Objectifs de la leçon:
Éducatif - considérer la position des métaux dans le système d'éléments D.I. Mendeleïev, présente aux étudiants les propriétés fondamentales des métaux, découvre leurs causes, introduit le concept de corrosion des métaux
Du développement – être capable de trouver des métaux dans le tableau PSHE, être capable de comparer des métaux et des non-métaux, expliquer les raisons des propriétés chimiques et physiques des métaux, développer la réflexion théorique des étudiants et leur capacité à prédire les propriétés des métaux en fonction de leur structure.
Éduquer - favoriser le développement de l'intérêt cognitif des étudiants pour les études de chimie
Type de cours : leçon d’apprentissage de nouveau matériel.
Méthodes d'enseignement : verbal et visuel
Pendant les cours :
Calendrier de la leçon.
Moment d'organisation (1 min.)
Actualisation des connaissances (3 min)
Apprendre du nouveau matériel
1.1. Position dans le tableau périodique. (10 minutes)
1.2. Caractéristiques de la structure électronique des atomes (10 min)
1.3. Propriétés réductrices des métaux. (10 minutes)
2.1. Connexion métallique. (5 minutes)
4. Soulagement émotionnel 2 min
2.2. Propriétés physiques. (10 min)
3. Propriétés chimiques. (17 minutes)
4. Corrosion des métaux (5 min)
Consolidation (15 min)
Devoir (3 min)
Résumé de la leçon (1 min)
Organisation du temps
(Salutations mutuelles, enregistrement des personnes présentes).
Actualisation des connaissances. Au début de la leçon, l'enseignant attire l'attention des élèves sur l'importance du nouveau sujet, déterminé par le rôle que jouent les métaux dans la nature et dans toutes les sphères de l'activité humaine.. Industrie
Le professeur lit l'énigme :
Je suis dur, malléable et plastique,
Génial, nécessaire à tout le monde, pratique.
Je t'ai déjà donné un indice,
Alors qui suis-je...? et propose d'écrire la réponse dans un cahier comme sujet de la leçon ?
Apprendre du nouveau matériel
Plan de cours.
1. Caractéristiques de l'élément métallique.
1.2. Caractéristiques de la structure électronique des atomes.
1.3. Propriétés réductrices des métaux.
2. Caractéristiques d'une substance simple.
2.1. Connexion métallique.
2.2. Propriétés physiques.
3. Propriétés chimiques.
4. Corrosion des métaux.
1.1. Position dans le tableau périodique.
La frontière conventionnelle entre les éléments métalliques et les éléments non métalliques s'étend le long de la diagonale B (bore) - (silicium) - Si (arsenic) - Te (tellure) - As (astate) (tracez-la dans le tableau de D. I. Mendeleïev).
Les éléments initiaux formentsous-groupe principal du groupe I et sont appelés métaux alcalins . Ils tirent leur nom du nom de leurs hydroxydes correspondants, hautement solubles dans l'eau - les alcalis.
Parmi les éléments des principaux sous-groupes des groupes suivants, les métaux comprennent : dans le groupe IV le germanium, l'étain, le plomb (32,50,82) (les deux premiers éléments sont le carbone et le silicium - non-métaux), dans le groupe V l'antimoine et bismuth (51,83) (les trois premiers éléments sont des non-métaux), dans le groupe VI seul le dernier élément - le polonium (84) - est un métal clairement défini. Dans les principaux sous-groupes des groupes VII et VIII, tous les éléments sont des non-métaux typiques.
Quant aux éléments des sous-groupes secondaires, ce sont tous des métaux.
Atomes métaux alcalins ne contiennent qu'un seul électron au niveau d'énergie externe, qu'ils abandonnent facilement lors des interactions chimiques, ce sont donc les agents réducteurs les plus puissants. Il est clair que, conformément à l'augmentation du rayon atomique, les propriétés réductrices des métaux alcalins augmentent du lithium au francium.
Les éléments suivant les métaux alcalins qui composentsous-groupe principal du groupe II, Ce sont également des métaux typiques dotés d’un fort pouvoir réducteur (leurs atomes contiennent deux électrons au niveau externe).Parmi ces métaux, le calcium, le strontium, le baryum et le radium sont appelés métaux alcalino-terreux. . Ces métaux ont reçu ce nom parce que leurs oxydes, que les alchimistes appelaient « terres », forment des alcalis lorsqu'ils sont dissous dans l'eau.
Les métaux comprennent également des élémentssous-groupe principal du groupe III, à l'exclusion du bore.
Le groupe 3 comprend les métaux appelés sous-groupe de l'aluminium.
1.2 Caractéristiques de la structure électronique des métaux.
Les étudiants, à partir des connaissances acquises, formulent leur propre définition du « métal ».
Les métaux sont des éléments chimiques dont les atomes abandonnent les électrons de la couche électronique externe (et parfois pré-externe) et se transforment en ions positifs. Les métaux sont des agents réducteurs. Cela est dû au petit nombre d'électrons dans la couche externe et au grand rayon des atomes, de sorte que ces électrons sont faiblement retenus avec le noyau.Les atomes métalliques ont relativement grandes tailles(rayons), par conséquent leurs électrons externes sont considérablement éloignés du noyau et faiblement associés à celui-ci. Et la deuxième caractéristique inhérente aux atomes des métaux les plus actifs estla présence de 1 à 3 électrons dans le niveau d'énergie externe.
Les atomes métalliques sont similaires dans la structure de la couche électronique externe, qui est formée d'un petit nombre d'électrons (généralement pas plus de trois).
Cette affirmation peut être illustrée par les exemples de Na, d'aluminium A1 et de zinc Zn. Lors de l'élaboration de schémas de la structure des atomes, vous pouvez éventuellement créer des formules électroniques et donner des exemples de structure d'éléments de longues périodes, par exemple le zinc.
Du fait que les électrons de la couche externe des atomes métalliques sont faiblement liés au noyau, ils peuvent être « donnés » à d'autres particules, ce qui se produit lorsque réactions chimiques:
La propriété des atomes métalliques de céder des électrons est leur propriété chimique caractéristique et indique que les métaux présentent des propriétés réductrices.
1.3 Propriétés réductrices des métaux.
Comment évolue la capacité oxydante des éléments ?IIIpériode?
(Les propriétés oxydantes s'intensifient par périodes et les propriétés réductrices s'affaiblissent. La raison du changement de ces propriétés est une augmentation du nombre d'électrons dans la dernière orbitale.)
Comment évoluent les propriétés oxydantes des éléments du groupe 4 du sous-groupe principal ?(de bas en haut, les propriétés oxydantes augmentent. La raison du changement de ces propriétés est une diminution du rayon de l'atome (c'est plus facile à accepter qu'à donner)
Sur la base de la position des métaux dans le tableau périodique, quelle conclusion peut-on tirer sur les propriétés rédox des éléments métalliques ?
(Les métaux sont des agents réducteurs dans les réactions chimiques car ils cèdent leurs électrons de valence)
Les étudiants répondent que la force de la liaison entre les électrons de valence et le noyau dépend de deux facteurs :l'ampleur de la charge nucléaire et le rayon de l'atome. .
(enregistrer la conclusion dans les cahiers des élèves) dans les périodes où la charge nucléaire augmente, les propriétés réductrices diminuent.
Les éléments - métaux des sous-groupes secondaires - ont des propriétés légèrement différentes.
L'enseignant propose de comparer l'activité des éléments du sous-groupe secondaire.Cu, Ag, Au – activitéb éléments - métaux - chutes. Cette tendance est également observée dans les éléments du deuxième sous-groupe secondaireZn, CD, Hg.Augmentation des électrons au niveau externe donc les propriétés réductrices s’affaiblissent
Pour les éléments des sous-groupes latéraux - ce sont des éléments de 4 à 7 périodes 31-36, 49-54 - avec une augmentation de l'élément d'ordre, le rayon des atomes change peu et la valeur de la charge nucléaire augmente considérablement, donc le la force de la liaison des électrons de valence avec le noyau augmente, les propriétés réductrices s'affaiblissent.
2.1. Connexion métallique.
La liaison métallique se produit par l’attraction mutuelle d’ions atomiques et d’électrons relativement libres.
Image 1.
Structure du réseau cristallin des métaux
Dans les métaux, les électrons de valence sont extrêmement faiblement retenus par les atomes et sont capables de migrer. Les atomes laissés sans électrons externes acquièrent une charge positive. Ils forment un réseau cristallin métallique.
Un ensemble d'électrons de valence socialisés (électrons gazeux), chargés négativement, retient des ions métalliques positifs en certains points de l'espace - les nœuds d'un réseau cristallin, par exemple le métal argent.
Les électrons externes peuvent se déplacer librement et de manière chaotique, c'est pourquoi les métaux se caractérisent par une conductivité électrique élevée (notamment l'or, l'argent, le cuivre et l'aluminium).
Une liaison chimique présuppose un certain type de réseau cristallin. La liaison chimique métallique favorise la formation de cristaux avec un réseau cristallin métallique. Aux nœuds du réseau cristallin se trouvent des ions d’atomes métalliques et entre eux se trouvent des électrons en mouvement libre. Une liaison métallique diffère d'une liaison ionique car il n'y a pas d'anions, bien qu'il y ait des cations. Il diffère également du covalent, car les paires d'électrons partagés ne se forment pas.
Soulagement émotionnel
L'absence de quel métal a été décrite par l'académicien A.E. Fersman ?
Il y aurait l'horreur de la destruction dans les rues : il n'y aurait ni rails, ni wagons, ni locomotives, ni voitures, même les pavés se transformeraient en poussière d'argile, et les plantes commenceraient à se faner et à mourir sans ce métal. La destruction par un ouragan se serait produite sur toute la Terre et la mort de l’humanité serait devenue inévitable. Cependant, une personne n'aurait pas vécu pour voir ce moment, car ayant perdu trois grammes de ce métal dans son corps et son sang, elle aurait cessé d'exister avant que les événements décrits ne se déroulent (Réponse : Tous les gens seraient morts, privés de fer Dans le sang)
Nommez les contrefacteurs de métaux
Le nom du métal a été donné par les conquistadors espagnols qui, au milieu du XVIe siècle. rencontré pour la première fois en Amérique du Sud(sur le territoire de la Colombie moderne) avec un nouveau métal qui ressemblait à de l'argent. Le nom du métal signifie littéralement « petit argent », « petit argent ».
Ce nom désobligeant s'explique par le caractère réfractaire exceptionnel du métal, qui ne pouvait pas être fondu, n'a pas trouvé d'utilité pendant longtemps et était valorisé deux fois moins que l'argent. Ils utilisaient ce métal pour fabriquer de fausses pièces de monnaie.
Aujourd’hui, ce métal, utilisé comme catalyseur et en bijouterie, est l’un des plus chers.
Il n’existe pas dans la nature sous sa forme pure. Le platine natif est généralement un alliage naturel avec d'autres métaux nobles (palladium, iridium, rhodium, ruthénium, osmium) et de base (fer, cuivre, nickel, plomb, silicium). Pour l'obtenir, les pépites sont chauffées dans des chaudrons avec de l'eau régale (un mélange d'acide nitrique et chlorhydrique) puis « finies » par de nombreuses réactions chimiques, chauffage et fusion.
Ainsi, le réseau cristallin dépend et est déterminé par le type liaison chimique, mais c'est en même temps la raison des propriétés physiques.
2.2. Propriétés physiques.
L'enseignant souligne que propriétés physiques les métaux sont déterminés précisément par leur structure.
UN)dureté – tous les métaux, à l'exception du mercure, sont des substances solides dans des conditions normales. Les plus doux sont le sodium et le potassium. Ils peuvent être coupés avec un couteau ; Le chrome le plus dur raye le verre
b)densité. Les métaux sont divisés en métaux mous (5 g/cm³) et lourds (moins de 5 g/cm³).
V)fusibilité. Les métaux sont divisés en fusibles et réfractaires.
G)conductivité électrique, conductivité thermique Les métaux sont déterminés par leur structure. Les électrons en mouvement chaotique sous l’influence d’une tension électrique acquièrent un mouvement directionnel, entraînant un courant électrique.
À mesure que la température augmente, l'amplitude de mouvement des atomes et des ions situés aux nœuds du réseau cristallin augmente fortement, ce qui interfère avec le mouvement des électrons et la conductivité électrique des métaux diminue.
Il convient de noter que pour certains non-métaux, la conductivité électrique augmente avec l'augmentation de la température, par exemple pour le graphite, tandis qu'avec l'augmentation de la température, certains d'entre eux sont détruits. des liaisons covalentes, et le nombre d’électrons libres en mouvement augmente.
d)éclat métallique – les électrons remplissant l’espace interatomique réfléchissent les rayons lumineux, et ne les transmettent pas comme le verre. Ils tombent sur les nœuds du réseau cristallin. Par conséquent, tous les métaux à l’état cristallin ont un éclat métallique. Pour la plupart des métaux, tous les rayons de la partie visible du spectre sont diffusés de manière égale, ils ont donc une couleur blanc argenté. Seuls l’or et le cuivre absorbent dans une large mesure les courtes longueurs d’onde et réfléchissent les longues longueurs d’onde du spectre lumineux, c’est pourquoi ils ont une couleur jaune. Les métaux les plus brillants sont le mercure, l'argent, le palladium. Tous les métaux sont en poudre saufAlEtMg, perdent leur éclat et ont une couleur noire ou gris foncé.
e)Plastique
Impact mécanique sur le cristal avec grille métallique provoque uniquement le déplacement de couches d'atomes et ne s'accompagne pas d'une rupture de liaison, et le métal se caractérise donc par une ductilité élevée.
3. Propriétés chimiques.
Selon leurs propriétés chimiques, tous les métaux sont des agents réducteurs ; ils abandonnent tous relativement facilement des électrons de valence, se transforment en ions chargés positivement, c'est-à-dire qu'ils s'oxydent. . L'activité de réduction d'un métal dans les réactions chimiques se produisant dans des solutions aqueuses se reflète par sa position dans la série électrochimique des tensions métalliques (découverte et compilée par Beketov)
Plus un métal est situé à gauche dans la série électrochimique des tensions métalliques, plus l'agent réducteur qu'il est est puissant ; l'agent réducteur le plus puissant est le lithium métallique, l'or est le plus faible et, à l'inverse, l'ion or (III) est l'oxydant le plus puissant. agent, le lithium (I) est le plus faible.
Chaque métal est capable de réduire des sels en solution les métaux qui se trouvent dans la série de contraintes qui le suivent ; par exemple, le fer peut déplacer le cuivre des solutions de ses sels ; Cependant, n’oubliez pas que les métaux alcalins et alcalino-terreux réagissent directement avec l’eau.
Les métaux situés dans la série de tensions à gauche de l'hydrogène sont capables de le déplacer des solutions d'acides dilués, tout en s'y dissolvant.
L'activité réductrice d'un métal ne correspond pas toujours à sa position dans le tableau périodique, car lors de la détermination de la place d'un métal dans une série, non seulement sa capacité à donner des électrons est prise en compte, mais aussi l'énergie dépensée pour la destruction du métal. le réseau cristallin du métal, ainsi que l'énergie dépensée pour l'hydratation des ions.
Interaction avec des substances simples
AVECoxygène La plupart des métaux forment des oxydes - amphotères et basiques :
4Li+O 2 = 2Li 2 Ô,
4Al + 3O 2 = 2Al 2 Ô 3 .
Les métaux alcalins, à l'exception du lithium, forment des peroxydes :
2Na+O 2 =Na 2 Ô 2 .
AVEChalogènes les métaux forment des sels d'acides halohydriques, par exemple,
Cu+Cl 2 = CuCl 2 .
AVEChydrogène les métaux les plus actifs forment des hydrures ioniques - des substances semblables à du sel dans lesquelles l'hydrogène a un état d'oxydation de -1.
2Na+H 2 = 2NaH.
AVECgris les métaux forment des sulfures - sels d'acide sulfure d'hydrogène :
Zn + S = ZnS.
AVECazote Certains métaux forment des nitrures ; la réaction se produit presque toujours lorsqu'ils sont chauffés :
3Mg+N 2 = mg 3 N 2 .
AVECcarbone des carbures se forment :
4Al + 3C = Al 3 C 4 .
AVECphosphore – les phosphures :
3Ca + 2P = Ca 3 P. 2 .
Les métaux peuvent interagir les uns avec les autres, formantcomposés intermétalliques :
2Na + Sb = Na 2 Sb,
3Cu + Au = Cu 3 Au.
Les métaux peuvent se dissoudre les uns dans les autres à des températures élevées sans réagir, formant ainsi des alliages.
Relation des métaux aux acides.
Les plus couramment utilisés en pratique chimique sont : acides forts comme le H sulfurique 2 DONC 4 , HCl chlorhydrique et azote HNO 3 .
AvecHCl
Les ions hydrogène H formés dans ce processus + agir comme un agent oxydant, oxydantmétaux situés dans la série d'activités à gauche de l'hydrogène . L'interaction se déroule selon le schéma suivant :
Moi + HCl - sel + H 2
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl 3 + 3 H 2
2│Al 0 – 3 e - → Al 3+ - oxydation
3│2H + + 2 e - → H 2 - récupération
La « vodka royale » (auparavant les acides étaient appelés vodkas) est un mélange d'un volume d'acide nitrique et de trois à quatre volumes d'acide chlorhydrique concentré, qui possède une activité oxydante très élevée. Un tel mélange est capable de dissoudre certains métaux peu actifs qui ne réagissent pas avec l'acide nitrique. Parmi eux se trouve le « roi des métaux » : l’or. Cet effet de la « vodka regia » s'explique par le fait que l'acide nitrique oxyde l'acide chlorhydrique, libérant du chlore libre et formant du chlorure d'azote (III), ou chlorure de nitrosyle - NOCl :
Les réactions d'oxydation de l'or se déroulent selon les équations suivantes :
Au + HNO3 + 4 HCl → H + NON + 2H2O
Si les acides peuvent interagir avec des bases et des oxydes basiques et que l’élément clé de leur composition est un métal, alors est-il possible que les métaux interagissent avec les acides ? Vérifions cela expérimentalement.
Le magnésium réagit avec l'acide dans des conditions normales, le zinc - lorsqu'il est chauffé, le cuivre - n'interagit pas.
Un certain nombre de tensions sont utilisées en pratique pour une évaluation comparative de l'activité chimique des métaux dans les réactions avec des solutions aqueuses de sels et d'acides et pour l'évaluation des processus cathodiques et anodiques lors de l'électrolyse :
Les métaux à gauche sont des agents réducteurs plus puissants. que les métaux situés à droite :ils déplacent les dernières solutions salines . Les métaux dans la rangée à gauche de l'hydrogène déplacent l'hydrogène lorsqu'ils interagissent avec des solutions aqueuses d'acides non oxydants ; les métaux les plus actifs (jusqu'à l'aluminium inclus) - et lors de l'interaction avec l'eau.
Les métaux de la série à droite de l'hydrogène n'interagissent pas avec les solutions aqueuses d'acides non oxydants dans des conditions normales.
Lors de l'électrolyse, les métaux à droite de l'hydrogène sont libérés à la cathode ; la réduction des métaux moyennement actifs s'accompagne de la libération d'hydrogène ; Les métaux les plus actifs (jusqu'à l'aluminium) ne peuvent pas être isolés des solutions aqueuses salines dans des conditions normales.
4. Corrosion des métaux – interaction physico-chimique ou chimique entre un métal (alliage) et l’environnement, entraînant une détérioration des propriétés fonctionnelles du métal (alliage), de l’environnement ou du système technique qui le contient.
Le mot corrosion vient du latin « corrodo » - « ronger » (le latin tardif « corrosio » signifie « corrosion »).
La corrosion est causée par une réaction chimique entre le métal et les substances environnement circulant à l'interface entre le métal et le milieu. Le plus souvent, il s'agit de l'oxydation du métal, par exemple par l'oxygène de l'air ou les acides contenus dans les solutions avec lesquelles le métal est en contact. Les métaux situés dans la série de tension (série d'activité) à gauche de l'hydrogène, y compris le fer, y sont particulièrement sensibles.
En raison de la corrosion, le fer rouille. Ce processus est très complexe et comprend plusieurs étapes. Il peut être décrit par l’équation récapitulative :
4Fe + 6H 2 O (humidité) + 3O 2 (air) = 4Fe(OH) 3
L'hydroxyde de fer (III) est très instable, perd rapidement de l'eau et se transforme en oxyde de fer (III). Ce composé ne protège pas la surface du fer d’une oxydation ultérieure. En conséquence, l’objet en fer peut être complètement détruit.
Pour ralentir la corrosion, des vernis et des peintures, des huiles minérales et des lubrifiants sont appliqués sur la surface métallique. Les structures souterraines sont recouvertes d'une épaisse couche de bitume ou de polyéthylène. Les surfaces internes des tuyaux et des réservoirs en acier sont protégées par des revêtements de ciment bon marché.
Pour les produits en acier, les convertisseurs de rouille contenant de l'acide orthophosphorique (H 3 RO 4 ) et ses sels. Ils dissolvent les oxydes résiduels et forment un film de phosphates dense et durable, qui peut protéger la surface du produit pendant un certain temps. Ensuite, le métal est recouvert d'une couche d'apprêt, qui doit bien s'adapter à la surface et avoir propriétés protectrices(on utilise généralement du minium ou du chromate de zinc). Ce n'est qu'après cela que le vernis ou la peinture peuvent être appliqués.
Consolidation (15 min)
Professeur:
Maintenant, pour consolider, faisons un test.
Résoudre les problèmes de tests
1.Sélectionnez un groupe d'éléments contenant uniquement des métaux :
UN) Al, As, P;B) Mg, Ca, Si;DANS) K, Ca, Pb
2. Sélectionnez un groupe qui contient uniquement des substances simples - non-métaux :
UN)K 2 O SO 2 , SiO 2 ; B)H 2 ,Cl 2 , JE 2 ; DANS)Ca, Ba, HCl;
3. Indiquez les caractéristiques communes dans la structure des atomes de K et Li :
A) 2 électrons dans la dernière couche électronique ;
B) 1 électron dans la dernière couche électronique ;
C) le même nombre de couches électroniques.
4. Le calcium métallique présente les propriétés suivantes :
A) agent oxydant ;
B) agent réducteur ;
C) un agent oxydant ou un agent réducteur, selon les conditions.
5. Les propriétés métalliques du sodium sont plus faibles que celles du -
A) magnésium ; B) potassium ; B) lithium.
6. Les métaux inactifs comprennent :
A) aluminium, cuivre, zinc ; B) mercure, argent, cuivre ;
C) calcium, béryllium, argent.
7. Quelle propriété physique n’est pas commune à tous les métaux :
A) conductivité électrique, B) conductivité thermique,
B) état solide d'agrégation dans des conditions normales,
D) éclat métallique
8. Lorsqu'ils interagissent avec des non-métaux, les métaux présentent les propriétés suivantes :
a) oxydant ;
b) réparateur ;
c) à la fois oxydant et réducteur ;
d) ne participent pas aux réactions redox.
9. Dans le tableau périodique, les métaux typiques sont situés
a) le haut
b) partie inférieure
dans le coin supérieur droit
d) coin inférieur gauche
Partie B. La réponse aux tâches de cette partie est un ensemble de lettres qui doivent être écrites
Correspondre.
Avec augmentation numéro de sérieélément du sous-groupe principal du groupe II du système périodique, les propriétés des éléments et des substances qu'ils forment changent comme suit :
1) nombre d'électrons dans le niveau externe
A) augmente
3) électronégativité
4) propriétés réparatrices
B) diminue
B) ne change pas
(Réponses : 1 –G, 2 –A, 3 –B, 4-B, 5-G)
TÂCHES D'AFFECTATION
№1. Complétez les équations des réactions pratiquement réalisables, nommez les produits de réaction
Li+H 2 O=
Cu+H 2 O=Cu( OH) 2 +H 2
Ba+H 2 O=
Mg+H 2 O=
Ca+HCl=
2 Na+2 H 2 DONC 4 ( À)= N / A 2 DONC 4 + DONC 2 + 2H 2 Ô
HCl + Zn =
H 2 DONC 4 ( À)+Cu=CuSO 4 + DONC 2 +H 2 Ô
H 2 S+Mg=MgS+H 2
HCl + Cu =
Devoirs: inscriptions dans des cahiers, rapports sur l'utilisation des métaux.
L'enseignant suggère de créer un syncwine sur le sujet.
Ligne 1 : Nom (un sur le sujet) (Métaux)
Ligne 2 : deux adjectifs
Ligne 3 : trois verbes
Ligne 4 : quatre mots combinés dans une phrase
Ligne 5 : un mot exprimant l’essence de ce sujet.
Résumé de la leçon
Professeur : Ainsi, nous avons examiné la structure et les propriétés physiques des métaux, leur position dans le tableau périodique des éléments chimiques D.I. Mendeleïev.
Introduction
Les métaux sont des substances simples qui, dans des conditions normales, ont des propriétés caractéristiques : une conductivité électrique et thermique élevée, la capacité de bien réfléchir la lumière (ce qui provoque leur brillance et leur opacité) et la capacité de prendre la forme souhaitée sous l'influence de forces extérieures ( plasticité). Il existe une autre définition des métaux : ce sont des éléments chimiques caractérisés par la capacité de donner des électrons externes (de valence).
Parmi tous les éléments chimiques connus, environ 90 sont des métaux. La plupart des composés inorganiques sont des composés métalliques.
Il existe plusieurs types de classification des métaux. La classification la plus claire des métaux est conforme à leur position dans le tableau périodique des éléments chimiques - classification chimique.
Si dans la version « longue » du tableau périodique, nous traçons une ligne droite passant par les éléments bore et astatine, alors les métaux seront situés à gauche de cette ligne et les non-métaux à droite de celle-ci.
Du point de vue de la structure atomique, les métaux sont divisés en intransition et transition. Les métaux non de transition sont situés dans les principaux sous-groupes du tableau périodique et se caractérisent par le fait que dans leurs atomes les niveaux électroniques s et p sont remplis séquentiellement. Les métaux non de transition comprennent 22 éléments des principaux sous-groupes a : Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb. , Sb, Bi, Po.
Les métaux de transition sont situés dans des sous-groupes secondaires et se caractérisent par le remplissage des niveaux d'électrons d ou f. Les éléments d comprennent 37 métaux des sous-groupes secondaires b : Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Mn, Tc, Re, Bh, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Hs, Mt.
Les éléments f comprennent 14 lanthanides (Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Du, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) et 14 actinides (Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr).
Parmi les métaux de transition, on distingue également les métaux des terres rares (Sc, Y, La et lanthanides), les métaux du platine (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), les métaux transuraniens (Np et éléments de masse atomique plus élevée).
En plus du produit chimique, il existe également, bien que cela ne soit pas généralement accepté, mais établi de longue date classement technique les métaux Ce n'est pas aussi logique que le chimique - il est basé sur l'une ou l'autre caractéristique pratiquement importante du métal. Le fer et ses alliages sont classés comme métaux ferreux, tous les autres métaux sont classés comme non ferreux. Il existe des métaux légers (Li, Be, Mg, Ti...) et lourds (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg, Sn, Pb...), ainsi que des groupes de métaux réfractaires. (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Re), précieux (Ag, Au, métaux platine) et radioactifs (U, Th, Np, Pu, etc.). En géochimie, on distingue également les métaux traces (Ga, Ge, Hf, Re, etc.) et rares (Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Re, etc.). Comme vous pouvez le constater, il n’y a pas de frontières claires entre les groupes.
Même si la vie Société humaine est impossible sans métaux ; personne ne sait exactement quand et comment les gens ont commencé à les utiliser. Les écrits les plus anciens qui nous sont parvenus parlent d'ateliers primitifs dans lesquels on fondait le métal et on en fabriquait des produits. Cela signifie que l’homme maîtrisait les métaux avant d’écrire. En fouillant d'anciennes colonies, les archéologues découvrent des outils de travail et de chasse que les gens utilisaient à cette époque lointaine - couteaux, haches, pointes de flèches, aiguilles, hameçons et beaucoup plus. Comment colonies anciennes, plus les produits des mains humaines étaient grossiers et primitifs. Les produits métalliques les plus anciens ont été découverts lors de fouilles dans des colonies qui existaient il y a environ 8 000 ans. Il s’agissait principalement de bijoux en or et en argent, ainsi que de pointes de flèches et de lances en cuivre.
Le mot grec « metallon » signifiait à l’origine mines, d’où le terme « métal ». Dans l’Antiquité, on croyait qu’il n’existait que 7 métaux : l’or, l’argent, le cuivre, l’étain, le plomb, le fer et le mercure. Ce nombre était en corrélation avec le nombre de planètes connues à cette époque - le Soleil (or), la Lune (argent), Vénus (cuivre), Jupiter (étain), Saturne (plomb), Mars (fer), Mercure (mercure) ( voir figure). Selon les idées alchimiques, les métaux sont nés dans les entrailles de la terre sous l'influence des rayons des planètes et se sont progressivement améliorés pour se transformer en or.
L'homme a d'abord maîtrisé les métaux natifs - l'or, l'argent, le mercure. Le premier métal produit artificiellement était le cuivre, puis il a été possible de maîtriser la production d'un alliage de cuivre par nuit - le bronze et seulement plus tard - le fer. En 1556, le livre du métallurgiste allemand G. Agricola « Sur l'exploitation minière et la métallurgie » a été publié en Allemagne - le premier guide détaillé pour l'obtention de métaux qui nous soit parvenu. Certes, à cette époque, le plomb, l’étain et le bismuth étaient encore considérés comme des variétés du même métal. En 1789, le chimiste français A. Lavoisier, dans son manuel de chimie, donne une liste substances simples, qui comprenait tous les métaux alors connus - antimoine, argent, bismuth, cobalt, étain, fer, manganèse, nickel, or, platine, plomb, tungstène et zinc. À mesure que les méthodes de recherche chimique se développaient, le nombre de métaux connus commença à augmenter rapidement. Au XVIIIe siècle 14 métaux ont été découverts au 19ème siècle. - 38, au 20ème siècle. - 25 métaux. Dans la première moitié du XIXe siècle. Des satellites de platine ont été découverts et des métaux alcalins et alcalino-terreux ont été obtenus par électrolyse. Au milieu du siècle, le césium, le rubidium, le thallium et l'indium furent découverts par analyse spectrale. L'existence de métaux prédits par D.I. Mendeleev sur la base de sa loi périodique (il s'agit du gallium, du scandium et du germanium) a été brillamment confirmée. Découverte de la radioactivité à la fin du XIXème siècle. conduit à la recherche de métaux radioactifs. Enfin, par la méthode des transformations nucléaires au milieu du XXe siècle. des métaux radioactifs qui n'existent pas dans la nature, notamment des éléments transuraniens, ont été obtenus.
Physique et Propriétés chimiques les métaux
Tous les métaux sont des solides (à l'exception du mercure, qui est liquide dans des conditions normales) ; ils diffèrent des non-métaux par un type particulier de liaison (liaison métallique). Les électrons de Valence sont faiblement liés à un atome particulier, et à l’intérieur de chaque métal se trouve ce qu’on appelle un gaz d’électrons. La plupart des métaux ont une structure cristalline et le métal peut être considéré comme un réseau cristallin « rigide » d’ions positifs (cations). Ces électrons peuvent plus ou moins se déplacer autour du métal. Ils compensent les forces répulsives entre les cations et les lient ainsi en un corps compact.
Tous les métaux sont hautement conducteurs d'électricité (c'est-à-dire qu'ils sont conducteurs par opposition aux non-métaux qui sont diélectriques), en particulier le cuivre, l'argent, l'or, le mercure et l'aluminium ; La conductivité thermique des métaux est également élevée. Une propriété distinctive de nombreux métaux est leur ductilité (malléabilité), grâce à laquelle ils peuvent être roulés en feuilles minces (feuille) et étirés en fil (étain, aluminium, etc.), cependant, il existe également des métaux assez fragiles ( zinc, antimoine, bismuth).
Dans l'industrie, on utilise souvent non pas des métaux purs, mais des mélanges de ceux-ci appelés alliages. Dans un alliage, les propriétés d’un composant complètent généralement avec succès les propriétés de l’autre. Ainsi, le cuivre a une faible dureté et ne convient pas à la fabrication de pièces de machines, tandis que les alliages de cuivre et de zinc, appelés laiton, sont déjà assez durs et sont largement utilisés en construction mécanique. L'aluminium a une bonne ductilité et une légèreté suffisante (faible densité), mais il est trop mou. Sur cette base, un alliage d'ayuralum (duralumin) contenant du cuivre, du magnésium et du manganèse est préparé. Le duralumin, sans perdre les propriétés de son aluminium, acquiert une dureté élevée et est donc utilisé dans la technologie aéronautique. Les alliages de fer avec du carbone (et des additifs d'autres métaux) sont la fonte et l'acier bien connus.
La densité des métaux varie considérablement : pour le lithium, elle est près de la moitié de celle de l'eau (0,53 g/cm3), et pour l'osmium, elle est plus de 20 fois supérieure (22,61 g/cm3). Les métaux diffèrent également par leur dureté. Les métaux alcalins sont les plus mous ; ils peuvent être facilement coupés avec un couteau ; la plupart métal dur- chrome - coupe le verre. Il existe une grande différence dans les points de fusion des métaux : le mercure est liquide dans des conditions normales, le césium et le gallium fondent à la température du corps humain, et le métal le plus réfractaire, le tungstène, a un point de fusion de 3380°C. Les métaux dont le point de fusion est supérieur à 1 000 °C sont classés comme métaux réfractaires, et ceux ci-dessous sont appelés métaux fusibles. À hautes températures les métaux sont capables d'émettre des électrons, qui sont utilisés dans l'électronique et les générateurs thermoélectriques pour convertir directement l'énergie thermique en énergie électrique. Le fer, le cobalt, le nickel et le gadolinium, après les avoir placés dans un champ magnétique, sont capables de maintenir en permanence un état de magnétisation.
Les métaux possèdent également certaines propriétés chimiques. Les atomes métalliques cèdent relativement facilement des électrons de valence et deviennent des ions chargés positivement. Les métaux sont donc des agents réducteurs. C’est en fait leur propriété chimique principale et la plus générale.
De toute évidence, les métaux en tant qu'agents réducteurs réagiront avec divers agents oxydants, qui peuvent inclure des substances simples, des acides, des sels de métaux moins actifs et certains autres composés. Les composés de métaux avec des halogènes sont appelés halogénures, avec des sulfures de soufre, avec des nitrures d'azote, avec des phosphures de phosphore, avec des carbures de carbone, avec des siliciures de silicium, avec des borures de bore, avec des hydrures d'hydrogène, etc. Beaucoup de ces composés trouvé des applications importantes dans les nouvelles technologies. Par exemple, les borures métalliques sont utilisés en radioélectronique ainsi que dans l'ingénierie nucléaire comme matériaux de régulation et de protection contre les rayonnements neutroniques.
Sous l'influence d'acides oxydants concentrés, un film d'oxyde stable se forme également sur certains métaux. Ce phénomène est appelé passivation. Ainsi, dans l'acide sulfurique concentré, les métaux tels que Be, Bi, Co, Fe, Mg et Nb sont passivés (et ne réagissent pas avec lui), et dans l'acide nitrique concentré les métaux Al, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th et U.
Plus le métal se situe à gauche dans cette rangée, plus propriétés réparatrices il l'est, c'est-à-dire qu'il s'oxyde plus facilement et passe en solution sous forme de cation, mais il est plus difficile à restaurer du cation à l'état libre.
Un non-métal, l'hydrogène, est placé dans la série de tension, puisque cela permet de déterminer si ce métal va réagir avec des acides - agents non oxydants en solution aqueuse (plus précisément, être oxydé par les cations hydrogène H+). Par exemple, le zinc réagit avec l'acide chlorhydrique, puisque dans la série de tensions il se trouve à gauche (avant) l'hydrogène. Au contraire, l'argent n'est pas transféré en solution par l'acide chlorhydrique, puisqu'il se trouve dans la série de tensions à droite (après) l'hydrogène. Les métaux se comportent de la même manière dans l’acide sulfurique dilué. Les métaux de la série de tension après l'hydrogène sont dits nobles (Ag, Pt, Au, etc.)
Une propriété chimique indésirable des métaux est leur corrosion électrochimique, c'est-à-dire la destruction active (oxydation) du métal au contact de l'eau et sous l'influence de l'oxygène qui y est dissous (corrosion par l'oxygène). Par exemple, la corrosion des produits en fer dans l’eau est largement connue.
Le lieu de contact de deux métaux différents - la corrosion de contact peut être particulièrement corrosif et dangereux. Un couple galvanique se produit entre un métal, comme Fe, et un autre métal, comme Sn ou Cu, placé dans l'eau. Le flux d'électrons va du métal le plus actif, qui se trouve à gauche dans la série de tension (Fe), vers le métal le moins actif (Sn, Cu), et le métal le plus actif est détruit (corrodé).
C'est pour cette raison que la surface étamée des canettes (fer recouvert d'étain) rouille lorsqu'elle est stockée dans une atmosphère humide et manipulée avec négligence (le fer s'effondre rapidement après l'apparition même d'une petite rayure, permettant au fer d'entrer en contact avec l'humidité). Au contraire, la surface galvanisée d'un seau en fer ne rouille pas longtemps, car même s'il y a des rayures, ce n'est pas le fer qui se corrode, mais le zinc (un métal plus actif que le fer).
La résistance à la corrosion d'un métal donné augmente lorsqu'il est recouvert d'un métal plus actif ou lorsqu'il est fondu ; Ainsi, revêtir le fer de chrome ou fabriquer des alliages de fer et de chrome élimine la corrosion du fer. Le fer chromé et les aciers contenant du chrome (aciers inoxydables) présentent une résistance élevée à la corrosion.
Méthodes générales obtenir des métaux :
Électrométallurgie, c'est-à-dire production de métaux par électrolyse de masses fondues (pour les métaux les plus actifs) ou de solutions de leurs sels ;
Pyrométallurgie, c'est-à-dire la réduction des métaux de leurs minerais à haute température (par exemple, la production de fer par le procédé des hauts fourneaux) ;
Hydrométallurgie, c'est-à-dire la séparation des métaux des solutions de leurs sels par des métaux plus actifs (par exemple, la production de cuivre à partir d'une solution de CuSO 4 en remplaçant le zinc, le fer
ou aluminium).
Dans la nature, les métaux se trouvent parfois sous forme libre, par exemple le mercure natif, l'argent et l'or, et le plus souvent sous forme de composés (minerais métalliques). Bien entendu, les métaux les plus actifs ne sont présents dans la croûte terrestre que sous forme liée.
Lithium (du grec Lithos - pierre), Li, un élément chimique du sous-groupe Ia du tableau périodique ; numéro atomique 3, masse atomique 6, 941 ; fait référence aux métaux alcalins.
