КЕЙС - урок "МЕТАЛИ", 11 клас

З хімічної точки зору металами називаються прості речовини, атоми яких на зовнішній оболонці містять невелику кількість електронів (1–3), мають великі ефективні радіуси, низькі значення потенціалів іонізації та високі відновлювальні властивості.

До класу металів належать як власно метали (прості речовини), так й їх сплави. 

Іноді металами називаються всі речовини, яким притаманні ті чи інші металічні властивості, наприклад, так звані «синтетичні» метали – інтеркаллати, органічні метали. 

Серед 118 вивчених елементів 95 вважаються металами, хоч межа між металами й неметалами в періодичній системі є досить умовною – від В до At

Що ж об`єднує всіх представників цих простих речовин?
Звичайно, це будова їх кристалічної решітки, типи хімічних зв`язків і особливості електронної будови атома.

Адже звідси і характерні фізичні властивості, які лежать в основі використання цих матеріалів людиною.

В першу чергу, розглянемо метали як хімічні елементи періодичної системи. У ній вони розташовуються досить правільно, займаючи 95 осередків з відомих на сьогоднішній день 115. Є кілька особливостей їх розташування в загальній системі:

• Утворюють головні підгрупи I і II груп, а так само III, починаючи з алюмінію.
• Всі побічні підгрупи складаються тільки з металів.
• Вони розташовуються нижче умовної діагоналі від бору до астату.
  

Спираючись на такі дані, легко простежити, що неметали зібрані у верхній правій частині системи, а все інше простір належить розглядаються нами елементів.

Всі вони мають кілька особливостей електронної будови атома:

• Великий атомний радіус, внаслідок чого зв`язок зовнішнього електрона і ядра слабшає, тому метали легко його віддають, виступаючи в ролі відновників.
• Мала кількість електронів на зовнішньому енергетичному шарі.
• У групі зверху вниз металеві властивості елементів посилюються, а по періоду зліва направо, навпаки, слабшають. Так, найсильніший неметалл - це фтор, а слабкий - францій.

Загальна характеристика металів і неметалів дозволяє виявити закономірності в їх будові. Так, кристалічна решітка перших - металева, особлива. У вузлах її знаходяться одразу кілька типів частинок:

• іони;
• атоми;
• електрони.

Усередині накопичується загальне хмара, зване електронним газом, яке і пояснює все фізичні властивості цих речовин. Тип хімічного зв`язку в металах однойменний з ними.

Утворення металічного зв’язку:

1.      Атоми металу втрачають електрони (один або кілька) і перетворюються на позитивно заряджені йони.

2.      Втрачені атомом електрони вільно переміщаються по всьому об’єму металічного тіла, то приєднуючись до йонів, то відриваючись від них, і спільно втримують усі позитивні йони.

3.      Йони розміщуються шарами в певному порядку один відносно одного, утворюючи  певний тип кристалічної гратки.

Кристалічні гратки металів бувають різних типів  : а)кубічна гранецентрована (алюміній, мідь, срібло, золото); б) гексагональна берилій, магній, цинк); в) кубічна об’ємоцентрована (лужні, лужноземельні, залізо)

ЗАВДАННЯ № 1 (хрестики – нулики)

З’єднайте прямою лінією формули електронних схем атомів лужних металів.

1s22s2	1s22s22p63s23p1	1s2
1s22s22p63s1	1s22s22p1	1s22s1
1s22s22p63s23p3	1s22s22p3	1s22s22p4

ЗАВДАННЯ № 2

Виправте помилку:

1s22s22p1	ІІ період	ІІІ група	головна підгрупа
1s22s22p4	ІІ період	IV група	головна підгрупа
1s22s22p3	ІІ період	V група	головна підгрупа

ЗАВДАННЯ № 3
 Записати  на дошці електронні конфігурації металічних елементів, наприклад: Натрію, Літію, Магнію,Алюмінію, Калію й Цинку.

Дайте відповідь на запитання

1. Поясніть, як змінюються властивості хімічних елементів у періодах Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.Відповідь підтвердіть прикладами.

2. Поясніть, як змінюються властивості хімічних елементів у групах (головних і побічних). Відповідь підтвердіть прикладом.

3. Які загальні властивості мають прості речовини, утворені хімічними елементами побічних підгруп? Чому?

4. Яке місце посідають металічні елементи в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва?

5. Яких хімічних елементів у природі більше — металічних чи неметалічних?

Що ж лежить в основі єдності речовин, які мають властивості металів?

Одна з головних ідей хімії полягає в тому, що властивості речовин залежать від їх складу та будови . Фізичні властивості металів залежать не лише від будови зовнішніх електронних оболонок атомів, але й від інших причин.

