Положение металлов в периодической системе. Строение атомов металлов. Группы металлов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное  учреждение высшего

профессионального образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ПРАВА

                                                                                       Экономический факультет

Кафедра экономических теорий

КОЛЯКИНА НАДЕЖДА  СЕРГЕЕВНА

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Металлы

СТУДЕНТКИ 4 КУРСА (СРОК ОБУЧЕНИЯ – 5,5 лет)

Научный руководитель

Преподаватель

Воропаев  Е.Г.

Тула 2011

Содержание:

Введение

1. Положение металлов в периодической системе. Строение атомов металлов. Группы металлов.
2. Физические свойства металлов
3. Химические свойства металлов
4. Понятие о сплавах
5. Коррозия металлов
6. Способы получения металлов
7. Применение металлов

Заключение

Список использованной литературы

Введение:

Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы  в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в  наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также  в других отраслях народного хозяйства.

Термин «металл» произошёл  от греческого слова métallon (от metalléuo– выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл metalléia. В древности и в средние века считалось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» – флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал 6 М. (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В кон. 18 в. А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы – простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В 1-й пол. 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные металлы при химическом анализе минералов. В 1860-63 методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование металлов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в кон. 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных металлов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с сер. 20 в. были искусственно получены радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы.

 
 
В конце 19 – начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургия – наука о  производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов  в зависимости от состава и  строения.  
 
Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами П.П. Аносовым (1799–1851) и Д.К. Черновым (1839–1921), впервые установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов.

П. П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал научные  принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения металлов.

Д. К. Чернов продолжил труды  П. П. Аносова. Он по праву считается  основоположником металлографии –  науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в  основу процессов ковки, прокатки, термической  обработки стали.

Открытые Д. К. Черновым критические  точки в стали явились основой  для построения современной диаграммы  состояния системы железо – углерод.  
 
Классические труды «отца металлографии» Д. К. Чернова развивали выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур железоуглеродистых сплавов было сделано А. А. Ржешотарским(1898). Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных ученых Н. И. Беляева, Н. С. Курнакова, А. А. Байко-ва, С. С. Штейнберга, А. А. Бочвара, Г. В. Курдюмова и др.  
 
Наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.

1. Положение металлов в периодической системе. Строение атомов металлов . Группы металлов.

В настоящее время известно 118 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере.

В периодической системе Д.И.Менделеева каждый период, кроме первого (он включает в себя два элемента-неметалла – водород и гелий), начинается с активного химического элемента-металла. Эти начальные элементы образуют главную подгруппу I группы и называются щелочными металлами. Своё название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, - щелочей.

Атомы щелочных металлов содержат на внешнем энергетическом уровне только один электрон, который они легко отдают при химических взаимодействиях, потому что являются сильнейшими восстановителями. Понятно, что в соответствии с ростом радиуса атома восстановительные свойства щелочных металлов усиливаются от лития к францию.

Следующие за щелочными металлами элементы, составляющие главную подгруппу II группы, также являются типичными металлами, обладающими сильной восстановительной способностью (их атомы содержат на внешнем уровне два электрона). Из этих металлов кальций, стронций, барий и радий называют щелочноземельными металлами. Такое название эти металлы получили потому, что их оксиды, которые алхимики называли «землями», при растворении в воде образуют щелочи.

К металлам относятся элементы главной подгруппы III группы, исключая бор.

Из элементов главных подгрупп следующих групп к металлам относятся: в IV группе германий¹, олово, свинец (первые два элемента – углерод и кремний – неметаллы), в V группе сурьма и висмут (первые три элемента – неметаллы), в VI группе только последний элемент – полоний – явно выраженный металл. В главных подгруппах VII и VIII групп все элементы – типичные неметаллы.

Что касается элементов побочных подгрупп, то все они металлы.

Таким образом, условная граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами проходят по диагонали B (бор) – Si (кремний) – As (мышьяк) – Te (теллур) – At (астат).

Атомы металлов имеют сравнительно большие размеры (радиусы), поэтому и  их внешние электроны значительно удалены от ядра и слабо с ним связаны. И вторая особенность, которая присуща атомам наиболее активных металлов, - это наличие на внешнем энергетическом уровне 1 – 3 электронов.

Отсюда вытекает самое характерное свойство всех металлов – их восстановительная способность, т. е. способность атомов легко отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы. Металлы не могут быть окислителями, т. е. атомы металлов не могут присоединять к себе электроны.  

2. Физические свойства металлов

По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые это различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, - писал он, - тела твердые, ковкие блестящие».

Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенного комплекса свойств:

1) Плотная кристаллическая структура.

2) Характерный металлический блеск.

3) Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.

4) Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.

5) Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко отдавать электроны.

6) Ковкость и тягучесть.

7) Способность к образованию сплавов.

Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так, называемые, легированные стали. К ним относятся, стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получают, различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих - коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды.

Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная; никель, олово, серебро – белые; свинец - голубовато-белый, золото - желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др.

Это деление на черные и цветные металлы условно.

Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.

C внешней стороны металлы, как известно, характеризуются, прежде всего, особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными, в порошок, но большинство металлов  в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформация. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см³, и тяжелые металлы - все остальные. Плотность, а также температуры плавления некоторых металлов приведены в Таблице №1

Таблица №1

Плотность и температура плавления некоторых  металлов

Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

Некоторые металлы кристаллизируются  в двух или более кристаллических  формах. Это свойство веществ –  существовать в нескольких кристаллических  модификациях – называют полиморфизмом. Полиморфизм для простых веществ  известен под названием аллотропия.

Олово имеет две кристаллические  модификации:

• α – устойчива ниже 13,2°С (ρ = 5,75 г/см³). Это серое олово. Оно имеет кристаллическую решетку типа алмаза (атомную);
• β – устойчива выше 13,2°С (ρ = 6,55 г/см³). Это белое олово.

Белое олово – серебристо-белый  очень мягкий металл. При охлаждении ниже 13,2°С он рассыпается в серый  порошок, так как при переходе из β в α значительно увеличивается  его удельный объем. Это явление  получило название оловянной чумы.

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

3. Химические свойства металлов

Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.

Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.

На внешнем электронном  уровне у большинства металлов небольшое  количество электронов (1-3), поэтому  они в большинстве реакций  выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

Реакции с простыми веществами

• С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

4Li + O₂ = 2Li₂O оксид лития 
2Na + O₂ = Na₂O₂ пероксид натрия 
K + O₂ = KO₂ надпероксид калия 
Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом: 
Na₂O₂ + 2Na = 2Na₂O 
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании: 
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ 
2Hg + O₂ = 2HgO 
2Cu + O₂ = 2CuO

• С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды: