Страница 199 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Перечислите общие свойства металлов. С чем они связаны?

Общие физические свойства металлов обусловлены особенностями их внутреннего строения: наличием металлической кристаллической решетки и металлической химической связи. В узлах такой решетки находятся положительно заряженные ионы металла, а между ними свободно перемещаются обобществленные валентные электроны, образуя так называемый «электронный газ». Именно взаимодействие между ионами и «электронным газом» определяет характерные свойства металлов.

К основным общим свойствам металлов относятся:

Высокая электропроводность. Это способность металлов хорошо проводить электрический ток. Она связана с наличием в кристаллической решетке свободных электронов («электронного газа»). Под действием электрического поля эти электроны начинают упорядоченно двигаться, создавая электрический ток. С повышением температуры электропроводность металлов уменьшается, так как усиливаются колебания ионов в узлах решетки, что затрудняет направленное движение электронов.

Высокая теплопроводность. Металлы отлично проводят тепло. Это свойство также объясняется подвижностью свободных электронов. Электроны в более нагретой части металла приобретают большую кинетическую энергию и, быстро перемещаясь по всему объему, передают эту энергию путем столкновений другим электронам и ионам, выравнивая температуру. Колебания самих ионов в решетке также вносят вклад в перенос тепла.

Металлический блеск и непрозрачность. Это способность металлов хорошо отражать световые лучи. Поверхность металла содержит огромное количество свободных электронов, которые взаимодействуют с падающим светом. Они поглощают энергию световых волн, а затем почти мгновенно излучают ее обратно. В результате большая часть света отражается от поверхности, что мы и воспринимаем как характерный блеск. Поскольку свет не проходит сквозь металл, а поглощается и переизлучается поверхностным слоем, металлы непрозрачны.

Пластичность (ковкость и тягучесть). Это способность металлов изменять свою форму под действием механической нагрузки без разрушения. При деформации происходит смещение слоев ионов в кристаллической решетке друг относительно друга. Однако разрыва связей не происходит, так как «электронный газ» продолжает связывать все ионы вместе, действуя как своего рода «смазка». Это отличает металлы от хрупких ионных кристаллов, которые при сдвиге слоев разрушаются из-за отталкивания одноименно заряженных ионов.

Твердость и высокие температуры плавления. Большинство металлов (за исключением щелочных, ртути, галлия) являются твердыми веществами с высокими температурами плавления. Эти свойства определяются прочностью металлической связи — силой притяжения между положительными ионами и обобществленными электронами. Чтобы разрушить кристаллическую решетку (расплавить металл), необходимо затратить значительную энергию.

Ответ: Общими свойствами металлов являются высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, непрозрачность, пластичность (ковкость), и, как правило, высокая твердость и температура плавления. Все эти свойства объясняются наличием в металлах особого типа химической связи — металлической, которая характеризуется существованием в кристаллической решетке положительно заряженных ионов и свободно движущихся между ними обобществленных электронов («электронного газа»).

2. Приведите примеры металлов с высокими и низкими значениями тепло- и электропроводности.

Теплопроводность и электропроводность металлов — это взаимосвязанные свойства, которые определяются наличием и поведением свободных электронов в их кристаллической структуре. Согласно закону Видемана-Франца, отношение теплопроводности ($ \kappa $) к удельной электрической проводимости ($ \sigma $) для металлов приблизительно пропорционально абсолютной температуре ($ T $): $ \frac{\kappa}{\sigma} = LT $, где $ L $ — число Лоренца. Поэтому металлы, хорошо проводящие электрический ток, как правило, являются и хорошими проводниками тепла.

Металлы с высокими значениями тепло- и электропроводности

К таким металлам относятся те, в которых электроны могут перемещаться по кристаллической решетке с минимальным сопротивлением. Наилучшими проводниками являются благородные металлы и некоторые металлы из 1-й и 2-й групп периодической таблицы.

• Серебро (Ag): Эталонный проводник, обладающий самой высокой тепло- и электропроводностью среди всех известных металлов. Его применение ограничено высокой стоимостью, поэтому используется в основном в прецизионной электронике, для нанесения покрытий и в ювелирном деле.
• Медь (Cu): Занимает второе место после серебра. Благодаря отличному сочетанию высокой проводимости, пластичности и относительно низкой цены, медь является самым распространенным материалом для изготовления электрических проводов, кабелей, обмоток трансформаторов и электродвигателей.
• Золото (Au): Немного уступает меди в проводимости, но его главное преимущество — высокая химическая стойкость, оно не окисляется и не корродирует. Поэтому золото незаменимо для изготовления ответственных электрических контактов, разъемов и проводников в микроэлектронике.
• Алюминий (Al): Обладает примерно 60% проводимости меди, но при этом в три раза легче. Это свойство делает его предпочтительным материалом для высоковольтных линий электропередач, где масса провода играет ключевую роль.

Ответ: Примеры металлов с высокой тепло- и электропроводностью — серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), алюминий (Al).

Металлы с низкими значениями тепло- и электропроводности

Низкая проводимость (или высокое удельное сопротивление) характерна для металлов, в которых свободные электроны испытывают сильное рассеяние на дефектах кристаллической решетки, примесях (в сплавах) или на колебаниях атомов (фононах). Такие материалы часто находят применение в качестве нагревательных элементов или в измерительной технике.

• Висмут (Bi): Имеет одну из самых низких теплопроводностей среди всех металлов, уступая только ртути. Его электропроводность также очень низкая.
• Свинец (Pb): Является плохим проводником как тепла, так и электричества по сравнению с медью или серебром.
• Титан (Ti): Обладает низкой теплопроводностью, что является ценным свойством в авиакосмической промышленности, где важно минимизировать передачу тепла между элементами конструкции.
• Сплавы: Многие сплавы специально создаются для получения высокого электрического сопротивления.
  • Нихром (сплав никеля и хрома) — широко используется для изготовления нагревательных элементов в бытовых приборах (электроплиты, тостеры, фены) благодаря высокому сопротивлению и жаростойкости.
  • Константан (сплав меди и никеля) — имеет высокое удельное сопротивление, которое мало зависит от температуры, что делает его идеальным для изготовления реостатов и термопар.
  • Нержавеющая сталь (сплав железа, хрома, никеля и др.) — проводит тепло и электричество значительно хуже, чем чистое железо или другие конструкционные металлы, что используется, например, при изготовлении посуды (дно часто делают многослойным с прослойкой из алюминия для лучшего распределения тепла).

Ответ: Примеры металлов и сплавов с низкой тепло- и электропроводностью — висмут (Bi), свинец (Pb), титан (Ti), а также сплавы, такие как нихром и константан.

3. Какие металлы называют тугоплавкими; легкоплавкими; лёгкими; тяжёлыми? Приведите примеры.

Тугоплавкими называют металлы, имеющие высокую температуру плавления. Условной границей тугоплавкости часто считают температуру плавления железа ($1538 \text{ °C}$). К тугоплавким относятся металлы, температура плавления которых выше этого значения.

Примеры:

• Вольфрам (W) — самый тугоплавкий металл, температура плавления $3422 \text{ °C}$.
• Рений (Re) — температура плавления $3186 \text{ °C}$.
• Тантал (Ta) — температура плавления $3017 \text{ °C}$.
• Молибден (Mo) — температура плавления $2623 \text{ °C}$.
• Хром (Cr) — температура плавления $1907 \text{ °C}$.

Ответ: Тугоплавкими называют металлы с высокой температурой плавления, как правило, выше температуры плавления железа ($1538 \text{ °C}$). Примеры: вольфрам, рений, тантал, молибден.

Легкоплавкими называют металлы, имеющие относительно низкую температуру плавления. Чёткой границы нет, но обычно к ним относят металлы, которые плавятся при температуре ниже температуры плавления свинца ($327,5 \text{ °C}$) или олова ($232 \text{ °C}$).

Примеры:

• Ртуть (Hg) — плавится при $-38,8 \text{ °C}$ и является единственным металлом, жидким при комнатной температуре.
• Галий (Ga) — плавится при $29,8 \text{ °C}$ и может расплавиться в руке.
• Цезий (Cs) — плавится при $28,4 \text{ °C}$.
• Олово (Sn) — плавится при $232 \text{ °C}$.
• Свинец (Pb) — плавится при $327,5 \text{ °C}$.

Ответ: Легкоплавкими называют металлы с низкой температурой плавления (условно ниже $327,5 \text{ °C}$). Примеры: ртуть, галлий, олово, свинец.

