Общая характеристика металлов

На этой странице вы узнаете

• Как открытие нескольких металлов изменило жизнь человечества? 
• От чего зависит ценность металла? 
• Насколько отличается жизнь металла в космосе от земной?

Периодическая система чем-то напоминает государство: у нее есть определенные законы и «население», которое по этим законам живет. Данное «население» можно разделить на две большие группы: металлы, составляющее большинство, и неметаллы, находящиеся в меньшинстве. О том, как живет большинство, сегодня и пойдет речь.

Характеристика металлов

Чтобы разобраться в том, как живет большая часть таблицы Менделеева, нужно понять, что эта большая часть из себя представляет.

Для начала вспомним, что таблица состоит из металлов и неметаллов. Что же такое металлы?

Металлы — вещества, обладающие особыми металлическими свойствами.

К металлам будут относиться элементы главных (А) подгрупп I-III групп, находящиеся левее и ниже диагонали бор (B) — астат (At), а также элементы побочных (В) подгрупп остальных групп.

Пока что не очень понятно, на основании чего происходит разделение на металлы и неметаллы. Что же из себя представляют металлические свойства?

Исходя из положения в таблице Менделеева, для металлов характерно следующее.

• Имеют больший, чем у неметаллов, радиус атома.
• Менее электроотрицательны, поэтому чаще всего выступают в роли восстановителей, то есть отдают более электроотрицательным атомам свои электроны и принимают положительные значения степени окисления. 
• Имеют меньшую энергию ионизации (энергию отрыва одного электрона от атома) и энергию сродства к электрону (энергию, выделяющуюся во время присоединения одного электрона к атому).
• Соединения металлов чаще проявляют основный характер, то есть способны реагировать с кислотами.

Металлы также обладают особыми физическими и химическими свойствами, но данный аспект их «жизни» мы разберем позже.

Мы зарисовали общий портрет металлов, обозначив их свойства, а теперь рассмотрим, какие «субкультуры» есть внутри большинства.

Металлы, которые чаще всего встречаются на экзамене, можно разделить на несколько групп.

• Щелочные металлы — металлы IA группы. Представители этой группы активны в любом начинании и очень энергичны.
• Щелочноземельные металлы (ЩЗМ) — металлы IIА группы. Представители данной группы уже не так активны, как предыдущей, однако они еще сохраняют запал и готовы ко многому.
• Амфотерные металлы — алюминий и цинк. Действия этой парочки не так однозначны, ее свойства зависят от окружения, а в некоторых событиях она и вовсе участвовать не хочет.
• Переходные металлы: марганец, хром и железо, а также серебро, ртуть и медь. Перечисленные металлы идут наперекор толпе, их свойства отличаются от свойств большинства, можно даже сказать, что данные металлы «себе на уме».

Также особняком от всех в таблице держатся лантаноиды и актиноиды, однако в рамках школьного курса их свойства мы почти не рассматриваем.

Как открытие нескольких металлов изменило жизнь человечества? Безусловно, металлы сыграли огромную роль в жизни человечества: в честь некоторых были названы исторические эпохи, некоторые способствовали развитию науки или промышленности. Открытие некоторых металлов повлияло на науку, дальнейшую жизнь человечества и на судьбу тех, кто их открыл. В конце XIX века ученая из Российской империи (а точнее Польши) Мария Склодовская-Кюри вместе со своим супругом и коллегой по научным исследованиям Пьером Кюри изучали свойства урановой руды.  В ходе изучения данной руды в ней был найден не только ожидаемый уран, но и другие элементы, впоследствии названные как полоний (в честь Польши) и радий.  Было также замечено, что все металлы объединяла одна особенность — они распространяли самопроизвольное излучение. Данный феномен был назван радиоактивностью (отсюда и название радия).  Впоследствии супруги открыли радиоактивные свойства изотопов, ими было изучено влияние радиации на организм, а также было замечено, что излучение убивает некоторые клетки, что в современном мире используется при лечении онкологических заболеваний. За свои открытия Мария получила две Нобелевские премии: по химии и физике! К сожалению, изучение радиации не только дало паре успех и всеобщее признание, но и оказало влияние на их организмы. Мария скончалась от радиационного воздействия. А дневники, в которых она записывала результаты исследований, по сей день хранятся под особым контролем из-за излучения. Вскоре после смерти Марии Склодовской-Кюри Нобелевскую премию по химии получила ее дочь, занимавшаяся изучением радиохимии, Ирен Жолио-Кюри.

