Общая характеристика металлов и неметаллов. Производство металлов

Учебниковая опора

• Усманова М. Б., Сакарьянова К. Н., Сахариева Б. Н. «Химия», 8 класс, Атамура, 2018, с. 105, 114, 115
• Усманова М. Б., Сакарьянова К. Н., Сахариева Б. Н. «Химия», 8 класс, Атамура, 2018, с. 43, 47
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 1, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 81–86
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 1, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 89–96
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 231, 232, 236, 245

Главное

• Граница металлов и неметаллов — диагональ B–At: металлы левее и ниже, неметаллы правее и выше.
• У металлов на внешнем уровне 1–3 электрона, у неметаллов 4–8. Металлы — восстановители, в соединениях только положительные степени окисления.
• Металлическая связь и решётка (ионы + свободные электроны) объясняют блеск, электро- и теплопроводность, пластичность.
• Металлы получают восстановлением: пиро-, гидро- и электрометаллургия.
• Чугун — более 2 % углерода, хрупкий; сталь — меньше углерода, ковкая.

Теория

Металлы и неметаллы. К металлам относятся все элементы побочных подгрупп, элементы I–III групп (кроме H и B) и Ge, Sn, Pb, Sb, Bi. Металлы отдают электроны ($Me^0 - n\bar e \to Me^{n+}$), неметаллы присоединяют их. Оксиды металлов IA–IIA основные ($CaO \to Ca(OH)_2$), оксиды неметаллов кислотные ($CO_2 \to H_2CO_3$). Летучие водородные соединения образуют только неметаллы ($H_2S$, $HCl$).

Физические свойства металлов

Свойство	Рекордсмен
самый лёгкий	Li
самый тяжёлый	Os (22,6 г/см³)
самый твёрдый	Cr
самый легкоплавкий	Hg (−39 °C)
самый тугоплавкий	W (3400 °C)
Лёгкие металлы — $\rho < 5$ г/см³, тяжёлые — $\rho > 5$. Электропроводность растёт в ряду Hg, Pb, Fe, Zn, Mg, Al, Au, Cu, Ag (серебро — лучший проводник).

Химические свойства металлов

• с неметаллами: $2Fe + 3Cl_2 = 2FeCl_3$; $3Mg + N_2 = Mg_3N_2$;
• с водой: $2Na + 2H_2O = 2NaOH + H_2\uparrow$; при нагревании $Zn + H_2O = ZnO + H_2$;
• с кислотами (металлы до H, кроме реакции с $HNO_3$): $Zn + 2HCl = ZnCl_2 + H_2\uparrow$;
• с солями: металл левее вытесняет металл правее: $Zn + Pb(NO_3)_2 = Zn(NO_3)_2 + Pb$.

Ряд активности (Н. Н. Бекетов): $Li\ K\ Ca\ Na\ Mg\ Al\ Zn\ Fe\ Ni\ Sn\ Pb\ (H_2)\ Cu\ Hg\ Ag\ Au$ — активность снижается слева направо.

Сплавы — системы из металлов или металлов с неметаллами; имеют свойства, которых нет у чистых металлов.

Сплав	Состав	Применение
латунь	Cu + Zn	приборы, детали
бронза	Cu, Zn, Sn	краны, литьё
мельхиор	Cu + Ni	посуда, монеты
дюралюминий	Al + Cu, Mn, Mg	авиация
нихром	Ni, Cr, Fe, Mn	нагревательные спирали
нержавеющая сталь	Fe + Cr + Ni	не ржавеет

Получение металлов. Руды — оксиды, сульфиды, карбонаты; металл в них в положительной степени окисления, поэтому нужно восстановление.

1. Пирометаллургия (высокая температура): карботермия $Fe_2O_3 + 3CO = 2Fe + 3CO_2$, $ZnO + C = Zn + CO$; водородотермия $WO_3 + 3H_2 = W + 3H_2O$; алюминотермия $Cr_2O_3 + 2Al = 2Cr + Al_2O_3$; обжиг сульфидов $2ZnS + 3O_2 = 2ZnO + 2SO_2$.
2. Гидрометаллургия: $CuO + H_2SO_4 = CuSO_4 + H_2O$, затем $CuSO_4 + Fe = FeSO_4 + Cu$. Мягкие условия, чистый металл.
3. Электрометаллургия: электролиз расплавов ($2KCl \to 2K + Cl_2$) — щелочные, щелочноземельные металлы, алюминий; рафинирование меди. Недостаток — большой расход энергии.

Доменный процесс (чугун). Загрузка: руда, кокс, известняк; вдувают горячий воздух. $C + O_2 = CO_2$; $CO_2 + C = 2CO$; $Fe_2O_3 + 3CO = 2Fe + 3CO_2$; флюс: $CaCO_3 = CaO + CO_2$, $CaO + SiO_2 = CaSiO_3$ (шлак). Передел в сталь — выжигание избытка C, Si, Mn кислородом (конвертер, мартен, электропечь). Закалка повышает твёрдость, отпуск снимает хрупкость. Металлургия — источник $SO_2$, пыли, оксидов азота.

Примеры

1. Какой способ подходит для получения калия? Электролиз расплава $KCl$ — активный металл.
2. Какую роль играет известняк в домне? Флюс: даёт CaO, который связывает $SiO_2$ в шлак $CaSiO_3$.
3. Пойдёт ли реакция Cu + $ZnSO_4$? Нет: медь правее цинка в ряду активности.
4. Как получают хром из $Cr_2O_3$? Алюминотермией.

Типичные ошибки на ЕНТ

• Путают чугун и сталь: в чугуне углерода больше (> 2 %), он хрупкий.
• Забывают, что металлы с азотной кислотой водород не выделяют.
• Считают металл в руде окислителем при получении; на деле металл восстанавливают.
• Называют лучшим проводником медь (лучший — серебро).
• Относят бор к металлам: он неметалл.

Самопроверка

1. Какой металл самый тугоплавкий? — Вольфрам.
2. Что является восстановителем в доменной печи? — CO (и кокс).
3. Состав латуни? — Медь и цинк.
4. Как называется получение металла из раствора соли вытеснением? — Гидрометаллургия.
5. Где на таблице находятся неметаллы? — Правее и выше диагонали B–At.