Реферат на тему: Металлы

Оглавление:

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

В природе существует более 100 химических элементов, которые разделены на две группы: металлы и неметаллы (металлоиды). Металлы — это вещества с характерными свойствами: хорошая тепло- и электропроводность, пластичность, особый металлический блеск.

Такие металлы, как золото, серебро и медь известны человеку с доисторических времен. М.В. Ломоносов определил металл как «легкое тело, которое может быть кованым» и классифицировал золото, серебро, медь, олово, железо и свинец как металлы. А. Лавуазье уже упоминал 17 металлов в своем «Первоначальном курсе химии» (1789). В начале XIX века последовало открытие платиновых металлов, а затем щелочей, щелочной земли и ряда других. Триумфом периодического закона стало открытие металлов: галлия, скандия и германия. В середине XX века с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы — -радиоактивные металлы, не присутствующие в ¬природе. Современная металлургия получает более 60 ¬металлов и на их основе более 5000 сплавов.

В промышленности обычно используются сплавы, а не чистые металлы. Металлы делятся на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы — сталь и чугун; ко всем другим цветным металлам относятся медь, алюминий, олово, свинец, цинк, никель, хром и т.д., которые классифицируются как содержащие железо. Черные металлы составляют более 90% всех металлов, используемых в промышленности для производства металлоконструкций (мостов, балок, ферм, колонн, резервуаров), для изготовления различных машин и оборудования, автомобилей, рельсов и др. Цветные металлы в основном используются в качестве добавок для улучшения свойств черных металлов или придания им особых свойств. Чистые металлы используются только в том случае, если материал имеет высокие требования к тепло- и электропроводности, высокую температуру плавления и т.д.

Поэтому актуальность этой темы не вызывает сомнений.

Целью данной работы является исследование и характеристика металлов и их физико-химических свойств.

Работа состоит из введения, двух глав, заявления и списка использованных источников. Общая длина работы составляет 15 страниц.

Металлы

Металлы (название происходит от лат. metalum — рудник) — вещества, которые, в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Эти характерные свойства металла обусловлены наличием в его кристаллической решетке свободно перемещающихся электронов. Из 107 химических элементов, известных в настоящее время, 85 относятся к металлам. Последние очень распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в глубинах суши, в водах рек, озер, морей и океанов, в составе тел животных и растений и даже в атмосфере. Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий.

Если включить тот или иной элемент в категорию металлов, то имеется в виду наличие определенных характерных свойств: металлический блеск, хорошая электропроводность, возможность легкой обработки (пластичность), высокая плотность, высокая температура плавления, высокая теплопроводность, способность к образованию сплавов.

Неметаллы не обладают вышеуказанными свойствами и резко отличаются по внешнему виду от металлов.

Классификация всех химических элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева по металлам и неметаллам является условной. Если периодическая таблица проходит по диагонали через бор и астат, то основные подгруппы справа от диагонали — неметаллические, а основные подгруппы слева от диагонали — боковые подгруппы, а восьмая группа (за исключением инертных газов) — металлы. А элементами, находящимися рядом с разделительной линией, являются так называемые металлоиды, т.е. вещества с промежуточными свойствами (металлы и неметаллы). В том числе: бор B, кремний Si, германий Ge, мышьяк A, сурьма Sb, теллур Te, полоний Ro.

В соответствии с местом, занимаемым в периодической таблице, проводится различие между переходными металлами (элементы боковых подгрупп) и непереходными металлами (элементы основных подгрупп). Металлы основных подгрупп характеризуются тем, что их атомы последовательно заполняются на электронном s- и p-уровне. В атомах металлов боковых подгрупп находится завершение d- и f-подгрупп.

Химические свойства

Химически все металлы характеризуются относительной легкостью отдачи валентных электронов и способностью образовывать положительно заряженные ионы. Следовательно, металлы в свободном состоянии являются восстановителями.

Восстановимость различных металлов варьируется и определяется их положением в электрохимическом ряду металла: Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au.

Металлы расположены в порядке их восстановительных свойств и повышения окислительных свойств их ионов. Эта последовательность характеризует химическую активность металлов только в окислительно-восстановительных реакциях, происходящих в водной среде.

Соотношение металлов к атмосферному кислороду. Наиболее активные металлы (литий, натрий, калий, цезий, барий, кальций) очень легко реагируют с атмосферным кислородом в холодную погоду. Менее активные металлы (алюминий, хром, марганец и т.д.) во время окисления на воздухе покрываются плотным оксидным слоем, который защищает их от дальнейшего взаимодействия с кислородом. При высоких температурах эти металлы горят, а иридий, золото не вступает в непосредственную реакцию с кислородом.

