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.

Чем левее расположен металл в этом ряду, тем больши­ми восстановительными свойствами он обладает, т. е. легче окисляется и переходит в виде катиона в раствор, но зато труднее восстанавливается из катиона в свободное состояние.

В ряд напряжений помещен один неметалл — водород, по­скольку это позволяет определить, будет ли данный металл реагировать с кислотами - неокислителями в водном растворе (точнее — окисляться катионами водорода Н⁺). Например, цинк реагирует с хлороводородной кислотой, так как в ряду напряжений он стоит левее (до) водорода. Напротив, серебро не переводится в раствор хлороводородной кислотой, поскольку оно стоит в ряду напряжений правее (после) водорода. Аналогично ведут себя металлы в разбавлен­ной серной кислоте. Металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода, называют благородными (Ag, Pt, Au и др.)

Нежелательным химическим свойством металлов являет­ся их электрохимическая коррозия, т. е. активное разруше­ние (окисление) металла при контакте с водой и под воздейст­вием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в во­де.

Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов — контактная коррозия. Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Cu, помещенными в воду, возникает гальваническая па­ра. Поток электронов идет от более активного металла, стояще­го левее в ряду напряжений (Fе), к менее активному металлу (Sn, Cu), и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность кон­сервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой ца­рапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла возрастает при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовление сплавов железа с хромом устраняет коррозию железа. Хроми­рованное железо и стали, содержащие хром (нержавеющие стали), имеют высокую коррозионную стойкость.

Общие способы получения металлов:

— электрометаллургия, т. е. получение металлов элект­ролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов их солей;

— пирометаллургия, т. е. восстановление металлов из их руд при высокой температуре (например, получение железа с помощью доменного процесса);

— гидрометаллургия, т. е. выделение металлов из раство­ров их солей более активными металлами (например, получе­ние меди из раствора СuSO₄ вытеснением цинком, железом

или алюминием).

В природе металлы встречаются иногда в свободном виде, например самородные ртуть, серебро и золото, а чаще — в ви­де соединений (металлических руд). Самые активные метал­лы, конечно, присутствуют в земной коре только в связанном виде.

Литий.

Литий (от греч. Литос- камень), Li, химический элемент подгруппы Iа периодической системы; атомный номер 3, атомная масса 6, 941; относится к щелочным металлам.

Содержание лития в земной коре 6,5-10^-3% по массе. Обнаружен он более чем в 150 ми­нералах, из них собственно литиевых - около 30. Основные минералы: сподумен LiAl[Si₂O₆], ле­пидолит KLi_1,5 Al_1,5[Si₃ AlO₁₀ ](F,0Н)₂ и петалит (LiNa)[Si ₄AlO₁₀ ]. Состав этих минералов сложен, многие из них относятся к очень рас­пространённому в земной коре классу алюмо­силикатов. Перспективные источники сырья для производства лития - рассолы (рапа) соленосных отложений и подземные воды. Крупнейшие месторождения соединений лития находятся в Канаде, США, Чили, Зимбабве, Бразилии, На­мибии и России.

Интересно, что минерал сподумен встречается в природе в виде больших кристаллов массой в несколько тонн. На руднике Этта в США на­шли кристалл в форме иглы длиной 16 м и массой 100 т.

Первые сведения о литии относятся к 1817 г. Шведский химик А. Арфведсон, проводя ана­лиз минерала петалита, открыл в нём неизвест­ную щёлочь. Учитель Арфведсона Й. Берцелиус дал ей название «литион» (от греч. литеос -каменный), т. к. в отличие от гидроксидов калия и натрия, которые были получены из золы рас­тений, новая щёлочь была обнаружена в мине­рале. Он же назвал металл, являющийся «ос­новой» этой щёлочи, литием. В 1818 г. англий­ский химик и физик Г. Дэви получил литий электролизом гидроксида LiОН.

Свойства. Литий - серебристо-белый металл; т. пл. 180,54 °С, т. кип. 1340 "С; самый лёгкий из всех металлов, его плотность 0,534 г/см -он в 5 раз легче алюминия и почти вдвое легче воды. Литий мягок и пластичен. Соединения лития окрашивают пламя в красивый карминово-красный цвет. Этим весьма чувствитель­ным методом пользуются в качественном ана­лизе для обнаружения лития.

Конфигурация внешнего электронного слоя атома лития 2s¹ (s-элемент). В соединениях он проявляет степень окисления +1.

Литий стоит первым в электрохимическом ряду напряжений и вытесняет водород не только из кислот, но и из воды. Однако многие хими­ческие реакции лития протекают менее энер­гично, чем у других щелочных металлов.

