Химические свойства основных классов неорганических соединений.(пособие для подготовки к ЕГЭ)

Задания 32. Характерные химические свойства неорганических веществ

Химические
свойства неорганических соединений.

Взаимодействие
неметаллов с растворами щелочей

Реакции
металлов и неметаллов

Взаимодействие
неметаллов с кислотами-окислителями

,
кислота, бинарное соединение или не реагируют

: металл должен стоять в электрохимическом ряду левее H2.

•Галогены вытесняют менее
активные галогены, а также серу из растворов солей

Реакции
основных, кислотных и амфотерных оксидов.

: реакция проходит, если основание растворимо.

: реакция проходит, если кислота растворима.

Оксиды
вступают в окислительно-восстановительные реакции:

•Невысшие оксиды могут
реагировать с кислородом

•Оксиды могут разлагаться
при нагревании

•Оксиды могут
восстанавливаться до простых веществ

HNO3(конц) всегда
восстанавливается до NO2

Реакции ионного обмена

Реагенты
должны быть растворимы (исключение: осадки можно растворять в сильных
кислотах).

В продуктах реакции должны быть
нерастворимое вещество (осадок), газ или

•Галогены
вытесняют менее активные галогены, а также серу из растворов
солей

: каждый металл, начиная с Mg,
может вытеснить менее активный металл

из его растворимой
соли.

Соли вступают в различные
окислительно-восстановительные реакции

Термические превращения солей

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКЕНОВ.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКИНОВ.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРЕНОВ(АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ).

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРЕНОВ.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОВ.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЬДЕГИДОВ,КЕТОНОВ.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЬДЕГИДОВ.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ.

— класс органических соединений, представляющих собой производные неорганических или органических кислот, в которых гидроксильная группа заменена на алкоксильную группу. Общая формула сложных эфиров

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОВ.

Одноатомные предельные спиртыС

Из электронной формулы спирта видно, что в его молекуле химическая связь между атомом кислорода и атомом водорода весьма полярна. Поэтому водород имеет частичный положительный заряд, а кислород – отрицательный. И как следствие: 1) атом водорода, связанный с атомом кислорода, подвижен и реакционноспособен; 2) возможно образование водородных связей между отдельными молекулами спирта и между молекулами спирта и воды:

а) гидратацией алкенов:

б) сбраживанием сахаристых веществ:

в) путем гидролиза крахмалосодержащих продуктов и целлюлозы с последующим сбраживанием образовавшейся глюкозы;

г) из синтез-газа получают метанол:

а) из галогенопроизводных алканов, действуя на них AgOH или КОН:

Вr + AgОН OН + AgBr

б) гидратацией алкенов:

1. Взаимодействие со щелочными металлами:

– OH + 2Na  – ONa + H

2. Взаимодействие с кислотами:

3. Реакции окисления:

ОН + 9O

б) в присутствии окислителей спирты

4. Спирты подвергаются

Многоатомные предельные спирты

По строению молекул многоатомные спирты сходны с одноатомными. Отличие заключается в том, что в их молекулах имеется несколько гидроксильных групп. Содержащийся в них кислород смещает электронную плотность от атомов водорода. Это и приводит к увеличению подвижности водородных атомов и усилению кислотных свойств.

а) гидратацией этиленоксида:

б) глицерин получают синтетическим путем из пропилена и путем гидролиза жиров.

как и одноатомные спирты, путем гидролиза галогенопроизводных алканов водными растворами щелочей:

Многоатомные спирты имеют сходное строение с одноатомными спиртами. В связи с этим их свойства тоже сходные.

3. В связи с усилением кислотных свойств многоатомные спирты в отличие от однотомных реагируют с основаниями (при избытке щелочи):

Фенолы R–OH или R(OH)

В отличие от радикалов алканов (СН – и т. д.) бензольное кольцо обладает свойством притягивать к себе электронную плотность кислородного атома гидроксильной группы.Вследствие этого атом кислорода сильнее, чем в молекулах спиртов, притягивает к себе электронную плотность от атома водорода. Поэтому в молекуле фенола химическая связь между атомом кислорода и атомом водорода становится более полярной, а водородный атом более подвижен и реакционноспособен.

а) выделяют из продуктов пиролиза каменного угля;б) из бензола и пропилена:

в) из бензола:

В молекуле фенола наиболее ярко проявляется взаимное влияние атомов и атомных групп. Это выявляется при сравнении химических свойств фенола и бензола и химических свойств фенола и одноатомных спиртов.

