Химические свойства металлов тесно связаны с электронной структурой атома и особенностями взаимодействия атомов в кристалле металла. Атомы металлических элементов характеризуются способностью образовывать элементарные положительно заряженные ионы и не способны образовывать элементарные отрицательно заряженные ионы. Все металлы обладают восстановительными свойствами. Получение, химические свойства и применение некоторых металлов представлены далее.
Щелочные металлы (на примере натрия – Na). Получение – электролиз расплавов хлоридов и гидроксидов щелочных металлов (натрий выделяется на катоде):
4NaOH ® 4Na + O2 + 2H2О
2NaCl ® 2Na + Cl2
Химические свойства. Реакции с простыми веществами:
2Na + H2 
2NaH гидрид натрия
2Na + O2 Na2O2 пероксид натрия
2Na + S Na2S сульфид натрия
6Na + N2 2Na3N нитрид натрия
2Na + Cl2 2NaCl хлорид натрия
Реакции со сложными веществами:
2Na + 2Н2О ® 2NaOH + H2
2Na + 2HCl®2NaCl + H2
2Na + 2C2H5OH ® 2C2H5ONa + H2 этилат натрия
2Na + 2RCl R-R + 2NaCl (R – органический радикал)
Применение. Натрий применяется в качестве теплоносителя в атомных реакторах, органических синтезах, для получения некоторых тугоплавких сплавов, пероксида натрия и др.
Щелочноземельные металлы (на примере кальция – Ca). Получение: 1) электролиз расплавов хлоридов щелочноземельных металлов:
СаС12 
Ca + Cl2
2) алюмотермия: 3СаО + 2А1 3Са + А12О3
Химические свойства. Реакции с простыми веществами:
Cа + H2 CаH2 гидрид кальция
2Са + О2 2СаО
Cа + С12 СаС12
3Са + N2 Ca3N2 нитрид кальция
Cа + 2С СаС2 карбид кальция
Ca + S CaS сульфид кальция
Реакции со сложными веществами:
Cа + 2Н2О ® Cа(ОН)2 + H2
Cа + 2НС1 ® СаС12 + Н2
Применение. Кальций применяют для восстановления титана, циркония и других тугоплавких металлов из их оксидов, в производстве чугуна, стали и некоторых сплавов.
Цинк (Zn). Получение – обжиг сульфидных руд с последующим восстановлением из оксида:
2ZnS + 3О2 2ZnO + 2SO2
ZnO + C Zn + CO
Химические свойства. Реакции с простыми веществами:
Zn + О2 2ZnO
Zn + С12 ZnCl2
Zn + S ZnS
Реакции со сложными веществами:
Zn + 2HC1® ZnCl2 + H2
Zn + 2NaOH(тв.) Na2ZnO2 + H2 цинкат натрия
Zn + 2NaOH + 2H2O ® Na2[Zn(OH)4] + H2 тетрагидроксо-
цинкат натрия
Zn + 2H2SO4(конц) ® ZnSO4 + SO2 + 2H2O
Zn + 4HNO3(конц) ® Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
4Zn + 10HNO3(разб) ® 4Zn(NO3)2 + N2O + 5H2O
4Zn + 10HNO3(сильно разб) ® 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Применение. Цинк используется в качестве защитных покрытий железных и стальных изделий, входит в состав многих сплавов.
Титан (Ti). Получение – обогащение титанового концентрата:
TiO2 + 2С12 + 2С TiCl4 + 2CO
TiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2
Химические свойства. Реакции с простыми веществами:
Ti + O2 ТiO2
Ti + 2C12 TiCl4
Реакции со сложными веществами:
2Ti + 6H2SO4(конц) ® Ti2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Ti + H2SO4(50 % р-р) ® TiSO4 + H2
2Ti + 3H2SO4(50 % р-р) ® Ti2(SO4)3 + 3Н2
Две последние реакции с 50 %-ной серной кислотой протекают одновременно. С азотной кислотой титан не взаимодействует.
Применение. Титан используется в самолетостроении, ракетной технике, в изготовлении трубопроводов, аппаратов химической промышленности, для обшивки корпусов судов и т. д.
Алюминий (Аl). Получение – электролиз раствора оксида алюминия в расплавленном криолите Na3AlF6 с добавкой фторида кальция CaF2:
2А12О3 ® 4А1 + 3О2
Химические свойства. Реакции с простыми веществами:
4Аl + 3О2 2А12О3
2А1 + 3Сl2 2А1С13
2A1 + 3S A12S3 сульфид алюминия
2А1 + N2 2A1N нитрид алюминия
4А1 + 3С Аl4С3 карбид алюминия
Реакции со сложными веществами:
2А1 + 6НС1 ® 2А1С13+ 3H2
2А1 + 2NaOH(тв.) + 2Н2О 2NaA1O2 +3H2 алюминат натрия
2Al + 2NaOH + 6H2O ® 2Na[Al(OH)4] + 3H2 тетрагидроксоалю-
минат натрия
2A1+6H2SO4(конц) A12(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Al + 6HNO3(конц) A1(NO3)3 + 3NO2 + 3Н2О
На холоде концентрированная H2SO4 и концентрированная HNO3 на алюминий не действуют из-за пассивирования – образования устойчивой оксидной пленки.
Применение. Алюминий используют для получения легких сплавов, применяемых в строительстве, самолето- и судостроении, для производства электрических проводов, получения других металлов алюминотермией, изготовления бытовых предметов.
Медь (Сu). Получение – из сульфидных руд:
Cu2S + О2 2Cu + SO2
из растворов солей действием цинка, железа или алюминия:
CuSO4 + Zn ® ZnSO4 + Сu
Химические свойства. Реакции с простыми веществами:
2Сu + О2 2СuО
Cu + Cl2 CuCl2
Cu + S CuS
Реакции со сложными веществами:
Сu + 2H2SO4(конц) CuSO4 + SO2 + 2Н2О
Сu + 4HNO3(конц) Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
ЗСu + 8НNO3(разб) 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Применение. Медь используется в теплообменниках, для изготовления электрических проводов, кабелей, в производстве сплавов.
Хром (Сr). Получение:
1) из хромистого железняка:
FeO×Cr2O3 + 4C 2Cr + Fe + CO (сплав феррохром)
2) из оксида хрома:
Сr2О3 + 2А1 А12О3 + 2Сr
Химические свойства. Реакции с простыми веществами:
4Сr + 3О2 2Сr2О3
Реакции со сложными веществами:
2Сr + 6H2SO4(конц) Cr2(SO4)3 + 3SO2 + 6Н2О
Cr + 6HNO3(конц) Cr(NO3)3 + 3NO2 + 3Н2О
Хром пассивируется холодными концентрированными растворами кислот, реакции протекают только при сильном нагревании, после разрушения защитной оксидной пленки:
2Сr + 3H2SO4(разб) ® Cr2(SO4)3 + 3H2
Применение. Хром используется в различных сплавах. Нанесение защитной пленки из хрома защищает металл от коррозии.
Железо (Fe). Получение алюминотермия:
Fe2О3 + 2Аl 2Fe + Al2O3
обжиг железного колчедана:
4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2
восстановление из оксидов:
Fe2O3 + 3Н2 2Fe + 3Н2О
Fe2O3 + 3СО 2Fe + 3СО2
FeO + С Fe + CO
Химические свойства. Реакции с простыми веществами:
3Fe + 2O2 Fe2О3×FeO
3Fe + S FeS
2Fe + 3C12 2FeCl3
Реакции со сложными веществами:
Fe + 2HCl ® FeCl2 + H2
Fe + CuSO4 ® FeSO4 + Сu
Fe + 4HNO3(разб) Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
Концентрированные НNО3 и H2SO4 пассивируют железо на холоде, реакция идет только при нагревании:
2Fe + 6H2SO4(конц) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Fe + 6HNO3(конц) Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Применение. Железо используется в виде чугуна и стали в машиностроении; другие области применения – производство трансформаторов и электромоторов, ограждающих строительных конструкций, железобетона, бытовых приборов и др.
ЗАДАЧИ*
14.1. Какие металлы называют щелочными и почему? Что общего в строении внешних электронных оболочек имеют атомы щелочных металлов?
14.2. Составить электронные схемы строения атомов и ионов лития, натрия и калия. Установить сходство и различие между ними.
14.3. Назвать важнейшие природные соединения натрия и калия, указать области их применения. Какова закономерность изменения физических свойств щелочных металлов в зависимости от возрастания заряда ядер их атомов?
14.4. Написать уравнения следующих реакций:
Li + O2 ® … Rb + Cl2 ® … Na + S ® …
К + Н2О ® … Na + HCl ® … Rb + H3PO4 ® …
14.5. Определить атомную массу галия, если в природной смеси содержится 60,16 % мас. 
и 39,48 % мас. 
.
Ответ: 69,62.
14.6. Написать уравнения следующих реакций:
а) Ti + HNO3 + H2O ® H2TiO3 + …
б) Zr + HNO3 + HF ® H2[ZrF6] + …
в) Hf + H2SO4 ® H2[Hf(SO4)3] + …
14.7. Как исходя из оксида железа (III) получить: а) хлорид железа (III); б) нитрат железа(III); в) гидроксид железа (III)? Написать уравнения соответствующих реакций.
14.8. Для заливки щелочных аккумуляторов используют 34,0 %-ный раствор гидроксида калия. Сколько потребуется гидроксида калия для приготовления 10 кг такого раствора?
Ответ: 3,4 кг.
14.9. Для щелочения паровых котлов с целью очистки их внутренних стенок от загрязнений и создания антикоррозионной пленки применяют 20 %-ный раствор гидроксида натрия и фосфата натрия. Сколько указанных веществ потребуется для приготовления 20 т такого раствора, если берутся равные их массы?
