Характеристика металлов по их положению в таблице Д. И. Менделеева

1. 
   Характеристика металлов по их положению в таблице Д.И.Менделеева
   

Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее:

С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводностьпадает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются,вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны.

Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток. Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому

колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы -все остальные.

Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью.

Во всех химических реакциях металлы являются восстановителями.По отношению металлов к кислороду их можно разделить на три группы. Металлы, реагирующие с кислородом при обычных условиях, взаимодействующие с кислородом только при нагревании. И третья группа – это металлы, не взаимодействующие с кислородом, например, золото, платина.

При различных условиях металлы взаимодействуют с неметаллами, причём, чем больше активность металла и неметалла, тем мягче условия протекания реакции. Например, натрий реагирует с хлором при обычных условиях с образованием хлорида натрия: Na⁰ + Cl₂⁰ = 2Na⁺Cl^-. Магний взаимодействует с серой с образованием сульфида магния, но для начала реакции требуется нагревание: Mg⁰ + S⁰ = Mg⁺²S^-2.

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при обычных условиях, при этом образуется щёлочь и выделяется водород, например: 2Na⁰ + 2H₂⁺¹O = 2Na⁺¹OH + H₂⁰. В результате взаимодействия металлов с водой при нагревании образуются оксид металла и водород, например: Zn⁰ + H₂⁺¹O = Zn⁺²O + H₂⁰.

Золото, медь, серебро, платина, ртуть не взаимодействуют с водой.

С растворами кислот взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжения до водорода. В результате реакции образуются соль и водород. Например,        Zn⁰ + 2H⁺¹Cl = Zn⁺²Cl₂ + H₂⁰.

Разбавленная азотная и концентрированные серная и азотная кислоты способны взаимодействовать и с металлами, стоящими в ряду напряжения после водорода. Это объясняется тем, что они проявляют окислительные свойства за счёт S⁺⁶ и N⁺⁵. В результате реакций обязательно образуются соль и вода и ещё продукт восстановления S⁺⁶ или N⁺⁵. Например:

2H₂S⁺⁶O_4(конц.) + Cu⁰ = Cu⁰SO₄ + H₂O + S⁺⁴O₂­

8HN⁺⁵O_3(разб.) + 3Cu⁰ = 3Cu⁺²(NO₃)₂ + H₂O + 2N⁺²O

4HN⁺⁵O_3(конц.) + Cu⁰ = Cu⁺²(NO₃)₂ + H₂O + 2N⁺⁴O₂

В зависимости от активности металла сера может восстанавливаться до сероводорода H₂S^-2 , серы S⁰ или оксида серы(IV) S⁺⁴O₂ . продукт восстановления азота: аммиак N^-3H₃ , оксид азота(I) N₂⁺¹O , оксид азота(II) N⁺²O или оксид азота(IV) N⁺⁴O₂ зависит от концентрации азотной кислоты и активности металла

Более активные металлы вытесняют менее активные металлы из растворов их солей. Активность металла определяется его положением в электрохимическом ряду напряжения металлов: она уменьшается слева направо. Т. о. металл вытесняет из солей металлы, стоящие в ряду напряжения правее его. В результате взаимодействия металла с раствором соли образуются новая соль и новый металл, например: Zn⁰ + Cu⁺²SO₄ = Zn⁺²SO₄ + Cu⁰. Металлы, реагирующие с водой, взаимодействуют с растворами солей с образованием новой соли, нерастворимого основания и водорода, например: CuSO₄ + 2Na + 2H₂O = H₂­ + Na₂SO₄ + Cu(OH)₂.

Корро́зия (от лат. corrosio — «разъедание») — самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер.

В повседневной жизни для сплавов железа чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. Применительно к ним существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков Коррозия металлов — разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Под коррозией понимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушение металлического материала. Наиболее часто при коррозии металл окисляется с образованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различные продукты коррозии. Различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.

Разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией. При электрохимической коррозии всегда требуется наличие электролита (Конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаются электроды — либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот, или т. п., электропроводность её повышается, и скорость процесса увеличивается.

При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO₂, образуется гальванический элемент, так называемый коррозионный элемент. Он представляет собой не что иное, как замкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не корродирует. Особо подвержены риску места соприкосновения металлов с различными потенциалами, например, сварочные швы или заклёпки.

Химическая коррозия — взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисления металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом:

При электрохимической коррозии ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде).

Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и решение этой проблемы является важной задачей. Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не в потере металла как такового, а в огромной стоимости изделий, разрушаемых коррозией. Вот почему ежегодные потери от неё в промышленно развитых странах столь велики. Истинные убытки от неё нельзя определить, оценив только прямые потери, к которым относятся стоимость разрушившейся конструкции, стоимость замены оборудования, затраты на мероприятия по защите от коррозии. Ещё больший ущерб составляют косвенные потери. Это простои оборудования при замене прокорродировавших деталей и узлов, утечка продуктов, нарушение технологических процессов.