Литий практически не реагирует с компонен­тами воздуха при полном отсутствии влаги при комнатной температуре. При нагревании на воз­духе выше 200 °С в качестве основного продукта образует оксид Li₂ O (присутствуют только сле­ды пероксида Li₂O₂). Во влажном воздухе даёт преимущественно нитрид Li₃N, при влажно­сти воздуха более 80% - гидроксид LiОН и карбонат Li₂СО₃. Нитрид лития может быть по­лучен также при нагревании металла в токе азота (литий - один из немногих элементов, непосредственно соединяющихся с азотом): 6Li + N₂ =2Li₃N

Литий легко сплавляется почти со всеми ме­таллами и хорошо растворим в ртути. Непосред­ственно соединяется с галогенами (с иодом -при нагревании). При 500 °С реагирует с водо­родом, образуя гидрид LiН, при взаимодействии с водой - гидроксид LiОН, с разбавленными кислотами - соли лития, с аммиаком - амид LiNН₂, например:

2Li + Н₂ = 2LiН

2Li + 2Н₂O = 2LiОН + Н₂

2Li + 2НF = 2LiF + Н₂

2Li + 2NH₃ = 2LiNH₂ + Н₂

Гидрид LiН - бесцветные кристаллы; при­меняется в различных областях химии как вос­становитель. При взаимодействии с водой вы­деляет большое количество водорода (из 1 кг LiН получают 2820 л Н₂):

LiН + Н₂O = LiОН + Н₂

Это позволяет использовать LiН как источник водорода для наполнения аэростатов и спаса­тельного снаряжения (надувных лодок, поясов и др.), а также как своеобразный «склад» для хранения и транспортировки огнеопасного во­дорода (при этом необходимо предохранять LiН от малейших следов влаги).

Широко применяют в органическом синтезе смешанные гидриды лития, например литий-алюмогидрид LiAlH₄ - селективный восстано­витель. Его получают взаимодействием LiН с хлоридом алюминия А1С1з

Гидроксид LiОН - сильное основание (щё­лочь), его водные растворы разрушают стекло, фарфор; устойчивы к нему никель, серебро и золото. LiОН применяют в качестве добавки к электролиту щелочных аккумуляторов, что повышает срок их службы в 2-3 раза и ёмкость на 20%. На основе LiОН и органических кис­лот (особенно стеариновой и пальмитиновой) производят морозо- и термостойкие пластичные смазки (литолы) для защиты металлов от кор­розии в интервале температур от -40 до +130 "С.

Гидроксид лития используют также как по­глотитель углекислого газа в противогазах, под­водных лодках, самолётах и космических ко­раблях.

Получение и применение. Сырьём для по­лучения лития служат его соли, которые из­влекают из минералов. В зависимости от состава минералы разлагают серной кислотой Н₂SО₄ (кислотный метод) либо спеканием с оксидом кальция СаО и его карбонатом СаСОз (щелочной способ), с сульфатом калия К₂SО₄ (солевой спо­соб), с карбонатом кальция и его хлоридом СаСl (щёлочно-солевой способ). При кислотном методе получают раствор сульфата Li₂SО₄ [по­следний освобождают от примесей обработкой гидроксидом кальция Са(ОН)₂ и содой Na₂Co₃]. Спек, образующийся при других методах раз­ложения минералов, выщелачивают водой; при этом при щелочном методе в раствор переходит LiОН, при солевом – Li ₂SO₄, при щёлочно-солевом - LiCl. Все эти методы, кроме щелочного, предусматривают получение готового продукта в виде карбоната Li₂СО₃. который используют непосредственно или в качестве источника для синтеза других соединений лития.

Металлический литий получают электроли­зом расплавленной смеси LiCl и хлорида калия КСl или хлорида бария ВаСl₂ с дальнейшей очисткой от примесей.

Интерес к литию огромен. Это связано, прежде всего, с тем, что он - источник промышленного получения трития (тяжёлого нуклида водорода), являющегося главной составной частью водо­родной бомбы и основным горючим для тер­моядерных реакторов. Термоядерная реакция осуществляется между нуклидом ⁶Li и нейтро­нами (нейтральными частицами с массовым чис­лом 1); продукты реакции - тритий ³Н и гелий ⁴Не:

⁶₃Li + ¹₀n= ³₁ H +⁴₂He

Большое количество лития используется в ме­таллургии. Сплав магния с 10% лития прочнее и легче самого магния. Сплавы алюминия и лития - склерон и аэрон, содержащие всего 0,1% лития, помимо лёгкости обладают высо­кой прочностью, пластичностью, повышенной стойкостью к коррозии; их применяют в авиа­ции. Добавка 0,04% лития к свинцово-кальциевым подшипниковым сплавам повышает их твёрдость и уменьшает коэффициент трения.