Отношение металлов к воде. Металл в виде простого вещества является восстановителем, и его восстановительные свойства выражены сильнее, чем ниже стандартный потенциал металла (Eo).

Для восстановления молекул воды в нейтральной среде (концентрация ионов водорода при 25о С соответствует 10-7 моль/л) необходимо применять потенциал -0.414 В (рассчитанный по уравнению Нернста). Следовательно, металлы с большим отрицательным потенциалом, чем -0,414 В, теоретически должны вытеснять водород из воды. Щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) и щелочно-земельные металлы (кальций, стронций, барий) — единственные металлы, которые при нормальной температуре легко реагируют с водой, так как их оксидные слои и продукты взаимодействия — гидроксиды — растворимы в воде. Они не защищают металл от его действия. Роль окислителя в этих реакциях берет на себя вода, о чем свидетельствует выделение водорода.

Менее активные металлы — магний, алюминий, цинк, железо — труднее окисляются. Более или менее высокие температуры необходимы для разложения их воды. Отсутствие видимого взаимодействия других активных металлов с водой при нормальной температуре обусловлено, главным образом, нерастворимостью природных оксидных слоев или образующихся продуктов. Это связано с наличием на поверхности алюминия очень плотного, тонкого слоя химически инертного оксида, который ни при каких условиях не взаимодействует с водой.

Однако некоторые активные металлы (Mg, Mn, Ti, Zn, Cr, Fe) при нагревании могут взаимодействовать с водой. Но и реакция взаимодействия этих металлов при нагреве отличается. Это зависит от активности металла и растворимости его оксидов и гидроксидов. Например, магний и марганец при нагревании активно реагируют с водой, а титан реагирует только с кипящей водой, а затем медленно. Цинк реагирует только с перегретым паром, в то время как хром и утюг реагируют паром только при температуре красного кальция.

Поэтому для растворения металла в воде требуется три условия:

чтобы естественный слой оксида металла мог раствориться в воде;
чтобы удержать эо-металл ниже 0,414 В;
чтобы продукт взаимодействия металл-вода растворялся в воде.

Соотношение металлов и кислых растворов. Тип взаимодействия металлов с кислотами зависит от активности окисленного металла, типа и концентрации кислоты. Роль окислителя могут играть ионы кислоты или основной элемент, образующий кислоту, насыщенную кислотой. В первом случае кислоты (соляная кислота, разбавленная серная кислота, уксусная кислота и некоторые другие) растворяют почти все металлы с отрицательными значениями стандартного электродного потенциала (алюминий, железо, цинк, никель и т.д.). Металлы с положительными значениями ЭО окисляются кислотными остатками азотной кислоты и концентрированной серной кислоты. Почти все металлы с потенциалом электродов ниже, чем у водорода, т.е. менее 0, также реагируют на эти кислоты. Во всех случаях продуктами взаимодействия металлов с азотной и концентрированной серной кислотами являются соль, продукт кислотного восстановления и вода.

При соответствующих условиях (тип металла и кислоты, их температура) металлы практически не растворяются в кислотах в результате пассивации. В целом, термин «пассивность» металлов используется для характеристики такого состояния металлов, когда они теряют способность протекать некоторые присущие им реакции в нормальных состояниях. Пассивация связана с образованием на поверхности металла плотных, почти нерастворимых пленок оксидов, солей или других соединений. В связи с образованием на поверхности алюминия оксидных пленок хром, железо, кобальт и никель не взаимодействуют с концентрированными (и особенно дымчатыми) азотной и серной кислотами на холоде. Нерастворимые соли обычно образуются при взаимодействии металлов с не сильными кислотами, такими как H3PO4, H2CO3, HF. Пассивация металлов широко используется в промышленности. Например, алюминий используется в качестве строительного материала в производстве концентрированной азотной кислоты, нержавеющая сталь в производстве серной кислоты, свинец в производстве разбавленной серной кислоты, хром добавляется в сплавы для придания им кислотности.

Соотношение металлов и щелочных растворов.

Для растворения металла в водных щелочных растворах требуется три условия:

чтобы растворить естественный слой оксида металла в щелочах;
что потенциал процесса окисления металла меньше -0,826 В;
что продукт взаимодействия металла с водой, т.е. гидроксид металла, обладает амфотерными свойствами.

