Реферат: Металлы в периодической системе Д.И. Менделеева
Реферат: Металлы в периодической системе Д.И. Менделеева
Введение
Металлы – простые
вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокими
электропроводностью и теплопроводностью, способностью хорошо отражать свет (что
обуславливает их блеск и непрозрачность), возможностью принимать нужную форму
под воздействием внешних сил (пластичностью). Существует и другое определение
металлов – это химические элементы, характеризующиеся способностью отдавать
внешние (валентные) электроны.
Из всех известных
химических элементов около 90 являются металлами. Большинство неорганических
соединений – это соединения металлов.
Существует несколько
типов классификации металлов. Наиболее четкой является классификация металлов в
соответствии с их положением в периодической системе химических элементов –
химическая классификация.
Если в «длинном» варианте
периодической таблицы провести прямую линию через элементы бор и астат, то
слева от этой линии расположатся металлы, а справа от нее – неметаллы.
С точки
зрения строения атома металлы подразделяют на непереходные и переходные. Непереходные
металлы располагаются в главных подгруппах периодической системы и характеризуются
тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение электронных уровней
s и р. К непереходным
металлам относят 22 элемента главных подгрупп а: Li, Na, K, Rb , Cs,Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po.
Переходные
металлы располагаются в побочных подгруппах и характеризуются заполнением d - или f-электронных уровней. К d-элементам относятся 37
металлов побочных подгрупп б: Cu , Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Sc , Y , La , Ac , Ti , Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Mn, Tc, Re, Bh, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Hs, Mt.
К f-элементам относятся 14 лантаноидов (Се, Рr, Nd, Рm, Sm, Еu, Gd, Тb, Dу, Но, Ег, Тm, Уb, Lu) и 14 актиноидов (Тh, Ра, U, Np, Рu, Аm, Сm, Вk, Сf, Еs, Fm, Мd, No, Lr).
Среди переходных металлов выделяют также
редкоземельные металлы (Sc, Y, La и лантаноиды), платиновые металлы (Ru, Rh, Pd, Оs, Ir, Рt), трансурановые металлы
(Nр и элементы с большей атомной
массой).
Помимо
химической существует также, хотя и не общепринятая, но издавна сложившаяся
техническая классификация металлов. Она не так логична, как химическая, - в
основе её лежит то один, то другой практически важный признак металла. Железо и
сплавы на его основе относят к чёрным металлам, все прочие металлы - к
цветным. Различают лёгкие (Li, Ве, Мg, Тi и др.) и тяжёлые металлы (Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn, Сd, Hg, Sn, Рb и др.), а также группы
тугоплавких (Тi,
Zr, Hf, V, Nb, Та, Сr, Мо, W, Rе), драгоценных (Аg, Аu, платиновые металлы) и
радиоактивных (U, Тh, Nр, Рu и др.) металлов. В геохимии выделяют также рассеянные (Ga, Ge, Hf, Re и др. ) и редкие (Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Re и др.) металлы. Как
видно между группами четких границ не существует.
Историческая
справка
Несмотря на то, что жизнь человеческого общества без
металлов невозможна, никто точно не знает, когда и как человек начал впервые
ими пользоваться. Самые древние дошедшие до нас письмена повествуют о
примитивных мастерских, в которых выплавили металл и изготавливали из него
изделия. Значит, человек овладел металлами раньше, чем письменность. Раскапывая
древние поселения, археологи находят орудия труда и охоты, которыми пользовался
человек в те далёкие времена, - ножи, топоры, наконечники для стрел, иглы,
рыболовные крючки и многое другое. Чем древнее поселения, тем грубее и примитивнее
были изделия человеческих рук. Самые древние изделия из металлов были найдены
при раскопках поселений, существовавших около 8 тысяч лет назад. Это были в
основном украшения из золота и серебра и наконечники стрел и копий из меди.
Греческое слово «металлон» первоначально означало
копи, рудники, отсюда и произошёл термин «металл». В древности считалось, что
существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и
ртуть. Это число соотносилось с числом известных тогда планет -Солнцем
(золото), Луной (серебро), Венерой (медь), Юпитером (олово), Сатурном (свинец),
Марсом (железо), Меркурием (ртуть) (см. рисунок). По алхимическим
представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет
и постепенно совершенствовались, превращаясь в золото.
Человек сначала овладел самородными металлами -
золотом, серебром, ртутью. Первым искусственно полученным металлом была медь,
затем удалось освоить получение сплава меди соловом - бронзы и только позднее -
железа. В 1556 г. в Германии была издана книга немецкого металлурга Г.
Агриколы «О горном деле и металлургии» - первое дошедшее до нас детальное
руководство по получению металлов. Правда, в то время свинец, олово и висмут
ещё считали разновидностями одного металла. В 1789 г. французский химик А.