Лёгкими называют металлы, обладающие малой плотностью. Условно к лёгким металлам относят те, чья плотность не превышает $5 \text{ г/см}^3$ ($5000 \text{ кг/м}^3$).

Примеры:

• Литий (Li) — самый лёгкий металл, плотность $0,53 \text{ г/см}^3$.
• Натрий (Na) — плотность $0,97 \text{ г/см}^3$.
• Магний (Mg) — плотность $1,74 \text{ г/см}^3$.
• Алюминий (Al) — плотность $2,70 \text{ г/см}^3$.
• Титан (Ti) — плотность $4,51 \text{ г/см}^3$.

Ответ: Лёгкими называют металлы с низкой плотностью (менее $5 \text{ г/см}^3$). Примеры: литий, натрий, магний, алюминий, титан.

Тяжёлыми называют металлы, обладающие высокой плотностью. К этой группе относят металлы с плотностью более $5 \text{ г/см}^3$ ($5000 \text{ кг/м}^3$).

Примеры:

• Осмий (Os) — самый плотный металл, плотность $22,59 \text{ г/см}^3$.
• Иридий (Ir) — плотность $22,56 \text{ г/см}^3$.
• Платина (Pt) — плотность $21,45 \text{ г/см}^3$.
• Золото (Au) — плотность $19,30 \text{ г/см}^3$.
• Свинец (Pb) — плотность $11,34 \text{ г/см}^3$.
• Железо (Fe) — плотность $7,87 \text{ г/см}^3$.

Ответ: Тяжёлыми называют металлы с высокой плотностью (более $5 \text{ г/см}^3$). Примеры: осмий, иридий, платина, золото, свинец, железо.

4. Воспользовавшись рисунками 97, 98, приведите по одному примеру:

а) твёрдого тугоплавкого металла;

б) мягкого тугоплавкого металла;

в) мягкого легкоплавкого металла.

а) Твёрдым тугоплавким металлом является металл, обладающий одновременно высокой твёрдостью и высокой температурой плавления. Примером такого металла может служить вольфрам. Его температура плавления — одна из самых высоких среди всех металлов ($t_{пл} \approx 3422 \text{ °C}$), и при этом он очень твёрдый.

Ответ: вольфрам.

б) Мягким тугоплавким металлом называют металл, который имеет высокую температуру плавления, но при этом является относительно мягким и пластичным. Примером является платина. Её температура плавления ($t_{пл} \approx 1768 \text{ °C}$) относит её к тугоплавким, однако она является мягким и ковким металлом.

Ответ: платина.

в) Мягкий легкоплавкий металл — это металл с низкой температурой плавления и низкой твёрдостью. Классическим примером такого металла является свинец. Он очень мягкий (легко режется и царапается) и плавится уже при температуре $t_{пл} = 327,5 \text{ °C}$.

Ответ: свинец.

5. Какая масса 10%-го раствора сульфата меди(II) потребуется для полного растворения железного гвоздя массой 1,12 г?

Дано:

Массовая доля сульфата меди(II) в растворе, $w(CuSO_4) = 10\%$

Масса железного гвоздя, $m(Fe) = 1.12 \text{ г}$

$m(Fe) = 1.12 \text{ г} = 0.00112 \text{ кг}$

Найти:

Массу 10%-го раствора сульфата меди(II) - $m(р-ра \, CuSO_4) - ?$

Решение:

1. Для решения задачи сначала необходимо составить уравнение химической реакции. Железо (Fe) является более активным металлом, чем медь (Cu), поэтому оно вытесняет медь из раствора её соли (в данном случае, сульфата меди(II)). Это реакция замещения:

$Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$

Уравнение сбалансировано, все стехиометрические коэффициенты равны 1.

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) железа, содержащегося в гвозде массой 1,12 г. Для этого используем молярную массу железа, которая приблизительно равна $M(Fe) \approx 56 \text{ г/моль}$.

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{1.12 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 0.02 \text{ моль}$

3. Согласно уравнению реакции, железо и сульфат меди(II) реагируют в мольном соотношении 1:1. Это означает, что для полного растворения 0.02 моль железа потребуется такое же количество вещества сульфата меди(II).

