Страница 153 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

✓ Чем металлы отличаются от неметаллов?

Металлы и неметаллы — это две большие группы химических элементов, которые кардинально различаются по своим физическим и химическим свойствам. Эти различия обусловлены строением их атомов, в частности, количеством электронов на внешней электронной оболочке и способностью их отдавать или принимать.

Физические свойства

• Агрегатное состояние (при н.у.): Подавляющее большинство металлов — твёрдые кристаллические вещества. Единственное исключение — ртуть ($Hg$), которая при комнатной температуре является жидкостью. Неметаллы же существуют во всех трёх агрегатных состояниях: твёрдые (углерод $C$, сера $S$, фосфор $P$), жидкие (бром $Br_2$) и газообразные (кислород $O_2$, азот $N_2$, хлор $Cl_2$).
• Внешний вид и блеск: Для всех металлов характерен специфический металлический блеск, они непрозрачны и имеют обычно серебристо-белый или серый цвет (исключения — золото $Au$ и медь $Cu$). Неметаллы в твёрдом состоянии не имеют металлического блеска (за исключением иода и графита), их цвета очень разнообразны, многие из них прозрачны.
• Пластичность (ковкость и тягучесть): Металлы пластичны. Их можно ковать, прокатывать в тонкие листы (ковкость) и вытягивать в проволоку (тягучесть или дуктильность). Твёрдые неметаллы, напротив, очень хрупкие и при попытке деформации разрушаются.
• Электро- и теплопроводность: Металлы являются отличными проводниками электрического тока и тепла. Это свойство объясняется наличием в их кристаллической решётке "электронного газа" — свободно движущихся электронов. Неметаллы в большинстве своём являются диэлектриками (не проводят ток) и плохими проводниками тепла. Единственное важное исключение — графит (одна из аллотропных модификаций углерода), который хорошо проводит электрический ток.
• Температуры плавления и кипения: Как правило, металлы имеют высокие температуры плавления и кипения. Например, у вольфрама ($W$) температура плавления $3422$ °C. Однако есть и легкоплавкие металлы, например, цезий ($Cs$) плавится при $28.5$ °C. У неметаллов разброс температур плавления и кипения очень велик — от сверхнизких (у инертных газов) до экстремально высоких (у алмаза температура плавления около $3800$ °C).

Химические свойства

• Строение атома и тип ионов: Атомы металлов имеют на внешнем энергетическом уровне малое число электронов (обычно 1-3). В химических реакциях они легко их отдают, превращаясь в положительно заряженные ионы — катионы (например, $Na^0 - 1e^- \rightarrow Na^+$).
  Атомы неметаллов, наоборот, имеют на внешнем уровне много электронов (обычно 4-8). Они склонны принимать недостающие электроны до заполнения оболочки, образуя отрицательно заряженные ионы — анионы (например, $Cl^0 + 1e^- \rightarrow Cl^-$), или образовывать ковалентные связи с другими атомами.
• Характер оксидов и гидроксидов: Металлы образуют оксиды, которые проявляют в основном основные свойства (например, $Na_2O$, $CuO$) или амфотерные (двойственные) свойства (например, $Al_2O_3$, $ZnO$). Этим оксидам соответствуют основания ($NaOH$, $Cu(OH)_2$) и амфотерные гидроксиды ($Al(OH)_3$, $Zn(OH)_2$).
  Неметаллы образуют кислотные оксиды (например, $SO_3$, $P_2O_5$), которым соответствуют кислоты ($H_2SO_4$, $H_3PO_4$), а также несолеобразующие (безразличные) оксиды ($CO$, $NO$, $N_2O$).
• Роль в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР): В реакциях металлы являются типичными восстановителями, так как они отдают свои валентные электроны. Неметаллы, как более электроотрицательные элементы, чаще всего выступают в роли окислителей (принимают электроны). Однако в реакциях с еще более электроотрицательными элементами (например, кислорода с фтором) они могут быть и восстановителями.

Положение в Периодической системе Д.И. Менделеева

Металлы и неметаллы занимают разные области в Периодической системе. Если провести условную диагональ от бора ($B$) к астату ($At$), то слева и ниже этой линии (а также во всех побочных подгруппах) будут находиться металлы. Справа и выше этой диагонали расположены неметаллы. Элементы вдоль этой линии (полуметаллы или металлоиды) проявляют промежуточные свойства.

