Химические свойства металлов

Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются восстановителями. В этом и состоит их главное и наиболее общее химическое свойство.

Металлы как восстановители вступают в реакции с различными окислителями - кислотами, солями менее активных металлов и некоторыми другими соединениями.

Соединения металлов с галогенами называются галогенидами, с серой - сульфидами, с азотом - нитридами, с фосфором - фосфидами, с углеродом - карбидами, с кремнием - силицидами, с бором - боридами, с водородом - гидридами и т.д. Многие из этих соединений нашли важное применение в новой технике. Например, бориды металлов используют в радиоэлектронике, а также в ядерной технике в качестве материалов для регулирования нейтронного излучения и защиты от него.

Взаимодействие металлов с кислотами является окислительно-восстановительным процессом. Окислителем является ион водорода, который принимает электрон от металла:

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

0 +2 +2 0

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Сu

В этом случае происходит отрыв электронов от атомов более активного металла (Zn) и присоединение их ионами менее активного (Сu²⁺).

Активные металлы взаимодействуют с водой, которая выступает в роли окислителя. Например: Na – e- = Na+ 2

2H2O + 2e- = H2+ 2OH- 1

2Na + 2H2O = 2Na+ 2OH- + H2↑

Металлы, гидроксиды которых амфотерны, как правило, взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей. Например:

Таким образом, отношение металлов к неметаллам, кислотам, растворам солей менее активных металлов, к воде и щелочам подтверждает их главное химическое свойство - восстановительную способность.

Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Они имеют общее название - интерметаллические соединения, или интерметалл иды. Примером могут служить соединения некоторых металлов с сурьмой: Na₂Sb, Ca₃Sb₂, NiSb, Ni₄Sb, FeSb_x (x = 0,72... 0,92). В них чаще всего не соблюдаются степени окисления, характерные в соединениях с неметаллами.

Химическая связь в интерметаллидах преимущественно металлическая. По внешнему виду они похожи на металлы. Твердость интерметаллидов, как правило, выше, а пластичность намного ниже, чем у образующих их металлов. Многие интерметаплиды нашли практическое применение. Например, сурьма-алюминий AlSb; сурьма-индий InSb и другие широко используют как полупроводники.

Металлы встречаются в природе как в свободном состоянии (самородные металлы), так и в виде химических соединений.

В виде самородных металлов находятся наименее активные металлы. Типичными их представителями являются золото и платина. Серебро, медь, ртуть, олово могут находиться в природе как в самородном состоянии, так и в виде соединений, все остальные металлы (стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов до олова) - только в виде соединений с другими элементами.

Минералы и горные породы, содержащие металлы или их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами. Важнейшими рудами металлов являются их оксиды и соли (сульфиды, сульфаты, карбонаты и др.). Если руды содержат соединения двух или нескольких металлов, то они называются полиметаллическими (например, медно-цинковые, свинцово-серебряные и др.).

Современная металлургия получает более 75 металлов и многочисленные сплавы на их основе. В зависимости от способов получения металлов разли­чают пиро-, гидро- и электрометаллургию.

 

Пирометаллургия занимает ведущее место в металлургии. Она охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восста­новления, проводимых при высоких температурах. В качестве восстанови­телей применяют уголь, активные металлы, оксид углерода (II), водород, метан. Так, например, уголь и оксид углерода (II) восстанавливают медь из красной медной руды (куприта) Си₂О:

Cu₂O + С = 2Cu + СО

Cu₂O + СО = 2Cu + СО₂

Если руда является сульфидом металла, ее предварительно переводят в оксид путем окислительного обжига (обжиг с доступом воздуха), например

2ZnS + ЗО₂ = 2ZnO + 2SO₂

Затем оксид металла восстанавливают углем:

ZnO + С = Zn + CO

Восстановление углем (коксом) проводят обычно в тех случаях, когда получаемые металлы совсем не образуют карбидов или образуют непрочные карбиды (соединения с углеродом); таковы железо и многие цветные металлы - медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и др.

Восстановление металлов из их соединений другими металлами, химически более активными, называются металлотермией. Эти процессы протекают тоже при высоких температурах. В качестве восстановителей используют алюминий, магний, кальций, натрий, а также кремний. Если восста­новителем является алюминий, то процесс называется алюминотермией, если магний - мапнийтермией. Например:

Cr₂O₃+2AI = 2Cr + AI₂O₃

TiCI₄ +2Mg = Ti + 2MgCI₂

Металлотермией обычно получают те металлы (и их сплавы), которые при восстановлении их оксидов углем образуют карбиды. Это - марганец, хром, титан, молибден, вольфрам и др.

Иногда металлы восстанавливают из оксидов водородом (водоро-дотермия). Например:

МоО₃+ЗН₂ = Мо + ЗН₂О

WO₃ + ЗН₂ = W + ЗН₂О

При этом получают металлы большой чистоты.

Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из растворов их солей. При этом металл, входящий в состав руды, сначала переводят в раствор с помощью водных растворов подходящих реагентов, а затем извлекают из этого раствора. Так, например, при обработке разбав­ленной серной кислотой медной руды, содержащей оксид меди (II) СиО, медь переходит в раствор в виде сульфата;

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + Н₂О

Затем медь извлекают из раствора либо электролизом, либо вытеснением с помощью порошка железа:

CuSO₄ + Fe = Сu + FeSO₄

В настоящее время гидрометаллургическим методом получают до 25% всей добываемой меди. Он имеет большое будущее, так как позволяет получать металлы, не извлекая руду на поверхность.

Этим же методом добывают золото* серебро, цинк, кадмий, молибден,
уран и др. Руду, содержащую самородное золото, после измельчения
обрабатывают раствором цианида калия KCN. Всё золото переходит в раствор.
Из раствора его извлекают электролизом или вытеснением металлическим
цинком.

Электрометаллургия охватывает способы получения металлов с помощью электролиза. Этими способами получают главным образом легкие металлы - алюминий, натрий и др. - из их расплавленных оксидов или хлоридов.

Электролиз используют также для очистки некоторых металлов.

Сплавы

Для металлов характерна способность образовывать сплавы. Само название сплав означает, что чаще всего сплавы получают смешиванием металлов в расплавленном состоянии. Сплав может состоять из двух компонентов и более, в том числе и»неметаллов. Металлы в сплавах могут растворяться друг в друге, вступать друг с другом в соединения и образовывать обычные механические смеси.

В настоящее время некоторые сплавы готовят методом порошковой металлургии. Берется смесь металлов в виде порошков, прессуется под большим давлением и спекается при высокой температуре в восстановитель­ной среде. Таким путем получают сверхтвердые сплавы.

В состав некоторых сплавов входят неметаллы, например углерод, кремний, бор и др.

В технике применяется более 5000 сплавов.

Сталь - это сплав железа с небольшим содержанием углерода (до 1,7%) и с металлургическими примесями (Мn, Si, S, Р).Специальные стали содержат до 10 различных элементов. По сравнению с чистым железом они обладают большой твердостью.

Чугун - сплав железа с углеродом (более 2%), кремнием, марганцем, фосфором и серой. По сравнению с чистым железом он очень тверд и хрупок.

В технике сплавы на основе железа, т. е. сталь, чугун, а также само железо, называются черными металлами, а все остальные металлы - цветными. Отсюда и деление металлургии, получающей металлы из руд, на черную и цветную.

Бронза - сплав меди с другими элементами, в основном с металлами. В зависимости от состава различают: оловянную бронзу (состоит из меди и олова), алюминиевую бронзу (содержит до 5... 11% алюминия), свинцовую (до 33% свинца), кремниевую (до 4% кремния) и др. Применяют для изготовления частей машин и для художественных отливок.

Латунь - сплав меди с цинком (до 30...35% цинка). Обладает высокой пластичностью. Используют для изготовления приборов, деталей машин, предметов домашнего обихода.

Баббиты - сплавы, уменьшающие трение, изготовляются на основе олова или свинца с добавками сурьмы, меди и других металлов. Применяют для заливки подшипников.

Нихром - сплав никеля (67,5%), хрома (15%), железа (16%) и марганца (1,5%) обладает большим электрическим сопротивлением и жаропрочностью, поэтому применяется для изготовления электрических нагревательных приборов.

Дуралюмин - сплав алюминия (95%), магния, меди и марганца. Очень легкий и прочный сплав. По прочности он равен стали, но в 3 раза легче ее. Применяется в самолетостроении. Легкие сплавы на основе титана сохраняют прочность и коррозионную устойчивость при повышенных температуре и давлении. Из

них изготовляют отдельные части реактивных двигателей.