Сызу пәніне арналған дәріс материалы мұғалімдерге

Металдар мен бейметалдарға қысқаша шолу

§1 Металдар мен бейметалдардың қасиеттері

а) Периодық жүйедегі орны, салыстырмалы сипаттамасы

Барлығымызға белгілі жай заттар металдар және бейметалдарға бөлінеді. Заттардың бұлай жіктелуі олардың физикалық және химиялық қасиеттеріне байланысты болады. Күрделі зат қасиеті оның химиялық құрамы мен олардағы химиялық байланысқа тәуелді болса, ал жай заттар үшін – элементтердің атом құрылысына тәуелді.

Бірдей атомды (гомоатомды) жай заттарда біз қарастырған екі байланыс: металдық (металдарда) және ковалентті полюссіз (бейметалдарда) болады.

Металдарға s–элементтері, валенттілік электрондарының жалпы формуласы: ns1-2, n>1; d – элементтері валентілік электрондарының жалпы формуласы

ns2(n-1)d1-10, n≥4, f–элементтері, валенттілік электрондарының жалпы формулалары ns2(n-1)d1(n-2)f1-14, n≥6 және кейбір р-элементтері, валенттілік электрондарының жалпы формулалары ns2np1-6 (IIIA тобында бордан басқасы, IVА-тобындағы қалайы мен қорғасын, V–А висмут, VI–А-дан полоний, VIIА-дан астат жатады)

Сонда, Д.И.Менделеевтің периодтық жүйесінде екі s-элементі (Н, Не) және р-элементтерден тұратын төбелері бор, фтор, астат болып келетін үшбұрыш ішіндегі элементтер және барлық инертті газдар бейметалдарды құрайды. Олардың жалпы саны 22.

Инертті (бекзат) газдар He, Ne, Ar типтік бейметалдар, қосылыстар түзбейді, молекулалары бір атомды олардың ішінде тек ксенон XeO3, H2XeO4 қышқылдық қасиетті оксид пен гидроксид түзеді.

Бейметалдардың металдарға қарағанда иондану энергиясы электронтартқыштығы және олардың электртерістіліктері де жоғары болып келеді.

ә) Физикалық және химиялық қасиеттері

Металдардың физикалық қасиеттеріне тоқталсақ: олардың агрегаттық күйі қатты (Hg - басқасы) негізінен жылуды, электр тогін жақсы өткізеді, электр өткізгіштігі температура артқан сайын кемиді, металдық жылтыры бар, оларды июге, созуға келеді, деформацияға көнімпаз.

Металдар тығыздығына байланысты екіге бөлінеді:

1) жеңіл (: Zi (0.534 г/см3), Na, K, Mg, Ca, Cs, AI, Ba

2) ауыр (: (22,5 г/см3) Zn Cu Fe Sn Pb Ag Au Os

Қаттылықтары бойынша:

1) жұмсақ (Na, K, Jn – оларды пышақпен кесуге болады)

2) қатты (Cr – қатты)

Балқу температураларына қарай:

1) оңай балқитындар: Cs (28,50C), Ga (29,70), K(63,60C), Na (97,80C), Sn(231,90C), Pb (327,30C)

2) қиын балқитындар: Fe (15390C), Pt (17690), Cr(18750C), W (33800C.

Түсіне қарай:

Қара: Fe, Mn, Cr

Түсті – қалған металдар.

Түсті металдар табиғатта кездесуіне байланысты:

1) сирек – жер металдар (Sc,Y, La, лантаноидтар)

2) шашыранды металдар (Ga, Jn, TI, Ge)

3) бағалы металдар (Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Os)

4) радиоактивті металдар (Ra, Th, U, Ac актиноидтар).

Ал, бейметалдардың физикалық қасиеттері өзгеше, қалыпты жағдайда олардың агрегаттық күйлері әртүрлі: газ, сұйық, қатты. Олардың электр және жылу өткізгіштігі төмен.

Металл, бейметалл және олардың қосылыстарының химиялық қасиеттерінде мынадай айырмашылықтар бар: біріншінің оксидтері мен гидроксидтері негіздік қасиетті. Ал, металдар тотығу-тотықсыздану реакцияларында тотықсыздандырғыш болса, бейметалдар үшін оксидтері мен гидроксидтері қышқылдық қасиетті, ал өздері тотығу-тотықсыздану реакцияларында негізінен тотықтырғыш болады.

Жай заттарды бұлай бөлудің өзі де шартты, өйткені оксидтері мен гидроксидтері екідайлы қасиет көрсететін, қасиеттері жөнінен аралық орын алатын элементтер де бар.

Заттардың электр өткізгіштігі жылу өткізгіштігімен тікелей байланысты. Металдардың кристалдық торларының түйіндеріндегі атомдар жылулық қозғалысқа түсіп, бос электрондары жылу мен тоқты тасымалдайды.

Ал, бейметалдарда бос электрондар ондай көп емес, сондықтан олар жартылай өткізгіштер және диэлектриктер болып саналады.

Температура артқанда металдың электр өткізгіштігінің кемуінің себебі олардың кристалдық торлары түйіндеріндегі металл иондары мен атомдарының жылулық қозғалысының амплитудасы артуына байланыстырушы электрондардың еркін қозғалысына кедергі келтіреді. Абсолют нольге жақындағанда мынадай элементтері үшін: Ti, Sn, Pb, Th, Ta, Nb аса өткізгіштік (Камерлинг-Оннес)тән. Металдың электр өткізгіштігі мына қатарда кемиді: Ag, Cu, Au, Cr, Al, Mg, Na, W, Be,Ph.

Жай заттардың магниттік қасиеттері оны құрайтын элементтердің атом құрылысына тәуелді. Стандартты жағдайда жай заттар әртүрлі агрегаттық күйде болады. Газ тәріздес (оттегіден басқасы)және сұйық заттар-диамагнитті. Ал қатты күйіндегі бейметалдарда ковалентті байланыс басты орын алатындықтан магниттік қасиеттері болмайды. Сілтілік, сілтілік-жер металдар, d-f деңгейлері толып болмаған (мыс, мырыш топшасының элементтерінен басқасы) және қорғасын мен қалайы элементтері парамагнитті.

§2 Жай заттардың табиғатта таралуы және оларды

бос күйінде алудың негізгі принциптері

а) Табиғатта кездесуі

Табиғатта кейбір химиялық белсенділігі нашар металдардан басқасы (Pt, Au, Ag, Hg) көбіне қосылыс түрінде кездеседі. Металдардың жер қыртысында кездесетін қосылыстары түрлі минералдар түзеді. Ішінде металл қосылыстары бар минералдар мен тау жыныстарын, құрамындағы металды өнеркәсіптік жолмен бөліп алу экономикалық жағынан тиімді болса, оны кен (руда) деп атайды. Руда құрамында қажетсіз бос жыныстары да болады. Кеннің керекті бөлімін бос жыныстардан бөліп ажыратуды кенді байыту деп атайды. Кен байыту ісінде флотация әдісі кеңінен қолданылады. Флотация техникасы оңай, оның негізі – кен мен бос жыныстың адсорбциялағыш қасиеттерінің әр түрлі болуында. Флотация үшін кенді өте ұсақ етіп ұнтақтап, сумен араластырып, арнаулы ыдысқа құяды, суға полюстігі нашар бір органикалық зат, айталық, қарағай майын қосады. Бос жыныс бөлшектерінің сыртына су молекулаларын адсорбциялайды, өйткені олар гидрофильді заттар, кеннің, әсіресе күкіртті минерал бөлшектері, сыртына май молекулаларын адсорбциялайды. Ыдыстың төменгі бөлімінен ауа жіберіледі, ол көпіршіктердің(ауа) сырты майдың жұқа қабыршағымен қапталады. Осындай ауа көпіршігі жоғары көтеріліп, ыдыс бетінде көбік түзеді, онымен сыртында май адсорбци

Қосылыстар формасы, құрылысы, элементтердің химиялық белсенділігіне байланысты.Бұл айтылғандар , әсіресе металдарға қатысты. Химиялық белсенді металдар тұз тәрізді заттар күйінде болады: галогенидтер (KCl·MgCl2· 6H2O – карналлит, NaCl·KCl – сильвинит, KCl – силвин, NaCl – галлит, CаF2 – флюорит, MgCl2·6H2O – бишофит); сульфаттар: (KCl·MgSO4·3H2O – каинит, MgSO4·H2O – кизерит, CаSO4·2H2O – гипс, CaSO4 – андигрит, Na2SO4 – тенардит, Na2SO4·10H2O – мирабиллит); карбонаттар (CaCO3·MgCO3 – доломит, CaCO3 – мрамор, FeCO3 – сидерит, ZnCO3 – смитсонит, PbCO3 – церрусит ). Бұл тұздардың көпшілігі суда жақсы ериді, сондықтан теңіз, мұхит суларында, жер асты минералды сулар құрамында болады. Ал, суда ерімейтіндері тау жыныстарын құрайды.

Өтпелі металдар және IV–А тобының металдары, оксидті, сульфидті кендер күйінде Al, Fe, Mn, Sn кездеседі: Fe2O3 (қызыл темір тас), Fe2O3·3H2O (қоңыр темір тас), Fe3O4 (магнит темір тас), Al2O3·H2O – боксит, Al2O3·2SiO2·2H2O – каолин, MnO2 – пиролюзит, SnO2 – қалайы тасы т.т.

Сульфид кендері: Cu2O – мыс жылтыры, PbS – қорғасын жылтыры, Ag2S – аргентит, FeS2 – пирит, CuFeS2 – халькопирит, Сu - мыс, Fe – темір сульфидтері.

Бейметалдардың табиғи қосылыстарына тоқталсақ, химиялық белсенді бейметалдар сілтілік, сілтілік-жер металдарымен қосылыс түрінде кездеседі. Оттек, күкірт белсенді минерал түзуші элементтер, өтпелі металдармен оксидті, сульфидті, сульфатты, силикатты, аллюмосиликатты минералдар түзеді. Азот табиғатта бос күйінде кездеседі, ол оның молекуласындағы байланыстың беріктілігіне байланысты (Еб.с.=945,6 кДж/моль). Фосфор – фосфаттар түзеді, олар: Ca3(PO4)2 – фосфорит, Ca5X(PO4)3 – апатит, мұндағы x – F-, Cl-, OH-. Мышьяк, сурьма – негізінен сульфидті минералдар түзеді: As4S4 – реальгар, Sb2S3 – сурьма жылтыры. Көміртек органикалық заттар құрамында(тас көмір, мұнай, табағи газдар) және бейорганикалық заттар түрінде (карбонаттар және көмір қышқыл газы) кездессе, кремний жер қыртысында силикаттар мен аллюмосиликаттар түрінде кездеседі.

Сонымен, элементтерді табиғатта таралуына байланысты (Гольдшмит) төрт топқа бөледі: атмофильдер (газ күйінде кездесетін элементтер N2, H2, O2,инертті газдар), метофильдер немесе оксофильдер (жердің беткі қабатын құрайтын), халькофильдер (күкіртпен қосылыс түзуге бейім элементтер Cu, Ag, Zn, Pb, Hg) және сидерофильдер (жер ядросын құрайтын VIII В тобының элементтері).

Элементтердің жер бетінде таралуы бірдей емес. Салыстырмалы атомдық массасы 50-ге дейінгі жеңіл элементтер 99,4%, ал қалғандарына 0,6% келеді екен. Табиғатта таралуы 0,01%-дан кем элементтерді сирек кездесетін бытыраңқы элементтер деп атайды.

1914 жылы итальян физигі Отто жер бетінде көп таралатын элементтердің массалық саны 4-ке бөлінетіндігін байқаса, 1917 жылы -американ ғалымы Гаркинс табиғатта көп таралатын элементтердің атомдық нөмірі 2-ге бөлінетіндігін анықтады.

ә) Жай заттарды алу

Табиғи қосылыстарынан жай заттарды алу тотығу-тотықсыздану үдерісі арқылы жүзеге асады. Металдардың барлығы табиғатта тотыққан күйде кездесетіндіктен оларды алу үшін тотықсыздандыру қажет.