Завдяки металічному зв’язку окремі атомні шари кристалічної решітки можуть зміщуватися один відносно іншого. Це додає металам пластичності (ковкості) -  здатності змінювати свою форму без розриву хімічних зв’язків. Так, наприклад, найковкішими атомами є золото – з 1 г цього металу можна витягнути дріт довжиною 2,4 км  в кілька сотень раз тонший за волосину. У той же час, метал Стибій дуже крихкий – його можна розтерти в порошок.

 Хімічні властивості металів 

Виходячи з того, що метали можуть тільки віддавати електрони зовнішнього енергетичного рівня, можна зробити висновок, що в хімічних реакціях метали здатні виявляти лише відновні властивості.

Основний процес, який характеризує хімічні властивості металів можна описати такою схемою:

Me ⁰ – nē  → Me ⁺ⁿ

1. Метали взаємодіють із простими речовинами – неметалами, тобто з галогенами, киснем, сіркою.

2 Mg ⁰ + O₂ ⁰ = 2 Mg⁺²O^-2

Fe + S = Fe⁺²S^-2

Al  +  I₂ = Al⁺³I₃^-1

Me ⁰     +  неMe⁰     =  Me⁺ⁿ неMe^-n

         Атоми металічних елементів у цьому випадку є відновниками, які, перетворюючись на позитивно заряджені йони, віддають валентні електрони.

         Атоми неметалічних елементів, які у цьому випадку виступають окисниками, приймають електрони й перетворюються на негативно заряджені йони.   У сполуках між металічними і неметалічними елементами утворюється  йонний звязок.

         2) Взаємодія металів з водою.

Метали	Хімічні процеси при реакції з водою	Продукти реакції
Лужні метали, а також Са, Ва	2Na + 2 H2O = 2NaOH + H2↑ Ca + 2H2O = Ca(OH)2+ H2↑	H2  ; Me(OH)n
Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Pb	7000 Zn + H2O =  ZnO + H2 8000 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2	H2 ; MeO
Cu, Ag, Au	З водою не взаємодіють	-

Одні метали легко вступають у реакцію з водою, інші реагують з водою лише при нагріванні. Є група металів, які з водою не взаємодіють
При взаємодії металів з водою виділяється водень, отже, ті метали, що вступають у реакцію з водою, відновлюють Гідроген з води. При взаємодії лужних і деяких лужноземельних металів з водою утворюється водень і гідроксиди відповідних металів. Інші метали при взаємодії з водою утворюють водень і оксиди металів.

Zn +  2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

Zn⁰ + 2H⁺ + 2Cl¯  = Zn²⁺ + 2Cl ^¯ + H₂ 
Cu + HCl ≠

Хімічні властивості металів визначаються здатністю їх атомів легко віддавати свої валентні електрони і перетворювати на позитивні іони внаслідок низьких значень електронегативностей, які обумовлені невисокими енергіями іонізації атомів і невеликою (часто від’ємною) спорідненістю до електрона.

 Питання для роздумів

1.Чому не можна у цинковому відрі готувати розчин мідного купоросу? (акцентується увага на можливості реакції заміщення між металом та сіллю слабшого металу).

2.До суміші двох металів другої групи головної підгрупи, які називають «елементами життя», долили води, один з цих металів розчинився у воді, другий – ні. Які це метали? (виконання завдання припускає порівняння активності лужноземельних металів – кальцію та магнію, а також утворених ними сполук. Звертаючись до таблиці розчинності, учні переконуються в нерозчинності гідроксиду магнію, чим пояснюється неможливість його реакції з водою з утворенням розчинної основи та водню).

3.Чому в земній корі не зустрічаються у вільному стані лужні метали, їх оксиди та гідроксиди? (до уваги береться висока хімічна активність лужних металів та їхніх сполук, здатність реагувати при звичайних умовах з кислотами та кислотними оксидами з утворенням солей).

4.У тепловозах, що мають двигуни з чавунними та стальними блоками, в системі охолодження використовують воду з рН = 11 – 12, а для дизельних поїздів, які мають двигуни з алюмінієвими блоками – вода з рН = 7 – 8. Як це пояснити? (завдання дозволяє акцентувати увагу на амфотерні властивості алюмінію, неможливість перебування його в розчині з лужним середовищем рН = 11 – 12).

5. Чому алюмінієвий посуд не можна мити содою? (сода в розчині піддається гідролізу із створенням лужного середовища, наступний хід думок співзвучний з попереднім завданням).

6.Визначте середовище солей: хлорид натрію, хлорид магнію, карбонат калію (завдання передбачає повторення знань про гідроліз солей з утворенням різних середовищ, уточнення суті процесу гідролізу та залежність його результату від природи солі).