1. Свойства, связанные с наличием группы –OH:

2. Свойства, связанные с наличием бензольного кольца:

3. Реакции поликонденсации:

Электронная и структурная формулы альдегидов следующие:

У альдегидов в альдегидной группе между атомами углерода и водорода существует -связь, а между атомами углерода и кислорода – одна -связь и одна -связь, которая легко разрывается.

а) окислением алканов:

б) окислением алкенов:

в) гидратацией алкинов:

г) окислением первичных спиртов:

(этот метод используется и в лаборатории).

1. Из-за наличия в альдегидной группе -связи наиболее характерны

Реакции полимеризации и поликонденсации:

Одноосновные предельныекарбоновые кислоты

Электронная и структурная формулы одноосновных карбоновых кислот следующие:

Из-за сдвига электронной плотности к атому кислорода в карбонильной группе атом углерода приобретает частичный положительный заряд. Вследствие этого углерод притягивает электронную плотность от гидроксильной группы, и атом водорода становится более подвижным, чем в молекулах спиртов.

б) окислением спиртов:

в) окислением альдегидов:

г) специфическими методами:

1. Простейшие карбоновые кислоты в водном растворе диссоциируют:

2. Реагируют с металлами:

2HCOOH + Mg Mg + H

3. Реагируют с основными оксидами и гидроксидами:

HCOOH + КОН

4. Реагируют с солями более слабых и летучих кислот:

СООН + К СООК + СО

5. Некоторые кислоты образуют ангидриды:

6. Реагируют со спиртами:

Сложные эфиры главным образом получают при взаимодействии карбоновых и минеральных кислот со спиртами:

Характерное свойство сложных эфиров – способность подвергаться гидролизу:

Задания 8. Характерные химические свойства неорганических веществ.

Установите соответствие между формулой вещества и реагентами, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

А) При пропускании газообразного водорода через расплав серы образуется сероводород H2S:

При пропускании хлора над измельченной серой при комнатной температуре образуется дихлорид серы:

S + Cl2 = SCl2

Для сдачи ЕГЭ знать точно, как реагирует сера с хлором и соответственно уметь записывать это уравнение не нужно. Главное — на принципиальном уровне помнить, что сера с хлором реагирует. Хлор – сильный окислитель, сера часто проявляет двойственную функцию — как окислительную, так и восстановительную. То есть, если на серу подействовать сильным окислителем, коим и является молекулярный хлор Cl2, она окислится.

Сера горит синим пламенем в кислороде с образованием газа с резким запахом – диоксида серы SO2:

S + O2 = SO2

Б) SO3- оксид серы (VI) обладает ярко выраженными кислотными свойствами. Для таких оксидов наиболее характерными являются реакции взаимодействия с водой, а также с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами. В списке под номером 2 мы как раз видим и воду, и основные оксид BaO, и гидроксид KOH.

При взаимодействии кислотного оксида с основным оксидом образуется соль соответствующей кислоты и металла, входящего в состав основного оксида. Какому-либо кислотному оксиду соответствует та кислота, в которой кислотообразующий элемент имеет ту же степень окисления, что и в оксиде. Оксиду SO3 соответствует серная кислота H2SO4 (и там, и там степень окисления серы равна +6). Таким образом, при взаимодействии SO3 с оксидами металлов будут получаться соли серной кислоты  — сульфаты, содержащие сульфат-ион SO42-:

SO3 + BaO = BaSO4

При взаимодействии с водой кислотный оксид превращается в соответствующую кислоту:

SO3 + H2O = H2SO4

А при взаимодействии кислотных оксидов с гидроксидами металлов образуется соль соответствующей кислоты и вода:

SO3 + 2KOH = K2SO4 + H2O

В) Гидроксид цинка Zn(OH)2 обладает типичными амфотерными свойствами, то есть реагирует как кислотными оксидами и кислотами, так и с основными оксидами и щелочами. В списке 4 мы видим как кислоты – бромоводородную HBr и уксусную, так и щелочь – LiOH. Напомним, что щелочами называют растворимые в воде гидроксиды металлов:

Zn(OH)2 + 2HBr = ZnBr2 + 2H2O

Zn(OH)2 + 2CH3COOH = Zn(CH3COO)2 + 2H2O

Г) Бромид цинка ZnBr2 является солью, растворим в воде. Для растворимых солей наиболее распространены реакции ионного обмена. Соль может реагировать с другой солью при условии что обе исходные соли растворимы и образуется осадок. Также ZnBr2 содержит бромид ион Br-. Для галогенидов металлов характерно то, что они способны вступать  в реакцию с галогенами Hal2, находящимися выше в таблице Менделеева. Таким образом? описанные типы реакций протекают со всеми веществами списка 1:

ZnBr2 + 2AgNO3 = 2AgBr + Zn(NO3)2

3ZnBr2 + 2Na3PO4 = Zn3(PO4)2 + 6NaBr

ZnBr2 + Cl2 = ZnCl2 + Br2

Ответ: 2231 Пояснение: Будем двигаться по-порядку, признавая ответ неподходящим, как только столкнемся с реагентом, с которым указанное вещество не реагирует:

А) Fe — железо. Проверяем вариант ответа 1:

Fe + NaOH ≠ — реакция не протекает, так как с щелочами реагируют всего три металла — Be, Zn Al («безнал»).

проверяем вариант ответа 2:

Fe + Br2 . Бром — очень сильный окислитель, из металлов реагирует практически со всеми (аналогично Cl2, O2). Железо — металл средней активности, реагирует даже с мягкими окислителями, такими как, например, неокисляющими кислотами, солями менее активных металлов. Отсюда вывод — реакция возможна. Поскольку бром, как уже было сказано — сильный окислитель, то он окисляет железо до степени окисления +3, а не +2.

Fe + CuCl2. Металлы реагируют с солями в том случае, если исходный свободный металл (в нашем случае железо) является более активным, чем тот, что входит в состав соли (в нашем случае медь). Железо является более активным, поскольку в ряду активности находится левее меди:

Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu

Fe + AgNO3 — взаимодействие аналогичное рассмотренному выше:

Fe + AgNO3 = Fe(NO3)2 + Ag

Таким образом для A подходит вариант ответа 2.

Б) KI — иодид калия. Проверяем вариант ответа 1:

KI + NaOH ≠ реакция не протекает, т.к. для протекания реакции между гидроксидом металла и средней солью необходимо выполнение одновременно двух требований

1) растворимость исходных соли и гидроксида

2) в предполагаемых продуктах есть нерастворимое вещество или газ.

В данном случае первое требование выполняется, а второе нет. Значит реакция не идет.

KI + Br2 — реакция между галогенидом металла и свободным галогеном протекает в том случае, если свободный галоген более активен (расположен ниже в таблице Менделеева), чем входящий в состав соли. Т.е. данная реакция протекает:

2KI + Br2 = 2KBr + I2

KI + CuCl2 — реакция протекает т.к. иодид-ионы окисляются двухвалентной медью до свободного йода. Медь при этом понижает свою степень окисления с +2 до +1:

2KI + 2CuCl2 = 2CuCl + I2 + 2KCl

KI + AgNO3 —  для протекания реакции между солями необходимо выполнение одновременно двух требований:

1) растворимость исходных солей

В данном случае выполняются оба требования. Значит реакция идет:

KI + AgNO3 = AgI↓ + KNO3

Таким образом для Б подходит вариант ответа 2.

В) HCl — кислота. Проверяем вариант ответа 1:

Кислоты реагирует с основными оксидами/гидроксидами. Т.е. реакция с NaOH протекает. Поскольку соляная кислота относится к кислотам со слабыми окисляющими свойствами (окисляет водородом), то из металлов она способна реагировать только с теми, что находятся до водорода. Окислить металлы, а также неметаллы она не способна. Т.е. реакция с Mg протекает, а с  С — нет.

HCl + Br2 — реакция не протекает т.к. для протекания реакции требуется, чтобы свободный галоген должен быть выше в таблице Менделеева, чем входящий в состав галогеноводородной кислоты или ее соли.

Проверяем вариант ответа 3:

HCl + AgNO3 = AgCl↓ + HNO3 — данная реакция обмена протекает, т.к. образуется осадок — хлорид серебра.

HCl + KOH = KCl + H2O — данная реакция обмена протекает, т.к. образуется малодиссоциирующее вещество — вода.

HCl + MnO2 — взаимодействие концентрированной соляной кислоты с такими окислителями как MnO2, KMnO4, K2Cr2O7 и KClO3 является распространенным способом получения газообразного хлора в лабораторных условиях. В нашем случае уравнение имеет вид:

4HCl + MnO2 = MnCl2 + Cl2 + 2H2O

Таким образом для В подходит вариант ответа 3.

