Зміст
1. Загальні положення
1.1 Класифікація металів
1.2 Особливості будови металів
2.1 Лужні метали
2.1.1 Поширення у природі
2.1.2 фізичні властивості
2.1.3 Хімічні властивості
2.1.4 Сполуки лужних металів та їх властивості
2.1.5 Застосування лужних металів та їх сполук
2.2 s-Метали ііа-підгрупи
2.2.1 Поширення у природі
2.2.2 Фізичні властивості
2.2.3 Хімічні властивості
2.2.4 Сполуки s-металів ііа-підгрупи та їх властивості
2.1.5 Застосування S-металів
3. В’яжучі матеріали
4. Жорсткість води
4.1 Види жорсткості та її вимірювання
4.2 Усунення жорсткості води
5. Тестові питання для самоперевірки
Слово "метали" походить від грецького metallon - шахта, копалина. Однак з часом наповнення терміна змінилося і тепер в нього вкладають інший зміст.
Металами називаються речовини, які за звичайних умов виявлять особливі характерні властивості: високу електропровідність, теплопровідність, від’ємний температурний коефіцієнт електричної провідності, властивість добре відбивати світлові хвилі, пластичність.
Із хімічної точки зору металами називаються прості речовини, атоми яких на зовнішній оболонці містять невелику кількість електронів (1-3), мають великі ефективні радіуси, низькі значення потенціалів йонізації та високі відновлювальні властивості.
До класу металів належать як власно метали (прості речовини), так й їх сплави. Іноді металами називаються всі речовини, які мають ті чи інші металічні властивості, наприклад, так звані "синтетичні" метали - інтеркаллати, органічні метали. Серед 110 вивчених елементів 87 вважаються металами. Межа між металами і неметалами в періодичній системі (в її довгому варіанті) проводиться лише умовно - від В до At. А про деякі елементи (Ge, Sb) до цих пір не склалося єдиної думки. Все ж правильніше відносити германій до напівметалів, оскільки він виявляє напівпровідникові властивості, а сурму - до металів, незважаючи на те, що Sb- напівметал. Отже, існує ціла група елементів, які виявляють проміжні властивості, - напівметали (B, Si, Ge, As, Sb, Te, At). Крім того, при вивченні металів необхідно брати до уваги явище поліморфізму.
Поліморфізмомназивається здатність однієї речовини у твердому стані утворювати різні кристалічні структури, що відрізняються одна від одної не тільки будовою кристалічних решіток, а і властивостями.
Наприклад, олово може існувати як у металічній (β-Sn), так і в напівпровідниковій модифікаціях (α-Sn), для однієї поліморфної модифікації As- сірого арсену - характерні електропровідність і металевий блиск, у той час як інша поліморфна модифікація - жовтий арсен - є типовим неметалом. З іншого боку, у Ge, Si і навіть P за умов високого тиску знайдені модифікації з металічною електро - і теплопровідністю.
Поліморфні модифікації металів у міру зростання їх температур плавлення позначають буквами грецького алфавіту: найнизькотемпературній модифікації присвоюють символ α, потім β і т.д.
Історично склався геохімічний поділ металів: чорні (залізо Fe, марганець Mn, хром Cr); кольорові - решта металів.
Насправді існує багато класифікацій металів - залежно від характерної ознаки, яка розглядається. При цьому один і той самий метал може одночасно належати до різних класифікаційних груп. З точки зору хімії найважливішою є класифікація на підставі електронної будови атомів.
За електронною конфігурацією валентних орбіталей металиподіляються на електронні родини:
s-метали - лужні та лужноземельні метали, а також магній Mg і берилій Be;
p-метали- алюміній Al, галій Ga, індій In, талій Tl (головна підгрупа III групи), германій Ge, олово Sn, свинецьPb (головна підгрупа IVгрупи), вісмут Bi (головна підгрупа Vгрупи), полоній Po (головна підгрупа VІ групи);
d-метали- елементи побічних підгруп I-VIII груп періодичної системи;
f-метали- лантаноїдиі актиноїди.
Перші дві групи (s - і p-метали) іноді називають простими металами, а дві останні (d - і f-метали) - перехідними, оскільки вони виконуюють функцію неначе сполучної ланки між s - і p-металами і виявляють вторинну періодичність у змінюванні потенціалів йонізації, атомних радіусів, фізичних і хімічних властивостей.
Однак для інженера-фахівця корисно мати уяву і про інші класифікації металів: за поширенням у природі, за фізичними властивостями тощо.
За природним походженням (тобто за сумісним знаходженням в одних і тих мінералах, горних породах чи рудних копалинах) метали поділяють на такігрупи:
лужні (літій Li, натрій Na, калій K, рубідій Rb, цезій Cs, францій Fr);
лужноземельні (кальцій Ca, стронцій Sr, барій Ba, радій Ra);
родиназаліза - залізо Fe, кобальт Co, нікель Ni;
платинові - рутеній Ru, осмій Os, паладій Pd, родій Rh, іридій Ir, платина Pt;
лантаноїди - 14 металів, що стоять у періодичній системі елементів після лантану 57La- від церію 58Ce до лютецію71Lu; інколи до цієї групивідносять і сам лантан; серед лантаноїдів є один радіоактивний метал - прометій 61Pm;
актиноїди - 14 металів після актинію89Ac, починаючи від торію90Th,і, закінчуючи лоуренсієм 103Lr; як і у випадку лантаноїдів до родини актиноїдів частоприєднують і актиній; актиній і всі актиноїди належать до радіоактивнихелементів, причомуу природізнайдені тількиTh, Pa, U, Np, PuіAc, а решта, від америцію95Am до лоуренсію103Lr,одержані штучно;
рідкоземельні- скандій Sc, ітрій Y, лантан Laі лантаноїди.
