معادن نشطة بالماء. تفاعل المعادن مع اللافلزات. أمثلة على تفاعلات تفاعل المعادن مع الأحماض

خصائص المعادن.

1. الخصائص الأساسية للمعادن.

تنقسم خصائص المعادن إلى خصائص فيزيائية وكيميائية وميكانيكية وتكنولوجية.

تشمل الخصائص الفيزيائية: اللون ، الثقل النوعي ، الانصهار ، التوصيل الكهربائي ، الخواص المغناطيسية ، التوصيل الحراري ، التمدد عند التسخين.

للأكسدة الكيميائية وقابلية الذوبان ومقاومة التآكل.

للميكانيكية - القوة والصلابة والمرونة واللزوجة واللدونة.

للتكنولوجيا - الصلابة ، السيولة ، المرونة ، القابلية للحام ، التشغيل الآلي.

1. الخصائص الفيزيائية والكيميائية.

اللون. المعادن غير شفافة ، أي لا تدع الضوء يمر ، وفي هذا الضوء المنعكس ، كل معدن له لونه الخاص.

من المعادن التقنية ، يتم تلوين النحاس (الأحمر) وسبائكه فقط. يتراوح لون المعادن الأخرى من الرمادي الصلب إلى الأبيض الفضي. أنحف أفلام الأكاسيد الموجودة على سطح المنتجات المعدنية تمنحها ألوانًا إضافية.

جاذبية معينة.يُطلق على وزن سنتيمتر مكعب واحد من المادة ، معبرًا عنه بالجرام ، الجاذبية النوعية.

وفقًا للجاذبية النوعية ، يتم تمييز المعادن الخفيفة والمعادن الثقيلة. من المعادن التقنية ، المغنيسيوم هو الأخف وزنا (الوزن النوعي 1.74) ، أثقل هو التنجستن (الجاذبية النوعية 19.3). تعتمد الثقل النوعي للمعادن إلى حد ما على طريقة إنتاجها ومعالجتها.

انصهار.تعد القدرة على التغيير من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة عند التسخين أهم خاصية للمعادن. عند تسخينها ، تنتقل جميع المعادن من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ، وعندما يتم تبريد المعدن المنصهر ، من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. لا تحتوي نقطة انصهار السبائك التقنية على نقطة انصهار محددة واحدة ، ولكن هناك نطاق من درجات الحرارة ، وأحيانًا تكون كبيرة جدًا.

التوصيل الكهربائي.الموصلية هي نقل الكهرباء بواسطة الإلكترونات الحرة. الموصلية الكهربائية للمعادن أعلى بآلاف المرات من الموصلية الكهربائية للأجسام غير المعدنية. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنخفض الموصلية الكهربائية للمعادن ، وتزداد مع انخفاض درجة الحرارة. عند الاقتراب من الصفر المطلق (-273 0 درجة مئوية) ، تتراوح الموصلية الكهربائية للمعادن من +232 0 (قصدير) إلى 3370 0 (تنجستن) إلى أجل غير مسمى. معظم الزيادات (تنخفض المقاومة إلى ما يقرب من الصفر).

تكون الموصلية الكهربائية للسبائك دائمًا أقل من الموصلية الكهربائية لأحد المكونات التي تتكون منها السبائك.

الخواص المغناطيسية.من الواضح أن ثلاثة معادن فقط مغناطيسية (مغناطيسية حديدية): الحديد والنيكل والكوبالت ، وكذلك بعض سبائكها. عند تسخينها إلى درجات حرارة معينة ، تفقد هذه المعادن أيضًا خصائصها المغناطيسية. بعض سبائك الحديد ليست مغنطيسية حتى في درجة حرارة الغرفة. تنقسم جميع المعادن الأخرى إلى مغناطيسية (تجذبها المغناطيسات) ومغناطيسية (تنفر بواسطة مغناطيس).

توصيل حراري.الموصلية الحرارية هي نقل الحرارة في الجسم من مكان أكثر سخونة إلى مكان أقل حرارة دون حركة مرئية لجزيئات هذا الجسم. تسمح الموصلية الحرارية العالية للمعادن بالتسخين والتبريد بسرعة وبشكل متساوٍ.

من بين المعادن التقنية ، يتمتع النحاس بأعلى نسبة توصيل حراري. الموصلية الحرارية للحديد أقل بكثير ، وتختلف الموصلية الحرارية للصلب تبعًا لمحتوى المكونات الموجودة فيه. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنخفض الموصلية الحرارية ، ومع انخفاض درجة الحرارة ، تزداد.

السعة الحرارية.السعة الحرارية هي كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة الجسم بمقدار 10.

السعة الحرارية النوعية لمادة ما هي مقدار الحرارة بالكيلوجرام - السعرات الحرارية ، التي يجب الإبلاغ عنها إلى 1 كجم من مادة ما من أجل رفع درجة حرارتها بمقدار 1 0.

السعة الحرارية النوعية للمعادن مقارنة بالمواد الأخرى صغيرة ، مما يجعل من السهل نسبيًا تسخينها إلى درجات حرارة عالية.

التمدد عند تسخينه.نسبة الزيادة في طول الجسم عند تسخينه بمقدار 1 0 إلى طوله الأصلي تسمى معامل التمدد الخطي. بالنسبة للمعادن المختلفة ، يختلف معامل التمدد الخطي بشكل كبير. على سبيل المثال ، يحتوي التنجستن على معامل تمدد خطي يبلغ 4.0 · 10 -6 ، والرصاص 29.5 · 10 -6.