Галогениды и карбонат лития применяют в производстве оптических, кислотоупорных и других специальных стёкол, а также термостой­кого фарфора и керамики, различных глазурей и эмалей.

Мелкие крошки лития вызывают химические ожоги влажной кожи и глаз. Соли лития раз­дражают кожу. При работе с гидроксидом лития необходимо соблюдать меры предосторожности, как при работе с гидроксидами натрия и калия.

Натрий.

Натрий (от араб, натрун, греч. нитрон -природная сода, химиче­ский элемент подгруппы Iа пе­риодической системы; атом­ный номер 11, атомная масса 22,98977; относится к щелоч­ным металлам. В природе встречается в виде одного стабильного нуклида ²³ Na .

Ещё в глубокой древности были известны соединения натрия - поваренная соль (хлорид натрия) NaСl, едкая щёлочь (гидроксид натрия) NaОН и сода (карбонат натрия) Na₂СОз. Последнее вещество древние греки называли «нитрон»; отсюда и происходит современное название металла - «натрий». Однако в Великобритании, США, Италии, Франции сохраняется слово sodium (от испанского слова «сода», имеющего то же значение, что и по-русски).

Впервые о получении натрия (и калия) сообщил английский химик и физик Г. Дэви на собрании Королевского общества в Лондоне в 1807 г. Ему удалось разложить действием электрического тока едкие щёлочи КОН и NaОН и выделить неизвестные ранее металлы обладающие необычайными свойствами. Эти металлы очень быстро окислялись на воздухе, а на поверхности воды плавали, выделяя из неё водород.

Распространённость в природе. Натрии - один из самых распространённых в природе элементов. Содержание его в земной коре 2,64% по массе. В гидросфере он содержится в вида растворимых солей в количестве около 2,9% (при общей концентрации солей в морской воде 3,5-3,7%). Наличие натрия установлено в атмосфере Солнца и межзвёздном пространстве. природе натрий находится только в виде солей. Важнейшие минералы - галит (каменная соль) NaCl, мирабилит (глауберова соль) Na₂SO₄ *10H₂O, тенардит Na₂SO_4, челийская селитра NaNO_3, природные силикаты, например альбит Na[AlSi₃O₈], нефелин Na[AlSiO₄]

Россия исключительно богата залежами каменной соли (например, Соликамск, Усолье-Сибирское и др.), большие залежи минерала троны в Сибири.

Свойства. Натрий - серебристо-белый легко­плавкий металл, т. пл. 97,86 °С, т. кип. 883,15 °С. Это один из самых лёгких металлов - он легче воды плотность 0,99 г/см³ при 19,7 °С). Натрий и его соединения окрашивают пламя горелки в жёлтый цвет. Эта реакция так чувствительна, что открывает присутствие малейших следов натрия повсюду (например, в комнатной или уличной пыли).

Натрий - один из самых активных элементов периодической системы. Внешний электронный слой атома натрия содержит один электрон (конфигурация 3s¹ , натрий – s-элемент). Свой единственный валентный электрон натрий легко отдает и поэтому в своих соединениях всегда проявляет степень окисления +1.

На воздухе натрий активно окисляется, образуя в зависимости от условий оксид Na₂O или пероксид Na₂O₂. Поэтому хранят натрий под слоем керосина или минерального масла. Энергично реагирует с водой, вытесняя водород:

2Na + Н₂0 = 2NaОН + Н₂

Такая реакция происходит даже со льдом при температуре -80 °С, а с тёплой водой или при поверхности контакта идёт со взрывом ( недаром говорят: «Не хотите стать уродом –не бросайте натрий в воду»).

Натрий непосредственно реагирует со всеми неметаллами: при 200 °С начинает поглощать водород, образуя весьма гигроскопичный гидрид NaH; с азотом в электрическом разряде дает нитрид Na₃N или азид NaN₃; в атмосфере фтора воспламеняется; в хлоре горит при температуре; с бромом реагирует лишь при нагревании:

2Na + Н₂ = 2NaН

6Na + N₂=2Na₃N или 2Na+ 3Na₂=2NaN₃

2Na+ С1₂ = 2NaСl

При 800-900 °С натрий соединяется с углеродом, образуя карбид Na₂C₂; при растирании с серой дает сульфид Na₂S и смесь полисульфидов (Na₂S₃ и Na₂S₄)

Натрий легко растворяется в жидком аммиаке, получающийся раствор синего цвета обладает металлической проводимостью, с газообразным аммиаком при 300-400 "С или в присутствии катализатора при охлаждении до -30 С дает амид NaNH₂.