Г) CO2 — кислотный оксид. Реагирует с щелочами:

CO2 + NaOH = NaHCO3 или CO2 + 2NaOH = Na2CO3+ H2O

Br2 — сильный окислитель, способен реагировать практически со всеми металлами кроме серебра, платины и золота:

Br2 + Mg = MgBr2

Br2 способен вытеснить менее активные галогены (те что ниже в таблице Менделеева) из их галогенидов и галогеноводородных кислот. Аналогично реагирует также с сульфидами и сероводородом — вытесняет серу как элемент с существенно более низкой электроотрицательностью:

Br2 + H2S= S↓ + 2HBr

Br2 входит в список простых веществ, способных реагировать с водородом. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, углерод, азот, кислород, все галогены:

Br2 + H2 = 2HBr

SiO2 — кислотный оксид, имеющий атомное строение и, как следствие, очень химически инертен. Например, в отличие от любого другого кислотного оксида он не реагирует с водой.

Ввиду того, что SiO2 относится к кислотным оксидам, многие разумно предполагают, что с веществами кислотной природы (кислотными оксидами и кислотами) не реагирует. Практически всегда это действительно так. Однако, существует небольшое количество реакций, являющихся исключением из этого правила, и взаимодействие диоксида кремния с плавиковой кислотой (HF) относится как раз к таким реакциям:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O или при избытке HF:

SiO2, как уже было сказано, является весьма инертным веществом и способен реагировать лишь с немногими другими  сложными веществами, а именно с щелочами , с карбонатами и сульфитами (при сплавлении), а также с плавиковой кислотой. Взаимодействие с щелочью возможно либо при кипячении SiO2  в ее концентрированном растворе или же сплавлении с чистой твердой щелочью. В обоих случаях уравнение реакции имеет вид:

Как уже было сказано выше, диоксид кремния реагирует с карбонатами и сульфитами при их сплавлении друг с другом (с растворами карбонатов и сульфитов такая реакция не протекает):

Карбонаты реагируют со всеми растворимыми кислотами:

K2CO3 + 2HCl = H2O + CO2↑ + 2KCl

Аналогично диоксиду кремния, амфотерные оксиды способны вытеснять намного более летучие CO2 и SO2 из твердых карбонатов и сульфитов при сплавлении:

Взаимодействие с CaCl2

В нашем случае выполняются оба требования — K2CO3 и CaCl2 — растворимы, а в продуктах есть нерастворимое вещество — CaCO3:

K2CO3 + CaCl2 = CaCO3↓ + 2KCl

Взаимодействие Fe2(SO4)3 с LiOH

Для протекания реакции между гидроксидом металла и солью необходимо выполнение одновременно двух требований

2) в предполагаемых продуктах есть осадок, газ или малодиссоциирующее вещество.

В данном случае оба требования выполняются Fe2(SO4)3 с LiOH — растворимы в воде, а в продуктах есть нерастворимое вещество Fe(OH)3, следовательно, реакция протекает:

Fe2(SO4)3 + 6LiOH = 2Fe(OH)3↓ + 3Li2SO4

Если мы посмотрим в таблицу растворимости на предполагаемые продукты реакции обмена между Fe2(SO4)3 и KI, т.е. на сульфат калия и иодид железа (III), мы увидим, что сульфат калия растворим, а в ячейке характеризующей FeI3 стоит знак «?», говорящий о том, что данное вещество не существует. Какой вывод можно сделать из этого? Реакция протекает или нет? Следует усвоить тот факт, что если в предполагаемых продуктах обмена вы видите вещество, которому в таблице Менделеева соответствует символ » — » или «?», то это значит, что реакция точно протекает, но протекает необычными образом. В частности, в данном случае, ионы Fe3+ не могут сосуществовать в одном растворе с иодид-ионами, поскольку окисляют их до свободного йода, сами при этом восстанавливаясь до ионов Fe2+:

Fe2(SO4)3 + 2KI = 2FeSO4 + I2 + K2SO4

Или в ионном виде:

2Fe3+ + 2I- = 2Fe2+ + I2

Исходные соли растворимы, а в предполагаемых продуктах ионного обмена есть нерастворимое вещество — BaSO4, следовательно, реакция протекает:

Fe2(SO4)3 + BaCl2 = 3BaSO4↓ + 2FeCl3

Щелочных, щелочноземельных, алюминия, переходных металлов — меди, цинка, хрома, железа

С развитием производства металлов (простых веществ) и сплавов связано возникновение цивилизации (бронзовый век, железный век).

Начавшаяся примерно $100$ лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать коррозионностойкие, сверхтвердые, тугоплавкие сплавы, применение которых сильно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплавов вольфрама и рения делают детали, работающие при температурах до $3000°С$; в медицине используют хирургические инструменты из сплавов тантала и платины, уникальной керамики на основе оксидов титана и циркония.