المقاومة للتآكل.التآكل هو تدمير المعدن بسبب تفاعله الكيميائي أو الكهروكيميائي مع البيئة الخارجية. مثال على التآكل هو صدأ الحديد.

تعتبر المقاومة العالية للتآكل (مقاومة التآكل) خاصية طبيعية مهمة لبعض المعادن: البلاتين والذهب والفضة ، وهذا هو سبب تسميتها نبيلة. كما أن النيكل وغيره من المعادن غير الحديدية تقاوم التآكل جيدًا. تتآكل المعادن الحديدية بشكل أقوى وأسرع من المعادن غير الحديدية.

2. الخواص الميكانيكية.

الخضوع ل.تكمن قوة المعدن في قدرته على مقاومة تأثير القوى الخارجية دون الانهيار.

صلابة.الصلابة هي قدرة الجسم على مقاومة اختراق جسم آخر أكثر صلابة فيه.

مرونة.إن مرونة المعدن هي خاصية استعادة شكله بعد إنهاء عمل القوى الخارجية التي تسببت في تغيير الشكل (التشوه).

اللزوجة.المتانة هي قدرة المعدن على مقاومة القوى الخارجية المتزايدة (الصدمة) بسرعة. اللزوجة هي الخاصية المعاكسة للهشاشة.

بلاستيك.اللدونة هي خاصية المعدن الذي يجب أن يتشوه دون تدمير بفعل القوى الخارجية ويحتفظ بشكل جديد بعد توقف القوى. اللدونة خاصية عكس المرونة.

في الجدول. 1 يوضح خصائص المعادن التقنية.

الجدول 1.

خصائص المعادن التقنية.

اسم معدني	الثقل النوعي (الكثافة) جم سم 3	نقطة الانصهار 0 درجة مئوية	صلابة برينل	قوة الشد (قوة الشد) كجم مم 2	الامتداد النسبي٪	الانكماش النسبي للمقطع العرضي٪
الألومنيومالتنغستنحديدكوبالتالمغنيسيومالمنغنيزنحاسنيكلتينقيادةالكرومالزنك	2,7 19,3 7,87 8,9 1,74 7,44 8,84 8,9 7,3 11,34 7,14 7,14	658 3370 1530 1490 651 1242 1083 1452 232 327 1550 419	20-37 160 50 125 25 20 35 60 5-10 4-6 108 30-42	8-11 110 25-33 70 17-20 قابل للكسر22 40-50 2-4 1,8 قابل للكسر11,3-15	40 - 21-55 3 15 قابل للكسر60 40 40 50 قابل للكسر5-20	85 - 68-55 - 20 قابل للكسر75 70 74 100 قابل للكسر-

3. أهمية خواص المعادن.

الخواص الميكانيكية.الشرط الأول لأي منتج هو القوة الكافية.

تتمتع المعادن بقوة أعلى مقارنة بالمواد الأخرى ، لذلك عادةً ما تكون الأجزاء المحملة من الآلات والآليات والهياكل مصنوعة من المعادن.

يجب أن يكون للعديد من المنتجات ، بالإضافة إلى القوة العامة ، خصائص خاصة مميزة لتشغيل هذا المنتج. على سبيل المثال ، يجب أن تتمتع أدوات القطع بصلابة عالية. لتصنيع أدوات القطع الأخرى ، يتم استخدام أدوات الفولاذ والسبائك.

لتصنيع الينابيع والينابيع ، يتم استخدام أنواع خاصة من الفولاذ والسبائك ذات المرونة العالية.

تُستخدم معادن الدكتايل في الحالات التي تتعرض فيها الأجزاء لتحميل صدمة أثناء التشغيل.

تجعل لدونة المعادن من الممكن معالجتها بالضغط (طرق ، درفلة).

الخصائص الفيزيائية.غالبًا ما يكون وزن الأجزاء هو السمة الأكثر أهمية في صناعة الطائرات والسيارات والعربات ، لذلك لا غنى هنا عن الألمنيوم وخاصة سبائك المغنيسيوم. تكون القوة النوعية (نسبة مقاومة الشد إلى الجاذبية النوعية) لبعض السبائك ، مثل الألومنيوم ، أعلى من تلك الخاصة بالفولاذ الطري.

انصهارتستخدم للحصول على المسبوكات عن طريق صب المعدن المنصهر في قوالب. تُستخدم المعادن منخفضة الانصهار (مثل الرصاص) كوسيط تبريد للصلب. تحتوي بعض السبائك المعقدة على نقطة انصهار منخفضة بحيث تذوب في الماء الساخن. تُستخدم هذه السبائك في صب مصفوفات الطباعة ، في الأجهزة التي تعمل على الحماية من الحرائق.

معادن عالية التوصيل الكهربائي(النحاس والألمنيوم) تستخدم في الهندسة الكهربائية ، لبناء خطوط الطاقة ، والسبائك ذات المقاومة الكهربائية العالية - للمصابيح المتوهجة ، والسخانات الكهربائية.

الخواص المغناطيسيةتلعب المعادن دورًا أساسيًا في الهندسة الكهربائية (الدينامو والمحركات والمحولات) ، وأجهزة الاتصال (أجهزة الهاتف والتلغراف) وتستخدم في العديد من أنواع الآلات والأجهزة الأخرى.

