Металдар және құймалар
Оқулық: Оспанова М.Қ., Аухадиева Қ.С., Белоусова Т.Г. Химия: 9-сынып, 1-бөлім. — Алматы: Мектеп, 2019. Мәтін — оқулық тақырыптары бойынша өз сөзімізбен жазылған конспект. Жақшадағы бет — параграфтың басталатын беті.
§21. Металдардың жалпы сипаттамасы (9-сынып 1-бөлім, 78-б.)
Химиялық элементтердің басым көпшілігі (шамамен 80%) металдар. Олар периодтық жүйеде бор–астат диагоналінің сол жағында және төменінде, сондай-ақ барлық B топшаларында, лантаноидтар мен актиноидтарда орналасқан. Металл атомдарының сыртқы деңгейінде электрон аз (көбіне 1–3), атом радиусы үлкен, сондықтан олар электрондарын оңай береді — тотықсыздандырғыштар.
Металдық байланыс — металл кристалдық торының түйіндеріндегі оң иондар мен бүкіл кристалл бойынша еркін қозғалатын ортақ электрондар («электрондық газ») арасындағы байланыс.
Физикалық қасиеттері (металдық байланыстан туындайды): металдық жылтыр — бет жарықты шағылыстырады; электр және жылу өткізгіштік — еркін электрондар заряд пен жылуды тасымалдайды; ең жақсы өткізгіштер — күміс, мыс, алтын, алюминий (сымдар мыс пен алюминийден жасалады); созылғыштық пен иілгіштік — механикалық әсерде иондар қабаттары ығысады, бірақ электрондар байланысты үзбейді; ең иілгіш металл — алтын (өте жұқа алтын жапырақ жасауға болады).
Шартты жіктеу: тығыздығы бойынша жеңіл (< 5 г/см³: Li, Na, Mg, Al, Ti) және ауыр (Fe, Cu, Pb, Hg, Au, Os — ең ауыры); балқу температурасы бойынша оңай балқитын (Hg −39 °C, Cs, Ga, Na, Sn, Pb) және қиын балқитын (Fe, Ti, W — 3410 °C); қаттылығы бойынша жұмсақ (Na, K — пышақпен кесіледі) және қатты (Cr — ең қатты). Түсті металдар (Cu, Zn, Pb, Ni, Sn, Al) және қара металдар (Fe мен оның құймалары) деп те бөлінеді.
Химиялық қасиеттері (тотықсыздандырғыш ретінде):
- бейметалдармен: 2Mg + O₂ → 2MgO; 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃; Fe + S → FeS; Ca + H₂ → CaH₂ (гидрид); 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ (нитрид); 3Ca + 2P → Ca₃P₂ (фосфид);
- сумен: сілтілік және сілтілік-жер металдар қалыпты жағдайда гидроксид пен сутек түзеді (2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑); орташа белсенді металдар қыздырғанда оксид пен сутек түзеді (Zn + H₂O → ZnO + H₂); сутектен кейінгі металдар сумен әрекеттеспейді;
- қышқылдармен (кернеу қатары бойынша): Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑;
- тұз ерітінділерімен: Zn + Pb(NO₃)₂ → Zn(NO₃)₂ + Pb.
§22. Металдарды алу (9-сынып 1-бөлім, 85-б.)
Табиғатта таралуы: белсенділігі төмен металдар (Au, Pt) бос (саф) күйінде, Ag, Cu, Hg бос күйінде де, қосылыстар түрінде де кездеседі; қалғандары тек қосылыстар — оксидтер, сульфидтер, карбонаттар, хлоридтер түрінде. Кен — құрамында металл бар, өндірісте металл алуға тиімді тау жыныстары мен минералдар. Бірнеше металл қосылысы бар кен — полиметалл кені (мыс-мырыш, қорғасын-мырыш-күміс).
Металлургия — металдарды табиғи шикізаттан алу ғылымы мен өндірісі. Металды алудың мәні — оны қосылыстан тотықсыздандыру: Mⁿ⁺ + ne⁻ → M⁰.
-
Пирометаллургия — жоғары температурада тотықсыздандыру: көмір немесе кокспен: ZnO + C → Zn + CO; иіс газымен: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (домна пеші); сутекпен (сутектермия): WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O; MoO₃ + 3H₂ → Mo + 3H₂O — таза металдар алынады; белсенді металдармен — металлотермия: алюминотермия Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃, Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃ (термит, рельстерді дәнекерлеу); магнийтермия TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂. Сульфидті кендер алдымен күйдіріледі: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂, содан кейін оксид тотықсыздандырылады.
-
Гидрометаллургия — металды кеннен ерітіндіге өткізіп, содан кейін белсендірек металмен ығыстыру немесе электролиз: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O; CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu. Алтын мен күмісті цианид ерітінділерімен бөліп алады.
-
Электрометаллургия — балқымалар мен ерітінділерді электролиздеу. Ең белсенді металдар тек балқыманы электролиздеу арқылы алынады: 2NaCl(балқыма) → 2Na + Cl₂; Al₂O₃ криолиттегі балқымасынан алюминий алынады.
Қазақстан металлургиясы: Қ.И. Сәтбаев (1899–1964) — Қазақстан Ғылым академиясының тұңғыш президенті, Жезқазған мыс кен орнын зерттеп, Қазақстанның металлургия өнеркәсібінің дамуына зор үлес қосты. Елде мыс (Жезқазған, Балқаш), қорғасын мен мырыш (Өскемен, Шымкент), алюминий (Павлодар), ферроқорытпалар (Ақсу), болат (Теміртау), титан мен магний (Өскемен) өндіріледі. Қаратаудан табылған минерал Сәтбаевтың құрметіне сәтбаевит деп аталған.
§23. Металдар құймалары (9-сынып 1-бөлім, 90-б.)
Құйма — екі немесе бірнеше металдың, немесе металл мен бейметалдың балқымасын суыту арқылы алынған металдық қасиеттері бар жүйе. Құймалар таза металдармен салыстырғанда әдетте қаттырақ, беріктеу, жемірілуге төзімдірек, ал балқу температурасы көбіне төмен болады. Кейде балқыған металдар өзара химиялық қосылыстар — интерметаллидтер түзеді.
Темір құймалары: шойын — құрамында 2–4% көміртек бар, қатты, морт, құюға жарамды (құбырлар, радиаторлар, қазандар); болат — көміртек 2%-дан аз, берік, созылғыш, соғылғыш; легирленген болаттар — хром, никель, марганец, вольфрам, ванадий қосылған (тот баспайтын болат: Fe + Cr + Ni — ыдыстар, хирургиялық құралдар).
Мыс құймалары: жез — мыс (≈60%) пен мырыш (≈40%), бастапқы металдардан қатты; құрал-аспаптар, машина бөлшектері, тұрмыстық бұйымдар; қола — мыс пен қалайы (кейде мырыш, қорғасын); салыстырмалы оңай балқиды, берік; мүсіндер, қоңыраулар, тісті дөңгелектер, су шүмектері; адамзат тарихындағы «қола дәуірі»; мельхиор — мыс пен никель (аздап темір мен марганец қосылған); асхана құралдары, монеталар.
Алюминий құймалары: дюралюминий (Al + Cu + Mg + Mn) — жеңіл әрі берік, ұшақ, зымыран, автомобиль өндірісінде. Титан құймалары — жеңіл, берік, жоғары температура мен жемірілуге төзімді (авиация, ғарыш техникасы, медициналық имплантаттар).
Басқа құймалар: дәнекер (қалайы + қорғасын) — оңай балқиды; Вуд қорытпасы — 70 °C шамасында балқиды; нихром (Ni + Cr) — қыздырғыш элементтер; амальгамалар — сынаптың басқа металдармен құймалары; зергерлік алтын мен күміс құймалары (сынама — 1000 бөліктегі таза металл үлесі, мысалы 585-сынама).
Құйма құрамындағы металдардың үлесін есептеу: егер құймадағы металдардың біреуі ғана қышқылмен әрекеттессе, бөлінген сутектің көлемі бойынша сол металдың массасын, содан кейін массалық үлестерін табамыз.
§24. Реакция теңдеуі бойынша қоспа құрамындағы заттың массасын анықтау (9-сынып 1-бөлім, 93-б.)
Табиғатта абсолютті таза зат болмайды: кендер, техникалық реактивтер құрамында бөгде қоспалар бар. Қоспасы бар үлгі техникалық деп аталады. Қоспалар реакцияға басқаша түседі немесе мүлде қатыспайды, сондықтан есептеуді тек таза зат бойынша жүргіземіз.
Формулалар: m(техникалық) = m(таза зат) + m(қоспа); ω(қоспа) = m(қоспа) / m(техн.); ω(таза) = 1 − ω(қоспа); m(таза) = m(техн.) · ω(таза).
Мысал: құрамында 10% қоспасы бар 200 г әктасты күйдіргенде қ.ж. қанша литр CO₂ бөлінеді? m(CaCO₃) = 200 · 0,9 = 180 г; n = 180 / 100 = 1,8 моль. CaCO₃ → CaO + CO₂; n(CO₂) = 1,8 моль; V = 1,8 · 22,4 = 40,32 л.
Мысал: 10 г техникалық мырыш тұз қышқылымен әрекеттескенде 3,36 л (қ.ж.) сутек бөлінді. Мырыштың массалық үлесі қанша? n(H₂) = 3,36 / 22,4 = 0,15 моль; n(Zn) = 0,15 моль; m(Zn) = 0,15 · 65 = 9,75 г. ω(Zn) = 9,75 / 10 = 97,5%; қоспа 2,5%.
Мысал (кен): 1 т құрамында 80% Fe₂O₃ бар қызыл теміртастан теориялық тұрғыда қанша темір алуға болады? m(Fe₂O₃) = 800 кг; Fe₂O₃ құрамындағы ω(Fe) = 112/160 = 0,7; m(Fe) = 800 · 0,7 = 560 кг.