close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Реферат

код для вставкиСкачать
Оглавление
Введение.____________________________________________1
Век медный, бронзовый, железный.______________________2
Положение металлов в периодической системе. Строение
атомов металлов. Группы металлов.______________________3
IV. Физические свойства металлов.__________________________5
V. Химические свойства металлов.__________________________6
VI. Способы получения металлов.___________________________8
VII. Применение металлов._________________________________11
VIII. Щелочные металлы и их соединения._____________________12
IX. Заключение.__________________________________________16
X. Список литературы.____________________________________17
I.
II.
III.
I. Введение.
Среди химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева
особое место занимают металлы, которые нашли широкое применение в жизни
людей; в области тяжелого и точного машиностроения, самолетостроения,
конструирования космических станций и оборудования, производства
инструментов, труб, установок нефтяной и газовой промышленности,
электрооборудования, бытовой техники. Они играют главную роль в создании
современных технологий производства. Все это требует более глубоких и
разносторонних знаний современного человека о свойствах металлов и способах
получения металлов и сплавов.
При написании реферата мною были поставлены следующие цели:
1. Более глубокое изучение истории использования металлов.
2. Изучение свойств металлов на основе строения их атомов и
кристаллических решеток.
3. Получение сведений о широком применении металлов на основе их
свойств.
Задачи:
1. Изучить историю открытия и использование металлов в жизни человека.
2. Показать взаимосвязь строения атомов и свойств металлов.
3. Изучить применение металлов в жизни человека и раскрыть перспективы
дальнейшего их использования человечеством.
Используя, разнообразную литературу научного, справочного и
энциклопедического характера я пришел к выводу, что жизнь человека на
протяжении всей истории развитии человеческого общества была связана с
металлами, это орудия охоты и труда, производства чистых металлов, астрология.
Позже развилась целая отрасль – металлургия, по производству чистых металлов и
их сплавов.
Ни одно техническое средство будь – то просто электрическая лампочка,
телевизор или космический аппарат, не могут быть созданы без металлов или их
сплавов. Это легкость, прочность, электропроводность – основные свойства этих
веществ.
В настоящее время люди научились добывать в чистом виде и использовать в
технических средствах редкие металлы, такие как калифорний, осмий, платина.
Драгоценные металлы используются для создания ювелирных изделий, по красоте
не уступающие полотнам великих художников – мастеров XV-XIX веков:
Леонардо да Винчи, Ван Гога и другие.
Несмотря на обилие литературы посвященные металлам, я не нашел
достаточно сведений о редких металлах, их сплавов и применении в современной
науке и технике.
Эти знания я думаю применить:
1. Для дальнейшего изучения химии.
2. Для получение будущей профессии.
1
II. Века медный, бронзовый, железный.
Век медный. К концу каменного века человек открыл возможность использования
металлов для изготовления орудий труда. Первым таким металлом была медь. Период
распространения медных орудий называют энеолитом или хальколитом, что в переводе с
греческого означает медь. В настоящее время временные рамки его определить сложно,
но примерно этот период датируется концом четвертого — началом третьего тысячелетия
до н.э., так как энеолит схож с неолитом. Это объясняется тем, что в медном веке медные
орудия труда не вытеснили каменные орудия. Медь обрабатывалась с помощью каменных
орудий методом холодной ковки. Самородки чистой меди превращались в изделия под
тяжелыми ударами молота. Поскольку этот металл слишком мягок в чистом виде, чтобы
делать из него крупные режущие орудия, в начале медного века из меди делали лишь
мелкие орудия, украшения, предметы утвари.
Позже появилось литье, а потом человек стал добавлять к меди олово или сурьму,
делать бронзу, более долговечную, прочную, легкоплавкую.
Век бронзовый. В археологии это древнейший период употребления металлов,
когда железо еще не было известно. Бронза является сплавом меди олова.
Хронологические границы этого периода датируются с начала 3-го тысячелетия до н.э. до
начала 1-га тысячелетия до н.э. Большими преимуществами бронзы в сравнении с медью
и другими известными металлами являются более низкая температура плавления (700—
900°С) и в особенности ее более высокие литейные качества и значительно большая
прочность. Так как медные руды встречаются довольно часто, а оловянные —
значительно рёже, то бронза получила распространение там, где имелись оба эти металла,
например, в Хорасане (Иран), Малой Азии и северо-запад ной Аравии. В Европе
оловянные руды рано были известны в Испании, Англии и Чехии. В других местах, где
своего олова не было, его старались заменить сурьмой («сурьмяная бронза»), мышьяком,
свинцом и цинком.
В странах Передней Азии и в Индии уже в 3-м тысячелетии до н.э. появилось
производство бронзовых изделий. В Египте бронзовый век начался во 2-м тысячелетии до
н.э.
Железный век. По археологической классификации третий и последний период
первобытной эпохи, характеризующийся распространением железной металлургии и
железных орудий, и знаменует собой железный век. Представления о железном веке
возникло впервые еще в античном мире. В ХVIII — начале Х века гипотезу о железном
веке развивали уже многие ученые, в том числе и российские (А.Н.Радищев). В
современном значении этот термин был введен в употребление около середины ХIХ века
датским археологом К.Ю.Томсоном и вскоре распространился в литературе наряду с
терминами «каменный век» и «бронзовый век».
В отличие от других металлов железо почти не встречается в природе в чистом
виде, кроме метеоритного. Наиболее древний сохранившийся образец ковкого железа
обнаружен при изучении большой пирамиды Хеопса и принадлежит к 2000-1500 годах до
н.э. Однако не только в Египте, но и в древней Греции было известно о существовании
железа. Ведь герои поэм легендарного Гомера облачаются в доспехи и сражаются
оружием из железа и меди.
Астрологи того времени утверждали, что каждой планете на небе соответствует
свой металл на Земле, например, красноватому Марсу — гремящее в боях железо. Каждая
2
планета издревле обозначалась особым знаком. Этими же знаками долгое время (вплоть
до конца ХIХ века) обозначали и родственные этим планетам металлы.
Ученые предполагают, что первое железо, попавшее в руки человека, было
неземного происхождения. Не случайно на некоторых древних языках железо именуется
«небесным камнем». Самый крупный железный метеорит нашли в Африке, он весил
около 60 тонн. А во льдах Гренландии нашли железный метеорит весом 83 тонны. Уже в
древности из этих небесных метеоритов изготавливались различные предметы, так как
были прочными и твердыми. Современные химические анализы огромного числа
метеоритов, упавших на нашу планету показали, что в составе железных метеоритов на
долю железа приходится 91%.
Начало производства железа из Железных руд в древнем Египте, Индий и других
странах было положено около 4 тысяч лет назад, потому что возросла потребность людей
в железных предметах — мечах, плугах и других изделиях, — а таких или похожих на них
даров неба на Земле было гораздо меньше, чем химически связанного железа. Поэтому
огромное значение имело открытие способа получения железа их железных руд. Эти
открытия основывались на наблюдении процессов горения. В тех случаях, когда вместе с
топливом случайно нагревались куски железной руды, железо при соприкосновении с
раскаленным древесным углем восстанавливалось. Постепенно человек перешел к
сознательному воспроизведению процесса выплавки железа.
В Америке, Австралии и на большинстве островов Тихого океана железо стало
известно лишь во 2-м тысячелетии н.э. вместе с появлением в этих областях европейцев.
Предполагают, что железо было известно некоторым племенам Центральной и Северной
Африки, однако каких-либо достоверных данных по этому вопросу нет. Культурой
железного века называется обычно культура первобытных племен Европы и Азии,
живших к северу от области древних рабовладельческих цивилизаций. В среде этих
племен металлургия железа распространилась в VIII—VIIвеках до н.э.
Так начался «железный век» — тот век, в котором мы и сейчас еще живем. Ведь в
настоящее время железные сплавы составляют почти 90% всего количества металлов и
металлических сплавов.
III. Положение металлов в периодической системе. Строение атомов
металлов. Группы металлов.
Металлы – элементы, которые мало электронов на внешнем электронном уровне и
больший радиус атома по сравнению с неметаллами.
Если провести диагональ от бора (B) к астату (At) в периодической системе
Д.И.Менделеева, то над ней будут располагаться неметаллы, а под ней – металлы.
Четные ряды больших периодов состоят только из металлов, равно, как и все
побочные подгруппы периодической системы представлены только металлами.
В итоге из 110 элементов ПС к металлам относятся 88 элементов.
Однако, деление элементов на металлы и неметаллы условно. Так, на пример,
металл германий обладает многими неметаллическими свойствами. Хром, алюминий и
цинк — типичные металлы, но образуют соединения, в которых проявляют
неметаллические свойства: NaAlO2, K2ZnO2, K2CrO4 или K2Cr2O7. Теллур и йод типичные металлы, но имеют некоторые свойства, присущие металлам.
3
Из положения металлов в периодической системе элементов можно определить и
особенности строения их атома:
4. небольшое 1-3 число электронов на внешнем электронном уровне (Na, Ca,
Al);
5. Сравнительно большой радиус атома (Fr, Ra).
Рассмотрим строение атомов некоторых металлов
Na + 11 ) ) )
281
Mg + 12 ) ) )
282
Al + 13 ) ) )
283
С увеличением порядкового номера число электронов на внешнем электронном
уровне возрастает и активность металлов уменьшается (из перечисленных металлов
самым активным будет натрий). Значит, металлические свойства у элементов в периодах
ослабевают слева направо.
У металлов:
Li + 3 ) )
21
Cs + 37 ) ) ) ) )
2 8 18 8 1
различен радиус атома. Cs превосходит по своей активности Li, так как радиус атома Cs
больше и отдача электронов протекает легче.
Значит, активность металлов в группах периодической системы возрастает сверху
вниз.
По положению металла в периодической системе элементов можно определить
строение атома любого из них, а так же их активности.
По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые это
различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. “Металлы, - писал он, тела твердые, ковкие блестящие”.
Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у
него определенного комплекса свойств:
1. Плотная кристаллическая структура.
2. Характерный металлический блеск.
3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.
4. Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.
5. Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко отдавать
электроны.
6. Ковкость и тягучесть.
7. Способность к образованию сплавов.
Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно
разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и
все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются
чугуны и стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К ним
относятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан
и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов.
Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях
4
повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих
- коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней
среды.
Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое
название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель,
олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике
нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др.
Это деление на черные и цветные металлы условно.
Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных
металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так
потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и
не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.
IV. Физические свойства металлов.
С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым
“металлическим” блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать
лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда
металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют
свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в
мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы
обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить
тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и
медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает,
при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая
деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку,
прокатываются в листы и т.п.
Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их
внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят
из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от
соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде
пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами
находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних
атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны
не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности
потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает
электрический ток.
Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность
металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с
ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в
данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от
них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса
металла принимает одинаковую температуру.
По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие
металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы - все остальные.
5
Плотность, а также температуры плавления некоторых металлов приведены в таблице
№1.
Таблица №1
Плотность и температура плавления некоторых металлов.
Название
Атомный вес
Плотность,
Температура
3
г/см
плавления, C
Легкие металлы.
Литий
6,939
0,534
179
Калий
39,102
0,86
63,6
Натрий
22,9898
0,97
97,8
Кальций
40,08
1,55
850
Магний
24,305
1,74
651
Цезий
132,905
1,90
28,5
Алюминий
26,9815
2,702
660,1
Барий
137,34
3,5
710
Тяжелые
металлы
Цинк
65,37
7,14
419
Хром
51,996
7,16
1875
Марганец
54,9380
7,44
1244
Олово
118,69
7,28
231,9
Железо
55,847
7,86
1539
Кадмий
112,40
8,65
321
Никель
58,71
8,90
1453
Медь
63,546
8,92
1083
Висмут
208,980
9,80
271,3
Серебро
107,868
10,5
960,8
Свинец
207,19
11,344
327,3
Ртуть
200,59
13,546
-38,87
Вольфрам
183,85
19,3
3380
Золото
196,967
19,3
1063
Платина
195,09
21,45
1769
Осмий
190,2
22,5
2700
Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым
типом химической связи - так называемой металлической связью. Она определяется
одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и
кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом,
металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.
V. Химические свойства металлов.
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко
отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы.
6
Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены
положительно.
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные
металлы являются энергичными восстановителями.
Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в
одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем
энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.
Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает
растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением:
Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2
Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией окислениявосстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные
электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым превращаясь в ионы цинка, а ионы
свинца восстанавливаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступить
наоборот, то есть погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции
не произойдет. Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче
отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.
Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было
подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их
убывающей химической активности в так называемый “вытеснительный ряд”. В
настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений.
В таблице №2 представлены значения стандартных электродных потенциалов
некоторых металлов. Символом Me+/Me обозначен металл Me, погруженный в раствор
его соли. Стандартные потенциалы электродов, выступающих как восстановители по
отношению к водороду, имеют знак “-”, а знаком “+” отмечены стандартные потенциалы
электродов, являющихся окислителями.
Таблица №2
Стандартные электродные потенциалы металлов.
Электрод
Е0,В
Электрод
Е0,В
Li+/Li
-3,02
Co2+/Co
-0,28
+
2+
Rb /Rb
-2,99
Ni /Ni
-0,25
+
2+
K /K
-2,92
Sn /Sn
-0,14
Ba2+/Ba
-2,90
Pb2+/Pb
-0,13
2+
+ 1
Sr /Sr
-2,89
H / /2H2
0,00
2+
3+
Ca /Ca
-2,87
Sb /Sb
+0,20
+
3+
Na /Na
-2,71
Bi /Bi
+0,23
3+
2+
La /La
-2,37
Cu /Cu
+0,34
2+
+
Mg /Mg
-2,34
Cu /Cu
+0,52
Al3+/Al
Mn2+/Mn
Zn2+/Zn
Cr3+/Cr
Fe2+/Fe
Cd2+/Cd
-1,67
-1,05
-0,76
-0,71
-0,44
-0,40
Ag+/Ag
Pd2+/Pd
Hg2+/Hg
Pt2+/Pt
Au3+/Au
7
+0,80
+0,83
+0,86
+1,20
+1,42
Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных
потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr,
Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:
1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная
способность.
2. Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) из растворов солей те
металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.
3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал, то
есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из
растворов кислот.
Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение металлов
и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно
иметь ввиду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его
высокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда
как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития.
Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по
сравнению с ионами других щелочных металлов.
Рассмотрим с чем взаимодействует металл.
1. Металл взаимодействует с простыми веществами неметаллами:
1) с галогенами(VII группа главная подгруппа)
2Na+Cl2=2NaCl
2) с кислородом
2Mg+O2=2MgO
3) с серой
Fe+S=FeS
2. Металл взаимодействует со сложными веществами:
1) с водой
2Na+2H2O=2NaOH+H2
2) с кислотами
Zn+2HCl=ZnCl2+H2
3) с солями
Fe+CuSO4=FeSO4+Cu
VI. Способы получения металлов.
Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с
другими элементами.
Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они
называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в
самородном виде, серебро и медь - отчасти в самородном виде; иногда попадаются также
самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы.
Добывание золота и платины производится или посредством механического
отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или
путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением
8
металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их
природных соединений.
Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для
получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами
являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов.
Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их
оксидов углем.
Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu2O с углем и
подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид
углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:
Cu2O + C = 2Cu + CO
Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение
олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов.
При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в
кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные
оксиды углем. Например:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
ZnO + C = Zn + CO
В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно
непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты
распадаются на оксид металла и двуокись углерода. Например:
ZnCO3 = ZnO + CO2
Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще
много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы
облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с
примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если
примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с
известняком силикат кальция. Наоборот, в случае большого количества песка флюсом
служит известняк.
Во многих рудах количество примесей (пустой породы) так велико, что
непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной.
Такие руды предварительно “обогащают”, то есть удаляют из них часть примесей.
Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд
(флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.
Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к
следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой
породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какоенибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой
пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так
называемого “коллектора”, который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого
минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этого через смесь снизу
пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными
веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и
образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала
покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам
продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене; частицы же
9
пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают,
получая руду с значительно большим содержанием металла.
Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля
водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы.
Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла
называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется
алюминий, то процесс носит название алюминотермии.
Очень важным способом получения металлов является также электролиз.
Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза,
так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления
их ионов.
Получение алюминия. Алюминий широко применяется в различных отраслях
народного хозяйства. Еще Н. Г. Чернышевский предсказывал, что наступит «эра
алюминия». Во времена великого писателя алюминий был дорогим металлом, дерзкой
мечтой казалось его широкое применение, сооружение различных конструкций из
алюминия. Поскольку алюминий очень химически активен, то для его получения в
свободном состоянии необходим наиболее сильный восстановитель — электрический ток.
