Метали — урок по химия

1. Метална връзка и физични свойства

В металния кристал атомите са отдали външните си електрони на общ „електронен газ“, който свързва положителните (виж Химична връзка). Тази обяснява общите свойства на металите.

О

Общи физични свойства на металите

Металите имат метален блясък, провеждат добре електричния ток и топлината (подвижните електрони пренасят заряд и енергия), ковки и пластични са (слоевете йони се плъзгат, без връзката да се къса). Освен живака всички са твърди при стайна температура.

Рекорд	Метал	Стойност
най-ниска температура на топене	живак Hg	−38,8 °C
топи се в ръката	галий Ga	29,8 °C
най-висока температура на топене	волфрам W	3422 °C
най-лек	литий Li	0,53 g/cm³
най-плътен	осмий Os	22,6 g/cm³
най-добър проводник	сребро Ag	следват Cu, Au, Al

Затова жиците са от мед и алуминий (среброто е твърде скъпо), нишките на старите крушки – от волфрам, а термометрите от миналото – с живак. Свойствата зависят и от чистотата: съвсем малко примеси правят метала по-твърд, но по-лош .

2. Металите в периодичната система

От 118-те известни елемента над 90 са метали. Те заемат лявата и долната част на , а границата с минава по диагонала от бор към астат, където са .

Т

Металите са редуктори

Атомите на металите имат малко валентни електрони (обикновено 1–3) и ниска йонизационна енергия. В реакциите те отдават електрони и се окисляват до положителни йони:

\mathrm{M - ne^- \to M^{n+}}

. Затова металите са редуктори. В периода металните свойства отслабват отляво надясно, а в групата се засилват отгоре надолу.

Най-активните метали – цезий и франций – са долу вляво. Затова калият реагира с вода по-бурно от натрия, а натрият – по-бурно от лития.

3. Химични свойства на металите

Колко лесно металът отдава електрони, показва (подробно – в урока Окисление-редукция и електрохимия). От него следват четири правила:

С кислород реагират почти всички метали, при нагряване по-бързо: $\mathrm{2Mg + O_2 \to 2MgO}$ . Златото и платината не се окисляват.
С вода при стайна температура реагират само най-активните – алкалните метали и Ca, Sr, Ba: получават се основа и водород, $\mathrm{2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2\uparrow}$ .
С разредени киселини (HCl, разредена $\mathrm{H_2SO_4}$ ) водород отделят металите преди водорода в реда на активност: $\mathrm{Zn + 2HCl \to ZnCl_2 + H_2\uparrow}$ . Азотната и концентрираната сярна киселина действат иначе – вместо водород отделят NO, NO₂ или SO₂ и разтварят дори медта.
С разтвори на соли: по-активният метал измества по-малко активния от солта му: $\mathrm{Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu}$ .

Пример

Какво ще се случи, ако в разтвор на CuSO₄ пуснем парченце натрий? Ще се отложи ли мед?

Натрият е много по-активен от медта, но първо реагира с водата: $\mathrm{2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2\uparrow}$
Получената основа дава с медната сол синя утайка: $\mathrm{2NaOH + CuSO_4 \to Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4}$
Мед не се отлага. Правилото за изместване важи за метали, които не реагират с водата.

маса на метала, g6,5

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

n(Zn) =0,1 molV(H₂) н.у. =2,24 L

Равномерно отделяне на мехурчета – така се получава водород в лабораторията.

💡 Zn е преди водорода в реда на активност, затова може да измести водорода от киселините. С вода при стайна температура реагират само най-активните метали – до калция, а магнезият едва. Количествата са пресметнати, ако металът реагира напълно.

4. Алкални и алкалоземни метали

(група 1: Li, Na, K, Rb, Cs) имат по един валентен електрон и са най-активните метали. Те са меки (натрият се реже с нож), леки и се пазят под керосин или парафиново масло, за да не реагират с въздуха и влагата. С вода дават силни основи – основи, разтворими във вода, се наричат алкални основи (оттам и името на групата).

Алкалоземните метали (група 2: Be, Mg, Ca, Sr, Ba) имат по два валентни електрона и в съединенията си са със +2. Те са по-твърди и по-малко активни: калцият реагира с вода спокойно, а магнезият – едва при нагряване. Магнезият гори с ослепително бяла светлина (използвал се е в светкавиците на старите фотоапарати), а калциевите съединения са навсякъде около нас – варовик $\mathrm{CaCO_3}$ , негасена вар $\mathrm{CaO}$ , гасена вар $\mathrm{Ca(OH)_2}$ , гипс. Йоните $\mathrm{Ca^{2+}}$ и $\mathrm{Mg^{2+}}$ правят водата твърда – от тях е котленият камък в чайника.

Т

Активните метали с вода

\mathrm{2M + 2H_2O \to 2MOH + H_2\uparrow}

за алкалните метали и

\mathrm{M + 2H_2O \to M(OH)_2 + H_2\uparrow}

за Ca, Sr, Ba. Активността расте надолу в групата: литият реагира спокойно, а цезият – с експлозия.

Йоните на тези метали оцветяват пламъка в характерни цветове – Na в жълто, K във виолетово, Ca в оранжево-червено. Как с това се откриват веществата, ще видим в урока Йонни реакции и качествен анализ.

5. Алуминий

Алуминият е най-разпространеният метал в земната кора (около 8% по маса), лек е (2,7 g/cm³) и добър проводник. Въпреки че е активен, във въздуха се покрива с плътен слой $\mathrm{Al_2O_3}$ , дебел само няколко нанометра, който го пази от по-нататъшно . С разредени киселини реагира, след като слоят се разтвори: $\mathrm{2Al + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow}$ .

Т

Амфотерност на алуминия

Алуминият, оксидът и хидроксидът му реагират и с киселини, и с основи – те са амфотерни. С разтвор на основа:

\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O}

\mathrm{{} \to 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow}

. Затова в алуминиеви съдове не се държат силно основни разтвори.

Повече за и – в урока Класове неорганични съединения. Алуминият е и силен при висока температура: в алуминотермията той отнема кислорода от оксидите на по-малко активните метали, например $\mathrm{Fe_2O_3 + 2Al \to Al_2O_3 + 2Fe}$ . Реакцията отделя толкова топлина, че желязото се получава разтопено – така се заваряват релси.

6. Желязо и мед

Желязото е вторият по разпространение метал в земната кора и най-използваният метал изобщо – около 90% от металите, които човечеството произвежда (по маса), са желязо и стомана. В съединенията си е със степен на окисление +2 или +3. С разредени киселини и със сяра дава съединения на Fe(II): $\mathrm{Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow}$ , $\mathrm{Fe + S \to FeS}$ , а със силния хлор – на Fe(III): $\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \to 2FeCl_3}$ . Студените концентрирани $\mathrm{H_2SO_4}$ и $\mathrm{HNO_3}$ пасивират желязото – покриват го със защитен оксиден слой, – затова се превозват в стоманени цистерни.

Медта е червеникав, много добър проводник. Тя е след водорода в реда на активност и не реагира с разредена солна киселина. При нагряване на въздух почернява от $\mathrm{CuO}$ , а с годините покривите и статуите от мед се покриват със зелена патина – основен меден карбонат $\mathrm{Cu_2(OH)_2CO_3}$ . Медта се разтваря в азотна киселина: $\mathrm{3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}$ .

Пример

Метал с маса 2,8 g отделя с излишък солна киселина 1,12 L водород (н.у.), а при горене в хлор дава 8,125 g хлорид. Кой е металът?

$n(\mathrm{H_2}) = \frac{1{,}12}{22{,}4} = 0{,}05\ \mathrm{mol}$ . Ако металът е двувалентен в хлорида с HCl, $n(\mathrm{M}) = 0{,}05\ \mathrm{mol}$ .
$M = \frac{2{,}8}{0{,}05} = 56\ \mathrm{g/mol}$ – желязо.
Проверка с хлора: $\mathrm{FeCl_3}$ , $0{,}05 \cdot 162{,}5 = 8{,}125\ \mathrm{g}$ ✓. С HCl желязото е +2, с хлор – +3.

7. Добиване на металите

Само най-малко активните метали – злато, платина, понякога сребро и мед – се срещат самородни, като чист метал. Другите са в руди: минерали (оксиди, сулфиди, карбонати, хлориди) с примеси от скали. Добиването на метала е : $\mathrm{M^{n+} + ne^- \to M}$ .

Т

Методът зависи от активността

Най-активните метали (K – Al) се получават с електролиза на стопилки: никой евтин химичен редуктор не е достатъчно силен. Металите със средна активност (Zn – Pb) се редуцират от оксидите си с въглерод, въглероден оксид, водород или алуминий. Най-малко активните (Cu, Hg, Ag, Au) се получават с пържене на сулфидите им или се срещат самородни.

В доменната пещ желязната руда, коксът и варовикът се зареждат отгоре, а отдолу се вдухва горещ въздух. Коксът изгаря до въглероден оксид, който редуцира рудата: $\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \to 2Fe + 3CO_2}$ . Варовикът свързва пясъка и глината в шлака, която плава над разтопения чугун.

Руда: хематит (Fe₂O₃) – редукция с C, CO, Al

В доменната пещ коксът изгаря: C + O₂ → CO₂, после CO₂ + C → 2CO
Въглеродният оксид редуцира рудата: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
Варовикът свързва примесите в шлака: CaCO₃ → CaO + CO₂, CaO + SiO₂ → CaSiO₃

руда, t10Fe₂O₃ в рудата, %80добив, %90

w(Fe) в Fe₂O₃ =2·56 / 160 = 70%m(Fe₂O₃) =8 tm(Fe) =5,04 t

Получава се чугун – желязо с около 4% въглерод. От него в конвертор с кислород се изгаря излишният въглерод и се получава стомана.

💡 m(метал) = m(руда) · w(минерал в рудата) · w(метал в минерала) · добив. Колкото по-активен е металът, толкова по-здраво е свързан в съединенията си и толкова повече енергия струва добиването му. Затова медта, оловото и желязото се използват от хилядолетия, а алуминият – едва от края на XIX век.

Пример

Колко тона алуминий се получават от 10 t боксит, който съдържа 51% Al₂O₃, ако добивът е 90%?

$m(\mathrm{Al_2O_3}) = 10 \cdot 0{,}51 = 5{,}1\ \mathrm{t}$
$w(\mathrm{Al}) = \frac{54}{102}$ , значи теоретично: $5{,}1 \cdot \frac{54}{102} = 2{,}7\ \mathrm{t}$
При добив 90%: $2{,}7 \cdot 0{,}9 = 2{,}43\ \mathrm{t}$ алуминий.

8. Сплави и смеси от метали

Чистите метали рядко имат точно нужните свойства. Сплавите – твърди разтвори и смеси на метал с други метали или с въглерод – често са по-твърди, по-здрави или по-устойчиви на корозия от съставките си. Чужди атоми в кристала пречат на слоевете да се плъзгат.

Сплав	Състав (приблизително)	Употреба
стомана	Fe + до 2% C	конструкции, инструменти, коли
чугун	Fe + 2–4% C	отливки, тенджери, радиатори
неръждаема стомана	Fe + около 18% Cr + 8% Ni	прибори, кухненски мивки, медицина
месинг	Cu + 20–40% Zn	кранове, ключалки, духови инструменти
бронз	Cu + около 10% Sn	камбани, статуи, медали
дуралуминий	Al + около 4% Cu, малко Mg и Mn	самолети, велосипеди
злато проба 585	58,5% Au + Ag и Cu	бижута

Съставът на сплав или смес от метали често се намира, като проба се разтвори в киселина и се измери отделеният водород.

Пример

7,8 g смес от магнезий и алуминий отделят с излишък солна киселина 8,96 L водород (н.у.). Колко грама от всеки метал има в сместа?

Нека $n(\mathrm{Mg}) = x$ , $n(\mathrm{Al}) = y$ . От Mg се отделят $x$ mol $\mathrm{H_2}$ , от Al – $1{,}5y$ mol.
$24x + 27y = 7{,}8$ и $x + 1{,}5y = \frac{8{,}96}{22{,}4} = 0{,}4$
От второто $x = 0{,}4 - 1{,}5y$ ; заместваме: $9{,}6 - 36y + 27y = 7{,}8 \Rightarrow y = 0{,}2$ , $x = 0{,}1$
$m(\mathrm{Mg}) = 2{,}4\ \mathrm{g}$ , $m(\mathrm{Al}) = 5{,}4\ \mathrm{g}$

маса на сместа, g10Zn в сместа, %40

V(H₂) =1,38 Ln(H₂) =0,062 mol

Cu не реагира със солна киселина, затова целият водород идва от Zn: n(Zn) = n(H₂).

💡 Така се проверява съставът на сплави и смеси: проба се разтваря в киселина и се мери отделеният водород. Ако единият метал не реагира (като медта), задачата е с едно неизвестно; ако реагират и двата – трябва система от две уравнения: за масата и за водорода.

9. Корозия – накратко

Добиването на метала изразходва енергия, а е обратният, самопроизволен процес: металът отново се окислява до съединения, подобни на рудата. Желязото ръждясва, когато има едновременно вода и кислород. Металите се пазят с боя, с покритие от по-активен метал (поцинковане), с протектори от магнезий или цинк и с неръждаеми сплави. Как действат тези методи от гледна точка на електрохимията, е обяснено в урока Окисление-редукция и електрохимия.

10. Тренажор

Водород от метал и киселина, изместване на медта, желязо от руда, състав на смес и проба на златото. Десетичните отговори въвеждай като 2,24.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\mathrm{Zn + CuSO_4 \to ZnSO_4 + Cu}

Колко грама мед се отлагат, ако реагират 3,25 g Zn?

11. Металите около нас

От кутийката за напитки до златния пръстен – изчисленията с метали са навсякъде.

0 / 6

🥫 Алуминий от боксит

Колко килограма чист Al₂O₃ са нужни за 1 t алуминий, ако цялото количество се превърне в метал? Колко електроенергия отива за тази 1 t, ако за 1 kg алуминий се изразходват около 14 kWh?

🔩 Пирон в меден сулфат

Железен пирон с маса 10 g е потопен в разтвор на CuSO₄. След известно време го изваждат, изсушават и претеглят: масата му е 10,75 g. Колко грама мед са се отложили върху него?

💍 Злато проба 585

Пръстен от злато проба 585 тежи 4 g. Колко грама чисто злато има в него и колко грама са другите метали (сребро и мед)?

🏭 Доменна пещ

В доменна пещ се зарежда 1 t руда, която съдържа 80% Fe₂O₃. Колко килограма желязо може да се получи най-много? Колко килограма чугун с 4% въглерод е това?

🛤️ Заваряване на релси с термит

Релсите се заваряват с термитна смес: Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe. Реакцията отделя толкова топлина, че желязото излиза разтопено. Колко килограма алуминий и колко Fe₂O₃ са нужни, за да се получат 10 kg желязо?

🎺 Колко цинк има в месинга

Парче месинг (сплав на мед и цинк) с маса 10 g се обработва с излишък солна киселина. Отделят се 1,12 L водород (н.у.). Каква е масовата част на цинка в месинга?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

12. ⚠️ Чести грешки

Желязо и солна киселина

✗ $\displaystyle \mathrm{2Fe + 6HCl \to 2FeCl_3 + 3H_2}$

✓ С разредени киселини се получава $\displaystyle \mathrm{FeCl_2}$ ; $\displaystyle \mathrm{Fe^{3+}}$ дават силни окислители като $\displaystyle \mathrm{Cl_2}$ .

Натрий в разтвор на сол

✗ Натрият измества медта от $\displaystyle \mathrm{CuSO_4}$ .

✓ Натрият реагира първо с водата; получава се утайка $\displaystyle \mathrm{Cu(OH)_2}$ .

Мед и киселини

✗ Медта не реагира с никоя киселина.

✓ Не реагира с разредени HCl и $\displaystyle \mathrm{H_2SO_4}$ , но се разтваря в $\displaystyle \mathrm{HNO_3}$ и в концентрирана $\displaystyle \mathrm{H_2SO_4}$ .

Алуминият е пасивен

✗ Алуминият е неактивен метал, щом не ръждясва.

✓ Активен е, но го пази тънък плътен слой $\displaystyle \mathrm{Al_2O_3}$ .

Смес с мед

✗ Целият водород е от двата метала.

✓ Медта не отделя водород със солна киселина – той е само от другия метал.

Добив и чистота

✗ $\displaystyle m(\mathrm{Fe}) = m(\text{руда}) \cdot 0{,}7$

✓ Умножи още по частта на минерала в рудата и по добива.

13. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кой метал е течен при стайна температура?

Избери отговор (или натисни 1–4)

14. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

15. Обобщение

✓ Металите имат метална връзка: блясък, проводимост, ковкост; над 90 от 118-те елемента са метали
✓ Металите са редуктори: $\mathrm{M - ne^- \to M^{n+}}$ ; активността расте надолу в групата и наляво в периода
✓ С вода реагират най-активните метали; с разредени киселини – металите преди водорода; по-активният метал измества по-малко активния от солта му
✓ Алуминият е пазен от оксиден слой и е амфотерен; желязото дава Fe(II) с киселини и Fe(III) с хлор; медта не реагира с разредена HCl
✓ Добиване: K–Al с на стопилки, Zn–Pb с редукция (C, CO, Al), Cu–Au с пържене или самородни
✓ $m(\text{метал}) = m(\text{руда}) \cdot w(\text{минерал}) \cdot w(\text{метал}) \cdot \eta$
✓ Сплавите (стомана, месинг, бронз, дуралуминий) имат по-добри свойства от чистите метали

💡 Интересен факт

Галият се топи при 29,8 °C – по-ниско от температурата на тялото. Лъжичка от галий се разтапя в чаша горещ чай, а в ръката се превръща в сребриста течност. Нещо повече: течният галий остава течен до над 2000 °C, а при замръзване се разширява като водата. Днес почти целият галий отива за полупроводници – галиев нитрид и галиев арсенид в светодиодите и бързите зарядни устройства.