В щелочной среде металлы, образующие амфотерные гидроксиды, оксиды, солевые гидроксиды.

Соотношение металлов и солевых растворов. Каждый металл в серии стандартных электродных потенциалов вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из их солевых растворов. Однако могут быть случаи, когда менее активные металлы в водной среде взаимодействуют с солями, образованными активными металлами. Например, реакция между железом и хлоридом цинка обусловлена гидролизом соли в водном растворе и дальнейшим взаимодействием металла с продуктами гидролиза (HCl).

Физические свойства

Наиболее характерными свойствами металлов являются: металлический блеск, твердость, пластичность, пластичность и хорошая тепло- и электропроводность. Очень важным свойством металлов является их относительно легкая механическая деформация. Металлы — это пластмассы, они хорошо кованые, втягиваются в проволоку, прокатываются в плиты и т.д. Эти типичные свойства металлов обусловлены их электронной структурой.

Все металлы характеризуются металлической кристаллической решеткой: В его узлах находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны. Последнее объясняет высокую электро- и теплопроводность и возможность обработки.

Тепловая и электрическая проводимость уменьшается в серии металлов: Ag Sz AS AL Mg Zn FE RB Hg.

Все металлы разделены на две основные группы.

Черные металлы. Они имеют темно-серый цвет, высокую плотность, высокую температуру плавления и относительно высокую твердость. Типичными представителями черных металлов являются чугун и его сплавы — сталь и чугун.

На черные металлы в промышленности приходится более 90% по весу всего металла, используемого для различных целей. Применяются для производства металлоконструкций (мостов, балок, ферм, колонн, резервуаров), для изготовления различных машин и оборудования, вагонов, рельсов и др. Причиной такого широкого использования черных металлов является их относительная дешевизна и высокая прочность.

Цветные металлы. Они имеют характерную окраску: красный, желтый, белый; имеют высокую пластичность, низкую твердость, довольно низкую температуру плавления. Типичным представителем цветных металлов является медь.

Цветные металлы в основном используются в качестве добавок (присадок) для улучшения свойств черных металлов или придания им особых свойств (например, для производства нержавеющих сталей, для производства твердых режущих сплавов и т.д.).

Таким образом, термин «металлы» относится ко всей группе металлических материалов — чистым металлам и сплавам.

Чистые металлы используются только в том случае, если материал имеет высокие требования к тепло- и электропроводности, высокую температуру плавления и т.д. Например, провода, кабели, обмотки электрических машин почти всегда изготавливаются из меди, так как медь является лучшей проводящей средой для всех металлов, кроме серебра. Чистый вольфрам, как наиболее термостойкий металл, используется для производства нитей для ламп накаливания.

Металлы обладают магнитными свойствами. Таким образом, переходные металлы с незавершенными f- и d-электронными облаками являются парамагнитными. Некоторые из них при определенных температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние.

Наряду с черными и цветными металлами существует также группа драгоценных металлов: серебро, золото, платина, рутений и некоторые другие. Названия «благородные» эти металлы получили из-за их высокой химической стойкости (они практически не окисляются на воздухе даже при повышенных температурах и не разрушаются под действием растворов кислот и щелочей на них) и красивого внешнего вида в изделиях, в том числе в ювелирных изделиях. Кроме того, золото, серебро и платина имеют высокую пластичность (можно прокатывать листы толщиной до 0,0001 мм, благодаря чему драгоценные металлы точно передают и поддерживают заданную форму), а металлы платиновой группы — тугоплавкие металлы.

В отличие от химической стойкости, все эти металлы встречаются в природе почти исключительно в чистом — натурном — виде и, в отличие от других металлов, практически не подвергаются химическим реакциям и не образуют соединений с другими элементами, менее восприимчивыми к коррозии.

Металлы делятся по плотности: легкие (плотность не более 5 г/см). Легкие металлы включают в себя: литий, натрий, калий, магний, кальций, цезий, алюминий, барий. Самый легкий металл — литий 1л, плотность 0,534 г/см3. Тяжелый (плотность выше 5 г/см3). Тяжелые металлы включают цинк, медь, железо, олово, свинец, серебро, золото, ртуть и другие. Самым тяжелым металлом является осмий с плотностью 22,5 г/см3.

Металлы отличаются по твердости:

Мягкий: даже порезанный ножом (натрий, калий, индий);
Твердость: металлы сравниваются по твердости с алмазом с твердостью 10. Хром — самый твердый металл, он режет стекло.

В зависимости от температуры плавления металлы условно делятся на

Легко плавится (температура плавления до 1539°C).

Плавимые металлы включают ртуть — температура плавления -38.9°С; галлий — температура плавления 29.78°С; цезий — температура плавления 28.5°С; другие металлы.

Огнеупорный (температура плавления выше 1539 C).

К огнеупорным металлам относятся: хром — температура плавления 1890 °C; молибден — температура плавления 2620 °C; ванадий — температура плавления 1900 °C; тантал — температура плавления 3015 °C; и многие другие металлы.

Самый жаропрочный металл вольфрама — температура плавления 3420 °С.

Микроскопическая структура

Характерные свойства металлов можно понять исходя из их внутренней структуры. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Результирующая разница потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (так называемых электронов проводимости) в кристаллической решетке. Сочетание этих электронов часто называют электронным газом. В дополнение к электронам, фононы (колебания решетки) способствуют теплопроводности. Пластичность обусловлена небольшим энергетическим барьером для движения дислокаций и смещением кристаллографических плоскостей. Твердость может быть объяснена большим количеством структурных дефектов (межузловые атомы, вакансии и т.д.).

Благодаря небольшой отдаче электронов возможно окисление металла, что может привести к коррозии и дальнейшему ухудшению свойств. Способность металлов к окислению можно узнать из стандартного диапазона активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в сочетании с другими элементами (сплав, важнейшим элементом которого является сталь), их сплавов и использования различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов следует использовать квантовую механику. Во всех твердых телах с достаточной симметрией энергетические уровни электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешенные зоны, а зону, образованную валентными электронами, называют валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах очень широка и не все валентные электроны достаточны для ее полного заполнения.

Главной характеристикой такой частично заполненной зоны является то, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается реконструкция валентных электронов, т.е. протекающего электрического тока.

Такая же высокая подвижность электронов приводит к высокой теплопроводности и способности отражать электромагнитное излучение (что придает металлам характерный блеск).

Применение металлов

Строительные материалы. Металлы и их сплавы являются одним из важнейших строительных материалов современной цивилизации. Это в основном определяется их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, изменяя рецептуру сплавов, можно изменять их свойства в очень широком диапазоне.

Электрические материалы. Металлы используются как хорошие электрические проводники (медь, алюминий), так и как материалы с повышенным сопротивлением для резисторов и электрических нагревательных элементов (нихром и т.д.).

Инструментальные материалы. Металлы и их сплавы часто используются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твердые сплавы. В качестве инструментальных материалов используются также алмаз, нитрид бора и керамика.

Нахождение металлов в природе

Металлы с низкой химической активностью (Cu, Ag, Au, Pt, Hg) встречаются в виде свободных включений в породах. Большинство металлов встречается в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические вещества. Для того, чтобы извлечь чистые металлы и использовать их дальше, необходимо отделить и очистить их от руд. При необходимости выполнять сплавы и другую обработку металлов. Это исследуется наукой металлургии, которая различает руды черных металлов (на основе железа) и цветных металлов (в них нет железа, всего около 70 элементов). Исключение составляют около 16 элементов: так называемые драгоценные металлы (золото, серебро и т.д.) и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей.

Они также присутствуют в небольших количествах в морской воде (1,05% — 0,12%), растениях и живых организмах (которые играют важную роль).

Таким образом, содержание некоторых металлов в земной коре следующее: алюминий — 8,2%, железо — 4,1%, кальций — 4,1%, натрий — 2,3%, магний — 2,3%, калий — 2,1%, титан — 0,56%.

Металлы встречаются в природе:

в своем первоначальном состоянии: серебро, золото, платина, медь, иногда ртуть.
в виде оксидов: магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3 и др.
в виде смешанных оксидов: Каолин АІ2О3 — 2SiO2 — 2H2O, алунит (Na,K)2O — АІО3 — 2SiO2 и др.
различных солей:
Сульфиды: PbS галенит, NgS киноварь,
Хлориды: сильвинит KS1, NaCl-галогенит, сильвинит KSl-NaCl, карналлит KSl — MgSl2 — 6H2O,
Сульфаты: барит Vaso4, ангидрид Ca8O4
Фосфат: апатит Ca3(RO4)2,
Карбонаты: мел, мрамор SASO3, магнезит MgSO3.