Натрий образует соединения с другими металлами (интерметаллиды), например с сереб­ром, золотом, кадмием, свинцом, калием и не­которыми другими. Со ртутью даёт амальгамы NaHg_{2 ,} NaHg₄ и др. Наибольшее значение имеют жидкие амальгамы, которые образуются при постепенном введении натрия в ртуть, находящуюся под слоем керосина или минерального масла.

С разбавленными кислотами натрий образует соли.

Получение и применение. Основной метод получения натрия - электролиз расплавленной поваренной соли. При этом на аноде выделяется хлор, а на катоде - натрий. Для уменьшения температуры плавления электролита к поварен­ной соли добавляют другие соли: КСl, NaF, СаСl₂. Электролиз проводят в электролизёрах с диафрагмой; аноды изготовлены из графита, катоды - из меди или железа.

Натрий можно получить электролизом рас­плава гидроксида NaОН, а небольшие количе­ства - разложением азида NaN_3.

Металлический натрий используют для вос­становления чистых металлов из их соедине­ний - калия (из КОН), титана (из TiCl₄) и др. Сплав натрия с калием - теплоноситель для ядерных реакторов, поскольку щелочные метал­лы плохо поглощают нейтроны и поэтому не препятствуют делению ядер урана. Пары на­трия, обладающие ярко-жёлтым свечением, ис­пользуют для наполнения газоразрядных ламп, служащих для освещения автострад, пристаней, вокзалов и пр. Натрий находит применение в медицине: искусственно полученный нуклид ²⁴Na используется для радиологического лече­ния некоторых форм лейкемии и в диагности­ческих целях.

Значительно более обширно применение со­единений натрия.

Пероксид Na₂O₂ - бесцветные кристаллы, технический продукт жёлтого цвета. При нагревании до 311-400 °С начинает выделять кис­лород, а при 540 °С бурно разлагается. Сильный окислитель, благодаря чему применяется для отбеливания тканей и других материалов. На воздухе поглощает СО₂», выделяя кислород и об­разуя карбонат 2Na₂O₂+2CO₂=2Na₂Co₃+O₂). На этом свойстве основано применение Na₂O₂ для регенерации воздуха в закрытых по­мещениях и дыхательных приборах изолирую­щего типа (подводных лодках, изолирующих противогазах и пр.).

Гидроксид NaОН; устаревшее название -едкий натр, техническое название - каустическая сода (от лат. caustic- едкий, жгучий); одно из самых сильных оснований. Технический продукт, кроме NаОН, содержит примеси (до 3% Ка₂СОз и до 1,5% NaCl). Большое количе­ство NаОН идёт на приготовление электролитов для щелочных аккумуляторов, производство бу­маги, мыла, красок, целлюлозы, используется для очистки нефти и масел.

Из солей натрия применение находят хро­мат Na₂CrO₄ - в производстве красителей, как протрава при крашении тканей и дубитель в ко­жевенной промышленности; сульфит Na₂SO₃ -компонент фиксажей и проявителей в фотогра­фии; гидросульфит NaHSO₃ - отбеливатель тканей, природных волокон, применяется для консервирования плодов, овощей и растительных кормов; тиосульфат Na₂S₂O₃ - для удаления хлора при отбеливании тканей, как закрепитель в фотографии, противоядие при отравлении соединениями ртути, мышьяка и др., противовос­палительное средство; хлорат NaClO₃- окис­литель в различных пиротехнических составах; трифосфат Na₅P₃O₁₀ -добавка в синтетиче­ские моющие средства для умягчения воды.

Натрий, NаОН и его растворы вызывают тя­жёлые ожоги кожи и слизистых оболочек.

Калий.

По внешнему виду и свойствам калий похож на натрий, но более реакционноспособный. Энергично реагирует с водой и вызывает возгорание водорода. На воздухе сгорает, образуя оранжевый надпероксид КO₂. При комнатной температуре реагирует с галогенами, при умеренном нагревании — с водоро­дом, серой. Во влажном воздухе быстро покрывается слоем КОН. Хранят калий под слоем бензина или керосина.

Наибольшее практическое применение находят соедине­ния калия — гидроксид КОН, нитрат КNO₃ и карбонат К₂СO₃.

Гидроксид калия КОН (техническое название — едкое кали) — белые кристаллы, расплывающиеся во влажном воз­духе и поглощающие углекислый газ (образуются К₂СO₃ и КНСO₃). Очень хорошо растворяется в воде с высоким экзо-эффектом. Водный раствор — сильнощелочной.

Производят гидроксид калия электролизом раствора КСl (аналогично производству NаОН). Исходный хлорид калия КСl получают из природного сырья (минералы сильвин КСlи карналлит КМgС1₃ • 6Н₂0). Используют КОН для синтеза различных солей калия, жидкого мыла, красителей, как электролит в аккумуляторах.

