Буринська Н.М., Депутат В.М., Сударева Г.Ф., Чайченко Н.Н. Хімія. Підручник для 10 класу загальноосвітніх навчальних закладів. Профільний рівень

Подождите немного. Документ загружается.

РОЗДІЛ 3

МЕТАЛІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ СПОЛУКИ

Chemistry10kl_v17j.indd 231Chemistry10kl_v17j.indd 231 06.01.2011 15:06:0606.01.2011 15:06:06

232

Розділ 3

Метали належать до найрозповсюдженіших матеріалів, які люди-

на з прадавніх часів використовувала для забезпечення своїх життєвих

потреб. Нині важко знайти таку галузь виробництва, науково-технічної

діяльності людини або її побуту, де метали не відігравали б суттєвої

ролі. Більшість галузей промисловості пов’язана з добуванням чи об-

робкою матеріалів, основу яких становлять метали. Слід ураховувати й

біологічне значення металічних елементів.

§ 54. Положення металічних елементів у періодичній системі.

Будова атомів

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

6 характеризувати положення металічних елементів за їх місцем

у періодичній системі та електронною будовою атомів; поширеність

у природі, їх біологічну роль;

6 наводити приклади металічних руд.

Особливості будови металічних елементів. Нині відомо понад 90 ме-

талічних елементів. Це значно переважає кількість неметалічних еле-

ментів. До них належать усі d- та f-елементи, s-елементи ІА і IIА груп

(крім Гідрогену), а також р-елементи IIIА групи (крім Бору), IVА групи

(Ge, Sn, Pb), VА групи (Sb, Bi) та VIА групи (Ро).

Якщо у періодичній системі провести умовно діагональ від Берилію

до Астату, то металічні елементи займатимуть під нею всю ліву нижню

частину. Елементи, які розміщені поблизу діагоналі, мають амфотерні

властивості (Be, Al, Ge та ін.)

 Зверніть увагу, що типові металічні s-елементи починають кожний

період, крім першого.

Що саме визначає належність до металічних елементів? Для того

щоб визначити, чи є елемент металічним, необхідно враховувати такі

його характеристики:

• на зовнішньому енергетичному рівні, як правило, знаходяться

один-два, рідше — три електрони;

• останній підрівень атома, який заповнюється електронами, — це

s-, d- та f-підрівні, рідше — р-підрівень;

• металічні елементи утворюють оксигеновмісні сполуки оснóвного

характеру, а газуватих гідрогеновмісних сполук не утворюють;

• атоми металічних елементів, на відміну від неметалічних, від-

дають електрони, утворюючи прості катіони, і є відновниками

в хімічних реакціях. Це характерна властивість металічних

елементів:

Ме

– nē = Ме

Chemistry10kl_v17j.indd 232Chemistry10kl_v17j.indd 232 06.01.2011 15:06:0606.01.2011 15:06:06

233

Металічні елементи та їх сполуки

Тому металічні елементи у сполуках мають тільки позитивні ступе-

ні окиснення. У s- та р-елементів вони сталі, у d-елементів — змінні,

бо в них валентними є електрони не лише s-, а й d-підрівнів. Це також

позначається на зміні металічних властивостей елементів у підгрупах.

Якщо в групах s- та p-елементів металічні властивості посилюються

зі зростанням атомного номера, то в побічних групах d-елементів —

послаб люються.

Атоми металічних елементів утворюють між собою металічний

зв’язок, тому властивості простих речовин-металів різко відрізняють-

ся від неметалів.

Поширеність у природі. Висока відновна здатність металічних еле-

ментів — це одна з головних причин того, що у природі вони трапля-

ються переважно у вигляді сполук за винятком благородних металів

(срібла, платини, золота). Крім того, для металічних елементів харак-

терна велика спорідненість з Оксигеном і Сульфуром, тому в природі

вони переважно існують у вигляді практично нерозчинних оксидів і

сульфідів.