В настоящее время алюминий получают электролизом его оксида.
Оксид алюминия Аl имеет высокую температуру плавления (около 2500 °С). Вести
электролиз расплава оксида при такой температуре невозможно из-за отсутствия стойких
материалов для изготовления электролизных ванн и электродов. Но оксид алюминия
хорошо растворяется в расплавленном криолите Na 3AlF6 (температура плавления около
1000°С). Этот электролит — раствор оксида алюминия в расплавленном криолите, и
используют его при электролизе для получения алюминия.
Процесс ведут при 1000оС. В растворе криолита оксид алюминия диссоциирует на
ионы:
Al2O3
Al3+ + AlO3-3
В результате электролиза на катоде выделяется алюминий:
Al3+ + 3e = Al
На аноде выделяется кислород:
4AlO3-3 – 12e = 2Al2O3 +3O2
Алюминий получается в жидком состоянии и, обладая большей плотностью, чем
электролит, собирается на дне ванны.
В качестве катода служат угольная обкладка ванны для электролиза и сам
расплавленный алюминий. В качестве анода применяют угольные электроды, которые
опускают в расплав. Образующийся на аноде кислород окисляет уголь, и поэтому у анода
выделяются оксиды углерода. По мере сгорания анод наращивают. Жидкий алюминий из
электролизера засасывают с помощью вакуумного ковша.
Электрохимическое производство алюминия требует большой затраты энергии.
Поэтому заводы, производящие алюминий, обычно расположены вблизи крупных
гидроэлектростанций (Братская, Красноярская и др.).
Оксид алюминия (глинозем) для производства алюминия получают из природных
бокситов и нефелинов. Крупные месторождения бокситов имеются в Ленинградской
области, на Урале, в Казахстане. Нефелином богаты Кольский полуостров, Красноярский
край, Кемеровская область.
Основная масса производимого алюминия используется для получения легких
сплавов на основе алюминия. Сплавы алюминия значительно превосходят его по
10
механической прочности и приближаются в этом отношении к сталям. Наиболее широкое
применение находят сплавы дуралюмины («твердый алюминий»). Сплавы алюминия
благодаря легкости, прочности и устойчивости по отношению к воздуху и воде широко
применяют для производства самолетов, автомобилей, железнодорожных вагонов и др.
Так, самолет на 2/3 изготовлен из алюминиевых сплавов, а авто мобильный мотор — на
1/4.
Из сплава дуралюмина был сделан первый советский цельнометаллический
самолет конструкции А. Н. Туполева АНТ-2. Дуралюмины, легированные железом и
никелем, используют в конструкциях сверхзвуковых лайнеров.
По числу областей применения в народном хозяйстве сплавы алюминия уступают
лишь стали и чугуну.
VII. Применение металлов.
Металл
Символ
Области применения
Алюминий
Al
Атомная техника, электротехника, теплообменная
аппаратура, отражатели, зеркала. Получение сплавов
(дуралюмин и др.)
Бериллий
Be
Атомная техника. Получение сплавов (бериллиевые бронзы и
др. - для авиационно-космической отрасли)
Вольфрам
W
Легирование сталей (инструментальных, быстрорежущих),
авиационная и ракетная техника, нити и спирали накаливания
Получение твердых сплавов (победит и др.)
Железо
Fe
Важнейшие конструкционные материалы для всех областей
техники
Золото
Au
Финансовая отрасль (золотой запас государства), ювелирные
изделия, стоматология, электротехника (контакты, покрытия),
зеркала и отражатели
Магний
Mg
Сигнальные ракеты, зажигательные снаряды. Получение
легких сплавов
Медь
Cu
Электротехника (провода), теплообменники, вакуумные
аппараты. Получение сплавов (бронза, латунь, мельхиор,
нейзильбер, константан и др.)
Натрий
Na
Химическая промышленность (катализатор, реагент).
Получение сплавов
Олово
Sn
Тара в пищевой промышленности, защитные покрытия, белая
жесть, фольга. Получение сплавов (бронза, латунь,
11
подшипниковые сплавы, припои и др.)