Ал, бейметалдар табиғи қосылыстарында әрі тотыққан, әрі тотықсызданған күйде кездеседі. Химиялық белсенді бейметалдар және халькогендер көбіне тотықсызданған күйде, ал азот, фосфор, кремний, сурьма (нитраттар, фосфаттар, силикаттар, сульфаттар) тотыққан түрде кездеседі.

Металдарды табиғи қосылыстардан алу кезінде қолданылатын тотықсыздандырғыш металдың химиялық белсенділігіне байланысты болады. Металл неғұрлым химиялық белсенді болса, оны тотықсыздандыратындар да химиялық белсенді болуы тиіс. Тотықсыздандырғыштар ретінде пайдаланылатындар: химиялық белсенді металдар (Al, Zn, Mg, Co), сутегі, көміртегі және электр тоғы. Қажетті тотықсыздандырғышты таңдау үшін тотығу-тотықсыздану реакциаларының Гиббс энергиясын есептеу қажет (ΔG<0).

Сөйтіп, металдарды алудың әдістерін төртке бөледі: металлотермия, пирометаллургия, гидрометаллургия, электрохимиялық.

Кейбір қиын балқитын металдарды бос күйінде алу үшін (Cr, Mn, Fe) тотықсыздандырғыш ретінде алюминий (аллюминотермия) қолданылады, ол үшін алдымен оксидтік күйге айландыру қажет болады, сондықтан руданы “қайнау қабаты” пештерінде күйдіреді (тотықтырады). Алюминиймен тотықсыздандыру барысында көп энергия бөлінеді.

Mo2O3+2Al = Al2O3+2Mo+Q

Алюминийден де шабытты әрекеттесетін тотықсыздандырғыш - магний. Ол элемент оксидтерінен және хлоридтерінен де тотықсыздандырады.

Мысалы, титан өндірісінде жүретін реакцияларды қарастырсақ:

TiO2+C+2Cl2 = TiCl4+CO2

TiCl4+Mg = MgCl2+Ti

Енді, келесі тотықсыздандырғыш ретінде көміртегін пайдаланып, мына металдарды оксидтерінен алуға болады: Fe, Cо, Ni, Pb, Sn, Cu, Zn, Mn т.т. Осыны қорғасын өндіру кезінде жүретін реакциялар мысалында қарастырайық:

2PbS + 3O2= 2PbO + 2SO2

PbO + PbS = Pb + SO2

C+O 2= CO2

CO2 + C = 2CO

PbO + CO = Pb+CO2

Тотықсыздандырғыш ретінде сутегіні пайдаланып, мынадай металдарды Mo,W, Re т.т.оксидтерінен алуға болады.

WO3+3H2= 3H2O + W

Химиялық белсенді – алюминий, сілтілік, сілтілік-жер металдарды алу үшін тұздарының балқындыларынан электролиздеу әдісін қолданылады.Мұнда электролизердің катоды күшті тотықсыздандырғыш электрон донорының ролін атқарады.

Металл тұздарының ерітіндісінен металлотермия әдісімен металды алу гидрометалургиялық тәсіл болса, ол электрохимиялық әдіспен де ұласып жатады.

Бейметалдардың кейбіреуі табиғатта бос күйінде кездеседі, мысалы ауа құрамындағы азот пен оттегіні физикалық тәсіл көмегімен бөліп алады. Химиялық белсенділігі төмен бейметалдар (B, Si,Ge, P, As, Sb) табиғатта тотыққан күйде кездеседі, оларды жоғарыда көрсетілген тотықсыздандырғыштар көмегімен алуға болады.

SiO2+Mg = MgO+Si

SiO2+2C = Si+2CO

2BCl3+3H2 = 6HCl+2B

GeO2+2H2 = Ge+2H2O

2Ca3(PO4)2+6SiO2+10C = 6CaSiO3+10CO+4P

Химиялық белсенді бейметалдарды (F2, Cl2) тұздарының балқындыларын электролиздеу арқылы тотықтырып алады, тотықтырғыш электролиздердің аноды – электрон акцепторы болады. Ал, бром мен иодты алу үшін тотықтырғыш ретінде хлорды пайдалануға болады:

2KBr + Cl2= 2KCl + Br2

2KJ + Cl2= 2KCl + J2