Сполуки металів — основна складова металічних руд, які назива-

ються рудними мінералами.

Руда — це природне мінеральне утворення, що містить сполуки

одного або кількох металічних елементів (поліметалічні руди) у

концентраціях, за яких економічно доцільне їх добування.

Окрім корисних мінералів до складу руди входить пуста порода. У

земній корі металічні елементи залежно від їх активності найчастіше

зосереджені в таких рудах:

а) найбільш активні металічні елементи містяться у вигляді

карбонатів: кальциту СаСО

(вапняк, крейда, мармур), магнезиту

MgCО

;

б) металічні елементи середньої активності зосереджені в основному

у вигляді оксидів і сульфідів: магнітного залізняку Fe

, червоного за-

лізняку Fe

, бокситів Аl

· nН

О, цинкової обманки ZnS, свинцевого

блиску PbS ;

в) у вільному стані в земній корі є лише малоактивні металічні еле-

менти: золото, платина і платинові метали, іноді срібло, мідь, ртуть.

Залежно від складу сполук металічних елементів розрізняють такі

руди:

• оксидні — боксит Al

· nН

О, магнітний залізняк Fe

;

• сульфідні — пірит FeS

, цинкова обманка ZnS;

• хлоридні — кам’яна сіль NaCl, карналіт KCl · MgCl

· 6H

• карбонатні — вапняк СаСО

, сидерит FeСО

У земній корі розповсюджені також поліметалічні руди. До них

належать сульфідні руди, що містять Цинк, Плюмбум, Аргентум, Ку-

Chemistry10kl_v17j.indd 233Chemistry10kl_v17j.indd 233 06.01.2011 15:06:0606.01.2011 15:06:06

234

Розділ 3

прум, Бісмут із домішками рідкісних металічних елементів (Германію,

Ренію, Індію). Найчастіше трапляються мінерали, малорозчинні у воді

та стійкі до окиснення. Металічні руди — це сировина для металургій-

ної промисловості.

Металічні елементи входять також до складу живих організмів. Ві-

домо, що організм людини на 3 % складається з металічних елементів.

У клітинах найбільше Калію і Натрію сконцентровано в лімфатичних

системах. Магній накопичується в м’язах і нервовій системі, Каль-

цій — у кістковій тканині, Купрум — у печінці, Ферум — у крові. Усі

вони відіграють важливу роль у живих організмах і в біологічних про-

цесах, які в них відбуваються.

Коротко про головне

Металічних елементів значно більше, ніж неметалічних. До

них належать d- та f-елементи, s-елементи ІА та IIА груп і деякі

р-елементи. На відміну від неметалічних елементів на зовніш-

ньому енергетичному рівні металічних елементів містяться

один-два, рідше три електрони, які легко їх віддають і вияв-

ляють відновні властивості. Саме тому в природі вони існують

переважно як руди, склад яких залежить від активності мета-

лічного елемента.

Контрольні завдання

1. Порівняйте положення металічних і неметалічних елементів у періо-

дичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

2. Поясніть, за якими ознаками хімічний елемент належить до металічних.

3. Простежте, як змінюються електронні структури атомів і власти-

вості металічних елементів у періодах та в А групах. Установіть за-

лежність між будовою атомів і закономірностями зміни металічних

властивостей.

4. Поміркуйте, чому в земній корі не виявлено оксидів і сульфідів актив-

них металічних елементів.

5. Уявіть, що перед вами зразки металічних руд без етикеток. Запропо-

нуйте хімічний спосіб розпізнавання сульфідів, карбонатів і хлоридів.

6. Визначте, до якого типу елементів за електронною будовою належить

елемент з атомним числом 30. Який це елемент? Відповідь поясніть.

7. Елемент розміщений у 4-му періоді, має на зовнішньому енергетич-

ному рівні два електрони. Він утворює два оксиди: вищий R

із

кислотними властивостями і нижчий RO — з осно вними властиво-

стями. Який це елемент, в якій групі та підгрупі періодичної системи

міститься?

8. При взаємодії з кислотою двовалентного металу масою 0,152 г виділив-

ся водень об’ємом 140 мл (н.у.). Обчисліть відносну атомну масу мета-

лічного елемента, вкажіть його назву.

Chemistry10kl_v17j.indd 234Chemistry10kl_v17j.indd 234 06.01.2011 15:06:0606.01.2011 15:06:06

235

Металічні елементи та їх сполуки

§ 55. Метали— прості речовини

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

6 пояснювати утворення металічного зв’язку, будову металів;

6 характеризувати загальні фізичні властивості металів;

6 оцінювати практичне значення металів.

Ви вже знаєте загальні фізичні властивості металів: усі вони (за

винятком ртуті) тверді, мають металічний блиск, непрозорі, пластичні,

мають високу електро- та теплопровідність. Такі загальні властивості в

комплексі не характерні для неметалів, наприклад вони різняться за

агрегатним станом.

У чому саме полягає причина таких унікальних властивостей металів?

Будова металів. Особливість металів зумовлена типом хімічного

зв’язку. Для них характерний металічний зв’язок.

 Пригадайте типи хімічних зв’язків (§ 8) і поясніть, чим металічний

зв’язок відрізняється від ковалентного та йонного.

Металічний зв’язок — це один із видів хімічного зв’язку між по-

зитивно зарядженими йонами та усуспільненими валентними

електронами (електронний газ), які вільно рухаються.

На мал. 89 показано переміщення електронів між атомами, в ре-

зультаті одні атоми стають йонами, а інші — з йонів перетворюються

знову на атоми.

Яка саме різниця між металічним зв’язком і ковалентним? Металіч-

ний зв’язок, як і ковалентний, виникає за рахунок усуспільнення атома-

ми валентних електронів. Проте між ними є суттєва різниця. Електрони,

які утворюють ковалентний зв’язок, в основному перебувають безпосе-

редньо біля атомів, що сполучаються один з одним, і міцно зв’язані. У

металічному зв’язку електрони, які здійснюють зв’язок, переміщують-

ся по всьому об’єму мета-

лу. Металічний зв’язок

відрізняється від кова-

лентного також за міц-

ністю: його енергія в 3—4

рази менша за енергію

ковалентного зв’язку.

Подібно до йонного мета-

лічний зв’язок має елект-

ро статичний характер

завдяки взаємодії між

протилежно заряджени-

ми частинками — катіо-

нами й електронами.

Мал. 89. Кристалічна ґратка металу (пунктиром

позначена траєкторія одного з рухливих електронів)

Chemistry10kl_v17j.indd 235Chemistry10kl_v17j.indd 235 06.01.2011 15:06:0606.01.2011 15:06:06

236

Розділ 3

Метали у твердому стані існують у вигляді кристалів з металічною

кристалічною ґраткою, у вузлах якої розміщені позитивно заряджені

йони і нейтральні атоми. Вони утримуються в певних положеннях вільно

рухливими, ніби «плаваючими» між ними, електронами (див. мал. 89).

Ці електрони належать усім атомам, які зв’язані між собою.

Металічні кристалічні ґратки бувають різних видів. Вони різняться

просторовою структурою і компактністю упаковки частинок, що впли-

ває на фізичні властивості металів.

Фізичні властивості. Своєрідність металічного зв’язку і кристаліч-

ної ґратки зумовлюють та пояснюють загальні фізичні властивості ме-

талів. Вони в основному міцні, однак міцність залежить від того, які

електрони беруть участь в утворенні зв’язку. Якщо тільки s-електрони

подібно до лужних металів, то їх міцність невелика, вони пластичні та

легкоплавкі, а якщо частково беруть участь й електрони d-підрівня, —

то більш тугоплавкі, наприклад ванадій.

Агрегатний стан усіх металів однаковий за стандартних умов —

це тверді кристалічні речовини (крім ртуті, яка рідка).

