Что такое активные металлы


Активные металлы / «Естествознание»

 
 
01 Активными мы будем называть такие металлы, которые с легкостью вступают в разнообразные химические реакции даже при мягких условиях, например при комнатной температуре и атмосферном давлении. К ним прежде всего относятся:

Щелочные и щелочно-земельные металлы получили свое название благодаря тому, что их гидроксиды растворяются в воде, то есть являются щелочами.

02

Электронное строение активных металлов характеризуется наличием на внешней электронной оболочке одного, двух или трех электронов, относительно слабо связанных с ядром. В результате химических реакций металлы легко отдают эти электроны, проявляя свои постоянные степени окисления и валентности:

 
щелочные металлы

степень окисления +1
валентность I

щелочно-земельные металлы

степень окисления +2
валентность II

алюминий

степень окисления +3
валентность III

   
03

Благодаря своей активности щелочные и щелочно-земельные металлы, равно как и алюминий, встречаются в природе не в чистом виде, а в составе многочисленных химических соединений — минералов. Минералы представляют собой кристаллические вещества, как правило оксиды или соли. У многих из них в кристаллической решетке содержатся молекулы воды: такие соединения называются кристаллогидратами. Например в глаубе́ровой соли на один фрагмент сульфата натрия приходится десять молекул воды; он имеет формулу Na2SO4·10H2O и название декагидрат сульфата натрия (по-гречески дека — десять).

04 Наиболее распространенные природные соединения щелочных металлов представлены следующими минералами:
05

Рис. 1

Самородный кристалл галита (NaCl)

   
06 Щелочно-земельные металлы также встречаются в составе многочисленных минералов, среди которых:
  • CaCO3кальцит, основной компонент мела и мрамора (рис. 2),
  • CaSO4·2H2O — гипс,
  • CaF2флюорит,
  • BaSO4барит.

   
 

Рис. 2

Различные модификации кальцита (CaCO3)

 
 
   
08

Основные запасы алюминия сконцентрированы в глинозёмах и полевых шпатах — соединениях кремния, кислорода, алюминия и других металлов, — а также в некоторых минералах: корунде (Al2O3), бокситах (Al2O3·H2O) и др. Алюминий — самый распространенный металл в земной коре.

   
Получение активных металлов
09 Основной метод получения активных металлов — электролиз расплавов их солей:

2NaCl 2Na + Cl2
CaF2 Ca + F2

Промышленное производство алюминия основано на электролизе глинозёмов в расплаве криолита (Na3AlF6).

   
Химические свойства активных металлов
10 Все активные металлы, кроме лития, легко взаимодействуют с кислородом даже при комнатной температуре. Щелочные металлы самовозгораются в воздухе; натрий образует пероксид натрия:

2Na + O2 → Na2O2

а калий, рубидий и цезий — надпероксиды, или супероксиды:

K + O2 → KO2.

11 При нагревании смеси пероксидов и супероксидов с чистыми металлами образуются оксиды:

Na2O2 + 2Na → 2Na2O
RbO2 + 3Rb → 2Rb2O

12 Литий реагирует с кислородом только при нагревании, превращаясь в оксид:

4Li + O2 → 2Li2O

Щелочно-земельные металлы и алюминий также образуют оксиды; при комнатной температуре их поверхность покрывается оксидной пленкой, при нагревании происходит интенсивное самовозгорание:

2Ca + O2 → 2CaO
4Al + 3O2 → 2Al2O3

Так, посуда, провода, детали машин и механизмов и прочие изделия из алюминия покрыты тонкой пленкой Al2O3. Эта пленка не пропускает ни воздух, ни влагу, предотвращая тем самым дальнейшее окисление металла, иначе срок службы алюминиевых изделий не превышал бы нескольких минут. Однако, если потравить (т. е. обработать химически агрессивной средой) поверхность такого изделия, то несколько мгновений можно будет наблюдать характерный блеск чистого алюминия (рис. 3).

 

Рис. 3

Поверхность алюминиевого бруска после травления

 
 
   
   
14 Активные металлы вступают в реакции с простыми веществами, образуя гидриды, галогениды, сульфиды и другие бинарные соединения:

2Li + H2 → 2LiH
Ca + Br2 → CaBr2
2Al + 3S → Al2S3

Исключением является реакция алюминия с водородом, которая не идет даже при нагревании.

15 Щелочные и щелочно-земельные металлы реагируют с водой с образованием щелочей и водорода. Реакция с участием лития протекает достаточно медленно, с остальными металлами — бурно: выделяющийся водород нередко самовоспламеняется, а сами металлы расплавляются и превращаются в раскаленные шарики.

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2

 

Видеоролик поочередно демонстрирует взаимодействие лития, натрия, калия, рубидия и цезия с водой. Можно заметить, что в этом ряду активность металлов возрастает

На английском языке

 
 
   
   
17 Чистый алюминий тоже активно реагирует с водой, однако оксидная пленка, покрывающая его поверхность, надежно защищает алюминиевые изделия от влаги. Реакция возможна только при искусственном удалении пленки (например, обработкой горячим раствором щелочи):

2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2

18 Активные металлы вступают в реакцию с большинством кислот:

2Al + 6HNO2 → 2Al(NO2)3 + 3H2
Ca + 2HCl → CaCl2 + H2

Однако, следует иметь в виду, что если щелочной или щелочно-земельный металл попадет в разбавленный раствор кислоты, то начинают протекать две конкурирующие реакции — с кислотой и водой:

2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2
2K + 2H2O → 2KOH + H2

Образующаяся в результате второй реакции щелочь впоследствии также вступает во взаимодействие с кислотой; в итоге все равно образуется нейтральное соединение — соль:

KOH + HMnO4 → KMnO4 + H2O

19 Аналогично протекает взаимодействие щелочных и щелочно-земельных металлов с растворами солей, однако в этом случае реакция с водой является преобладающей: сначала образуется щелочь, затем идет обменная реакция. Например, в случае взаимодействия натрия с раствором хлорида меди (II) будут протекать два процесса:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
2NaOH + CuCl2 → Cu(OH)2↓ + 2NaCl

20 Алюминий способен вытеснять менее активные металлы из растворов солей в одну стадию:

2Al + 3CuCl2 → 2AlCl3 + 3Cu

21 Еще одна группа реакций активных металлов основана на их хорошей восстанавливающей способности. Так, алюминий используется в металлургии для восстановления из руд хрома и железа (рис. 4), а натрий и кальций — для восстановления редких металлов (урана, циркония, иттрия и др.):

2Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2Cr
ZrF4 + 2Ca → 2CaF2 + Zr

Такие металлургические процессы, сопровождающиеся обычно выделением большого количества тепла, объединяют под общим названием металлотермия.

 

Рис. 4

Воспламенение термитной смеси (смеси порошков алюминия и оксида железа)

 
 
   
   
Применение активных металлов и их соединений
23

Упомянутая выше металлотермия — основная область применения всех активных металлов, которые являются отличными восстановителями.

24

Щелочные металлы имеют высокую теплопроводность, но в то же время достаточно низкую температуру плавления (натрий — +98 °С, калий — +64 °С). Эти свойства обуславливают применение щелочных металлов и их сплавов в качестве эффективных теплоносителей, например в атомных реакторах.

25

Небольшие добавки щелочных и щелочно-земельных металлов в сплавы алюминия, меди, свинца придают им пластичность и стойкость к коррозии.

26

Газоразрядные лампы, заполненные пара́ми натрия, дают яркий желто-оранжевый свет и широко применяются в уличном освещении (рис. 5).

 

Рис. 5

Характерный свет фонарей с натриевыми газоразрядными лампами. Сеул, Республика Корея

 
 
   
   
28

Среди соединений щелочных и щелочно-земельных металлов наибольшее применение находят непосредственно щелочи, а также оксиды, фториды, хлориды, карбонаты и некоторые другие. Гидроксиды лития, натрия и калия используются для приготовления электролитов щелочных батарей, а оксид лития — один из основных компонентов литий-ионных аккумуляторов, которыми снабжаются большинство современных сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов и других мобильных устройств.

29

Фториды кальция и бария применяются в изготовлении оптических приборов — объективов, линз и призм.

30

Неорганические соединения калия и кальция (K2CO3, KNO3, Ca(OH)2 и др.) широко используются в качестве минеральных удобрений.

31

Алюминий и его сплавы — легкие, прочные и коррозионно-устойчивые, — применяются для изготовления корпусов всевозможных механизмов (рис. 6), деталей электронных устройств, проводов, посуды и пр.

 

Рис. 6

Сплавы алюминия — основной материал для изготовления корпусов воздушных судов

 
 
   
   
33

Непосредственно алюминий и некоторые его соединения, в том числе органические, используются в качестве высокоэффективного ракетного топлива.

   
   
34 Ваша очередь!
  1. К раствору, содержащему 6,8 г хлорида алюминия, прилили раствор, содержащий 5,0 г гидроксида калия. Определите массу образовавшегося осадка.

2. Закончите уравнения реакций:

Al + CuO → ...
Na + ZnCl2 → ...
Ca + S → ...
Li + H2O → ...
Al + H2SO3→ ...
CsO2 + Cs → ...
4Al + 6CuO → 6Cu + 2Al2O3
2Na + ZnCl2 → Zn + 2NaCl
Ca + S → CaS
2Li + 2H2O → 2LiOH + H2
2Al + 3H2SO3→ Al2(SO3)3 + 3H2
CsO2 + 3Cs → 2Cs2O

3. Смесь алюминия с медью массой 11,8 г вступила во взаимодействие с соляной кислотой; при этом выделилось 6,72 л водорода. Чему равна массовая доля меди в такой смеси?

4. Осуществите цепочку превращений:   
NaBr → Na → Na2O2 → Na2O → NaOH → NaBr.

   
  ***
 
 

Что такое активный металл? (с изображением)

Активный металл - это металл, который имеет тенденцию сильно и быстро реагировать на другие элементы из-за расположения электронов в его структуре. Эти элементы можно найти в крайнем левом углу таблицы Менделеева, в группе I. Водород, расположенный в верхней части этого столбца в таблице Менделеева, имеет общие характеристики, но не относится к активным металлам.

Периодическая таблица - это таблица химических элементов, в которой элементы расположены в порядке их атомного номера.

Каждый активный металл имеет один электрон на внешней оболочке. Он может легко обменять этот электрон на катион, и произойдет химическая реакция. Эта реакция иногда может носить взрывной характер. Эти металлы настолько нестабильны, что не могут свободно появляться в чистом виде в естественной среде. Чистый активный металл взаимодействует с водой и воздухом и распадается на элемент другой формы.

Также известные как щелочные металлы, активные металлы включают, например, литий, рубидий, калий и натрий.Нестабильность этих металлов требует от исследователей, которые хотят работать с их чистыми формами, хранить их закрытыми и покрытыми инертным материалом. Масла обычно используются для изоляции активных металлов, чтобы они не вступали в реакцию с окружающим воздухом или водяным паром в воздухе. Некоторые студенты, изучающие естественные науки, могли видеть демонстрации, на которых инструкторы берут куски активного металла и опускают их в емкости с водой, чтобы продемонстрировать, как эти металлы ведут себя в природе.

Активный металл может настолько сильно реагировать с водой, что вызывает взрыв.Сила реакции может вызвать поток воды из контейнера, когда элемент взаимодействует с жидкостью. Демонстрация таких реакций, помимо привлечения внимания студентов, которые любят взрывы, также служат предупреждением для студентов, которые могут работать с активными металлами. Металлы настолько реактивны, что могут даже вызвать химические реакции из-за пота на руках, и очень важно обращаться с ними осторожно, чтобы избежать травм.

Сама реакционная способность активных металлов может сделать их полезными для различных целей.Они используются в контролируемых химических реакциях, а также в производстве различных продуктов. Литий, например, используется в сложной форме в батареях, которые известны своей чрезвычайно долговечностью. Химики работают с активными металлами в самых разных условиях, и многие из них можно заказать через научные компании-поставщики. Стоимость может варьироваться, так как некоторые металлы встречаются реже и их трудно достать, и все они требуют особых мер предосторожности при обращении на протяжении всего производства и упаковки.

.

Активные реакции металлов

Активные реакции металлов


Активные реакции металлов с кислородом

Метод, используемый для предсказания продуктов реакций металлов основной группы, прост, все же замечательно мощный. Однако исключения из его прогнозов возникают, когда очень активные металлы реагируют с кислородом, который является одним из самых реактивных неметаллы.

Литий ведет себя хорошо. Он реагирует с O 2 с образованием оксида , который содержит ион O 2-.

4 Li ( с ) + O 2 ( г ) 2 Li 2 O ( с )

Натрий, однако, реагирует с O 2 при нормальных условиях с образованием соединения, которое содержит вдвое больше кислород.