Платина
Pt
Электротехнические изделия (термопары, контакты и др.),
аппаратура и катализатор в химической отрасли,
стекловарении
Свинец
Pb
Кислотоупорная аппаратура в химической промышленности,
облицовка труб, радиационная защита, боеприпасы,
пигменты, стекло. Получение сплавов (подшипниковые,
типографские, легкоплавкие).
Серебро
Ag
Зеркала, ювелирные и бытовые изделия, монеты, фото- и
киноматериалы, электрические контакты и гальванические
элементы, лекарства (колларгол и др.)
Титан
Ti
Получение диоксида титана – компонента жаропрочных
материалов (эмаль, керамика), белого пигмента,
катализатора. Получение сплавов
Хром
Cr
Легирование стали (пружинные, рессорные,
инструментальные стали), получение ферритов (звукозапись,
компьютерная техника и др.). Получение сплавов
(нержавеющая сталь)
Цинк
Zn
Защитные покрытия, гальванические элементы, реактив в
химическом синтезе, пигменты. Получение легких и
легкоплавких сплавов
VIII. Щелочные металлы и их соединения.
Строение и свойства атомов. Щелочные металлы — это элементы главной
подгруппы I группы периодической системы Д.И. Менделеева: литий Li, натрий Nа,
калий К, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Франций — редкий радиоактивный элемент.
На внешнем энергетическом уровне атомы этих элементов содержат по одному электрону,
находящемуся на сравнительно большом удалении от ядра. Они легко отдают этот
электрон, поэтому являются очень сильными восстановителями. Во всех своих
соединениях щелочные металлы проявляют степень окисления +1. Восстановительные
свойства их усиливаются при переходе от Li к Cs, что связано с ростом радиусов их
атомов. Это наиболее типичные представители металлов: металлические свойства
выражены у них особенно ярко.
Щелочные металлы — простые вещества. Серебристобелые мягкие вещества
(режутся ножом), с характерным блеском на свежесрезанной поверхности. Все они легкие
и легкоплавкие, причем, как правило, плотность их возрастает от Li к Cs, а температура
плавления, наоборот, уменьшается.
12
Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами.
Используя общее обозначение для металлов М, запишем в общей форме уравнения
реакций щелочных металлов с неметаллами — водородом, хлором и серой.
Как вы уже знаете, все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой,
образуя щелочи и восстанавливая воду до водорода. Скорость взаимодействия щелочного
металла с водой будет увеличиваться от лития к цезию.
Соединения щелочных металлов. В свободном виде в природе щелочные металлы
не встречаются из-за своей исключительно высокой химической активности. Некоторые
их природные соединения, в частности соли натрия и калия, довольно широко
распространены, они содержатся во многих минералах, растениях, природных водах.
Рассмотрим основные соединения щелочных металлов на примере соединений
натрия и калия — наиболее важных представителей этой группы элементов.
Оксиды МO2 — твердые вещества. Имеют ярко выраженные основные свойства:
взаимодействуют с водой, кислотами и кислотными оксидами.
Оксиды натрия Na2O и калия К2O получают, прокаливая пероксиды с
соответствующими металлами, например:
2Na+Na2O2=2Na2O
Гидроксиды МОН — твердые белые вещества. Очень гигроскопичны. Хорошо
растворяются в воде с выделением большого количества теплоты. Их относят к щелочам,
они проявляют ярко выраженные свойства сильных растворимых оснований:
взаимодействуют с кислотами, кислотными оксидами, солями, амфотерными оксидами и
гидроксидами.
Образуются при взаимодействии металлов или их оксидов с водой.
Гидроксид натрия NaOH в технике известен под названиями едкий натр,
каустическая сода, каустик. Техническое название гидроксида калия КОН — едкое кали.
Оба гидроксида — NаОН и КОН разъедают ткани и бумагу, поэтому их называют
также едкими щелочами.
Едкий натр применяется в больших количествах для очистки нефтепродуктов, в
бумажной и текстильной промышленности, для производства мыла и волокон.
Едкое кали дороже и применяется реже. Основная область его применения —
производство жидкого мыла.
Соли щелочных металлов — твердые кристаллические вещества ионного строения.
Почти все соли натрия и калия растворимы в воде. Наиболее важные их соли —
карбонаты, сульфаты, хлориды.
Na2CO3 — карбонат натрия, образует кристаллогидрат Na2CO3 * 10H2O известный
под названием кристаллическая сода, которая применяется в производстве стекла, бумаги,
мыла. Это средняя соль.
