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

المحاضرة 11 الخواص الكيميائيةالمعادن.

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 ، وكذلك العناصر p الموجودة في الجزء السفلي النظام الدوريمن القطر المسحوب من البورون إلى الأستاتين. في مواد بسيطةتتحقق الرابطة المعدنية في هذه العناصر. تحتوي ذرات المعادن على عدد قليل من الإلكترونات في غلاف الإلكترون الخارجي ، بمقدار 1 أو 2 أو 3. تظهر المعادن خواص موجبة للكهرباء ولديها قدرة كهرسلبية منخفضة ، أقل من اثنين.

المعادن متأصلة مميزات. هذه مواد صلبة ، أثقل من الماء ، ذات لمعان معدني. تتمتع المعادن بموصلية حرارية وكهربائية عالية. وتتميز بانبعاث الإلكترونات تحت تأثير مختلف تأثيرات خارجية: التعرض للضوء ، عند التسخين ، عند الانكسار (انبعاث إلكتروني خارجي).

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 الضغوط 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

مخفف حامض الكبريتيكيتأكسد 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. فمثلا

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. القيمة القصوىجهد القطب الكهربائي لأيون النترات في حمض مخفف كعامل مؤكسد هو 0.96 فولت.بسبب هذه القيمة الكبيرة ، يعتبر 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.

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 معه بيئة خارجية. 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.

قوة.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 قوى خارجية والاحتفاظ به صيغة جديدةبعد توقف السلطة. 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	مقاومة الشد (قوة الشد) كغم \ مم 2	الامتداد النسبي٪	الانكماش النسبي للمقطع العرضي٪
الألومنيوم التنغستن حديد كوبالت المغنيسيوم المنغنيز نحاس نيكل تين قيادة الكروم الزنك	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 للكسر 22 40-50 2-4 1,8 قابل للكسر 11,3-15	40 - 21-55 3 15 قابل للكسر 60 40 40 50 قابل للكسر 5-20	85 - 68-55 - 20 قابل للكسر 75 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. بعض السبائك المعقدة كذلك درجة حرارة منخفضةالذي يذوب فيه ماء ساخن. 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 أن يؤخذ في الاعتبار أيضًا 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.

تفاعل المعادن مع اللافلزات

تُظهر اللافلزات خواصًا مؤكسدة في التفاعلات مع المعادن ، وتقبل الإلكترونات منها وتتعافى.

التفاعل مع الهالوجينات

الهالوجينات (F 2 ، Cl 2 ، Br 2 ، I 2 ) عوامل مؤكسدة قوية ، لذلك تتفاعل جميع المعادن معها في الظروف العادية:

2Me + ن Hal 2 → 2 MeHal n

ناتج هذا التفاعل عبارة عن ملح هاليد معدني ( MeF n- فلوريد ، MeCl n- كلوريد ، MeBr n- بروميد ، MeI n -يوديد). عند التفاعل مع معدن ما ، يتم تقليل الهالوجين إلى أدنى حالة أكسدة (-1) ، ونيساوي حالة أكسدة المعدن.

معدل التفاعل يعتمد على النشاط الكيميائي للمعدن والهالوجين. ينخفض ​​النشاط التأكسدي للهالوجينات في المجموعة من أعلى إلى أسفل (من F إلى I).

التفاعل مع الأكسجين

يؤكسد الأكسجين جميع المعادن تقريبًا (باستثناء Ag ، Au ، Pt ) ، مما يؤدي إلى تكوين أكاسيدأنا 2 يا ن.

معادن نشطة تتفاعل بسهولة مع الأكسجين الجوي في ظل الظروف العادية.

2 Mg + O 2 → 2 MgO (مع فلاش)

معادن النشاط الوسيط تتفاعل أيضًا مع الأكسجين عند درجة الحرارة العادية. لكن معدل مثل هذا التفاعل أقل بكثير من مشاركة المعادن النشطة.

معادن غير نشطة يتأكسد بالأكسجين عند تسخينه (الاحتراق في الأكسجين).

أكاسيد يمكن تقسيم الخواص الكيميائية للمعادن إلى ثلاث مجموعات:

1. أكاسيد أساسية ( Na 2 O ، CaO ، Fe II O ، Mn II O ، Cu I O إلخ) بواسطة معادن في حالات أكسدة منخفضة (+1 ، +2 ، كقاعدة عامة ، أقل من +4). تتفاعل الأكاسيد الأساسية مع الأكاسيد والأحماض الحمضية لتكوين الأملاح:

CaO + CO 2 → كربونات الكالسيوم 3

CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O

2. أكاسيد حامضية ( Cr VI O 3، Fe VI O 3، Mn VI O 3، Mn 2 VII O 7 إلخ) من المعادن في حالات الأكسدة العالية (كقاعدة عامة ، أعلى من +4). تتفاعل أكاسيد الحمض مع الأكاسيد والقواعد الأساسية لتكوين الأملاح:

FeO 3 + K 2 O → K 2 FeO4

CrO 3 + 2KOH → K 2 CrO 4 + H 2 O

3. أكاسيد الأمفوتريك ( BeO، Al 2 O 3، ZnO، SnO، MnO 2، Cr 2 O 3، PbO، PbO 2 إلخ) ذات طبيعة مزدوجة ويمكن أن تتفاعل مع كل من الأحماض والقواعد:

Cr 2 O 3 + 3H 2 SO 4 → Cr 2 (SO 4) + 3H 2 O

Cr 2 O 3 + 6 NaOH → 2Na 3

التفاعل مع الكبريت

تتفاعل جميع المعادن مع الكبريت (باستثناء Au ) ، تشكيل الأملاح - كبريتيدأنا 2 S n . في هذه الحالة ، يتم تقليل الكبريت إلى حالة الأكسدة "-2". بلاتينيوم (نقطة ) يتفاعل مع الكبريت فقط في حالة منقسمة بدقة. المعادن القلوية والكالسيوم والمغنيسيوم تتفاعل مع الكبريت عند تسخينها بانفجار. Zn، Al (مسحوق) و Mg في تفاعل مع الكبريت يعطي وميضا. في الاتجاه من اليسار إلى اليمين في سلسلة النشاط ، ينخفض ​​معدل تفاعل المعادن مع الكبريت.

التفاعل مع الهيدروجين

مع الهيدروجين ، تشكل بعض المعادن النشطة مركبات - الهيدريدات:

2 Na + H 2 → 2 NaH

في هذه المركبات ، يكون الهيدروجين في حالة أكسدة نادرة "-1".

إي. نودنوفا ، م. أندريوخوفا

الخواص الكيميائية للمعادن: التفاعل مع الأكسجين والهالوجينات والكبريت وعلاقته بالماء والأحماض والأملاح.

تعود الخصائص الكيميائية للمعادن إلى قدرة ذراتها على التبرع بسهولة بالإلكترونات من مستوى طاقة خارجي ، وتتحول إلى أيونات موجبة الشحنة. وهكذا ، في التفاعلات الكيميائية ، تعمل المعادن كعوامل اختزال نشطة. هذه هي الخاصية الكيميائية المشتركة الرئيسية.

تختلف القدرة على التبرع بالإلكترونات في ذرات العناصر المعدنية الفردية. كلما تخلى المعدن عن إلكتروناته بسهولة ، زاد نشاطه ، وكلما زاد تفاعله مع المواد الأخرى بقوة. بناءً على البحث ، تم ترتيب جميع المعادن على التوالي حسب نشاطها المتناقص. تم اقتراح هذه السلسلة لأول مرة من قبل العالم البارز ن. ن. بيكيتوف. تسمى هذه السلسلة من نشاط المعادن أيضًا سلسلة الإزاحة للمعادن أو السلسلة الكهروكيميائية للجهود المعدنية. تبدو هكذا:

Li ، K ، Ba ، Ca ، Na ، Mg ، Al ، Zn ، Fe ، Ni ، Sn ، Pb ، H2 ، Cu ، Hg ، Ag ، Рt ، Au

باستخدام هذه السلسلة ، يمكنك معرفة المعدن النشط للآخر. تحتوي هذه السلسلة على الهيدروجين ، وهو ليس معدنًا. يتم أخذ خصائصه المرئية للمقارنة كنوع من الصفر.

لها خصائص عوامل الاختزال ، تتفاعل المعادن مع عوامل مؤكسدة مختلفة ، في المقام الأول مع غير المعادن. تتفاعل المعادن مع الأكسجين في ظل الظروف العادية أو عند تسخينها لتكوين أكاسيد ، على سبيل المثال:

2Mg0 + O02 = 2Mg + 2O-2

في هذا التفاعل ، تتأكسد ذرات المغنيسيوم وتقل ذرات الأكسجين. تتفاعل المعادن النبيلة في نهاية الصف مع الأكسجين. تحدث التفاعلات مع الهالوجينات بنشاط ، على سبيل المثال ، احتراق النحاس في الكلور:

Cu0 + Cl02 = Cu + 2Cl-2

غالبًا ما تحدث التفاعلات مع الكبريت عند التسخين ، على سبيل المثال:

Fe0 + S0 = Fe + 2S-2

تتفاعل المعادن النشطة في سلسلة نشاط المعادن في المغنيسيوم مع الماء لتكوين القلويات والهيدروجين:

2Na0 + 2H + 2O → 2Na + OH + H02

تتفاعل معادن النشاط المتوسط ​​من Al إلى H2 مع الماء في ظل ظروف أكثر قسوة وتشكل أكاسيد وهيدروجين:

Pb0 + H + 2O الخواص الكيميائية للمعادن: التفاعل مع الأكسجين Pb + 2O + H02.

تعتمد أيضًا قدرة المعدن على التفاعل مع الأحماض والأملاح في المحلول على موقعه في سلسلة الإزاحة للمعادن. المعادن الموجودة على يسار الهيدروجين في سلسلة الإزاحة للمعادن عادةً ما تزيح (تقلل) الهيدروجين من الأحماض المخففة ، والمعادن الموجودة على يمين الهيدروجين لا تحل محله. لذلك ، يتفاعل الزنك والمغنيسيوم مع المحاليل الحمضية ، ويطلق الهيدروجين ويشكل الأملاح ، بينما النحاس لا يتفاعل.

Mg0 + 2H + Cl → Mg + 2Cl2 + H02

Zn0 + H + 2SO4 → Zn + 2SO4 + H02.

ذرات المعادن في هذه التفاعلات عوامل اختزال ، وأيونات الهيدروجين عوامل مؤكسدة.

تتفاعل المعادن مع الأملاح في المحاليل المائية. تحل المعادن النشطة محل المعادن الأقل نشاطًا من تكوين الأملاح. يمكن تحديد ذلك من سلسلة نشاط المعادن. نواتج التفاعل عبارة عن ملح جديد ومعدن جديد. لذلك ، إذا تم غمر صفيحة حديدية في محلول من كبريتات النحاس (II) ، فبعد فترة من الوقت سيبرز النحاس عليها على شكل طلاء أحمر:

Fe0 + نحاس + 2SO4 → Fe + 2SO4 + نحاس 0.

ولكن إذا غُمرت صفيحة فضية في محلول من كبريتات النحاس (II) ، فلن يحدث أي تفاعل:

Ag + CuSO4 ≠.

لإجراء مثل هذه التفاعلات ، لا ينبغي للمرء أن يأخذ معادن نشطة للغاية (من الليثيوم إلى الصوديوم) ، والتي تكون قادرة على التفاعل مع الماء.

لذلك ، فإن المعادن قادرة على التفاعل مع اللافلزات والماء والأحماض والأملاح. في جميع هذه الحالات ، تتأكسد المعادن وتعمل على الاختزال. للتنبؤ بالتدفق تفاعلات كيميائيةبمشاركة المعادن ، يجب استخدام سلسلة إزاحة من المعادن.