Металічний блиск пояснюється здатністю їх кристалів відбивати

світло завдяки вільним електронам. У роздрібненому або високодис-

персному стані метали мають зазвичай чорний колір і не блищать, крім

алюмінію і магнію. Тому алюмінієвий порошок використовують для

«посріблення» різних виробів.

Колір. Для більшості металів характерними є сріблясто-білий (алю-

міній, срібло, нікель) або сріблясто-сірий (залізо, свинець) кольори. Се-

ред винятків — золото жовтого, а мідь — рожево-червоного кольору.

Висока електро- та теплопровідність металів пояснюється наяв-

ністю «вільних» електронів (електронний газ), які за невеликої різниці

потенціалів набувають напрямленого руху від негативного до позитив-

ного полюса.

Найбільшу електропровідність мають срібло й мідь, а потім — зо-

лото, алюміній, залізо. Але електрична провідність металів з підви-

щенням температури зменшується, а в неметалів (наприклад, графіту),

навпаки, зростає.

Теплопровідність металів, як правило, змінюється у тій самій по-

слідовності, що й електрична провідність. Найбільша теплопровідність

у срібла й міді, найменша — в бісмуту і ртуті.

Пластичність металів пояснюється можливістю зміщення шарів

електронів відносно один одного в кристалі під дією будь-якої сили

(мал. 90).

Пластичність (від грец. plastikos — придатний для ліплення, подат-

ливий) — це здатність металів деформуватися під дією механічних на-

вантажень. Вільнорухливі в кристалі електрони забезпечують «ковзан-

ня» окремих шарів металу відносно інших і запобігають руйнуванню

Chemistry10kl_v17j.indd 236Chemistry10kl_v17j.indd 236 06.01.2011 15:06:0806.01.2011 15:06:08

237

Металічні елементи та їх сполуки

кристала внаслідок розриву металічного зв’язку між його атомами. У

ряді елементів Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe пластичність металів змен-

шується. Так, із золота виготовляють фольгу завтовшки до 0,0001 мм,

яка використовується для позолоти різних предметів. Під дією дефор-

муючої сили кристалічна ґратка металу може змінювати свою форму,

не утворюючи тріщин, на відміну від йонних кристалів. Ця властивість

має велике практичне значення — метали можна пресувати, кувати,

штампувати тощо.

Густина металів прямо пропорційна атомній масі елемента й обер-

нено пропорційна радіусу його атома. Найлегший з металів — літій

(густина 0,53 г/см

), найважчий — осмій (густина 22,6 г/см

). Метали

з густиною до 5 г/см

називаються легкими (наприклад, літій, натрій,

магній, алюміній), решта — важкими. Металічні елементи, яким від-

повідають важкі метали, розміщуються в основному в 5 — 6-му періо-

дах (наприклад, цинк, залізо, мідь, свинець, ртуть, золото). Існує певна

закономірність: чим менша відносна атомна маса і компактність упа-

ковки металу, тим він легший.

Температура плавлення металів залежить від типу кристалічних

ґраток, особливо в лужноземельних металів. Метали, які плавляться

за температури понад 1000 °С, називаються тугоплавкими, за ниж-

чої — легкоплавкими. Найбільш легкоплавким рідким металом є ртуть

(–38,9 °С), а найбільш тугоплавким — вольфрам (3395 °С). Зокрема, з

вольфраму виготовляють нитки розжарювання в електролампах.

Чому така велика розбіжність у температурах плавлення металів?

Річ у тому, що типові метали (лужні та лужноземельні) мають лише

металічний зв’язок. У перехідних металів виникає ще й ковалентний

зв’язок за рахунок d-електронів, що впливає на його міцність.

Твердість. За цією ознакою метали поділяють на м’які (наприклад,

лужні, які легко ріжуться ножем) і тверді. Найтвердішим є хром, що

ріже скло. Загалом твердість (за шкалою твердості Мооса) порівнюють

з алмазом, у якого вона дорівнює 10.

