МЕТАЛЛЫ

11 класс

Цели.

• Повторить и закрепить знания по темам: кристаллические решетки металлов, их оксидов и солей; строение атомов (правило Клечковского); гальванические пары металлов; платиновые металлы.

• Развивать творческую деятельность и самостоятельность учащихся посредством метода проектов.

• Продолжать формировать умение работать с информационными источниками.

• Воспитывать уважение и интерес к науке химии.

Оборудование. Проекты учащихся, таблицы, схемы, рисунки, опыт «Гальванические пары металлов».

Организационный момент

Вниманию учеников предложены предметы: гвоздь, лампочка, фен, зеркало, ножницы, дискета, ложка, заколка для волос. Надо ответить, что объединяет все эти предметы.

(Предполагаемый ответ.
Материал, из которого сделаны эти предметы, – металлы.)

Обзор тематики урока

Практическое применение металлов разнообразное, металлы пока незаменимы. Современному человеку надо знать свойства веществ, чтобы в жизни не сделать ошибок.

Месяц назад вам были предложены темы проектов.

1. Алюмосиликаты – основа земной коры.

2. Гальваническая пара. Применение гальваники.

3. Строение атома хрома (правило Клечковского).

4. Значение металлов для человека.

5. Благородные и платиновые металлы, их свойства и значение.

6. Металлы не только восстановители, но и окислители.

7. Сплавы, их применение.

8. Кристаллические решетки соединений металлов.

9. Коррозия металлов и защита от нее.

Работа шла в группах творчески, информационные источники были разные: учебники, научно-популярная литература, Интернет. Сегодня мы рассмотрим две темы проектов.

1-й проект.
Строение атома хрома
(правило Клечковского)

Схема оформления проекта учащимися

П р а в и л о  К л е ч к о в с к о г о. Иногда заполнение последующих электронных уровней начинается до того, как завершается заполнение предыдущих. Так, 4s-электроны появляются в атомах, когда не заполнены еще 3d-орбитали. Аналогичная картина наблюдается для 5s- и 4d-, 6s-
и 5d-электронов. Правило заполнения орбиталей сформулировано советским ученым В.М.Клечковским. Оно заключается в том, что заполнение орбиталей происходит в порядке последовательного увеличения суммы главного (n) и орбитального (l) квантовых чисел
(n + l) = 1, 2, 3... При каждом значении суммы (n + l) заполнение орбиталей идет от больших l и меньших n к меньшим l и большим n.

В таблице представлено заполнение орбиталей с учетом правила Клечковского. Напомним, что должно обязательно сохраняться условие l < (n – 1). Из таблицы вытекает, что заполнение электронами подуровней происходит в следующем порядке:

1s²s2p³s3p⁴s3d⁴p5s⁴d5p⁶s4f⁵d6p⁷s5f⁶d.

Правило Клечковского дает возможность определять электронные структуры как для известных элементов, так и для еще неизвестных трансурановых элементов. Безусловно, основное значение правила Клечковского заключается в его предсказательном характере. Если в соответствии с правилом Клечковского девятнадцатый электрон атома калия находится на 4s-орбитали, то это означает, что энергия электрона на 4s-орбитали меньше, чем энергия его на 3d-орбитали. Однако соотношение энергий электронов на 4s- и 3d-орбиталях в дальнейшем изменяется. Отклонения в строении электронных слоев некоторых атомов в основном состоянии, например ₂₄Сr, ₂₉Сu, ₄₂Мо, ₄₆Рd, ₄₇Аg, ₆₄Gd, ₇₉Au, могут быть объяснены особой устойчивостью наполовину и полностью заполненных орбиталей подуровня. Так, у d-орбиталей устойчивыми конфигурациями являются d⁵ и d¹⁰, а у f-орбиталей – f⁷и f¹⁴.

Таблица

Заполнение электронами уровней и подуровней
в атомах по правилу Клечковского

Атомные и ионные радиусы

Размеры атомов и ионов определяются размерами электронной оболочки. Но по квантово-механическим представлениям электронная оболочка не имеет строго определенных границ. За радиус свободного атома (иона) можно принять теоретически рассчитанное положение главного максимума плотности внешних электронных облаков. Это так называемый орбитальный радиус атома (иона). Практически используют вычисленные по экспериментальным данным значения радиусов атомов и ионов, находящихся в соединении. Различают ковалентные и металлические радиусы атомов.

Зависимость атомных и ионных радиусов от атомного номера элементов носит периодический характер. В периодах радиусы по мере увеличения заряда ядра в общем уменьшаются. Наибольшее уменьшение наблюдается у элементов малых периодов, т.к. у них заполняется внешний электронный слой. В больших периодах в семействах d- и f-элементов наблюдается менее резкое уменьшение радиусов, т.к. заполнение орбиталей электронами происходит в предвнешнем слое. В подгруппах элементов радиусы атомов и однотипных ионов в общем увеличиваются.

Характеристика хрома

Название элемента хром происходит от греч. chroma (цвет, краска) – по яркой и разнообразной окраске соединений (красные, желтые, зеленые). Серебристый металл хром открыт Л.Вокленом в 1797 г. Он прокалил Сr₂O₃ с углем и выделил тугоплавкий металл:

Сr₂O₃ + 3C = 3CO + 2Сr.

А оксид Сr₂O₃ впервые был получен из минерала крокоита PbCrO₄, найденного за 30 лет до этого на Урале вблизи Екатеринбурга. Современный способ получения чистого хрома отличается только видом восстановителя. Процесс хромирования был разработан в 1920-х гг.

Физические свойства. Хром – белый блестящий металл, tпл = 1890 °С.

На воздухе хром покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет его от разрушения.

Химические свойства. На холоде хром инертен. При нагревании он реагирует с неметаллами О₂, N₂, C, S, галогенами, растворяется в кислотах НCl и H₂SO₄.

Применение. В качестве защитного покрытия (например, железных изделий), добавка к стали придает ей большую твердость и прочность, сплав Сr, Ni и Fe (нихром) обладает большим электрическим сопротивлением.

2-й проект.
Гальванические пары

Из истории гальванического элемента

Впервые гальванический элемент был создан итальянским физиком А.Вольта (1745–1827). Он выглядел совсем иначе, чем современные батарейки, и называли его вольтовым столбом, или батареей – соединением нескольких гальванических элементов. Вольта брал серебряные или медные кружочки, а между ними помещал картонные, пропитанные раствором гидроксида калия. Чтобы получить большее напряжение, Вольта укладывал такие элементы друг над другом в столбик. К концам подводил металлические проводники. В результате он получил источник электрического тока.

С тех пор гальванические элементы претерпели изменения и были усовершенствованы, а ученые изучили процессы, происходящие в гальваническом элементе.

Принцип работы гальванического элемента

Простой гальванический элемент, созданный в 1836 г. Дж.Даниелем, состоит из двух электродов: цинкового, погруженного в водный раствор сульфата цинка, и медного, погруженного в водный раствор сульфата меди(II). При замкнутой внешней цепи атомы цинка на поверхности цинкового электрода окисляются до ионов с высвобождением электронов:

Zn = Zn²⁺ + 2e.

Эти электроны перемещаются по внешней цепи на медный электрод и восстанавливают ионы меди до атомов:

Cu²⁺ + 2e = Cu.

Поток электронов во внешней цепи – это и есть ток, вырабатываемый элементом. Суммарная реакция генерации электрической энергии имеет вид:

CuSO₄ + Zn = ZnSO₄ + Cu.

Таким образом, цинк постепенно растворяется, а медь оседает на катоде. В результате химической реакции между цинком и сульфатом меди(II) происходит передвижение электронов, т.е. возникновение постоянного электрического тока. Энергия химической реакции создает электродвижущую силу (ЭДС) гальванического элемента, т.е. химическая энергия преобразуется в электрическую. Точно такая же химическая реакция протекает при добавлении металлического цинка в раствор сульфата меди(II), но в этом случае химическая энергия переходит в тепловую.

Электрод, на котором осуществляется окисление, называется анодом, а электрод, на котором происходит восстановление, – катодом.

Взаимосвязь металлов в растворах солей видна в проведенном нами опыте «Гальванические пары». Железный гвоздь ржавеет активнее в паре с медной пластиной, чем в паре с цинковой пластиной (рис. 1).

Рис. 1. Выполнение опыта «Гальванические пары»

Зависимость ЭДС от вида элемента

На представленной модели (рис. 2) вы сможете увидеть, как зависит ЭДС гальванического элемента от материалов, из которых сделаны электроды. Выбор материалов осуществляется нажатием одной из кнопок, соответствующих первому или второму электроду. Рядом с каждой из кнопок приведены восстановленная и окисленная формы данного вещества, которые возникают в реакциях, происходящих в гальваническом элементе.

Рис. 2. Модель гальванического элемента

Обратите внимание на то, что тот электрод, у которого стандартный потенциал больше (т.е. он труднее окисляется), выступает в гальваническом элементе положительным полюсом, а тот, у которого потенциал меньше, отдает электроны и является «минусом» (рис. 3).

Рис. 3. Медно-цинковый гальванический элемент (а) и схема его работы (б)

ЭДС гальванического элемента с одинаковыми электродами и равными концентрациями (активностями) ионов в растворе равен нулю. В модели это подтверждается нулевым напряжением на вольтметре в цепи такого элемента. В левом нижнем углу модели (см. рис. 2) находится схема расчета ЭДС гальванического элемента. Она равна разности стандартных потенциалов электродов. Стандартным потенциалом в свою очередь называют ЭДС гальванического элемента, один из электродов которого сделан из исследуемого материала, а второй представляет собой омываемый газообразным водородом платиновый электрод (стандартный водородный электрод). Тогда ЭДС нашего элемента может быть вычислена как алгебраическая сумма ЭДС двух гальванических элементов, последовательно соединенных между собой.

