по химии. 13-14лекции. Iv. Общие характеристики металлов и неметаллов
 Скачать 36.53 Kb.
|
Все химические элементы разделяют на металлы и неметаллы в зависимости от строения и свойств их атомов. Также на металлы и неметаллы классифицируют образуемые элементами простые вещества, исходя из их физических и химических свойств. В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева неметаллы расположены по диагонали: бор – астат и над ней в главных подгруппах. Для атомов металлов характерны сравнительно большие радиусы и небольшое число электронов на внешнем уровне от 1 до 3 (исключение: германий, олово свинец – 4; сурьма и висмут - 5; полоний - 6 электронов). Атомам неметаллов, наоборот, свойственны небольшие радиусы атомов и число электронов на внешнем уровне от 4 до 8 (исключение бор, у него таких электронов – три). Отсюда стремление атомов металлов к отдаче внешних электронов, т.е. восстановительные свойства, а для атомов неметаллов – стремление к приему недостающих до устойчивого восьмиэлектронного уровня электронов, т.е. окислительные свойства. Металлы В металлах – металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, связанные посредством обобществленных внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу. Это обуславливает все важнейшие физические свойства металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность, пластичность (способность изменять форму под внешним воздействием) и некоторые другие, характерные для этого класса простых веществ. Металлы I группы главной подгруппы называют щелочными металлами. Металлы II группы: кальций, стронций, барий – щелочноземельными. Химические свойства металлов В химических реакциях металлы проявляют только восстановительные свойства, т.е. их атомы отдают электроны, образуя в результате положительные ионы. 1. Взаимодействуют с неметаллами: а) кислородом (с образованием оксидов) Щелочные и щелочноземельные металлы окисляются легко при обычных условиях, поэтому их хранят под слоем вазелинового масла или керосина. 4Li + O2 = 2Li2O 2Ca + O2 = 2CaO Обратите внимание: при взаимодействии натрия – образуется пероксид, калия - надпероксид 2Na + O2 = Na2O2, К + О2 = КО2 а оксиды получают прокаливанием пероксида с соответствующими металлом: 2Na + Na2O2 = 2Na2O Железо, цинк, медь и другие менее активные металлы медленно окисляются на воздухе и активно при нагревании. 3Fe + 2O2 = Fe3O4 (смесь двух оксидов: FeO и Fe2O3) 2Zn + O2 = 2ZnO 2Cu + O2 = 2CuO Золото и платиновые металлы не окисляются кислородом воздуха ни при каких условиях. б) водородом (с образованием гидридов) 2Na + H2 = 2NaH Ca + H2 = CaH2 в) хлором (с образованием хлоридов) 2K + Cl2 = 2KCl Mg + Cl2 = MgCl2 2Al + 3Cl2 =2AlCl3 Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется хлорид железа (III): 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 г) серой (с образованием сульфидов) 2Na + S = Na2S Hg + S = HgS 2Al + 3S = Al2S3 Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется сульфид железа (II): Fe + S = FeS д) азотом (с образованием нитридов) 6K + N2 = 2K3N 3Mg + N2 = Mg3N2 2Al + N2 = 2AlN 2. Взаимодействуют со сложными веществами: Необходимо помнить, что по восстановительной способности металлы расположены в ряд, который называют электрохимическим рядом напряжений или активности металлов (вытеснительный ряд Бекетова Н.Н.): Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, (H2), Cu, Hg, Ag, Au, Pt а) водой Металлы, расположенные в ряду до магния, при обычных условиях вытесняют водород из воды, образуя растворимые основания – щелочи. 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑ Ba + H2O = Ba(OH) 2 + H2↑ Магний взаимодействует с водой при кипячении. Mg + 2H2O = Mg(OH) 2 + H2↑ Алюминий при удалении оксидной пленки бурно реагирует с водой. 2Al + 6H2O = 2Al(OH) 3 + 3H2↑ Остальные металлы, стоящие в ряду до водорода, при определенных условиях тоже могут вступать в реакцию с водой с выделением водорода и образованием оксидов. 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑ б) растворами кислот (Кроме концентрированной серной кислоты и азотной кислоты любой концентрации. См. раздел «Окислительно-восстановительные реакции».) Обратите внимание: не используют для проведения реакций нерастворимую кремниевую кислоту Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций. Металлы, стоящие в ряду от магния до водорода, вытесняют водород из кислот. Mg + 2HCl = MgCl2 + H2↑ Обратите внимание: образуются соли двухвалентного железа. Fe + H2SO4(разб.) = FeSO4 + H2↑ Образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции. Например, свинец практически не реагирует с раствором серной кислоты из-за образования на поверхности нерастворимого сульфата свинца. Металлы, стоящие в ряду после водорода, НЕ вытесняют водород. в) растворами солей Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций. Для остальных металлов выполняется правило: Каждый металл вытесняет из растворов солей другие металлы, расположенные в ряду правее него, и сам может быть вытеснен металлами, расположенными левее него. Cu + HgCl2 = Hg + CuCl2 Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu Как и в случае с растворами кислот, образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции. г) растворами щелочей Взаимодействуют металлы, гидроксиды которых амфотерны. Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [Zn(OH) 4] + H2↑ 2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH) 4] + 3H2↑ д) с органическими веществами Щелочные металлы со спиртами и фенолом. 2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑ 2C6H5OH + 2Na = 2C6H5ONa + H2↑ Металлы участвуют в реакциях с галогеналканами, которые используют для получения низших циклоалканов и для синтезов, в ходе которых происходит усложнение углеродного скелета молекулы (реакция А.Вюрца): CH2Cl-CH2-CH2Cl + Zn = C3H6(циклопропан) + ZnCl2 2CH2Cl + 2Na = C2H6(этан) + 2NaCl Неметаллы В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью. При этом образуются одинарные (в молекулах H2, F2, Cl2, Br2, I2), двойные (в молекулах О2), тройные (в молекулах N2) ковалентные связи. Строение простых веществ – неметаллов: 1. молекулярное При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы (Н2, N2, O2, O3, F2, Cl2) или твердые вещества (I2, P4, S8) и лишь единственный бром (Br2) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярного взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке. 2. атомное Эти вещества образованы кристаллами, в узлах которых находятся атомы: (Bn, Сn, Sin, Gen, Sen, Ten). Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением ковалентной связи в их кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии. Многие такие вещества имеют высокие температуры плавления и кипения, а летучесть их весьма мала. Многие элементы – неметаллы образуют несколько простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропия может быть связана с разным составом молекул: кислород О2 и озон О3 и с разным строением кристаллов: аллотропными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен. Элементы – неметаллы, имеющие аллотропные модификации: углерод, кремний, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур. Химические свойства неметаллов У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение электроотрицательности. В ряду неметаллов At, B, Te, H, As, I, Si, P, Se, C, S, Br, Cl, N, O, F электроотрицательность возрастает и усиливаются окислительные свойства. Для простых веществ – неметаллов будут характерны как окислительные, так и восстановительные свойства, за исключением фтора – самого сильного окислителя. 1. Окислительные свойства а) в реакциях с металлами (металлы всегда восстановители) 2Na + S = Na2S (сульфид натрия) 3Mg + N2 = Mg3N2 (нитрид магния) б) в реакциях с неметаллами, расположенными левее данного, то есть с меньшим значением электроотрицательности. Например, при взаимодействии фосфора и серы окислителем будет сера, так как фосфор имеет меньшее значение электроотрицательности: 2P + 5S = P2S5 (сульфид фосфора V) Большинство неметаллов будут окислителями в реакциях с водородом: H2 + S = H2S H2 + Cl2 = 2HCl 3H2 + N2 = 2NH3 в) в реакциях с некоторыми сложными веществами Окислитель – кислород, реакции горения CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 2SO2 + O2 = 2SO3 Окислитель – хлор 2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3 2KI + Cl2 = 2KCl + I2 CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl Ch2=CH2 + Br2 = CH2Br-CH2Br 2. Восстановительные свойства а) в реакциях с фтором S + 3F2 = SF6 H2 + F2 = 2HF Si + 2F2 = SiF4 б) в реакциях с кислородом (кроме фтора) S + O2 = SO2 N2 + O2 = 2NO 4P + 5O2 = 2P2O5 C + O2 = CO2 в) в реакциях со сложными веществами – окислителями H2 + CuO = Cu + H2O 6P + 5KClO3 = 5KCl + 3P2O5 C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O H2C=O + H2 = CH3OH 3. Реакции диспропорционирования: один и тот же неметалл является и окислителем и восстановителем Cl2 + H2O = HCl + HClO 3Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O 4.2. Электро-химическая линия напряжения металлов Электрохимический ряд напряжений это последовательность, где металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов, отвечающих полу-реакции восстановления катиона металла. На основании взаимодействия металлов (например, магния, цинка, железа, олова, свинца, меди, серебра) с растворами соответствующих солей, а также с кислотой (например, хлороводородной) располагают металлы в ряд: Mg, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu, Ag.  