Розчинність. Усі метали практично нерозчинні у воді (не плутайте

із взаємодією деяких металів з водою!), однак розчинні один в одному

в розплавах.

Деформуюча

сила

Мал. 90. Дія деформуючої сили на кристалічну ґратку металу

Chemistry10kl_v17j.indd 237Chemistry10kl_v17j.indd 237 06.01.2011 15:06:0806.01.2011 15:06:08

238

Розділ 3

ЛАБОРАТОРНІ ДОСЛІДИ

ОЗНАЙОМЛЕННЯ ЗІ ЗРАЗКАМИ МЕТАЛІВ,

ПРИРОДНИМИ СПОЛУКАМИ МЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

 Дослід 1. Розгляньте видані вам зразки металів: мідь, алюміній, цинк,

олово, свинець. Свої спостереження запишіть у таблицю:

Метал

Деякі загальні фізичні властивості металів

блиск колір твердість пластичність

Для визначення твердості візьміть цвях і спробуйте зробити по-

дряпину, а для визначення пластичності — зігнути зразки (ті, які

можливо). Поясніть, чому загальні фізичні властивості металів різ-

няться.

 Дослід 2. Розгляньте видані вам зразки руд: боксит, магнетит, пірит,

кам’яну сіль, карбонат. Свої спостереження запишіть у таблицю:

Руда Хімічна формула Колір Запах

 Чому металічні елементи, які входять до складу руд, у природі не іс-

нують у вільному стані?

Поряд із загальними властивостями металів розрізняють окремі та

індивідуальні властивості. Це пояснюється відмінністю електрон ної

будови атомів, їх розмірів (величиною радіуса атома), різними вида-

ми кристалічних ґраток. Знання структури і властивостей металів дає

змогу доцільніше їх використовувати.

Застосування. Практичне застосування металів визначається осо-

бливостями їх фізичних і хімічних властивостей. Найчастіше викори-

стовують залізо, мідь, алюміній (докладніше вивчатимете в наступних

параграфах). Ці метали тверді, стійкі до агресивного середо вища, на-

приклад кислотних дощів.

Метали хром, нікель, мідь, олово, свинець використовують здебіль-

шого у сплавах. Наприклад, неіржавна сталь (Fe, Cr i Ni), ніхром (Ni,

Cr, Al), бронза (Cu i Sn). Із благородних металів (золота, срібла, плати-

ни) виготовляють ювелірні вироби. Докладніше зі сплавами металів ви

ознайомитесь у § 78.

 Які, на вашу думку, особливості коштовних металів дають змогу їх

використовувати як ювелірні вироби?

Chemistry10kl_v17j.indd 238Chemistry10kl_v17j.indd 238 06.01.2011 15:06:0806.01.2011 15:06:08

239

Металічні елементи та їх сполуки

Коротко про головне

Металічні елементи утворюють металічний зв’язок, який є

проміжним між ковалентним та йонним. Метали у твердому стані

існують у вигляді кристалів з металічною кристалічною ґраткою.

Незважаючи на численність і велику різноманітність, вони мають

спільні ознаки на відміну від неметалів. Фізичні властивості мета-

лів визначають їх використання.

Для допитливих. Уміст золота в попелі, що утворюється від спа-

лювання сухого осаду каналізаційних відходів японського міста Сува,

перевищує показники золотоносних шахт світу в 50 разів. Фахівці по-

яснюють цей факт тим, що в місті є багато заводів електроніки, при ви-

робництві якої застосовуються золото і золотовмісні сплави. Нині вже

працюють установки з вилучення дорогоцінного металу з відходів.

Контрольні завдання

1. Поясніть, чому

а) металічних елементів більше, ніж неметалічних;

б) більшість металічних елементів у природі утворюють руди;

в) з деяких металів можна витягнути дріт, а з неметалів — неможливо.

2. На прикладах конкретних металів проілюструйте загальні й індивіду-

альні фізичні властивості металів. Від чого саме вони залежать?

