Свойства металлов

• Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)

• Хорошая электропроводность

• Возможность лёгкой механической обработки (см.: пластичность; однако, некоторые металлы, например германий и висмут, непластичны)

• Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)

• Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)

• Большая теплопроводность

• В реакциях чаще всего являются восстановителями

• Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

• В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

• Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.

• Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

• Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

• Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света — это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий — из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Классификация металлов

Все металлы условно поделены на черные и цветные. Черные металл обычно имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Некоторые из них (железо, титан, кобальт, марганец, цирконий, уран и др.), обладают полиморфизмом (аллотропией). Наиболее типичным черным металлом является железо.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. Они обладаю большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. Известно, что олово имеет полиморфизм. Типичный представитель – медь.

К черным металлам относятся:

• − железные металлы – железо, кобальт, никель, марганец;

• − тугоплавкие металлы; имеют температуру плавления выше чем у железа, т.е. более 15390С

• - титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, технеций, гафний, рений;

• − урановые металлы (актиноиды) – торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (с 89 до 103 элемента);

• − редкоземельные металлы (с 57 -71 элементы), лантан, церий, ниодим и д.р.;

• − щелочноземельные металлы

• - литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, родий, скандий.

К цветным металлам относятся:

• − легкие – бериллий, магний, алюминий;

• − благородные металлы

• - рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото, серебро и полублогородная медь;

• − легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.

Единой классификации металлов нет. Чаще всего их классифицируют по какому-либо характерному признаку:

1. По плотности металлы подразделяются на легкие (плотность < 5 г/см³) и тяжелые (плотность > 5 г/см³). Примером самого легкого металла может служить литий, его плотность равна 0,53 г/см³, самого тяжелого - осмий, его плотность равна 22,48 г/см³.

2. По температурам плавления металлы делят на легкоплавкие, имеющие температуру плавления менее 800 °С (например, температура плавления калия - 63,6 °С, цинка - 419 °С), и тугоплавкие, которые имеют температуру плавления выше 800 °С (например, температура плавления хрома 1850 °С, марганца - 1247 °С). Это деление условное, очень зависит от степени чистоты металла. Чем он более чист, чем меньше содержит примесей, тем выше у него температура плавления.

Принято классифицировать металлы по положению их в периодической таблице Д. И. Менделеева:

1. Щелочные металлы (s-элементы I группы).

2. Щелочно-земельные металлы (s-элементы II группы).

3. Благородные металлы (d-элементы VIII группы Ru, Rh, Pd, Pt, Ir, Os, а также золото и серебро).

4. Редкоземельные металлы (лантаноиды, актиноиды, ванадий, молибден).

5. Цветные металлы, т. е. металлы, которые сами или их соединения имеют характерную окраску (медь, висмут и др.).

6. Черные металлы - железо и его сплавы.

7. Способы получения металлов

8. Существуют несколько основных способов получения —металлов. Восстановление: — из их оксидов углем или оксидом углерода (II) ZnО + С = Zn + СО Fе₂О₃ + ЗСО = 2Fе + ЗСО₂ — водородом WO₃ + 3H₂ =W + 3H₂O СоО + Н₂ = Со + Н₂О — алюминотермия 4Аl + ЗМnО₂ = 2А1₂О₃ + ЗМn Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов (например, углем) 2ZnS + ЗО₂ = 2ZnО + 2SО₂ ZnО + С = СО + Zn Электролизом расплавов солей СuСl₂, — Сu₂+ 2Сl Катод (восстановление): Анод (окисление): Сu₂+ 2е^- = Сu0                    2Cl - 2е^- = Сl°₂

9. Основные способы получения металлов. Металлы получают из руд, т.е. исходного сырья, в котором содержится экономически приемлемое количество металла. По мере истощения руд уменьша­ется экономически приемлемое содержание в них металла и повы­шается его стоимость.

10. Предварительно руда обрабатывается для увеличения концен­трации металла путем отделения пустой породы и разделения ос­татка на различные фракции. Последующие операции заключаются в получении соединения металла, из которого удобно выделить ме­талл тем или иным способом. Так как большинство металлов в природе находится в окисленном состоянии, то извлечение их ос­новано на восстановлении из тех или иных соединений в растворах при невысокой температуре) или расплавах (при повышенных

11. 1гмпературах).

12. Восстановление проводят химическими или электрохимически­ми способами. Химическое восстановление заключается во взаимо­действии соединений металлов с углем, водородом или металла­ми-восстановителями. Например, при взаимодействии оксидов же-еза со специально обработанным углем (коксом) образуется чугун. J помощью водорода получают вольфрам, молибден, кобальт и ругие металлы, например, по реакции:

13. WO₃ + ЗН₂ = W + ЗН₂О

14. Многие металлы производят взаимодействием соединений ме-ллов с другими металлами, например:

15. BeF₂ + Mg = Be + MgF₂ Таким способом получают кадмий, олово, хром, серебро, титан И другие металлы. Кроме магния восстановителями обычно служат Цинк и алюминий. Электролизом из растворов осаждают медь, ни-Ксль, серебро, хром, кадмий, индий, олово и другие металлы. Элек-1ролизом из расплавов осаждаются сильные восстановители, такие, Как щелочные металлы, магний и алюминий.

