Глава 11. Общая характеристика металлов

Все элементы периодической системы условно делят на две группы: металлы и неметаллы. Если в периодической таблице элементов провести диагональ от бора к астату, то слева от нее все элементы являются металлами, а справа от нее - металлами (элементы побочных подгрупп) и неметаллами (главных). Элементы, расположенные вблизи этой диагонали (Al, Ti, Ga, Ge, Sb, Te, As), обладают амфотерными свойствами.

К металлам относятся элементы, имеющие на внешнем электронном уровне от одного до трех электронов, за исключением некоторых р-элементов, имеющих большее количество электронов на внешнем уровне: германий, олово, свинец, сурьма, висмут, полоний. Для них характерна низкая электроотрицательность и небольшая энергия ионизации.

Физические свойства

Все металлы, за исключением ртути - твердые вещества, обладают металлическим блеском, являются хорошими проводниками электрического тока, обладают пластичностью, упругостью, прочностью, высокой теплопроводностью. Большинство этих свойств обусловлено металлической связью.

Общие способы получения металлов

Большинство металлов встречаются в природе в виде различных соединений (оксиды, сульфиды, сульфаты и др.) Только наименее активные металлы встречаются в природе в свободном виде (Аu, Pt, Ag, Hg и др).

Область науки и техники, связанная с процессом получения металлов из их соединений, называется металлургией. В ходе всех металлургических процессов происходит восстановление ионов металлов.

Пирометаллургия - получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей: углерода, оксида углерода(II), водорода, металлов (алюминия, магния) (cм. например, главы 14, 15).

Гидрометаллургия - способ получения металлов, состоящий из двух процессов: а) природное соединение металла переводится в раствор, б) из полученного раствора данный металл вытесняется более активным металлом, например:

a) CuO + H₂SO₄  CuSO₄ + H₂O; б) CuSO₄ + Fe  Cu + FeSO₄

Электрометаллургия - получение металлов с помощью электролиза растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя в процессе электролиза играет электрический ток.

Химические свойства

Так как на внешнем электронном уровне у металлов небольшое количество электронов, то они, стремясь завершить свой внешний энергетический уровень, отдают электроны, являясь тем самым восстановителями. Поэтому в природе металлы встречаются в окисленном состоянии в виде руд. Восстановительная сила металлов зависит от количества электронов на внешнем энергетическом уровне и от радиуса атома. В периодах слева направо она уменьшается, в главных подгруппах сверху вниз - увеличивается. Самый сильный восстановитель - франций. Восстановительная активность металлов в химических реакциях, протекающих в водных растворах, характеризуется их положением в электрохимическом ряду напряжений металлов:

Электрохимический ряд напряжений иначе называется рядом стандартных электродных потенциалов (их значения представлены в таблице). Электродный потенциал - это разность потенциалов, возникающая в двойном электрическом слое на границе “металл - раствор”. Непосредственно измерить потенциал отдельного электрода (металла) невозможно. Поэтому электродные потенциалы измеряют относительно стандартного водородного электрода платиновой пластинки, погруженной в раствор, содержащий ионы водорода с концентрацией 1 моль/л (напри-мер, в раствор серной кислоты), и омываемой водородом при нормальных условиях. Потенциал водородного электрода принят равным нулю. Потенциал каждого электрода (металла) зависит от природы металла, концентрации его ионов в растворе, температуры.

Стандартным электродным потенциалом называется разность потенциалов между металлом, погруженным в раствор своей соли с концентрацией ионов металла 1 моль/л, и стандартным водородным электродом.

Чем меньше алгебраическая величина потенциала, тем выше восстановительная активность металла и меньше окислительная активность его катиона. Таким образом, каждый металл вытесняет из солей другие металлы, имеющие большие значения стандартных электродных потенциалов. Кроме того, металлы, имеющие потенциал меньше нуля, способны вытеснять водород из кислот, а наиболее активные - и из воды.