015 – Właściwości metali

Układ okresowy jest przede wszystkim podsumowaniem zachowania. Pierwiastki są umieszczane tam, gdzie są, ze względu na to, jak przewodzą, jak ukształtowują się pod wpływem odkształceń i z czym reagują, a te same właściwości mówią inżynierowi, czy dany materiał nadaje się na drut, radiator, belkę konstrukcyjną czy baterię. Odróżnienie metalu od niemetalu i półmetka to pierwsza klasyfikacja, jakiej uczy się chemik, i dokonuje się jej nie poprzez szukanie odpowiedzi, lecz poprzez testowanie.

Cztery właściwości fizyczne i dwie chemiczne dzielą te klasy. Metale przewodzą prąd, ponieważ ich zewnętrzne elektrony są zdelokalizowane i swobodnie przemieszczają się w sieci; te same ruchome elektrony przewodzą ciepło, nadają powierzchni refleksyjny połysk i pozwalają płaszczyznom sieci przesuwać się względem siebie bez pękania, co jest kowalnością. Niemetale utrzymują swoje elektrony w zlokalizowanych wiązaniach kowalencyjnych i nie wykonują żadnej z tych rzeczy. Metaloidy znajdują się pośrodku: kowalencyjna sieć krzemu przewodząc ciepło w postaci wibracji doskonale, uwalnia prawie żadnych nośników ładunku, co dokładnie czyni go półprzewodnikiem. Chemicznie metal znajdujący się powyżej wodoru w szeregu aktywności wypiera go z kwasu, a najbardziej reaktywne metale – rodziny metali alkalicznych i ziem alkalicznych po lewej stronie układu okresowego – robią to z samej wody, pozostawiając wodorotlenek, a tym samym silnie zasadowy roztwór.

W tym laboratorium przetestujesz dziesięć pierwiastków. Pięć — cynk, siarka, krzem, żelazo i ołów — jest badanych pod kątem przewodnictwa elektrycznego i cieplnego, połysku, kowalności oraz reakcji z 1 M kwasem solnym, a na podstawie wyników zostaną one sklasyfikowane. Kolejnych pięć — lit, sód, potas, magnez i wapn — umieszcza się w wodzie destylowanej, obserwuje się ich burzliwe wydzielanie gazu i bada za pomocą czerwonego i niebieskiego papierka lakmusowego, aby ustalić, czy powstała zasada. Wypełniona tabela wyników stanowi małą eksperymentalną wersję bloku po lewej stronie układu okresowego.

Cele edukacyjne

Zapoznanie się ze środowiskiem laboratoryjnym

• Znajdź i użyj sprzętu ze stanowiska do badania materiałów: detektora przewodności elektrycznej, szczypiec, papieru ściernego, dwóch zestawów zlewek, kroplomierza oraz papierków lakmusowych i tabeli pH.

Stosowanie sprzętu ochronnego i bezpieczne obchodzenie się z metalami reaktywnymi

• Noś rękawice i okulary ochronne oraz chwytaj każdą metalową próbkę szczypcami zamiast gołymi rękami.
• Wyjaśnienie, dlaczego metale alkaliczne wrzuca się do wody w małych kawałkach i za osłoną oczu oraz dlaczego 1 M kwas solny wymaga takiej samej ostrożności: Metale alkaliczne (takie jak sód czy potas) gwałtownie reagują z wodą, wydzielając duże ilości ciepła oraz łatwopalny wodór, co często prowadzi do eksplozji i rozbryzgiwania żrącej zasady. Używanie małych kawałków ogranicza ilość wydzielanego ciepła i gazu, zmniejszając ryzyko wybuchu, natomiast osłona oczu chroni twarz i oczy przed odpryskami żrącej substancji i stopionego metalu. 1 M kwas solny wymaga podobnej ostrożności, ponieważ jest silnie żrący. Kontakt kwasu z oczami lub skórą może spowodować poważne oparzenia chemiczne i trwałe uszkodzenie wzroku, dlatego stosowanie środków ochrony indywidualnej (okularów ochronnych) jest niezbędne, aby zapobiec przypadkowym chlapnięciom.

Testowanie właściwości fizycznych

• Użyj poprawnie czujnika przewodności, a najpierw przetrzyj próbkę papierem ściernym, aby tlenek powierzchniowy nie maskował znajdującego się pod nim metalu.
• Oceń przewodność cieplną, metaliczny połysk i kowalność, a następnie opisz każdą obserwację w sposób, który inny uczeń będzie mógł powtórzyć.

Badanie właściwości chemicznych

• Obserwuj reakcję każdego z pięciu pierwiastków z 1 M kwasem solnym i zanotuj, czy wydziela się wodór.
• Umieść próbki metali alkalicznych i berylowców w wodzie destylowanej, zaobserwuj musowanie i użyj czerwonego oraz niebieskiego papierka lakmusowego, aby określić, czy powstały roztwór ma odczyn zasadowy.

Klasyfikowanie pierwiastków na podstawie dowodów

• Przypisz każdy pierwiastek do metalu, niemetalu lub półmetalu na podstawie sześciu testów, a nie jego pozycji w układzie okresowym.
• Wyjaśnij, która pojedyncza właściwość ma największe znaczenie diagnostyczne, a które obserwacje same w sobie mogłyby wprowadzać w błąd.

Łączenie zachowania z trendami okresowymi

• Przewodnictwo, połysk i kowalność wynikają z obecności zdelokalizowanych elektronów w sieci krystalicznej metalu.
• Powiąż reaktywność z kwasem i z wodą z pozycją w szeregu aktywności oraz z łatwością, z jaką atom traci swój zewnętrzny elektron.

Rejestrowanie i interpretacja macierzy wyników

• Uzupełnij tabelę o dziesięciu elementach i sześciu właściwościach oraz odczytaj trendy w poprzek i w dół niej.
• Zidentyfikuj wpisy, które wymagają not kwalifikujących zamiast zwykłego tak lub nie.

Protokół

Część A: Właściwości metali, niemetali i półmetali

Przewodność elektryczna

1. Włącz detektor wychwytu elektronów (ECD).
2. Pobierz próbkę cynku za pomocą szczypiec.
3. Umieść elektrody ECD na kawałku cynku (upewnij się, że obie elektrody jednocześnie dotykają kawałka).
4. Obserwuj, czy żarówka ECD się zapali, czy nie, wynik znajduje się w tabeli wyników.
5. Powtórz kroki od 2 do 4 z kawałkami siarki, krzemu, żelaza i ołowiu.

Przewodność cieplna

1. Pobierz próbkę cynku za pomocą szczypiec.
2. Połóż dłoń wolnej ręki na kawałku cynku. Wynik odczucia w dotyku rejestruje się w tabeli wyników.
3. Powtórz kroki 1 i 2 z kawałkami siarki, krzemu, żelaza i ołowiu.

Lśnij

1. Pobierz próbkę cynku za pomocą szczypiec.
2. Drugą ręką delikatnie przetrzyj kawałek cynku papierem ściernym, aby usunąć wszelkie ślady brudu lub utlenienia z jednej z jego części.
3. Obserwuj obszar potarty, obserwacja jest odnotowana w tabeli wyników, czy wykazuje metaliczny połysk, czy nie.
4. Umieść element w pojemniku do utylizacji.
5. Powtórz kroki 1, 2 i 3 z kawałkami siarki, krzemu, żelaza i ołowiu.

Plastyczność

1. Pobierz próbkę cynku za pomocą szczypiec.
2. Drugą ręką chwyć kleszcze nastawne i spróbuj zgiąć próbkę cynku.
3. Zwróć uwagę na ciągliwość w tabeli wyników. Jeśli kawałek lekko się wygina, jest ciągliwy. Jeśli pęknie lub się nie wygina, nie jest ciągliwy.
4. Umieść element w pojemniku do utylizacji.
5. Powtórz kroki od 1 do 4 z kawałkami siarki, krzemu, żelaza i ołowiu.

Reakcja z kwasem

1. Umieść kawałek cynku, siarki, krzemu, żelaza i ołowiu w każdym z 50-mililitrowych zlewków już oznaczonych nazwami.
2. Używając pipety, pobrać roztwór kwasu solnego (HCl 1 M) i wpuścić kilka kropli na kawałek cynku.
3. Obserwuj, czy zachodzi reakcja musowania (obecność drobnych bąbelków). Reakcję odnotuj w tabeli wyników.
4. Powtórz kroki 2 i 3 z kawałkami siarki, krzemu, żelaza i ołowiu.

Część B: Właściwości metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych

Reakcja z wodą

1. W zlewkach opisanych jako lit, sód, potas, magnez i wapń, nalej 50 ml wody destylowanej.
2. Zanurz kawałek czerwonego i niebieskiego papierka lakmusowego w każdym z bekerów, aby potwierdzić neutralność wody użytej w bekerach.

Roztwór obojętny nie zmieni koloru bibułek wskaźnikowych.

3. Za pomocą szczypiec pobierz próbki substancji: litu, sodu, potasu, magnezu i wapnia i umieść je w każdy z 50 ml zlewkach (zawierających wodę destylowaną) już oznaczonych nazwami.

Obserwuj, czy zachodzi reakcja musowania (obecność drobnych bąbelków). Reakcję odnotuj w tabeli wyników.

4. Zanurz ponownie w każdym zberniczku kawałek czerwonego i kawałek niebieskiego papierka lakmusowego.

Przewidywane wyniki

Tabela z wynikami końcowymi. Sześć prób na dziesięciu pierwiastkach. Pięć pierwiastków po lewej stronie tabeli poddaje się próbie z 1 M kwasem solnym; metale alkaliczne i ziem alkalicznych po prawej stronie poddaje się również próbie z wodą destylowaną.

Czytanie tabeli. Przewodnictwo elektryczne to najważniejsza kolumna: tylko siarka i krzem jej nie przechodzą, a wszystko, co przez nią przechodzi, wykazuje również połysk. Kowalność dzieli ten zestaw dalej — magnez i wapń są kruche, a nie kowalne, pomimo że są jednoznacznymi metalami, co przypomina, że kowalność zależy od sposobu ułożenia płaszczyzn w sieci, a nie tylko od obecności wiązania metalicznego. Reakcja z wodą to kolumna, która oddziela dwie rodziny na samym skrajnym lewym skrzydle: lit, sód, potas i wapń reagują, magnez nie reaguje w sposób zauważalny w temperaturze pokojowej, a żadna z pięciu próbek przejściowych lub po-przejściowych tego nie robi.

Dlaczego metale przewodzą prąd. W sieci metalicznej elektrony walencyjne nie są związane z poszczególnymi atomami, lecz zajmują stany zdelokalizowane rozciągające się w całym krysztale. Przyłożone napięcie wprawia to morze elektronowe w ruch unoszący, co stanowi przewodnictwo elektryczne; te same szybko poruszające się elektrony przenoszą również energię kinetyczną z obszarów gorących do zimnych, dlatego dobry przewodnik prądu jest prawie zawsze dobrem przewodnikiem ciepła, a także odbijają światło widzialne w całym spektrum, co daje połysk metaliczny. Ponieważ wiązanie jest bezkierunkowe, jedna płaszczyzna jonów może przesuwać się względem drugiej bez zerwania wiązania – stąd kowalność, o ile struktura krystaliczna na to poślizg pozwala.

Krzem, metaloid. Krzem jest pouczającym przykładem. Przewodzi ciepło dobrze — około 149 W/(m·K), lepiej niż żelazo — ponieważ ciepło przemieszcza się przez jego sztywną sieć kowalencyjną w postaci drgań, które nie potrzebują żadnych swobodnych elektronów. Ale te same wiązania kowalencyjne utrzymują każdy elektron walencyjny na swoim miejscu, więc czysty krzem prawie nie przewodzie prądu: w temperaturze pokojowej tylko znikomy ułamek elektronów ma wystarczająco dużo energii, aby pokonać przerwę energetyczną. Przewodzenie ciepła poprzez drgania sieci i przewodzenie ładunku przez ruchome elektrony to oddzielne mechanizmy, a krzem ma jeden bez drugiego. To właśnie ta właściwość czyni go półprzewodnikiem i podstawą całego przemysłu elektronicznego, ponieważ celowe dodawanie domieszek zwiększa jego przewodność o rzędy wielkości.