Гальванотехника

К гальванотехнике относится гальваностегия и гальванопластика.

Способ нанесения покрытий называется гальваностегией. На практике гальванические покрытия на металлах применяют прежде всего для защиты от коррозии и для получения зеркального блеска. Цинкование, хромирование, никелирование, лужение (оловом), меднение – это все названия отдельных видов гальваностегии в зависимости от природы металла, используемого для покрытий. Некоторые покрытия делают специально для того, чтобы улучшить внешний вид изделий (хромирование, золочение), повысить их прочность, твердость, улучшить отражательную способность и т.д.

Чтобы покрыть железо медью или никелем, необходимо сначала тщательно очистить поверхность предмета. Для этого отполируем ее отмученным мелом и последовательно обезжирим разбавленным раствором едкого натра, водой и спиртом. Если предмет покрыт ржавчиной, надо протравить его заранее в 10–15%-м растворе серной кислоты.

Очищенное изделие подвесим в электролитической ванне (маленький аквариум или химический стакан), где оно будет служить в качестве катода.

Раствор для нанесения медного покрытия содержит в 1 л воды 250 г сульфата меди и 80–100 г концентрированной серной кислоты (осторожно!). В данном случае анодом будет служить медная пластинка. Поверхность анода должна быть примерно равна поверхности покрываемого предмета. Поэтому надо всегда следить, чтобы медный анод висел в ванне на такой же глубине, как и катод.

Обратим внимание на то, что плоскость анода и покрываемая поверхность должны быть параллельны друг другу. Предметы сложной формы лучше не использовать. Варьируя длительность электролиза, можно получать медное покрытие разной толщины.

Часто прибегают к предварительному меднению для того, чтобы на этот слой нанести прочное покрытие из другого металла. Особенно часто это применяется при хромировании железа, никелировании цинкового литья и в других случаях. Правда, для этой цели используют очень ядовитые цианидные электролиты.

Никелевые и хромовые ванны лучше всего слегка подогреть (примерно до 35 °С). Следует иметь в виду, что электролиты для хромирования, особенно при длительном процессе и высокой силе тока, выделяют содержащие хромовую кислоту пары, которые очень вредны для здоровья. Поэтому хромирование следует проводить под тягой или на открытом воздухе, например на балконе.

Гальванопластикой называются процессы получения точных металлических копий с рельефных предметов электроосаждением металла. Путем гальванопластики изготавливают матрицы для прессования различных изделий (граммофонных пластинок, пуговиц и др.), матрицы для тиснения кожи и бумаги, печатные радиотехнические схемы, типографские клише. Гальванопластику открыл русский ученый Б.С.Якоби в 30-х гг. XIX в.

К гальванотехнике относятся также другие виды электрохимической обработки поверхности металлов: электрополирование стали, оксидирование алюминия, магния. Последнее представляет собой анодную обработку металла, в ходе которой определенным образом изменяется структура оксидной пленки на его поверхности. Это приводит к повышению коррозийной стойкости металла. Кроме того, металл приобретает при этом красивый внешний вид.

Тест

1. В реакции

2HNO₂ + 2HI = I₂ + 2NO + 2H₂O

азотистая кислота выступает как:

а) окислитель;

б) восстановитель;

в) окислитель и восстановитель одновременно;

г) сильная кислота.

2. Окислитель в реакции:

а) увеличивает свою степень окисления;

б) принимает электроны;

в) окисляется;

г) отдает электроны.

3. В реакции

2NO₂ + 2NaOH = NaNO₂ + NaNO₃ + H₂O

оксид азота(IV) действует как:

а) окислитель;

б) восстановитель;

в) окислитель и восстановитель одновременно;

г) несолеобразующий оксид.

4. Электролиз раствора йодида калия описывается уравнением:

а) 2KI = 2K + I₂;

б) KI + H₂O = HI + KOH;

в) 2H₂O = 2H₂ + О₂;

г) 2KI + 2H₂O = I₂ + 2KOH + Н₂.

5. При электролизе раствора хлорида калия среда вблизи катода:

а) щелочная; б) кислотная;

в) нейтральная; г) соленая.

Ответы на задания теста

1 – а; 2 – б; 3 – в; 4 – г; 5 – б.

Заключение по уроку

Дается оценка проектам учащимися по критериям:

• сложность;

• зрелищность;

• яркое и доступное преподнесение подготовленного проекта;

• познавательность.

Литература

Погодин А. Благородные металлы. М.: Знание, 1979; Венецкий С.И. В мире металлов.
М.: Металлургия, 1988; Венецкий С.И. О редких и рассеянных. Рассказы о металлах.
М.: Металлургия, 1981.

Г.Г.Вахитова,
учитель химии гимназии № 10
(г. Зеленодольск, Республика Татарстан)