METALAI IR JŲ LYDINIAI. Bendroji metalų apžvalga

Aštuntoje klasėje susipažinote su šarminiais metalais. Jie išsidėstę periodinės cheminių elementų lentelės pirmojoje (IA) grupėje. Šie metalai vadinami šárminiais, nes reaguodami su vandeniu sudaro tirpius metalų hidroksidus, arba šármus:

$$ \begin{array}{cc}2\mathrm{Na}\left(\mathrm{k}\right)& + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{s}\right)\\ \mathrm{Natris}& \mathrm{Vanduo}\end{array}$$$$ \begin{array}{cc}\to 2\mathrm{NaOH}\left(\mathrm{aq}\right)& + {\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{d}\right).\\ \mathrm{Natrio} \mathrm{hidroksidas}& \mathrm{Vandenilis}\end{array}$$

Šioje reakcijoje metalinis natris yra reduktorius, todėl atiduoda elektronus ir tampa natrio jonu:

Na⁰ − 1 e⁻ ⭢ Na⁺¹.

Vandenilis šioje reakcijoje veikia kaip oksidatorius. Vandenilio jonai prisijungia elektronus ir taip susidaro vandenilio molekulė (H₂):

2H⁺¹ + 2 e⁻ $$ \to {\mathrm{H}}_2^0.$$

Ši reakcija vadinama oksidacijos-redukcijos reakcija. Tokias reakcijas jau nagrinėjome.

Svarbu prisiminti, kad vandenilis ir deguonis vandenyje sudaro kovalentinius ryšius, todėl vandenilio jonų iš vandens susidaro santykinai mažai.

Metalų atomai yra linkę atiduoti elektronus, todėl metalai reakcijose paprastai yra redùktoriai. Atiduodami elektronus metalų atomai virsta teigiamaisiais jonais.

Tokių reakcijų pavyzdys galėtų būti metalų sąveika su nemetalais. Vykstant šioms reakcijoms metalų atomai atiduoda elektronus, o nemetalų atomai prisijungia ir virsta neigiamaisiais jonais.

Žinomiausios yra metalų reakcijos su deguonimi. Kai metalas reaguoja su deguonimi, susidaro metalų oksidai:

2Mg(k) + O₂(d) ⭢ 2MgO(k);

$$ \begin{array}{l}{\mathrm{Mg}}^0 - 2 {\mathrm{e}}^{-} \to {\mathrm{Mg}}^{+2};\\ {\mathrm{O}}_2^0 + 4 {\mathrm{e}}^{-}\to 2{\mathrm{O}}^{-2}.\end{array}$$$$ \left|\begin{array}{c}\times 2\\ ؜\end{array}\right|\begin{array}{c}\mathrm{reduktorius}\\ \mathrm{oksidatorius}\end{array}$$

Labai aktyviai su metalais reaguoja halogenai, šiek tiek mažiau aktyviai – siera ir kiti šešioliktosios (VIA) grupės nemetalai. Pavyzdžiui, sumaišius geležies pjuvenas su sieros milteliais reakcija nevyksta, tačiau pakaitintas mišinys toliau kaista savaime, paraudonuoja ir susidaro pilkos spalvos geležies sulfidas:

Fe(k) + S(k) ⭢ FeS(k);

$$ \overline{)\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\mathrm{Fe}}^0 - 2 {\mathrm{e}}^{-} \to {\mathrm{Fe}}^{+2};\\ {\mathrm{S}}^0 + 2 {\mathrm{e}}^{-} \to {\mathrm{S}}^{-2}.\end{array}\end{array}}\begin{array}{c}\mathrm{reduktorius}\\ \mathrm{oksidatorius}\end{array}$$

Tai rodo, kad reakcija yra egzoterminė, kitaip tariant, jai vykstant išsiskiria šiluma (1.1.2 pav.).

Ryškiausias metališkąsias savybes turi francis. Šis metalas yra labai radioaktyvus, todėl jo reakcija su vandeniu nėra tyrinėjama. O, pavyzdžiui, cezis, kuris yra toje pačioje pirmojoje (IA) grupėje aukščiau francio, su vandeniu reaguoja taip energingai, kad net mažas jo gabaliukas sukelia sprogimą (1.1.3 pav.).