Вам в быту более известна кислая соль — гидрокарбонат натрия NaНСО3, она
применяется в пищевой промышленности (пищевая сода) и в медицине (питьевая сода).
К2СO3 — карбонат калия, техническое название — поташ, используется в
производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве
удобрения
Na2SO4 * 10H2O — кристаллогидратат сульфата натрия, техническое название —
глауберова соль, применяется для производства соды и стекла и в качестве слабительного
средства.
NaCl - хлорид натрия, или поваренная соль. Хлорид натрия является важнейшим
сырьем в химической промышленности, широко применяется и в быту.
13
Применение хлорида натрия:
1. производство химических веществ (натрия, хлора, гидроксида натрия, соляной
кислоты, соды);
2. приготовление мыла;
3. приправа к пище;
4. для консервирования
Ионы натрия и калия играют большую биологическую роль: Na+ — главный
внеклеточный ион, содержится в крови лимфе, а K+ — основной внутриклеточный ион.
Они выполняют разные функции в организме, но предпочитают «работать» вместе.
Соотношение концентраций этих ионов регулирует давление крови в живом организме и
обеспечивает перемещение растворов солей из корней в листья растений.
Самая значительная способность калия — поддерживать работу сердечной мышцы,
поэтому нехватка калия в организме очень сказывается на здоровье человека. Калий
необходим для всех растений, при его недостатке снижается интенсивность фотосинтеза
растений.
Взрослый человек должен в сутки потреблять с пищей 3,5 г ионов калия. С
помощью соединений калия можно устранить отеки, калий помогает при ревматизме,
улучшает работу кишечника. В этом случае организму нужно больше калия — до 5 г в
сутки. Больше всего калия содержат курага, соя, фасоль, зеленый горошек, чернослив,
изюм и другие продукты.
Соли калия широко используются в сельском хозяйстве в качестве калийных
удобрений.
Соли натрия, как и сам натрий, окрашивают пламя в желтый цвет, а соли калия и
калий — в розово-фиолетовый.
Открытие щелочных металлов. Литий был открыт шведским химиком И.
Арфведсоном в 1817 г. и по предложению Й. Берцелиуса назван литием (от греч. литое —
камень), так как в отличие от калия, который до тех пор находили только в золе растений,
он был обнаружен в камне.
Натрий и калий были впервые получены английским химиком и физиком Г. Дэви
в 1807 г. при электролизе едких щелочей. Й. Берцелиус предложил назвать элемент № 11
натрием (от араб. натрун — сода), а элемент № 19 по предложению Гильберта получил
название калий (от араб. алкали — щелочь).
Литий (от греч. lithos — камень) — химический элемент I группы периодической
системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 3, атомная масса 6,941, относится к
щелочным металлам. В природе встречается два стабильных изотопа: 6Li (7,42%) и 7Li
(92,58%). Открыт шведским учёным Ю. А. Арведсоном в 1817 году в минерале петалите,
а металлический литий был впервые получен в 1818 году английским учёным Г. Дэви.
Li — серебристо белый металл, кристаллизуется в кубической объемноцентрической решётке, а=0,35098 н. м. Ниже -1950С стабильная гексагональная
модификация. Литий — самый лёгкий металл. Плотность 539 кг/м3 (200С); tпл. 180,50С;
tкип. 13400С; коэффициент теплопроводности 70,8 Вт/м.К; удельная теплоёмкость 3,31.103
Дж/кг.К; удельное электрическое сопротивление 9,29.10-8 Ом.м; температурный
коэффициент электрического сопротивления 4,50.10-3 К-1; температурный коэффициент
линейного расширения 5,6.10-5 К-1; твёрдость по Моосу 0,6; модуль упругости 5 ГПа;
предел прочности при растяжении 116 МПа; относительное удлинение 50-70%.