Лавуазье в своём руководстве по химии дал список простых веществ, в который
включил все известные тогда металлы - сурьму, серебро, висмут, кобальт, олово,
железо, марганец, никель, золото, платину, свинец, вольфрам и цинк. По мере
развития методов химического исследования число известных металлов стало
быстро возрастать. В 18 в. было открыто 14 металлов, в 19 в. - 38, в 20 в. - 25
металлов. В первой половине 19 в. были открыты спутники платины, получены путём
электролиза щелочные и щёлочноземельные металлы. В середине века методом спектрального
анализа были открыты цезий, рубидий, таллий и индий. Блестяще подтвердилось существование
металлов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона
(это галлий, скандий и германий). Открытие радиоактивности в конце 19 в.
повлекло за собой поиски радиоактивных металлов. Наконец, методом ядерных
превращений в середине 20 в. были получены не существующие в природе радиоактивные
металлы, в частности трансурановые элементы.
Физические и химические свойства металлов.
Все металлы — твердые вещества (кроме ртути,
которая при обычных условиях жидкая), они отличаются от неметаллов особым видом
связи (металлическая связь). Валентные электроны слабо связаны с конкретным
атомом, и внутри каждого металла существует так называемый электронный газ.
Большинство металлов имеют кристаллическую структуру, и металл можно
представить как «жесткую» кристаллическую решетку из положительных ионов (
катионов). Эти электроны могут более или менее передвигаться по металлу. Они
компенсируют силы отталкивания между катионами и, тем самым, связывают их в
компактное тело.
Все металлы обладают высокой электрической
проводимостью (т. е. они проводники в отличие от неметаллов-диэлектриков),
особенно медь, серебро, золото, ртуть и алюминий; высока и теплопроводность
металлов. Отличительным свойством многих металлов является их пластичность
(ковкость), вследствие чего они могут быть прокатаны в тонкие листы (фольгу) и
вытянуты в проволоку (олово, алюминий и др.), однако встречаются и достаточно
хрупкие металлы (цинк, сурьма, висмут).
В промышленности часто используют не чистые
металлы, а их смеси, называемые сплавами. В сплаве свойства одного компонента
обычно удачно дополняют свойства другого. Так, медь обладает невысокой
твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с
цинком, называемые латунью, являются уже достаточно твердыми и широко
используются в машиностроении. Алюминий обладает хорошей пластичностью и
достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе
готовят сплав аюралюмин (дюраль), содержащий медь, магний и марганец.
Дюралюмин, не теряя свойств своего алюминия, приобретает высокую твердость и
поэтому используется в авиационной технике. Сплавы железа с углеродом (и
добавками других металлов) — это известные чугун и сталь.
Металлы очень сильно различаются по плотности: у
лития она почти вдвое меньше, чем у воды (0,53 г/см ), а у осмия - более чем в
20 раз выше (22,61 г/см3). Отличаются металлы и по твёрдости. Самые
мягкие - щелочные металлы они легко режутся ножом; самый твердый металл - хром
- режет стекло. Велика разница температур плавления металлов: ртуть - жидкость
при обычных условиях, цезий и галлий плавятся при температуре человеческого
тела, а самый тугоплавкий металл - вольфрам имеет температуру плавления 3380
°С. Металлы, температура плавления которых выше 1000 °С, относят к тугоплавким
металлам, ниже - к легкоплавким. При высоких температурах металлы способны испускать
электроны, что используется в электронике и термоэлектрических генераторах для прямого
преобразования тепловой энергии в электрическую. Железо, кобальт, никель и
гадолиний после помещения их в магнитное поле способны постоянно сохранять состояние
намагниченности.
Металлам присуще некоторые и химические свойства.
Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в
положительно заряженные ионы. Поэтомц металлы являются восстановителями. В
этом, собственно, и состоит их главное и наиболее общее химическое свойство.
Очевидно, металлы как восстановители будут
вступать в реакции с различными окислителями, среди которых могут быть простые
вещества, кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие соединения.
Соединения металлов с галогенами называются галогенидами, с серой — сульфидами,
с азотом — нитридами, с фосфором — фосфидами, с углеродом — карбидами, с
кремнием - силицидами, с бором — боридами, с водородом — гидридами и т. д.
Многие из этих соединений нашли важное применение в новой технике. Например,
бориды металлов используются в радиоэлектронике, а также в ядерной технике в
качестве материалов для регулирования нейтронного излучения и защиты от него.
Под действием концентрированных
кислот-окислителей на некоторых металлах также образуется устойчивая оксидная
пленка. Это явление называется пассивацией. Так, в концентрированной серной
кислоте пассивируются (и не реагируют с ней) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Mg, и Nb, а в концентрированной
азотной кислоте — металлы Аl, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, Рb, Тh и U.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5 |