочных растворов.

Например:

кальций + вода —> гидроксид кальция +  водород

Ca + 2H20 —> Ca(OH)2 + H2

Все щёлочноземельные металлы (свойства) — очень реактивны и чем ниже вы продвигаетесь по группе, тем сильнее они реагируют.

Например, магний (в верхней части группы) будет быстро реагировать с паром, но медленно с водой и барий (в нижней части группы) реагирует быстро с водой. Большинство щёлочноземельных металлов серебристо-белого цвета. Как и щелочные металлы, они редко используются сами по себе, но они образуют некоторые очень важные соединения.

Переходные металлы

Большинство металлов находятся в большой группе в центре периодической таблицы, в группах с 3 по 12. Их называют переходными металлами, и почти все они являются твёрдыми, прочными металлами с высокими температурами плавления, кипения и высокой плотностью.

Существует две группы переходных металлов (иногда называемых внутренними переходными металлами), они не вписываются аккуратно в периодическую таблицу Менделеева и поэтому показаны в отдельном блоке. Они называются лантаноидами и актинидами (актиноиды) и многие из них были получены только в лаборатории.

Наиболее часто используемыми переходными металлами являются: Железо — является переходным металлом и одним из немногих магнитных металлов. Это наиболее широко используемый металл. Чистое железо светлого цвета и довольно мягкое. Иногда из него делают декоративные предметы, такие как ворота, перила и каминные решётки. Кузнецы работают с железом, нагревая его, чтобы сделать мягче, а затем придают ему форму.

Из железа также изготавливают крупные детали машин, такие как блоки цилиндров в двигателях, и предметы, такие как сливные крышки и трубы. Железо часто превращают в сталь и чугун, которые представляют собой сплав железа и углерода.

Большая часть стали содержит около 99 процентов железа и около 1 процента углерода. Сталь прочнее и тверже чистого железа, но менее податлива и пластична. Она хороша для изготовления предметов, которые должны быть прочными, поэтому её используют в тысячах различных предметов, таких как автомобили, корабли, каркасы зданий, мосты, гвозди, шурупы, ножи и вилки.

Железо и сталь быстро ржавеют на влажном воздухе. Нержавеющая сталь — это сплав стали, содержащий примерно 10 процентов хрома — другого металла. Хром предохраняет сталь от коррозии, даже если она поцарапана.

  • Медь — мягкий переходный металл красно-коричневого цвета. Это очень хороший проводник электричества, поэтому его используют для изготовления проводов и кабелей. Он не реактивен, таким образом, он не подвержен коррозии на влажном воздухе, как железо. Латунь, используемая для изготовления домашней фурнитуры, такой как дверные ручки, замки и винты, представляет собой сплав меди и цинка. Многие монеты сделаны из медных сплавов. Сплав сохраняет цвет меди, но тверже. Монеты, изготовленные из сплавов, служат дольше, чем медные.
  • Цинк — мягкий серебристый переходный металл. Его основное применение — это цинкование. Цинкование — это способ предотвратить ржавление стальных предметов, покрывая их тонким слоем цинка. Цинк также используется в батареях и для смешивания с медью, чтобы сделать сплав латуни.
  • Золото —  это желтоватый металл, используемый для изготовления ювелирных изделий и украшений. Оно остаётся блестящим, потому что, в отличие от большинства других металлов, он неактивный. Это означает, что он не вступает в реакцию с воздухом, образуя слой оксида, который портит блеск. Золото довольно мягкое, поэтому его обычно сплавляют с другими металлами (обычно медью или серебром), чтобы оно не изнашивалось.
  • Серебро — это беловатый металл, также используемый для изготовления  ювелирных изделий и украшений. Он постепенно вступает в реакцию с воздухом, образуя коричневый слой оксида. Этот процесс называется потускнением, и это означает, что серебро необходимо чистить каждые несколько месяцев. Многие предметы, включая украшения и столовые приборы, покрыты серебром. Это означает, что они сделаны из стали с тонким слоем серебра снаружи. 

Большинство других переходных металлов очень редки и всё же учёные, и инженеры нашли применение многим из них. Их смешивают с железом, сталью или алюминием для получения различных сплавов для машиностроения. Некоторые из них, включая палладий и платину, используются в качестве катализаторов для ускорения реакций на химических заводах.

