Самые тяжелые металлы в мире. Взаимодействие металлов с неметаллами

Подавляющее большинство простых веществ – это металлы. Физические свойства металлов – это непрозрачность, специфический "металлический" блеск, высокие тепло- и электропроводность, а также пластичность. Именно благодаря этим свойствам металлы сыграли решающую роль в истории человечества.

Какова причина того, что металлы имеют такие свойства и почему они так отличаются от неметаллов? Периодический закон и теория строения атома объяснили структуру и свойства металлов. Оказалось, что металлические свойства элементов обусловленные электронным строением их атомов.

Металлы на внешних электронных оболочках имеют 1–4 электрона. Эти электроны подвижные, так как слабо притягиваются ядром. Через это металлы легко отдают все или часть внешних электронов, вследствие чего возникают положительно заряженные ионы – катионы. Чем легче металлы теряют свои электроны, тем они активнее и тем сильнее выражены их металлические свойства.

В атомах неметаллов на внешних электронных оболочках много электронов 4–8, за исключением водорода (1) и бора (3). Эти электроны сильно притягиваются ядром и поэтому оторвать их от атома очень тяжело. Но атомы неметаллов могут присоединять избыточные электроны и превращаться в отрицательно заряженные ионы – анионы.

Все металлы, за исключением жидкой , при обычных условиях твердые и имеют кристаллическую структуру. Свойства металлов тесно связаны со строением их . В узлах кристаллической решетки размещены атомы и ионы (катионы), причем количество ионов и электронов в кристаллах разные металлы имеют неодинаковое. Внешние электроны, поскольку они подвижны и слабо притягиваются ядрами, образовывают так называемый "электронный газ", который "блуждает" между ионами в кристалле. "Электронный газ" принадлежит не отдельным ионам, а кристаллу в целом. Именно благодаря наличию в кристаллической решетке металлов таких подвижных электронов можно объяснить их высокие электро- и теплопроводность. "Электронный газ" хорошо отражает свет (поэтому металлы непрозрачны и имеют характерный блеск), а также короткие радиоволны. Последнее свойство металлов положено в основу радиолокации.

Металлы можно ковать и их способность к вытягиванию поясняется скольжением (перемещением) одних пластов ионов относительно других.

Как уже отмечалось, чем легче металлы отдают свои валентные электроны, тем они активнее и, поэтому, легче вступают в химические реакции. Более активные металлы вытесняют менее активные с их соединений. Кроме того, многие металлы вытесняют водород с некоторых кислот, а также из воды. Исходя из этого, все металлы можно расположить в так называемый ряд активностей, или электрохимический ряд напряжений.

Платиновые металлы, золото и серебро издавна называют благородными. Они химически довольно инертные, и поэтому не реагируют ни с водой, ни с многими кислотами. Как и благородные металлы ведут себя титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал, молибден, вольфрам и рений, которые также химически пассивные. Они жароустойчивые и имеют замечательные механические свойства. Именно поэтому эти металлы и их сплавы играют огромную роль в современной авиации, ракетостроении и ядерной энергетике.

Cтраница 1

Характерный металлический блеск обусловлен взаимодействием электромагнитных световых волн со свободными электронами.

Непрозрачность и характерный металлический блеск металлов обусловлены структурой энергетических уровней металлов. В этом случае электрон из валентной зоны, поглощая квант света, переходит в зону проводимости. Свет не отражается, а поглощается. В то же время металлам характерен блеск, который появляется в результате испускания света при возвращении возбужденных светом электронов на более низкие энергетические уровни.

Металлы обладают характерным металлическим блеском в изломе, пластичностью (ковкостью), а также высокой электро - и теплопроводностью.

Металлы обладают характерным металлическим блеском; кроме того, они хорошо проводят тепло и электрический ток.

Металлы отличаются характерным металлическим блеском, ковкостью, тягучестью, могут прокатываться в листы или вытягиваться в проволоку, обладают хорошей тепло - и электропроводностью. При комнатной температуре все металлы (кроме ртути) находятся в твердом состоянии.

Радий обладает характерным металлическим блеском, быстро исчезающим под действием воздуха. Возможно, на воздухе поверхность радия покрывается пленкой нитрида радия. Металлический радий разлагает воду с образованием гидроокиси и выделением водорода.