И, конечно же, мы не должны забывать, что в большинстве сплавов используют давно известный металл железо, а основу многих легких сплавов составляют сравнительно «молодые» металлы — алюминий и магний.

Сверхновыми стали композиционные материалы, представляющие, например, полимер или керамику, которые внутри (как бетон железными прутьями) упрочнены металлическими волокнами из вольфрама, молибдена, стали и других металлов и сплавов — все зависит от поставленной цели и необходимых для ее достижения свойств материала.

Единственный валентный электрон атома натрия $3s^1$ может занимать любую из девяти свободных орбиталей — $3s$ (одна), $3р$ (три) и $3d$ (пять), ведь они не очень отличаются по уровню энергии. При сближении атомов, когда образуется кристаллическая решетка, валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются с одной орбитали на другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла.

Такую химическую связь называют металлической. Металлическую связь образуют элементы, атомы которых на внешнем слое имеют мало валентных электронов по сравнению с большим числом внешних энергетически близких орбиталей. Их валентные электроны слабо удерживаются в атоме. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены и перемещаются по всей кристаллической решетке в целом нейтрального металла.

Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки, которые обычно изображают схематически так, как показано на рисунке. Катионы и атомы металлов, расположенные в узлах кристаллической решетки, обеспечивают ее стабильность и прочность (обобществленные электроны изображены в виде черных маленьких шариков).

Металлическая связь — это связь в металлах и сплавах между атомионами металлов, расположенными в узлах кристаллической решетки, осуществляемая обобществленными валентными электронами.

Некоторые металлы кристаллизуются в двух или более кристаллических формах. Это свойство веществ — существовать в нескольких кристаллических модификациях — называют полиморфизмом.

Например, железо имеет четыре кристаллических модификации, каждая из которых устойчива в определенном температурном интервале:

Олово имеет две кристаллические модификации:

Конечно, особый вид химической связи и тип кристаллической решетки металлов должны определять и объяснять их физические свойства.

Каковы же они? Это металлический блеск, пластичность, высокая электрическая проводимость и теплопроводность, рост электрического сопротивления при повышении температуры, а также такие значимые свойства, как плотность, высокие температуры плавления и кипения, твердость, магнитные свойства.

Давайте попробуем объяснить причины, определяющие основные физические свойства металлов.

Почему металлы пластичны?

Механическое воздействие на кристалл с металлической кристаллической решеткой вызывает смещение слоев ион-атомов друг относительно друга, а так как электроны перемещаются по всему кристаллу, разрыв связей не происходит, поэтому для металлов характерна большая пластичность.

Аналогичное воздействие на твердое вещество с ковалентными связями (атомной кристаллической решеткой) приводит к разрыву ковалентных связей. Разрыв связей в ионной решетке приводит к взаимному отталкиванию одноименно заряженных ионов. По этому вещества с атомными и ионными кристаллическими решетками хрупкие.

Наиболее пластичные металлы — это $Au, Ag, Sn, Pb, Zn$. Они легко вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, прессованию, прокатыванию в листы. Например, из золота можно изготовить золотую фольгу толщиной $0,003$ мм, а из $0,5$ г этого металла можно вытянуть нить длиной $1$ км.

Даже ртуть, которая, как вы знаете, при комнатной температуре жидкая, при низких температурах в твердом состоянии становится ковкой, как свинец. Не обладают пластичностью лишь $Bi$ и $Mn$, они хрупкие.

Почему металлы имеют характерный блеск, а также непрозрачны?

Электроны, заполняющие межатомное пространство, отражают световые лучи (а не пропускают, как стекло), причем большинство металлов в равной степени рассеивают все лучи видимой части спектра. Поэтому они имеют серебристо-белый или серый цвет. Стронций, золото и медь в большей степени поглощают короткие волны (близкие к фиолетовому цвету) и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют светло-желтый, желтый и медный цвета.

Хотя на практике металл не всегда нам кажется светлым телом. Во-первых, его поверхность может окисляться и терять блеск. Поэтому самородная медь выглядит зеленоватым камнем. А во-вторых, и чистый металл может не блестеть. Очень тонкие листы серебра и золота имеют совершенно неожиданный вид — они имеют голубовато-зеленый цвет. А мелкие порошки металлов кажутся темно-серыми, даже черными.

Наибольшую отражательную способность имеют серебро, алюминий, палладий. Их используют при изготовлении зеркал, в том числе и в прожекторах.

Почему металлы имеют высокую электрическую проводимость и теплопроводны?