16. Получение чистых металлов. Свойства металлов зависят от со­держания в них примесей. Например, титан долгое время не на­ходил применения из-за хрупкости, обусловленной наличием примесей. После освоения методов очистки области применения титана резко расширились. Содержание лишь 0,03 % (масс, ноли) мышьяка приводит к снижению электрической проводи­мости меди на 14%. Особенно большое значение имеет чистота материалов в электронной и вычислительной технике и ядерной

17. шергетике.

18. В зависимости от суммарной атомной доли примесей (от 10'¹ до 10~¹⁰%) различают 10 классов чистоты веществ. Если те или иные примеси особенно нежелательны для данной области при­менения материала, то оговаривают допустимое содержание этих примесей. Например, атомная доля бора, гафния и кадмия в ма­териалах атомной энергетики не должна превышать 10"⁴ — 10"⁶%. Стоимость материалов возрастает по мере повышения их степе-

19. ни очистки.

20. очистки.

21. Все методы очистки металлов можно разделить на химические

22. 1изико-химические. Химические методы очистки заключаются во взаи­модействии металлов с теми или иными реагентами, образующи­ми с основными металлами или примесями осадки или газооб­разные продукты. Из-за контакта металла с реагентами и мате­риалами аппаратуры не удается достичь высокой степени чисто­ты металла. Более высокую степень очистки дают транспортные химические реакции (см. § 6.1), в которых металл с реагентом образует газообразные продукты, передаваемые в другую зону, где они разлагаются на чистый металл и исходный реагент, на пример

23. 

24. Физико-химические методы включают в себя электрохимические, дистилляционные, кристаллизационные и др.

25. При электрохимическом способе (рафиниро­вании) очищаемый металл служит анодом, чистый металл осаж­дается на катоде электролизера, примеси переходят либо в рас­твор электролита, либо в виде осадка накапливаются в шламе (см. гл. 9). Дистилляционные методы заключаются в испарении жидкого (например, ртути) или расплавленного ме­талла с последующей конденсацией паров. Отделение примесей обусловлено разной температурой испарения основного металла и примеси.

26. Кристаллизационные методы основаны на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металлах. Они включают зонную плавку, кристаллизационное вытягивание из расплава и др. Особенно широко применяют зонную плавку, заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня) медленно перемещается зона нагрева и соответствен­но зона расплавленного металла. Некоторые примеси концен­трируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие — в начале слитка. После многократных прогонок отрезают началь­ную и концевую части слитка, остается очищенная средняя часть металла.                                                                           

Распространенность в природе

В природе значимые скопления фтора содержатся в основном в минерале флюорите (CaF₂), содержащем по массе 51,2 % Ca и 48,8 % F.

Относительно богаты фтором растения чечевица и лук

Содержанием в почве фтор обязан вулканическим газам, за счёт того, что в их состав обычно входит большое количество фтороводорода.

Промышленный способ получения фтора включает добычу и обогащение флюоритовых руд, сернокислотное разложение их концентрата с образованием безводного HF и его электролитическое разложение.

Для лабораторного получения фтора используют разложение некоторых соединений, но все они не встречаются в природе в достаточном количестве и их получают с помощью свободного фтора.

Получение металлов

Лабораторный метод

• В лабораторных условиях фтор можно получать с помощью показанной установки. В медный сосуд 1, заполненный расплавом KF·3HF помещают медный сосуд 2, имеющий отверстия в дне. В сосуд 2 помещают толстый никелевый анод. Катод помещается в сосуд 1. Таким образом, в процессе электролиза газообразный фтор выделяется из трубки 3, а водород из трубки 4. Важным требованием является обеспечение герметичности системы, для этого используют пробки из фторида кальция со смазкой из оксида свинца (II) и глицерина.

• В 1986 году, во время подготовки к конференции по поводу празднования 100-летия открытия фтора, Карл Кристе открыл способ чисто химического получения фтора с использованием реакции во фтороводородном растворе K₂MnF₆ и SbF₅ при 150 °C:

2K₂MnF₆ + 4SbF₅ → 4KSbF₆ + 2MnF₃ + F₂

Хотя этот метод не имеет практического применения, он демонстрирует, что электролиз необязателен, кроме того все компоненты для данных реакций могут быть получены без использования газообразного фтора.

Также для лабораторного получения фтора можно использовать нагрев фторида кобальта(III) до 300 °С, разложение фторидов серебра (слишком дорого) и некоторые другие способы.