2 Na ( с ) + O 2 ( г ) Na 2 O 2 ( с )

Соединения, такие как Na 2 O 2 , которые необычно богаты кислородом, называются пероксидами .Приставка на - означает «сверх нормы» или «чрезмерно». Na 2 O 2 является пероксидом, потому что он содержит больше, чем обычно, кислорода. Пероксиды содержат ион O 2 2-.

Образование пероксида натрия можно объяснить, если предположить, что натрий настолько реакционноспособен, что металл расходуется до того, как каждая молекула O 2 сможет объединиться с достаточным количеством натрия для образования Na 2 O. Это объяснение подтверждается тем фактом, что натрий реагирует с O 2 в присутствии большого избытка металла или ограниченное количество O 2 для образования оксида, которое ожидается, когда эта реакция завершится.

4 Na ( с ) + O 2 ( г ) 2 Na 2 O ( с )

Это также согласуется с тем фактом, что очень активные щелочные металлы калий, рубидий и цезий так быстро реагируют с кислородом, что образуют супероксидов , в которых щелочной металл реагирует с O 2 в мольном соотношении 1: 1.

K ( с ) + O 2 ( г ) KO 2 ( с )

Супероксид калия образуется на поверхности металлического калия, даже когда металл хранится в инертном растворителе.В результате старые кусочки калия металл потенциально опасны. Когда кто-то пытается разрезать металл, давление ножа на область соприкосновения супероксида металл может вызвать следующую реакцию.

KO 2 ( с ) + K ( с ) K 2 O ( с )

Поскольку оксид калия более стабилен, чем супероксид калия, эта реакция выделяет достаточно энергии, чтобы вскипятить металлический калий с поверхности, который вступает в реакцию взрывоопасно с кислородом и водяным паром в атмосфере.


Активные металлы и вода

Реакционная способность активных металлов может быть продемонстрирована падением частиц лития, натрия и калия в воду. Литий медленно реагирует с вода, натрий реагирует намного быстрее, а калий - бурно.

Модель, используемая для предсказания продуктов реакций между металлами основной группы и неметаллы можно расширить, чтобы предсказать, что произойдет, когда эти металлы реагируют с ковалентными соединениями.

Пример: Начнем с применения этой модели к реакции между натрием металл и вода.

Na ( с ) + H 2 O ( л )?

В ходе этой реакции каждый атом натрия потеряет электрон на образуют ион Na + .

Na Na + + e -

На рисунке ниже показано, что происходит, когда эти электроны захватываются соседние молекулы воды.

Атомы водорода в степени окисления +1 собирают электроны, образуя нейтральный атомы водорода, которые вместе образуют молекулы H 2 .

2 часа + + 2 e - H 2

Вычитание положительно заряженного иона H + из нейтральной молекулы H 2 O оставляет ион OH - . Поэтому реакция, которая происходит, когда молекулы воды приобретают электроны, может можно записать следующим образом.

2 H 2 O + 2 e - H 2 + 2 OH -

Реакцию между натрием и водой можно разделить на две половины. Один полуреакция описывает, что происходит, когда атомы натрия теряют электроны.В другая полуреакция описывает, что происходит, когда молекулы воды получают эти электроны. Объединив эти полуреакции так, чтобы электроны ни созданы или уничтожены, мы можем получить общее уравнение реакции.

2 [Na Na + + e - ]
2 H 2 O + 2 e - H 2 + 2 OH -
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
2 Na + 2 H 2 O 2 Na + + 2 ОН - + Н 2

Уравнение этой реакции можно записать следующим образом.

2 Na ( с ) + 2 H 2 O ( л ) 2 Na + ( водн. ) + 2 OH - ( водн. ) + H 2 ( г ) )


Активные металлы и аммиак

Предсказать, что произойдет, когда щелочной металл, например калий, вступит в реакцию. с жидким аммиаком (NH 3 ) мы можем начать с того, что атомы калия потеряют один электрон каждый.

К К + + e -

На рисунке ниже показано, что происходит с этими электронами.

Атомы водорода в степени окисления +1 получают электроны с образованием нейтрального водорода. атомы, которые объединяются, чтобы сформировать молекулы H 2 .

2 часа + + 2 e - H 2

Удаление иона H + из молекулы NH 3 оставляет отрицательно заряженный ион NH 2 - . Следующее уравнение описывает, что происходит, когда аммиак получает электроны.

2 NH 3 + 2 e - H 2 + 2 NH 2 -

Объединение двух половин этой реакции для сохранения электронов дает общее уравнение реакции.

2 [K K + + e - ]
2 NH 3 + 2 e - H 2 + 2 NH 2 -
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
2 K + 2 NH 3 2 K + + 2 NH 2 - + H 2

Уравнение этой реакции записывается следующим образом.

2 K ( с ) + 2 NH 3 ( l ) 2 K + ( соль ) + 2 NH 2 - ( соль ) + H 2 ( г )

(Символ sol в этом уравнении означает, что ионы K + и NH 2 - в этом растворе сольватированы соседними молекулами NH 3 .)

.

Что такое активная пайка металлов?

Активная пайка металлов используется в основном для соединения керамики, не смачиваемой «обычными» припоями. При пайке активного металла в припой добавляется металл (обычно титан) для ускорения реакции и смачивания керамической подложки. Добавление титана к нескольким составам припоев приводит к повышенной реакционной способности и значительному улучшению характеристик смачивания. Керамика смачивается за счет образования интерметаллического продукта межфазной реакции, который затем может образовывать соединение с припоем.

Наиболее хорошо зарекомендовавшие себя активные металлические припои основаны на эвтектическом сплаве 72Ag-28Cu, в который добавляется 1-5 мас.% Титана для производства листов или порошковой проволоки. Индий иногда добавляют для понижения температуры эвтектики. Они составляют основу ряда имеющихся в продаже припоев, которые смачивают оксид алюминия и другую керамику, такую ​​как карбид кремния, нитрид кремния и алмаз.

Реакционная способность этих активных металлических припоев требует, чтобы операция пайки проводилась в вакууме или в атмосфере инертного газа.Температура пайки обычно на 50-100 ° C выше точки ликвидуса припоя.

.

Глава 5 Карточки для обзора теста

Срок
Где находятся наиболее активные металлы?
Определение

Группа 1 Щелочные металлы

Внизу слева в таблице Менделеева

Срок
Где находятся наиболее активные неметаллы?
Определение

Группа 17, галогены

Вверху справа в таблице Менделеева

Термин
По мере продвижения слева направо через период атомный размер _____.Почему?
Определение
Уменьшается, потому что увеличение (+) ядра притягивает электроны ближе, тем самым уменьшая размер атома
Срок
Когда вы путешествуете по группе, атомный размер _______. Почему?
Определение
Увеличивается.Уровни энергии добавлены
Срок
Как называется отрицательный ион?
Определение
Срок
Как называется положительный ион?
Определение
Термин
Отрицательный ион (больше / меньше), чем его родительский (нейтральный) атом
Определение
Термин
Положительный ион (больше / меньше), чем его родительский (нейтральный) атом
Определение
Срок
Когда вы идете слева направо через период, первая энергия ионизации обычно (увеличивается / уменьшается), почему?
Определение
Увеличивается, потому что чем меньше атом, тем труднее удалить электроны.
Срок
Когда вы спускаетесь по группе, первая энергия ионизации обычно (увеличивается / уменьшается), почему?
Определение
Уменьшается из-за эффекта экранирования (внешние электроны на более высоких уровнях энергии легче удаляются)
Срок
Что такое экранирующий эффект?
Определение
Идея о том, что внешние электроны на более высоких уровнях энергии легче удаляются, потому что они находятся дальше от ядра
Срок
Где обнаружена самая высокая электроотрицательность?
Определение
Срок
Где самая низкая электроотрицательность?
Определение
Щелочные металлы, внизу слева
Срок
Как называются элементы группы 1?
Определение
Срок
Элементы группы 2 как называются?
Определение
Срок
Как называются элементы группы 3-12?
Определение
Термин
При перемещении слева направо по периодической таблице элементы меняются от (металл / неметалл) к (металл / неметалл)
Определение
Термин
Группа 17 элементов как называются?
Определение
Срок
Как называются самые активные элементы?
Определение
Термин
Группа 18 элементов как называются?
Определение
Срок
Какой подуровень заполняет переходные элементы
Определение
Срок
Элементы в группе имеют одинаковое количество из чего?
Определение
Срок
Элементы за период имеют одинаковое количество чего?
Определение
Термин
Отрицательный ион обычно указывает, какой тип элемента?
Определение
Срок
По мере того, как вы спускаетесь по группе, элементы обычно становятся (более / менее) металлическими
Определение
Срок
Большинство элементов в периодической таблице (металлы / неметаллы)
Определение
Срок
Элементы в таблице Менделеева расположены в соответствии с их ____________.
Определение
.

Смотрите также