توصيل حراريتجعل المعادن من الممكن إنتاج خصائصها الفيزيائية. تستخدم الموصلية الحرارية أيضًا في إنتاج لحام ولحام المعادن.

بعض السبائك المعدنية لها معامل التمدد الخطي، قريبة من الصفر ؛ تستخدم هذه السبائك لتصنيع الأدوات الدقيقة وأنابيب الراديو. يجب أن يؤخذ توسع المعادن في الاعتبار عند إنشاء الهياكل الطويلة مثل الجسور. يجب أيضًا ألا يغيب عن الأذهان أن جزأين مصنوعين من معادن ذات معاملات تمدد مختلفة ومثبتين معًا يمكن أن ينحنيان بل وينكسران عند تسخينهما.

الخواص الكيميائية.تعتبر مقاومة التآكل مهمة بشكل خاص للمنتجات التي تعمل في بيئات شديدة التأكسد (الشبكات الشبكية ، أجزاء من الآلات والأجهزة الكيميائية). لتحقيق مقاومة عالية للتآكل ، يتم إنتاج فولاذ خاص غير قابل للصدأ ومقاوم للأحماض ومقاوم للحرارة ، كما يتم استخدام الطلاءات الواقية.

المعادن (من المعادن اللاتينية - منجم ، منجم) - مجموعة من العناصر على شكل مواد بسيطة ذات خصائص معدنية مميزة ، مثل التوصيل الحراري والكهربائي العالي ، معامل درجة الحرارة الموجب للمقاومة ، ليونة عالية وبريق معدني.

من بين 118 عنصرًا كيميائيًا تم اكتشافها في الوقت الحالي (والتي لم يتم التعرف عليها جميعًا رسميًا) ، تشمل المعادن ما يلي:

• 6 عناصر في مجموعة المعادن القلوية ،
• 6 في مجموعة معادن الأرض القلوية ،
• 38 في المجموعة المعدنية الانتقالية ،
• 11 في مجموعة المعادن الخفيفة ،
• 7 في مجموعة شبه معدنية ،
• 14 في مجموعة اللانثانيدات + اللانثانم ،
• 14 في مجموعة الأكتينيدات (لم يتم دراسة الخصائص الفيزيائية لجميع العناصر) + الأكتينيوم ،
• خارج مجموعات معينة من البريليوم والمغنيسيوم.

وبالتالي ، فإن 96 عنصرًا من كل العناصر المكتشفة قد تنتمي إلى المعادن.

في الفيزياء الفلكية ، يمكن أن يكون لمصطلح "معدن" معنى مختلف ويشير إلى جميع العناصر الكيميائية الأثقل من الهيليوم.

الخصائص المميزة للمعادن

1. اللمعان المعدني (خاصية ليس فقط للمعادن: يحتوي أيضًا على اليود غير المعدني والكربون على شكل جرافيت)
2. الموصلية الكهربائية الجيدة
3. إمكانية المعالجة الخفيفة
4. كثافة عالية (عادة ما تكون المعادن أثقل من اللافلزات)
5. نقطة انصهار عالية (استثناءات: الزئبق والجاليوم والمعادن القلوية)
6. الموصلية الحرارية كبيرة
7. في التفاعلات ، غالبًا ما تكون عوامل اختزال.

الخصائص الفيزيائية للمعادن

جميع المعادن (باستثناء الزئبق ، وشروطًا ، فرنسا) في حالة صلبة في ظل الظروف العادية ، لكن لها صلابة مختلفة. يوجد أدناه صلابة بعض المعادن على مقياس موس.

نقط الذوبانالمعادن النقية تتراوح من -39 درجة مئوية (الزئبق) إلى 3410 درجة مئوية (التنجستن). درجة انصهار معظم المعادن (باستثناء القلويات) عالية ، لكن بعض المعادن "العادية" ، مثل القصدير والرصاص ، يمكن صهرها على موقد كهربائي أو غازي تقليدي.

يعتمد على كثافة، المعادن تنقسم إلى ضوء (كثافة 0.53 ÷ 5 جم / سم مكعب) وثقيلة (5 22.5 جم / سم مكعب). أخف معدن هو الليثيوم (كثافة 0.53 جم / سم مكعب). من المستحيل حاليًا تسمية أثقل المعادن ، نظرًا لأن كثافات الأوزميوم والإيريديوم - وهما أثقل معدنين - متساوية تقريبًا (حوالي 22.6 جم / سم مكعب - ضعف كثافة الرصاص بالضبط) ، ومن الصعب للغاية حسابها بدقة الكثافة: لهذا تحتاج إلى معادن نظيفة تمامًا ، لأن أي شوائب تقلل كثافتها.

معظم المعادن بلاستيكأي أنه يمكن ثني السلك المعدني ولن ينكسر. ويرجع ذلك إلى إزاحة طبقات ذرات المعدن دون كسر الرابطة بينها. معظم البلاستيك من الذهب والفضة والنحاس. يمكن استخدام الذهب في صناعة رقائق معدنية بسمك 0.003 مم ، والتي تستخدم في منتجات التذهيب. ومع ذلك ، ليست كل المعادن من البلاستيك. يسحق سلك الزنك أو القصدير عند الانحناء ؛ لا ينحني المنغنيز والبزموت على الإطلاق أثناء التشوه ، ولكن ينكسر على الفور. تعتمد اللدونة أيضًا على نقاء المعدن ؛ وبالتالي ، فإن الكروم النقي جدًا مرن جدًا ، ولكنه ملوث حتى بشوائب بسيطة ، يصبح هشًا وأصعب. يمكن لبعض المعادن مثل الذهب والفضة والرصاص والألمنيوم والأوزميوم أن تنمو معًا ، لكن هذا قد يستغرق عقودًا.

جميع المعادن جيدة إجراء التيار الكهربائيهذا بسبب وجود إلكترونات متحركة في شبكاتها البلورية تتحرك تحت تأثير مجال كهربائي. تمتلك الفضة والنحاس والألمنيوم أعلى موصلية كهربائية ؛ لهذا السبب ، غالبًا ما يتم استخدام المعدنين الأخيرين كمواد للأسلاك. يحتوي الصوديوم أيضًا على موصلية كهربائية عالية جدًا ؛ ومن المعروف أن المحاولات لاستخدام موصلات الصوديوم في شكل أنابيب رقيقة الجدران من الفولاذ المقاوم للصدأ مملوءة بالصوديوم في المعدات التجريبية. بسبب الجاذبية النوعية المنخفضة للصوديوم ، مع المقاومة المتساوية ، فإن "أسلاك" الصوديوم أخف بكثير من النحاس وحتى إلى حد ما أخف من الألومنيوم.

تعتمد الموصلية الحرارية العالية للمعادن أيضًا على تنقل الإلكترونات الحرة. لذلك ، فإن سلسلة الموصلية الحرارية تشبه سلسلة الموصلات الكهربائية وأفضل موصل للحرارة ، مثل الكهرباء ، هو الفضة. يستخدم الصوديوم أيضًا كموصل جيد للحرارة ؛ من المعروف على نطاق واسع ، على سبيل المثال ، استخدام الصوديوم في صمامات محركات السيارات لتحسين تبريدها.

اللونمعظم المعادن متشابهة تقريبًا - رمادي فاتح مع لون مزرق. الذهب والنحاس والسيزيوم أصفر وأحمر وأصفر فاتح على التوالي.

الخواص الكيميائية للمعادن

على المستوى الإلكتروني الخارجي ، تحتوي معظم المعادن على عدد صغير من الإلكترونات (1-3) ، لذا فهي تعمل كعوامل اختزال في معظم التفاعلات (أي أنها "تتخلى" عن إلكتروناتها)

ردود الفعل مع المواد البسيطة

• تتفاعل جميع المعادن مع الأكسجين باستثناء الذهب والبلاتين. يحدث التفاعل مع الفضة عند درجات حرارة عالية ، لكن أكسيد الفضة (II) لا يتشكل عمليًا ، لأنه غير مستقر حراريًا. اعتمادًا على المعدن ، قد يكون الناتج عبارة عن أكاسيد ، بيروكسيدات ، أكاسيد فائقة:

أكسيد الليثيوم

بيروكسيد الصوديوم

فوق أكسيد البوتاسيوم

للحصول على أكسيد من البيروكسيد ، يتم تقليل البيروكسيد بمعدن:

مع المعادن متوسطة ومنخفضة النشاط ، يحدث التفاعل عند التسخين:

• تتفاعل المعادن الأكثر نشاطًا فقط مع النيتروجين ، ويتفاعل الليثيوم فقط في درجة حرارة الغرفة ، مكونًا النيتريد:

عند التسخين:

• تتفاعل جميع المعادن مع الكبريت باستثناء الذهب والبلاتين:

يتفاعل الحديد مع الكبريت عند تسخينه لتكوين كبريتيد:

• تتفاعل المعادن الأكثر نشاطًا فقط مع الهيدروجين ، أي معادن المجموعتين IA و IIA ، باستثناء Be. وتجرى التفاعلات عند تسخينها وتتشكل الهيدريدات. في التفاعلات ، يعمل المعدن كعامل اختزال ، وتكون حالة أكسدة الهيدروجين −1:

• فقط المعادن الأكثر نشاطًا تتفاعل مع الكربون. في هذه الحالة ، تتشكل الأسيتيلنيدات أو الميثانيدات. الأسيتيل ، عند التفاعل مع الماء ، تعطي الأسيتيلين ، الميثانيدات - الميثان.

تختلف المعادن اختلافًا كبيرًا في نشاطها الكيميائي. يمكن الحكم على النشاط الكيميائي للمعدن تقريبًا من خلال موقعه في.

توجد المعادن الأكثر نشاطًا في بداية هذا الصف (على اليسار) ، والأكثر نشاطًا - في النهاية (على اليمين).
ردود الفعل مع المواد البسيطة. تتفاعل المعادن مع اللافلزات لتكوين مركبات ثنائية. تختلف ظروف التفاعل ، وأحيانًا نواتجها ، اختلافًا كبيرًا باختلاف المعادن.
على سبيل المثال ، تتفاعل الفلزات القلوية بفعالية مع الأكسجين (بما في ذلك الهواء) عند درجة حرارة الغرفة لتكوين أكاسيد وبيروكسيدات.

4Li + O 2 = 2Li 2 O ؛
2Na + O 2 \ u003d Na 2 O 2

تتفاعل معادن النشاط الوسيط مع الأكسجين عند تسخينها. في هذه الحالة تتكون الأكاسيد:

2Mg + O 2 \ u003d t 2MgO.

المعادن غير النشطة (على سبيل المثال ، الذهب والبلاتين) لا تتفاعل مع الأكسجين ، وبالتالي لا تغير من الناحية العملية بريقها في الهواء.
معظم المعادن ، عند تسخينها بمسحوق الكبريت ، تشكل الكبريتيدات المقابلة:

التفاعلات مع المواد المعقدة. تتفاعل المركبات من جميع الفئات مع المعادن - الأكاسيد (بما في ذلك الماء) والأحماض والقواعد والأملاح.
تتفاعل المعادن النشطة بعنف مع الماء عند درجة حرارة الغرفة:

2Li + 2H 2 O \ u003d 2LiOH + H 2 ؛
Ba + 2H 2 O \ u003d Ba (OH) 2 + H 2.

سطح المعادن مثل المغنيسيوم والألمنيوم ، على سبيل المثال ، محمي بواسطة فيلم كثيف من الأكسيد المقابل. هذا يمنع التفاعل مع الماء. ومع ذلك ، إذا تمت إزالة هذا الفيلم أو تم انتهاك سلامته ، فإن هذه المعادن تتفاعل أيضًا بنشاط. على سبيل المثال ، يتفاعل مسحوق المغنيسيوم مع الماء الساخن:

Mg + 2H 2 O \ u003d 100 ° C Mg (OH) 2 + H 2.

في درجات الحرارة المرتفعة ، تتفاعل المعادن الأقل نشاطًا أيضًا مع الماء: Zn ، Fe ، Mil ، إلخ. في هذه الحالة ، تتشكل الأكاسيد المقابلة. على سبيل المثال ، عندما يتم تمرير بخار الماء فوق نشارة الحديد الساخن ، يحدث التفاعل التالي:

3Fe + 4H 2 O \ u003d t Fe 3 O 4 + 4H 2.

تتفاعل المعادن في سلسلة النشاط حتى الهيدروجين مع الأحماض (باستثناء HNO 3) لتكوين الأملاح والهيدروجين. تتفاعل المعادن النشطة (K ، Na ، Ca ، Mg) مع المحاليل الحمضية بعنف شديد (بسرعة عالية):

Ca + 2HCl \ u003d CaCl 2 + H 2 ؛
2Al + 3H 2 SO 4 \ u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2.

غالبًا ما تكون المعادن غير النشطة غير قابلة للذوبان عمليًا في الأحماض. ويرجع ذلك إلى تكوين طبقة ملح غير قابلة للذوبان على سطحها. على سبيل المثال ، الرصاص ، الموجود في سلسلة النشاط حتى الهيدروجين ، لا يذوب عمليًا في أحماض الكبريتيك والهيدروكلوريك المخففة بسبب تكوين فيلم من الأملاح غير القابلة للذوبان (PbSO 4 و PbCl 2) على سطحه.

تحتاج إلى تشغيل JavaScript للتصويت

تفاعل المعادن مع عوامل مؤكسدة بسيطة. نسبة المعادن إلى الماء والمحاليل المائية للأحماض والقلويات والأملاح. دور فيلم الأكسيد ومنتجات الأكسدة. تفاعل المعادن مع النيتريك وأحماض الكبريتيك المركزة.

تشمل المعادن جميع العناصر s- و d- و f ، بالإضافة إلى العناصر p الموجودة في الجزء السفلي من الجدول الدوري من القطر المائل من البورون إلى الأستاتين. في المواد البسيطة لهذه العناصر ، تتحقق الرابطة المعدنية. تحتوي ذرات المعادن على عدد قليل من الإلكترونات في غلاف الإلكترون الخارجي ، بكمية 1 أو 2 أو 3. تظهر المعادن خواص إيجابية كهربائية ولها قدرة كهرسلبية منخفضة ، أقل من اثنين.

المعادن لها سمات مميزة. هذه مواد صلبة ، أثقل من الماء ، ذات لمعان معدني. تتمتع المعادن بموصلية حرارية وكهربائية عالية. تتميز بانبعاث الإلكترونات تحت تأثير التأثيرات الخارجية المختلفة: التشعيع بالضوء ، أثناء التسخين ، أثناء التمزق (الانبعاث الإلكتروني الخارجي).

السمة الرئيسية للمعادن هي قدرتها على التبرع بالإلكترونات لذرات وأيونات المواد الأخرى. تعمل المعادن على تقليل العوامل في الغالبية العظمى من الحالات. وهذه هي خصائصها الكيميائية المميزة. ضع في اعتبارك نسبة المعادن إلى عوامل الأكسدة النموذجية ، والتي تشمل المواد البسيطة - غير المعادن والماء والأحماض. يقدم الجدول 1 معلومات عن نسبة المعادن إلى عوامل مؤكسدة بسيطة.

الجدول 1

نسبة المعادن إلى عوامل مؤكسدة بسيطة

تتفاعل جميع المعادن مع الفلور. الاستثناءات هي الألومنيوم والحديد والنيكل والنحاس والزنك في حالة عدم وجود الرطوبة. هذه العناصر ، عند تفاعلها مع الفلور ، تشكل مبدئيًا أغشية فلوريد تحمي المعادن من مزيد من التفاعل.

في ظل نفس الظروف والأسباب ، يتم تخميل الحديد في تفاعل مع الكلور. فيما يتعلق بالأكسجين ، ليس كل شيء ، ولكن فقط عدد من المعادن تشكل أغشية واقية كثيفة من الأكاسيد. عند الانتقال من الفلور إلى النيتروجين (الجدول 1) ، يتناقص نشاط الأكسدة وبالتالي لا يتأكسد عدد متزايد من المعادن. على سبيل المثال ، تتفاعل معادن الليثيوم والقلوية الأرضية فقط مع النيتروجين.

نسبة المعادن إلى الماء والمحاليل المائية للعوامل المؤكسدة.

في المحاليل المائية ، يتميز نشاط الاختزال للمعدن بقيمة احتمالية الأكسدة القياسية الخاصة به. من النطاق الكامل لإمكانات الأكسدة والاختزال القياسية ، يتم تمييز سلسلة من الفولتية المعدنية ، والتي يشار إليها في الجدول 2.

الجدول 2

معادن إجهاد الصف

مؤكسد	معادلة عملية القطب	جهد القطب القياسي φ 0 ، V.	الحد من وكيل	النشاط الشرطي لخفض العوامل
لي +	Li + + e - = Li	-3,045	لي	نشيط
Rb +	Rb + + e - = Rb	-2,925	م	نشيط
ك +	ك + + ه - = ك	-2,925	ك	نشيط
Cs +	Cs + + e - = Cs	-2,923	سي اس	نشيط
Ca2 +	Ca 2 + + 2e - = Ca	-2,866	كاليفورنيا	نشيط
نا +	Na + + e - = Na	-2,714	نا	نشيط
ملغ 2 +	ملغ 2 + +2 ه - \ u003d ملغ	-2,363	ملغ	نشيط
آل 3+	آل 3+ + 3 هـ - = آل	-1,662	ال	نشيط
Ti 2+	Ti 2+ + 2e - = Ti	-1,628	تي	تزوج نشاط
Mn2 +	Mn 2+ + 2e - = Mn	-1,180	مينيسوتا	تزوج نشاط
Cr2 +	Cr 2+ + 2e - = Cr	-0,913	سجل تجاري	تزوج نشاط
H2O	2H 2 O + 2e - \ u003d H 2 + 2OH -	-0,826	H 2 ، الرقم الهيدروجيني = 14	تزوج نشاط
Zn2 +	Zn 2+ + 2e - = Zn	-0,763	Zn	تزوج نشاط
Cr3 +	Cr 3+ + 3e - = Cr	-0,744	سجل تجاري	تزوج نشاط
Fe2 +	Fe 2+ + e - \ u003d Fe	-0,440	الحديد	تزوج نشاط
H2O	2H 2 O + e - \ u003d H 2 + 2OH -	-0,413	H 2 ، الرقم الهيدروجيني = 7	تزوج نشاط
القرص المضغوط 2+	Cd 2+ + 2e - = قرص مضغوط	-0,403	قرص مضغوط	تزوج نشاط
Co2 +	Co 2 + +2 e - \ u003d Co	-0,227	شارك	تزوج نشاط
Ni2 +	ني 2 + + 2 هـ - = ني	-0,225	ني	تزوج نشاط
sn 2+	Sn 2+ + 2e - = Sn	-0,136	sn	تزوج نشاط
Pb 2+	Pb 2+ + 2e - = Pb	-0,126	الرصاص	تزوج نشاط
Fe3 +	Fe 3+ + 3e - \ u003d Fe	-0,036	الحديد	تزوج نشاط
ح +	2H + 2e - = H 2		H 2 ، الرقم الهيدروجيني = 0	تزوج نشاط
ثنائية 3+	ثنائية 3 + + 3 هـ - = ثنائية	0,215	ثنائية	نشطة صغيرة
Cu2 +	نحاس 2+ + 2 هـ - = نحاس	0,337	النحاس	نشطة صغيرة
النحاس +	النحاس + + البريد - = النحاس	0,521	النحاس	نشطة صغيرة
الزئبق 2 2+	الزئبق 2 2+ + 2 هـ - = زئبق	0,788	الزئبق 2	نشطة صغيرة
حج +	Ag + + e - = Ag	0,799	اي جي	نشطة صغيرة
Hg2 +	Hg 2+ + 2e - \ u003d Hg	0,854	زئبق	نشطة صغيرة
نقطة 2+	نقطة 2+ + 2 هـ - = نقطة	1,2	نقطة	نشطة صغيرة
Au 3+	Au 3+ + 3e - = Au	1,498	Au	نشطة صغيرة
Au +	Au ++ e- = Au	1,691	Au	نشطة صغيرة

في هذه السلسلة من الفولتية ، يتم أيضًا إعطاء قيم إمكانات القطب الكهربائي لقطب الهيدروجين في الوسائط الحمضية (рН = 0) ، المحايدة (рН = 7) ، القلوية (рН = 14). يميز موضع معدن معين في سلسلة من الفولتية قدرته على تفاعلات الأكسدة والاختزال في المحاليل المائية في ظل الظروف القياسية. أيونات المعادن عوامل مؤكسدة والمعادن عوامل اختزال. كلما زاد تواجد المعدن في سلسلة الفولتية ، كانت أيوناته أقوى عامل مؤكسد في محلول مائي. كلما اقترب المعدن من بداية الصف ، كلما كان عامل الاختزال أقوى.

المعادن قادرة على إزاحة بعضها البعض من المحاليل الملحية. يتم تحديد اتجاه التفاعل في هذه الحالة من خلال موقعها المتبادل في سلسلة الفولتية. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن المعادن النشطة تحل محل الهيدروجين ليس فقط من الماء ، ولكن أيضًا من أي محلول مائي. لذلك ، فإن الإزاحة المتبادلة للمعادن من محاليل أملاحها تحدث فقط في حالة المعادن الموجودة في سلسلة الفولتية بعد المغنيسيوم.

تنقسم جميع المعادن إلى ثلاث مجموعات شرطية ، وهو ما ينعكس في الجدول التالي.

الجدول 3

التقسيم الشرطي للمعادن

التفاعل مع الماء.العامل المؤكسد في الماء هو أيون الهيدروجين. لذلك ، يمكن أن تتأكسد هذه المعادن فقط بواسطة الماء ، حيث تكون إمكانات القطب القياسية أقل من إمكانات أيونات الهيدروجين في الماء. يعتمد على الرقم الهيدروجيني للوسط وهو

φ \ u003d -0.059 درجة حموضة.

في بيئة محايدة (рН = 7) φ = -0.41 V. طبيعة تفاعل المعادن مع الماء معروضة في الجدول 4.

المعادن من بداية السلسلة ، التي لها قدرة سلبية أكبر بكثير من -0.41 فولت ، تزيح الهيدروجين من الماء. لكن المغنيسيوم يزيح الهيدروجين فقط من الماء الساخن. عادة ، المعادن الموجودة بين المغنيسيوم والرصاص لا تحل محل الهيدروجين من الماء. تتشكل أغشية الأكسيد على سطح هذه المعادن ، والتي لها تأثير وقائي.

الجدول 4

تفاعل المعادن مع الماء في وسط محايد

تفاعل المعادن مع حمض الهيدروكلوريك.

العامل المؤكسد في حمض الهيدروكلوريك هو أيون الهيدروجين. جهد القطب القياسي لأيون الهيدروجين هو صفر. لذلك ، يجب أن تتفاعل جميع المعادن النشطة والمعادن ذات النشاط الوسيط مع الحمض. يعرض الرصاص فقط التخميل.

الجدول 5

تفاعل المعادن مع حمض الهيدروكلوريك

يمكن إذابة النحاس في حمض الهيدروكلوريك شديد التركيز ، على الرغم من حقيقة أنه ينتمي إلى معادن منخفضة النشاط.

يحدث تفاعل المعادن مع حامض الكبريتيك بشكل مختلف ويعتمد على تركيزه.

تفاعل المعادن مع حامض الكبريتيك المخفف.يتم التفاعل مع حامض الكبريتيك المخفف بنفس الطريقة كما هو الحال مع حمض الهيدروكلوريك.

الجدول 6

تفاعل المعادن مع حامض الكبريتيك المخفف

يتأكسد حامض الكبريتيك المخفف مع أيون الهيدروجين. يتفاعل مع تلك المعادن التي تكون إمكانات قطبها الكهربائي أقل من تلك الموجودة في الهيدروجين. لا يذوب الرصاص في حمض الكبريتيك بتركيز أقل من 80٪ ، لأن ملح PbSO 4 المتكون أثناء تفاعل الرصاص مع حمض الكبريتيك غير قابل للذوبان ويخلق طبقة واقية على سطح المعدن.

تفاعل المعادن مع حامض الكبريتيك المركز.

في حامض الكبريتيك المركز ، يعمل الكبريت في حالة الأكسدة +6 كعامل مؤكسد. وهو جزء من أيون الكبريتات SO 4 2-. لذلك ، يؤكسد الحمض المركز جميع المعادن التي تكون جهدها الكهربائي القياسي أقل من تلك الخاصة بعامل الأكسدة. أعلى قيمة لإمكانات القطب في عمليات القطب التي تتضمن أيون الكبريتات كعامل مؤكسد هي 0.36 فولت. ونتيجة لذلك ، تتفاعل أيضًا بعض المعادن منخفضة النشاط مع حامض الكبريتيك المركز.

بالنسبة للمعادن ذات النشاط المتوسط ​​(Al ، Fe) ، يحدث التخميل بسبب تكوين أغشية أكسيد كثيفة. يتأكسد القصدير إلى الحالة الرباعية التكافؤ مع تكوين كبريتات القصدير (IV):

Sn + 4 H 2 SO 4 (conc.) \ u003d Sn (SO 4) 2 + 2SO 2 + 2H 2 O.

الجدول 7

تفاعل المعادن مع حامض الكبريتيك المركز

يتأكسد الرصاص إلى الحالة ثنائية التكافؤ مع تكوين هيدرو كبريتات الرصاص القابلة للذوبان. يذوب الزئبق في حامض الكبريتيك الساخن المركز ليشكل الزئبق (I) وكبريتات الزئبق (II). حتى الفضة تذوب في غليان حامض الكبريتيك المركز.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه كلما كان المعدن أكثر نشاطًا ، زادت درجة اختزال حامض الكبريتيك. مع المعادن النشطة ، يتم تقليل الحمض بشكل أساسي إلى كبريتيد الهيدروجين ، على الرغم من وجود منتجات أخرى أيضًا. علي سبيل المثال

Zn + 2H 2 SO 4 \ u003d ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O ؛

3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S ↓ + 4H 2 O ؛

4Zn + 5H 2 SO 4 \ u003d 4ZnSO 4 \ u003d 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

تفاعل المعادن مع حامض النيتريك المخفف.

في حمض النيتريك ، يعمل النيتروجين في حالة الأكسدة +5 كعامل مؤكسد. الحد الأقصى لقيمة جهد القطب لأيون النترات للحمض المخفف كعامل مؤكسد هو 0.96 فولت. نظرًا لهذه القيمة الكبيرة ، يعد حمض النيتريك عامل مؤكسد أقوى من حمض الكبريتيك. يتضح هذا من حقيقة أن حامض النيتريك يؤكسد الفضة. يتم تقليل الحمض كلما كان المعدن أعمق ، وكلما زاد نشاط المعدن وزاد تخفيف الحمض.

الجدول 8

تفاعل المعادن مع حامض النيتريك المخفف

تفاعل المعادن مع حامض النيتريك المركز.

عادة ما يتم تقليل حمض النيتريك المركز إلى ثاني أكسيد النيتروجين. يرد تفاعل حمض النيتريك المركز مع المعادن في الجدول 9.

عند استخدام الحمض بنقص وبدون تقليب ، فإن المعادن النشطة تقللها إلى نيتروجين ، والمعادن ذات النشاط المتوسط ​​إلى أول أكسيد الكربون.

الجدول 9

تفاعل حامض النيتريك المركز مع المعادن

تفاعل المعادن مع المحاليل القلوية.

لا يمكن أن تتأكسد المعادن بالقلويات. هذا يرجع إلى حقيقة أن الفلزات القلوية عوامل اختزال قوية. لذلك ، فإن أيوناتها هي أضعف العوامل المؤكسدة ولا تظهر خصائص مؤكسدة في المحاليل المائية. ومع ذلك ، في وجود القلويات ، يتجلى التأثير المؤكسد للماء بدرجة أكبر مما في غيابها. نتيجة لذلك ، في المحاليل القلوية ، تتأكسد المعادن بالماء لتشكيل الهيدروكسيدات والهيدروجين. إذا كان الأكسيد والهيدروكسيد من المركبات المتذبذبة ، فسوف يذوبان في محلول قلوي. نتيجة لذلك ، تتفاعل المعادن غير النشطة في المياه النقية بقوة مع المحاليل القلوية.

الجدول 10

تفاعل المعادن مع المحاليل القلوية

يتم تقديم عملية الذوبان على شكل مرحلتين: أكسدة المعدن بالماء وانحلال الهيدروكسيد:

Zn + 2HOH \ u003d Zn (OH) 2 ↓ + H 2 ؛

Zn (OH) 2 ↓ + 2NaOH = Na 2.

بادئ ذي بدء ، يجب أن نتذكر أن المعادن تنقسم عمومًا إلى ثلاث مجموعات:

1) المعادن النشطة: وتشمل هذه المعادن جميع الفلزات القلوية ، والفلزات القلوية الترابية ، وكذلك المغنيسيوم والألمنيوم.

2) المعادن ذات النشاط المتوسط: وتشمل المعادن الموجودة بين الألومنيوم والهيدروجين في سلسلة النشاط.

3) المعادن الخاملة: المعادن الموجودة في سلسلة النشاط على يمين الهيدروجين.

بادئ ذي بدء ، عليك أن تتذكر أن المعادن منخفضة النشاط (أي تلك الموجودة بعد الهيدروجين) لا تتفاعل مع الماء تحت أي ظروف.

تتفاعل معادن الأرض القلوية والقلوية مع الماء تحت أي ظروف (حتى في درجة الحرارة العادية وفي البرد) ، بينما يصاحب التفاعل تطور الهيدروجين وتكوين هيدروكسيد المعدن. علي سبيل المثال:

2Na + 2H 2 O \ u003d 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O \ u003d Ca (OH) 2 + H 2

المغنيسيوم ، بسبب حقيقة أنه مغطى بطبقة أكسيد واقية ، يتفاعل مع الماء فقط عند غليه. عند تسخينه في الماء ، يتم تدمير فيلم الأكسيد الذي يتكون من MgO ويبدأ المغنيسيوم الموجود تحته في التفاعل مع الماء. في هذه الحالة ، يكون التفاعل أيضًا مصحوبًا بتطور الهيدروجين وتكوين هيدروكسيد المعدن ، والذي ، مع ذلك ، غير قابل للذوبان في حالة المغنيسيوم:

Mg + 2H 2 O \ u003d Mg (OH) 2 ↓ + H 2

الألومنيوم ، مثل المغنيسيوم ، مغطى بطبقة أكسيد واقية ، ولكن في هذه الحالة لا يمكن تدميره بالغليان. لإزالته ، يلزم إما التنظيف الميكانيكي (مع نوع من المواد الكاشطة) أو تدميره الكيميائي بالقلويات ، ومحاليل أملاح الزئبق أو أملاح الأمونيوم:

2Al + 6H 2 O \ u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2

تتفاعل معادن النشاط المتوسط ​​مع الماء فقط عندما تكون في حالة بخار ماء شديد السخونة. في هذه الحالة ، يجب تسخين المعدن نفسه إلى درجة حرارة حمراء ساخنة (حوالي 600-800 درجة مئوية). على عكس المعادن النشطة ، فإن المعادن ذات النشاط الوسيط ، عند التفاعل مع الماء ، تشكل أكاسيد معدنية بدلاً من الهيدروكسيدات. منتج الاختزال في هذه الحالة هو الهيدروجين:

Zn + H 2 O \ u003d ZnO + H 2

3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2 أو

Fe + H 2 O \ u003d FeO + H 2 (حسب درجة التسخين)