Нитрат калия КNO₃ (минерал калийная селитра) — белые кристаллы, очень горькие на вкус, низкоплавкие {t_пл = 339 °С). Хорошо растворим в воде (гидролиз отсутству­ет). При нагревании выше температуры плавления разлагает­ся на нитрит калия КNO₂ и кислород O₂, проявляет сильные окислительные свойства. Сера и древесный уголь загораются при контакте с расплавом КNO₃, а смесь С + S взрывается (сго­рание «черного пороха»):

2КNO₃ + ЗС(уголь) + S=N₂ + 3CO₂ + K₂S

Нитрат калия используется в производстве стекла и мине­ральных удобрений.

Карбонат калия К₂СO₃ (техническое название — поташ) — белый гигроскопичный порошок. Очень хорошо растворяется в воде, сильно гидролизуется по аниону и создает щелочную среду в растворе. Используется в изготовлении стекла и мыла.

Получение К₂СO₃ основано на реакциях:

К₂SO₄ + Са(ОН)₂ + 2СO = 2К(НСОО) + СаSO₄

2К(НСОО) + O₂ = К₂С0₃ + Н₂0 + С0₂

Сульфат калия из природного сырья (минералы каинит КМg(SO₄)Сl • ЗН₂0 и шёнит К₂Мg(SO₄)₂ * 6Н₂0) нагревают с гашёной известью Са(ОН)₂ в атмосфере СО (под давлением 15 атм), получают формиат калия К(НСОО), который прока­ливают в токе воздуха.

Калий жизненно важный элемент для растений и живот­ных. Калийные удобрения — это соли калия, как природные, так и продукты их переработки (КСl, К₂SO₄, КNO₃); высоко содержание солей калия в золе растений.

Калий — девятый по химической распространенности элемент в земной коре. Содержится только в связанном виде в минералах, морской воде (до 0,38 г ионов К⁺ в 1 л), растениях и живых организмах (внутри клеток). В организме человека имеется = 175 г калия, суточная потребность достигает ~4г. Радиоактивный изотоп ⁴⁰К (примесь к преобладающему ста­бильному изотопу ³⁹К) распадается очень медленно (период полураспада 1 • 10⁹лет), он, наряду с изотопами ²³⁸U и ²³²Тh, вносит большой вклад в геотермический запас нашей планеты (внутренняя теплота земных недр).

Медь.

От (лат. Cuprum), Сu, химический элемент подгруппы 16 периодической системы; атомный номер 29, атомная масса 63,546 относится к переходным металлам. Природная медь представляет собой смесь нуклидов с массовыми числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%).

Распространённость в природе. Среднее со­держание меди в земной коре 4,7-10~³% по массе.

В земной коре медь встречается как в виде самородков, так и в виде различных минералов. Самородки меди, порой значительных размеров, покрыты зелёным или голубым налётом и не­обычайно тяжелы по сравнению с камнем; самый большой самородок массой около 420 т был найден в США в районе Великих Озёр (ри­сунок). Подавляющая часть меди присутствует в горных породах в виде соединений. Известно более 250 минералов, содержащих медь. Про­мышленное значение имеют: халькопирит (мед­ный колчедан) СuFeS₂, ковеллин (медный ин­диго) Сu₂S, халькозин (медный блеск) Сu₂S, куп­рит Сu₂О, малахит СuСОз*Си(ОН)₂ и азурит 2СиСОз*Си(ОН)₂. Почти все минералы меди ярко и красиво окрашены, например халькопирит от­ливает золотом, медный блеск имеет синевато- стальной цвет, азурит - густо синий со стеклянным блеском, а кусочки ковеллина отливают всеми цветами радуги. Многие из медных минералов - поделочные и драгоценные камни -самоцветы; очень высоко ценятся малахит и би­рюза СuА1₆(РO₄)₄(ОН)₈*5Н₂O. Наиболее крупные месторождения медных руд находятся в Северной и Южной Америке (гл. обр. в США, Канаде, Чили, Перу, Мексике), Африке (Замбия, ЮАР), Азии (Иран, Филип­пины, Япония). В России залежи медных руд имеются на Урале и Алтае.

Медные руды обычно полиметаллические: по­мимо меди они содержат Fe, Zn, Рb, Sn, Ni, Мо, Аu, Аg, Sе, платиновые металлы и др.

Историческая справка. Медь известна с не­запамятных времён и входит в «великолепную семёрку» древнейших металлов, используемых человечеством, - это золото, серебро, медь, же­лезо, олово, свинец и ртуть. По археологиче­ским данным, медь была известна людям уже 6000 лет назад. Она оказалась первым метал­лом, заменившим древнему человеку камень в первобытных орудиях труда. Это было начало т.наз. медного века, который длился около двух тысячелетий. Из меди выковывали, а потом и выплавляли топоры, ножи, булавы, предме­ты домашнего обихода. По преданию, античный бог-кузнец Гефест выковал для непобедимого Ахилла щит из чистой меди. Камни для 147-метровой пирамиды Хеопса также были до­быты и отёсаны медным инструментом.