14
Проявляет степень окисления +1. На воздухе покрывается плёнкой Li3N и Li2O, при
нагревании горит голубым пламенем. Известен также пероксид Li2O2. С водой реагирует с
образованием гидроксида LiOH и водорода. Литий взаимодействует с галогенами,
водородом, серой и т. д., даёт соответственно гомогениды, гидрид, сульфид и т. д. В
специфических условиях могут быть получены различные фосфиды. Эти соединения и
гидроксид очень реакционно способны. Растворяясь в неорганических кислотах, литий
даёт соли. Литий образует многочисленные литийорганические соединения. Известны
твёрдые растворы лития с некоторыми металлами (Mg, Zn, Al), а со многими другими он
образует интерметаллические соединения (например, LiAg, LiHg). Попадая в организм,
литий вызывает слабость, головокружение, сонливость, потерю аппетита.
Среди распространённых в земной коре элементов, литий занимает 3,2.10-3%. При
дифференциации магматических расплавов, литий накапливается в наиболее поздних
продуктах — пегматитах. При выветривании литий захватывается глинами, его
сравнительно мало в Мировом океане. Кларк лития в океанической воде 1,5.10-5.
Установлено 28 минералов лития, среди них наиболее распространены сподумен, петалит,
лепидолит, амблигонит. Близость ионных радиусов Li, Mg, Fe позволяет литию
изоморфно входить в решётки железомагнезиальных силикатов.
В биосфере литий играет меньшую роль, чем натрий, калий.
Металлический литий получают электролизом расплавленной смеси хлоридов
лития и калия при 400-4600С, с последующей очисткой от примесей вакуумной
дистилляцией, ректификацией или зонной плавкой. Важнейшая область использования
лития — ядерная энергетика (изготовление регулирующих стержней в системе защиты
реакторов). Жидкий 7Li применяется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. В
металлургии литий используют для получения на основе Mg и Al литийсодержащих
сплавов; его добавление улучшает пластичность, повышает прочность, устойчивость к
коррозии.
15
IX. Заключение.
Изучив историю применения металлов человеком, я сделал вывод, что
химические элементы начали применять еще в глубокой древности. Первыми были
известны семь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть.
Самыми важными из них являлись медь, сплав меди с оловом – бронза и железо.
Отсюда и возникло название веков медный, бронзовый, железный.
На основе изучения строения, свойств, способов получения и применения
металлов, я могу сделать вывод, что физические свойства металлов, такие как:
пластичность, металлический блеск, электропроводность, теплопроводность
зависят от особенностей строения кристаллических решеток металлов (наличие
относительно свободных электронов).
Химические свойства металлов, а именно, их восстановительные свойства
зависят от строения атомов металлов (малое число электронов на внешнем
электронном уровне и больший радиус атома).
На основе своих удивительных свойств металлы находят широкое
применение, но для того, чтобы их применять необходимо, знать способы
получения металлов из тех соединений, которые встречаются в природе.
Изучая, металлы я особое внимание обратил на активность щелочных
металлов, также на важность их соединений, солей и гидроксидов, которые
находят широкое применение в быту и технике. Соли щелочных металлов хлорид
натрия (NaCl) и хлорид калия (KCl) являются жизненно необходимыми для живых
организмов. От их содержания в клетках зависит обмен веществ и буферные
свойства клетки.
Современные ученые разработали много способов получения чистых
металлов, но особое внимание уделяется сейчас сплавам. Сплавы обладают
другими более полезными для технического применения свойствами, чем
составляющие их чистые металлы. Они обладают большей прочностью,
коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами. Кроме
этого сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Например,
нержавеющая сталь, получаемая на основе, железа, обладает высокой коррозийной
стойкостью даже в агрессивных средах и высокой жаропрочностью. Магнитные
материалы – это сплавы с высоким электрических сопротивлением, с малым
коэффициентом термического расширения. Вот за такими сплавами будущее
современного машиностроения, оборонной промышленности, строительства и
других отраслей промышленности.
16
X. Список литературы.
1. Алексеев С.П., Алексин А.Г., Луков В.А., Янин В.Л. «Что такое? Кто
такой?», Москва, «Педагогика – Пресс», 1995 год.
2. Ахметов Н.С. «Неорганическая химия», Москва, «Просвещение», 1992 год.
3. Глинка Н.А. «Общая химия», Москва, «Химия», 1993 год.
4. Гузей Л.С., Кузнецов В.Н. «Новый справочник по химии», Москва, «Большая
медведица», 1998 год.
5. Смирнова Т.В. «Изучаем химию в 9 классе», Москва, «Дрофа»,
2000 год.
17
18
Документ
Категория
Химия
Просмотров
94
Размер файла
204 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа