Химия металлов

 
 
Ф. З. Бадаев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ХИМИЯ МЕТАЛЛОВ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

 
УДК 546 
ББК 24.1 
Б15 
 
 
 
 
Рецензенты: 
кандидат химических наук, доцент Смирнов А. Д. (МГТУ им. Н. Э. Баумана); 
кандидат химических наук, доцент Учеваткина Н. В.  
(Московский международный университет) 
 
 
 
 
 
 
 
Бадаев, Ф. З. 
Б15  
Химия металлов : учебное пособие / Ф. З. Бадаев. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. – 128 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1857-7 
 
Кратко изложены общие свойства металлов, методы их получения, 
особенности их кристаллического строения, дана характеристика химических свойств s-, p-, d-элементов. При этом характеристика d-элементов 
рассмотрена в соответствии с их положением в периодах. Подробно рассмотрены химические свойства d-элементов четвёртого периода, которые 
наиболее часто используют для создания конструкционных материалов. 
Приведены примеры решения задач и контрольные вопросы. 
Для студентов инженерных специальностей, изучающих дисциплины 
«Химия» и «Неорганическая химия». 
 
УДК 546 
ББК 24.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1857-7 
” Бадаев Ф. З., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ  
 
Введение ....................................................................................................................... 4 
1. Общие свойства и получение металлов 
............................................................ 5  
1.1. Электронное строение элементов-металлов ............................................. 5 
1.2. Основные физические свойства металлов 
................................................. 6 
1.3. Кристаллические структуры металлов ...................................................... 8 
1.4. Основные способы получения металлов ................................................. 17 
1.5. Химические свойства металлов 
................................................................ 20 
Примеры решения задач 
................................................................................... 27 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 29 
2. s-Элементы-металлы .......................................................................................... 30 
2.1. Элементы первой группы .........................................................................  30 
2.2. Элементы второй группы  ......................................................................... 38 
Примеры решения задач 
................................................................................... 46 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 47 
3. р-Элементы-металлы 
.......................................................................................... 50 
3.1. Общая характеристика физических  
и химических свойств p-элементов-металлов 
................................................ 51 
3.2. Алюминий ................................................................................................... 55  
3.3. Олово ........................................................................................................... 59  
3.4. Свинец ......................................................................................................... 64  
Примеры решения задач 
................................................................................... 69 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 71 
4. d-Элементы ........................................................................................................... 74 
4.1. Общая характеристика физических  
и химических свойств d-элементов ................................................................. 74 
4.2. Общая характеристика d-элементов четвертого периода ...................... 79 
4.3. Хром 
............................................................................................................. 84 
4.4. Железо ......................................................................................................... 93 
4.5. Никель ....................................................................................................... 105 
4.6. Медь 
........................................................................................................... 111 
Примеры решения задач ......................................................................................... 119 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 121 
Заключение 
............................................................................................................... 123 
Список литературы.................................................................................................. 124 
 
 
3 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Общепринято деление элементов на металлы и неметаллы. Из 118 открытых к настоящему времени элементов к неметаллам относят 26 элементов.  
К металлам относят все остальные элементы. Иногда для элементов, проявляющих слабо выраженные металлические свойства, используют термин полуметалл или металлоид.  
Металлы и их соединения играют важную роль в минеральной и органической жизни Земли. Атомы и ионы металлов входят в состав важнейших соединений, участвующих в жизнедеятельности растений, животных и человека. 
Металлы и их сплавы служат основным конструкционным материалом в 
машиностроении и приборостроении. Инженера-механика и приборостроителя 
особенно интересуют характеристики мeталла как конструкционного материала, то есть в твердом, компактном состоянии с определенным комплексом физических свойств. Применение металлов невозможно и без знания их химических свойств, так как этим определяется их работоспособность в условиях эксплуатации. Поэтому в данном учебном пособии химические и физические 
свойства металлов рассматриваются в неразрывной связи. 
 
