왜 금은 반짝이는 주괴 형태로 땅에서 채굴되지만, 철은 오직 칙칙하고 녹슨 암석 형태로만 채굴될까요? 그리고 왜 소다 캔은 녹슬지 않지만, 철 못은 녹슬까요? 그…
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9.1
Properties of metals · 금속의 성질
Syllabus
English
Core
Supplement
1 Compare the general physical properties of metals and non-metals, including: (a) thermal conductivity (b) electrical conductivity (c) malleability and ductility (d) melting points and boiling points
2 Describe the general chemical properties of metals, limited to their reactions with: (a) dilute acids (b) cold water and steam (c) oxygen
한국어
핵심
보충
1 금속과 비금속의 일반적인 물리적 성질을 비교하여 서술하라: (a) 열전도도 (b) 전기전도도 (c) 가소성과 신도성 (d) 녹점과 끓는점
2 금속의 일반적인 화학적 성질을 다음과의 반응에 국한하여 서술하라: (a) 희석 산 (b) 찬 물과 증기 (c) 산소
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
Physical properties
Metals 金属 and non-metals 非金属 behave very differently:
Property
Metals
Non-metals
thermal conductivity 导热性 (conducting heat)
good
poor
electrical conductivity 导电性
good
poor (except graphite)
malleability 展性 and ductility 延性
malleable and ductile
brittle 易碎 (they snap)
melting point 熔点 and boiling point 沸点
usually high
usually low
Chemical properties
Metals react in three main ways:
with dilute acids 酸 → a salt 盐 + hydrogen 氢气
with cold water or steam 蒸汽 → a metal hydroxide (or oxide) + hydrogen
with oxygen 氧气 → a metal oxide 氧化物
한국어
물리적 성질
금속과 비금속은 매우 다르게 행동합니다:
성질
금속
비금속
열전도율 (열을 전달함)
좋음
나쁨
전기전도율
좋음
나쁨 (그래파이트 제외)
연성 및 신도
연성과 신도가 있음
부스러짐 (깨짐)
융점 및 ** 끓음점**
일반적으로 높음
일반적으로 낮음
화학적 성질
금속은 세 가지 주요 방식으로 반응합니다:
희석 산 → 염 + 수소
찬 물 또는 증기 → 금속 하이드록사이드(또는 산化物) + 수소
산소 → 금속 산화물
천연 구리: 금속은 광택이 있고, 밀도가 높으며, 연성이 있으며, 열과 전기의 전도체입니다
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Metallic bonding · 금속 결합
Positive ions sit in a sea of delocalised electrons — that is why metals conduct and bend. Push the layers and the bond holds. · 양이온은 비국소화 전자 해 사이에 위치하므로 금속은 전기를 전도하고 구부러집니다. 층을 밀면 결합이 유지됩니다.
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Metal property lab · 금속 성질 실험실
Link metal properties to the particle model. · 금속의 성질을 입자 모델과 연결하십시오.
1 Describe the uses of metals in terms of their physical properties, including: (a) aluminium in the manufacture of aircraft because of its low density (b) aluminium in the manufacture of overhead electrical cables because of its low density and good electrical conductivity (c) aluminium in food containers because of its resistance to corrosion (d) copper in electrical wiring because of its good electrical conductivity and ductility
한국어
핵심
보충
1 물리적 성질을 근거로 금속의 용도를 서술하라: (a) 알루미늄은 낮은 밀도로 항공기 제조에 사용된다 (b) 알루미늄은 낮은 밀도와 우수한 전기전도도로 고압 송전선에 사용된다 (c) 알루미늄은 부식에 강해 식품 용기에 사용된다 (d) 구리는 우수한 전기전도도와 신도도로 전기 배선에 사용된다
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
A metal is chosen for a job because of its physical properties.
Aluminium 铝 is used to make aircraft because of its low density 密度 (it is light).
Aluminium is used for overhead electrical cables because of its low density and good electrical conductivity.
Aluminium is used for food containers because it resists corrosion 腐蚀.
Copper 铜 is used for electrical wiring because of its good electrical conductivity and its ductility (it can be drawn into wires).
한국어
금속은 물리적 성질 때문에 특정 작업에 선택됩니다。
알루미늄은 낮은 밀도 (가벼움) 때문에 항공기 제작에 사용됩니다。
알루미늄은 낮은 밀도와 좋은 전기전도율 때문에 고압 송전선으로 사용됩니다。
알루미늄은 부식에 강하기 때문에 식품 용기로 사용됩니다。
구리는 좋은 전기전도율과 신도(전선으로 당길 수 있음) 때문에 전기 배선에 사용됩니다。
항공기 몸체는 많은 알루미늄을 사용합니다: 강하지만 밀도가 낮아 비행기가 가볍게 유지됩니다
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Metal use lab · 금속 용도 실험실
Choose the property that explains each metal use. · 각 금속 용도를 설명하는 성질을 선택하십시오.
1 Describe an alloy as a mixture of a metal with other elements, including: (a) brass as a mixture of copper and zinc (b) stainless steel as a mixture of iron and other elements such as chromium, nickel and carbon
2 State that alloys can be harder and stronger than the pure metals and are more useful
5 Explain in terms of structure how alloys can be harder and stronger than the pure metals because the different sized atoms in alloys mean the layers can no longer slide over each other
3 Describe the uses of alloys in terms of their physical properties, including stainless steel in cutlery because of its hardness and resistance to rusting
4 Identify representations of alloys from diagrams of structure
한국어
핵심
보충
1 합금을 금속과 다른 요소들의 혼합물로 서술하며, 다음을 포함한다: (a) 황동은 구리와 아연의 혼합물 (b) 스테인리스강은 철과 크롬, 니켈, 탄소 등의 다른 요소의 혼합물
2 합금이 순수 금속보다 단단하고 강하며 더 유용함을 명시함
5 합금의 서로 다른 크기의 원자가 층끼리 미끄러지는 것을 방지하므로 합금이 순수 금속보다 단단하고 강해지는데, 구조적 관점에서 이를 설명함
3 물리적 성질을 근거로 합금의 용도를 서술하라: 스테인리스강은 단단함과 녹 방지 능력 때문에 식기류에 사용된다
4 구조 도식으로부터 합금의 표현을 식별하라
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
An alloy 合金 is a mixture 混合物 of a metal with one or more other elements.
Brass 黄铜 is a mixture of copper and zinc 锌.
Stainless steel 不锈钢 is a mixture of iron 铁 with other elements such as chromium 铬, nickel 镍 and carbon 碳.
Alloys are usually harder and stronger than the pure metals, which makes them more useful. For example, stainless steel is used for cutlery because it is hard and does not rust.
Why alloys are harder. In a pure metal, the atoms 原子 are all the same size, so the layers 层 can slide over each other easily. In an alloy, the different-sized atoms stop the layers from sliding, so the alloy is harder and stronger.
한국어
합금은 금속과 하나 이상의 다른 요소의 혼합물입니다。
황동은 구리와 아연의 혼합물입니다。
스테인리스 스틸은 철에 크롬, 니켈, 탄소와 같은 다른 요소가 섞인 혼합물입니다。
합금은 순수 금속보다 일반적으로 단단하고 강해서 더 유용합니다。예를 들어, 스테인리스 스틸은 단단하고 녹슬지 않기 때문에 식기류에 사용됩니다。
합금의 단단함 원인. 순금속은 원자 크기가 모두 같아 층들이 서로 쉽게 미끄러질 수 있습니다. 그러나 합금은 크기가 다른 원자가 층들의 미끄러짐을 방해하므로 더 단단하고 강합니다.
합금에서는 크기가 다른 원자가 층끼리의 미끄러짐을 방해하므로, 합금이 순금속보다 단단합니다
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Alloy property lab · 합금 성질 실험실
See why mixing atoms changes metal properties. · 원자를 섞으면 금속의 성질이 어떻게 변하는지 확인하십시오.
1 State the order of the reactivity series as: potassium, sodium, calcium, magnesium, aluminium, carbon, zinc, iron, hydrogen, copper, silver, gold
4 Describe the relative reactivities of metals in terms of their tendency to form positive ions, by displacement reactions, if any, with the aqueous ions of magnesium, zinc, iron, copper and silver
2 Describe the reactions, if any, of: (a) potassium, sodium and calcium with cold water (b) magnesium with steam (c) magnesium, zinc, iron, copper, silver and gold with dilute hydrochloric acid and explain these reactions in terms of the position of the metals in the reactivity series
5 Explain the apparent unreactivity of aluminium in terms of its oxide layer
3 Deduce an order of reactivity from a given set of experimental results
한국어
핵심
보충
1 반응성 서열의 순서를 다음과 같이 서술하시오: 칼륨, 나트륨, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄, 탄소, 아연, 철, 수소, 구리, 은, 금
4 금속의 상대적 반응성을 양이온 형성 경향에 따라 설명하고, 마그네슘, 아연, 철, 구리, 은의 수용성 이온과 치환 반응(발생할 경우)을 통해 설명하시오
2 다음 물질과의 반응(발생할 경우)을 서술하시오: (a) 칼륨, 나트륨, 칼슘과 차가운 물 (b) 마그네슘과 수증기 (c) 마그네슘, 아연, 철, 구리, 은, 금과 희석 염산 및 반응 원인을 반응성 서열에서의 위치로 설명하시오
5 알루미늄의 겉보기上不반응성을 산화 피막으로 설명하시오
3 주어진 실험 결과로부터 반응성 순위를 추론하시오
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
The reactivity series 金属活动性顺序 lists metals in order of how reactive they are. Carbon and hydrogen are included for comparison:
(most reactive at the top, least reactive at the bottom)
The higher a metal is, the more easily it forms positive ions 离子. This explains its reactions:
potassium, sodium and calcium react with cold water.
magnesium reacts with steam (but only very slowly with cold water).
magnesium, zinc and iron react with dilute hydrochloric acid; copper, silver and gold do not.
Displacement reactions
A more reactive metal will displace a less reactive metal from a solution of its ions (a displacement reaction 置换反应). For example, zinc displaces copper from copper(II) sulfate solution, because zinc is more reactive than copper:
Be ready to say what you would see, because those are separate marks:
the blue colour of the solution fades - the blue $\text{Cu}^{2+}$ ions are being used up (zinc sulfate is colourless).
a pink-brown solid coats the zinc - that is the displaced copper.
the grey zinc dissolves and gets smaller.
the mixture warms up - displacement is exothermic.
Metal-and-acid reactions have their own list: effervescence 泡腾 (the hydrogen escaping) and the solid dissolves. With copper(II) oxide or carbonate and acid, add that the solution turns blue. Never write "hydrogen is given off" as an observation - you cannot see the gas, only the bubbles, so write effervescence.
Worked example. Zinc and aluminium are both found as oxides. Which can be extracted by heating with carbon, and why? Find each metal's place relative to carbon in the reactivity series. Zinc sits below carbon, so carbon is the more reactive of the two and can take the oxygen away from it: zinc oxide is reduced by heating with carbon. Aluminium sits above carbon, so carbon is not reactive enough to displace it, and aluminium must be extracted by electrolysis instead - which is why aluminium costs far more to extract. The line in the series that decides the method is carbon's, not the top of the list.
The special case of aluminium
Aluminium seems less reactive than its position suggests. This is because it is covered by a thin, strong oxide layer 氧化层 that stops other substances reaching the metal underneath.
한국어
반응성 서열은 금속들을 반응성 순서대로 나열한 것입니다. 비교를 위해 탄소와 수소도 포함됩니다:
칼륨, 나트륨, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄, 탄소, 아연, 철, 수소, 구리, 은, 금
(상단이 가장 반응성이 높고, 하단이 가장 반응성이 낮음)
탄소 위쪽의 금속은 전기분해로 추출하며, 탄소 아래쪽의 금속은 탄소를 가열하여 추출할 수 있습니다
금속이 서열에서 높을수록 양 (양이온) 형성이 더 쉽습니다. 이는 다음 반응을 설명합니다:
칼륨, 나트륨, 칼슘은 찬 물과 반응합니다.
마그네슘은 증기와 반응하지만(찬 물과는 매우 느리게 반응합니다).
마그네슘, 아연, 철은 희석 염산과 반응하지만, 구리, 은, 금은 반응하지 않습니다.
치환 반응
더 반응성이 높은 금속은 이온 용액에서 더 반응성이 낮은 금속을 치환할 수 있습니다(치환 반응). 예를 들어, 아연은 구리보다 반응성이 높아 구리(II) 황산염 용액에서 구리를 치환합니다:
용액의 파란색이 사라집니다 - 파란 $\text{Cu}^{2+}$ 이온이 소모되고 있기 때문입니다(아연 황산염은 무색입니다).
홍갈색 고체가 아연 표면에 코팅됩니다 - 이것이 치환된 구리입니다.
회색 아연이 용해되어 작아집니다.
혼합물이 따뜻해집니다 - 치환 반응은 발열 반응입니다.
금속-산 반응에는 고유한 목록이 있습니다: 기포 발생(수소가 빠져나옴)과 고체 용해. 구리(II) 산화물 또는 탄산염과 산의 경우에는 용액이 파란색으로 변함을 추가하십시오. 관찰 사항으로 "수소가 방출된다"고 쓰지 마십시오. 기체는 보이지 않고 기泡만 보이므로 기포 발생이라고 적으세요.
풀이 예제. 아연과 알루미늄은 모두 산化物 형태로 존재합니다. 어느 것이 탄소를 가열하여 추출할 수 있는지, 그리고 그 이유는 무엇입니까? 반응성 서열에서 각 금속의 탄소에 대한 위치를 찾으십시오. 아연은 탄소 아래에 있으므로, 두 가지 중 탄소가 더 반응성이 커서 아연의 산소를 빼앗을 수 있습니다: 아연 산化物는 탄소를 가열하여 환원됩니다. 알루미늄은 탄소 위에 있으므로, 탄소는 이를 치환하기엔 반응성이 부족하며, 대신 알루미늄은 전기분해로 추출되어야 합니다 - 바로 이 때문에 알루미늄 추출 비용이 훨씬 높습니다. 방법을 결정하는 서열의 기준선은 목록 상단이 아니라 탄소의 위치입니다.
알루미늄의 특수한 경우
알루미늄은 자신의 위치보다 덜 반응성처럼 보입니다. 이는 얇고 강한 산화막이 금속 아래쪽의 물질들이 닿는 것을 막기 때문입니다.
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Displacement and the reactivity series · 치환 반응과 반응성 순서표
Step through a displacement. A more reactive metal pushes a less reactive one out of its compound — which is exactly what the reactivity series predicts. · 치환 반응을 단계별로 살펴보세요. 더 반응성 높은 금속이 덜 반응성 높은 금속을 그 화합물에서 밀어냅니다 — 이것이 바로 반응성 순서표가 예측하는 내용입니다.
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
Rusting 生锈 is the corrosion of iron and steel. Two things are needed for rusting: oxygen (from the air) and water. The rust 铁锈 formed is hydrated iron(III) oxide.
Stopping rust
Barrier methods 隔离法 keep oxygen and water away from the iron:
painting, greasing (covering with oil), and coating with plastic.
Galvanising 镀锌 means coating iron with a layer of zinc. This works in two ways:
it is a barrier (the zinc keeps out air and water);
it gives sacrificial protection 牺牲保护. Because zinc is more reactive than iron, the zinc loses electrons 电子 and corrodes instead of the iron — even if the surface is scratched.
한국어
부식은 보호받지 않은 금속을 천천히 갉아먹습니다.
녹슬기는 철 및 철강의 부식입니다. 녹슬기에는 두 가지가 필요합니다: 산소(공기 중)와 물. 생성된 녹은 수산화 철(III) 산化物입니다.
바다 물과 공기가 이 철 사슬을 심하게 녹슬림 — 녹은 수산화 철(III) 산化物임녹슬기에는 물과 산소 모두 필요함 — 철 못은 두 가지가 모두 있는 관에서만 녹슨다
녹 방지
장벽 방식은 산소와 물을 철로부터 멀리 유지합니다:
페인트 칠하기, 유채우기(기름으로 덮기), 플라스틱 코팅.
아연 도금은 철에 아연 층을 입히는 것입니다. 이는 두 가지 방식으로 작동합니다:
장벽 역할(아연이 공기 및 물을 차단함);
** sacrificial 보호(대체 보호)** 제공. 아연이 철보다 반응성이 크므로, 아연이 전자를 잃고 철 대신 부식됨 — 표면이 긁혀도 마찬가지임.
반응성이 더 높은 아연이 부식되면서 전자를 철에 전달하므로, 표면이 긁힌 곳에서도 철은 보호됩니다
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Why iron rusts — and how to stop it · 철이 녹슬는 이유 — 그리고 방지 방법
Step through rusting. Iron needs BOTH water and oxygen, and once it starts the rust flakes off to expose fresh metal — which is why we protect iron. · 녹슬기 과정을 단계별로 살펴보십시오. 철은 물과 산소 BOTH가 필요하며, 한번 녹슬기 시작하면 녹이 떨어져 나가 새로운 금속 표면을 노출시키므로 철을 보호해야 합니다.
1 Describe the ease in obtaining metals from their ores, related to the position of the metal in the reactivity series
2 Describe the extraction of iron from hematite in the blast furnace, limited to: (a) the burning of carbon (coke) to provide heat and produce carbon dioxide (b) the reduction of carbon dioxide to carbon monoxide (c) the reduction of iron(III) oxide by carbon monoxide (d) the thermal decomposition of calcium carbonate/limestone to produce calcium oxide (e) the formation of slag Symbol equations are not required
4 State the symbol equations for the extraction of iron from hematite (a) $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$ (b) $\text{C} + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{CO}$ (c) $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \rightarrow 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$ (d) $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$ (e) $\text{CaO} + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{CaSiO}_3$
3 State that the main ore of aluminium is bauxite and that aluminium is extracted by electrolysis
5 Describe the extraction of aluminium from purified bauxite/aluminium oxide, including: (a) the role of cryolite (b) why the carbon anodes need to be regularly replaced (c) the reactions at the electrodes, including ionic half-equations Details of the purification of bauxite are not required
한국어
핵심
보충
1 금속 정제의 용이성을 반응성 서열에서의 금속 위치와 관련하여 서술하시오
2 블라스터 furnaces에서 헤마타이트(hematite)로부터 철을 정제하는 과정을 다음 사항까지 서술하시오: (a) 열을 제공하고 탄산 가스를 생성하기 위한 탄소(코크) 연소 (b) 탄산 가스를 일산화탄소로 환원 (c) 일산화탄소에 의한 철(III) oxide 환원 (d) 석회석/칼슘 탄산염의 열분해로 인한 산화칼슘 생성 (e) 슬래그(slaging) 형성 기호 방정식은 불필요함
5 정제된 보ಕ್사이트/알루미늄 산화물로부터 알루미늄을 추출하는 과정을 서술할 것: (a) 크리오라이트(cryolite)의 역할 (b) 탄소 양극이 주기적으로 교체되어야 하는 이유 (c) 전극에서의 반응 및 이온 반응식 포함. 보크사이트 정제의 상세 내용은 불필요함
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
How a metal is taken from its ore 矿石 depends on its place in the reactivity series. Metals below carbon can be extracted by heating with carbon (which removes the oxygen). Metals above carbon are too reactive for this and must be extracted by electrolysis 电解.
Iron from the blast furnace
Iron is extracted from its ore hematite 赤铁矿 (iron(III) oxide) in a blast furnace 高炉:
Carbon (coke) burns in hot air to give carbon dioxide and lots of heat.
This carbon dioxide 二氧化碳 reacts with more carbon to form carbon monoxide 一氧化碳.
The carbon monoxide reduces the iron(III) oxide to iron (this is reduction 还原).
Limestone 石灰石 (calcium carbonate) breaks down in the heat to form calcium oxide 氧化钙.
The calcium oxide reacts with sandy impurities to form slag 炉渣, which is removed.
Aluminium by electrolysis
Aluminium is extracted from its ore bauxite 铝土矿 (purified to aluminium oxide) by electrolysis:
The aluminium oxide is dissolved in molten cryolite 冰晶石 to lower its melting point and save energy.
At the cathode 阴极, aluminium ions gain electrons to form aluminium metal.
At the anode 阳极, oxygen is formed. This oxygen reacts with the hot carbon anodes and burns them away, so they must be replaced regularly.
한국어
금속이 광석에서 어떻게utc되는지는 반응성 서열에서의 위치에 따라 다릅니다. 탄소 아래쪽의 금속은 탄소를 가열하여 추출할 수 있습니다(산소를 제거함). 탄소 위쪽의 금속은 이 방식으로는 너무 반응성이 커서 전기분해로 추출해야 합니다.
Learn the reactivity series (potassium → gold). A more reactive metal displaces a less reactive one from a solution of its ions.
Metals above carbon are extracted by electrolysis; those below carbon (like iron) can be extracted by heating with carbon.
Rusting needs both water and oxygen. Barrier methods (paint, oil) keep them out; galvanising also gives sacrificial protection, because the more reactive zinc corrodes instead of the iron.
Alloys are harder than pure metals because the different-sized atoms stop the layers of ions sliding over each other.
한국어
반응성 서열 (칼륨 → 금)을 배우세요. 더 반응성이 높은 금속은 이온 용액에서 더 반응성이 낮은 금속을 치환합니다.
탄소 위에 있는 금속은 전해질로 추출하고, 탄소 아래에 있는 금속(철 등)은 탄소와 함께 가열하여 추출할 수 있습니다.
녹슬기에는 물과 산소 둘 다가 필요합니다. Barrier 방법(페인트, 오일)은 이를 차단하며, 아연 도금은 더 반응성이 높은 아연이 철 대신 부식함으로써 희생 보호도 제공합니다.
합금은 크기가 다른 원자가 이온의 층이 서로 미끄러지는 것을 막기 때문에 순수 금속보다 단단합니다.
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