Соединения щелочных металлов и их применение

Из всей периодической системы большая часть элементов представляет группу металлов. Щелочные, щелочноземельные, амфотерные, переходные, радиоактивные — их очень много. Все металлы играют огромную роль не только в природе и биологической жизни человека, но и в различных отраслях промышленности. Не зря ведь XX век был назван «железным».

Металлы: общая характеристика

Все металлы объединяются общими химическими и физическими свойствами, по которым их легко отличить от неметаллических веществ. Так, например, строение кристаллической решетки позволяет им быть:

• проводниками электрического тока;
• хорошими теплопроводниками;
• ковкими и пластичными;
• прочными и блестящими.

Конечно, среди них есть и различия. Одни металлы блестят серебристым цветом, другие — более матовым белым, третьи — вообще красным и желтым. Также отличия есть и в показателях тепло- и электропроводности. Однако все равно эти параметры — общие для всех металлов, в то время как у неметаллов больше различий, нежели схожести.

По химической природе все металлы — восстановители. В зависимости от условий реакции и конкретных веществ могут выступать и в роли окислителей, однако редко. Способны образовывать многочисленные вещества. Химические соединения металлов встречаются в природе в огромном количестве в составе руды или полезных ископаемых, минералов и прочих пород. Степень окисления металлов всегда положительная, может быть постоянной (алюминий, натрий, кальций) или переменной (хром, железо, медь, марганец).

Многие из них получили широкое распространение в качестве строительных материалов, используются в самых разных отраслях науки и техники.

Химические соединения металлов

Среди таковых следует назвать несколько основных классов веществ, которые являются продуктами взаимодействия металлов с другими элементами и веществами.

1. Оксиды, гидриды, нитриды, силициды, фосфиды, озониды, карбиды, сульфиды и прочие — бинарные соединения с неметаллами, чаще всего относятся к классу солей (кроме оксидов).
2. Гидроксиды — общая формула Ме +х (ОН)_х.
3. Соли. Соединения металлов с кислотными остатками. Могут быть разными:

• средние;
• кислые;
• двойные;
• основные;
• комплексные.

4. Соединения металлов с органическими веществами — металлорганические структуры.

5. Соединения металлов друг с другом — сплавы, которые получаются разными способами.

Варианты соединения металлов

Вещества, в которых одновременно могут находиться два разных металла и более, подразделяются на:

• сплавы;
• двойные соли;
• комплексные соединения;
• интерметаллиды.

Способы соединения металлов между собой также варьируются. Например, для получения сплавов используют метод расплавления, смешения и затвердевания полученного продукта.

Интерметаллиды образуются в результате прямых химических реакций между металлами, нередко происходящих со взрывом (например, цинк и никель). Для таких процессов нужны особые условия: температура очень высокая, давление, вакуумность, отсутствие кислорода и прочие.

Двойные соли и комплексные соединения могут сформироваться при сливании растворов исходных веществ, а также при их сплавлении.

Изготовление изделий из металлов подразумевает также их соединение между собой. Для этого используют такие способы, как:

• сварка (газовая, электрическая и так далее);
• пайка разными видами припоев;
• резьба;
• заклепывание.

Главное условие — это создать такое изделие, которое сможет быть устойчивым к коррозии и в котором не будет швов и примесей, щелей.

Соединения щелочных металлов и их применение

Щелочными называются элементы, расположенные в первой группе главной подгруппе периодической системы. Их всего 6, и открыты они были практически все одновременно с небольшим временным интервалом. В форме простых веществ в природе данные элементы не встречаются.

Вследствие высокой химической активности работать с ними очень тяжело и опасно. Поэтому пришлось потрудиться, чтобы выделить их в чистом виде. Гораздо раньше людьми начали использоваться различные соединения щелочных металлов. Некоторые из них были известны еще с древности и не потеряли важности и актуальности сегодня. Они используются в технике, строительстве, медицине, пищевой отрасли, химической промышленности, металлургии, машиностроении, сельском хозяйстве и многих других разделах народного хозяйства. Основные из них рассмотрим подробнее.

Виды соединения щелочных металлов с другими металлами относятся к группам:

• интерметаллических соединений;
• комплексных соединений;
• двойных солей.

Оксиды

Из всех щелочных металлов при сгорании в кислороде нормальный оксид способен давать только литий. Остальные же проявляют чрезмерную активность, поэтому формируют пероксиды Ме₂О₂. Из пероксидов действием простого металла можно получить оксид нормального вида Ме₂О. Кислородные соединения щелочных металлов имеют разную окраску.