 Добування металів
Усі промислові способи одержання металів засновані на окисно-відновних реакціях.
Пірометалургійні способи полягають у відновленні металів з оксидів за високих температур за допомогою вуглецю, оксиду вуглецю (ІІ), алюмінію, кремнію або водню:
ZnO + C Þ Zn + CO;           
  Fe₃O₄ + 4CO Þ 3Fe + 4CO₂;
Cr₂O₃ + 2Al Þ Al₂O₃ +  2Cr;                    
3BaO + Si Þ BaSiO₃ + 2Ba;
WO₃ + 3H₂ Þ W + 3H₂O.
Якщо метал одержують з сульфідів, ці сполуки перетворюють на оксиди (випалювання):
2ZnS + 3O₂ Þ 2ZnO + 2SO₂;
4FeS₂ + 11O₂ Þ 2Fe₂O₃ + 8SO₂;
Cu₂S + 2O₂ Þ 2CuO + SO₂.
Як відновник у реакціях використовують сульфід того ж металу (економія окисників і відновників):
2ZnO + ZnS Þ 3Zn + SO₂,
3   Zn⁺² + 2 е ® Zn⁰
  S^-2 – 6 е ® S⁺⁴
Гідрометалургійні способи засновані на реакціях переведення сполук металів у розчин і відновлення з них металів без застосування високих температур за допомогою електролізу або інших металів:
CuО + H₂SO₄ Þ CuSO₄ + H₂O;              
      CuSO₄ + Fe Þ FeSO₄ + Cu.
Гідрометалургійними способами одержують золото, срібло, цинк, уран тощо.   
Електроткрмічні способи засновані на реакціях відновлення металів електролізом розплавів їх солей, оксидів або гідроксидів. Цими способами одержують лужні та лужноземельні метали. алюміній тощо.
Найбільш поширений метал в грунті Землі — алюміній. Якщо взяти всю планету в цілому, то залізо вийде на перше місце, так як воно становить більшу частину ядра Землі. Залізо є шостим з найпоширеніших елементів у Всесвіті. В межах Землі залізо на четвертому місці. Найдорожчим металом у природі є родій, вартість якого перевалює за 175 тисяч доларів. Таким чином на другому місці платина і на третьому — золото. Єдиним металом, який може зберігати рідкий стан при кімнатній температурі є ртуть. Найвищу температуру плавлення має вольфрам, саме тому його використовують як спіралі в лампах розжарювання. Найдорожчим металом, штучно створеним людиною є каліфорній 252. Орієнтовна ціна — 6500000 $ за 1 грам. В даний момент на Землі існує не більше 5 грамів цього металу. Виробляється каліфорній 252 в потужних реакторах, не дивно, що дозволити таку розкіш можуть лише США та Росія. За рік в одному реакторі виробляється всього близько 30 мкг цієї рідкісної речовини. Де ж застосовується цей понад рідкісний метал? Каліфорній 252 застосовується в медицині при лікуванні ракових захворювань; в промисловості для перевірки якості зварних швів; в приладобудуванні як індикатор; каліфорній також використовується при запуску реакторів; в геології для виявлення руху грунтових вод і т.п … На цьому послужний список даної речовини не закінчений.
Корозія металів
Під дією факторів навколишнього середовища метали окислюються, утворюючи хімічні сполуки (оксиди, гідроксиди, солі) – зазнають корозії.
Корозія – це руйнування металів внаслідок їх взаємодії з навколишнім середовищем. Розрізняють хімічну та електрохімічну корозії.
Хімічна корозія – це руйнування металу внаслідок взаємодії з середовищем, яке не проводить елекричний струм. Прикладами хімічної корозії є швидке окислення на повітрі натрію або кальцію, взаємодія металів з сірководнем, галогенами, оксидом сірки (ІV) та іншими газами, що містяться в атмосфері, а також з рідинами, які не проводять електричний струм (нафтою, бензином, толуолом та ін.).
Електрохімічна корозія – це руйнування металу, що знаходиться в контакті з іншим металом і електролітом або водою.
Чисті метали не зазнають електрохімічної корозії.
Корозія завдає великих збитків народному господарству.

Методи захисту металів від корозії дуже різноманітні. Їх можна поділити на три групи.
1.Захист поверхні металу від впливу факторів навколишнього середовища за допомогою покриттів – металічних (нікелю, цинку, хрому, алюмінію, золота, срібла) або неметалічних (лаків, фарб, смол, гуми, емалей), плівки оксиду – оксидування, плівки солей – фосфатування.
2.Обробка корозійного середовища. З середовища, де знаходяться метали, видаляють речовини, які викликають корозію, або додають такі, що уповільнюють корозію - інгибітори.
3.Електрохімічні методи – катодний і протекторний захисти. Їх використовують у середовищах, які добре проводять електричний струм. Для забезпечення катодного захисту поверхонь (труб, парових котлів, корпусів кораблів) виріб підключають до катода (анодом є лист заліза). За певної сили струму окисник відновлюється на катоді, анод окислюється, що забезпечує стійкість виробу до корозії.