La teneur en lithium de la croûte terrestre est de 6,5 à 10 -3 % en masse. On le trouve dans plus de 150 minéraux, dont environ 30 sont des minéraux de lithium. Les principaux minéraux sont le spodumène LiAl, la lépidolite KLi 1,5 Al 1,5 (F.0H) 2 et la pétalite (LiNa). La composition de ces minéraux est complexe ; beaucoup d’entre eux appartiennent à la classe des aluminosilicates, très répandus dans la croûte terrestre. Les sources prometteuses de matières premières pour la production de lithium sont les saumures (saumures) des gisements salins et Les eaux souterraines. Les plus grands gisements de composés de lithium se trouvent au Canada, aux États-Unis, au Chili, au Zimbabwe, au Brésil, en Namibie et en Russie.
Il est intéressant de noter que le minéral spodumène se présente dans la nature sous la forme de gros cristaux pesant plusieurs tonnes. Un cristal en forme d'aiguille de 16 m de long et pesant 100 tonnes a été découvert à la mine Etta aux USA.
Les premières informations sur le lithium remontent à 1817. Le chimiste suédois A. Arfvedson, en analysant le minéral pétalite, y découvrit un alcali inconnu. Le professeur d'Arfvedson, J. Berzelius, lui a donné le nom de « lithion » (du grec liteos - pierre), car contrairement aux hydroxydes de potassium et de sodium, obtenus à partir de cendres végétales, un nouvel alcali a été découvert dans le minéral. Il a également nommé le métal qui constitue la « base » de cet alcali, le lithium. En 1818, le chimiste et physicien anglais G. Davy obtient du lithium par électrolyse de l'hydroxyde de LiOH.
Propriétés. Le lithium est un métal blanc argenté ; m.p. 180,54 °C, point d'ébullition. 1340 "C ; le plus léger de tous les métaux, sa densité est de 0,534 g/cm - il est 5 fois plus léger que l'aluminium et presque deux fois moins léger que l'eau. Le lithium est doux et ductile. Les composés du lithium donnent à la flamme une belle couleur rouge carmin. Cette méthode très sensible est utilisée dans l’analyse qualitative pour la détection du lithium.
Configuration de la couche électronique externe de l'atome de lithium 2s 1 (élément s). Dans les composés, il présente un état d'oxydation de +1.
Le lithium est le premier de la série électrochimique des tensions et déplace l'hydrogène non seulement des acides, mais aussi de l'eau. Cependant, de nombreuses réactions chimiques du lithium sont moins vigoureuses que celles d’autres métaux alcalins.
Le lithium ne réagit pratiquement pas avec les composants de l'air en l'absence totale d'humidité à température ambiante. Lorsqu'il est chauffé dans l'air au-dessus de 200 °C, l'oxyde de Li 2 O se forme comme produit principal (seules des traces de peroxyde de Li 2 O 2 sont présentes). Dans l'air humide, il produit principalement du nitrure de Li 3 N ; à une humidité de l'air supérieure à 80 %, il produit de l'hydroxyde de LiOH et du carbonate de Li 2 CO 3. Le nitrure de lithium peut également être obtenu en chauffant le métal dans un courant d'azote (le lithium est l'un des rares éléments à se combiner directement avec l'azote) : 6Li + N 2 = 2Li 3 N
Le lithium s’allie facilement à presque tous les métaux et est hautement soluble dans le mercure. Se combine directement avec les halogènes (avec l'iode lorsqu'il est chauffé). À 500 °C, il réagit avec l'hydrogène, formant de l'hydrure LiH, lorsqu'il interagit avec l'eau - l'hydroxyde de LiOH, avec des acides dilués - les sels de lithium, avec l'ammoniac - l'amide LiNH2, par exemple :
2Li + H2 = 2LiH
2Li + 2H 2 O = 2LiOH + H 2
2Li + 2НF = 2LiF + Н 2
2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2
Hydrure LiH - cristaux incolores ; utilisé dans divers domaines de la chimie comme agent réducteur. Lorsqu'il interagit avec l'eau, il libère une grande quantité d'hydrogène (2820 l de H2 sont obtenus à partir de 1 kg de LiH) :
LiH + H 2 O = LiOH + H 2
Cela permet d'utiliser le LiH comme source d'hydrogène pour le remplissage des ballons et du matériel de sauvetage (bateaux gonflables, ceintures, etc.), ainsi que comme une sorte d'« entrepôt » pour le stockage et le transport de l'hydrogène inflammable (il faut protéger LiH de la moindre trace d'humidité).
Les hydrures mixtes de lithium sont largement utilisés en synthèse organique, par exemple l'hydrure de lithium et d'aluminium LiAlH 4 - un agent réducteur sélectif. Il est obtenu en faisant réagir LiH avec du chlorure d'aluminium AlCl3
L'hydroxyde de LiOH est une base forte (alcali), ses solutions aqueuses détruisent le verre et la porcelaine ; Le nickel, l’argent et l’or y résistent. LiOH est utilisé comme additif à l'électrolyte des piles alcalines, ce qui augmente leur durée de vie de 2 à 3 fois et leur capacité de 20 %. À base de LiOH et d'acides organiques (notamment stéarique et palmitique), des graisses résistantes au gel et à la chaleur (lithols) sont produites pour protéger les métaux de la corrosion dans la plage de température de -40 à +130 "C.
L'hydroxyde de lithium est également utilisé comme absorbant du dioxyde de carbone dans les masques à gaz, les sous-marins, les avions et les engins spatiaux.
Réception et demande. La matière première pour la production de lithium est constituée de ses sels, extraits de minéraux. Selon la composition, les minéraux sont décomposés avec de l'acide sulfurique H 2 SO 4 (méthode acide) ou par frittage avec de l'oxyde de calcium CaO et son carbonate CaCO3 (méthode alcaline), avec du sulfate de potassium K 2 SO 4 (méthode au sel), avec du carbonate de calcium et son chlorure CaCl (méthode alcali-sel). Par la méthode acide, une solution de sulfate de Li 2 SO 4 est obtenue [cette dernière est débarrassée des impuretés par traitement avec de l'hydroxyde de calcium Ca(OH) 2 et de la soude Na 2 Co 3 ]. Le gâteau formé par d'autres méthodes de décomposition minérale est lessivé avec de l'eau ; dans ce cas, avec la méthode alcaline, LiOH entre dans la solution, avec la méthode au sel - Li 2 SO 4, avec la méthode alcaline-sel - LiCl. Toutes ces méthodes, sauf alcalines, consistent à obtenir produit fini sous forme de carbonate de Li 2 CO 3. qui est utilisé directement ou comme source pour la synthèse d’autres composés du lithium.
Le lithium métallique est produit par électrolyse d'un mélange fondu de LiCl et de chlorure de potassium KCl ou de chlorure de baryum BaCl 2 avec purification supplémentaire des impuretés.
L’intérêt pour le lithium est énorme. Cela est dû, tout d'abord, au fait qu'il s'agit d'une source de production industrielle de tritium (un nucléide d'hydrogène lourd), qui est le principal composant d'une bombe à hydrogène et le principal combustible des réacteurs thermonucléaires. Réaction thermonucléaire réalisée entre le nucléide 6 Li et les neutrons (particules neutres de masse numéro 1) ; produits de réaction - tritium 3 H et hélium 4 He :
6 3 Li + 1 0 n= 3 1 H + 4 2 Il
Un grand nombre de le lithium est utilisé en métallurgie. Un alliage de magnésium contenant 10 % de lithium est plus résistant et plus léger que le magnésium lui-même. Alliages d'aluminium et de lithium - scleron et aeron, contenant seulement 0,1 % de lithium, en plus de leur légèreté, ont une résistance élevée, une ductilité et une résistance accrue à la corrosion ; ils sont utilisés dans l'aviation. L'ajout de 0,04 % de lithium aux alliages plomb-calcium augmente leur dureté et réduit le coefficient de frottement.
Les halogénures et carbonates de lithium sont utilisés dans la production de verres optiques, résistants aux acides et autres verres spéciaux, ainsi que de porcelaine et céramique résistantes à la chaleur, de divers émaux et émaux.
Les fines particules de lithium provoquent des brûlures chimiques sur la peau et les yeux mouillés. Les sels de lithium irritent la peau. Lorsque vous travaillez avec de l'hydroxyde de lithium, des précautions doivent être prises comme lorsque vous travaillez avec des hydroxydes de sodium et de potassium.
Sodium (de l'arabe, natrun, grec nitron - soude naturelle, élément chimique du sous-groupe Ia du système périodique ; numéro atomique 11, poids atomique 22,98977 ; appartient aux métaux alcalins. Dans la nature, on le trouve sous la forme d'un composé stable nucléide 23 Na.
Même dans les temps anciens, des composés de sodium étaient connus - sel de table (chlorure de sodium) NaCl, alcali caustique (hydroxyde de sodium) NaOH et soude (carbonate de sodium) Na 2 CO3. Cette dernière substance était appelée « nitron » par les anciens Grecs ; c'est de là que ça vient nom moderne métal - "sodium". Cependant, au Royaume-Uni, aux États-Unis, en Italie et en France, le mot sodium (du mot espagnol « soda », qui a la même signification qu'en russe) est conservé.
La production de sodium (et de potassium) a été signalée pour la première fois par le chimiste et physicien anglais G. Davy lors d'une réunion de la Royal Society à Londres en 1807. Il a réussi à décomposer les alcalis caustiques KOH et NaOH à l'aide du courant électrique et à isoler des métaux jusqu'alors inconnus. aux propriétés extraordinaires. Ces métaux s'oxydent très rapidement dans l'air et flottent à la surface de l'eau, en libérant de l'hydrogène.
Prévalence dans la nature. Le sodium est l'un des éléments les plus courants dans la nature. Sa teneur dans la croûte terrestre est de 2,64 % en poids. Dans l'hydrosphère, il est contenu sous forme de sels solubles à raison d'environ 2,9 % (avec une concentration totale en sel de eau de mer 3,5-3,7 %). La présence de sodium a été établie dans l'atmosphère solaire et l'espace interstellaire. Dans la nature, le sodium se trouve uniquement sous forme de sels. Les minéraux les plus importants sont la halite (sel gemme) NaCl, la mirabilite (sel de Glauber) Na 2 SO 4 *10H 2 O, la thénardite Na 2 SO 4, le nitrate de Chelyan NaNO 3, les silicates naturels, par exemple l'albite Na, la néphéline Na.
La Russie est exceptionnellement riche en gisements sel gemme(par exemple, Solikamsk, Usolye-Sibirskoye, etc.), grands gisements de minerai minéral en Sibérie.
Propriétés. Le sodium est un métal fusible blanc argenté, mp. 97,86 °C, point d'ébullition. 883,15 °C. C'est l'un des métaux les plus légers - il est plus léger que l'eau, densité 0,99 g/cm 3 à 19,7°C). Le sodium et ses composés colorent la flamme du brûleur en jaune. Cette réaction est si sensible qu'elle révèle la présence de la moindre trace de sodium partout (par exemple dans les poussières intérieures ou extérieures).
Le sodium est l'un des éléments les plus actifs du tableau périodique. La couche électronique externe de l’atome de sodium contient un électron (configuration 3s 1, le sodium est un élément s). Le sodium abandonne facilement son seul électron de valence et présente donc toujours un état d'oxydation de +1 dans ses composés.
Dans l'air, le sodium est activement oxydé, formant de l'oxyde de Na 2 O ou du peroxyde de Na 2 O 2, selon les conditions. Le sodium est donc stocké sous une couche de kérosène ou d’huile minérale. Réagit vigoureusement avec l'eau, déplaçant l'hydrogène :
2Na + H 2 0 = 2NaOH + H 2
Cette réaction se produit même avec de la glace à une température de -80°C, et avec de l'eau tiède ou à la surface de contact elle se produit avec une explosion (ce n'est pas pour rien qu'on dit : « Si tu ne veux pas devenir un monstre, ne jetez pas de sodium dans l'eau »).
Le sodium réagit directement avec tous les non-métaux : à 200°C il commence à absorber l'hydrogène, formant un hydrure NaH très hygroscopique ; avec de l'azote dans une décharge électrique, il produit du nitrure de Na 3 N ou de l'azoture de NaN 3 ; dans une atmosphère de fluor, il s'enflamme ; dans le chlore, il brûle en fonction de la température ; réagit avec le brome uniquement lorsqu'il est chauffé :
2Na + H2 = 2NaH
6Na + N 2 = 2Na 3 N ou 2Na + 3Na 2 = 2NaN 3
2Na+ С1 2 = 2NaСl
À 800-900 °C, le sodium se combine au carbone pour former du carbure Na 2 C 2 ; lorsqu'il est trituré avec du soufre, il donne du sulfure de Na 2 S et un mélange de polysulfures (Na 2 S 3 et Na 2 S 4)
Le sodium se dissout facilement dans l'ammoniac liquide, la solution résultante de couleur bleue a une conductivité métallique, avec de l'ammoniac gazeux à 300-400 °C ou en présence d'un catalyseur lorsqu'il est refroidi à -30 °C, il donne l'amide NaNH 2.
Le sodium forme des composés avec d'autres métaux (composés intermétalliques), tels que l'argent, l'or, le cadmium, le plomb, le potassium et quelques autres. Avec le mercure il produit des amalgames NaHg 2, NaHg 4, etc. Valeur la plus élevée avoir des amalgames liquides, formés par l'introduction progressive de sodium dans du mercure situé sous une couche de kérosène ou d'huile minérale.