4 

 
1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА И ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ 
 
Простые вещества, образованные элементами групп 1 и 2 (s-элементами), а 
также d-элементами, являются металлами. При рассмотрении p-элементов металлы можно приблизительно отделить от неметаллов диагональной линией 
(рис. 1.1).  
 
1.1. Электронное строение элементов-металлов 
 
По своему электронному строению металлы делятся на s-, p-, d- и  
f-металлы. s-металлы расположены в 1 и 2 группах Периодической системы 
химических элементов, р-металлы – в 13, 14, 15 группах. Все они, за исключением олова, свинца, висмута, на внешнем энергетическом уровне имеют  
1–3 электрона. 
 
 
Номер группы 
13 14 15 
16 
17 18 
B 
C 
N 
O 
F Ne 
Al Si 
P 
S 
Cl Ar 
Ga Ge As Se 
Br Kr 
In Sn Sb 
Te 
I 
Xe 
Tl Pb Bi 
Po At Rn 
 
Рис. 1.1. «Диагональная линия», приблизительно разделяющая положения  
неметаллов (справа от толстой линии) и металлов (слева от толстой линии) 
 
Электронные конфигурации внешнего энергетического уровня s- и  
р-элементов-металлов приведены в табл. 1.1. В группах s- и р-элементов число 
электронов на внешнем энергетическом уровне не изменяется, радиус атома 
увеличивается сверху вниз по группе, электроотрицательность уменьшается 
сверху вниз по группе, восстановительные, а, следовательно, и металлические 
свойства, усиливаются. 
Начиная с 4 периода, появляются вставные декады d-элементов, у которых 
заполняется предвнешний энергетический d-подуровень. d-Элементы расположены в 3–12 группах Периодической системы химических элементов, все они 
являются металлами, имеют большое количество валентных электронов, так 
как ими являются не только s-, но и d-электроны. Это свойство обеспечивает 
5 

большое разнообразие степеней окисления и ярко выраженную склонность к 
комплексообразованию. 
 
Таблица 1.1 
Электронные конфигурации внешнего энергетического уровня атомов  
s- и р-элементов-металлов 
ns1 
ns2 
ns2 np1 
ns2 np2 
ns2 np3 
Li 
Be 
 
 
 
Na 
Mg 
Al 
 
 
K 
Ca 
Ga 
 
 
Rb 
Sr 
In 
Sn 
 
Cs 
Ba 
Tl 
Pb 
Bi 
 
Например, d-элементам 4-го периода отвечают электронные конфигурации 
[Ar]3dn4s2. Исключение составляют Cr ([Ar]3d54s1) и Cu ([Ar]3d104s1), для которых наблюдается «провал» электрона, что объясняется повышенной устойчивостью наполовину заполненного и полностью заполненного d-подуровня. 
В группах d-элементов число электронов на внешнем энергетическом 
уровне не изменяется, радиус атома увеличивается, хотя в меньшей степени, 
чем у s- и р-элементов-металлов, восстановительные свойства чаще всего 
уменьшаются, устойчивость высшей степени окисления увеличивается. 
Начиная с 6 периода, появляются семейства лантаноидов и актиноидов, 
которые включают по 14 f-элементов, у них заполняется третий с конца энергетический уровень. f-Элементы расположены в 3 группе Периодической системы химических элементов, их электронная конфигурация имеет вид: (n-2)f 1-14 
(n-1)d 0-1 ns2. Все они являются металлами, проявляют очень схожие химические 
свойства. 
 