Хаотически движущиеся электроны в металле под воздействием приложенного электрического напряжения приобретают направленное движение, т. е. проводят электрический ток. При повышении температуры металла возрастают амплитуды колебаний находящихся в узлах кристаллической решетки атомов и ионов. Это затрудняет перемещение электронов, электрическая проводимость металла падает. При низких температурах колебательное движение, наоборот, сильно уменьшается и электрическая проводимость металлов резко возрастает. Вблизи абсолютного нуля сопротивление у металлов практически отсутствует, у большинства металлов появляется сверхпроводимость.

Следует отметить, что неметаллы, обладающие электрической проводимостью (например, графит), при низких температурах, наоборот, не проводят электрический ток из-за отсутствия свободных электронов. И только с повышением температуры и разрушением некоторых ковалентных связей их электрическая проводимость начинает возрастать.

Наибольшую электрическую проводимость имеют серебро, медь, а также золото, алюминий, наименьшую — марганец, свинец, ртуть.

Чаще всего с той же закономерностью, как и электрическая проводимость, изменяется теплопроводность металлов.

Она обусловлена большой подвижностью свободных электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися ионами и атомами, обмениваются с ними энергией. Происходит выравнивание температуры по всему куску металла.

Механическая прочность, плотность, температура плавления у металлов очень сильно отличаются. Причем с увеличением числа электронов, связывающих ион-атомы, и уменьшением межатомного расстояния в кристаллах показатели этих свойств возрастают.

Так, щелочные металлы ($Li, K, Na, Rb, Cs$), атомы которых имеют один валентный электрон, мягкие, с небольшой плотностью (литий — самый легкий металл с $ρ=0,53 г/см^3$) и плавятся при невысоких температурах (например, температура плавления цезия $29°С$). Единственный металл, жидкий при обычных условиях, — ртуть — имеет температуру плавления, равную $–38,9°С$.

Кальций, имеющий два электрона на внешнем энергетическом уровне атомов, гораздо более тверд и плавится при более высокой температуре ($842°С$).

Еще более прочной является кристаллическая решетка, образованная ионами скандия, который имеет три валентных электрона.

Но самые прочные кристаллические решетки, большие плотности и температуры плавления наблюдаются у металлов побочных подгрупп V, VI, VII, VIII групп. Это объясняется тем, что для металлов побочных подгрупп, имеющих неспаренные валентные электроны на d-подуровне, характерно образование очень прочных ковалентных связей между атомами, помимо металлической, осуществляемой электронами внешнего слоя с $s$-орбиталей.

Металлы по-разному взаимодействуют с магнитным полем. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний выделяются своей способностью сильно намагничиваться. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля — это парамагнетики. Металлы, выталкиваемые магнитным полем, — диамагнетики (медь, серебро, золото, висмут).

Напомним, что при рассмотрении электронного строения металлов мы разделили металлы на металлы главных подгрупп ($s-$ и $р-$элементы) и металлы побочных подгрупп (переходные $d-$ и $f-$элементы).

В технике принято классифицировать металлы по различным физическим свойствам:

а) плотности — легкие ($ρ < 5 г/см^3$) и тяжелые (все остальные);

б) температуре плавления — легкоплавкие и тугоплавкие.

Железо и его сплавы принято считать черными металлами, а все остальные — цветными.

Существуют классификации металлов по химическим свойствам.

Металлы с низкой химической активностью называют благородными (серебро, золото, платина и ее аналоги — осмий, иридий, рутений, палладий, родий).

По близости химических свойств выделяют щелочные (металлы главной подгруппы I группы), щелочноземельные (кальций, стронций, барий, радий), а также редкоземельные металлы (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды).

Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ионы, т.е. окисляются. В этом, как вам известно, заключается главное общее свойство и атомов, и простых веществ — металлов.

Металлы в химических реакциях всегда восстановители. Восстановительная способность атомов простых веществ — металлов, образованных химическими элементами одного периода или одной главной подгруппы Периодической системы Д.И. Менделеева, изменяется закономерно.

Электрохимический ряд напряжений металлов

Восстановительную активность металла в химических реакциях, которые протекают в водных растворах, отражает его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов.

На основании этого ряда напряжений можно сделать следующие важные заключения о химической активности металлов в реакциях, протекающих в водных растворах при стандартных условиях ($t=25°С, р=1 атм$):

Восстановительная активность металла, определенная по электрохимическому ряду, не всегда соответствует положению его в Периодической системе. Это объясняется тем, что при определении положения металла в ряду напряжений учитывают не только энергию отрыва электронов от отдельных атомов, но и энергию, затрачиваемую на разрушение кристаллической решетки, а также энергию, выделяющуюся при гидратации ионов.

