Положение металлов в периодической системе. Строение атомов металлов. Группы металлов

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

ZnO + C = Zn + CO

В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода. Например:

ZnCO₃ = ZnO + CO₂

Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция. Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк.

Во многих рудах количество примесей (пустой породы) так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной. Такие руды предварительно «обогащают», то есть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд (флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.

Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и пустой силикатной породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого «коллектора», который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этого через смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене; частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду со значительно большим содержанием металла.

Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы.

Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии.

Очень важным способом получения металлов является также электролиз. Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.   

7. Применение металлов

 

Среди свойств сплавов наиболее важными для практического применения являются жаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, для металлообрабатывающей промышленности - специальные сплавы, содержащие вольфрам, кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентом которых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продукты взаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, а сверхпроводящие при низких температурах сплавы - на основе интерметаллидов, образуемых ниобием с оловом и др.

Современная техника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаев они состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов. Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойств индивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5 градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температуры плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов.

Na₂CO₃ – карбонат натрия, образует кристаллогидрат Na₂CO₃ * 10H₂O, известный под названием кристаллическая сода, которая применяется в производстве стекла, бумаги, мыла. Это средняя соль.

В быту более известна кислая соль – гидрокарбонат натрия NaHCO3, она применяется в пищевой промышленности (пищевая сода) и в медицине (питьевая сода).

K₂CO₃ – карбонат калия, техническое название – поташ, и используется в производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве удобрения.

Магний и кальций применяют  для производства редких металлов и  легких сплавов. Например, магний входит в состав дюралюминия, а кальций  – одним из компонентов свинцовых  сплавов, необходимых для изготовления подшипников и оболочек  кабелей.

В технике оксид кальция  CaO называют негашеной известью, а MgO – жженой магнезией. Оба эти оксида используются в производстве строительных материалов.

Если порошок алюминия или тонкую алюминиевую фольгу сильно нагреть, то они воспламеняются и  сгорают ослепительным пламенем:

4Al⁰ + 3O₂⁰ = 2Al₂⁺³O₃^-2

Это реакция используется для изготовления бенгальских огней  и фейерверков.

Алюминий широко используется в металлургии для получения  металлов – хрома, марганца, ванадия, титана, циркония из их оксидов. Этот способ носит название алюминотермии. На практике часто применяется термит – смесь  Fe₃O₄ с порошком алюминия. Если эту смесь поджечь, например, с помощью магниевой ленты, то происходит энергичная реакция с выделением большого количества теплоты:

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

Железо – это основа современной техники и сельскохозяйственного машиностроения, транспорта и средств связи, космических кораблей и вообще всей современной промышленности и цивилизации. Большинство изделий, начиная от швейной иглы и кончая космическими аппаратами, не может быть изготовлено без применения железа.

Сульфиды щелочноземельных металлов, содержащие в малых количествах примесей тяжелых металлов, после предварительного освещения начинают светиться различным цветом – красным, оранжевым, голубым, зеленым. Они входят в состав специальных светящихся красок, которые называют фосфорами. Их используют для изготовления светящихся дорожных знаков, циферблатов и т.п.

CaCO₃ – карбонат кальция – одно из самых распространенных на Земле соединений. Нам широко известны такие содержащие его минералы, как мел, мрамор, известняк. Также  его применяют для изготовления побелки.

Самый важный из этих минералов – известняк, без которого не обходится ни одно строительство. Во-первых, он сам является прекрасным строительным камнем (вспомним знаменитые одесские катакомбы – бывшие каменоломни, в которых  добывали камень для строительства города), во-вторых, это сырье для получения других материалов: цемента, гашеной и негашеной извести, стекла и др.

Известняковой щебенкой укрепляют  дороги, а порошком – уменьшают  кислотность почв.

Природный мел представляет собой остатки раковин древних  животных . Один из примеров использования  мела мы хорошо знаем – это школьные мелки, зубные пасты. Мел используют в производстве бумаги, а также  резины.

Мрамор – это минерал  скульпторов, архитекторов и облицовщиков. Из мрамора создавал свои прекрасные творения Микеланджело, стены всемирно- известного индийского мавзолея Тадж-Махал  выложены из мрамора, мрамором облицованы многие станции московского метро.

MgCO₃ – карбонат магния, широко применяется в производстве стекла, цемента, кирпича, а также в металлургии для перевода пустой породы, т.е. не содержащей соединения металла, в шлак.

CaSO₄ – сульфат кальция, встречается в природе в виде минерала гипса CaSO₄ * 2H₂O, представляющего собой кристаллогидрат. Используется в строительстве, в медицине для наложения неподвижных гипсовых повязок, для получения слепков. Для этого применяют полуводный гипс 2CaSO₄ * H₂O – алебастр, который при взаимодействии с водой образует двуводный гипс:

2CaSO₄ * H₂O + H₂O = 2CaSO₄ * H₂O

Эта реакция идет с выделением теплоты.

MgSO₄ – сульфат магния, известный под названием горькая или английская соль, используемый в медицине в качестве слабительно средства. Содержится в морской воде и придает ей горький вкус.

BaSO₄ – сульфат бария благодаря нерастворимости и способности задерживать рентгеновские лучи применяется в рентгенодиагностике («баритовая каша») при заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Ca₃(PO₄)₂ – фосфат кальция, входит в состав фосфоритов (горная порода) и апатитов (минералов), а также в состав костей и зубов в организме взрослого человека содержится более 1 кг. кальция в виде соединения Ca₃(PO₄)₂.

Корунд – минерал состава  Al₂O₃, обладает очень высокой твердостью, его мелкозернистая разновидность, содержащая примеси, - наждак, применяется как абразивный (шлифовочный) материал.

Хорошо известны прозрачные окрашенные примесями кристаллы корунда: красный – рубины и синие – сапфиры, которые используют как драгоценные камни. В настоящее время их получают искусственно и применяют не только для украшений, но и для технических целей, например, для изготовления деталей часов и других точных приборов. Кристаллы рубинов применяют в лазерах.

FeS₂ – не служит железной рудой для получения металлов, но применяется для производства серной кислоты.

Кристаллогидрат сульфата железа(II)  FeSO * 7H₂O, известны под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок и в других целях.

Хлорид железа(III) FeCl₃ используют в качестве протравы при крашении тканей.

Сульфат железа(III)  Fe₂(SO₄)₃ * 9H₂O применяется для очистки воды и в других целях.

Нитрат серебра AgNO₃, называемый также ляписом. Образует бесцветные прозрачные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяется в производстве фотоматериалов, при изготовлении зеркал, в гальванотехнике и в медицине.

 

Заключение

 

Человек с самого раннего  возраста привыкает к окружающим его металлическим предметам  домашнего обихода. Мы к ним настолько  привыкли, что не замечаем и не задумываемся, откуда они берутся. 
Современную жизнь нельзя представить без таких металлов и сплавов, как чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро и др. Будущее человечества тесно связано с использованием новых сплавов и металлов на металлической основе. Металл – фундамент современной цивилизации, основа основ технического прогресса. И чем выше поднимается человечество по ступеням развития, тем больше его нужда в металлах. 
Металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, т. е. они теплопроводны и электропроводны. Самую высокую электропроводность имеют серебро Ag, медь Си, алюминий Al, золото Au и железо Fe. Из меди и алюминия делают электрические провода.