Palyginus pirmosios (IA) grupės elementų metalų savybes matyti, kaip jos kinta grupėje:

Fr > Cs > Rb > K > Na > Li.

← Metališkosios savybės stiprėja.

Lygindami trečiojo periodo elementų savybes matome, kad jame yra tik trys metalai: aliuminis, magnis ir natris. Silicis yra pusmetalis, o fosforas, siera ir chloras – aktyvūs nemetalai. Šio periodo metalų metališkosios savybės stiprėja nuo aliuminio link natrio:

Na > Mg > Al.

← Metališkosios savybės stiprėja.

Ketvirtajame ir aukštesniuose perioduose yra daugiau cheminių elementų. Ketvirtasis ir penktasis, taip pat šeštasis ir septintasis periodai pasipildo po dešimt elementų. Visi šie elementai yra metalai, vadinami péreinamaisiais metãlais. Šių metalų išoriniame elektronų sluoksnyje yra po du elektronus. Tačiau elektronai lengvai gali peršokti iš žemesnio sluoksnio į aukštesnį ir atvirkščiai, todėl šių metalų oksidacijos laipsnis labai skirtingas – nuo +1 iki +8. Toks didelis teigiamasis oksidacijos laipsnis yra kai kurių metalų oksiduose, pvz., OsO₄, Mn₂O₇, CrO₃ ir t. t.

Palyginkime trijų chromo oksidų savybes (1.1.1 lentelė).

Nors pereinamųjų metalų savybės labai skiriasi, viena savybė juos vienija: šie metalai gali sudaryti įvairius komplèksinius jùnginius, kuriuose elementų grupės su pereinamaisiais metalais susijungia koordinãciniais ryšiais.

Koordinaciniai ryšiai yra silpnesni nei joniniai. Jie paprastai susidaro tarp pereinamojo metalo jono ir nepadalytą elektronų porą turinčių elementų junginių, pavyzdžiui, amoniako azoto, vandens molekulės deguonies ir kitų elementų. Vienas žinomiausių koordinaciniais ryšiais susietų junginių yra kraujo baltymas hemoglobinas. Šio baltymo aktyviojoje dalyje, kuri vadinama hemu, yra geležies jonas. Šis jonas koordinaciniais ryšiais susijungęs su keturiais azoto atomais. Azoto atomai yra organinio junginio, vadinamo porfirinu, dalis (1.1.4 pav.).

Šeštasis ir septintasis periodai papildomai padidėja dar po keturiolika elementų. Atsiradusi nauja šeštojo periodo elementų grupė vadinama lantanòidais pagal grupės pirmąjį narį – lantaną. Šie elementai dar vadinami retųjų žemių elementais, nes jų kiekis Žemės plutoje yra labai nedidelis. Retųjų žemių metalai ypač svarbūs kuriant moderniąsias technologijas, naujus katalizatorius ir kitas reikalingas medžiagas bei gaminius, todėl yra labai brangūs.

Septintojo periodo metalų grupė vadinama aktinòidais pagal šios grupės pirmojo nario aktinio pavadinimą. Visi aktinoidai neturi stabilių izotopų ir yra radioaktyvūs, iš jų svarbiausias – uranas. Jo rūda išgaunama iš Žemės gelmių. Stabiliausio urano izotopo ²³⁸U pusėjimo laikas yra 4,5 mlrd. metų. Periodinėje elementų sistemoje už urano esantys elementai vadinami transurãniniais. Apie šių elementų egzistavimą sužinota tik išnagrinėjus branduolinės sintezės produktų skilimo eigą, jie gauti mokslo laboratorijose. Kai kurie transuraniniai elementai yra svarbūs branduolinei energetikai. Iš urano pagamintas plutonis naudojamas branduoliniams ginklams gaminti. Pasaulyje sukurta tiek branduolinių bombų, kad jas visas panaudojus gyvybė Žemėje išnyktų.