Каждый последующий металл вытесняется из раствора его соли предыдущим металлом. В этом ряду помещают и водород между свинцом и медью. В свете электронной теории делается вывод, что тенденция отдавать электроны и переходить в водный раствор в виде положительно заряженных ионов у металлов как простых веществ ослабевает при переходе в указанном ряду слева направо. Почему назвали электрохимическим рядом напряженийЭтот ряд называют также электрохимическим рядом напряжений металлов, желая этим подчеркнуть, что он установлен в растворах электролитов и принципиально отличается от рядов, устанавливаемых термохимическим путем, например по вытеснению одних металлов другими из их оксидов (хлоридов, фторидов и т. д.). Название «электрохимический ряд напряжений металлов» неточное! Речь должна идти об определении стандартных электродных потенциалов металлов, т. е. потенциалов, возникающих на границе между металлом и раствором с одномолярной концентрацией ионов этого металла. Потенциалы эти определяют по нормальному водородному электроду, условно принятому за ноль. В качестве потенциала сравнения берут потенциал одного из металлов, погруженного в раствор его соли (например, медь или серебро). Как определяют ряд напряженийВ настоящее время установка для определения электрохимического ряда напряжений металлов осваивается промышленностью. До появления промышленного образца ограничимся некоторыми рекомендациями по его самодельному изготовлению (рис. 2). Для прибора нужна вертикальная рама 1 из металла, пластмассы, фанеры или другого материала размером 350X300X Х15 мм, на которой крепят ванночку для электролита 2 (310Х X30X60 мм) и стеклянные трубки (l=150 мм и 25 мм, 3— 6 шт.). Скрыть рекламу:Не интересуюсьУже купилСпамМешаетСпасибо, объявление скрыто. Ванночку изготавливают из оргстекла, а стеклянные трубки— из демонстрационных пробирок или подбирают готовые трубки соответствующих длину и диаметра. Ванночку и стеклянные трубки закрепляют на раме с помощью пружинящих хомутиков 4, расположенных на поперечной планке рамы. Нижние отверстия стеклянных трубок герметично закрывают пористыми диафрагмами 5, которые представляют собой плоские диски из необожженной керамики, имеющие диаметр, соответствующий диаметру стеклянной трубки. Для закрепления диафрагмы на стеклянной трубке изготовляют специальное приспособление: диафрагму зажимают между двумя уплотнительными резиновыми шайбами и стягивают накидной гайкой из оргстекла. Устройство для закрепления диафрагмы герметично соединяют со стеклянной трубкой при помощи отрезка хлорвиниловой или резиновой трубки 6 (длина отрезка 40 мм). Для изготовления диафрагмы можно воспользоваться рекомендациями, данными в статье Л. В. Буглая [4]. На верхней панели рамы размещены штекерные гнезда 7 (0 4 мм) с проводниками 8,заканчивающимися зажимами 9. На передней стенке рамы нанесены химические знаки металлов 10в той же последовательности, в какой они размещаются в электрохимическом ряду напряжений металлов: цинк, железо, никель, олово, медь, серебро. В комплект с прибором должны входить пластинки перечисленных выше металлов 11 (размер пластинок 100X8X15 мм). В связи с тем, что серебро — дефицитный и дорогостоящий металл, можно использовать посеребренную пластинку или ограничиться пятью металлами (серебро исключить). Чтобы пластинки металлов не проваливались в трубки, их следует вставить в резиновые кружочки 12, диаметр которых чуть больше диаметра трубок. Для соединения пар металлических пластинок с гальванометром используют два проводника 13, один конец которых имеет штекер (диаметр его соответствует диаметру штекерного гнезда рамы), а второй конец — лепесток для подсоединения к клеммам гальванометра. Предлагаемый в данном пособии прибор имеет преимущества перед вышеупомянутым; он более надежен и удобен в работе и дает более точные результаты. В приборе, показанном в школьном учебнике, происходит подсыхание полосок фильтровальной бумаги, нередко неравномерное, что отрицательно сказывается на результатах опыта. Прибор позволяет демонстрировать опыты в нескольких параллельных классах без перезарядки. Для иллюстрации электрохимического ряда напряжений металлов с помощью данного прибора стеклянные трубки 3 заполняют растворами солей соответствующих металлов одинаковой молярной концентрации и погружают в них металлические пластинки. Ванночку 2 заполняют раствором соли любого электролита, например хлорида калия. С помощью проводников со штекерами 13 соединяют попарно металлические пластинки 11 с гальванометром. Отклонение стрелки гальванометра будет тем большим, чем дальше отстоят друг от друга металлы. Аналогичные опыты могут быть спроецированы на экран с помощью графопроектора, а также используют чашки Петри для раствора солей и соответствующие металлы в виде стерженьков. |