Общие свойства металлов. Сплавы

Для конц. H₂SO₄ (окислитель - S⁺⁶) 

Кроме того. Образуются соли серной кислоты  – сульфаты. 

Для разбавленной HNO₃ (окислитель N⁺⁵):

 Кроме  этого, в большинстве случаев образуются соли азотной кислоты – нитраты. 

Для конц. HNO₃ (окислитель N⁺⁵):

 

      Как уже было сказано, металлы  подразделяются на s-,d-,f-,p- семейства. Металлы разных семейств несколько отличаются друг от друга по химическим свойствам, т.к. имеют различное строение внешнего энергетического уровня.  

Руды  – природные соединения металлов.

      Вследствие высокой активности  большинство металлов в природе  встречается в соединениях. Только  металлы малой химической активности (Cu, Ag, Hg, Au, Pt) встречаются в природе в свободном состоянии, в виде вкраплений в горные породы или в результате разрушения горных пород в россыпях (золотоносный песок). Иногда эти металлы встречаются в значительных россыпях – самородки.

     В природе металлы образуют  соединения с различными окислителями и по этому признаку классифицируют руды.

      Оксидные руды.

Fe₂O₃ - гематит,

Fe₂O₃ • H₂O - гетит

Al₂O₃ - боксит

TiO₂ – рутил.

Карбонатные – легко переходят в оксидные, разлагаясь при нагревании:

CaCO₃ - Мрамор, мел, известняк; MgCO₃ - магнезит, CuCO₃•Cu(OH)₂ малахит.  

Силикатные  и алюмосиликатные.

Полевой шпат ортоклаз K₂O•Al₂O₃•6SiO₂, каолинит Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O, берилл 3BeO•Al₂O₃•6SiO₂. Очень трудно поддаются переработке. Из них добывают только те металлы, которые не встречаются в других соединениях.

Сульфидные.

FeS₂ – железный колчедан, Cu₂S•FeS₂ – медный колчедан, PbS – свинцовый блеск, ZnS – цинковая обманка. Обычно сульфидные руды содержат несколько металлов.

Галидные.

NaCl- каменная или поваренная соль, KCl - сильвин, KCl•MgCl₂•6H₂O – карналлит. 

Общие методы получения  металлов.

1. Вытеснение  металла более активным металлом. Этот процесс можно проводить:

• в водном растворе – гидрометаллургия

2[Au(CN)₂]^– + Zn → [Zn(CN)₄]^2– + 2Au

• при высоких температурах – металлотермия

3V₂O₅ + 10Al →5Al₂O₃ + 6V

TiCl₄ + 4Na → Ti + 4NaCl

2. Восстановление  металлов газообразными СО и  Н₂ в присутствии твердого углерода – пирометаллургия (только при высоких температурах):

МеО + СО ↔ Ме + СО₂

МеО + С  ↔ Ме + СО

МеО + Н₂ ↔ Ме + Н₂О

3. Электрометаллургия. Электролиз либо водных растворов либо расплавов. Этим способом можно выделить металл любой активности, но только из соединений с ионной связью. Ковалентные полярные соединения (TiCl₄, ZrCl₄) не подвергаются гидролизу. Обычно электролизом получают металлы высокой активности(Na, K, Be, Mg, Al, Ca), которые другими методами получить практически невозможно.  

Сплавы.

      Металлы образуют между собой  растворы в жидком и твердом  состоянии, т.к. в их строении  много общего, например. наличие  электронов проводимости.

     Образуя жидкие растворы, в результате  кристаллизации которых получаются  сплавы, металлы дают системы  с разнообразными свойствами. Образование  различных типов сплавов зависит  от сил взаимодействия между  атомами, образующими данный сплав.

Классификация сил взаимодействия и образующихся систем:

1. Отсутствие  взаимодействия или очень слабое  взаимодействие является причиной  того, что эти металлы не образуют  гомогенных растворов даже в  жидком состоянии и дают расслаивающиеся  жидкие фазы из чистых металлов. При охлаждении такой системы образуются два затвердевших слоя различной плотности. Такие системы дают алюминий и свинец, алюминий и кадмий, цинк и свинец. Поэтому эти пары не используются для получения сплавов.

2. Более  сильное взаимодействие между атомами металлов приводит к образованию непрерывных или неограниченных жидких растворов, при кристаллизации которых металлы выделяются в свободном состоянии и не образуют твердых растворов. Полученный сплав представляет собой гетерогенную систему из кристаллов отдельных компонентов. Сплавы этого типа в технике встречаются довольно часто.

3. Еще  более сильное взаимодействие  между атомами металлов приводит  к образованию растворов не  только в расплавленном состоянии,  но и в твердом. При кристаллизации расплава выпадают кристаллы твердого раствора двух или более металлов и сплав получается гомогенным. Такими сплавами являются, например. нержавеющие или жаропрочные стали, содержащие хром, никель и другие добавки в небольших количествах, растворенные в железе. 

     Твердым раствором называется твердое вещество, в кристаллическую решетку которого входят атомы или ионы одного или нескольких компонентов. Твердые растворы по растворимости компонентов разделяют на непрерывные твердые растворы с постепенно меняющейся концентрацией от 0 до 100% и ограниченные растворы, в которых существует предел растворимости одного металла в другом.

По физическому  строению твердые растворы подразделяют на ряд типов, основными из которых  являются растворы замещения и растворы внедрения. Растворы замещения образуются, когда атомы одного металла последовательно замещают в кристаллической решетке атомы другого металла, и постепенно кристаллическая структура одного металла переходит в структуру другого. Например. медь может образовывать непрерывный ряд растворов замещения с никелем.

     Растворы внедрения образуются  за счет проникновения в кристаллическую  решетку данного метала других  атомов металлического или неметаллического  типа. Эти атомы обычно имеют  меньший радиус, чем атомный радиус основного металла, и занимают свободное пространство между узлами решетки.     

4. Очень  сильное взаимодействие атомов  металлов приводит к образованию  интерметаллических соединений (интерметаллиды). Интерметаллиды – от латинского inter – между и metall металл. Эти соединения имеют свою собственную кристаллическую структуру и свойства. Устойчивость интерметаллидов различна: одни из них могут существовать и в жидкой и в твердой фазах, а другие только в твердой фазе, распадаясь при нагревании. Интерметаллиды образуются в результате взаимодействия металлов при сплавлении, конденсации из пара, при реакция в твердом состоянии вследствие взаимной диффузии, в результате интенсивной пластической деформации при механическом сплавлении (механоактивации). Для интерметаллидов характерен преимущественно металлический тип связи и специфические металлические свойства и прежде всего, значительная способность к пластической деформации.  Однако среди них имеются также солеобразные соединения с ионной связью, а также соединения с ковалентной и ковалентно-ионной связью. Ионные интерметаллиды обладают свойствами, характерными для солей: высокая температура плавления, пониженная по сравнению с металлами электропроводимость, многие разлагаются водой.      

       В сплавах интерметаллиды ведут себя, обычно, как самостоятельные компоненты, характеризуясь определенным составом и температурой плавления.

      Примеры интерметаллидов: ScMn₂, Sc₃Fe, ScFe₃, Sc₂Co, TiCr₃, CrMn₃, CrFe, MnFe₂.