Металлы отличаются характерным металлическим блеском, ковкостью, тягучестью, могут прокатываться в листы или вытягиваться в проволоку, обладают хорошей теплопроводностью и электрической проводимостью. При комнатной температуре все металлы (кроме ртути) находятся в твердом состоянии.

Cтраница 2

Железо, медь и алюминий имеют характерный металлический блеск.

Изучая твердые вещества, не имеющие характерного металлического блеска, мы замечаем, что их электропроводность очень низкая. К ним относятся вещества, которые мы называем ионными - хлористый натрий, хлористый кальций, нитрат серебра и хлористое серебро, а также молекулярные кристаллы, например лед. Лед, изображенный на рис. 5 - 3, состоит из тех же молекул, которые существуют в газовой фазе, но упорядочение расположенных в кристаллической решетке. Эти плохие проводники электрического тока сильно отличаются от металлов почти по всем свойствам. Таким образом, электропроводность может быть использована для классификации веществ, которая является однош из наиболее обоснованных.

Металлами называются простые кристаллические вещества, имеющие характерный металлический блеск, хорошо проводящие тепло и электрический ток, способные изменять свою форму под действием внешних усилий и сохранять ее после снятия нагрузки без каких-либо признаков разрушения. Из всего количества химических элементов, известных в настоящее время, восемьдесят элементов относятся к металлам. Наиболее распространенными в земной коре металлами в виде химических соединений являются алюминий, железо, магний, калий, натрий и кальций. Чистые металлы имеют ограниченное применение в технике, так как в природе встречаются крайне редко, а получение их из химических соединений (руд) связано с большими трудностями.

В результате водородной коррозии поверхность стали теряет характерный металлический блеск и становится матовой.

Полимеры представляют собой тонкодисперсные окрашенные порошки с характерным металлическим блеском, растворимые лишь в концентрированной серной кислоте.

Все d - элементы являются металлами с характерным металлическим блеском. По сравнению с s - металлами их прочность значительно выше.

Не растворившийся иод образует хорошо видимую пленку с характерным металлическим блеском (плавающую на поверхности раствора) или собирается на дне колбы в виде черных частичек. Так как раствор иода окрашен в интенсивно красный цвет и почти не прозрачен, рассматривать его нужно очень тщательно, держа колбу против яркой электрической лампы, висящей на потолке. Для этого нужно встать под лампой, держа колбу за горло в наклонном положении между лампой и лицом, и стараться увидеть в ней яркое изображение лампы. На таком фоне не растворившиеся кристаллы иода хорошо заметны. Тогда кристаллы обоих веществ соберутся в одном месте и вокруг кристаллов иода создастся зона концентрированного раствора KJ, в котором иод быстро растворится.

Все щелочные металлы - вещества серебристо-белого цвета, с характерным металлическим блеском, хорошей электро - и теплопроводностью, низкими температурами плавления и сравнительно низкими температурами кипения, малой плотностью и большим объемом атомов. В парообразном состоянии их молекулы одноатомны; ионы бесцветны.

По внешнему виду темно-фиолетовые, почти черные кристаллы с характерным металлическим блеском. Хорошо растворяется в воде. Марганцовокислый калий относится к числу сильных окислителей, чем и обусловлены его дезинфекционные свойства.

Химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью (см. Химическая связь). Из 110 известных химических элементов (см. Периодическая система химических элементов) 88 - металлы и только 22 - неметаллы.

Такие металлы, как золото, серебро и медь, известны человеку с доисторических времен. В древние и средние века считали, что существует только 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть). М. В. Ломоносов определял металл как «светлое тело, которое ковать можно» и относил к металлам золото, серебро, медь, олово, железо и свинец. А. Лавуазье в «Начальном курсе химии» (1789) упоминал уже 17 металлов. В начале XIX в. последовало открытие платиновых металлов, затем щелочных, щелочноземельных и ряда других.

Триумфом периодического закона было открытие металлов, предсказанных на его основе Д. И. Менделеевым,- галлия, скандия и германия. В середине XX в. с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы - не существующие в природе радиоактивные металлы.

Современная металлургия получает свыше 60 металлов и на их основе более 5000 сплавов.

В основе структуры металлов лежит кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов. Эти электроны компенсируют силы электрического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их в твердые тела.

Такой тип химической связи называют металлической связью. Она обусловила важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.

Пластичность - это способность металлов изменять форму при ударе, прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходит смещение атомов и ионов кристаллической решетки, однако связи между ними не разрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образующие связь. Пластичность металлов уменьшается в ряду Au, Ag, Си, Sn, Pb, Zn, Fe. Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной до 0,003 мм, которые используют для золочения.

Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры колебания ионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурах колебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, и электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводник электричества - серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Также изменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов.

Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют плотность, температура плавления и твердость. Самый легкий из металлов - литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый - осмий (22,6 г/см3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см3 называются легкими, остальные - тяжелыми. Температуры плавления металлов различаются очень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температура плавления вольфрама +3410° С. При обычных условиях единственный жидкий металл - ртуть. В парообразном состоянии все металлы одноатомны, их кристаллическая решетка разрушается.

Металлы различаются по твердости. Самый твердый из них - хром - режет стекло, а самые мягкие - калий, рубидий и цезий - легко режутся ножом. Прочность, температура плавления и твердость зависят от прочности металлической связи. Она особенно велика у тяжелых металлов.

В технике сплавы на основе железа, т. е. чугун, сталь, а гакже само железо называют черными металлами, все остальные металлы называются цветными. Существуют и другие классификации металлов (см. Периодическая система химических элементов).

Химические свойства металлов определяются слабой связью валентных электронов с ядром атома. Атомы сравнительно легко отдают их, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. В этом их главное и наиболее общее химическое свойство.

Очевидно, как восстановители металлы должны вступать в реакции с различными окислителями, среди которых могут быть простые вещества (неметаллы), кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. Соединения металлов с кислородом называются оксидами, с галогенами галогенидами, с серой - сульфидами, с азотом -нитридами, с фосфором - фосфидами, с углеродом - боридами, с водородом - гидридами и т. д. Многие из этих соединений нашли важное применение в технике.

При взаимодействии металлов с кислотами окислителем является ион водорода Н + , который принимает электрон от атома металла:

Mg - 2e - = Mg 2+

_________________

Mg + 2H + = Mg 2+ + H 2

Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (ряду напряжений) левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород из разбавленных кислот типа НСl или H2SO4, а металлы, стоящие правее водорода, его не вытесняют.

Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активных металлов можно иллюстрировать примером:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Сu

В этом случае происходит отрыв электронов от атомов более активного металла - цинка и присоединение их ионами менее активного Си2+. Руководствуясь рядом стандартных электродных потенциалов, можно сказать, что металл вытесняет (восстанавливает) из растворов их солей многие следующие за ним металлы.

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) взаимодействуют и с водой, которая в этом случае выступает в роли окислителя.

Металлы, гидроксиды, которые амфотерны (см. Амфотерность), как правило, взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей.

Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Такие соединения обычно образуют типичные металлы с металлами, обладающими слабыми металлическими свойствами, например определенные соединения натрия со свинцом:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, интерметаллических соединений, или металлидов.

Рассмотренные свойства металлов, связанные с отдачей электронов в химических реакциях, называют металлическими. В различной степени ими обладают все химические элементы. О металлических свойствах судят, сопоставляя электроотрицательности элементов. Эта величина, выраженная в условных единицах, характеризует способность атома в молекуле притягивать электроны. Относительные значения электро-отрицательностей элементов приведены в таблице. Чем меньше электроотрицательность, тем сильнее выражены металлические свойства элементов.

В процессе изготовления изделий методом художественной обработки металла используют как драгоценные, так и недрагоценные металлы и их сплавы. К драгоценным относятся золото, серебро, платина и металлы платиновой группы: палладий, рутений, иридий, осмий, а к недрагоценным - черные металлы - сталь, чугун - и цветные металлы - медь, латунь, бронза, алюминий, магний, мельхиор, нейзильбер, никель, цинк, свинец, олово, титан, тантал, ниобий. Используют также в виде небольших добавок для изменения свойства сплавов или в качестве покрытий кадмий, ртуть, сурьму, висмут, мышьяк, кобальт, хром, вольфрам, молибден, марганец, ванадий.

Алюминий. Этот мягкий серебристо-белый металл легко прокатывается, тянется и режется. Для повышения прочности в сплавы алюминия добавляют кремний, медь, магний, цинк, никель, марганец, хром. Из алюминиевых сплавов изготовляют литые архитектурные детали и скульптуры, а также ювелирные украшения.

Бронза. Это сплав меди с цинком, оловом, свинцом. Выпускают также и безоловянистые бронзы. В истории человечества целая эпоха носит название бронзового века, когда люди, научившись выплавлять бронзу, изготовляли из нее предметы быта, оружие, денежные знаки (монеты), украшения. В настоящее время из бронзы изготовляют памятники, монументальные скульптуры, а также предметы внутреннего убранства театров, музеев, дворцов, подземных вестибюлей станции метро.

Золото. С глубокой древности и до наших дней золото является самым распространенным металлом для изготовления ювелирных изделий, предметов сервировки стола и украшения интерьера. Широко применяют его в целях золочения черных и цветных металлов, а также для приготовления припоев. Золото в чистом виде - это металл красивого желтого цвета. Сплавы золота могут быть белого, красного, зеленого цветов, а также окрашенными в черный цвет. Золото - очень вязкий, пластичный и ковкий металл. Сплавы золота хорошо режутся, шлифуются и полируются. Золото не подвержено окислению. Оно растворяется только в селеновой кислоте и царской водке - смеси концентрированных кислот: одной части азотной и трех частей соляной.

Иридий. Этот металл внешне напоминает олово, но отличается от него высокой твердостью и хрупкостью. Иридий хорошо полируется, но трудно поддается обработке резанием. На него не действуют ни щелочи, ни кислоты, ни их смеси. Применяют иридий в ювелирном деле.

Латунь. Это сплав меди с цинком, применяемый для изготовления предметов сервировки стола и украшения интерьера (чеканок), а также различных ювелирных изделий, нередко посеребренных или позолоченных. Латуни успешно обрабатываются резанием, легко паяются, прокатываются, штампуются, чеканятся, никелируются, серебрятся, золотятся, оксидируются", по сравнению с чистой медью они более прочны и тверды, значительно дешевле и наряднее по цвету. Латунь с малым содержанием цинка (от 3 до 20%), называемая томпаком, имеет красновато-желтый цвет.

Магний. Этот металл в четыре раза легче бронзы. Сплавы, состоящие из магния, алюминия, марганца, цинка, а также меди и кадмия, применяют в последнее время для изготовления предметов украшения интерьера промышленных объектов.

Медь. Это мягкий, исключительно пластичный и вязкий металл, легко поддающийся обработке давлением: волочению, прокатке, штамповке, чеканке. Медь хорошо шлифуется и полируется, но быстро теряет блеск; ее затруднительно точить, сверлить, фрезеровать. Чистую или красную медь применяют для изготовления ювелирных филигранных изделий и предметов украшения интерьера - чеканок. Используют медь для приготовления припоев (медных, серебряных, золотых), а также в качестве добавки в различные сплавы.

Никель. Белого цвета, с сильным блеском металл, химически стойкий, тугоплавкий, прочный и пластичный; в чистом виде в земной коре не встречается. Применяют никель в основном для декоративно-защитного покрытия предметов сервировки стола и ювелирных украшений, а сплавы на основе никеля (мельхиор и нейзильбер), обладающие достаточной коррозионной стойкостью, прочностью, пластичностью и способностью легко прокатываться, чеканиться, штамповаться и полироваться, используют для изготовления предметов сервировки стола и украшения интерьера, а также ювелирных изделий.

Ниобий. Очень схож с танталом. Устойчив к воздействию кислот: на него не действуют царская водка, соляная, серная, азотная, фосфорная, хлорная кислоты. Ниобий растворяется только в плавиковой кислоте и ее смеси с азотной кислотой. В последнее время его стали применять за рубежом для изготовления ювелирных украшений.

Олово. В древности из олова чеканили монеты и изготовляли сосуды. Этот мягкий и вязкий металл по цвету темнее серебра, а по твердости превосходит свинец. В ювелирном деле его используют при приготовлении припоев и как компонент сплавов цветных металлов, а в последнее время, кроме того, для изготовления ювелирных изделий и предметов украшения интерьера.

Осмий. Это блестящий, синевато-серый металл, очень твердый и тяжелый. Осмий не растворяется в кислотах и их смесях. Применяют его в сплавах с платиной.

Палладий. Этот вязкий пластичный металл легко поддается ковке, прокатке. По цвету палладий темнее серебра, но светлее платины. Растворяется он в азотной кислоте и царской водке. Применяют палладий для изготовления ювелирных украшений, а также используют как добавки в сплавах с золотом, серебром, платиной.

Платина. Применяют платину для изготовления ювелирных украшений и в качестве декоративного покрытия. Пластичность, прочность, износостойкость, игра цвета - вот свойства платины, которые так привлекают ювелиров. Платина - это блестящий, белого цвета металл, очень ковкий, с большим трудом растворяется даже в кипящей царской водке - смеси трех частей азотной и пяти частей соляной кислот. В природе платина встречается с примесью палладия, рутения, родия, иридия, осмия.

Родий. Достаточно твердый, но хрупкий металл, по цвету напоминающий алюминий. Родий не растворяется в кислотах и их смесях. Используют родий для декоративного покрытия ювелирных изделий.

Рутений. Металл, внешне почти не отличающийся от платины, но более хрупкий и твердый. Применяют его в сплаве с платиной.

Свинец. Очень мягкий и вязкий металл, легко прокатывается, штампуется, прессуется, хорошо отливается. Свинец известен издревле и широко применялся для изготовления скульптур и декоративных деталей архитектуры. В ювелирном деле свинец используют для приготовления припоев и как компонент в сплавах.

Серебро. Этот металл очень широко применяют для изготовления предметов сервировки стола и украшения интерьера, различных ювелирных изделий, а также используют для приготовления припоев, в качестве декоративного покрытия и лигатуры в золотых, платиновых и палладиевых сплавах. Серебро обладает высокой пластичностью и ковкостью, хорошо режется, полируется, прокатывается. Оно тверже золота, но мягче меди, растворяется лишь в кислотах азотной и горячей серной.

Сталь. Сталь получают путем переплавки передельного (белого) чугуна. При производстве художественных изделий применяют сталь нержавеющую и вороненую - темного цвета (специально обработанную). Из нержавеющей стали изготовляют предметы сервировки стола и украшения интерьера, а в последнее время и ювелирные изделия, из вороненой стали - ювелирные украшения. Для придания изделиям из нержавеющей стали более нарядного вида их золотят или серебрят.

Тантал. Металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком, второй после вольфрама по тугоплавкости. Ему свойственны пластичность, прочность, хорошая свариваемость, коррозионная стойкость. Ювелирные фирмы западных стран применяют тантал для изготовления отдельных видов ювелирных украшений.

Титан. Это блестящий, серебристого цвета металл, легко поддающийся различным видам обработки: его можно сверлить, точить, фрезеровать, шлифовать, паять, клеить. По коррозионной стойкости титан сравним с драгоценными металлами. Он обладает высокой прочностью, имеет низкую плотность, является достаточно легким. В последнее время в зарубежных странах из титана изготовляют широкий ассортимент самых разнообразных ювелирных украшений.

Цинк. Это металл серовато-белого цвета с синеватым оттенком. Первые художественные изделия из цинка - декоративные скульптуры, барельефы - появились в XVIII веке. В конце XIX века из цинка методом художественного литья изготовляли подсвечники, настольные бра, канделябры, декоративные скульптуры, которые нередко тонировали под бронзу или золотили. В ювелирном деле цинк применяют для приготовления припоев, а также как один из компонентов в различных сплавах.

Чугун. Существуют следующие виды чугуна: литейный (серый), передельный (белый) и специальный. Для изготовления художественных изделий используют только литейный или серый чугун. Серый чугун - основной материал для художественного литья. Из него отливают вазы и скульптуры малых форм, ларцы и шкатулки, пепельницы и подсвечники, предметы садово-паркового назначения и многие другие изделия.