Древние римляне вывозили медную руду с ос­трова Кипр, отсюда и произошло латинское на­звание меди - «купрум». Русское название «медь», по-видимому, связано со словом «смида», что в древности означало «металл».

В рудах, добываемых на Синайском полуост­рове, иногда попадались руды с примесью олова, что привело к открытию сплава меди с оловом -бронзы. Бронза оказалась более легкоплавкой и твёрдой, чем сама медь. Открытие бронзы положило начало длительному бронзовому веку (4-1-е тысячелетия до н. э.).

Свойства. Медь - металл красного цвета. Т.пл. 1083 "С, т. кип. 2567 °С, плотность 8,92 г/см . Это пластичный ковкий металл, из него можно прокатать листочки в 5 раз тоньше папиросной бумаги. Медь хорошо отражает свет, прекрасно проводит тепло и электричество, ус­тупая только серебру.

Конфигурация внешних электронных слоев атома меди 3d¹⁰4s¹ (d-элемент). Хотя медь и щелочные металлы находятся в одной и той же I группе, их поведение и свойства сильно различаются. С щелочными металлами медь сближает только способность образовывать од­новалентные катионы. При образовании соеди­нений атом меди может терять не только внешний s-электрон, но один или два d-электрона предшествующего слоя, проявляя при этом бо­лее высокую степень окисления. Для меди сте­пень окисления +2 более характерна, чем +1.

Металлическая медь малоактивна, в сухом и чистом воздухе стабильна. Во влажном воздухе, содержащем СО₂, на её поверхности образуется зеленоватая плёнка Сu(ОН)_2*СuСОз, называемая патиной. Патина придаёт изделиям из меди и ее сплавов красивый «старинный» вид; сплош­ной налёт патины, кроме того, защищает металл от дальнейшего разрушения. При нагревании меди в чистом и сухом кислороде происходит образование чёрного оксида СиО; нагревание выше 375°С приводит к красному оксиду Сu₂О. При нормальной температуре оксиды ме­ди на воздухе устойчивы.

В ряду напряжений медь стоит правее водо­рода, и поэтому она не вытесняет водород из воды и в бескислородных кислотах не. Растворяться в кислотах медь может только при её одновременном окислении, на­пример в азотной кислоте или концентрирован­ной серной кислоте:

ЗСu + 8НNO₃ = ЗСu(NO₃)₂ + 2NО + 4Н₂O

Сu + 2Н₂S0₄ = СиSO₄ + SO₂ + 2Н₂O

Фтор, хлор и бром реагируют с медью, образуя соответствующие дигалогениды, например:

Сu + Сl₂ = СuСl₂

При взаимодействии нагретого порошка меди с йодом получается иодид Сu(I), или моноиодид меди:

2Сu +I₂ = 2СuI

Медь горит в парах серы, образуя моносуль­фид СиS. С водородом при нормальных условиях не взаимодействует. Однако, если образцы меди содержат микропримеси оксида Си₂O, то в ат­мосфере, содержащей водород, метан или оксид углерода, происходит восстановление оксида ме­ди до металла:

Сu₂O+ Н₂ = 2Сu + Н₂O

Сu₂O+ СО = 2Сu + СO₂

Выделяющиеся пары воды и СO₂ вызывают по­явление трещин, что резко ухудшает механи­ческие свойства металла («водородная болезнь»). Соли одновалентной меди - хлорид СuСl, сульфит Сu₂SOз, сульфид Сu₂S и другие - как правило, плохо растворяются в воде. Для двух­валентной меди существуют соли практически всех известных кислот; наиболее важные из них - сульфат СuSO₄, хлорид СuСl₂, нитрат Сu(NОз)₂.Все они хорошо растворяются в воде, а при выделении из неё образуют кристалло­гидраты, например СuСl₂*2Н₂O, Си(NOз)₂*6Н₂O, Си80₄-5Н₂0. Цвет солей - от зелёного до синего, т. к. ион Сu в воде гидратируется и находится в виде голубого аква-иона [Сu(Н₂O)₆]²⁺, который и определяет цвет растворов солей двухвалент­ной меди.

Одну из важнейших солей меди - суль­фат- получают растворением металла в на­гретой разбавленной серной кислоте при про­дувании воздуха:

2Сu + 2Н₂SO₄ + O₂ = 2СuSO₄ + 2Н₂O

Безводный сульфат бесцветен; присоединяя во­ду, он превращается в медный купорос СuSO₄-5Н₂O - лазурно-синие прозрачные кри­сталлы. Благодаря свойству сульфата меди из­менять окраску при увлажнении его используют для обнаружения следов воды в спиртах, эфирах, бензинах и др.