Siarka, niemetal. Siarka jest jedyną próbką tutaj, która oblewa każdy test. Jej cząsteczki są dyskretnymi S₈ pierścienie utrzymywane razem przez słabe siły dyspersyjne: brak zdelokalizowanych elektronów, więc brak przewodnictwa i połysku; brak ciągłej sieci krystalicznej, która mogłaby ulec poślizgowi, więc substancja ta pęka zamiast ulegać odkształceniu; oraz brak skłonności do oddawania elektronów jonom wodorowym, więc brak reakcji z kwasem.

Najlepsi dyrygentci są po lewej stronie. Wbrew intuicji, metale alkaliczne i ziem alkalicznych radzą sobie lepiej niż znane metale konstrukcyjne w tym zestawie. Wapń osiąga około 3,0 × 10⁷ S/m i 201 W/(m·K), wyprzedzając zarówno żelazo, jak i ołów. Nie są używane jako przewodniki z oczywistego powodu: korodują lub reagują w kontakcie z powietrzem i wodą. Przydatność w inżynierii to kombinacja właściwości, a nie jedna pojedyncza.

Reakcja z kwasem. Metal wypiera wodór z kwasu, jeśli znajduje się powyżej wodoru w szeregu aktywności, to znaczy, jeśli jego standardowy potencjał redukcji jest ujemny:

M(s) + 2 H⁺(aq) → M²⁺(aq) + H₂(g)

Zarówno cynk (E° = −0,76 V), jak i żelazo (E° = −0,44 V) wydzielają stały strumień pęcherzyków wodoru. Potencjalny klient to wpis, który wymaga kwalifikacji. Ołów reaguje z kwasem solnym — znajduje się powyżej wodoru, przy $E^\circ = -0,13\text{ V}$ — ale reakcja jest bardzo słaba. Powstający chlorek ołowiu(II) jest słabo rozpuszczalny, w temperaturze pokojowej w ilości około 10 g/l, więc osadza się na metalu niemal natychmiast i pasywuje powierzchnię: pojawia się kilka pęcherzyków wodoru, a następnie reakcja niemal całkowicie ustaje. Zamiast stałego wydzielania gazu, jakie obserwuje się w przypadku cynku lub żelaza, należy spodziewać się słabego, krótkotrwałego burzliwości (eferwescencji). W tabeli odnotowano to jako „tak”, ponieważ reakcja faktycznie zachodzi, ale uczeń powinien zauważyć, że jest ona słaba, i wyjaśnić dlaczego.

Reakcja z wodą. Metale alkaliczne oraz cięższe metale ziem alkalicznych redukują wodę bezpośrednio, uwalniając wodór i pozostawiając w roztworze wodorotlenek metalu:

2 Li(s) + 2 H₂O(l) → 2 LiOH(aq) + H₂(g) oraz Ca(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)

Dlatego test papierka lakmusowego jest częścią protokołu, a nie przemyśleniem po fakcie: musowanie informuje, że powstaje wodór, a lakmus wskazuje, co pozostało. Każdy pierwiastek reagujący z wodą w tym laboratorium daje roztwór o pH powyżej 12 – czerwony lakmus staje się niebieski, niebieski lakmus pozostaje niebieski. Reaktywność rośnie w dół 1. grupy, ponieważ elektron walencyjny znajduje się coraz dalej od jądra i jest łatwiejszy do utraty, więc potas reaguje gwałtowniej niż sód, a sód gwałtowniej niż lit. Magnez jest jedynym wyjąkiem w tej kolumnie: jego reakcja ze zimną wodą jest zbyt wolna, aby ją zauważyć, chociaż przebiega łatwo z parą wodną lub kwasem.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

• Skupienie: właściwości wyróżniające metale, niemetale i półmetale oraz staranne rejestrowanie obserwacji.
• Aktywności: przeprowadź wszystkie sześć testów na dziesięciu elementach i uzupełnij tabelę wyników; zaklasyfikuj każdy z pięciu elementów w pierwszej grupie jako metal, niemetal lub półprzewodnik i podaj dowody; użyj czerwonego i niebieskiego papierka lakmusowego, aby określić, czy każda reakcja z wodą wytworzyła zasadę; określ, który pojedynczy test był najbardziej użyteczny i dlaczego.

Klasa 11

• Skupienie: wiązanie metaliczne jako wyjaśnienie właściwości fizycznych, oraz szereg aktywności dla chemicznych.
• Aktywności: Przewodnictwo, połysk i kowalność wynikają z obecności zdelokalizowanych elektronów w sieci krystalicznej metali. Elektrony te mogą swobodnie przemieszczać się w całym materiale, co pozwala im przenosić prąd elektryczny i ciepło (przewodnictwo). Powierzchnia metalu odbija światło, ponieważ zdelokalizowane elektrony pochłaniają i ponownie emitują fotony (połysk). Pod wpływem siły mechanicznej warstwy kationów mogą się przesuwać, a zdelokalizowane elektrony działają jak elastyczne "kleje", zapobiegając pękaniu struktury (kowalność). Reakcje z kwasami (ogólne równanie dla metalu, np. magnezu): Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂ Reakcje z wodą (ogólne równanie dla metalu grupy 1, np. sodu): 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ Krzon (krzem) przewodzi ciepło dzięki drganiom sieci krystalicznej (fononom), ale nie przewodzi prądu, ponieważ jego elektrony walencyjne są silnie zlokalizowane w wiązaniach kowalencyjnych i nie mają swobody ruchu. Reaktywność metali alkalicznych rosnąco: lit < sód < potas. Uzasadnienie: wraz ze wzrostem liczby atomowej w grupie, elektrony walencyjne znajdują się na coraz wyższych powłokach, dalej od jądra i są silniej ekranowane. Z tego powodu łatwiej je oderwać, co zwiększa reaktywność w dół grupy. Magnez wykazuje brak reakcji (lub bardzo powolną) z zimną wodą, ponieważ na jego powierzchni tworzy się szczelna warstwa tlenku magnezu (MgO), która pasywuje metal. Z kwasem reakcja zachodzi szybko, ponieważ kwas roztwarza warstwę tlenku i reaguje bezpośrednio z magnezem.

Klasa 12 / Poziom akademicki

• Skupienie: struktura pasmowa, potencjały elektrodowe oraz granice klasyfikacji jakościowej.
• Aktywności: wyjaśnij różnicę między metalem, półprzewodnikiem a izolatorem pod względem przerwy energetycznej oraz wyjaśnij, dlaczego przewodnictwo krzemu rośnie wraz z temperaturą, podczas gdy przewodnictwo metalu spada; użyj standardowych potencjałów redukcji, aby przewidzieć, które z dziesięciu pierwiastków powinny reagować z 1 M HCl, i porównaj przewidywania z obserwacjami; wyjaśnij ilościowo, dlaczego reakcja ołowiu ustaje, używając rozpuszczalności PbCl₂₂; obliczyć spodziewane pH dla określonej masy litu reagującego całkowicie w znanej objętości wody; zidentyfikować, które pozycje w tabeli uległyby zmianie, gdyby próbki nie zostały oczyszczone (pozbawione warstwy tlenkowej), oraz zaprojektować test, który pozwoli rozróżnić powolną reakcję od braku reakcji.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Detektor przewodnictwa elektrycznego (DCE)
• Szczypce
• Papier ścierny
• Zlewki 50 mL ×5
• Zlewiki 100 mL ×5
• Spuszczacz
• Czerwony i niebieski papierek lakmusowy
• Tabela pH
• Ręcznik papierowy
• Rękawice i okulary ochronne

Produkty

• Kwas solny, HCl 1 M (roztwór)
• Woda destylowana
• Cynk (s)
• Siarka (s)
• Krzem (s)
• Żelazo (s)
• Ołów (l.poj.)
• Lit (s)
• Sód (s)
• Potas (s)
• Magnez (s)
• Wapń (s)