Вернемся к нашей классификации и изобразим более точные портреты каждой из указанных групп.

	Щелочные металлы (IA)	Щелочноземельные металлы (IIA)	Амфотерные металлы (Al, Zn)
Конфигурация	ns1	ns2	Al: 1s22s22p63s23s1Zn: 1s22s22p63s23s23d63d104s2
Возможные валентности элементов	I	II	Al: IIIZn: II
Возможные степени окисления элементов	0, +1	0, +2	Al: 0, +3Zn: 0, +2

Портрет переходных металлов — вещь крайне точная, детальная и не поддающаяся упрощению, полноценное описание этой группы изложено в статье «Переходные элементы: хром, железо, марганец».

Теперь, когда сбор основной информации завершен, перейдем к более близкому знакомству. Часто в дружеских компаниях возникают некоторые прозвища. Может, у наших сегодняшних героев тоже есть такие?

Названия металлов

Имя каждого человека — это некая история. Названия металлов тоже скрывают за собой различные истории.

Например, самые первые «имена» давались зачастую от греческих слов и отражали физические свойства элементов: литий — «камень», хром — «цвет/цветной», иридий — «радуга». 

Многие элементы имеют названия, которые, казалось бы, должны принадлежать не им, а другим элементам: платина — это «маленькое серебро», никель – «медный дьявол», а молибден буквально переводится как «свинец».

Некоторые элементы были названы в честь мифологических героев (тантал, прометий, титан, торий и ванадий), некоторые — в честь ученых (кюрий, эйнштейний, резерфордий, фермий и другие).

Часть элементов названы в честь географических мест: франций, галлий (Галлия — древнее название Франции), дубний, московий и т.д.

Сами металлы не особо любят, когда их называют неофициально, однако их соединения имеют множество тривиальных (распространенных в быту) названий:

NaCl — поваренная соль, каменная соль;

Na₂CO₃ — кальцинированная сода (или просто сода);

Na₂CO₃•10H₂O — кристаллическая сода;

NaHCO₃ — пищевая или питьевая сода;

KOH — едкое кали;

NaOH — едкий натр, каустическая сода;

K₂CO₃ — поташ;

CaO — негашеная известь;

Ca(OH)₂ — гашеная известь, известковая вода;

CaCO₃ — мел, известняк, мрамор;

CaSO₄•2H₂O – гипс;

Al₂O₃ — глинозем;

FeCl₂ — хлористое железо;

FeCl₃ — хлорное железо;

FeS₂ — пирит;

(CuOH)₂CO₃  — малахит;

Mn₃O₄ — гаусманит. 

Продолжаем пополнять портфолио типичного металла, а для этого изучим внешний вид элементов и не только.

Физические свойства металлов

Что определяет внешний вид человека? Состояние его здоровья, то, как протекают процессы внутри организма и как сам организм устроен. Для металлов фактором, определяющим физические свойства, также является особенность их строения, а именно металлический тип кристаллической решетки. О том, что такое кристаллическая решетка, можно прочитать в статье «Типы кристаллических решеток».

Какие же свойства дает металлам данный тип решетки? К типично металлическим свойствам можем отнести:

• высокие тепло- и электропроводность;
• высокую пластичность;
• ковкость;
• характерный металлический блеск.

Несмотря на схожесть большинства металлов, некоторые различия все равно присутствуют.

• Металлы IA группы настолько мягкие, что их можно разминать в руке. Об этих и других свойствах данной группы металлов можно прочитать в статье «Металлы IA группы».
• Цинк имеет голубоватый оттенок.
• Медь — цветной металл, обладающий красным окрасом.
• Ртуть — единственный жидкий при нормальных условиях металл.

Физические свойства металлов также лежат в основе металлургического разделения металлов. 

Металлургия — отрасль промышленности, включающая предприятия, которые занимаются добычей, обогащением и переработкой металлических руд.

В определении металлургии можно заметить, что данная отрасль занимается переработкой и добычей руд. Данный процесс можем отнести к одному из промышленных способов получения металлов. Давайте разберем этот момент подробнее.

Способы получения металлов

Мы уже знаем, что металлы в промышленности получают из различных руд. В каком виде обычно встречаются металлы в природе? Для ответа на этот вопрос нам потребуется ряд активности металлов.

Ряд активности металлов — это ряд, использующийся на практике для относительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот.

В природе активные металлы чаще всего встречаются в виде солей, металлы средней активности — в виде оксидов и сульфидов, а вот неактивные металлы можно встретить в виде простых веществ. 

От чего зависит ценность металла? Основу ценности металла составляет его распространенность и доступность — как бы ни был распространен металл, если добыть его крайне сложно, то и ценность будет высока. По этой причине в древние времена воевали не за серебро, а за медь и железо, а в наполеоновские времена алюминий был дороже золота. Но в некоторых ситуациях ценность металла может быть неверно определена. Например, первооткрыватели Америки, находившие в Новом Свете платину, принимали ее за дешевый аналог серебра и топили.

А чтобы правильно оценивать металлы, давайте вспомним, каким образом они могут быть получены из соли? Поговорим о том, что такое электролиз и каким образом он осуществляется.

Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция (ОВР), протекающая при прохождении электрического тока через раствор или расплав вещества, проводящего ток. 

В зависимости от активности металла возможно получение путем электролиза раствора либо электролиза расплава.

Для активных металлов применяется электролиз расплавов солей, а вот металлы средней активности и неактивные получают в ходе электролиза растворов солей.

Отдельного внимания заслуживает алюминий, который может быть получен в ходе электролиза оксида алюминия в расплаве криолита. Подробнее об алюминии в статье «Амфотерные металлы: алюминий и цинк».

2Al₂O₃ (t, эл. ток) = 4Al + 3O₂ 

С электролизом мы разобрались, но ведь не все соединения могут участвовать в данном процессе. Есть вещества, не проводящие ток, например, оксиды. В таком случае используется пирометаллургия, то есть различные реакции замещения, происходящие при высоких температурах. В основе таких реакций лежит восстановление металла из соединения сильными восстановителями (углеродом, водородом и более активными металлами). Например, при восстановлении оксида железа сильным водородом образуется чистое железо и вода:

FeO + H₂ = Fe + H₂O

Для активных металлов такой метод не сработает, они слишком сильны, чтобы их кто-то замещал.

Закрепим полученный материал на примере задания №25 ЕГЭ по химии, в котором могут встретиться вопросы на способы получения металлов.

Задание.
Установите соответствие между веществом и возможным способом его получения путем электролиза: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой

Решение.
А) Основным методом получения алюминия является электролиз оксида алюминия (Al₂O₃) в расплаве криолита — алюминийсодержащего минерала с формулой Na₃[AlF₆]. Нам подойдет вариант ответа под номером 1.

Б) Калий можно получить путем электролиза расплава солей, вариант ответа под номером 4 нам подойдет.

В) Серебро как неактивный металл может быть получен при электролизе раствора солей, берем вариант ответа номер 3.

Ответ: 143

Объединим полученную информацию в виде таблицы:

Получение металла можно сравнить с взрослением ребенка: отделившись от семьи (руды в нашем случае), он приобретает независимость и начинает взаимодействовать с другими людьми (веществами). О том, к каким взаимодействиям склонны металлы, мы сейчас и поговорим. 

Химические свойства металлов

Мы уже разобрали, какие общие и физические свойства входят в понятие металлических свойств, осталось разобраться с последней частью этого загадочного определения — с химическими свойствами металлов.

1. Взаимодействие с неметаллами

Металлы реагируют со своими противоположностями — неметаллами с образованием бинарных соединений.

Отдельного внимания заслуживает взаимодействие металлов с кислородом. Большинство реакций протекают с образованием оксида металла, однако при взаимодействии кислорода с натрием образуется пероксид Na₂O₂, а при взаимодействии с калием — надпероксид (супероксид) KO₂.

Насколько отличается жизнь металла в космосе от земной? В атмосфере нашей планеты металл подвержен окислению кислородом, в результате чего образуется оксидная пленка — пленка, состоящая из оксида металла, покрывающая его и защищающая от химического взаимодействия.  Однако в космосе кислорода практически нет, поэтому окисление не происходит. Если в космическом пространстве два куска металла приложить друг к другу, то без защиты оксидной пленки атомы металла начнут взаимодействовать друг с другом, и в итоге эти два куска металла просто слипнутся друг с другом. Также в условиях вакуума с некоторыми металлами и сплавами происходят удивительные вещи: некоторые металлы, а именно сплавы магния, цинк и кадмий, просто испаряются, однако платина, титан и вольфрам вполне комфортно себя чувствуют и в таких необычных условиях.

Обобщим взаимодействия между неметаллами и металлами, которые могут встретиться на экзамене, в одну таблицу.

Но химические свойства металлов не ограничиваются образованием бинарных соединений с неметаллами. Разберем реакции замещения (вытеснения).

2. Реакции вытеснения

1. Взаимодействие с водой

Продукты данной реакции зависят от активности металла.

Есть также несколько исключений.

• Реакции с магнием и алюминием происходят только при нагревании.
• При взаимодействии с водой железо ржавеет: образуется смесь оксидов железа(II) и (III), то есть железная окалина Fe₃O₄:

 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂ 

• Бериллий при реакции с водой образует смесь гидроксида и оксида:

Be + H₂O = BeO + H₂
Be + 2H₂O = Be(OH)₂ + H₂

О том, как протекают реакции с остальными металлами IIA группы можно прочитать в статье «Металлы IIA группы».

• При взаимодействии марганца с водой в рамках ЕГЭ образуются гидроксид марганца(II) и водород: 

Mn + 2Н₂О = Mn(OH)₂ + H₂

2. Взаимодействие с кислотами-неокислителями

Металлы способны вступать в реакции замещения с кислотами-неокислителями, в ходе такой реакции образуются водород (H₂) и соль.

2Al + 6HBr = 2AlBr₃ + 3H₂
Cr + H₂SO_{4 (разб.)} = CrSO₄ + H₂
Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂

Щелочные металлы из-за своей «бешеной» активности при реакции с раствором кислоты взаимодействуют прежде всего с водой, при этом реакция протекает крайне бурно, со взрывом. Именно поэтому реакции между щелочными металлами и кислотами не рассматриваются в рамках экзамена.

3. Взаимодействие с солями

С кислыми солями протекает реакция, аналогичная взаимодействию с кислотами — металл замещает водород в кислой соли.

Mg + Mg(HSO₄)₂ = 2MgSO₄ + H₂

Средние соли способны реагировать с металлами большей активности с замещением более слабого металла из соли.

Zn + Cu(NO₃)₂ = Zn(NO₃)₂ + Cu
Mg + FeSO₄ = MgSO₄ + Fe 

С щелочными металлами подобные реакции проводят только в безводной среде (расплаве), так как в водном растворе они в первую очередь будут вступать в реакцию с водой. 

4. Взаимодействие со щелочами 

Амфотерные металлы реагируют со щелочами, в ходе реакции выделяется водород. Продукты данной реакции зависят от определенных условий, а именно присутствия нагревания и протекания реакции в водной среде.

Кроме способности вступать в реакции замещения, металлы имеют сильные восстановительные свойства. Изучим механизм окислительно-восстановительных реакций подробнее.

3. ОВР

Как типичные восстановители, металлы способны реагировать с окислителями.

В роли окислителя могут выступать оксиды, соли и кислоты-окислители.

CO₂ + 2Mg (t) = 2MgO + C
2Al + Fe₂O₃ (t) = Al₂O₃ + 2Fe
Fe + 3KNO₃ + 2KOH (t) = K₂FeO₄ + 3KNO₂ + H₂O 
2Cr + KClO₃ (t) = Cr₂O₃ + KCl

В реакции с концентрированной кислотой образуется смесь газов, однако преобладающий зависит от активности металла.

Некоторые металлы (Al, Cr, Fe) пассивируются при обычных условиях.

Пассивация металлов — переход металла в неактивное, пассивное состояние, связанный с образованием оксидной пленки.

Металлы в ряду активности до цинка	Соль + H2S + H2O
Металлы от железа до серебра	Соль + SO2 + H2O
Al, Cr, Fe	Пассивируются. Реакция возможна только при нагревании.Соль + SO2 + H2O

А вот продукты взаимодействия с азотной кислотой зависят как от активности металла, так и от концентрации кислоты. Вне зависимости от условий образуются соль и вода, а остальные продукты представлены в таблице:

При взаимодействии и разбавленной, и концентрированной HNO₃ с металлами получается смесь продуктов, но для ЕГЭ мы пользуемся следующим упрощением.

• Концентрированная азотная кислота реагирует с любыми металлами всегда до NO₂.
• Разбавленная азотная кислота реагирует с любыми металлами до NO.
• Очень разбавленная азотная кислота реагирует с активными металлами до NH₄NO₃.

Если составители задания захотят увидеть в решении какой-то другой азотсодержащий продукт, они обязательно намекнут на это. Например, в случае выделения N₂ могут указать, что в ходе реакции «выделяется газ, преимущественно входящий в состав атмосферы», или «выделяется бескислородсодержащий газообразный продукт»

В заданиях первой части может быть так, что единственно подходящим вариантом будет ответ с нетипичным азотсодержащим продуктом, его и выбираем. В ином случае выбираем типичный продукт.

Возникает вопрос, почему может образоваться несколько соединений? В реальности реакции протекают с образованием смеси различных продуктов, но на экзамене по условиям задачи будет понятно, какое конкретно вещество необходимо писать в реакции. Если таких условий нет, то любой из указанных вариантов считается верным.

Знание данных реакций может быть полезно для заданий первой и второй части. Одно из таких мы сейчас и решим.

Давайте попрактикуемся над аналогом задания №28 ЕГЭ по химии.

Задание.
При растворении железа в горячей концентрированной азотной кислоте выделилось 13,44  л газа (н. у.). Сколько грамм железа вступило в реакцию?

Решение.
Для решения задания вспомним, что при взаимодействии металла с концентрированной азотной кислотой образуются соль, вода и газ. Алюминий, железо и хром при нагревании реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием оксида азота (IV) NO₂.

1. Запишем уравнение реакции:
Fe + 6HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

2. Найдем количество образовавшегося газа: 
n(NO₂) = V / Vm = 13,44 / 22,4 = 0,6 моль

3. С учетом коэффициентов в реакции найдем количество железа:
n(Fe) = ⅓ • n(NO₂) = ⅓ • 0,6 = 0,2 моль

4. Найдем массу железа.
m(Fe) = n(Fe) • M = 0,2 • 56= 11,2 г

Ответ: 11,2

Мы так близко познакомились с металлами, но вот незадача, в лаборатории произошел переполох и все колбы перепутались. Так как нам найти тот самый катион металла в растворе? Для этого нам нужно изучить качественные реакции.

Качественные реакции на катионы металлов

Качественные реакции могут включать в себя как взаимодействие раствора с другими соединениями, так и физические процессы. 

Катионы щелочных металлов можно определить только по изменению цвета пламени при внесении соответствующей соли в горелку. Но данный метод применим и для некоторых других катионов.

Остальные катионы металлов можно идентифицировать при проведении химических реакций.

А теперь практика!

Применим свои знания о качественных реакциях на ионы металлов, решив пример задания №24 ЕГЭ по химии.

Задание.
Установите соответствие между формулой катиона и аналитическим признаком, с помощью которого можно определить этот ион: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Решение.
А) При внесении солей лития в горелку пламя окрашивается в малиновый (или даже маLiновый) цвет, вариант ответа 4.

Б) Качественной реакцией на ион бария будет взаимодействие с карбонатом калия с образованием растворимого в кислотах осадка, выбираем ответ под номером 5.

В) Катион калия также определяется внесением соли в горелку, пламя приобретает фиолетовый цвет, ответ под номером 1.

Г) Соли алюминия при взаимодействии со щелочами сначала образуют нерастворимый гидроксид алюминия Al(OH)₃, который способен растворяться в избытке щелочи. Правильный ответ под цифрой 3.

Ответ: 4513

Сегодня мы изучили элементы, составляющие большинство в таблице Менделеева. Мы узнали, какими свойствами они обладают, в какие реакции способны вступать и как мы можем их найти в неподписанной пробирке. Настало время узнать, как живет вторая половина таблицы, а для этого рекомендуем прочитать статью «Общая характеристика неметаллов».

Термины

Амфотерность — это способность веществ взаимодействовать как с соединениями, проявляющими кислотные свойства, так и с соединениями, проявляющими основные свойства, в зависимости от условий и природы реагентов, участвующих в реакции. 

Бинарные соединения — соединения, которые состоят из двух элементов: металла и неметалла или двух неметаллов.

Восстановители — соединения, отдающие электроны в окислительно-восстановительных реакциях, при этом повышающие свою степень окисления.

Изотопы — разновидности атомов химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов, следовательно, и разную атомную массу.

Неметаллы — вещества, не обладающие металлическими свойствами. Они способны взаимодействовать с металлами и некоторыми неметаллами, водой, щелочами и некоторыми кислотами, а также могут вступать в окислительно-восстановительные реакции. 

Окислители — это соединения, охотно принимающие электроны в окислительно-восстановительных реакциях, при этом сами они понижают свою степень окисления. 

Фактчек 

• Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева состоит из металлов и неметаллов.
• Металлы обладают особыми металлическими свойствами: высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, ковкостью и металлическим блеском.
• К способам получения металлов относятся электролиз и реакции замещения.
• Металлы способны реагировать с неметаллами, вступать в реакции замещения с водой, кислотами-неокислителями, солями и щелочами, а также вступают в ОВР с солями, оксидами и кислотами-окислителями.
• Продукты взаимодействия металлов с кислотами-окислителями зависят от активности металла и концентрации кислоты.
• Для определения ионов металлов в растворе возможно внесение соли в пламя горелки, а также качественные реакции.

Проверь себя 

Задание 1.
Какой из металлов не проявляет степень окисления, равную +2?

1. Цинк
2. Магний
3. Литий
4. Железо

Задание 2.
Какой из щелочных металлов при реакции с кислородом образует пероксид? 

1. Натрий
2. Калий
3. Цезий
4. Литий

Задание 3.
Какой из щелочноземельных металлов реагирует с водой только при нагревании? 

1. Стронций
2. Кальций
3. Магний
4. Барий

Задание 4.
Какой продукт образуется в результате протекания реакции между железом и концентрированной азотной кислотой при нормальных условиях? 

1. NO
2. NH₄NO₃
3. NO₂
4. Реакция не протекает

Задание 5.
При внесении солей калия в горелку какую окраску приобретает пламя?

1. Фиолетовую
2. Желтую
3. Небесно-голубую
4. Малиновую

Ответы: 1. – 3; 2. – 1; 3. – 3; 4. – 4; 5. – 1.