Металлы, являющиеся самыми сильными восстановителями (щелочные и щелочноземельные), в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.

Например, литий более активен в водных растворах, чем натрий (хотя по положению в Периодической системе $Na$ — более активный металл). Дело в том, что энергия гидратации ионов $Li^+$ значительно больше, чем энергия гидратации $Na^+$, поэтому первый процесс является энергетически более выгодным.

Рассмотрев общие положения, характеризующие восстановительные свойства металлов, перейдем к конкретным химическим реакциям.

Взаимодействие металлов с неметаллами

1. С кислородом большинство металлов образуют оксиды — основные и амфотерные. Кислотные оксиды переходных металлов, например оксид хрома (VI) $CrO_3$ или оксид марганца(VII) $Mn_2O_7$, не образуются при прямом окислении металла кислородом. Их получают косвенным путем.

Щелочные металлы $Na, K$ активно реагируют с кислородом воздуха, образуя пероксиды:

Оксид натрия получают косвенным путем, при прокаливании пероксидов с соответствующими металлами:

Литий и щелочноземельные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха, образуя основные оксиды:

Другие металлы, кроме золота и платиновых металлов, которые вообще не окисляются кислородом воздуха, взаимодействуют с ним менее активно или при нагревании:

2. С галогенами металлы образуют соли галогеноводородных кислот, например:

3. С водородом самые активные металлы образуют гидриды — ионные солеподобные вещества, в которых водород имеет степень окисления $–1$, например:

Многие переходные металлы образуют с водородом гидриды особого типа — происходит как бы растворение или внедрение водорода в кристаллическую решетку металлов между атомами и ионами, при этом металл сохраняет свой внешний вид, но увеличивается в объеме. Поглощенный водород находится в металле, по-видимому, в атомарном виде.

Существуют и гидриды металлов промежуточного характера.

4. С серой металлы образуют соли — сульфиды, например:

5. С азотом металлы реагируют несколько труднее, т.к. химическая связь в молекуле азота $N_2$ очень прочна; при этом образуются нитриды. При обычной температуре взаимодействует с азотом только литий:

Взаимодействие металов со сложными веществами

1. С водой. Щелочные и щелочноземельные металлы при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют растворимые основания — щелочи, например:

Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определенных условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную пленку:

Магний взаимодействует с водой только при кипячении, при этом также выделяется водород:

А вот свинец (и некоторые другие металлы), несмотря на его положение в ряду напряжений (слева от водорода), почти не растворяется в разбавленной серной кислоте, т.к. образующийся сульфат свинца $PbSO_4$ нерастворим и создает на поверхности металла защитную пленку.

3. С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой реакции образуется соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде.

Нужно помнить, что реакция идет в тех случаях, когда образующаяся соль растворима. Вытеснение металлов из их соединений другими металлами впервые подробно изучил Н.Н. Бекетов — крупный русский физико-химик. Он расположил металлы по химической активности в «вытеснительный ряд», ставший прототипом ряда напряжений металлов.

4. С органическими веществами. Взаимодействие с органическими кислотами аналогично реакциям с минеральными кислотами. Спирты же могут проявлять слабые кислотные свойства при взаимодействии со щелочными металлами:

Аналогично реагирует и фенол:

Металлы участвуют в реакциях с галогеналканами, которые используют для получения низших циклоалканов и для синтезов, в ходе которых происходит усложнение углеродного скелета молекулы (реакция А. Вюрца):

5. Со щелочами в растворе взаимодействуют металлы, гидроксиды которых амфотерны.

6. Металлы могут образовывать друг с другом химические соединения, которые получили общее название интерметаллических соединений. В них чаще всего не проявляются степени окисления атомов, которые характерны для соединений металлов с неметаллами. Например:

$Cu_3Au, LaNi_5, Na_2Sb, Ca_3Sb_2$ и др.

Интерметаллические соединения обычно не имеют постоянного состава, химическая связь в них в основном металлическая. Образование этих соединений более характерно для металлов побочных подгрупп.

Химические свойства щелочных металлов ($Na, K$)

Щелочные металлы — это элементы главной подгруппы I группы Периодической системы. На внешнем энергетическом уровне атомы этих элементов содержат по одному электрону, находящемуся на большом удалении от ядра. Они легко отдают этот электрон, поэтому являются сильными восстановителями. Во всех соединениях щелочные металлы проявляют степень окисления $+1$. Все они типичные металлы, имеют серебристо-белый цвет, мягкие (режутся ножом), легкие и легкоплавкие. Активно взаимодействуют со всеми неметаллами:

Все щелочные металлы при взаимодействии с кислородом (исключение — $Li$) образуют пероксиды. В свободном виде щелочные металлы не встречаются из-за их высокой химической активности.

