Почему мы добываем золото из земли в виде блестящих самородков, а железо только в виде тусклых ржавых пород? И почему алюминиевая банка никогда не ржавеет, а железный гвоздь — да? Это…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
9.1
Properties of metals · Свойства металлов
Syllabus · Программа
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
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Сравните общие физические свойства металлов и неметаллов, включая: (a) теплопроводность (b) электропроводность (c) ковкость и пластичность (d) температуры плавления и кипения
2 Опишите общие химические свойства металлов, ограничиваясь их реакциями с: (a) разбавленными кислотами (b) холодной водой и паром (c) кислородом
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
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
Русский
Физические свойства
Металлы и неметаллы ведут себя совершенно по-разному:
Свойство
Металлы
Неметаллы
теплопроводность (проведение тепла)
хорошая
плохая
электропроводность
хорошая
плохая (кроме графита)
ковкость и пластичность
ковки и пластичные
хрупкие (ломается)
температура плавления и кипения
обычно высокая
обычно низкая
Химические свойства
Металлы реагируют тремя основными способами:
с разбавленными кислотами → соль + водород
с холодной водой или паром → гидроксид (или оксид) металла + водород
с кислородом → оксид металла
Родниковая медь: металлы блестящие, плотные, ковкие проводники тепла и электричества
Explore · Исследовать
Metallic bonding · Металлическая связь
Positive ions sit in a sea of delocalised electrons — that is why metals conduct and bend. Push the layers and the bond holds. · Положительные ионы расположены в море делокализованных электронов — именно поэтому металлы проводят ток и гнутся. Если сдвинуть слои, связь сохраняется.
Explore · Исследовать
Metal property lab · Лабораторная работа: свойства металлов
Link metal properties to the particle model. · Сопоставьте свойства металлов с частицевой моделью.
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
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Опишите применение металлов с учетом их физических свойств, включая: (a) алюминий в производстве самолетов благодаря низкой плотности (b) алюминий в производстве воздушных электрических кабелей благодаря низкой плотности и хорошей электропроводности (c) алюминий в пищевой упаковке благодаря устойчивости к коррозии (d) медь в электрической проводке благодаря хорошей электропроводности и пластичности
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
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).
Русский
Металл выбирается для конкретной задачи благодаря своим физическим свойствам.
Алюминий используется для производства самолётов из-за низкой плотности (он лёгкий).
Алюминий используется для воздушных линий электропередачи благодаря низкой плотности и хорошей электропроводности.
Алюминий используется для пищевых контейнеров, так как он устойчив к коррозии.
Медь используется для электрической проводки благодаря хорошей электропроводности и пластичности (из неё можно вытянуть провода).
Корпуса самолётов содержат много алюминия: он прочный, но имеет низкую плотность, поэтому самолёт остаётся лёгким
Explore · Исследовать
Metal use lab · Лабораторная работа: применение металлов
Choose the property that explains each metal use. · Выберите свойство, объясняющее применение каждого металла.
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
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Опишите сплав как смесь металла с другими элементами, включая: (a) латунь как смесь меди и цинка (b) нержавеющую сталь как смесь железа и других элементов, таких как хром, никель и углерод
2 Укажите, что сплавы могут быть тверже и прочнее чистых металлов и являются более полезными
5 Объясните с точки зрения структуры, почему сплавы могут быть тверже и прочнее чистых металлов: разные размеры атомов в сплавах не позволяют слоям скользить друг относительно друга
3 Опишите применение сплавов с учетом их физических свойств, включая нержавеющую сталь в столовых приборах благодаря твердости и устойчивости к ржавлению
4 Определяйте изображения сплавов по диаграммам структуры
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
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.
Русский
Сплав — это смесь металла с одним или несколькими другими элементами.
Латунь — это смесь меди и цинка.
Нержавеющая сталь — это смесь железа с другими элементами, такими как хром, никель и углерод.
Сплавы обычно твёрже и прочнее чистых металлов, что делает их более полезными. Например, нержавеющая сталь используется для столовых приборов, потому что она твёрдая и не ржавеет.
Почему сплавы тверже. В чистом металле атомы имеют одинаковый размер, поэтому слои могут легко скользить друг по другу. В сплаве атомы разного размера препятствуют скольжению слоев, поэтому сплав является более твердым и прочным.
В сплаве атомы разного размера препятствуют скольжению слоев друг относительно друга, поэтому сплав тверже чистого металла
Explore · Исследовать
Alloy property lab · Лабораторная работа: свойства сплавов
See why mixing atoms changes metal properties. · Узнайте, почему смешивание атомов изменяет свойства металлов.
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
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Называть ряд активности металлов в следующем порядке: калий, натрий, кальций, магний, алюминий, углерод, цинк, железо, водород, медь, серебро, золото
4 Описывать относительную активность металлов через их склонность к образованию положительных ионов, с помощью реакций замещения, если таковые возможны, с водными ионами магния, цинка, железа, меди и серебра
2 Описывать реакции (если они протекают) следующих веществ: (a) калия, натрия и кальция с холодной водой (b) магния со蒸汽ом (паром) (c) магния, цинка, железа, меди, серебра и золота с разбавленной соляной кислотой, и объяснять эти реакции с позиций положения металлов в ряду активности
(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.
Русский
Ряд активности перечисляет металлы в порядке их химической активности. Для сравнения в него включены углерод и водород:
Металлы выше углерода получают электролизом; те, что ниже углерода, можно получить нагреванием с углеродом
Чем выше металл в ряду, тем легче он образует положительные ионы. Это объясняет его реакции:
калий, натрий и кальций реагируют с холодной водой.
магний реагирует с водяным паром (но только очень медленно с холодной водой).
магний, цинк и железо реагируют с разбавленной соляной кислотой; медь, серебро и золото — нет.
Реакции замещения
Более активный металл вытеснит менее активный металл из раствора его ионов (реакция замещения). Например, цинк вытесняет медь из раствора сульфата меди(II), так как цинк более активен, чем медь:
Реакции металлов с кислотами имеют свой список признаков: вскипание (выход водорода) и растворение твердого вещества. С оксидом или карбонатом меди(II) и кислотой добавьте, что раствор становится синим. Никогда не пишите «выделяется водород» как наблюдение — газ невидим, видны только пузырьки, поэтому пишите вскипание.
Разобранный пример. Цинк и алюминий встречаются в природе в виде оксидов. Какой из них можно получить нагреванием с углеродом и почему? Определите место каждого металла относительно углерода в ряде активности. Цинк находится ниже углерода, значит углерод более активен и может забрать у него кислород: оксид цинка восстанавливается при нагревании с углеродом. Алюминий находится выше углерода, поэтому углерода недостаточно для вытеснения, и алюминий необходимо получать электролизом — именно поэтому получение алюминия обходится значительно дороже. Граница в ряде, определяющая метод, проходит по уровню углерода, а не по верху списка.
Особый случай алюминия
Алюминий кажется менее активным, чем предполагает его положение в ряде. Это связано с тем, что он покрыт тонким, прочным слоем оксида, который не пропускает другие вещества к металлу под ним.
Explore · Исследовать
Displacement and the reactivity series · Вытеснение и ряд активности металлов
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. · Разберитесь с процессом вытеснения. Более активный металл вытесняет менее активный из его соединения — именно так предсказывает ряд активности металлов.
1 State the conditions required for the rusting of iron and steel to form hydrated iron(III) oxide
2 State some common barrier methods, including painting, greasing and coating with plastic
4 Describe the use of zinc in galvanising as an example of a barrier method and sacrificial protection
3 Describe how barrier methods prevent rusting by excluding oxygen or water
5 Explain sacrificial protection in terms of the reactivity series and in terms of electron loss
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Называть условия, необходимые для ржавления железа и стали с образованием гидратированного оксида железа(III)
2 Называть некоторые распространённые методы барьерной защиты, включая окрашивание, смазку и нанесение пластикового покрытия
4 Описывать использование цинка при цинковании как пример метода барьерной защиты и жертвенной защиты
3 Описывать, как методы барьерной защиты предотвращают ржавление, исключая доступ кислорода или воды
5 Объяснять жертвенную защиту через призму ряда активности и передачи электронов
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
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.
Русский
Коррозия медленно разрушает unprotected металл.
Ржавление — это коррозия железа и стали. Для ржавления необходимы две вещи: кислород (из воздуха) и вода. Образующаяся ржавчина представляет собой гидратированный оксид железа(III).
Морская вода и воздух сильно заржавили эту железную цепь — ржавчина представляет собой гидратированный оксид железа(III)Для ржавления нужны и вода, и кислород — гвоздь ржавеет только в пробирке, где есть оба этих фактора
Защита от ржавчины
Барьерные методы изолируют железо от кислорода и воды:
окрашивание, смазывание (покрытие маслом) и покрытие пластиком.
Оцинковывание означает нанесение на железо слоя цинка. Это работает двумя способами:
это барьер (цинк не пропускает воздух и воду);
это жертвенная защита. Поскольку цинк более активен, чем железо, цинк отдает электроны и корродирует вместо железа — даже если поверхность поцарапана.
Более реакционноспособный цинк корродирует и отдает свои электроны железу, поэтому железо защищено даже там, где повреждено покрытие
Explore · Исследовать
Why iron rusts — and how to stop it · Почему ржавеет железо — и как предотвратить это
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. · Разберитесь с процессом ржавления. Железу нужны ОБОЕ: вода и кислород, а一旦 rust flakes off to expose fresh metal — which is why we protect iron. Once rust starts, the flakes fall off, exposing fresh metal underneath, which accelerates the process.
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
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Описывать простоту получения металлов из их руд, зависящую от положения металла в ряду активности
2 Описывать получение железа из гематита в доменной печи, ограничиваясь следующими этапами: (a) горение углерода (кокса) для обеспечения тепла и образования углекислого газа (b) восстановление углекислого газа до оксида углерода (II) (c) восстановление оксида железа(III) оксидом углерода (II) (d) термическое разложение карбоната кальция/известняка для образования оксида кальция (e) образование шлака. Символьные уравнения не требуются
3 Указать, что основным сырьём для получения алюминия является боксит, а сам алюминий получают электролизом
5 Описать получение алюминия из очищенного боксита/оксида алюминия, включая: (a) роль криолита (b) причину регулярной замены угольных анодов (c) реакции на электродах, включая ионные полууравнения. Детали очистки боксита не требуются
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
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.
Русский
Как получают металл из его руды, зависит от его места в ряде активности. Металлы ниже углерода можно получить нагреванием с углеродом (который удаляет кислород). Металлы выше углерода слишком активны для этого метода и должны получаться электролизом.
Металлы выше углерода требуют электролиза; те, что ниже, нагреваются с углеродом
Получение железа в доменной печи
Железо получают из руды гематита (оксида железа(III)) в доменной печи:
Углерод (кокс) горит в горячем воздухе, образуя углекислый газ и много тепла.
Этот углекислый газ реагирует с дополнительным углеродом, образуя угарный газ.
Угарный газ восстанавливает оксид железа(III) до железа (это восстановление).
Известняк (карбонат кальция) разлагается под действием тепла, образуя оксид кальция.
Оксид кальция реагирует с песчаными примесями, образуя шлам, который удаляется.
В доменной печи угарный газ восстанавливает железную руду, а известняк удаляет песчаные примеси в виде шлака
Получение алюминия электролизом
Алюминий получают из его руды бокситов (очищенных до оксида алюминия) электролизом:
Оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите, чтобы понизить температуру плавления и сэкономить энергию.
На катодe ионы алюминия принимают электроны, образуя металл алюминий.
На аноде образуется кислород. Этот кислород реагирует с горячими углеродными анодами, выжигая их, поэтому аноды необходимо регулярно заменять.
Explore · Исследовать
Extracting iron in the blast furnace · Получение железа в доменной печи
Iron is below carbon in reactivity, so carbon can reduce its ore to the metal. · Железо находится ниже углерода по ряду активности, поэтому углерод может восстановить его руду до металла.
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.
Русский
Выучите ряд активности металлов (от калия до золота). Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его солей.
Металлы выше углерода получают электролизом; те, что ниже углерода (например, железо), можно получить нагреванием с углеродом.
Для ржавления нужны и вода, и кислород. Барьерные методы (краска, масло) не допускают их попадания; оцинкование также обеспечивает жертвенную защиту, так как более активный цинк корродирует вместо железа.
Сплавы тверже чистых металлов, потому что атомы разного размера мешают слоям ионов скользить друг относительно друга.
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.