1. Оксид лития, калия и натрия — белые кристаллические порошки.
2. Рубидий — желтая окраска оксида.
3. Цезий — оранжевая.

Основная область применения — химическая промышленность. Оксиды щелочных металлов реагируют с водой, образуя важные соединения — щелочи. Этим свойством и обусловлено название данной группы элементов. Соединения щелочных металлов — оксиды — лишь часть от общей массы значимых и важных веществ, в состав которых входят эти элементы.

Гидроксиды (щелочи)

Соединения щелочных металлов с гидроксогруппой называют щелочами, или гидроксидами. Все они — очень едкие вещества, способные легко разрушать практически любой материал. Особенно это касается животных тканей. Поэтому работать с щелочами следует крайне осторожно, на месте контакта с кожей может возникнуть глубокий химический ожег.

Самым известным веществом среди щелочей является каустическая сода, или гидроокись натрия. Данное соединение известно еще с древних времен, где оно добывалось из золы растений и использовалось для мыловарения и стирки белья. Химическая формула — NaOH. Сегодня едкий натр производится огромными количествами в каждой стране, так как без его участия не обходится практически ни одна отрасль производства. Он используется:

• в нефтеперерабатывающей промышленности;
• в косметической и парфюмерной;
• в химических синтезах;
• для производства чистящих и моющих средств, абразивных материалов;
• в кожевенной и текстильной промышленности и других областях.

Другие металлы из группы щелочных формируют не столь важные и распространенные щелочи. Более-менее значимым является лишь гидроксид калия — КОН, который известен как едкое кали.

Такие соединения щелочных металлов, как соли, являются не только практически востребованными веществами, но и присутствуют в организме живых существ, поддерживая их нормальную жизнеспособность.

Самой главной солью является, безусловно, хлорид натрия. Это обычная поваренная соль, которая есть у каждого дома и которой не придают особого значения вследствие большой распространенности. Однако если представить, что она вдруг исчезнет, мало кто обрадуется последствиям. Несоленую пищу есть сложно, к тому же это наносит непоправимый вред здоровью, так как в организм не поступают ионы натрия, нужные для работы сердца и сосудов.

Также важные соединения щелочных металлов — это карбонаты. Особенно карбонат и бикарбонат натрия, который в простонародье называется содой. Его используют при производстве стекла, для изготовления моющих средств. Содой можно спокойно чистить посуду. Она обладает хорошими дезинфицирующими, обеззараживающими, очищающими и отбеливающими свойствами. Широко используется в пищевой промышленности, особенно в кондитерском деле и хлебопечении. С ее помощью варят мыло, создают стиральные порошки.

Сода, соль, каустик — все это соединения щелочных металлов в природе. Они существуют в чистом виде, формируя залежи, либо входят в состав продуктов сгорания тех или иных веществ. Иногда их получают лабораторным способом. Но всегда эти вещества важны и ценны, так как окружают человека и формируют его быт.

Соединения щелочных металлов и их применение не ограничиваются только натрием. Также распространены и популярны в отраслях хозяйства такие соли, как:

• хлорид калия; (нитрат калия);
• карбонат калия;
• сульфат.

Все они являются ценными минеральными удобрениями, используемыми в сельском хозяйстве.

Щелочноземельные металлы — соединения и их применение

К данной категории относятся элементы второй группы главной подгруппы системы химических элементов. Их постоянная степень окисления +2. Это активные восстановители, легко вступающие в химические реакции с большинством соединений и простых веществ. Проявляют все типичные свойства металлов: блеск, ковкость, тепло и электропроводность.

Самыми важными и распространенными из них являются магний и кальций. Бериллий проявляет амфотерность, барий и радий относятся к редким элементам. Все они способны формировать следующие типы соединений:

• интерметаллические;
• оксиды;
• гидриды;
• бинарные соли (соединения с неметаллами);
• гидроксиды;
• соли (двойные, комплексные, кислые, основные, средние).

Рассмотрим самые важные соединения с практической точки зрения и их области применения.

Соли магния и кальция

Такие соединения щелочноземельных металлов, как соли, имеют важное значение для живых организмов. Ведь именно соли кальция являются источником этого элемента в организме. А без него невозможно нормальное формирование скелета, зубов, рогов у животных, копыт, волос и шерстного покрова и так далее.