1.2. Основные физические свойства металлов 
 
Металлы характеризуются рядом сходных физических свойств, которые 
отличают их от неметаллов. 
6 

1. Металлический блеск  способность поверхности металла отражать световые лучи. Это связано с взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света. 
2. Пластичность  способность изменять форму при ударе, вытягиваться в 
проволоку, прокатываться в тонкие листы. Например, в ряду: Au, Ag, Cu, Sn, 
Zn, Fe пластичность уменьшается. Самым пластичным и ковким металлом является золото: из него можно изготовить тончайшую проволоку или прокатать 
его в листы толщиной 10–3 – 10–4 мм. 
3. Электропроводность  это свойство вещества проводить электрический 
ток. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В электрическом поле мигрирующие или обобщенные электроны получают направленное движение – электрический ток. Такое состояние электронов 
называется состоянием проводимости. 
В ряду: Ag, Cu, Al, Fe электропроводность уменьшается. При нагревании 
электропроводность металлов уменьшается, т. к. с повышением температуры 
усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что 
уменьшает подвижность электронов. 
4. Теплопроводность  это способность тела передавать теплоту от более 
нагретых его частей менее нагретым. Она обусловлена высокой подвижностью 
свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему 
происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшей 
теплопроводностью обладают висмут и ртуть. 
5. Твердость  это способность (свойство) твердого тела сопротивляться 
проникновению в него другого тела. Например, самым твердым металлом является хром (режет стекло); самыми мягкими – щелочные металлы: калий, 
натрий, рубидий и цезий (режутся ножом). 
6. Плотность (ȡ)  это физическая величина, измеряемая отношением 
массы тела к его объему. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и 
чем больше радиус его атома. Самый легкий металл  литий (U = 0,53 г/см3); 
самый тяжелый – осмий (U = 22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность  
U < 5 г/см3, называют «легкими металлами» (например, Li, Ca, Na, Mg, Al), а 
металлы, имеющие плотность U ! 9 г/см3, называют «тяжёлыми металлами» 
(например, Ag, Pb, Ta). 
7. Температура плавления (Tпл ) 
 это температура, при которой осуществляется процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. Самым легкоплавким металлом является ртуть (Tпл = –39 ƒC), самый тугоплавкий металл – 
7 

вольфрам (Tпл = 3390 ƒC). Металлы с Tпл больше 1000 ƒC условно считаются тугоплавкими, с Tпл меньше 1000 ƒC – низкоплавкими. 
 
Указанные особенности физических свойств делают металлы незаменимыми конструкционными материалами, соединяющими в себе прочность и 
пластичность, необходимые для формообразования деталей, узлов машин и 
конструкций (отливка, сварка, штамповка, резание и т. д.), создания сплавов и 
композиционных материалов. 
 
1.3. Кристаллические структуры металлов 
 
Многое о свойствах металлов и их сплавов можно сказать, зная структуру 
их кристаллических решёток. Кроме того, в строении кристаллических решёток 
металлов наблюдаются общие закономерности, которые отличают их от неметаллов. 
 
1.3.1. Особенности кристаллического состояния вещества 
 
Кристаллом называется твёрдое тело, ограниченное плоскими гранями, 
пересекающимися под определёнными углами. 
Установлено, что огранка является лишь следствием строгого порядка 
расположения атомов, слагающих минерал, и понятие «кристалл» перешло на 
все минералы и твердые тела со строго упорядоченным расположением атомов. 
Оказалось, что не только внешняя огранка (которая может отсутствовать), но и 
большинство физических свойств обусловлены характером взаимного расположения атомов, образующих кристалл, т. е. его структурой.  
Кристалл построен из множества ионов, атомов или молекул. Правильная 
внешняя морфология означает, что кристалл образуется из небольших агрегатов, которые сами симметричны. Эти основные агрегаты (блоки), которые содержат несколько атомов или молекул, называются элементарными ячейками 
решётки. Можно показать, что морфология кристалла обусловлена симметрией 
элементарных ячеек. Морфология зависит от скорости роста разных граней, но 
основная структура элементарной ячейки одна и та же. 
Отметим особенности кристаллического состояния вещества. 
1. Одна из особенностей кристаллического состояния вещества заключается в анизотропии свойств. Сущность анизотропии состоит в том, что многие 
свойства кристаллов (механические, оптические, электрические, магнитные и 
др.) зависят от направления их измерения. Аморфные тела изотропны, их свойства одинаковы в любом направлении внутри данного тела. 
8 