Ответ: по 2 тонны.
14.10. Написать уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить превращения:
а) Na ® NaOH ® Na2CO3 ® NaHCO3 ® NaNO3
б) KCl ® HCl ® NaCl ® Na ® NaOH
в) Na2CO3 ® Na2SiO3 ® NaCl ® Na2SO4
14.11. Написать уравнения окислительно-восстановительных реакций:
а) Cu + HCl + O2 ® …
б) CuCl2 + Cu ® …
14.12. Привести электронное строение атомов и ионов магния, кальция, стронция. В чем сходство и различие между ними?
14.13. Написать уравнения трех реакций, в которых атомы магния и кальция превращаются в ионы, и указать условия этих превращений.
14.14. Написать уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить превращения:
а) Ca ® CaO ® Ca(OH)2 ® CaCO3 ® CaO
б) Ca ® Ca(OH)2 ® CaCO3 ® Ca(HCO3)2 ® CaCO3 ® CaCl2
в) Mg ® MgCl2 ® Mg(OH)2 ® Mg(NO3)2 ® MgSO4
г) Mg ® MgO ® MgSO4 ® MgCO3 ® MgO
14.15. Сплав «электрон» марки МЛ-3, применяемый в авиапромышленности как твердый и легкий материал, 
содержит (% мас.) 3 % алюминия, 1 % цинка, 0,3 % марганца и 95,7 % магния. Какие соли и в каком количестве образуются при растворении 10 г этого сплава в избытке соляной кислоты?
Ответ: AlCl3 – 1,5 г; ZnCl2 – 0,21 г; MnCl2 – 0,07 г; MgCl2 – 37,9 г.
14.16. Негашеную известь СаО получают обжигом известняка в специальных печах. Сколько известняка, содержащего 90 % мас. карбоната кальция, потребуется для получения 100 т негашеной извести?
Ответ: 198,4 т.
14.17. Для гашения извести по техническим условиям требуется воды в 3 раза больше, чем по стехиометрическому расчету. Сколько воды необходимо залить в гидротатор для гашения 5,6 т «кипелки»? Сколько при этом образуется гашеной извести («пушонки»)?
Ответ: H2O – 5,4 м3; Ca(OH)2 – 7,4 т.
14.18. Атомная масса меди 63,546. Природная смесь состоит из двух изотопов: 
и 
. Определить массовую долю (%) каждого изотопа.
Ответ: 49,22 %, 50,78 %.
14.19. Оксид кальция и оксид цинка применяют в строительном деле. По внешнему виду они похожи. Какие реакции надо проделать, чтобы различить эти оксиды?
14.20. При сильном нагревании гипса CaSO4×2H2O сульфат кальция, который входит в его состав, разлагается на оксид кальция и оксид серы (VI). Рассчитать, сколько надо взять гипса для получения 16 т оксида серы (VI).
Ответ: 34,4 т.
14.21. Привести электронные формулы атома и иона алюминия.
14.22. Какие свойства алюминия используют в строительной индустрии, электротехнике, авиационной промышленности, металлургии, пищевой промышленности?
14.23. Какую массу Zr можно получить при термическом восстановлении 0,35 моль гексафтороцирконата (IV) калия металлическим натрием?
Ответ: 31,9 г.
14.24. При полном растворении навески 1,8 г технического алюминия в избытке раствора гидроксида натрия выделилось 2,14 л газа (при н. у.). Какой процент примесей содержался в этом образце алюминия?
Ответ: 4,46 %.
14.25. Смесь порошка алюминия с оксидом железа (II и III) Fe3O4 называется термитом. Написать уравнение реакции горения термита и рассчитать, сколько образуется железа, если в реакцию вступило 5,4 кг алюминия.
Ответ: 12,6 кг.
14.26. Сколько потребуется термита (см. задачу 14.25) для сварки стальной детали, если объем выбоины 50 см3, а плотность стали 7,86 г/см3?
Ответ: 711 г.
14.27. Написать уравнения химических реакций взаимодействия железа с кислородом, серой, хлором, водой, с растворами серной и соляной кислот, сульфатом меди.
14.28. Написать уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить превращения:
Al ® Al2O3 ® AlCl3 ® Al(OH)3 ® Al2O3 ® Al2(SO4)3 ® Al(OH)3 ® Na3[Al(OH)6] ® AlCl3
14.29. Алюминиевая бронза, используемая в машиностроении, содержит 11 % мас. алюминия и представляет собой твердый раствор алюминия в меди. Сколько 60 %-ной азотной кислоты потребуется для растворения 1 г этой бронзы?
Ответ: 11,2 г.
14.30. Хлорид железа (III), применяемый для травления медных форм глубокой печати и печатных радиосхем, получают окислением хлорида железа (II) хлором. Написать уравнение реакции и рассчитать, какой объем хлора (при н. у.) потребуется для получения 3,25 кг хлорида железа (III), если выход продукта составляет 80 %.
Ответ: 0,28 м3.