Многие из них, такие как уран, также радиоактивны.

Бедные металлы

Бедные металлы — входят в группы 3, 4, 5 и 6 периодической таблицы Менделеева, хотя каждая из этих групп также содержит элементы, которые являются неметаллами. Металлы отображаются в правой части таблицы. Эти металлы часто называют бедными металлами, потому что они намного мягче и слабее переходных металлов. Они также имеют более низкие температуры плавления и кипения.

Наиболее важными из этих металлов являются:

  • Алюминий — это металл серебристого цвета. Это самый распространённый металл в породах земной коры и обладает рядом полезных свойств. Речь идёт о плотности. Она на треть меньше плотности стали. Все большие самолёты, а также некоторые автомобили и лодки сделаны из алюминиевых сплавов. Алюминий довольно реакционноспособен, но его оксид очень малоактивен. Это означает, что на алюминиевых предметах естественным образом образуется оксидное покрытие, которое останавливает дальнейшую коррозию.
  • Олово — используется для изготовления материала, называемого жестяной пластиной. Она представляет собой сталь с тонким слоем олова. Используется в пищевой промышленности.
  • Свинец — очень плотный серый металл. Он используется в зданиях для гидроизоляции, так как не подвержен коррозии. Толстые листы свинца блокируют излучение, поэтому он также используется для защиты персонала и пациентов в больницах от рентгеновских лучей. Раньше свинец  делали для водопроводных труб, но это было прекращено из-за того, что он является ядовитым.
Металлы в периодической таблице Менделеева
Металлы в периодической таблице Менделеева

Дополнительная информация…

Металлоиды

Большинство элементов обладают либо свойствами металлов, либо свойствами неметаллов, хотя есть несколько элементов с двумя этими свойствами. Они называются металлоидами или полуметаллами.

Примером может служить металлоид мышьяк, который блестит, как металл, но не проводит электричество и тепло.

Кремний является наиболее распространенным металлоидом — фактически, это второй по распространённости элемент на Земле. Чистый кремний твёрдый, блестящий и серый.

Наиболее важным применением металлоидов является изготовление материалов, называемых полупроводниками.

Полупроводник — это материал, который может проводить некоторое количество электричества (по сравнению с изолятором), но не так хорошо, как металлы, которые являются хорошими проводниками. Это означает, что его можно использовать для поворота электрических токов в включателях и выключателях. Микрочипы, часто называемые кремниевыми чипами, также изготавливаются из кремния или других металлоидов.

Реакции металлов

Наиболее распространенные реакции металлов происходят с воздухом, водой и кислотами.

Предметы из железа или стали, оставленные на открытом воздухе, быстро становятся коричневыми и шелушащимися. Этот процесс называется ржавлением. Яркие белые вспышки фейерверков вызваны магнием, содержащимся в горящем фейерверке. Это примеры того, как металлы вступают в реакцию с другими веществами.

Металлы в воздухе

Большинство металлов вступают в реакцию с кислородом воздуха с образованием оксида металла. Вот пример металла, вступающего в реакцию с кислородом:

алюминий + кислород —> оксид алюминия
4Al + 302 —> 2Al203

Кислород добавляется к алюминию в ходе так называемой реакции окисления. Алюминий окисляется. Свидетельством того, что реакция произошла заключается в том, что блеск на поверхности алюминия исчезает — это называется потускнением. Оксид алюминия препятствует попаданию кислорода на алюминий и предотвращает дальнейшее потускнение.

Некоторые металлы вступают в реакцию с холодным воздухом. Одним из примеров является натрий, который хранится в масле, потому что он быстро тускнеет на воздухе. Некоторые металлы, такие как магний, вступают в реакцию только при нагревании. Другие, такие как железо, реагируют очень медленно, даже когда они нагреваются. Следующие металлы, такие как золото, вообще не реагируют на воздух — они совершенно неактивны.

Реакции металлов
Открытый кальций быстро реагирует с кислородом в воздухе, образуя слой оксида кальция

Металлы и кислоты

Большинство металлов вступают в реакцию с кислотами. Когда кусок металла помещают в кислоту, металл шипит, потому что образуется газ. Газ представляет собой водород, который выделяется из кислоты. Металл соединяется с остальной кислотой, образуя химическое вещество, называемое солью. Вот пример реакции кислота-металл:

магний + серная кислота —> водород + сульфат магниевой кислоты

Мг + H2SO4 —> H2 + MgSO4

Металл выталкивает или вытесняет водород из кислоты — это пример реакции вытеснения.

Металлы и кислоты
Лента магния вступает в реакцию с
соляной кислотой, образуя
пузырьки водорода

Когда в кислоту добавляют разные металлы, шипение происходит с разной скоростью. А когда в кислоту добавляют реакционноспособные металлы, такие как калий, реакция протекает настолько быстро, что металл взрывается. С другими металлами, такими как магний, шипение происходит быстро, но не взрывоопасно.

Когда в кислоты добавляют такие металлы, как железо, шипение происходит медленно, некоторые металлы, такие как золото, вообще не реагируют с кислотами.

Металлы с водой

Некоторые металлы вступают в реакцию с водой. Когда кусок одного из них опускают в воду, он шипит, потому что образуется газ. Газом является водород, который высвобождается из воды. Металл соединяется с водородом и кислородом в воде, образуя гидроксид. Это делает раствор щелочным.
Вот пример реакции металл-вода:

натрий + вода —> гидроксид натрия + водород

2NA + 2H20 —> 2NaOH + H2

Некоторые металлы, такие как калий, бурно реагируют с водой. И эта реакция выделяет достаточно тепла, чтобы воспламенить газообразный водород. Другие, такие как магний, медленно реагируют с водой. А медь, вообще не реагируют с водой. Некоторые металлы, которые не вступают в быструю реакцию с водой, такие как железо, вступают в реакцию с паром с образованием оксида и воды.

Таблица активности металлов

Разные металлы вступают в реакцию с воздухом, водой и кислотами с разной скоростью.

В каждой реакции реагенты и продукты аналогичны, но некоторые металлы вступают в реакцию быстро, в то время как другие реагируют медленно. Это пример тенденции, когда одни реагируют быстро, а другие медленно.

Мы можем перечислить распространенные металлы в порядке их быстрой реакции, причем те, которые реагируют наиболее быстро, находятся наверху. Химики называют этот список рядом реактивности.

Вот ряд реакционной способности обычных металлов…

Таблица активности металлов

Ряд реактивности помогает нам понять, что может произойти во время некоторых химических реакций. Например, металл, находящийся выше в ряду, вытеснит металл, находящийся ниже в ряду, из соединения.

Например:

сульфат меди + магний —> сульфат магния + медь

CuSO4 + Mg —> MgSO4 + Cu

Водород часто включают в ряд реакционной способности. Кислоты содержат водород и будут вступать в реакцию с металлами более высокого ряда, но они не вступают в реакцию с металлами более низкого ряда. В приведенной выше серии водород будет находиться между свинцом и медью.

Коррозия металла

Коррозия вызывается реакцией металла с кислородом воздуха, а иногда и с водой или водяным паром. Обычно мы используем слово «коррозия», когда реакция портит и ослабляет металл.

Некоторые металлы, такие как железо и сталь, быстро подвергаются коррозии во влажном воздухе. Другие, такие как золото, вообще не подвержены коррозии, потому что они очень малоактивны. Некоторые, такие как алюминий и цинк, вступают в реакцию с воздухом, но они не подвержены коррозии. Это происходит потому, что слой оксида металла, образовавшийся в результате реакции, защищает металл. Вот почему цинк и алюминий используются для изготовления или покрытия предметов, находящиеся на открытом воздухе.

Ржавление железа

Наиболее распространенной формой коррозии является ржавление.

Ржавление — это коррозия железа или стали, когда они вступают в реакцию с кислородом и водой. Шелушащаяся красно-коричневая ржавчина называется оксидом железа, осыпается, позволяя металлу под ней ржаветь. Вот уравнение для реакции, которая вызывает ржавчину:

железо + кислород —> оксид железа
4Fe + 302 —> 2Fe203

Предотвращение коррозии…

Ржавление стали — дорогостоящая проблема, поэтому важно ее предотвратить. Самое простое решение — покрыть сталь так, чтобы воздух и вода не могли проникнуть внутрь. Это можно сделать с помощью краски, пластика, смазки или другого металла, который не подвержен коррозии, например цинка.

Покрытие стали цинком называется гальванизацией.