Химия · Химия элементов · 9 класс

Металлы и сплавы

Почему железный гвоздь в медном купоросе краснеет, а бронза твёрже меди?

Ситуация

В школьном кабинете химии подготовили выставку «Металлы»: металлические кубики одного размера, чугунный казан, бронзовый колокол, нервюра крыла из дюралюминия и золотое кольцо. Лаборант опустил железный гвоздь в раствор медного купороса — через несколько минут гвоздь стал красноватым. Почему металлы блестят и проводят ток, чем сплав отличается от чистого металла и какой металл вытесняет другой из раствора его соли?

Тема

Металлы и сплавы: свойства и ряд активности. Выставка металлов: железный гвоздь, опущенный в медный купорос, краснеет; бронза, латунь, дюралюминий и золото 585-й пробы

Ключевые понятия

Металлическая связь
Сплавы
Ряд активности металлов

Формулы

ρ = \frac{m}{V}

Плотность: ребро кубика 2 см, объём $V$ = 8 см³; массу измеряют на весах.

Fe + CuSO_{4} \overset{}{\to} FeSO_{4} + Cu

Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.

Cu + 2 AgNO_{3} \overset{}{\to} Cu (NO_{3})_{2} + 2 Ag

Медь вытесняет серебро: проволока покрывается серебристыми кристаллами, раствор синеет.

Δ m = n (Cu) (M (Cu) - M (Fe))

Прирост массы гвоздя: на место каждого моля растворившегося железа осаждается моль меди (63,55 − 55,85 = 7,70 г/моль).

ω (Au) = \frac{проба}{1000}

585-я проба: 58,5 % массы сплава — чистое золото.

Теория

Металлическая связь и физические свойства

В кристалле металла атомы делают свои внешние электроны «общими»: в узлах решётки — положительные катионы, между ними свободно движется электронный газ — это металлическая связь. Отсюда общие свойства: электро- и теплопроводность (если подключить напряжение, свободные электроны смещаются в одну сторону — посмотрите на модели), металлический блеск (электроны отражают свет), пластичность (слои катионов сдвигаются без разрыва связи — металл куётся, вытягивается в проволоку). Электропроводность: Ag > Cu > Au > Al. Металлы с плотностью меньше 5 г/см³ — лёгкие (Li, Na, Mg, Al, Ti), больше — тяжёлые (Fe, Cu, Pb, Au, W). Самый лёгкий — литий (0,534 г/см³), самый плотный — осмий (22,59 г/см³). Ртуть затвердевает при −38,8 °C — единственный металл, жидкий при обычных условиях; вольфрам плавится при 3422 °C. К магниту притягиваются железо, никель и кобальт. Подробнее о движении электронов — в эксперименте «Электрический ток в металлах».

Сплавы

Сплав — вещество, полученное совместным плавлением двух или более металлов (или металла с неметаллом — углеродом, кремнием) и охлаждением. Атомы разных размеров мешают сдвигу слоёв катионов, поэтому сплав обычно твёрже и прочнее чистого металла, хуже проводит ток и часто плавится при более низкой температуре. Бронза — Cu + Sn, латунь — Cu + Zn, дюралюминий — Al + Cu + Mg + Mn, сталь — Fe + C (< 2,14 %), чугун — Fe + C (> 2,14 %), нержавеющая сталь — Fe + 18 % Cr + 10 % Ni. Сплав олова и свинца с содержанием 61,9 % Sn плавится при одной температуре — 183 °C (эвтектика): это заметно ниже, чем у олова (231,9 °C) и свинца (327,5 °C). Проба золотых изделий — число граммов чистого золота в 1000 г сплава.

Химические свойства: металлы — восстановители

Атомы металла отдают электроны и превращаются в катионы: $M - n e^{-} \to M^{n +}$ — металлы восстановители. С неметаллами: $2 Mg + O_{2} \overset{}{\to} 2 MgO$ (ослепительное пламя), $2 Cu + O_{2} \overset{}{\to} 2 CuO$ (при нагревании чернеет), $3 Fe + 2 O_{2} \overset{}{\to} Fe_{3} O_{4}$ , $Fe + S \overset{}{\to} FeS$ , $2 Fe + 3 Cl_{2} \overset{}{\to} 2 FeCl_{3}$ . С водой: щелочные металлы — бурно ( $2 Na + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 NaOH + H_{2} ↑$ ), магний в холодной воде очень медленно, в горячей быстрее ( $Mg + 2 H_{2} O \overset{}{\to} Mg (OH)_{2} + H_{2} ↑$ ), железо — только раскалённое, с водяным паром: $3 Fe + 4 H_{2} O \overset{}{\to} Fe_{3} O_{4} + 4 H_{2}$ . С кислотами: металлы левее водорода вытесняют водород: $Zn + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + H_{2} ↑$ ; медь, серебро, золото — нет (подробнее — в эксперименте «Кислоты и металлы»).

Ряд активности и реакции с солями

Ряд активности металлов (Н. Н. Бекетов): Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au. Металл, стоящий в ряду левее, вытесняет металл, стоящий правее, из раствора его соли: железо покрывается медью в медном купоросе, медь — серебром в нитрате серебра. Ряд соответствует стандартным электродным потенциалам $E °$ : Mg −2,37 В, Zn −0,76 В, Fe −0,44 В, Cu +0,34 В, Ag +0,80 В — чем отрицательнее потенциал, тем сильнее металл как восстановитель. Очень активные металлы — натрий, калий, кальций — в растворе соли сначала реагируют с водой, поэтому для вытеснения их не используют. Лабораторная работа 6: опуская четыре металла в растворы четырёх солей, составляют таблицу — реакция идёт только тогда, когда металл стоит левее металла в соли.

Лабораторные работы и практическая работа

Лабораторная работа 4 — осмотр образцов металлов: цвет, блеск, твёрдость (проверяют царапаньем), притяжение магнитом, плотность: $ρ = m / V$ (взвешивают кубики одинакового объёма). Лабораторная работа 5 — образцы сплавов: состав, цвет и применение сравнивают с чистыми металлами. Практическая работа 3 (экспериментальная задача): железный гвоздь взвешивают ( $m_{1}$ ), выдерживают в растворе CuSO₄, вынимают, сушат и взвешивают снова ( $m_{2}$ ). Гвоздь тяжелеет: на место каждого моля растворившегося Fe (55,85 г) осаждается моль Cu (63,55 г). Значит, $n (Cu) = Δ m / 7,70$ моль, $m (Cu) = n \cdot 63,55$ г, и столько же молей CuSO₄ израсходовано.

Безопасность и модель

Безопасность: нитрат серебра чернит кожу, медный купорос вреден — надевайте перчатки и очки; кислоту приливайте к воде, а не наоборот; после работы с образцами свинца мойте руки; пары ртути ядовиты — ртуть хранят только в запаянной ампуле; горячая плитка и расплавленный металл обжигают. Модель: объём кубиков точно 8 см³, плотности — справочные значения при 20 °C; скорости реакций в пробирках схематичны (время ускорено в 20 раз), какая реакция идёт — определяется по ряду активности; диаграмма состояния Sn–Pb упрощена прямыми линиями, мощность плитки и теплоёмкость образца условные (время ускорено в 4 раза); осаждение меди на гвоздь рассчитано по кинетике первого порядка ( $τ$ = 600 мин — за час расходуется лишь несколько процентов Cu²⁺), время ускорено в 60 раз.

Знаете ли вы?

Серебро — лучший по электропроводности металл (удельное сопротивление при 20 °C 1,59·10⁻⁸ Ом·м). Медь проводит всего примерно на 5 % хуже, но значительно дешевле — поэтому провода делают из меди.
Чистое золото очень мягкое (2,5 по шкале Мооса) — украшения быстро стирались бы. Поэтому кольца делают из сплава: в изделии 585-й пробы 58,5 % массы — золото, остальное серебро и медь.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс
Кремний и силикаты — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс
Щелочные металлы и сода — 9 класс
Алюминий и его соединения — 9 класс
Медь, серебро, золото и цинк — 9 класс
Хром и марганец: цветные ионы — 9 класс
Железо и его соединения — 9 класс