3. Порівняйте сполуки з йонним і металічним зв’язком (на прикладі на-

трій хлориду і натрію). Знайдіть між ними подібність і відмінність.

. Визначте, яку масу вольфраму можна добути при відновленні воднем

концентрату руди масою 145 г, що містить вольфрам(VI) оксид і доміш-

ки, які не відновлюються, а їх масова частка дорівнює 20 %. Який міні-

мальний об’єм водню (н.у.) потрібний для перебігу процесу?

. При розчиненні в розбавленій нітратній кислоті масою 6,08 г суміші по-

рошкоподібних заліза та міді виділяється 1,792 л нітроген(ІІ) оксиду

(н.у.). Визначте склад суміші порошку.

. Визначте металічний елемент, якщо при розкладі його гідроксиду

масою 9,0 г утворюється оксид двовалентного металічного елемента

масою 7,2 г.

§ 56. Хімічні властивості металів

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

6 характеризувати хімічні властивості металів за їх місцем у вити-

скувальному ряді металів;

6 складати рівняння і схеми електронного балансу відповідних хіміч-

них реакцій.

Найтиповіша хімічна ознака металічних елементів — здатність від-

давати електрони під час реакцій, тобто виявляти відновні властивості.

Chemistry10kl_v17j.indd 239Chemistry10kl_v17j.indd 239 06.01.2011 15:06:0806.01.2011 15:06:08

240

Розділ 3

Загальна закономірність вам відома: чим біль-

ший радіус атома і чим менше валентних елект-

ронів, тим елемент легше віддає електрони із зо-

внішнього енергетичного рівня, і тому відновні

властивості металів виражені сильніше.

Щодо простої речовини металу, то не завжди

активність металічного елемента відповідає ак-

тивності простої речовини. Наприклад, актив-

ність Літію як хімічного елемента серед лужних

металічних елементів найменша, а як простої

речовини — більша, тому він у витискувальному

ряді стоїть на першому місці. (Зазначимо, що в

шкільному курсі хімії причина не розглядаєть-

ся, оскільки це потребує спеціальних знань.)

У водних розчинах відновна властивість металів залежить не лише

від здатності атомів металічних елементів віддавати електрони, а й від

міцності кристалічних ґраток і сили взаємодії йонів, що утворюються,

з розчинником.

Вам відомо, що за ознакою активності всі метали розміщені у витис-

кувальному ряді. Його ще називають електрохімічним рядом напруг,

або рядом Бекетова. М. М. Бекетов — професор Харківського універси-

тету, який уперше вивчав активність металів. Нагадаємо цей ряд:

Посилення відновних властивостей металів

Посилення окиснювальних властивостей катіонів Ме

На основі цього ряду зробимо висновки про хімічну активність металів:

1) кожний метал витісняє з солей інші метали, розміщені у витиску-

вальному ряді металів праворуч від нього, і сам може бути витіснений

металами, розміщеними ліворуч;

2) усі метали, що стоять у витискувальному ряді ліворуч від водню,

витісняють його з кислот (крім нітратної), а ті, що стоять праворуч, —

не витісняють;

3) чим далі ліворуч у витискувальному ряді стоїть метал, тим він більш

активний і сильний як відновник, і тим важче відновлюються його йони.

Хімічна активність металів з водою та розчинами кислот визнача-

ється місцем їх у витискувальному ряді металів. Окиснення металу від-

бувається за рахунок виділення водню як з молекул води, так і з роз-

чинів кислот. Схематично це можна зобразити так:

Ме

+ Н

О → Н

↑ + Ме

(ОН)

або Ме

Ме

+ Н

А → Н

↑ + Ме

(крім нітратної та концентрованої сульфатної кислот)

М. М. Бекетов

(1827— 1911)

Chemistry10kl_v17j.indd 240Chemistry10kl_v17j.indd 240 06.01.2011 15:06:0806.01.2011 15:06:08