При взаимодействии соли двухвалентной ме­ди с щёлочью образуется объёмный осадок го­лубого цвета - гидроксид Сu(ОН)₂. Он амфотерный: в концентрированной щёлочи рас­творяется с образованием соли, в которой медь находится в виде аниона, например:

Сu(ОН)₂ + 2КОН = К₂[Сu(ОН)₄]

В отличие от щелочных металлов, для меди характерна склонность к комплексообразованию - ионы Сu и Сu²⁺ в воде могут образо­вывать комплексные ионы с анионами (Сl^-, СN^-), нейтральными молекулами (NH₃) и некоторыми органическими соединениями. Эти комплексы, как правило, ярко окрашены и хорошо раство­ряются в воде.

Получение и применение. Ещё в 19 в. медь выплавляли из руд, содержащих не менее 15% металла. В настоящее время богатые медные руды практически исчерпаны, поэтому медь гл. обр. получают из сульфидных руд, содержащих лишь 1-7% меди. Выплавка металла - длитель­ный и многоступенчатый процесс.

После флотационной обработки исходной ру­ды концентрат, содержащий сульфиды железа и меди, помещают в медеплавильные отража­тельные печи, нагреваемые до 1200 °С. Кон­центрат плавится, образуя т. наз. штейн, содер­жащий расплавленные медь, железо и серу, а также твёрдые силикатные шлаки, всплываю­щие на поверхность. В выплавленном штейне в виде СuS содержится около 30% меди, ос­тальное - сульфид железа и сера. Следующая стадия - превращение штейна в т. наз. черновую медь, которое осуществляют в горизонтальных конвертерных печах, продуваемых кислородом. Сначала окисляется FeS; для связывания полу­чающегося оксида железа в конвертер добавля­ют кварц - при этом образуется легко отделя­емый силикатный шлак. Затем окисляется СuS, превращаясь в металлическую медь, и выделяется SO₂:

СuS + O₂ = Сu + SO₂

После удаления воздухом SO₂ оставшуюся в конвертере черновую медь, содержащую 97- 99% меди, разливают в формы и затем под­вергают электролитической очистке. Для этого слитки черновой меди, имеющие форму толстых досок, подвешивают в электролизных ваннах, содержащих раствор медного купороса с добав­лением Н₂SO₄. В тех же ваннах подвешены и тонкие листы чистой меди. Они служат като­дами, а отливки из черновой меди - анодами. Во время прохождения тока на аноде происходи растворение меди, а на катоде - её выделение:

Сu - 2е = Сu²⁺

Сu²⁺ + 2е = Сu

Примеси, в том числе серебро, золото, платина, выпадают на дно ванны в виде илообразной массы (шлама). Выделение из шлама благород­ных металлов обычно окупает весь этот энерго­ёмкий процесс. После такого рафинирования полученный металл содержит 98-99% меди.

Медь издавна применялась в строительстве: древние египтяне строили медные водопроводы; крыши средневековых замков и церквей по­крывали листовой медью, например знамени­тый королевский замок в Эльсиноре (Дания) покрыт кровельной медью. Из меди изготовляли монеты и украшения. Благодаря малому элек­трическому сопротивлению медь является глав­ным металлом электротехники: больше полови­ны всей получаемой меди идёт на производство электрических проводов для высоковольтных передач и слаботочных кабелей. Даже ничтож­ные примеси в меди приводят к повышению её электрического сопротивления и большим по­терям электроэнергии.

Высокая теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют изготовлять из меди детали теплообменников, холодильников, вакуумных аппаратов, трубопроводов для перекачки масел и топлив и пр. Широко используют медь и в гальванотехнике при нанесении защитных по­крытий на стальные изделия. Так, например, при никелировании или хромировании стальных предметов на них предварительно осаждают медь; в этом случае защитное покрытие служит дольше и эффективней. Медь используют также в гальванопластике (т.е. при тиражировании из­делий методом получения их зеркального ото­бражения), например при изготовлении метал­лических матриц для печатания денежных ку­пюр, воспроизведения скульптурных изделий.

Значительное количество меди расходуется на изготовление сплавов, которые она образует со многими металлами. Основные сплавы меди, как правило, делятся на три группы: бронзы (сплавы с оловом и другими металлами, кроме цинка и никеля), латуни (сплавы с цинком) и медно-никелевые сплавы. О бронзах и латунях в эн­циклопедии есть отдельные статьи. Наиболее из­вестные медно-никелевые сплавы - мельхиор, нейзильбер, константан, манганин; все они содержат до 30-40% ни­келя и разные легирующие добавки. Применяют эти сплавы в кораблестроении, для изготовления деталей, работающих при повышенной темпе­ратуре, в электротехнических приборах, а также для бытовых металлических изделий вместо се­ребра (столовые приборы).