За характерними ознакамиз урахуванням механічних, фізичних, хімічних таінших особливостей металиподіляються на численні групи:
важкі,густина яких перевищує 5г/см3, наприклад: мідь Cu, цинк Zn, свинецьPb, ртуть Hg, найважчим металом є осмій (22,6г/см3);
легкі,що мають густину менше 5г/см3, наприклад: калій K, натрій Na, магній Mg, алюміній Al, найлегший метал - літій (0,53г/см3);
легкоплавкі, температури плавлення яких не перевищують 1500оС; до легкоплавких металівналежать францій Fr (Тплавл=18-21оС), цезій Cs (Тплавл=28,5оС), галій Ga (Тплавл=29,1оС), калій K (Тплавл=62,3оС), натрій Na (Тплавл=97,8оС), олово Sn (Тплавл=231,85оС), свинецьPb (Тплавл=327,4оС), найлегкоплавкіший метал - ртуть Hg (Тплавл= -38,9оС);
тугоплавкі, температури плавлення яких вище 1500оС: залізо Fe (Тплавл=1539оС), молібден Mo (Тплавл=2620оС), осмій Os (Тплавл=3030оС); найтугоплавкіший метал - вольфрам W (Тплавл=3420оС);
рідкі,вміст яких у земній корінадто низький, наприклад: літій Li, рубідій Rb, цезій Cs, молібден Mo, вольфрам W, берилій Be, цирконій Zr, гафній Hf, ванадій V, ніобій Nb, тантал Ta;
розсіяні- метали, що не утворюють самостійних мінералів, а знаходяться у родовищах інших металів як домішки, до них належать галій Ga, талій Tl, рубідій Rb;
благородні, які виявляють підвищену хімічнустійкість відносно окиснювальних і агресивних реагентів; благородними металами є золото Au, срібло Ag, платина Pt, паладій Pd, родій Rh, іридій Ir, рутеній Ru, осмій Os;
радіоактивні- це метали, усіізотопияких мають радіоактивні властивості: технецій 43Tc, прометій 61Pm, полоній 84Poі всіметали з більшими, ніж у полонія атомними номерами.
У атомів металів на зовнішньому енергетичному рівні міститься невелика кількість валентних електронів (1,2 чи - дуже рідко - 3), слабко сполучених із ядром завдяки великим атомним радіусам і екранувальній дії внутрішніх електронних шарів. Атоми, що знаходяться у вузлах металічної кристалічної решітки, неспроможні утримати свої зовнішні електрони, тому перетворюються у позитивно заряджені йони. У свою чергу валентні електрони, відриваючись від атомів, достатньо вільно переміщуются по всьому кристалу і утворюють електронний газ.
Загальна сума зарядів електронів відповідає загальній сумі позитивних зарядів вузлових частинок. Отже, електронна конфігурація атомів металів зумовлює такі найважливіші властивості металічного зв’язку:
1) багатоцентровість (одночасне виникнення зв’язку між величезною кількістю вузлових частинок у кристалі; саме багатоцентровість забезпечує високу теплопровідність металів);
2) багатоелектронність (здійснення зв’язку за рахунок узагальнювання всіх валентних електронів, що знаходяться у кристалі металу; багатоелектронність зумовлює електропровідність металів);
3) ненапрямленість (рівномірний розподіл електронної густини за всіма напрямками; при цьому валентні електрони жорстко не закріплюються між двома атомами, як при ковалентному зв’язку, а переходять у стан провідності, внаслідок чого повністю делокалізуються і належать не одному конкретному атому, а однаковою мірою всім атомам у вузлах кристалічної решітки;
4) ненасиченість (можливість утворювання хімічних зв’язків між невизначеною кількістю атомів, яка обмежується лише геометричними параметрами (розмірами атомів) і взаємним відштовхуванням одноіменно заряджених вузлових частинок); ненасиченістю пояснюються великі координаційні числа (як правило, 8 чи 12), які показують кількість найближчих вузлів кристалічної решітки, що оточують даний вузол.
Металічний зв’язок у чистому вигляді реалізується тільки у лужних і лужноземельних металів, а в решті металів поряд із металічним здійснюється і ковалентний зв’язок. У р-металах і особливо у перехідних d-металах тільки невелика частина електронів перебуває у стані узагальнення. Наприклад, у типовому перехідному металі ніобії Nbна один атом припадає всього 1,2 узагальнених делокалізованих електрони. Інші валентні електрони утворюють напрямлений ковалентний зв’язок між сусідніми атомами. Це є причиною високих температур плавлення та великої механічної міцності d-металів.