Идеальная защита от коррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20 % качеством используемых лакокрасочных материа­лов и способом их нанесения.^.

Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии:

1. 
   Конструкционный
   
2. 
   Активный
   
3. 
   Пассивный
   

Активные методы борьбы с коррозией направлены на изменение структуры двойного электрического слоя. Применяется наложение постоянного электрического поля с помощью источника постоянного тока, напряжение выбирается с целью повышения электродного потенциала защищаемого металла. Другой метод — использование жертвенного анода, более активного материала, который будет разрушаться, предохраняя защищаемое изделие.

В качестве защиты от коррозии может применяться нанесение какого-либо покрытия, которое препятствует образованию коррозионного элемента (пассивный метод).

Красочное покрытие, полимерное покрытие и эмалирование должны, прежде всего, предотвратить доступ кислорода и влаги. Часто также применяется покрытие, например, стали другими металлами, такими как цинк, олово, хром, никель. Цинковое покрытие защищает сталь даже когда покрытие частично разрушено. Цинк имеет более отрицательный потенциал и корродирует первым. При изготовлении консервных банок применяют жесть, покрытую слоем олова. В отличие от оцинкованной жести, при разрушении слоя олова корродировать, притом усиленно, начинает железо, так как олово имеет более положительный потенциал. Другая возможность защитить металл от коррозии — применение защитного электрода с большим отрицательным потенциалом, например, из цинка или магния. Для этого специально создаётся коррозионный элемент. Защищаемый металл выступает в роли катода, и этот вид защиты называют катодной защитой. Растворяемый электрод, называют, соответственно, анодом протекторной защиты. Этот метод применяют для защиты от коррозии морских судов, мостов, котельных установок, расположенных под землей труб. Для защиты корпуса судна на наружную сторону корпуса крепят цинковые пластинки.

Коррозия ухудшает работу трубопроводов.

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма проржавели внутри. 15 декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Поинт Плезант, штат Западная Виржиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом.Причиной обрушения стала коррозия. Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 году от торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.

Химические элементы и их соединения, необходимые для нормальной жизнедеятельности организма в сравнительно больших количествах, называются макроэлементами, а элементы, требующиеся организмам в крайне малых количествах, – микроэлементами. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Это основные депо организма. что металлы необходимы клеткам тела человека для нормальной жизнедеятельности. Как избыток, так и недостаток металлов оказывает отрицательное влияние на организм, а некоторые металлы могут оказывать даже токсичное влияние.

Органы человека по разному концентрируют в себе различные химические элементы.

Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержатся в них в высоких концентрациях. Известно, что

- цинк концентрируется в поджелудочной железе,

- алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях;

- олово откладывается в тканях кишечника:

- кадмий, ртуть, молибден – в почках;

- барий в пигментной сетчатке глаза;

- магний, натрий, калий – в мозге.

Участвует в образовании гемоглобина и дыхательных ферментов .Избыток железа превращает человека в агрессивное существо с жестоким, эгоистичным характером. Такие люди очень активны, постоянно чем-то заняты. Любят командовать, поэтому чаще всего становятся военными, спортивными инструкторами или бизнесменами.

Медь

Еще Аристотель писал, что прикладывание меди на ушиб предупреждает синяк и что медь лечит отечность, и что при лечении язв следует прикладывать медные пластины. В Древней Греции медь применяли для лечения глухоты и при воспалении миндалин

Люди, в организме которых больше всего меди, мягки и покладисты. Они любят красивую жизнь и вкусную еду, предпочтение отдают сладостям. Они всегда готовы прийти на помощь, у них дружные семьи и много друзей. Чаще всего они становятся писателями, музыкантами или художниками.
Однако их часто обманывают и предают, пользуясь их слабостями. Поэтому, если в этом описании вы узнали себя, постарайтесь потреблять больше продуктов, содержащих железо, – так вы компенсируете мягкость меди.

Свинец

Чрезмерное содержание в организме свинца делает человека вялым и апатичным. Он всегда не в настроении, вечно находит повод для недовольства. Чаще всего такие люди оказываются в положении жертвы.

Олово – это тот металл, который в избытке содержится в организме мыслителей, философов и путешественников. У них – отменное чувство юмора, а их энтузиазм часто переходит в одержимость. Свинец сделает их более серьезными, а железо – крепкими.

Драгоценные металлы и в организме - драгоценность.

Болтливые люди, оказывается, любят поговорить от... обилия в организме ртути. Еще такие люди хитры, беспринципны и легко предают. Им явно необходимо разбавить этот жидкий металл железом.