Ответ: Металлы и неметаллы различаются по целому ряду физических и химических свойств.
Ключевые физические отличия: металлы пластичны, имеют металлический блеск, хорошо проводят тепло и электричество. Неметаллы хрупкие, не имеют металлического блеска и в основном являются изоляторами.
Ключевые химические отличия: атомы металлов склонны отдавать электроны, являясь восстановителями и образуя катионы, их оксиды и гидроксиды имеют основной или амфотерный характер. Атомы неметаллов склонны принимать электроны, являясь окислителями и образуя анионы, их оксиды имеют кислотный характер.

✓ Что такое сплавы?

Что такое сплавы?

Сплавы — это макроскопически однородные материалы с металлическими свойствами, которые состоят из двух или более химических элементов, причём как минимум один из них является металлом. Сплавы получают, как правило, путём сплавления (смешивания в расплавленном виде) исходных компонентов с последующим их охлаждением и затвердеванием.

Основная цель создания сплавов — это получение материалов с заданными, часто улучшенными, свойствами, которые отличаются от свойств чистых металлов. Чистые металлы во многих случаях не обладают необходимыми для практического применения характеристиками: они могут быть слишком мягкими, недостаточно прочными, подверженными коррозии и т.д. Легирование, то есть введение в состав металла других элементов, позволяет целенаправленно изменять его свойства.

Ключевые свойства, которые можно улучшить с помощью легирования:

• Прочность и твёрдость. Например, сталь (сплав железа с углеродом) значительно прочнее и твёрже чистого железа.
• Коррозионная стойкость. Добавление хрома к железу позволяет получить нержавеющую сталь, устойчивую к ржавчине.
• Температура плавления. Сплавы могут иметь более низкую температуру плавления, чем их компоненты, что важно, например, для припоев (сплавы олова со свинцом и другими металлами).
• Пластичность, цвет, магнитные свойства. Например, сплав меди с цинком (латунь) имеет золотистый цвет, а сплав меди с оловом (бронза) — характерный красновато-коричневый.

Самыми известными примерами сплавов являются:

• Сталь и чугун — сплавы на основе железа с углеродом.
• Бронза — сплав на основе меди, где основным легирующим элементом чаще всего является олово.
• Латунь — сплав меди с цинком.
• Дюралюминий — лёгкий и прочный сплав на основе алюминия с добавками меди, магния и марганца, используемый в авиастроении.
• Нихром — жаростойкий сплав никеля и хрома, применяемый в нагревательных элементах.

Ответ: Сплавы — это материалы, получаемые путём смешения одного металла с другими металлами или неметаллами, обладающие металлическими свойствами. Их создают с целью получения материалов с улучшенными или новыми характеристиками (такими как повышенная прочность, твёрдость, коррозионная стойкость, определённая температура плавления), которые превосходят свойства их чистых компонентов.

✓ Как получают металлы из руд?

Получение металлов из руд — это сложный многостадийный процесс, называемый металлургией. В природе большинство металлов (за исключением самородных, таких как золото и платина) находятся в виде химических соединений (оксидов, сульфидов, карбонатов и т.д.), образующих руду. Руда также содержит пустую породу — примеси, не содержащие ценного компонента. Основная химическая задача металлургии — восстановить металл из его соединения до простого вещества (с нулевой степенью окисления). Например, восстановить ионы железа $Fe^{3+}$ в оксиде $Fe_2O_3$ до атомов железа $Fe^0$.

Весь процесс можно разделить на три основных этапа: подготовка и обогащение руды, извлечение (выплавка) металла и его очистка (рафинирование).

Подготовка и обогащение руды

На этом начальном этапе основная цель — механически отделить ценный минерал от пустой породы. Это позволяет значительно увеличить концентрацию металла в сырье, поступающем на дальнейшую переработку, и сделать весь процесс экономически выгодным.

Сначала добытую руду дробят и измельчают до мелких частиц. Затем применяют один из методов обогащения, основанный на различии в физических свойствах минерала и пустой породы:

1. Флотация. Этот метод идеально подходит для сульфидных руд (медных, свинцовых, цинковых). Измельченную руду смешивают с водой и специальными реагентами (флотационными маслами). Через эту суспензию пропускают воздух. Частицы минерала прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются наверх, образуя пену, которую собирают. Пустая порода оседает на дно.

2. Магнитная сепарация. Применяется для руд, содержащих магнитные минералы, например, для железной руды магнетита ($Fe_3O_4$). Измельченную руду пропускают через магнитный сепаратор, где магнитные частицы притягиваются к барабану и отделяются от немагнитной пустой породы.

3. Гравитационное обогащение. Основано на разнице в плотности. Потоком воды или воздуха из руды вымываются более легкие частицы пустой породы, в то время как более тяжелые частицы ценного минерала остаются.

В результате обогащения получают концентрат, в котором содержание металла значительно выше, чем в исходной руде.

Ответ: На первом этапе руду измельчают и обогащают, то есть отделяют ценные минералы от пустой породы с помощью физических методов (флотация, магнитная или гравитационная сепарация), получая концентрат.

Извлечение металла (металлургический передел)

Это основной этап, на котором из концентрата химическим путем получают черновой (неочищенный) металл. Выбор метода зависит от химической активности металла. Существует три основных направления.

1. Пирометаллургия — извлечение при высоких температурах. Это самый древний и распространенный метод.

- Обжиг: Часто сульфидные руды предварительно обжигают — нагревают в присутствии кислорода, чтобы превратить сульфиды в оксиды, которые легче восстановить. Например, обжиг цинкового концентрата: $2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2$.

- Восстановление: Оксид металла восстанавливают до свободного металла. Восстановителем обычно служит углерод (в виде кокса), оксид углерода(II) ($CO$), водород или более активные металлы.

• Доменное производство железа: В доменной печи железную руду (например, $Fe_2O_3$) восстанавливают коксом и продуктами его горения при температуре около 2000 °C. Основным восстановителем выступает угарный газ $CO$: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$.

• Алюминотермия: Для получения хрома, марганца, титана используют более активный металл — алюминий. Например, восстановление оксида хрома: $Cr_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Cr + Al_2O_3$.

2. Гидрометаллургия — извлечение с помощью химических реакций в водных растворах.

Сначала металл или его соединение избирательно растворяют (выщелачивают) из руды подходящим реагентом. Например, золото извлекают раствором цианида натрия. Затем металл осаждают из раствора. Например, медь из раствора сульфата меди можно извлечь, добавив более активный металл — железо (цементация): $CuSO_4 + Fe \rightarrow FeSO_4 + Cu$.

3. Электрометаллургия — извлечение с помощью электрического тока.

Этот метод применяют для получения самых активных металлов (щелочных, щелочноземельных, алюминия), которые невозможно восстановить углеродом. Металл получают путем электролиза расплавов их солей или оксидов.

• Производство алюминия: Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия $Al_2O_3$ в расплавленном криолите $Na_3AlF_6$ при температуре около 950 °C. На катоде происходит восстановление ионов алюминия: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$.

Ответ: На втором этапе из обогащенной руды (концентрата) химическими методами извлекают металл. В зависимости от активности металла применяют пирометаллургию (высокотемпературное восстановление, например, железа в доменной печи), гидрометаллургию (растворение с последующим осаждением, например, для золота или меди) или электрометаллургию (электролиз расплавов, например, для алюминия).

Рафинирование (очистка) металла

Металл, полученный на предыдущем этапе (черновой металл), содержит примеси, которые ухудшают его свойства. Рафинирование — это процесс удаления этих примесей для получения металла высокой чистоты.

- Электролитическое рафинирование: Один из самых эффективных методов. Используется для очистки меди, никеля, свинца. Пластины из чернового металла служат анодом, а тонкие листы чистого металла — катодом. Их помещают в ванну с раствором соли очищаемого металла (электролитом). При пропускании тока нечистый металл на аноде растворяется, а на катоде осаждается чистый металл. Примеси либо выпадают в осадок (анодный шлам), либо остаются в растворе.

- Перегонка (дистилляция): Применяется для металлов с низкой температурой кипения, таких как цинк, ртуть, магний. Нечистый металл нагревают, он испаряется, а затем его пары конденсируют, получая чистый металл. Примеси с более высокой температурой кипения остаются.

- Зонная плавка: Метод для получения сверхчистых металлов, например, кремния и германия для полупроводниковой промышленности.

Ответ: На заключительном этапе черновой металл очищают от примесей (рафинируют) с помощью таких методов, как электролиз, перегонка или зонная плавка, чтобы получить продукт с требуемыми свойствами и высокой чистотой.