Le sodium forme des sels avec les acides dilués.
Réception et demande. La principale méthode de production de sodium est l'électrolyse du sodium fondu. sel de table. Dans ce cas, du chlore est libéré à l’anode et du sodium à la cathode. Pour réduire le point de fusion de l'électrolyte, d'autres sels sont ajoutés au sel de table : KCl, NaF, CaCl 2. L'électrolyse est réalisée dans des électrolyseurs à diaphragme ; les anodes sont en graphite, les cathodes sont en cuivre ou en fer.
Le sodium peut être obtenu par électrolyse de l'hydroxyde de NaOH fondu, et de petites quantités peuvent être obtenues par décomposition de l'azide de NaN 3 .
Le sodium métallique est utilisé pour restaurer les métaux purs à partir de leurs composés - potassium (de KOH), titane (de TiCl 4), etc. Un alliage de sodium avec du potassium est un liquide de refroidissement pour les réacteurs nucléaires, car les métaux alcalins n'absorbent pas bien les neutrons et donc n'empêchent pas la fission des noyaux d'uranium. La vapeur de sodium, qui a une lueur jaune vif, est utilisée pour remplir les lampes à décharge utilisées pour éclairer les autoroutes, les marinas, les gares, etc. Le sodium est utilisé en médecine : le nucléide 24 Na obtenu artificiellement est utilisé pour le traitement radiologique de certaines formes. de la leucémie et à des fins de diagnostic.
L'utilisation de composés du sodium est beaucoup plus étendue.
Peroxyde Na 2 O 2 - cristaux incolores, produit technique couleur jaune. Lorsqu'il est chauffé à 311-400 °C, il commence à libérer de l'oxygène et à 540 °C, il se décompose rapidement. Un agent oxydant puissant, grâce auquel il est utilisé pour blanchir les tissus et autres matériaux. Dans l'air, il absorbe le CO 2, libérant de l'oxygène et formant du carbonate 2Na 2 O 2 +2CO 2 = 2Na 2 Co 3 +O 2). L'utilisation du Na 2 O 2 pour la régénération de l'air dans les espaces clos et les appareils respiratoires isolants (sous-marins, masques à gaz isolants, etc.) repose sur cette propriété.
Hydroxyde de NaOH; le nom obsolète est soude caustique, le nom technique est soude caustique (du latin caustique - caustique, brûlant) ; l'une des fondations les plus solides. Le produit technique, en plus du NaOH, contient des impuretés (jusqu'à 3 % Na 2 CO3 et jusqu'à 1,5 % NaCl). Une grande quantité de NaOH est utilisée pour la préparation d'électrolytes pour piles alcalines, la production de papier, de savon, de peintures, de cellulose et pour purifier le pétrole et les huiles.
Parmi les sels de sodium, le chromate Na 2 CrO 4 est utilisé - dans la production de teintures, comme mordant pour la teinture des tissus et comme agent de tannage dans l'industrie du cuir ; Le sulfite de Na 2 SO 3 est un composant des fixateurs et des révélateurs en photographie ; hydrosulfite NaHSO 3 - blanchit les tissus, les fibres naturelles, utilisées pour la mise en conserve de fruits, de légumes et d'aliments pour plantes ; Thiosulfate de Na 2 S 2 O 3 - pour éliminer le chlore lors du blanchiment des tissus, comme fixateur en photographie, antidote aux intoxications par les composés du mercure, l'arsenic, etc., un agent anti-inflammatoire ; chlorate NaClO 3 - un agent oxydant dans diverses compositions pyrotechniques ; Le triphosphate Na 5 P 3 O 10 est un additif aux détergents synthétiques pour adoucir l'eau.
Le sodium, NaOH et ses solutions provoquent de graves brûlures de la peau et des muqueuses.
En apparence et en propriétés, le potassium est similaire au sodium, mais plus réactif. Réagit vigoureusement avec l'eau et provoque l'inflammation de l'hydrogène. Il brûle dans l’air, formant du superoxyde orange CO2. À température ambiante, il réagit avec les halogènes et sous chauffage modéré, avec l'hydrogène et le soufre. Dans l’air humide, il se recouvre rapidement d’une couche de KOH. Conservez le potassium sous une couche d’essence ou de kérosène.
Les plus grandes applications pratiques sont les composés de potassium - hydroxyde de KOH, nitrate de KNO 3 et carbonate de K 2 CO 3.
Hydroxyde de potassium KOH (nom technique - potassium caustique) - cristaux blancs qui se propagent dans l'air humide et absorbent le dioxyde de carbone (K 2 CO 3 et KHCO 3 se forment). Très soluble dans l'eau avec un effet exo élevé. La solution aqueuse est très alcaline.
L'hydroxyde de potassium est produit par électrolyse d'une solution de KCl (similaire à la production de NaOH). Le chlorure de potassium initial KCl est obtenu à partir de matières premières naturelles (minéraux sylvite KCl et carnallite KMgCl 3 6H 2 0). KOH est utilisé pour la synthèse de divers sels de potassium, de savons liquides, de colorants, comme électrolyte dans les batteries.
Nitrate de potassium KNO 3 (nitrate de potassium minéral) - cristaux blancs, goût très amer, point de fusion bas (t pl = 339°C). Très soluble dans l'eau (pas d'hydrolyse). Lorsqu'il est chauffé au-dessus du point de fusion, il se décompose en nitrite de potassium KNO 2 et en oxygène O 2 et présente de fortes propriétés oxydantes. Le soufre et le charbon s'enflamment au contact du KNO 3 fondu, et le mélange C + S explose (combustion de « poudre noire ») :
2КNO 3 + ЗС (charbon) + S=N 2 + 3CO 2 + K 2 S
Le nitrate de potassium est utilisé dans la production de verre et d'engrais minéraux.
Le carbonate de potassium K 2 CO 3 (nom technique - potasse) est une poudre hygroscopique blanche. Il est très soluble dans l'eau, s'hydrolyse fortement au niveau de l'anion et crée un environnement alcalin en solution. Utilisé dans la fabrication du verre et du savon.
La production de K 2 CO 3 repose sur les réactions :
K 2 SO 4 + Ca(OH) 2 + 2CO = 2K(HCOO) + CaSO 4
2К(НСОО) + O 2 = К 2 С0 3 + Н 2 0 + С0 2
Le sulfate de potassium issu de matières premières naturelles (minéraux kainite KMg(SO 4)Cl ZN 2 0 et schoenite K 2 Mg(SO 4) 2 * 6H 2 0) est chauffé avec de la chaux éteinte Ca(OH) 2 dans une atmosphère de CO (sous une pression de 15 atm), on obtient du formiate de potassium K(HCOO) qui est calciné sous courant d'air.
Le potassium est un élément vital pour les plantes et les animaux. Les engrais potassiques sont des sels de potassium, à la fois naturels et leurs produits transformés (KCl, K 2 SO 4, KNO 3) ; teneur élevée en sels de potassium dans les cendres végétales.
Le potassium est le neuvième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. Contenu uniquement sous forme liée dans les minéraux, l'eau de mer (jusqu'à 0,38 g d'ions K + dans 1 l), les plantes et les organismes vivants (à l'intérieur des cellules). Le corps humain contient = 175 g de potassium, les besoins quotidiens atteignent ~4 g. L'isotope radioactif 40 K (un mélange de l'isotope stable prédominant 39 K) se désintègre très lentement (demi-vie 1 10 9 ans), il apporte, avec les isotopes 238 U et 232 Th, une contribution importante à la réserve géothermique de notre planète (chaleur interne de l'intérieur de la terre) .
De (lat. Cuprum), Cu, un élément chimique du sous-groupe 16 du système périodique ; le numéro atomique 29, la masse atomique 63,546 appartient aux métaux de transition. Le cuivre naturel est un mélange de nucléides de masse 63 (69,1 %) et 65 (30,9 %).
Prévalence dans la nature. La teneur moyenne en cuivre de la croûte terrestre est de 4,7 à 10 ~ 3 % en masse.
Dans la croûte terrestre, le cuivre se trouve aussi bien sous forme de pépites que sous forme de divers minéraux. Les pépites de cuivre, parfois de taille considérable, sont recouvertes d'un revêtement vert ou bleu et sont inhabituellement lourdes par rapport à la pierre ; la plus grosse pépite pesant environ 420 tonnes a été découverte aux États-Unis dans la région des Grands Lacs (photo). La grande majorité du cuivre est présente dans les roches sous forme de composés. Plus de 250 minéraux contenant du cuivre sont connus. D'importance industrielle sont : la chalcopyrite (pyrite de cuivre) CuFeS 2, la covellite (cuivre indigo) Cu 2 S, la chalcocite (lustre de cuivre) Cu 2 S, la cuprite Cu 2 O, la malachite CuCO3*Cu(OH) 2 et l'azurite 2CuCO3*Cu( OH ) 2 . Presque tous les minéraux de cuivre sont de couleurs vives et magnifiques, par exemple, la chalcopyrite a un éclat doré, le lustre de cuivre a une couleur bleu acier, l'azurite a un bleu profond avec un éclat vitreux et les morceaux de covellite ont toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. De nombreux minéraux de cuivre sont ornementaux et gemmes-des pierres précieuses ; La malachite et la turquoise CuA1 6 (PO 4) 4 (OH) 8 *5H 2 O sont très appréciées. Les plus grands gisements de minerais de cuivre se trouvent en Amérique du Nord et du Sud (principalement aux USA, au Canada, au Chili, au Pérou, au Mexique). , Afrique (Zambie, Afrique du Sud), Asie (Iran, Philippines, Japon). En Russie, il existe des gisements de minerai de cuivre dans l'Oural et dans l'Altaï.
Les minerais de cuivre sont généralement polymétalliques : en plus du cuivre, ils contiennent du Fe, Zn, Pb, Sn, Ni, Mo, Au, Ag, Se, des métaux platine, etc.
Référence historique. Le cuivre est connu depuis des temps immémoriaux et fait partie des « sept magnifiques » métaux les plus anciens utilisés par l'humanité : l'or, l'argent, le cuivre, le fer, l'étain, le plomb et le mercure. Selon des données archéologiques, le cuivre était déjà connu il y a 6 000 ans. Il s'est avéré que c'est le premier métal qui a remplacé la pierre pour l'homme ancien dans les outils primitifs. Ce fut le début de ce qu'on appelle. l'âge du cuivre, qui a duré environ deux mille ans. Les haches, les couteaux, les masses et les articles ménagers étaient forgés à partir de cuivre puis fondus. Selon la légende, l'ancien dieu forgeron Héphaïstos aurait forgé un bouclier de cuivre pur pour l'invincible Achille. Les pierres de la pyramide de Khéops, haute de 147 mètres, ont également été extraites et taillées avec des outils en cuivre.
Les anciens Romains exportaient du minerai de cuivre de l'île de Chypre, d'où le nom latin du cuivre - « cuprum ». nom russe« cuivre » semble être lié au mot « smida », qui signifiait autrefois « métal ».
Dans les minerais extraits de la péninsule du Sinaï, les minerais contenaient parfois un mélange d'étain, ce qui a conduit à la découverte d'un alliage de cuivre et d'étain-bronze. Le bronze s'est avéré plus fusible et plus dur que le cuivre lui-même. La découverte du bronze marque le début du long âge du Bronze (IVe-Ier millénaire avant JC).
Propriétés. Le cuivre est un métal rouge. T.pl. 1083 "C, point d'ébullition 2567 °C, densité 8,92 g/cm. Il s'agit d'un métal ductile et malléable ; des feuilles 5 fois plus fines que du papier de soie peuvent en être roulées. Le cuivre réfléchit bien la lumière, conduit bien la chaleur et l'électricité, seconde seulement à l'argent
La configuration des couches électroniques externes de l'atome de cuivre est 3d 10 4s 1 (élément d). Bien que le cuivre et les métaux alcalins appartiennent au même groupe I, leur comportement et leurs propriétés sont très différents. Le cuivre est similaire aux métaux alcalins uniquement par sa capacité à former des cations monovalents. Lors de la formation de composés, un atome de cuivre peut perdre non seulement son électron s externe, mais également un ou deux électrons d de la couche précédente, présentant ainsi un état d'oxydation plus élevé. Pour le cuivre, l'état d'oxydation +2 est plus typique que +1.
Le cuivre métallique est inactif, en milieu sec et l'air purécurie. Dans l'air humide contenant du CO 2, une pellicule verdâtre de Cu(OH) 2* CuCO3, appelée patine, se forme à sa surface. La patine donne aux produits à base de cuivre et de ses alliages un bel aspect « antique » ; une couche continue de patine protège en outre le métal d’une destruction ultérieure. Lorsque le cuivre est chauffé dans de l'oxygène pur et sec, la formation d'oxyde noir CuO se produit ; un chauffage au-dessus de 375°C conduit à l'oxyde rouge Cu 2 O. Lorsque température normale Les oxydes de cuivre sont stables dans l'air.
Dans la série de tensions, le cuivre se trouve à droite de l'hydrogène et ne déplace donc pas l'hydrogène de l'eau et ne le déplace pas dans les acides sans oxygène. Le cuivre ne peut se dissoudre dans les acides que lorsqu'il est simultanément oxydé, par exemple dans l'acide nitrique ou l'acide sulfurique concentré :
3Сu + 8НNO 3 = 3Сu(NO 3) 2 + 2NO + 4Н 2 O
Cu + 2H 2 S0 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
Le fluor, le chlore et le brome réagissent avec le cuivre pour former les dihalogénures correspondants, par exemple :
Cu + Cl 2 = CuCl 2
Lorsque la poudre de cuivre chauffée réagit avec l'iode, on obtient de l'iodure de Cu(I) ou du monoiodure de cuivre :
2Сu +I 2 = 2СuI
Le cuivre brûle dans la vapeur de soufre, formant du monosulfure CuS. Il n'interagit pas avec l'hydrogène dans des conditions normales. Cependant, si les échantillons de cuivre contiennent des micro-impuretés d'oxyde de Cu 2 O, alors dans une atmosphère contenant de l'hydrogène, du méthane ou du monoxyde de carbone, l'oxyde de cuivre est réduit en métal :
Сu 2 O+ Н 2 = 2Сu + Н 2 O
Cu 2 O + CO = 2Cu + CO 2
La vapeur d'eau et le CO 2 libérés provoquent l'apparition de fissures, ce qui détériore fortement les propriétés mécaniques du métal (« maladie de l'hydrogène »). Les sels de cuivre monovalents - chlorure de CuCl, sulfite de Cu 2 SO3, sulfure de Cu 2 S et autres - sont généralement peu solubles dans l'eau. Pour le cuivre divalent, il existe des sels de presque tous les acides connus ; les plus importants d'entre eux sont le sulfate de CuSO 4, le chlorure de CuCl 2, le nitrate de Cu(NO3) et tous sont très solubles dans l'eau et, lorsqu'ils en sont séparés, ils forment des hydrates cristallins, par exemple CuCl 2 *2H 2 O, Cu(. NO3) 2 *6H 2 O, Cu80 4 -5H 2 0. La couleur des sels va du vert au bleu, car l'ion Cu dans l'eau est hydraté et se présente sous la forme d'un ion aqua bleu [Cu(H 2 O ) 6 ] 2+, qui détermine la couleur des solutions de sels de cuivre divalents.
Un des sels essentiels le sulfate de cuivre est obtenu en dissolvant le métal dans de l'acide sulfurique dilué chauffé tout en soufflant de l'air :
2Сu + 2Н 2 SO 4 + O 2 = 2СuSO 4 + 2Н 2 O
Le sulfate anhydre est incolore ; en ajoutant de l'eau, il se transforme en sulfate de cuivre CuSO 4 -5H 2 O - cristaux transparents bleu azur. En raison de la propriété du sulfate de cuivre de changer de couleur lorsqu'il est humidifié, il est utilisé pour détecter des traces d'eau dans les alcools, les éthers, les essences, etc.
Lorsque le sel de cuivre divalent interagit avec un alcali, un volumineux précipité bleu se forme - l'hydroxyde de Cu(OH) 2. Il est amphotère : il se dissout dans un alcali concentré pour former un sel dans lequel le cuivre est présent sous forme d'anion, par exemple :
Cu(OH) 2 + 2KOH = K 2 [Cu(OH) 4 ]
Contrairement aux métaux alcalins, le cuivre se caractérise par une tendance à former des complexes - les ions Cu et Cu 2+ dans l'eau peuvent former des ions complexes avec des anions (Cl -, CN -), des molécules neutres (NH 3) et certains composés organiques. Ces complexes sont généralement de couleurs vives et hautement solubles dans l'eau.
Réception et demande. Au 19ème siècle. le cuivre était fondu à partir de minerais contenant au moins 15 % de métal. Actuellement, les riches minerais de cuivre sont pratiquement épuisés, donc le cuivre ch. arr. obtenu à partir de minerais sulfurés contenant seulement 1 à 7 % de cuivre. La fusion des métaux est un processus long et en plusieurs étapes.
Après traitement par flottation du minerai d'origine, le concentré contenant des sulfures de fer et de cuivre est placé dans des fours de fusion de cuivre à réverbère chauffés à 1 200 °C. Le concentré fond, formant ce qu'on appelle. matte contenant du cuivre, du fer et du soufre en fusion, ainsi que des scories de silicate solide qui flottent à la surface. La matte fondue sous forme de CuS contient environ 30 % de cuivre, le reste est du sulfure de fer et du soufre. La prochaine étape est la transformation du matte en ce qu'on appelle. le cuivre blister, qui est réalisé dans des fours convertisseurs horizontaux purgés à l'oxygène. FeS est oxydé en premier ; Pour lier l'oxyde de fer résultant, du quartz est ajouté au convertisseur - cela forme des scories de silicate facilement séparées. Ensuite, le CuS est oxydé, se transformant en cuivre métallique, et du SO 2 est libéré :
CuS + O 2 = Cu + SO 2
Après avoir éliminé le SO 2 avec de l'air, le cuivre blister restant dans le convertisseur, contenant 97 à 99 % de cuivre, est versé dans des moules puis soumis à une purification électrolytique. Pour ce faire, des lingots de cuivre blister, en forme de planches épaisses, sont suspendus dans des bains d'électrolyse contenant une solution de sulfate de cuivre additionnée de H 2 SO 4. De fines feuilles de cuivre pur sont également suspendues dans les mêmes bains. Ils servent de cathodes et les pièces moulées en cuivre blister servent d'anodes. Lors du passage du courant, le cuivre se dissout à l'anode, et sa libération se produit à la cathode :
Cu - 2е = Cu 2+
Cu 2+ + 2e = Cu
Les impuretés, dont l'argent, l'or, le platine, tombent au fond du bain sous la forme d'une masse limoneuse (boue). La récupération des métaux précieux des boues finance généralement l’ensemble de ce processus énergivore. Après un tel raffinage, le métal obtenu contient 98 à 99 % de cuivre.
Le cuivre est utilisé depuis longtemps dans la construction : les anciens Égyptiens construisaient des conduites d’eau en cuivre ; les toits des châteaux et des églises médiévales étaient recouverts de tôles de cuivre, par exemple le célèbre château royal d'Elseneur (Danemark) était recouvert de toitures en cuivre. Les pièces de monnaie et les bijoux étaient fabriqués en cuivre. En raison de sa faible résistance électrique, le cuivre est le métal principal dans l'électrotechnique : plus de la moitié de tout le cuivre produit est utilisé dans la production de fils électriques pour les transmissions haute tension et de câbles à faible courant. Même des impuretés insignifiantes dans le cuivre entraînent une augmentation de sa résistance électrique et d'importantes pertes d'électricité.
Une conductivité thermique élevée et une résistance à la corrosion permettent de fabriquer des pièces en cuivre pour les échangeurs de chaleur, les réfrigérateurs, les appareils à vide, les pipelines de pompage d'huiles et de carburants, etc. Le cuivre est également largement utilisé en galvanoplastie lors de l'application de revêtements protecteurs sur des produits en acier. Ainsi, par exemple, lorsque l'on nickele ou chrome des objets en acier, du cuivre est pré-déposé dessus ; dans ce cas, le revêtement protecteur dure plus longtemps et est plus efficace. Le cuivre est également utilisé en galvanoplastie (c'est-à-dire lors de la réplication de produits en obtenant une image miroir), par exemple dans la fabrication de matrices métalliques pour l'impression de billets de banque et la reproduction de produits sculpturaux.
Une quantité importante de cuivre est dépensée pour la fabrication d'alliages qu'il forme avec de nombreux métaux. Les principaux alliages de cuivre sont généralement divisés en trois groupes : les bronzes (alliages avec de l'étain et d'autres métaux autres que le zinc et le nickel), les laitons (alliages avec le zinc) et les alliages cupro-nickel. Il existe des articles séparés sur les bronzes et les laitons dans l'encyclopédie. Les alliages cuivre-nickel les plus connus sont le cupronickel, le maillechort, le constantan, le manganin ; ils contiennent tous jusqu'à 30 à 40 % de nickel et divers additifs d'alliage. Ces alliages sont utilisés dans la construction navale, pour la fabrication de pièces fonctionnant à des températures élevées, dans des appareils électriques, ainsi que pour des produits métalliques ménagers à la place de l'argent (couverts).
Les composés de cuivre ont été et sont trouvés dans diverses applications. L'oxyde et le sulfate de cuivre sont utilisés pour la fabrication de certains types de fibres artificielles et pour la production d'autres composés de cuivre ; CuO et Cu 2 O sont utilisés pour la production de verre et d'émaux ; Сu(NO3) 2 - impression calicot ; CuCl 2 est un composant des peintures minérales, un catalyseur. Les peintures minérales contenant du cuivre sont connues depuis l'Antiquité ; Ainsi, une analyse des fresques antiques de Pompéi et des peintures murales de Rus' a montré que la composition des peintures comprenait le principal acétate de cuivre Cu(OH) 2 * (CH3COO) 2 Cu 2, qui servait de peinture vert vif, appelée vert-de-gris en Russie.
Le cuivre appartient à ce qu'on appelle. bioéléments nécessaires au développement normal des plantes et des animaux. En l'absence ou en carence de cuivre dans les tissus végétaux, la teneur en chlorophylle diminue, les feuilles jaunissent, les plantes cessent de porter leurs fruits et peuvent mourir. Par conséquent, de nombreux sels de cuivre sont inclus dans les engrais à base de cuivre, par exemple le sulfate de cuivre, les engrais cuivre-potassium (sulfate de cuivre mélangé à du KSD). Les sels de cuivre sont également utilisés pour lutter contre les maladies des plantes. Depuis plus de cent ans, on utilise à cet effet de la bouillie bordelaise contenant du sulfate de cuivre basique [Cu(OH) 2 ]3CuSO 4 ; obtenez-le par la réaction:
4CuSO 4 + 3Ca(OH) 2 = CuSO 4 * 3Cu(OH) 2 + 3СаSO 4
Le sédiment gélatineux de ce sel recouvre bien les feuilles et y reste longtemps, protégeant ainsi la plante. Cu 2 O, le chloroxyde de cuivre 3Cu(OH) 2 *CuCl 2, ainsi que le phosphate de cuivre, le borate et l'arséniate de cuivre ont une propriété similaire.
Dans le corps humain, le cuivre fait partie de certaines enzymes et est impliqué dans les processus d'hématopoïèse et d'oxydation enzymatique ; La teneur moyenne en cuivre du sang humain est d'environ 0,001 mg/l. Dans les organismes des animaux inférieurs, il y a beaucoup plus de cuivre, par exemple l'hémocyanine - le pigment sanguin des mollusques et des crustacés - contient jusqu'à 0,26 % de cuivre. La teneur moyenne en cuivre dans les organismes vivants est de 2 à 10 à 4 % en poids.
Pour les humains, les composés du cuivre sont pour la plupart toxiques. Bien que le cuivre soit présent dans certains produits pharmaceutiques, s'il pénètre dans l'estomac avec de l'eau ou de la nourriture en grande quantité, il peut provoquer une intoxication grave. Les personnes qui travaillent longtemps dans la fusion du cuivre et de ses alliages développent souvent une «fièvre du cuivre» - la température augmente, des douleurs à l'estomac surviennent et l'activité vitale des poumons diminue. Si des sels de cuivre pénètrent dans l'estomac, avant l'arrivée du médecin, vous devez le rincer d'urgence et prendre un diurétique.
Conclusion.
Les métaux sont les principaux matériaux de structure dans la construction mécanique et la fabrication d'instruments. Ils ont tous des propriétés dites métalliques communes, mais chaque élément les présente conformément à sa position dans le système périodique de D.I. Mendeleev, c'est-à-dire conformément aux caractéristiques structurelles de son atome.
Les métaux interagissent activement avec des agents oxydants élémentaires à haute électronégativité (halogènes, oxygène, soufre, etc.) et donc, lors de l'examen des propriétés générales des éléments métalliques, il est nécessaire de prendre en compte leur activité chimique envers les non-métaux, les types de leurs composés et les formes de liaisons chimiques, car cela détermine non seulement les processus métallurgiques lors de leur production, mais également les performances des métaux dans les conditions d'exploitation.
Aujourd'hui, alors que l'économie se développe à un rythme rapide, il existe un besoin en bâtiments préfabriqués qui ne nécessitent pas d'investissements en capital importants. Ceci est principalement nécessaire à la construction de pavillons commerciaux, de centres de divertissement et d’entrepôts. Grâce à l'utilisation de structures métalliques, ces bâtiments peuvent désormais non seulement être érigés facilement et rapidement, mais également démontés avec la même facilité à la fin de la période de location ou pour être déplacés vers un autre endroit. De plus, il n’est pas difficile d’installer des communications, du chauffage et de l’éclairage dans des bâtiments aussi faciles à construire. Les bâtiments constitués de structures métalliques peuvent résister à des conditions naturelles difficiles non seulement en termes de température, mais aussi, ce qui est tout aussi important, en termes d'activité sismologique, où il n'est ni facile ni sûr d'ériger des bâtiments en briques.
La gamme de structures métalliques proposée aujourd'hui par l'industrie est facilement transportable et peut être levée par n'importe quelle grue. La connexion et l'installation de telles structures peuvent être réalisées soit à l'aide de boulons, soit par soudage. L'émergence de structures métalliques légères, fabriquées et fournies de manière intégrée, joue un rôle positif important dans la construction de bâtiments publics par rapport à la construction de bâtiments en béton armé et réduit considérablement le temps nécessaire à l'achèvement des travaux. .
Bibliographie.
1. Khomchenko G.P. Un manuel de chimie pour les candidats aux universités. - 3ème édition - M. : Novaya Volna Publishing House LLC, ONIKS Publishing House CJSC, 1999. - 464 p.
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3. Frolov V.V. Chimie : manuel destiné aux universités spécialisées en génie mécanique. – 3e éd., révisée. et supplémentaire – M. : Ecole Supérieure, 1986.-543 p.
Appuie avec son approbation la réponse incorrecte ou pas tout à fait exacte de l’élève. 1.2 Améliorer les expériences chimiques scolaires dans l'apprentissage par problèmes 1.2.1 Principes de développement d'un système méthodologique et du contenu des expériences de chimie dans un système d'apprentissage par problèmes Caractéristique l'apprentissage développemental est l'utilisation généralisée d'une approche basée sur les problèmes, qui comprend la création...
relation objectivement existante entre les éléments chimiques. C'est pourquoi Mendeleïev l'a qualifié de système d'éléments « naturel ». La loi périodique n’a pas d’égale dans l’histoire des sciences. Au lieu de substances disparates et sans rapport entre elles, la science était confrontée à un système unique et harmonieux qui réunissait tous les éléments chimiques en un tout. Mendeleïev a montré la voie de la recherche dirigée en chimie...
Les éléments qui forment des substances simples - les métaux, occupent la partie inférieure gauche du tableau périodique. (pour plus de clarté, on peut dire qu'ils sont situés à gauche de la diagonale reliant Be et polonium, n°84), ils incluent également des éléments des sous-groupes du côté (B).
Les atomes métalliques sont caractérisés par un petit nombre d'électrons au niveau externe. Ainsi, le sodium a 1 électron au niveau externe, le magnésium en a 2 et l’aluminium en a 3. Ces électrons sont relativement faiblement liés au noyau, ce qui provoque la caractéristique physique propriétés des métaux :
- conductivité électrique,
- bonne conductivité thermique,
- malléabilité, ductilité.
- Les métaux ont également un éclat métallique caractéristique.
DANS chimique dans les réactions, les métaux agissent comme les agents réducteurs:
- Lorsqu'ils interagissent avec l'oxygène, les métaux forment des oxydes, par exemple, le magnésium brûle pour former de l'oxyde de magnésium :
2Mg + O2 = 2MgO
Les métaux les plus actifs (alcalis) forment des peroxydes lorsqu'ils brûlent dans l'air :
2Na + O 2 = Na 2 O 2 (peroxyde de sodium)
- Les métaux réactifs, comme le sodium, réagissent avec l'eau pour former des hydroxydes :
2Na + 2HOH = 2NaOH + H2
ou des oxydes comme le magnésium lorsqu'ils sont chauffés :
Mg + H 2 O = MgO + H 2
- Les métaux situés dans la série de tension électrochimique à gauche de l'hydrogène (H) déplacent l'hydrogène des acides (sauf nitrique). Ainsi, le zinc réagit avec acide hydrochlorique avec formation de chlorure de zinc et d'hydrogène :
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
Les métaux, y compris ceux à droite de l'hydrogène, à l'exception de l'or et du platine, réagissent avec l'acide nitrique pour former divers composés azotés :
Cu + 4HNO 3 (conc.) = Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O + 2NO 2
Il est plus facile de disposer les coefficients dans ces équations en utilisant la méthode de la balance électronique. Nous indiquons les états d'oxydation :
Cu 0 + 4HN +5 O 3 (conc.) = Cu +2 (NO 3) 2 + 2H 2 O + 2N +4 O 2
Nous notons les éléments avec des états d'oxydation modifiés :
* multiple moins commun Pour ajouté et soustraitélectrons** le coefficient d'une substance contenant cet élément est obtenu en divisant le plus petit commun multiple par le nombre d'électrons ajoutés ou retirés (à cet atome)
2. Expérience. Recevoir et collecter de l'oxygène. Preuve de la présence d'oxygène dans le récipient
Dans un laboratoire scolaire, l'oxygène est le plus souvent obtenu par décomposition du peroxyde d'hydrogène en présence d'oxyde de manganèse (IV) :
2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2
ou par la décomposition du permanganate de potassium lorsqu'il est chauffé :
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
Pour collecter le gaz, le récipient est fermé par un bouchon avec un tube de sortie de gaz.
Pour prouver la présence d'oxygène dans le récipient, un éclat fumant y est introduit - il s'enflamme vivement.
Introduction
Les métaux sont des substances simples qui, dans des conditions normales, ont des propriétés caractéristiques : une conductivité électrique et thermique élevée, la capacité de bien réfléchir la lumière (ce qui provoque leur brillance et leur opacité) et la capacité de prendre la forme souhaitée sous l'influence de forces extérieures ( plasticité). Il existe une autre définition des métaux : ce sont des éléments chimiques caractérisés par la capacité de donner des électrons externes (de valence).
Parmi tous les éléments chimiques connus, environ 90 sont des métaux. La plupart des composés inorganiques sont des composés métalliques.
Il existe plusieurs types de classification des métaux. La plus claire est la classification des métaux en fonction de leur position dans le tableau périodique des éléments chimiques - classification chimique.
Si dans la version « longue » du tableau périodique, nous traçons une ligne droite passant par les éléments bore et astatine, alors les métaux seront situés à gauche de cette ligne et les non-métaux à droite de celle-ci.
Du point de vue de la structure atomique, les métaux sont divisés en intransition et transition. Les métaux non de transition sont situés dans les principaux sous-groupes du tableau périodique et se caractérisent par le fait que dans leurs atomes, les niveaux électroniques s et p sont remplis séquentiellement. Les métaux non de transition comprennent 22 éléments des principaux sous-groupes a : Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb. , Sb, Bi, Po.
Les métaux de transition sont situés dans des sous-groupes latéraux et se caractérisent par le remplissage des niveaux électroniques d ou f. Les éléments d comprennent 37 métaux des sous-groupes secondaires b : Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Mn, Tc, Re, Bh, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Hs, Mt.
Les éléments f comprennent 14 lanthanides (Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) et 14 actinides (Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr).
Parmi les métaux de transition, on distingue également les métaux des terres rares (Sc, Y, La et lanthanides), les métaux du platine (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), les métaux transuraniens (Nr et éléments de masse atomique plus élevée).
En plus de la classification chimique, il existe également, bien que cela ne soit pas généralement accepté, une classification technique établie de longue date des métaux. Ce n'est pas aussi logique que le chimique - il est basé sur l'une ou l'autre caractéristique pratiquement importante du métal. Le fer et ses alliages sont classés comme métaux ferreux, tous les autres métaux sont classés comme non ferreux. Il existe des métaux légers (Li, Be, Mg, Ti...) et lourds (Mn, F e, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg, Sn, Pb...), ainsi que des groupements réfractaires ( Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, R e), métaux précieux (Ag, Au, métaux platine) et radioactifs (U, Th, N p, Pu, etc.). En géochimie, on distingue également les métaux traces (Ga, Ge, Hf, Re, etc.) et rares (Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Re, etc.). Comme vous pouvez le constater, il n’y a pas de frontières claires entre les groupes.
Référence historique
Malgré le fait que la vie de la société humaine sans métaux est impossible, personne ne sait exactement quand et comment les gens ont commencé à les utiliser. Les écrits les plus anciens qui nous sont parvenus parlent d'ateliers primitifs dans lesquels l'éperlan ou le métal étaient utilisés pour en fabriquer des produits. Cela signifie que l’homme maîtrisait les métaux avant d’écrire. Lors des fouilles d'anciennes colonies, les archéologues découvrent des outils de travail et de chasse que les gens utilisaient à cette époque lointaine - couteaux, haches, pointes de flèches, aiguilles, hameçons et bien plus encore. Plus les colonies étaient anciennes, plus les produits des mains humaines étaient grossiers et primitifs. Les produits métalliques les plus anciens ont été découverts lors de fouilles dans des colonies qui existaient il y a environ 8 000 ans. Il s’agissait principalement de bijoux en or et en argent, ainsi que de pointes de flèches et de lances en cuivre.
Le mot grec « métallon » signifiait à l'origine le début des mines, d'où le terme « métal ». Dans l’Antiquité, on croyait qu’il n’existait que 7 métaux : l’or, l’argent, le cuivre, l’étain, le plomb, le fer et le mercure. Ce nombre était en corrélation avec le nombre de planètes connues à cette époque - le Soleil (or), la Lune (argent), Vénus (cuivre), Jupiter (étain), Saturne (plomb), Mars (fer), Mercure (mercure) ( voir figure) . Selon les idées alchimiques, les métaux sont nés dans les entrailles de la terre sous l'influence des rayons des planètes et se sont progressivement améliorés pour se transformer en or.
L'homme a d'abord maîtrisé les métaux natifs - l'or, l'argent, le mercure. Le premier métal produit artificiellement était le cuivre, puis il a été possible de maîtriser la production d'un alliage de cuivre avec du sel - le bronze et seulement plus tard - le fer. En 1556, le livre du métallurgiste allemand G. Agricola « Sur l'exploitation minière et la métallurgie » a été publié en Allemagne - le premier guide détaillé pour l'obtention de métaux qui nous soit parvenu. Certes, à cette époque, le plomb, l’étain et le bismuth étaient encore considérés comme des variétés du même métal. En 1789, le chimiste français A. Lavoisier, dans son manuel de chimie, a donné une liste de substances simples, qui comprenaient tous les métaux alors connus - antimoine, argent, bismuth, cobalt, étain, fer, manganèse, nickel, or, plâtre. -l'étain, le plomb, le tungstène et le zinc. À mesure que les méthodes de recherche chimique se développaient, le nombre de métaux connus commença à augmenter rapidement. Au XVIIIe siècle 14 métaux ont été découverts au 19ème siècle. - 38, au 20ème siècle. - 25 métaux. Dans la première moitié du XIXe siècle. Des satellites de platine ont été découverts et des métaux alcalins et alcalino-terreux ont été obtenus par électrolyse. Au milieu du siècle, le césium, le rubidium, le thallium et l'indium furent découverts par analyse spectrale. L'existence de métaux prédits par D.I. Mendeleev sur la base de sa loi périodique (il s'agit du gallium, du scandium et du germanium) a été brillamment confirmée. Découverte de la radioactivité à la fin du XIXème siècle. conduit à la recherche de métaux radioactifs. Enfin, par la méthode des transformations nucléaires au milieu du XXe siècle. des métaux radioactifs qui n'existent pas dans la nature, notamment des éléments transuraniens, ont été obtenus.
Propriétés physiques et chimiques des métaux.
Tous les métaux sont des substances solides (à l'exception du mercure, qui est liquide dans des conditions normales) ; ils diffèrent des non-métaux par un type particulier de liaison (liaison métallique). Les électrons de Valence sont faiblement liés à un atome particulier, et à l’intérieur de chaque métal se trouve ce qu’on appelle un gaz d’électrons. La plupart des métaux ont une structure cristalline et le métal peut être considéré comme un réseau cristallin « rigide » d’ions positifs (cations). Ces électrons peuvent plus ou moins se déplacer autour du métal. Ils compensent les forces répulsives entre les cations et les lient ainsi en un corps compact.
Tous les métaux ont une conductivité électrique élevée (c'est-à-dire qu'ils sont conducteurs, contrairement aux métaux non diélectriques), notamment le cuivre, l'argent, l'or, le mercure et l'aluminium ; La conductivité thermique des métaux est également élevée. Une propriété distinctive de nombreux métaux est leur ductilité (malléabilité), grâce à laquelle ils peuvent être roulés en feuilles minces (feuille) et étirés en fil (étain, aluminium, etc.), cependant, il existe également des métaux assez fragiles ( zinc, antimoine, bismuth).
Dans l'industrie, on utilise souvent non pas des métaux purs, mais des mélanges de ceux-ci appelés alliages. Dans un alliage, les propriétés d’un composant complètent généralement avec succès les propriétés de l’autre. Ainsi, le cuivre a une faible dureté et ne convient pas à la fabrication de pièces de machines, tandis que les alliages de cuivre et de zinc, appelés laiton, sont déjà assez durs et sont largement utilisés en construction mécanique. L'aluminium a une bonne ductilité et une légèreté suffisante (faible densité), mais il est trop mou. Sur cette base, un alliage d'ayuralum (duralumin) contenant du cuivre, du magnésium et du manganèse est préparé. Le duralumin, sans perdre les propriétés de son aluminium, acquiert une dureté élevée et est donc utilisé dans la technologie aéronautique. Les alliages de fer avec du carbone (et des additifs d'autres métaux) sont la fonte et l'acier bien connus.