Оксиды — твердые вещества, имеют основные свойства. Их получают, прокаливая пероксиды с соответствующими металлами:

Гидроксиды $NaOH, KOH$ — твердые белые вещества, гигроскопичны, хорошо растворяются в воде с выделением теплоты, их относят к щелочам:

Соли щелочных металлов почти все растворимы в воде. Важнейшие из них: $Na_2CO_3$ — карбонат натрия; $Na_2CO_3·10H_2O$ — кристаллическая сода; $NaHCO_3$ — гидрокарбонат натрия, пищевая сода; $K_2CO_3$ — карбонат калия, поташ; $Na_2SO_4·10H_2O$ — глауберова соль; $NaCl$ — хлорид натрия, пищевая соль.

Химические свойства щелочноземельных металлов ($Ca, Mg$)

Кальций ($Ca$) является представителем щелочноземельных металлов, как называют элементы главной подгруппы II группы, но не все, а только начиная с кальция и вниз по группе. Это те химические элементы, которые, взаимодействуя с водой, образуют щелочи. Кальций на внеш нем энергетическом уровне содержит два электрона, степень окисления $+2$.

Физические и химические свойства кальция и его соединений представлены в таблице.

Магний ($Mg$) имеет такое же строение атома, как и кальций, степень его окисления также $+2$. Мягкий металл, но его поверхность на воздухе покрывается защитной пленкой, что немного снижает его химическую активность. Его горение сопровождается ослепительной вспышкой. $MgO$ и $Mg(OH)_2$ проявляют основные свойства. Хотя $Mg(OH)_2$ и малорастворим, но окрашивает раствор фенолфталеина в малиновый цвет.

Оксиды $MgO$ — твердые белые тугоплавкие вещества. В технике $CaO$ называют негашеной известью, а $MgO$ — жженой магнезией, их используют в производстве строительных материалов.

Реакция оксида кальция с водой сопровождается выделением теплоты и называется гашением извести, а образующийся $Ca(OH)_2$ — гашеной известью. Прозрачный раствор гидроксида кальция называется известковой водой, а белая взвесь $Ca(OH)_2$ в воде — известковым молоком.

Соли магния и кальция получают взаимодействием их с кислотами.

$CaCO_3$ — карбонат кальция, мел, мрамор, известняк. Применяется в строительстве. $MgCO_3$ — карбонат магния — применяется в металлургии для освобождения от шлаков. $CaSO_4·2H_2O$ — гипс. $MgSO_4$ — сульфат магния — называют горькой, или английской, солью, содержится в морской воде. $BaSO_4$ — сульфат бария — благодаря нерастворимости и способности задерживать рентгеновские лучи применяется в диагностике («баритовая каша») желудочно-кишечного тракта.

На долю кальция приходится $1,5%$ массы тела человека, $98%$ кальция содержится в костях.

Кальций и его соединения.

Химические свойства алюминия

Высокая химическая активность алюминия используется в алюминотермии, с помощью которой получают хром, ванадий, титан и другие металлы.

Прочность химической связи в оксиде $Al_2O_3$ обуславливает его механическую прочность, твердость. $Al_2O_3$ — корунд, абразивный материал. Искусственный рубин — $Al_2O_3$ с добавлением оксида хрома. Химические свойства алюминия и его соединений обобщены в таблице.

Алюминий и его соединения.

Химические свойства меди

Медь — мягкий, блестящий металл, имеющий красную окраску, ковкий и обладает хорошими литейными качествами, хороший тепло- и электропроводник. Температура плавления $1083°С$.

Как и другие металлы побочной подгруппы I группы Периодической системы, медь стоит в ряду активности правее водорода и не вытесняет его из кислот, но реагирует с кислотами-окислителями:

Под действием щелочей на растворы солей меди выпадает осадок слабого основания голубого цвета — гидроксида меди (II), который при нагревании разлагается на основный оксид $CuO$ черного цвета и воду:

Химические свойства цинка

Цинк — металл серебристо-белого цвета, практически не изменяющийся на воздухе. Обладает коррозионной стойкостью, что объясняется наличием на его поверхности оксидной пленки.

Цинк — один из активнейших металлов, при повышенной температуре реагирует с простыми веществами:

Цинк вытесняет водород из кислот:

Гидроксид цинка амфотерен, т. е. проявляет свойства и кислоты, и основания. При постепенном приливании