2. Переход из кристаллического состояния в жидкое состояние осуществляется скачкообразно при постоянной температуре, называемой температурой 
плавления. При этом происходит и скачкообразное изменение свойств. 
3. Одним из самых важных свойств кристаллов является трехмерная периодичность в их строении. Частицы, из которых состоят кристаллы, расположены регулярно в пространстве и образуют кристаллическую решётку. 
 
Кристаллическая решётка – присущее кристаллу периодически повторяющееся в трёх направлениях правильное расположение частиц (атомов, ионов, 
молекул). 
Кристаллические решётки можно охарактеризовать двумя способами:  
1) по характеру распределения частиц в пространстве (по способу упаковки); 
2) по природе химического взаимодействия между частицами, занимающими узлы кристаллической решётки. 
 
1.3.2. Кристаллические решётки и элементарные ячейки 
 
Элементарная ячейка – это наименьший объём кристаллической решётки, 
с помощью которого можно построить (мысленно) всю структуру кристалла 
путём трансляции ячейки в трёх направлениях. 
Строение элементарной ячейки индивидуально для каждого кристаллического вещества. Для описания кристаллической решётки достаточно знать расположение частиц в элементарной ячейке, которая характеризуется её параметрами. 
Параметрами элементарной ячейки являются длинны её рёбер – периоды 
идентичности или периоды решётки, a, b, c и углы между рёбрами D, E, J  
(рис. 1.2). 
 
 
 
 
Рис. 1.2. Параметры элементарной ячейки 
9 

О. Бравэ в 1848 г. показал, что всё многообразие кристаллических структур 
можно описать с помощью 14 типов решёток, отличающихся по формам элементарных ячеек и по симметрии. Эти решётки были названы решётками 
Бравэ, они подразделяются на 7 кристаллографических систем (сингоний).  
В табл. 1.2 указаны параметры, которые определяют элементарную ячейку 
для каждой кристаллографической системы, а на рис. 1.3 представлены все 14 
решёток Бравэ.  
 
Таблица 1.2  
Параметры, которые определяют элементарную ячейку  
для каждой кристаллографической системы 
Кристаллографическая система 
Параметры элементарной 
ячейки 
кубическая 
a=b=c, Į=ȕ=Ȗ=90° 
тетрагональная 
a=bc, Į=ȕ=Ȗ=90° 
ромбическая 
abc, Į=ȕ=Ȗ=90° 
гексагональная 
a=bc, Į=ȕ= 90ƒ, Ȗ=120° 
тригональная 
1) a=bc, Į=ȕ= 90ƒ, Ȗ=120°; 
2) a=b=c, Į=ȕ=Ȗ90° 
моноклинная 
abc, Į= Ȗ=90ƒ, ȕ90° 
триклинная 
abc, ĮȕȖ90° 
 
 
Решётки с узлами только в углах называют примитивными (Р); когда узел 
находится в центре, решётки называются объёмно центрированными (I); когда 
решётки содержат атом на гранях, они называются гранецентрированными (F). 
14 решёток Бравэ составляют 7 групп (представленная каждая примитивной 
решёткой), и эти правильные фигуры точно такие же, какие соответствуют кристаллографическим системам. Таким образом, первая характерная особенность 
строения кристаллов заключается в том, что 7 кристаллографических систем 
отражают существование семи правильных форм, которые могут быть плотно 
упакованы и заполняют пространство.  
Из визуальных наблюдений морфологии кристалла мы можем установить 
симметрию элементарной ячейки и способ, каким упакованы молекулы, образующие кристалл. Однако действительное расположение атомов ещё нельзя 
определить. 
 
 
10