$n(CuSO_4) = n(Fe) = 0.02 \text{ моль}$

4. Теперь определим массу чистого сульфата меди(II), которая соответствует найденному количеству вещества. Сначала рассчитаем молярную массу $CuSO_4$:

$M(CuSO_4) = M(Cu) + M(S) + 4 \cdot M(O) \approx 64 + 32 + 4 \cdot 16 = 160 \text{ г/моль}$

Далее находим массу $CuSO_4$:

$m(CuSO_4) = n(CuSO_4) \cdot M(CuSO_4) = 0.02 \text{ моль} \cdot 160 \text{ г/моль} = 3.2 \text{ г}$

5. Мы нашли, что для реакции необходимо 3.2 г чистого сульфата меди(II). Эта масса содержится в 10%-м растворе. Масса раствора вычисляется по формуле:

$m(раствора) = \frac{m(вещества)}{w(вещества)}$

Подставляем наши значения (массовую долю 10% представляем как 0.1):

$m(р-ра \, CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{w(CuSO_4)} = \frac{3.2 \text{ г}}{0.1} = 32 \text{ г}$

Ответ: для полного растворения железного гвоздя массой 1,12 г потребуется 32 г 10%-го раствора сульфата меди(II).

6. Олово выше 13 °С существует в $\beta$-модификации (белое олово), имеющей металлическую решётку, а при более низкой температуре — в виде $\alpha$-олова (серое олово) со структурой алмаза. Какая из двух модификаций:

а) пластична и обладает высокой электропроводностью;

б) является хрупкой и проявляет свойства полупроводника?

а) Пластичность и высокая электропроводность являются характерными свойствами металлов. Эти свойства обусловлены типом кристаллической решетки — металлической. В металлической решетке положительно заряженные ионы находятся в узлах, а валентные электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, образуя так называемый "электронный газ". Свободные электроны обеспечивают высокую электропроводность. Способность слоев ионов смещаться друг относительно друга без разрыва связей определяет пластичность. Согласно условию, β-модификация олова (белое олово) имеет металлическую решетку, следовательно, именно она обладает данными свойствами.

Ответ: β-модификация (белое олово).

б) Хрупкость и полупроводниковые свойства характерны для веществ с атомной кристаллической решеткой, в которой атомы связаны прочными ковалентными связями. α-модификация олова (серое олово) имеет структуру алмаза, которая является именно такой решеткой. Жесткая направленность ковалентных связей приводит к хрупкости материала — при механическом воздействии кристалл разрушается, а не пластически деформируется. В веществах с такой структурой валентные электроны локализованы в связях, и для их перехода в состояние свободных носителей заряда (в зону проводимости) требуется определенная энергия, что типично для полупроводников.

Ответ: α-модификация (серое олово).

7. Как можно осуществить следующие превращения: Zn → Fe → Cu → Ag? Напишите уравнения реакций.

Для осуществления указанной цепи превращений необходимо провести ряд последовательных химических реакций. Переход от цинка к железу ($Zn \rightarrow Fe$) невозможен в одну стадию путем прямой реакции замещения, так как цинк является более активным металлом, чем железо (стоит левее в электрохимическом ряду напряжений металлов). Двойная стрелка в схеме ($Zn \rightarrow \rightarrow Fe$) указывает на то, что этот переход осуществляется в две стадии. Возможный способ — получение водорода из цинка и последующее восстановление железа из его оксида этим водородом. Остальные переходы представляют собой классические реакции замещения, где более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.

Zn → → Fe

Данное превращение осуществляется в два этапа. Сначала цинк взаимодействует с кислотой (например, серной) для получения водорода. Затем полученным водородом при нагревании восстанавливают железо из его оксида (например, оксида железа(III)).

1. $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

2. $Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$

Ответ: Уравнения реакций для данного превращения: $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2$; $Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$.

Fe → Cu

Для получения меди из железа необходимо провести реакцию замещения. Железо, как более активный металл, вытесняет медь из раствора её соли, например, сульфата меди(II).

$Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu \downarrow$

Ответ: Уравнение реакции: $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$.

Cu → Ag

Аналогично предыдущему шагу, медь является более активным металлом по сравнению с серебром и вытесняет его из раствора соли, например, нитрата серебра.

$Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag \downarrow$

Ответ: Уравнение реакции: $Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag$.