1. Взаимодействие металлов с кислородом

Металлы в природе
1. Металлы, встречающиеся в природе в самородном
состоянии
Некоторые металлы могут встречаться в природе в самородном состоянии (т.е. в виде
простых веществ). Таких металлов очень немного. Вы, наверное, уже догадались, что в виде
простых веществ в природе встречаются золото, серебро, медь, платина, ртуть и некоторые
другие металлы. Самым большим в России из найденных самородков золота был «Большой
треугольник», масса которого составляла 36 кг. Но серебро, медь и ртуть могут встречаться в
природе как в самородном состоянии, так и в виде соединений.
Рис. 1. Самородные металлы: золото, платина, медь, серебро
2. Состав минералов. Распространенность металлов в земной
коре
Многие химические элементы, образующие простые вещества металлы, находятся в природе
в виде соединений. Такие вещества называют минералами. Минералы, пригодные для
получения металлов, называют рудами. Если состав руды входит железо, то она называются
железной рудой, если медь – медной и т.д.
Наиболее распространены в природе оксиды и сульфиды металлов (соединения металлов с
кислородом и серой).
Самым распространенным в земной коре элементом, образующим простое вещество металл,
является алюминий. Его массовая доля составляет 8,2%. Одним из минералов, содержащим
алюминий, является корунд. Он очень твердый, поэтому используется для изготовления
наждачной бумаги. Химическая формула корунда Al2O3.
Оксид алюминия входит в состав некоторых драгоценных камней, например, рубина и
сапфира. Алюминий также содержатся в глине.
Рис. 2. Минералы, содержащие алюминий: боксит, корунд
Железо – второй по распространенности металл. В самородном виде встречается крайне
редко: только в составе метеоритных камней. Важнейшие природные соединения железа:
Fe3O4 – магнитный железняк
Fe2O3 – красный железняк
Fe2O3·H2O – бурый железняк
(Точка между двумя частями формулы означает, что оксид железа (III) и вода образуют
сложное кристаллическое вещество и разделить их физическими методами невозможно.)
FeS2 – пирит
Рис. 3. Железные руды: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк
Кальций, натрий, калий, магний – следующие по распространенности металлы в земной коре.
Кальций и магний образуют карбонатные минералы (например, кальцит CaCO3, магнезит
MgCO3). Кальций входит в состав гипса. Его формула СаSO4·2H2O.
Натрий и калий образуют растворимые в воде минералы. Например, поваренную соль (галит)
NaCl, сильвин – KCl, сильвинит KCl·NaCl (Рис. 4 )
Рис. 4. Растворимые в воде минералы (слева направо): галит, сильвин, сильвинит
Растворимые в воде соединения натрия, калия, кальция и магния входят в состав морской
воды.
Первоначальные представления о
химических свойствах металлов
1. Взаимодействие металлов с кислородом
Химическими свойствами вещества называют химические реакции, в которые оно вступает.
Рассмотрим некоторые химические свойства металлов.
Вы уже знаете, что какие-то металлы встречаются в природе в самородном состоянии, а
большинство встречается только в виде соединений: оксидов, сульфидов, хлоридов и т.д. Это
связано с тем, что большинство металлов может вступать в химические реакции с
соответствующими простыми веществами неметаллами: кислородом, серой, хлором и т.д.
I. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С КИСЛОРОДОМ.
В результате таких реакций, как правило, образуются оксиды металлов. Приведем примеры
таких взаимодействий:
Пример 1. Железо сгорает в кислороде с образованием железной окалины.
3Fe + 2O2 = Fe3O4
Рис. 1. Горение железа в кислороде
Пример 2. Медь окисляется кислородом и образуется черный оксид меди (II).
2Cu + O2 = 2CuO
Пример 3. Кусочек магниевой ленты сгорает на воздухе с образованием оксида магния.
2Mg + O2 = 2MgO
Рис. 2. Горение магния на воздухе
2. Взаимодействие металлов с серой
При этом образуются сульфиды.
Пример 1. Если нагреть смесь порошков серы и железа, то образуется вещество – сульфид
железа (II).
Fe + S = FeS
Рис. 3. Образование сульфида железа(II) из простых веществ
Пример 2. Магний взаимодействует с серой с образованием сульфида магния.
Mg + S = MgS
3. Взаимодействие металлов с хлором
В результате химических реакций металлов с хлором образуются хлориды.
Пример 1. Медь горит в атмосфере хлора. При этом образуется хлорид меди (II).
Cu + Cl2 = CuCl2
Рис. 4 . Горение меди в атмосфере хлора
C хлором хорошо реагируют и многие другие металлы: натрий, калий, магний, цинк, железо.
Например:
Пример 2. Железо взаимодействует с хлором с образованием хлорного железа – хлорида
железа(III).
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
Теперь вы понимаете, что многие металлы, встречающиеся в природе в виде руд, способны
взаимодействовать с кислородом, серой и хлором. На следующих уроках вы познакомитесь и
с другими химическими свойствами металлов.
Роль металлов в истории
человечества. Применение металлов и
сплавов
1. Использование металлов в различные периоды
Металлы были известны человеку с древних времен, однако, их они не нашли применения,
пока их не научились обрабатывать. В истории развития человечества по длительности и
интенсивности использования соответствующих материалов выделяют каменный, медный,
бронзовый и железный века:
Обратите внимание, медь – первый металл, который стали использовать для изготовления
орудий труда и оружия. Почему медь, а не железо? Ведь железо гораздо более
распространенный в природе металл, чем медь (массовая доля железа на Земле 4,1%, а
меди – 0,005%).
Рис. 1. Распространенность меди и железа в земной коре (массовые проценты)
Объясняется это двумя факторами. Во-первых, железо встречается в природе в самородном
состоянии крайне редко, в отличие от меди. Слово «железо» в переводе с древнегреческого
означает «звездный». В чистом виде железо в природе встречается в составе осколков
метеоритов. Во-вторых, медь можно легко получить из медной руды.
Если смешать черный порошок оксида меди (II) с углем и нагреть пробирку в пламени
спиртовки, то через некоторое время цвет порошка станет красным, т.е. образуется медь.
Легко представить, как древние люди на костре могли получить медь из медной руды.
Следующий период в истории человечества – бронзовый век. Бронза – это сплав меди с
оловом. Бронза имеет ряд преимуществ перед медью, она тверже и прочнее.
С середины I тысячелетия до н.э. человек научился добывать железо из руды. Наступил
железный век.
Благодаря металлам, производительность труда настолько возросла, что позволила
высвободить одних людей для управления государством, других – для занятия ремеслом,
литературой, искусством. Использование человеком металлов можно считать условием,
предопределившим становление цивилизации.
Золото и серебро тоже издавна использовались человеком. Эти металлы использовали как
эквиваленты обмена. Золото определяло могущество и власть.
2. Применение металлов и сплавов
Какие же свойства металлов позволяют их широко использовать? Это физические свойства
металлов (пластичность, прочность, тепло- и электропроводность) и химические свойства
(неспособность многих металлов взаимодействовать с окружающей средой).
В чистом виде металлы используют редко, чаще применяют сплавы металлов.
На данном этапе развития цивилизации наиболее широко применяемый металл – железо.
Твердость чистого железа невелика, поэтому используют его сплавы, как правило с
углеродом: чугуны (содержание углерода более 2% по массе) и стали (С – менее 2%).
Рис. 2. Сплавы железа с углеродом: чугун и сталь
Чтобы железо не подвергалось ржавлению при контакте с кислородом воздуха и водой, на его
поверхность наносят слой другого металла, например цинка. Оцинкованным железом
покрывают крыши домов, из него изготавливают кузов автомобиля.
Медь в чистом виде используют в тепло- и электротехнике. Например, из нее изготавливают
электропровода. В основном, применяют сплавы меди – латунь и бронзу. Латунь – сплав
меди с цинком. Ее используют в машиностроении и производстве бытовых товаров. Бронза,
как уже было сказано, - сплав меди с оловом. Из нее делают водопроводные краны,
различные детали механизмов, например часов, памятники, монументы.
Применение алюминия основано на его легкости, высокой электропроводности и химической
стойкости. Его поверхность покрыта слоем прочной оксидной пленки, которая защищает
металл от взаимодействия с окружающей средой. Недостаток алюминия – его мягкость.
Поэтому чаще используют его сплавы с медью, магнием и марганцем. Такие сплавы
называют дюралюминами. Дюралюмины используются в самолето- и автомобилестроении.
Рис. 3. Использование дюралюминия