Металдар химиясы мен олардың қосылыстары

1. Металдардың физикалық қасиеттері

2. Металдардың химиялық қасиеттері

3.Металдардың қосылыстары

Физикалық қасиеті. Металдар период таблицаның IA, IIA, IIIA топшаларында, басқа да А-топшалардың төмен жағында, В топшаларында, барлық f элементтер металдар болып табылады.

Барлық металдар (Hg басқа) қалыпты жағдайда қатты. Қаттылығы IA топша элементтері жұмсақ, ал VI B топша металдары өте қатты. Cr қаттылығы алмазға тең. Металдарда металға тән жарқылы болады. Ag- жарқылы күшті. Айна. Металдарда пластикалық қасиет болады. 1 г алтыннан 3 км жіп созуға болады.

Ме-электр өткізгіштігі ең жақсы өткізгіш Ag,Cu,ең нашар өткізгіш Pb,Hg. Электр өткізгіштігі металдық байланыстың болуынан, бос электрондар бір беткей қозғалады. Температура жоғарлаған сайын металдың электр өткізгіштігі кемиді. Абсолют нольде шексіз өткізгіштік пайда болады.

Метал жақсы жылу өткізгіштер. Металдар тығыздығына байланысты ауыр, жеңіл метал деп бөлінеді. Тығыздығы 5 г/см^2 дейін Ме жеңіл, одан жоғарғы ауыр Ме болады. Жеңіл Ме t(балқу)-аз, ауырдыкі t(балқу)-жоғары болады. Мысалы: жеңіл Ме цезий t(балқу)-28 С, Ауыр Ме вольфрам t(балқу)- 3380 С.

Металдарда магниттік қасиет болады. Магниттік қасиетіне байланысты металдар диамагнитті, парамагнитті және ферромагнитті деп бөлінеді. Диамагнитті металдар магнит өрісінен тебіледі. Олар: күміс, мыс, алтын, цинк, сынап жатады. Парамагнитті металдар магнитке тартылады. (Sc, Ti, V, Te, Cr, Mn, Pt) жатады. Ферромагнитті магниттеліну қасиеті бар (Fe,Co,Ni). Техникада металдарды қара, түсті,сирек,бағалы деп бөледі. Қара Fe және оның құймалары. Au, Ag, Pt –бағалы. Ti, Ge, Zr, La, Be, V-сирек. Zn, Mg, Al-түсті металдарға жатады.

Кристал тордың үш түрі болады: куб тәрізді көлемдік, куб тәрізді беттік, гексоганалды. Металдың пластикалық қасиеті, кристал тордың құрылысымен түсіндіріледі, әсер еткен кезде, тордағы атомдар орнынан жылжып кез-келген пішін алады. Мұндай қасиет әр түрлі атомнан тұратын құйма үшін тән емес.

Химиялық қасиеті. Металдардың химиялық қасиеті олардың атомдарының құрылысына байланысты, барлық металдардың сыртқы электрон қабатында электрон саны аз және ядродан алыс орналасқан . Ионда энергия аз эл. тартқыштығы төмен. Сондықтан олар химиялық реакция кезінде сыртқы электронын беріп оңай тотығады, яғни металдар тотықсыздандырғыш болып табылады, тотырғыштық қасиет көрсетпейді. Ме - nе =Ме тотығып оң ионға айналады, ешқашан электрон қосып алмайды. Тек тотықсыздандырғыш қасиет көрсетеді.

Тотықсыздандырғыш қасиеті артада

Li, K, Cs, Ca, Na, Mg, Al пен Zn, Cr, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au.

Иондарының тотықтырғыштық қасиеті артада

Металдардың тотықсыздандырғыштық қасиеті, олардың ст. эл. потенциалына байланысты. Металдарды ст. эл. потенциалының мәнінің өсу ретімен орналастырсақ, металдардың кернеу (активтілік) қатарын аламыз. Кернеу қатрының басында (сол жақта) тотықсыздандырғыштық қасиеті күшті металдар орналасқан, металдар неғұрлым солға қарай орналасқан болса, солғұрлым электрон оңай береді. Кернеу қатарының соңында орналасқан металдардың тотықсыздандырғыштық қасиеті әлсіз, олардың иондарының тотықтырғыштық қасиеті басым. Бос күйіндегі барлық металдарға тотықсыздандырғыштық қасиет тән, сондықтан олармен әрекеттескен барлық заттар тотықтырғыш есебінде әрекеттеседі.

Металдардың О , Н және қышқылмен әрекеттесуі.

Активтілігі күшті метал, сілтілік, сілтілік жер металдар (Li, K, Na, Ca) ауадағы О-мен қалыпты жағдайда оңай әрекеттеседі.

2K + O₂ = K₂ O

Na, О-мен әрекеттескенде оксид емес, пероксид түзеді. Na₂ О₂-ны Na₂ О-ы Na-мен тотықсыздандыру арқыл алады.

Кернеу қатарының орта тұсында орналасқан металдар ауада О-мен тотғып, жұқа қабық түзеді. Түзілген қабық металды әрі қарай тотығудан қорғайды. (Zn, Ni, Sn) Al + O₂ = Al ₂O₃

Ылғал ауада метал О₂-мен тотығады.

4Fe + 6H₂ O + 3O₂ = 4Fe(OH)₃ теңдеу металдардың коррозиясы процесін көрсетеді.

Cu, Hg О-мен қыздырғанда ғана әрекеттеседі.

Cu + O = CuO6, Au, Pt, Ag O-мен жоғарғы t –да әрекеттеспейді(тотықпайды).

Сілтілік, сілтілік жер металдар сумен қызу әрекеттеседі, негіз түзеді және газобразы Н бөлінеді.

Na + H₂ O = NaOH + Н₂ + Q

Кер. қат. Н-ден бұрын орналасқан басқа металдар сумен қыздырғанда ғана әрекеттеседі.

Zn +H₂ O Zn(ОН) ₂ +Н₂

Н-тен кейін орналасқан металдар сумен әрекеттеспейді. Ме сумен әрекеттескенде Н ионы тотықтырғыш болып табылады. Ме қышқылмен әрекеттескенде Н ығыстырып шығарады (Н т-т) Н-бөлінеді.

Са +НСІ = CaCl₂ +H₂

Zn +H₂ SO₄ = ZnSO₄ +H₂

H ₂SO₄ (конц) Ag-ге дейін тұрған металдарды тотықтырады,

тотықтырғыш S

Pb + H₂ SO₄ = PbSO₄ + SO₂ +2H₂ O реакция кезінде

Pb – 2e =Pb H₂ SO₄ тотықсыздану өнімі

S +2e = S есебінде диоксид S.

HNO₃ -де Ag -ке дейінгі Ме мен тотықтырғыш есебінде әрекеттеседі. Өнім HNO₃ (конц.) байланысты NO , NO₂, N₂ O₃, N₂ және NH ₃ болуы мүмкін.

Қышқыл неғұрлым сұық болса, метал неғұрлым солға қарай орналасқан болса, тотықсыздану процесі соғұрлым терең жүреді.

Mg + HNO₃ = Mg(NO₃)₂ + NH₄ NO₃ +5H₂ O

M g -2e Mg 8 4

N +8e N 2 1

Z n +8HNO₃ = 3Zn(NO₃ )₂ +2NO +4H₂ O

Z n -2e Zn 3

N +3e N 2

Cu +4HNO₃ = Cu (NO₃ )₂ + 2NO + 2H₂ O

C u -2e Cu 1

N +1e N 2

Конц. Н₂ SО₄ ,Н NO₃ кейбір актив металдар әрекеттеспейді. Оксид пленкасы немесе тұз пленкасы түзіледі. Мысалы: Н NO₃ конц. Al, Cr, Fe әрекеттеспейді. Салқын Н₂ SО₄ Al мен пассирует.

Кернеу қатарының соңында орналасқан Au6 Pt тотығуы қиын. Au6Pt ертуге HCl:HNO пайдалынады.

Au + HNO₃ + HCl = AuCl₃ +NO +2H₂ O

A u -3e=Au 3

N +3e=N 3

Металдардың басқада тотықтырғыштармен әрекеттесуі.

Металдар жай және күрделі заттармен әрекеттеседі S,H,N,P тотықтар, тұздар.

Cu +Cl₂ =CuCl ₂

Fe +S =FeS

Металдар оксидпен,тұзбен әрекеттескенде тотырғыш басқа металдар ионы. Металдың оксидпен әрекеттесуіне металургияның бір тәсілі – алюминотермия негізделен.

Al +Cr₂ O₃ = Cr +Al₂ O₃ + Q Al актив метал Cr –ды оксидтен

т-т-сыздандырады

Zn +Cu(SO₄ )₂ = ZnSO₄ + Cu

Метал қосылыстары

Гидрид, карбид, нитриттер және олардың қасиеттері.

Ме сумен қосылысы гидриттер деп аталады. Сутегі гидрідінде теріс тотығу дәрежесін көрсетеді.

Li + H₂ = LiH

Li -1e= Li⁺ 2

H₂ +2e= 2H ^-1

Гидриттер күшті тотықсыздандырғыш қасиет көрсетеді, сумен әрекеттесіп газобр. Сутек бөледі. ТіН₄ + Н₂ О =ТіО(ОН₎₂ +4Н₂

Ме көмірмен қосылысы карбид деп аталады. Көмір металмен температура арқылы әрекеттескенде карбид түзіледі. Карбидтерді Оксидтерден электропечтерде алудың техникалық маңызы бар. СаО+ С = CaC + CO

Жер карбидтері сумен әрекеттескенде қанықпаған көмір сутектері түзіледі.

СаС +Н₂ О = C₂ H₂ + Ca(OH)₂ ацителен

Al C + H₂ O = C₂H₂ +Al(OH)₃ метал

Жоғары температурада кейбір металдар N -пен нитрид түзеді.

Mg +N₂ = Mg ₃ N₂ Mg нитриді

Сумен әрекеттескенде нитриттер NH₃ бөледі.

Mg ₃N ₂+ H ₂O =N H₃ +Mg(OH)₂

Метал оксидттері , гидроксидтері.

Ме оттегімен негіздік, қышқылдық, амфоторлық оксид түзеді.

Mn₂ O₇ + H₂ O = HМnO₄ CuO +HCl =CuCl₂ +H₂ O

Na₂ O +H₂ O = NaOH N₂O₅ +NaOH =Na NO₃ +H₂ O

CrO ₃+ H₂ O= H ₂CrO₄ Ca(OH)₂ +H₂ CO₃ = CaCO₃ +2H₂ O

Na₂ O +CrO₃ =Na₂ CrO₄ Al₂ O₃ +N₂ O5 =Al(NO₃ )₃

Al₂ O₃ +K₂ O = K₃АlO₃

Жоғарғы тотығу дәрежесіндегі металдардың тотықтырғыштық қасиет.

Тотықтырғыштық қасиет Mn , Cr , Pb қосылыстарында күшті білінеді.

KМnO₄ + FeSO₄ +H ₂SO ₄= K₂ SO₄ +MnSO₄ + Fe₂ (SO₄ ) ₃ +H₂ O

PbO₂ +HCl= PbCl₂ +H₂ О

Ag, Au, Pt –иондары тотықтырғыштық қасиет көрсетеді.

AgNO₃ = Ag+NO₂ +O₂

Ag⁺ +e =Ag⁰

N ⁵⁺ +e= N⁴⁺

O^2- -2e = O₂⁰

Реакциядан көрініп тұрғандай Ag күшті тотықтырғыш О-ден электрон тартып ала алады.

Периодтық жүйедегі орыны: Олар I-A және II-А топтарды құрайды. Гелий VII-А топқа кіреді.

Жалпы сипаттамасы: Барлық s – элементтердің саны 14. Сыртқы энергетикалық деңгейінің құрылысы ns¹ болатын (сутектен басқа) I-А топ элементтерін сілтілік металдар (с.Ме) деп атайды. Li, Na, K, Rb, Cs, Fr II-А топ элементтерін (Be, Mg және сілтілік жер Ме (с.-ж.Ме): Ca, Sr, Ba, Ra) сыртқы энергетикалық деңгейінде екі электрон болады, олардың біреуі қозған кезде n деңгейден бос р-деңгейшеге ауысады (ns¹p¹).

s-Ме катиондарының электрондық қабаты қатты болады. Li⁺ және Ве²⁺ 1s², басқа катиондар ns²p⁶. Валентті электрондар – ns¹ I-А топ және ns² – II-А топ.

(s-Ме)=const= топ №; Т.Д. (s-Ме)=const= (+) топ №. Т.Д. (Н) = -1, +1.

Т.Д.(Н)=-1 тек қатты гидридтерде жалпы формуласы акт.Ме-Н (NaH…)

В – валенттілігі Т.Д. – элементің қосылыстағы тотығу дәрежесі.

s-Ме физикалық қасиеттері. Жеңіл, жұмсақ, оңай балқиды, күмістей ақ

s-Ме химиялық қасиеттері. Аса активті Ме. Тотықсыздандырғыш қасиеттері топша бойынша өседі, ал период бойынша I- топ s-Ме ¬ II-топ s-Ме.

Олар үшін суда тотықтырғыш бола алады.

2Ме + 2НОН қыздырусыз ® Н₂ + 2МеОН – I-А топша

немесе Ме(ОН)₂ – IIА топша

Mg сумен қыздырғанда әрекеттеседі, ал Ве- сілті қатысуымен:

Mg + Н₂О = MgО + Н₂; Ве + 2Н₂О + 2КОН = К₂[Ве(ОН)₄] + Н₂

Сондай күшті тотықсыздандырғышты сутекті гидрид ионға дейін Н^- тотықсыздандырады: 2Na + H₂ = 2NaH

s-Ме тікелей галогендермен Г₂, күеіртпен S, оттекпен O₂, азотпен N₂ және фосформен Р (Na, K, Rb, Cs басқалары), көміртекпен C (Na, K, Rb, Cs басқалары) әркеттесіп: галогенидтер (Г¯), сульфидтер (S^-2) немесе полисульфидтер; оксидтер (O^-2); пероксидтер (О^-1) немесе надпероксидтер (O^-1/2) және озонидтер (О^-1/3); нитридтер (N^-3) және фосфидтер (Р^-3); карбидтер түзеді.

II топтың s-Ме және Li оттекте жанғанда оксидтерді МеО және Li₂О, натрий ® пероксидті Na₂O₂. Калий, рубидий ® надпероксидтері КО₂, RbO₂

Цезий ® озониді CsO₃. Сондықтан с.Ме оксидтерін (Li басқа) басқа жолмен алады: 2Na₂O₂ ® O₂ + 2Na₂O; 4KO₂ ® 3O₂ + 2K₂О

s-Ме – Na₂O₂, KO₂, NaH, СаС_2, Mg₂ – Э^-4 типтік бинарлы қосылыстары судың әсерімен толық ыдырап гидроксидтер түзеді

Na₂O₂ +2HOH ®H₂O₂ +2NaOH; NaH + HOH ® H₂­ + NaOH;

Mg₃N₂+HOH = 2NH₃­+3Mg(OH)₂; Mg₂Si +HOH ®SiH₄­+Mg(OH)₂

СаС₂ + НОН = С₂Н₂­ +Са(OH)₂;

s-Ме оксидтері мен гидроксидтері жалпы формулалары Ме₂О

МеОН (I-А топ) және МеО – Ме(ОН)₂ (II-А топ) ВеО – Ве(ОН)₂ басқалары негіздік сипат көрсетеді. Метал гидроксидтері ең күшті негіздер болып саналады. Сілтілерді қыздырғанда тек LiОН ыдырайды. Басқа сілтілердің ыдырау температурасы олардың балқу температурасынан төмен. Топша бойынша астына қарай және периодта МеОН¬Ме(ОН)₂ негіздердің күші өседі.

с.Ме және с.-ж.Ме гидроксидтерінің сулы ерітінділері сілтілік ортаны көрсетеді, яғни суда жақсы ериді.

Ве оксиді мен гидроксиді суда шамалы еріп қосалқалы қышқылдық-негіздік (амфотерлі) қасиет көрсетеді.

Мөлдір қанықпаған Са(ОН)₂ ерітіндісі – әк су. СаО – сөндірілмеген извест. Са(ОН)₂ – сөндірілген извест. Химия жағынан известі сөндіру операциясы СаО судың қосылу нәтижесінде өте көп мөлшерде жылу бөлініп шығатын реакция. Ол келесі схема бойынша жүреді: СаО + HOH ® Са(ОН)₂

s-Ме тұздары

s-Ме–тұздың катионы (бар. s-Ме): Ме₂SO₄ н/е МеSO₄…

Тұздың құрамы s-Ме – тұздың оксоанионы (тек Ве): Na₂ВеО₂…

s-Ме – тұздың гидроксоанионы (тек Ве): Na₂ [Ве(ОН)₄]

s-Ме тұздарының ерітінділерінің рН

•Орта қышқыл – Ве²⁺ және Mg ²⁺ күшті қышқылдардың тұздары (катион бойынша гидролиз)

•Орта сілті – Әлсіз қышқылдан түзілген сілтілік және жер-сілтілік металдар тұздары (анион бойынша гидролиз)

•Орта бейтарап – СКүшті қышқылдардан түзілген сілтілік және жер-сілтілік метаолдар тұздары (гидролизға ұшырамайды)

Судың кермектігін судағы Са²⁺ және Mg²⁺ [ммоль/л] иондарының санымен өлшейді. Табиғи жұмсақ су (< 2 ммоль/л); орташа кермекті (2-10 ммоль/л); аса кермекті (>10 ммоль/л).

Кермектіктің көрнісі: бу қазандарына кермекті су құйылса оның ішіне тасқаспақ тұрып, қазаның қабырғасының жылу өткізгіштігін төмендетіп, артық отын жағылып шығын артады. Кермек су технологиялық процестерге де, ішуге де жарамайды, сондықтан ондай суды алдын ала жұмсартады.

Уақытша (карбонаттық) кермектікті кетіру (Са және Mg гидрокарбонаттары)

қайнату

С а(НСО₃)_{2 (ер-ді)} Н₂О_(с) + СО_{2 (г)} + СаСО_{3 (қ.)}

қайнату

2 Mg(НСО₃)_{2 (ер-ді)} (MgОН)₂СО_{3 (қ.)} + 3СО_{2 (г)} + Н₂О_(с)

Жалпы кермектікті кетіру (суда еритін кальций және мангийдің басқа тұздарының болуына байланысты болатын карбонаттық және карбонаттық емес кермектік).

· Сода-известк әдісі:

Са(НСО₃)_{2 (ер-ді)} + Са(ОН)_{2 (ер-ді)} = 2СаСО_{3 (қ.)} + 2Н₂О _(с)

Mg(НСО₃)_{2 (ер-ді)} + Са(ОН)_{2 (ер-ді)} = Mg(ОН)_{2 (қ.)} + СаСО_{3 (қ.)} + Н₂О_(с) + СО_{2 (г)}

Гидрокарбонаттар болмаған кезде сода Nа₂СО₃ қосу Са²⁺ СаСО₃, ал Mg²⁺ Mg(ОН)₂ түрінде кетіреді.

СаС1₂ + Nа₂СО_{3 (ер-ді)} + Н₂О = СаСО_{3 (қ)} + 2 NаС1

MgSO_{4 (ер-ді)} + 2Nа₂СО_{3 (ер-ді)} + Н₂О = Mg(ОН)_{2 (қ.)} + 2NаНСО₃ + Nа₂SO₄

· Суда еритін фосфаттарды қосу:

3МеС1_{2 (ер-ді)} + 2Nа₃РО_{4 (ер-ді)} = Ме₃(РО₄)_{2 (қ.)} + 6NаС1_(ер-ді); (Ме²⁺: Са²⁺, Mg²⁺)

· Кермек суды Н-түрдегі (RН₂) немесе натрий түрдегі (RNа₂) катионит арасынан өткізу.

Н⁺ немесе Nа⁺ катиониттері Са²⁺ және Mg²⁺ катиондарына алмасады:

RН₂ + Са²⁺ = RСа + 2Н⁺

s-элементтердің және олардың қосылыстарының тотығу-тотықсыздану қасиеттері.

S-элементтер (сутектен басқа) екі тотығу дәрежесін көрсетеді: жай затта «0» және қосылыстарда «+» топтың № тең.

· Бос s-Ме күшті тотықсыздандырғыштар.

· Неғұрлым электрод потенциалының (Е⁰) Ме^п+∕Ме шамасы кіші болса, соғұрлым бос металдың тотықсыздандырғыш қасиеті үлкен болады.

s-Ме (+) иондарының тотықтырғыш қасиеті туралы талқылаудың мағынасы жоқ, өйткені барлық тотығу-тотықсыздану жұптарының арасында олардың потенциалдарының шамасы ең кіші (теріс).

· Т.Д.(Н)= -1; 0; +1. Сілтілік металдар гидридтері (NaH…) Н¯ ионы арқылы күшті тотықсыздандырғыштар болыпады: NaH + НОН = Н₂ + NaОН

· Бос сутек (Т.Д.=0) ТТР екі жақтылық көрсетуі мүмкін, бірақ оның тотықсыздандырғыш қасиеттері басым болғандықтан оны металургияда (сутектермия) аса таза металдар алу үшін пайдаланады:WO₃ +3H₂.= W +3Н₂О↑

· Н⁺ иондары (қышқылдар ерітіндісі) ТТР-да тотықтырғыш болады.

Мысалы: НС1 + Zn→Да;

НС1 +Cu→Жоқ. Е⁰ Zn²⁺ ⁄ Zn = -0,76В; Е⁰ Cu²⁺ ⁄ Cu = +0,34В

Сутек пероксиді Н₂О₂ және s-Ме пероксидтері (Na₂O_2…) оттектің аралық тотығу дәрежесі –1 тең болғандықтан (min= -2, max = +2) тотығу-тотықсыздану қасиетін көрсетеді.

· Орта тұздардың термиялық ыдырауы