Металлы: физические и химические свойства, ряд активности

Возьми два гвоздя: обычный стальной и оцинкованный. После дождливой осени первый покроется рыжей ржавчиной, второй останется целым. Разница — в тонком слое цинка на стали: цинк активнее железа и первым вступает в бой с коррозией, спасая гвоздь. Этот фокус работает только потому, что в химии есть чёткая таблица смелости металлов — ряд активности.

Физические свойства: блеск, ток, ковкость

Общее у металлов: блеск, высокая электро- и теплопроводность, ковкость. Медь идёт в провода, потому что по электропроводности уступает только серебру. Алюминиевая сковорода греет быстро — металл разносит тепло по всей поверхности. Плавятся металлы по-разному: ртуть жидкая уже при минус 39 °C, а вольфрам в нити лампочки держит 3422 °C.

Химические свойства и ряд активности

Атом металла легко отдаёт внешние электроны — в соединениях он всегда катион. С кислородом металлы дают оксиды: $4Al+3O_2=2A{l}_2{O}_3$. Металлы левее водорода в ряду вытесняют его из кислот: $Zn+2HCl=ZnC{l}_2+H_2\uparrow$. Натрий активен настолько, что реагирует с водой: $2Na+2H_{2}O=2NaOH+H_2\uparrow$, поэтому его хранят в керосине. Ряд активности: Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au. Левее — активнее, и металл левее вытесняет металл правее из раствора его соли: железный гвоздь в растворе медного купороса покрывается красной медью — $Fe+CuS{O}_4=FeS{O}_4+Cu$.

Ты варишь в алюминиевой кастрюле картошку — всё в порядке, а залил туда кислый маринад — посуда темнеет и «проедается». Алюминий стоит в ряду активности левее водорода и реагирует с кислотами, образуя растворимые соли. Поэтому кислые блюда готовят в эмалированной или стеклянной посуде, а не в чистом алюминии.

Алюминий активнее железа, но на воздухе мгновенно покрывается тончайшей плёнкой оксида Al2O3: она прозрачна и не пускает разрушение вглубь. Сдирает эту броню ртуть и некоторые кислоты — вот тогда металл рассыпается. Поэтому амальгаму алюминия в школьной лаборатории не делают даже для показа: слишком быстро исчезает блестящий кусочек.

Ртуть и галлий: металлы-исключения

Ртуть — единственный металл, жидкий при комнатной температуре: плавится уже при минус 39 °C, поэтому в старых термометрах она просто текла по шкале. Галлий зеркален: его температура плавления 29,8 °C, и слиток тает прямо в ладони — рука теплее металла. Они соседи по третьей группе таблицы, а поведение противоположное, и ряд активности тут не помощник: физические свойства металлов разбросаны от минус 39 до 3422 °C — как у льда и духовки.

История галлия — триумф таблицы Менделеева. В 1871 году он описал ещё не открытый элемент под именем экаалюминий и заранее вычислил его атомную массу. Через четыре года Лекок де Буабодран выделил из цинковой руды новый металл: масса оказалась около 70, а свойства сошлись один в один. Металл назвали галлием в честь Галлии, Франции, хотя злые языки читали тут и фамилию первооткрывателя: le coq по-французски — петух, по-латыни — gallus. После этого случая скептики перестали улыбаться периодическому закону.

Ртуть, кстати, тоже умела приносить пользу: в старых барометрах её столбик честно показывал давление, а пары ртути светятся внутри люминесцентных ламп. Сейчас ртуть из приборов вытесняют: её пары ядовиты и испаряются даже из разбитого градусника, поэтому его сдают не в мусор, а в специальные пункты приёма.

Зачем сплавляют: бронза, латунь, сталь

Чистый металл в технике — редкость. Бронза открыла людям целый исторический век: примерно девять десятых меди и одна десятая олова дают сплав заметно твёрже каждого из компонентов. В латунь к меди добавляют цинк, в сталь к железу — углерод, в дюралюминий к алюминию — медь с магнием. Логика всюду одна: чужие атомы мешают слоям атомов металла скользить друг по другу, и материал перестаёт быть мягким. Оттого дюралюминий держит крыло самолёта, хотя алюминий-одиночка слишком пластичен.

Слово «сталь» на бирке скрывает целое семейство. Нержавейка носит в себе хром: его оксидная плёнка, как у алюминия, не пускает ржавчину к железу. Инструментальная сталь с вольфрамом сохраняет твёрдость при такой температуре, при которой обычная уже отжалась бы и согнулась. Инженер выбирает сплав под задачу, как тренер — состав команды.

Спаивать же контакты научились припоями: сплав олова и свинца плавится при паре сотен градусов и растекается по металлу, как масло по хлебу. В современных припоях свинец заменили на висмут и серебро — истории отравлений свинцом того стоили. А цинк на оцинковку и сегодня наносят прямо из расплава: горячее цинкование остаётся самым дешёвым способом защиты.

Дорогие металлы в дешёвом телефоне

Серебро проводит ток лучше всех металлов, а золото не окисляется вовсе. Поэтому в зарядном разъёме телефона контакты золотые: медь со временем тускнеет, плёнка оксида портит соединение, а золото работает годами. Алюминий когда-то был роскошью того же рода: до дешёвого электролиза он стоил дороже серебра, и на приёмах у Наполеона III почётные гости ели алюминиевыми ложками, а остальные — серебряными. Способ 1886 года обрушил цену в тысячи раз, и металл-бриллиант превратился в баночную тару.

Серебро работает и вне электроники: в зеркалах за стеклом прячется тонкая серебряная плёнка, и блеск её сделал зеркало зеркалом. Благородные металлы дороги ещё и потому, что добыть их трудно, а испортить почти невозможно: они встречаются в самородном виде, как золотой песок на дне реки, и не ржавеют веками.

А вот рекордсмен по тугоплавкости — вольфрам: спираль лампочки из него не плавится даже в белом калении. Противоположный полюс — цезий: при 28,5 °C он размягчается прямо в тёплой комнате. Между этими полюсами уместилось всё: и литьё, и прокат, и фольга на шоколаде, и деталь моста.

Разбор типовой задачи

Задача на вытеснение водорода из кислоты — номер один в контрольных по ряду активности. Растворили 13 г цинка в соляной кислоте: сколько водорода выделится?

Словарь урока

Ряд активности#

лестница металлов от самых активных к благородным; водород занимает место посредине

Протекторная защита#

спасение одного металла другим, более активным соседом, который окисляется первым

Катион металла#

то, во что превращается атом металла, отдав внешние электроны

Благородные металлы#

золото, платина, серебро — почти ни с чем не реагируют и потому веками не тускнеют

Амальгама#

сплав ртути с другим металлом; ртуть разъедает защитные оксидные плёнки

Легирование#

введение добавок в металл, чтобы изменить его свойства под задачу

Как это спрашивают на контрольной

Ряд активности — любимая тема составителей заданий, и спрашивают его почти одними и теми же способами.

• Дан список пар «металл и раствор соли» — сказать, пойдёт ли реакция вытеснения.
• Даны кислота и металл — предсказать, выделится ли водород.
• Дано уравнение с пропуском — вставить формулу продукта по валентности.
• Дана бытовая ситуация вроде цинкового покрытия — объяснить её с точки зрения ряда активности.
• Дан вопрос про хранение щелочного металла — ответить, зачем керосин.

В любой из этих задач сначала находи водород: он делит ряд на «реагирует с кислотами» и «не реагирует». Вторая опора — правило «активный вытесняет менее активный»: проверь, кто левее, и задача решена. На вопрос «почему» отвечай словом «электроны»: металл левее отдаёт их охотнее.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема