Сторінка
2

Методичне забезпечення вивчення теми "Метали" в 9 класі

Атоми металів виявляють спорідненість до електрона близьку до нуля або негативну. Саме тому метали є відновниками, оскільки вони легко віддають електрони.

Для пояснення загальних властивостей металів учені А. Зоммерфельд, Е. Фермі, Ф. Блох, Л. Брілюен та інші розробили теорію металічного стану. Згідно з цією теорією у кристалі металу валентні електрони перебувають в іншому стані, ніж у вільних атомах. Під час взаємодії однакових атомів замість енергетично рівноцінних вихідних атомних орбіталей утворюються молекулярні орбіталі, що відповідають різним рівням енергії. Ці молекулярні орбіталі делокалізовані, вони однаковою мірою належать усім атомам, що взаємодіють. У міру збільшення числа таких атомів додавання кожного з них приводить до утворення ще одного енергетичного рівня; число енергетичних рівнів дорівнює числу атомів, що взаємодіють.

Із зростанням числа атомів зростає число дозволених енергетичних станів і зменшуються відстані між сусідніми енергетичними рівнями. У разі великого числа атомів N сусідні рівні відрізняються настільки мало, що утворюється практично суцільна енергетична зона. Електрон, що перебуває на даному рівні, може поводити себе як вільний, якщо найближчий енергетичний рівень не зайнятий електронами. Внаслідок делокалізації орбіталей цей «вільний» електрон може переміщуватися у кристалі під впливом яких завгодно малих енергій. Молекулярні орбіталі, що становлять енергетичну зону, заповнюються електронами в міру зростання енергії, і, згідно з принципом Паулі, на кожній молекулярній орбіталі можуть розміщуватися два електрони. Для прикладу зіставимо значення енергетичних рівнів електронів в ізольованому атомі та в компактному кристалі якого-небудь лужного металу, наприклад натрію. Для ізольованого атома порівняно з кристалом металу відмінність окремих рівнів і підрівнів енергії зовнішніх електронів виявляється різкіше.

Електропровідність металів залежить від кількості електронів, яким відповідають незаповнені енергетичні рівні з низькою енергією. Так, мідь, золото, срібло мають високу електропровідність тому, що для них у кристалі, що містить N атомів, енергетична зона може вмістити 2N електронів, а їх всього N.

Якщо в кристалі всі рівні енергетичної зони заповнені електронами, то через нього струм проходити не може (наприклад, у речовинах з атомними кристалічними ґратками).

Отже, і електро-, і теплопровідність металів зумовлені здатністю валентних електронів вільно перемішуватися по кристалу з верхніх рівнів валентної зони на нижні рівні зони провідності.

З підвищенням температури електропровідність типових металів падає. Це пояснюється тим, що під час нагрівання атоми металу починають інтенсивніше коливатись біля положень їх рівноваги, що утруднює переміщення електронів. Електропровідність напівпровідників під час нагрівання зростає, оскільки інтенсивніше відбувається перехід електронів з валентної зони у юну провідності.

Крім електропровідності і теплопровідності всі інші властивості металів і напівпровідників зумовлені наявністю делокалізованих валентних електронів.

Хімічні властивості металів

Характерною властивістю металів є їхня здатність лише віддавати електрони й утворювати вільні позитивно заряджені йони. Для металів не характерне утворення сполук, в яких вони мають негативний ступінь окиснення. Метали здатні заміщувати Гідроген у кислотах і утворювати солі. Отже, метали можуть бути тільки відновниками.

Найактивніші метали мають малі значення потенціалів йонізації. Атоми активних металів мають великі радіуси і незначну кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні. За величиною потенціала йонізації можна порівняти активність металів у розрідженому газовому середовищі. На повітрі, й особливо у воді, активність металів об'єктивніше характеризується стандартним електродним потенціалом, який визначає, наскільки легко утворюються позитивно заряджені йони з нейтральних атомів за наявності води. Стандартний потенціал — це напруга, що виникає між металом і розчином його солі за активності йонів цього металу, що дорівнює одиниці. Величини стандартних потенціалів відносні. Здатність металів легко утворювати вільні позитивно заряджені йони виявляється в реакціях взаємного витіснення металів або під час взаємодії деяких із них з кислотами-неокисниками.

Ряд електрохімічних потенціалів ґрунтується на кількісних значеннях стандартних потенціалів. Всі активні метали, які здатні витісняти Гідроген з кислот-неокисників, стоять у ряду електрохімічних потенціалів до водню. Благородні метали мають позитивні значення стандартних потенціалів і розміщуються за воднем. Зіставивши величини стандартних потенціалів, можна зробити висновок, який з металів витіснятиме інший метал із розчину його солі.

Положення металу в ряду електрохімічних потенціалів характеризує його здатність до окисно-відновних перетворень за стандартних умов. Чим ближче метал розміщений до початку ряду електрохімічних потенціалів, тим сильніші відновні властивості його атомів і тим слабкіші окиснювальні властивості його йонів у водному розчині.

Природні сполуки металів. Добування металів

Більшість металів у земній корі перебуває у вигляді сполук з іншими елементами. У самородному стані трапляються тільки благородні метали, які характеризуються високими потенціалами йонізації (золото, платина, платинові метали, частково срібло, мідь і ртуть).

Мінерали або їх суміші, придатні для промислового добування металів, називаються рудами. Рудами є суміші благородного металу або його сполуки з різними силікатами. Пустою породою називаються домішки, що супроводжують метал або його сполуку в руді.

Найчастіше в земній корі трапляються малорозчинні у воді та стійкі проти окиснення мінерали.

Досить стійкими і малорозчинними є сульфіди багатьох металів. Іноді сульфіди трапляються разом з арсенідами (руди Co та Ni). Сульфідні руди, що містять цинк, свинець, срібло, мідь, бісмут з домішками рідкісних металів (германій, реній, індій), називаються поліметалічнимирудами.

Сульфідів активних металів у земній корі не виявлено, оскільки вони нестійкі.

Лужноземельні метали і рідкісноземельні елементи в природі трапляються у вигляді не розчинних у воді карбонатів, фторидів, фосфатів. Кальцій, стронцій і барій входять до складу сульфатних мінералів, лужні метали — до складу подвійних силікатів. Для натрію і калію поширеними є хлоридні мінерали, які утворилися в результаті кристалізації розчинів під час висихання озер і морів.

Добуванням металів з руд займається галузь промисловості — металургія.

Для збагачення руд застосовують методи магнітної та гравітаційної сепарації, пінної флотації. Магнітну сепарацію можна застосовувати лише тоді, коли потрібний компонент руди виявляє магнітні властивості, і руди, притягуючись до магніта, переносяться ним у збірник руди. Методом гравітаційної сепарації здійснюється відокремлення мінералу, який потрібно вилучити з руди, від домішок за допомогою важких розчинів, що мають проміжну густину (між густиною мінералу і домішок). Часточки легкого компонента спливають на поверхню.