Так, самой распространенной солью щелочноземельного металла кальция является карбонат. Его другие названия:

• мел;
• мрамор;
• известняк;
• доломит.

Используется не только как поставщик ионов кальция в живой организм, но и как стройматериал, сырье для химических производств, в косметической промышленности, стекольной и так далее.

Такие соединения щелочноземельных металлов, как сульфаты, тоже имеют важное значение. Например, сульфат бария (медицинское название «баритовая каша») используется в рентгенодиагностике. Сульфат кальция в виде кристаллогидрата — это гипс, который содержится в природе. Он используется в медицине, строительстве, штамповке слепков.

Фосфоры из щелочноземельных металлов

Эти вещества известны еще со Средних веков. Раньше их называли люминофорами. Это название встречается и сейчас. По своей природе данные соединения — это сульфиды магния, стронция, бария, кальция.

При определенной обработке они способны проявлять фосфоресцирующие свойства, причем свечение очень красивое, от красного до ярко-фиолетового. Это применяется при изготовлении дорожных знаков, спецодежды и прочих вещей.

Комплексные соединения

Вещества, которые включают в себя два и более разных элементов металлической природы, — комплексные соединения металлов. Чаще всего они представляют собой жидкости, обладающие красивыми и разноцветными окрасками. Используются в аналитической химии для качественного определения ионов.

Такие вещества способны образовывать не только щелочные и щелочноземельные металлы, но и все остальные. Бывают гидроксокомплексы, аквакомплексы и другие.

Переходные металлы

Переходные металлы — элементы побочных подгрупп Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, в атомах которых появляются электроны на d- и f-орбиталях.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Переходные металлы — общая характеристика

Все d-элементы расположены в побочных подгруппах периодической системы элементов и являются переходными.

Находясь только в больших периодах (IV, V, VI), d-элементы образуют «вставные декады» (по 10 элементов) между s— и d-элементами, поэтому имеют общее название — переходные металлы.

В атомах d-элементов содержится от 1 до 10 электронов на d-подуровне предвнешнего электронного слоя и 2 (или 1 в случае проскока) на s-подуровне внешнего электронного слоя. Общая формула электронной конфигурации валентных подуровней в атомах где n— номер периода.

В отличие от щелочных и щелочноземельных металлов, большинство d-металлов имеют переменную валентность и переменную степень окисления. Это объясняется тем, что валентными в атомах d-элементов являются не только s-электроны внешнего слоя, но и все или некоторые d-электроны предвнешнего слоя, d-элементы образуют три переходных ряда — в IV, V и VI периодах соответственно. Первый ряд включает 10 элементов: от скандия до цинка. Он характеризуется внутренней застройкой 3d-орбиталей (табл. 29).

Элемент	Символ	Атомный номер	Электронная конфигурация
Скандий	Sc	21
Титан	Ti	22
Ванадий	V	23
Хром	Cr	24
Марганец	Mn	25
Железо	Fe	26
Кобальт	Co	27
Никель	Ni	28
Медь	Cu	29
Цинк	Zn	30

Как следует из таблицы, хром и медь имеют всего по одному электрону. Согласно закономерностям заполнения энергетических уровней и подуровней у атомов хрома и меди на четвертом энергетическом уровне должно быть два электрона. Однако один из двух электронов переходит на третий энергетический уровень, на незаполненную d-орбиталь («провал электрона»). Медь в соединениях проявляет степени окисления + 1, +2, хром проявляет степени окисления +2, +3, +6. Для d-металлов III—VII групп высшая валентность и высшая степень окисления равны номеру группы, т. е. суммарному числу на (n — 1)d— и ns-подуровнях, например у d-элементов четвертого периода (табл. 30).

№ группы	III	IV	V	VI	VII
Элемент	Sc	Ti	V	Cr	Mn
Электрон. конфигурация
Высшая валентность	III	IV	V	VI	VII
Высшая степень окисления	+8	+4	+5	+6	+7

d-металлы II группы, атомы которых имеют завершенную структуру d-подуровня проявляют в своих соединениях постоянную валентность II и постоянную степень окисления +2. Например, в атоме цинка предпоследний d-подуровень полностью завершен, поэтому цинк в соединениях проявляет только степень окисления +2.

В периодах с увеличением заряда ядра металлические свойства изменяются более медленно по сравнению со свойствами s— и p-элементов. В побочных подгруппах сверху вниз восстановительные свойства d-элементов уменьшаются. В свободном состоянии d-металлы (как и вообще все металлы) являются восстановителями. Восстановительная активность различных d-металлов изменяется в широких пределах: среди них есть металлы средней активности, находящиеся в ряду напряжений до водорода: (Fe, Cr, Zn, Mil и др.); малоактивные металлы (Сu, Hg и др.) и благородные металлы (Аu, Pt), располагающиеся в ряду напряжений после водорода.

Соединения d-элементов могут выполнять как восстановительные, так и окислительные функции. Соединения с высокими степенями окисления являются окислителями, а соединения с невысокими степенями окисления — восстановителями, например:

— восстановители.

— сильные окислители.

Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов d-элементов, а также окислительно-восстановительные свойства их соединений зависят от степени окисления металла. Как следует из таблицы при увеличении степени окисления металла основной характер оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный характер усиливается (табл. 31).

Например, СrО и Сг(ОН)₂ — это основные оксиды и гидроксиды. Сг₂O₃ и Сг(ОН)₃ — амфотерные, СrO₃ и Н₂СrО₄, Н₂Сг₂О₂ — кислотные.

d-металлы по сравнению с другими металлами характеризуются более большей твердостью, плотностью, высокой температурами плавления и кипения, d-металлы хорошие проводники электрического тока, особенно те из них, в атомах которых имеется только один внешний s-электрон. Так, медь, серебро и золото, обладающие конфигурацией d 10 s 1

Большинство соединений переходных металлов окрашены. Для d-элементов характерно образование комплексных соединений.

Все d-элементы расположены в побочных подгруппах периодической системы элементов и являются металлами. В каждом большом периоде d-элементы располагаются между s— и p-элементами. В отличие от щелочных и щелочноземельных металлов, большинство d-металлов имеют переменную валентность и переменную степень окисления. В свободном состоянии d-металлы (как и вообще все металлы) являются восстановителями. Соединения d-элементов могут проявлять как восстановительные, так и окислительные функции. Соединения с высокими степенями окисления являются окислителями, а соединения с невысокими степенями окисления — восстановителями. При увеличении степени окисления металла основной характер оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный характер усиливается.

Комплексные соединения

Мир веществ многообразен, и мы встречались с группой веществ, которые принадлежат к комплексным соединениям. Данными веществами стали заниматься с XIX века, но понять их строение с позиций существовавших представлений о валентности было трудно. В 1893 году швейцарским химиком-неоргаником Альфредом Вернером была сформулирована теория, позволившая понять строение и некоторые свойства комплексных соединений, которую назвали координационной теорией, поэтому комплексные соединения часто называют координационными соединениями. Соединения, в состав которых входят сложные ионы, существующие как в кристалле, так и в растворе, называются комплексными, или координационными.

Комплексные соединения образуются в результате взаимодействия между собой солей, кислот и оснований, например:

Строение комплексных соединений. Комплексные соединения образованы двумя составляющими: внутренней координационной сферой и внешней координационной сферой.

Во внутреннюю сферу, которую обозначают квадратными скобками, входит центральный атом, или комплексообразователь, и окружающие его ионы, атомы или молекулы, называемые лигандами. Наиболее часто комплексообразователями служат атомы металлов. В качестве лигандов выступают ионы Cl, Br, I , CN, NO₂, ОН или нейтральные молекулы NH₃, Н₂O, СО.

В состав внутренней сферы одного соединения могут входить различные лиганды, например, в и Cl₂, являются лигандами. Число лигандов, располагающихся вокруг комплексообразователя, определяет координационное число центрального атома. Так, в соединении координационное число серебра равно двум, а кобальта в — шести. Координационное число принимает значения от 2 до 12, но чаще всего оно равно 2, 4 или 6. Внешняя сфера может быть образована как катионами, так и анионами. Заряды внешней и внутренней сфер противоположны. Рассмотрим несколько примеров: 1. Структура комплекса — гексацианоферрата (II) калия.

Железо (+2) является центральным ионом. Ионы CN выполняют роль лигандов. Железо в комплексе с цианогруппами образует внутреннюю координационную сферу. Ионы калия образуют внешнюю координационную сферу. Положительный заряд внешней сферы компенсирует отрицательный заряд внутренней сферы. Координационное число комплексообразователя (Fe), определяемое числом координационных связей, равно 6.

2. Структура комплекса — хлорид гексаамминкобальта (III), Со (III) является комплексообразователем. Молекулы NH₃ выполняют роль лигандов. Кобальт в комплексе с NH₃ образует внутреннюю сферу. Ионы хлора образуют внешнюю координационную сферу. Координационное число комплексообразователя (Со) равно 6.

3. Структура комплекса — дихлородиамминплатина (II). Pt(II) является комплексообразователем. Молекулы NH₃ и ионы Сl выполняют роль лигандов- Платина в комплексе с NH₃ иСl образует внутреннюю координационную сферу. Заряд внутренней сферы равен 0. Внешняя координационная сфера отсутствует. Координационное число комплексообразователя Pt равно 4. Как видим, комплексные соединения чрезвычайно разнообразны по составу и строению.

Классификация комплексных соединений Большое многообразие комплексных соединений и их свойств не позволяет создать единую классификацию. Однако можно группировать вещества по некоторым отдельным признакам.

1. По составу: например, соли основания кислоты

2. По типу координируемых лигандов: а) аквакомплексы — это комплексные катионы, в которых лигандами являются молекулы Н₂O. Их образуют катионы металлов со степенью окисления +2 и больше, причем способность к образованию аквакомплексов у металлов одной группы периодической системы уменьшается сверху вниз. Например: б) гидроксокомплексы — это комплексные анионы, в которых лигандами являются гидроксид-ионы ОН — . Комплексообразователями являются металлы, склонные к проявлению амфотерных свойств — Be, Zn, Al, Сг. Например:

в) аммиакаты — это комплексные катионы, в которых лигандами являются молекулы NH₃. Комплексообразователями являются d-элементы. Например:

г) ацидокомплексы — это комплексные анионы, в которых лигандами являются анионы неорганических и органических кислот. Например:

3. По заряду внутренней сферы а) комплексный катион, например,

б) комплексный анион, например,

Химические свойства

1. В растворе комплексные соединения ведут себя как сильные электролиты, т. е. полностью диссоциируют на катионы и анионы:

а)

б)

2. При действии сильных кислот происходит разрушение гидроксокомплексов, например:

а) при недостатке кислоты:

б) при избытке кислоты:

3. Нагревание (термолиз) всех аммиакатов приводит к их разложению, например:

Значение и применение комплексных соединений

Комплексные соединения имеют большое значение в природе. Достаточно сказать, что почти все ферменты, многие гормоны, лекарства, биологически активные вещества представляют собой комплексные соединения. Например, гемоглобин крови является комплексным соединением железа, а хлорофилл — комплексным соединением магния, витамин В₁₂ — комплексным соединением кобальта. Образование комплексных соединений используют в химической технологии для извлечения золота, металлов платиновой группы и др. Эти соединения широко применяют в аналитической химии в качестве индикаторов.

Соединения, в состав которых входят сложные ионы, существующие как в кристалле, так и в растворе, называются комплексными, или координационными. Комплексные соединения образованы двумя составляющими: внутренней координационной сферой и внешней координационной сферой. Комплексообразователями являются металлы. Окружающие комплексообразователя ионы, атомы или молекулы, называются лигандами. Число лигандов, располагающихся вокруг комплексообразователя, определяет координационное число центрального атома. Координационное число принимает значения от 2 до 12, но чаще всего оно равно 2, 4 и 6.

Биологическая роль переходных металлов

Хром — постоянная составная часть растительных и животных организмов. Биологическая активность хрома объясняется главным образом способностью ионов Сr 3- образовывать комплексные соединения. Например, ионы Сr 3- участвуют в стабилизации структуры нуклеиновых кислот. Недостаток хрома замедляет рост живых организмов, нарушает углеводный обмен вызывает болезнь глаз, симптомы диабета. Соединения хрома ядовиты и в медицине не применяются.

Марганец. Марганец — микроэлемент. Биогенная функция ионов Мn 2+ состоит в регуляции активности ферментов. Поэтому ионы Мn 2+ обладают широким спектром биологических эффектов: оказывают влияние на кроветворение, минеральный обмен, рост, размножение и т. д. Кроме того, ионы Мn 2+ стабилизируют структуру нуклеиновых кислот. В медицине используется перманганат калия КМnO₄. Этот антисептик применяется в водных растворах для промывания ран, полоскания горла и т. д.

Железо. Железо входит в состав ферментов, которые катализируют окислительно-восстановительные процессы в организме человека. Играет важную роль в синтезе белков, процессах фотосинтеза и дыхания растений. Недостаток железа в организме человека приводит к болезни крови (анемии) и нарушению иммунной системы. В организме взрослого человека содержится около 3,5 г железа. Основная его масса сконцентрирована в гемоглобине. По форме гемоглобин похож на шарик диаметром около 5,5 нм. Гемоглобин — сложный белок,который переносит кислород по всем тканям и органам. В нашей жизни становится все больше продуктов, которые могут вызвать недомогание у любого человека. Одним из таких продуктов является оксид углерода (II) — угарный газ. Оксид углерода (II) образуется при неполном сгорании любого топлива (газ, уголь, дрова, бензин и др.) Кроме того увеличивается количество транспорта, а с ним и угарного газа в атмосфере. При этом распространяется газ быстро, смешиваясь с воздухом без потери своих отравляющих свойств. Для человека угарный газ — сильнейший яд. Поступая в организм при дыхании, он проникает из легких в кровеносную систему, где и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окси-, так и с дезоксигемоглобином:

где Нb — гемоглобин. Образующийся комплекс карбоксигемоглобин (НbСО) не способен присоединять к себе кислород. Таким образом,связываясь с гемоглобином угарный газ препятствует снабжению организма кислородом. В результате кровь утрачивает способность переносить и доставлять тканям кислород и развивается кислородное голодание или гипоксия. В первую очередь страдает головной мозг, но возможно поражение и других органов — в зависимости от общего состояния здоровья.

Такое состояние опасно для жизни и при тяжелом отравлении может быть смертельным. Основная проблема состоит в том, что угарный газ не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха, не вызывает вообще никаких ощущений.

К первым симптомам отравления угарным газом относятся: тошнота, рвота, головокружение, частый пульс, дезориентация. Возможно развитие обморока, эйфории, спутанности сознания.

• Если начинается озноб, падает температура — укутайте потеплее, напоите сладким чаем (если человек в сознании, разумеется).

• Устройте поудобнее (и желательно — на свежем воздухе или, хотя бы, у открытого окна), чтобы облегчить дыхание.

• Потерявшего сознание уложите на бок и следите, чтобы его голова не запрокидывалась, особенно если вдруг возникнет рвота, дайте понюхать ватку, смоченную нашатырным спиртом, для того, чтобы привести человека в сознание; При необходимости сделать пострадавшему непрямой массаж сердца и провести искусственное дыхание.

• Чем раньше пострадавшему будет оказана медицинская помощь, тем больше шансов на его выздоровление.

Учтите: от отравления угарным газом существует противоядие. Этот препарат называется ацизол, выпускается в виде капсул и в виде раствора в ампулах (для внутримышечных инъекций).

Для того, чтобы предотвратить отравление угарным газом нужно соблюдать несложные правила:

• не ночевать в гараже;

• не использовать газовую горелку или керосиновую лампу для отопления закрытого помещения;

• не оставлять в гараже машину с включенным двигателем;

• не спать в машине с включенным двигателем.

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

12 физ. и хим. характеристик металла, что плавится в руках

Металл который плавится в руке: понятие легкоплавкости + характеристика галлия + разбор термодинамических свойств химического элемента + физические/химические свойства металла + его область применения.

Многие из нас видели в интернете фото металла, который плавится в руке. Единственный химический элемент в природе, который может безопасно для здоровья человека, провернуть подобный трюк – галлий.

В сегодняшней статье мы разберем отличительные свойства группы легкоплавких металлов + предоставим характеристику элемента, тающего в руках его владельца.

Понятие легкоплавких металлов/сплавов

Легкоплавкость – понятие растяжимое, особенно это актуально для промышленности. В химии легкоплавкими считаются элементы группы металлов + их сплавы, температура плавления которых ниже порога в 1000 градусов Цельсия.

Если температура плавления металла превышает 1 500 градусов Цельсия – его принято выделять в группу тугоплавких. Диаграмма выше четко дает понять, куда какой металл следует относить.

Обратите внимание: минимальная температура плавления у ртути — 39 градусов. Именно благодаря такому физическому свойству, мы можем наблюдать химический элемент в постоянно жидком состоянии.

Теперь пройдемся по легкоплавким сплавам. В своем большинстве – это сплавы эвтектического типа, пиковая температура плавления которых не превышает 232 градусов по Цельсию. В основе производства легкоплавких сплавов лежат легкоплавкие металлы – олово, висмут, таллий, галлий и другие.

Ученым удалось добиться -78 градусов в качестве минимальной температуры плавления для советского сплава, который состоит на 12% из натрия, 47% калия и 41% цезия. Недостаток сплава — реакция с водой. Ближайший конкурент – амальгама. Токсичный сплав из ртути с таллием, сохраняющий жидкое состояние до температуры -61 градус по Цельсию.

Область применения легкоплавких металлов/сплавов:

• энергетическая промышленность и машиностроение. Основное направление – создание тепловых носителей с жидкометаллического типа;
• литьевая промышленность;
• как основа для датчиков температуры, что актуально в системах пожарной безопасности;
• как основа для разработки термометров;
• как ремонтный материал в вакуумных технологиях;
• припои, предохранители и прочие мелочи в микроэлектронике;
• медицинское направление. То же протезирование;
• как металлическая смазка.

Низкая температура плавления является базовых свойством, которое требуется от легкоплавких металлов и сплавов. Вторичные параметры, которые берутся во внимание в различных областях использования – плотность, прочность на разрыв и инертность в химическом плане.

Галлий: металл, который плавится в руках

Gallium (Ga) – металл, который плавится в руках при достижении температуры в 29.8 градуса по Цельсию . Учитывая стандартные 36.6 в организме человека, чтобы получить желаемый эффект, достаточно кусочек галлия положить на ладошку и наблюдать как тот медленно по ней растекается в разные стороны.

1) Общая информация по элементу

Внешне, галлий представляет собой мягкий или хрупкий металл (в зависимости от температуры), имеющий белый + серебристый оттенки. Иногда можно заметить синеватые отблески на поверхности чистого вещества.

Великий Менделеев заранее знал о данном химическом элементе. Впервые он просчитал некоторые свойства галлия еще в 1871 году. Изначальное название, присвоенное химиком, звучало как «экаалюминий».

К предугаданным свойствам галлия Менделеевым относились:

• оксидный тип;
• варианты связи с хлором;
• медленная растворимость при соприкасании с щелочами/кислотами;
• галлий не будет реагировать с кислородом;
• возможность легкоплавкого металла образовывать основные соли;
• химический элемент будет открыт при использовании спектроскопии.

Непосредственное выделение металла в чистом виде пришлось на француза Буабодраном. Открытие приходится на 1875 год. Из-за малого долевого содержания галлия в руде (менее 0.2%), пришлось потратить пару месяцев на получение минимального запаса чистого вещества для полноценного исследования его физических/химических свойств.

Физика галлия	Химия галлия
Наличие нескольких модификаций полиморфного типа.	Низкая химическая активность замедляет протекание химических реакций металла в твердом состоянии.
При нормальных условиях кристаллическая решетка имеет орторомбическую структуру. При повышении давления наблюдается образование 2 структур полиморфного типа с кубической и тетрагональной решетками.	На воздухе галлий покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет его от дальнейших реакций окисления.
Плотность галлия – 5.9 грамма на сантиметр кубический, а в жидком состоянии плотность увеличивается до 6.1 грамма на сантиметр кубический.	В контакте с горячей водой, он вытесняет из нее водород, в результате чего образуется гидроксид галлия.
Сопротивление электричеству у галлия в твердом и жидком состояниях одинаковы и равны 0.5 на 10-8 Ом*см при температурном режиме в 0 градусов по Цельсию.	Вступает в реакцию с паром (выше 340 градусов) и образует метагаллиевую кислоту.
Вязкость галлия колеблется в зависимости от температурного режима. При температуре в 100 градусов – 1.6 сантипуаз, а при 1000 градусов С – 0.6 сантипуаз.	Может взаимодействовать с кислотами минерального типа – происходит выделение Н и образование солевых веществ.
Поверхностное натяжение составляет 0.74 ньютона на метр, а отражательный коэффициент от 71% до 76% при разной длине волн.	Галлий инертен по отношению к водороду, азоту, углероду и кремнию.

В земной коре металл, который плавится в руках, встречается довольно часто. На 1 тонну земли приходится 19 грамм чистого вещества. В химическом аспекте, галлий – элемент рассеянного типа, располагающий двойной природой по геохимии. Хотя кларки вещества и большие, из-за его сильной склонности к изоморфизму, больших скоплений чистого галлия в природе не найти.

К основным минералам, где сравнительно высокое содержание галлия в чистом виде относят сфалерит (до 0.1%), биотит (до 0.1%) и натролит (до 0.1%). В остальных 10+ минералах, которые также применяются для добычи галлия, долевое содержание чистого вещества менее 0.1%. В морской воде галлий также присутствует, но его содержание крайне мало – всего 30 на 10-6 миллиграммов на литр жидкости.

2) Почему галлий – это металл, который плавится в руке?

Термодинамические свойства чистого галлия:

• металл переходит из твердого в жидкое состояние при достижении температуры в 29.8 С или 302 градуса Кельвина;
• металл закипает при достижении температуры в 2 448 градусов Кельвина;
• удельная теплота плавления чистого галлия составляет 5600 Джоулей на моль;
• удельная теплота по испарению составляет 270 000 джоулей на моль;
• молярная теплоемкость составляет 26 джоулей, деленных на Кельвины, перемноженные на моли.

Главными поставщиками галлия на мировой рынок являются государства из Юго-Запада Африки, Российская Федерация и большинство стран СНГ. Галлий – металл, который не только плавится в руке, но и вещество, способное менять плотность при смене температурного режима на основании данного свойства можно провести интересный опыт.

Эксперимент: переводим галлий в жидкое состояние, а далее загоняем его в маленький стеклянный пузырек. По мере охлаждения емкости, металл станет постепенно превращаться в твердую субстанцию. Постепенно образующиеся кристаллы начнут расширяться, за счет чего колба рано или поздно треснет.

Во избежание повреждений со стороны зрителей, демонстрация должна проходить в изолированном пространстве с защитной перегородкой. Если слишком резко переохладить колбу, осколки могут разлететься в разные стороны в радиусе нескольких десятков метров.

Обзор свойств и характеристик плавящегося в руке металла, галлия:

3) Получение галлия + области применения металла в промышленности/быту

В основе добычи чистого вещества лежит галлит – редкий минерал, который является смесью галлия и сульфида меди. Наиболее часто он встречается в совокупности с такими минералами как сфалерит и германит. Странный факт, но в залежах каменных углей иногда реально найти галлит в размере 1.5% от всего объема добычи, что делает такие месторождения крайне важными стратегическими запасами для промышленного производства галлия.

Основные методы получения металлического галлия – это переработка боксита, нефелина и некоторые типы полиметаллических руд/угля.

Алгоритм извлечения галлия из руд:

1. Электролиз с участием щелочных жидкостей, которые в свою очередь являются промежуточным продуктом с переработки бокситов в глинозем технического применения.
2. Получение концентрированных растворов по методу спекания или через процесс Байера. В первом случае получаем до 70 миллиграмм на литр, а во втором до 160 миллиграмм на литр концентрата.
3. Дальнейшая очистка галлия путем карбонизации.
4. Обогащенный осадок отправляют в емкость с известью, вследствие чего получаем раствор.
5. При помощи электролиза раствора получаем черновой вариант металла.
6. Черновой галлий прогоняют через водяной напор.
7. Смесь фильтруют при помощи пористых пластинок и греют в вакууме, из-за чего из чернового металла удаляются примеси летучего типа.
8. В зависимости от степени чистоты конечного продукта, используют химический, электрохимический, либо физический методы разложения.

Эталонный вариант чистки может предоставить галлий с чистотой в 99.9%. В данном случае используется метод электрохимического рафинирования и восстановление с помощью очищенного водорода.

В промышленном плане у галлия нет широкого распространения. Металл сравнительно дорогой для металлургии + его физические/химические свойства редко где могут пригодиться для массового использования.

Где применяется галлий:

• в соединениях с натрием металл применяют при создании лазеров полупроводникового типа с ультрафиолетовым и синим диапазонами;
• как присадка к германию/кремнию;
• как отражающий элемент для зеркал среднего качества. В чистом виде материал способен отражать порядка 89% света. Достоинства подобных изделий обусловливаются способностью металл к пропуску ультрафиолетовых лучей;
• как компонент в смазочных материалах. Клеи с добавкой жидкого галлия весьма популярны и сегодня;
• как замена ртути в кварцевых термометрах;
• оксид галлия – это стратегически важный объект в производстве лазерных материалов.

Иногда галлий применяют как компонент для светящихся красок, а соли на основе металла являются катализаторами в аналитической химии, медицине и органическом синтезе. Чтобы купить 1 килограмма металла, который плавится в руках, потребуется выложить от 250 до 400 американских долларов в зависимости от степени чистоты химического элемента.

Источник https://fb.ru/article/180160/soedineniya-schelochnyih-metallov-i-ih-primenenie

Источник https://natalibrilenova.ru/perehodnyie-metallyi/

Источник https://wikimetall.ru/spravochnik/metall-kotoryj-plavitsja-v-ruke.html