La densité des métaux varie considérablement : pour le lithium, elle est près de la moitié de celle de l'eau (0,53 g/cm3), et pour l'osmium, elle est plus de 20 fois supérieure (22,61 g/cm3). Les métaux diffèrent également par leur dureté. Les métaux alcalins sont les plus mous ; ils peuvent être facilement coupés avec un couteau ; Le métal le plus dur, le chrome, coupe le verre. Il existe une grande différence dans les points de fusion des métaux : le mercure est liquide dans des conditions normales, le césium et le gallium fondent à la température du corps humain, et le métal le plus réfractaire, le tungstène, a un point de fusion de 3380°C. Les métaux dont le point de fusion est supérieur à 1 000 °C sont classés comme métaux réfractaires, et ceux ci-dessous sont appelés métaux fusibles. À haute température, les métaux sont capables d'émettre des électrons, qui sont utilisés dans l'électronique et les générateurs thermoélectriques pour convertir directement l'énergie thermique en énergie électrique. Le fer, le cobalt, le nickel et le gadolinium, après les avoir placés dans un champ magnétique, sont capables de maintenir en permanence un état de magnétisation.
Les métaux possèdent également certaines propriétés chimiques. Les atomes métalliques cèdent relativement facilement des électrons de valence et deviennent des ions chargés positivement. Les métaux sont donc des agents réducteurs. C’est en fait leur propriété chimique principale et la plus générale.
De toute évidence, les métaux en tant qu'agents réducteurs réagiront avec divers agents oxydants, qui peuvent inclure des substances simples, des acides, des sels de métaux moins actifs et certains autres composés. Les composés de métaux avec des halogènes sont appelés halogénures, avec des sulfures de soufre, avec des nitrures d'azote, avec des phosphures de phosphore, avec des carbures de carbone, avec des siliciures de silicium, avec des borures de bore, avec des hydrures d'hydrogène, etc. Beaucoup de ces composés ont trouvé des applications importantes dans les nouvelles technologies. Par exemple, les borures métalliques sont utilisés en radioélectronique ainsi que dans l'ingénierie nucléaire comme matériaux de régulation et de protection contre les rayonnements neutroniques.
Sous l'influence d'acides oxydants concentrés, un film d'oxyde stable se forme également sur certains métaux. Ce phénomène est appelé passivation. Ainsi, dans l'acide sulfurique concentré, les métaux tels que Be, Bi, Co, Fe, Mg et Nb sont passivés (et ne réagissent pas avec lui), et dans l'acide nitrique concentré - les métaux Al, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th et U.
Plus un métal est situé à gauche dans cette rangée, plus il possède de propriétés réductrices, c'est-à-dire qu'il est plus facile de s'oxyder et de passer en solution sous forme de cation, mais il est plus difficile de le réduire du cation à l'état libre. .
Un non-métal, l'hydrogène, est placé dans la série de tension, puisque cela permet de déterminer si ce métal va réagir avec des acides non oxydants en solution aqueuse (plus précisément, être oxydé par les cations hydrogène H+). Par exemple, le zinc réagit avec l'acide chlorhydrique, puisque dans la série de tensions il se trouve à gauche (avant) l'hydrogène. Au contraire, l'argent n'est pas transféré en solution par l'acide chlorhydrique, puisqu'il se trouve dans la série de tensions à droite (après) l'hydrogène. Les métaux se comportent de la même manière dans l’acide sulfurique dilué. Les métaux de la série de tension après l'hydrogène sont dits nobles (Ag, Pt, Au, etc.)
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À la suite de l’étude de ce chapitre, l’étudiant doit :
savoir
- position des métaux dans le tableau périodique ;
- rôle biologique et l'utilisation des métaux en médecine ;
être capable de
- caractériser les caractéristiques structurelles des atomes d'éléments métalliques ;
- décrire la nature d'une liaison métallique et en quoi elle diffère d'une liaison covalente ou ionique ordinaire ;
- expliquer les caractéristiques de la structure cristalline des métaux ;
- établir des équations de réaction caractérisant les propriétés chimiques des métaux ;
- décrire les méthodes les plus importantes pour obtenir des métaux, les réactions pour la détection de catines métalliques ;
propre
Compétences dans l'interprétation des propriétés les plus importantes des métaux en fonction de leur position dans le tableau périodique.
Position dans le tableau périodique des éléments par D. I. Mendeleev et propriétés générales des métaux
Plus de 80 % des éléments chimiques connus sont des métaux, et conformément à la structure des coques électroniques, ceux-ci comprennent les éléments s des 1er et 2e groupes, tous les éléments d- et /-familles, éléments p du 13ème groupe (à l'exception du bore), ainsi que l'étain et le plomb (14ème groupe), le bismuth (15ème groupe) et le polonium (17ème groupe). La plupart des métaux ont 1 à 2 électrons dans leur niveau d’énergie externe. Ceci explique leur faible électronégativité par rapport aux non-métaux.
Les éléments métalliques appartenant à la 5ème famille constituent les 1er et 2ème groupes, et ceux appartenant à la famille J constituent les 3ème-12ème groupes. Aux atomes d-éléments dans les périodes de gauche à droite, les sous-niveaux ^ du niveau pré-externe sont remplis.
Les métaux, dans les atomes desquels sont remplis les sous-niveaux I du troisième niveau à partir de la fin, forment les familles des lanthanides et des actinides, dont chacune contient 14 éléments.
Propriétés physiques. Les métaux ont une structure cristalline et sont caractérisés par trois types de réseaux cristallins : cubique à faces centrées, hexagonal et cubique à corps centré (voir Fig. 5.7 au paragraphe 5.2).
La conductivité électrique, qui est la caractéristique physique la plus importante de l’état métallique, est réalisée par ces électrons. Pour cette raison, les métaux sont classés comme conducteurs de type I, c'est-à-dire à des substances dans l'espace interatomique dont il y a toujours des électrons libres, et grâce à ces derniers, un courant est créé dans le conducteur. Les conducteurs de type II sont des électrolytes.
Si une certaine différence de potentiel est appliquée au métal, alors les électrons libres acquièrent un mouvement directionnel et se déplacent du pôle négatif au pôle positif, c'est-à-dire un flux dirigé d'électrons en mouvement est créé - un courant électrique.
La conductivité électrique des métaux dépend fortement de la température. Avec l’augmentation de la température, les mouvements vibratoires des ions sur les sites du réseau s’intensifient, ce qui entrave grandement le mouvement directionnel des électrons. À mesure que la température diminue, les vibrations thermiques des ions dans les nœuds sont considérablement réduites et la conductivité électrique augmente. À des températures proches du zéro absolu, la plupart des métaux présentent une supraconductivité.
La conductivité thermique des métaux est également liée à la mobilité des électrons libres et au mouvement vibratoire des atomes eux-mêmes. Ces vibrations se propagent sous la forme d'un système d'ondes thermiques élastiques dans tout le réseau cristallin. Les électrons libres entrent en collision avec des atomes vibrants et échangent de l'énergie avec eux. Ainsi, lorsqu’un métal est chauffé, l’énergie thermique est immédiatement transférée d’un atome à un autre grâce aux électrons libres. Dans ce cas, l'égalisation de la température se produit relativement rapidement dans toute la masse du métal.
Tous les métaux, à l'exception du mercure, sont des solides. Le mercure est le seul métal liquide dans des conditions ordinaires : son point de fusion est de -39°C. La couleur de la plupart des métaux varie du gris foncé au blanc argenté. Dans l'industrie, il existe une division des métaux en ferreux et non ferreux. Les métaux ferreux comprennent le fer et tous ses alliages, tandis que les autres métaux sont non ferreux. Parfois, les métaux nobles sont particulièrement distingués - les métaux de l'or et du platine.
En fonction de leur densité, les métaux sont divisés en métaux légers et lourds. Les premiers comprennent ceux dont la densité est inférieure à 5 g/cm 3 ; au second - ceux ayant une densité supérieure à 5 g/cm 3 .
En fonction de leur température de fusion, les métaux sont divisés en métaux à bas point de fusion (point de fusion inférieur à 1 000 °C) et réfractaires (point de fusion supérieur à 1 500 °C). Les principales propriétés mécaniques comprennent : l'élasticité - la capacité de restaurer sa forme d'origine après avoir éliminé les forces de déformation ; La plasticité est l'état d'un métal dans lequel il est capable de conserver un changement de forme provoqué par l'influence de forces déformantes après la fin de leur action.
Propriétés chimiques. Les propriétés des métaux sont déterminées par la structure caractéristique de leurs couches électroniques externes.
Comme déjà indiqué, au cours d'une période d'augmentation de la charge nucléaire, les rayons des atomes à le même numéro les couches électroniques diminuent. À chaque période, les atomes de métaux alcalins ont les rayons les plus grands. Plus le rayon de l'atome est petit, plus l'énergie d'ionisation est grande, et plus le rayon de l'atome est grand, moins cette énergie est grande. Étant donné que les atomes de métaux alcalins ont les rayons atomiques les plus grands, ils sont généralement caractérisés par des énergies d’ionisation et des affinités électroniques relativement faibles.
Les métaux libres présentent des propriétés exclusivement réductrices.
Les métaux forment des oxydes M x O y, par exemple :
Avec les halogènes, les métaux forment des halogénures, qui sont des sels des acides halohydriques correspondants :
Les métaux sont capables d'ajouter de l'hydrogène, formant des hydrures. La réaction se produit généralement à une température de 350 à 400°C :
Les réactions des métaux dans la série d'activités des métaux jusqu'à l'hydrogène avec les acides sont caractéristiques. Si un métal interagit avec un acide dont l'anion n'est pas un agent oxydant, alors les fonctions de l'agent oxydant sont assurées par le proton de l'acide :
Certains métaux qui forment des oxydes et hydroxydes amphotères réagissent également avec les alcalis :
Les métaux réagissent avec le soufre concentré et acides nitriques(Voir les chapitres concernés pour plus de détails).
Lorsqu'il interagit avec des solutions aqueuses de sels, l'atome neutre du métal le plus actif, oxydant, réduit l'ion métallique de la molécule de sel :
Les réactions se déroulent conformément à la position des métaux dans la série de tensions électrochimiques (voir chapitre 8).
Les métaux actifs réagissent avec l'eau :
Reçu. La plupart des métaux dans la nature se trouvent sous forme de composés, et seuls quelques-uns d’entre eux (nobles et semi-nobles) se trouvent à l’état natif.
Des matériaux naturels et rochers qui contiennent des composés métalliques sont appelés minerais. Toutes les méthodes d'obtention de métaux à partir de minerais sont basées sur des réactions de réduction. La réduction de composés métalliques anhydres à haute température est appelée procédé pyrométallurgique. Soit des métaux (métallothermie), soit du carbone (carbothermie) sont utilisés comme agents réducteurs.
Un cas particulier de métallothermie est l’aluminothermie :
La métallothermie est généralement utilisée pour produire des métaux réfractaires tels que le titane, le molybdène, le chrome, le tungstène, etc. :
La carbothermie est basée sur la réduction thermique d'un métal à partir de son oxyde avec du carbone (ou CO) :
La réduction des métaux à partir de leurs oxydes peut également être réalisée à l'aide d'hydrogène :
Les métaux peuvent être réduits à partir de solutions aqueuses de sels par électrolyse. La réduction cathodique des métaux à partir de solutions ou de sels fondus est appelée processus électrométallurgique.
Certaines méthodes de production seront discutées plus en détail lors de l'étude de représentants spécifiques des métaux.
Alliages. Une caractéristique des métaux est leur capacité à se mélanger les uns aux autres à l'état fondu et à former des mélanges homogènes. Ils restent homogènes même après refroidissement. Les systèmes formés lorsqu’un mélange fondu de métaux se solidifie sont appelés alliages. Dans un sens plus large, les alliages peuvent être considérés comme des systèmes macroscopiquement homogènes constitués de deux ou plusieurs métaux (plus rarement, des métaux et des non-métaux). La structure des alliages peut être différente. Les éléments constitutifs des alliages peuvent former une solution solide, ou un mélange mécanique macrohomogène, ou encore un composé chimique (composés intermétalliques). La formation d’un type particulier d’alliage dépend de l’activité des métaux. Des systèmes sous forme de solutions solides se forment entre des métaux d'un même groupe ou des métaux dont les rayons atomiques sont proches.
La liaison chimique dans les alliages est métallique, grâce à laquelle ils ont une conductivité électrique et thermique, un éclat métallique (c'est l'éclat des métaux, par exemple l'or, l'acier, etc.), etc.
Lorsque les métaux interagissent les uns avec les autres, les composés résultants diffèrent par leurs propriétés de celles de leurs composants constitutifs. La composition de la formule des composés intermétalliques ne satisfait pas toujours aux idées classiques sur la valence des éléments.
Ainsi, le mercure se combine à de nombreux métaux pour former des compositions solides ou liquides – des alliages appelés amalgames. Les métaux alcalins et alcalino-terreux forment des amalgames stables, qui sont des substances solides de composition NaHg 9, KHg 2, Callg, etc.
Les alliages ont généralement un point de fusion inférieur au point de fusion des métaux qui les constituent. La dureté des alliages est bien supérieure à la dureté des métaux individuels. La résistance à la corrosion de nombreux alliages est supérieure à celle de métaux individuels.