Большая часть алюминия сконцентрирована в алюмосиликатах, из которых наиболее распространены полевые шпаты. Их важнейшими представителями являются ортоклазовые минералы K [AlSi3O10], альбит Na [AlSi3O10] и анорит Ca [Al2Si2O10]. Очень распространены минералы слюдяной группы, например, мусковит Kal2[AlSi3O10][OH]2 и нефелин (Na, K)2[Al2Si2O8] (используются для производства оксида алюминия, содовых изделий и цемента). Среди других минералов наиболее часто используются бокситы Al2O3*nH2O и криолит Na3AlF6. Общим продуктом разрушения пород является каолин, который состоит в основном из глинистого минерала каолинита Al2O3*2SiO2*2H2O.

Большая часть кальция встречается в природе в виде месторождений известняка и мела, состоящих в основном из кальцитового минерала CaCO3 и мрамора. Среди других пород наиболее распространены доломит CaCO3*MgCO3, ангидрит CaSO4 и гипс CaSO4*2H2O, флюорит CaF2 и апатит 3Ca3(PO4)2*Ca(F, Cl)2. Кальций в значительных количествах содержится в различных силикатах, таких как CfO*3MgO*4SiO2 (асбест) и алюмосиликатах.

Магний в природе часто встречается в виде магнезита MgCO3 и доломита, силиката Mg2SiO4 (оливин), кайнита KCl*MgSO4*3H2O и карналлита KCl*MgCl2*6H2O. Природными соединениями щелочных металлов являются NaCl*KCl-Сильвинит, NaCl-Галогенит и Na2SO4*10H2O-Мирабилит.

Железо — самый распространенный металл в мире после алюминия. Это компонент многочисленных минералов, которые образуют скопления железных руд: Гематит Fe2O3, магнетит Fe3O4, гидрогеетит HFeO2*nH2O, сидерит FeCO3 и другие.

Время от времени встречается и местное железо метеоритного или земного происхождения.

Многие металлы часто сопровождают наиболее важные природные минералы: скандий является компонентом олова, вольфрама и кадмия в качестве примеси в цинковых рудах, ниобия и тантала в оловянных рудах. Железные руды всегда сопровождаются марганцем, никелем, кобальтом, молибденом, титаном, германием, ванадием.

Заключение

Наконец, все химические элементы разделены на металлы и неметаллы, а также различают группу драгоценных металлов: серебро, золото, платина, рутений и другие.

Металлы в природе очень многочисленны и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, в воде рек, озер, морей и океанов, в составе тел животных и растений и даже в атмосфере. Самым распространенным металлом в мире является алюминий, за которым следует железо.

Металлы обладают определенными характерными свойствами: металлический блеск; хорошая электропроводность; возможность легкой обработки (пластичность); высокая плотность; высокая температура плавления; высокая теплопроводность; способность к образованию сплавов — это объясняется общей структурой их кристаллических решеток.

Химические свойства металлов определяются слабой связью валентных электронов с ядром атома. Атомы относительно легко выделяют их и превращаются в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. Это их самое важное и наиболее распространенное химическое свойство.

Атомы металлов имеют больший радиус, чем неметаллы, так что атомы металлов могут легче отдавать валентные электроны. И поэтому они обладают способностью образовывать положительные ионы и показывают только положительную степень окисления в соединениях.

Поскольку атомы металлов легко выделяют валентные электроны, они являются восстановителями в свободном состоянии. Очевидно, что металлы как восстановители металлов должны вступать в реакцию с различными окислителями, к которым могут относиться простые вещества (неметаллы¬), кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. -Соединения металлов с кислородом называют оксидами, с галогенами — галогенидами, с серой — сульфидами, с азотом — нитридами, с фосфором — фосфидами, с углеродом — боридами, с водородом — гидридами и др. Д.

Список литературы

Эрочин Дж.М. Хими. Учебник / Дж.М. Эрочин. — М.: Издатель: Академия, 2003. — – 384 с.
Иванова Р.Г. Химия: Учебник для 10 класса общеобразовательных школ. — 5 изд. / Р.Г. Иванова, А.А. Каверина — М.: Просвещение, 2002. — 174 с.
Коровин Н.В. Общая химия / Н.В. Коровин. — М.: Издательский дом: Высшая школа, 2004. — 322 с.
Реутов О.А. Органическая химия. В 4-х частях / О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин — М.: Высшая школа, 2002. — 728 с.
Савинкина М. А. Химия. Десятый класс. Учебник / М.А. Савинкина. — М.: Издатель: АСТ, 2003. — — 128 с.