Разнообразное применение находили и нахо­дят соединения меди. Оксид и сульфат двухва­лентной меди применяют для изготовления не­которых видов искусственного волокна и для получения других соединений меди; СuО и Сu₂О используют для производства стекла и эмалей; Сu(NОз)₂ - ситцепечатании; СuСl₂ - компо­нент минеральных красок, катализатор. Мине­ральные краски, содержащие медь, известны издревле; так, анализ древних фресок Помпеи и настенной живописи на Руси показал, что в состав красок входил основный ацетат меди Сu(OН)₂*(СНзСОО)₂Сu₂, он-то и служил ярко-зе­лёной краской, называемой на Руси ярь-медянкой.

Медь принадлежит к числу т. наз. биоэлемен­тов, необходимых для нормального развития растений и животных. При отсутствии или не­достатке меди в растительных тканях умень­шается содержание хлорофилла, листья желте­ют, растения перестают плодоносить и могут погибнуть. Поэтому многие соли меди входят в состав медных удобрений, например медный ку­порос, медно-калийные удобрения (медный ку­порос в смеси с КСд). Соли меди, кроме того, применяют и для борьбы с болезнями растений. Более ста лет для этого используется бордоская жидкость, содержащая основный сульфат меди [Сu(OН)₂]зСuSО₄; получают его по реакции:

4СuSO₄ + ЗСа(ОН)₂ = СuSO_{4 *}ЗСu(ОН)₂ + ЗСаSО₄

Студенистый осадок этой соли хорошо покры­вает листья и долго удерживается на них, за­щищая растение. Аналогичным свойством об­ладают Сu₂О, хлороксид меди ЗСu(ОН)₂*СuСl₂, а также фосфат, борат и арсенат меди.

В организме человека медь входит в состав некоторых ферментов и участвует в процессах кроветворения и ферментативного окисления; среднее содержание меди в крови человека -около 0,001 мг/л. В организмах низших жи­вотных меди намного больше, например гемоцианин - пигмент крови моллюсков и ракооб­разных - содержит до 0,26% меди. Среднее со­держание меди в живых организмах - 2-10^-4% по массе.

Для человека соединения меди в большинстве своём токсичны. Несмотря на то, что медь вхо­дит в состав некоторых фармацевтических пре­паратов, попадание её в желудок с водой или пищей в больших количествах может вызвать тяжёлые отравления. Люди, долго работающие на выплавке меди и её сплавов, часто заболевают «медной лихорадкой» - повышается темпера­тура, возникают боли в области желудка, сни­жается жизненная активность лёгких. Если соли меди попали в желудок, до прихода врача необходимо срочно его промыть и принять моче­гонное средство.

Заключение.

Металлы служат основным конструкционным материалом в ма­шиностроении и приборостроении. Все они обладают общими так называемыми металлическими свойствами, но каждый элемент про­являет их в соответствии с его положением в периодической си­стеме Д. И. Менделеева, т. е. в соответствии с особенностями строения его атома.

Металлы активно вступают во взаимодействие с элементарными окислителями с большой электроотрицательностью (галогены, кис­лород, сера и др.) и поэтому при рассмотрении общих свойств металлических элементов необходимо учитывать их химическую активность по отношению к неметаллам, типы их соединений и формы химической связи, так как это определяет не только ме­таллургические процессы при их получении, но и работоспособность металлов в условиях эксплуатации.

Сегодня, когда развитие экономики идет большими темпами появилась потребность быстровозводимых строениях, при этом не требующих значительных капиталовложений. В основном это нужно для строительства торговых павильонов, развлекательных центров, складов. С применением металлоконструкций такие строения теперь можно не только легко и быстро возводить, но и с той же легкостью разбирать когда заканчивается арендный срок или для переезда на другое место. Более того в такие легко возводимые здания не трудно подвести коммуникации, отопление, свет. Здания из металлоконструкций выдерживают суровые условия природы не только по температурным режимам, но и что не мало важно по сейсмологической активности, там, где возводить кирпичные строения не легко и не безопасно.

Тот ассортимент металлоконструкций, который предлагается сегодня промышленностью легко транспортабелен, может подниматься любыми кранами. Соединение и монтаж таких конструкций может производиться как при помощи болтов, так и с помощью сварки. Появление легких металлоконструкций, которые изготавливаются и поставляются комплексно играют большую положительную роль при строительстве общественных зданий в сравнении со строительством зданий из железобетона, и значительно уменьшает сроки выполнения работ.