¿Por qué extraemos oro del suelo en forma de brillantes pepitas, pero el hierro solo como roca opaca y oxidada? Y ¿por qué una lata de refresco nunca se oxida, mientras que un clavo de sí sí? El…
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9.1
Properties of metals · Propiedades de los metales
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
Español
Núcleo
Complemento
1 Compare las propiedades físicas generales de los metales y no metales, incluyendo: (a) conductividad térmica (b) conductividad eléctrica (c) maleabilidad y ductilidad (d) puntos de fusión y ebullición
2 Describa las propiedades químicas generales de los metales, limitadas a sus reacciones con: (a) ácidos diluidos (b) agua fría y vapor (c) oxígeno
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios 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
Español
Propiedades físicas
Los metales 金属 y los no metales 非金属 se comportan de manera muy diferente:
Propiedad
Metales
No metales
conductividad térmica 导热性 (conducción del calor)
buena
pobre
conductividad eléctrica 导电性
buena
pobre (excepto el grafito)
maleabilidad 展性 y ductilidad 延性
maleables y dúctiles
frágiles 易碎 (se rompen)
punto de fusión 熔点 y punto de ebullición 沸点
generalmente alto
generalmente bajo
Propiedades químicas
Los metales reaccionan de tres formas principales:
con ácidos 酸 diluidos → una sal 盐 + hidrógeno 氢气
con agua fría o vapor 蒸汽 → un hidróxido metálico (u óxido) + hidrógeno
con oxígeno 氧气 → un óxido 氧化物 metálico
Cobre nativo: los metales son brillantes, densos, maleables y conductores del calor y la electricidad
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Enlace metálico
Los iones positivos se sitúan en un mar de electrones deslocalizados — por eso los metales conducen y se doblan. Empuja las capas y el enlace se mantiene.
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Laboratorio de propiedades metálicas
Asocia las propiedades de los metales al modelo de partículas.
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
Español
Fundamental
Suplementario
1 Describir los usos de los metales en función de sus propiedades físicas, incluyendo: (a) el aluminio en la fabricación de aeronaves debido a su baja densidad; (b) el aluminio en la fabricación de cables eléctricos aéreos debido a su baja densidad y buena conductividad eléctrica; (c) el aluminio en recipientes alimenticios debido a su resistencia a la corrosión; (d) el cobre en el cableado eléctrico debido a su buena conductividad eléctrica y ductilidad
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios 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).
Español
Un metal se elige para un trabajo específico debido a sus propiedades físicas.
El aluminio 铝 se utiliza para fabricar aeronaves debido a su baja densidad 密度 (es ligero).
El aluminio se utiliza para cables eléctricos aéreos debido a su baja densidad y buena conductividad eléctrica.
El aluminio se utiliza para recipientes de alimentos porque resiste la corrosión 腐蚀.
El cobre 铜 se utiliza para cableado eléctrico debido a su buena conductividad eléctrica y su ductilidad (puede estirarse en forma de alambre).
Las estructuras de las aeronaves utilizan mucho aluminio: es fuerte pero tiene baja densidad, por lo que el avión permanece ligero
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Laboratorio de uso de metales
Elija la propiedad que explica cada uso del metal.
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
Español
Central
Suplemento
1 Describir una aleación como una mezcla de un metal con otros elementos, incluyendo: (a) el latón como una mezcla de cobre y zinc (b) el acero inoxidable como una mezcla de hierro y otros elementos como cromo, níquel y carbono
2 Indicar que las aleaciones pueden ser más duras y resistentes que los metales puros, resultando más útiles
5 Explicar, en términos estructurales, cómo las aleaciones pueden ser más duras y resistentes que los metales puros debido a que los átomos de diferente tamaño impiden que las capas se deslicen unas sobre otras
3 Describir los usos de las aleaciones en función de sus propiedades físicas, incluido el uso del acero inoxidable en cubiertos debido a su dureza y resistencia al óxido
4 Identificar representaciones de aleaciones a partir de diagramas estructurales
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios 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.
Español
Una aleación 合金 es una mezcla 混合物 de un metal con uno o más otros elementos.
El latón 黄铜 es una mezcla de cobre y zinc 锌.
El acero inoxidable 不锈钢 es una mezcla de hierro 铁 con otros elementos como cromo 铬, níquel 镍 y carbono 碳.
Las aleaciones suelen ser más duras y fuertes que los metales puros, lo que las hace más útiles. Por ejemplo, el acero inoxidable se utiliza para cubiertos porque es duro y no se oxida.
Por qué las aleaciones son más duras. En un metal puro, los átomos 原子 tienen todos el mismo tamaño, por lo que las capas 层 pueden deslizarse unas sobre otras fácilmente. En una aleación, los átomos de diferentes tamaños impiden que las capas se deslicen, por lo que la aleación es más dura y fuerte.
En una aleación, los átomos de diferentes tamaños impiden que las capas se deslicen unas sobre otras, por lo que la aleación es más dura que el metal puro
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Laboratorio de propiedades de aleaciones
Ver por qué mezclar átomos cambia las propiedades del metal.
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
Español
Núcleo
Complemento
1 Enunciar el orden de la serie de reactividad como: potasio, sodio, calcio, magnesio, aluminio, carbono, zinc, hierro, hidrógeno, cobre, plata y oro
4 Describir las reactividades relativas de los metales en términos de su tendencia a formar iones positivos, mediante reacciones de desplazamiento, si las hubiera, con los iones acuosos de magnesio, zinc, hierro, cobre y plata
2 Describir las reacciones, si las hubiera, de: (a) potasio, sodio y calcio con agua fría (b) magnesio con vapor de agua (c) magnesio, zinc, hierro, cobre, plata y oro con ácido clorhídrico diluido y explicar estas reacciones en función de la posición de los metales en la serie de reactividad
3 Deducir un orden de reactividad a partir de un conjunto dado de resultados experimentales
5 Explicar la aparente inreactividad del aluminio en términos de su capa de óxido
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios Cambridge International
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.
Español
La serie de reactividad 金属活动性顺序 enumera los metales en orden de su reactividad. Se incluyen el carbono y el hidrógeno para fines de comparación:
potasio 钾, sodio 钠, calcio 钙, magnesio 镁, aluminio, carbono, zinc, hierro, hidrógeno, cobre, plata, oro
(más reactivo en la parte superior, menos reactivo en la parte inferior)
Los metales por encima del carbono se extraen por electrólisis; aquellos por debajo del carbono se pueden extraer calentándolos con carbono
Cuanto más alto esté un metal en la serie, más fácilmente forma iones 离子 positivos. Esto explica sus reacciones:
El potasio, el sodio y el calcio reaccionan con agua fría.
El magnesio reacciona con vapor (pero solo muy lentamente con agua fría).
El magnesio, el zinc y el hierro reaccionan con ácido clorhídrico diluido; el cobre, la plata y el oro no reaccionan.
Reacciones de desplazamiento
Un metal más reactivo desplazará a un metal menos reactivo de una solución de sus iones (una reacción de desplazamiento 置换反应). Por ejemplo, el zinc desplaza al cobre de la solución de sulfato de cobre(II), porque el zinc es más reactivo que el cobre:
Esté preparado para describir lo que vería, ya que esas son marcas separadas:
El color azul de la solución se desvanece: los iones azules $\text{Cu}^{2+}$ se están consumiendo (el sulfato de zinc es incoloro).
Un sólido rosa-marrón recubre el zinc: ese es el cobre desplazado.
El zinc gris se disuelve y disminuye de tamaño.
La mezcla se calienta: el desplazamiento es exotérmico.
Las reacciones de metal con ácido tienen su propia lista de observaciones: efervescencia 泡腾 (la salida del hidrógeno) y el sólido se disuelve. Con óxido de cobre(II) o carbonato y ácido, añada que la solución se vuelve azul. Nunca escriba "se desprende hidrógeno" como una observación: no puede ver el gas, solo las burbujas, así que escriba efervescencia.
Ejemplo resuelto. El zinc y el aluminio se encuentran ambos como óxidos. ¿Cuál se puede extraer calentándolo con carbono y por qué? Encuentre la posición de cada metal en relación con el carbono en la serie de reactividad. El zinc está debajo del carbono, por lo que el carbono es el más reactivo de los dos y puede quitarle el oxígeno: el óxido de zinc se reduce al calentarlo con carbono. El aluminio está por encima del carbono, por lo que el carbono no es lo suficientemente reactivo para desplazarlo, y el aluminio debe extraerse mediante electrólisis en cambio: por eso el aluminio cuesta mucho más extraerse. La línea en la serie que decide el método es la del carbono, no la parte superior de la lista.
El caso especial del aluminio
El aluminio parece menos reactivo de lo que sugiere su posición. Esto se debe a que está cubierto por una capa delgada y resistente de óxido 氧化层 que impide que otras sustancias lleguen al metal que hay debajo.
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Desplazamiento y la serie de reactividad
Pasa paso a paso por un desplazamiento. Un metal más reactivo desplaza a uno menos reactivo de su compuesto, lo cual es exactamente lo que predice la serie de reactividad.
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
Español
Core
Supplement
1 Enunciar las condiciones necesarias para el oxidado del hierro y el acero que formen óxido de hierro(III) hidratado
2 Enunciar algunos métodos de barrera comunes, incluyendo la pintura, el engrasado y el recubrimiento con plástico
4 Describir el uso del zinc en el galvanizado como ejemplo de un método de barrera y protección sacrificial
3 Describir cómo los métodos de barrera previenen el oxidado al excluir el oxígeno o el agua
5 Explicar la protección sacrificial en términos de la serie de reactividad y en términos de pérdida de electrones
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios 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.
Español
La corrosión devora lentamente el metal sin protección.
Oxidación 生锈 es la corrosión del hierro y el acero. Se necesitan dos cosas para que se produzca la oxidación: oxígeno (del aire) y agua. El óxido 铁锈 formado es óxido de hierro(III) hidratado.
El agua salada y el aire han oxidado gravemente esta cadena de hierro: el óxido es óxido de hierro(III) hidratadoLa oxidación necesita tanto agua como oxígeno: el clavo solo se oxida en el tubo que tiene ambos
Evitar la oxidación
Los métodos de barrera 隔离法 mantienen el oxígeno y el agua lejos del hierro:
Pintura, engrase (recubrimiento con aceite) y revestimiento con plástico.
Galvanizado 镀锌 significa recubrir el hierro con una capa de zinc. Esto funciona de dos maneras:
Actúa como barrera (el zinc mantiene fuera el aire y el agua);
Proporciona protección sacrificial 牺牲保护. Dado que el zinc es más reactivo que el hierro, el zinc pierde electrones 电子 y se corroe en lugar del hierro, incluso si la superficie está rayada.
El zinc más reactivo se corroe y cede sus electrones al hierro, por lo que el hierro queda protegido incluso donde la superficie está rayada
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Por qué se oxida el hierro — y cómo evitarlo
Paso a paso por el proceso de oxidación. El hierro necesita AGUA Y OXÍGENO, y una vez que comienza, la oxidación se desprende para exponer metal fresco — lo cual es la razón por la que protegemos el hierro.
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
Español
Núcleo
Suplemento
1 Describir la facilidad para obtener metales a partir de sus minerales, en relación con la posición del metal en la serie de reactividad
2 Describir la extracción del hierro a partir de la hematita en el alto horno, limitado a: (a) la combustión del carbono (coque) para proporcionar calor y producir dióxido de carbono (b) la reducción del dióxido de carbono a monóxido de carbono (c) la reducción del óxido de hierro(III) por monóxido de carbono (d) la descomposición térmica del carbonato de calcio/piedra caliza para producir óxido de calcio (e) la formación de escoria. No se requieren ecuaciones simbólicas
4 Indicar las ecuaciones simbólicas para la extracción del hierro a partir de la hematita (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 Indicar que el principal mineral del aluminio es la bauxita y que el aluminio se extrae por electrólisis
5 Describir la extracción del aluminio a partir de la bauxita purificada/óxido de aluminio, incluyendo: (a) el papel de la criolita (b) por qué los ánodos de carbono necesitan ser reemplazados regularmente (c) las reacciones en los electrodos, incluidas las semiecuaciones iónicas. No se requieren detalles sobre la purificación de la bauxita
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios 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.
Español
Cómo se extrae un metal de su menca 矿石 depende de su lugar en la serie de reactividad. Los metales por debajo del carbono se pueden extraer calentándolos con carbono (que elimina el oxígeno). Los metales por encima del carbono son demasiado reactivos para este método y deben extraerse mediante electrólisis 电解.
Los metales por encima del carbono necesitan electrólisis; aquellos por debajo se calientan con carbono
Hierro en el horno de alto horno
El hierro se extrae de su menca hematita 赤铁矿 (óxido de hierro(III)) en un horno de alto horno 高炉:
El carbono (coque) arde en aire caliente para producir dióxido de carbono y mucho calor.
Este dióxido de carbono 二氧化碳 reacciona con más carbono para formar monóxido de carbono 一氧化碳.
El monóxido de carbono reduce el óxido de hierro(III) a hierro (esto es una reducción 还原).
La piedra caliza 石灰石 (carbonato de calcio) se descompone con el calor para formar óxido de calcio 氧化钙.
El óxido de calcio reacciona con impurezas arenosas para formar escoria 炉渣, que se retira.
En el horno de alto horno, el monóxido de carbono reduce la menca de hierro, y la piedra caliza elimina las impurezas arenosas como escoria
Aluminio por electrólisis
El aluminio se extrae de su menca bauxita 铝土矿 (purificada a óxido de aluminio) mediante electrólisis:
El óxido de aluminio se disuelve en criolita 冰晶石 fundida para reducir su punto de fusión y ahorrar energía.
En el cátodo 阴极, los iones de aluminio ganan electrones para formar metal de aluminio.
En el ánodo 阳极, se forma oxígeno. Este oxígeno reacciona con los ánodos de carbón calientes y los consume, por lo que deben reemplazarse periódicamente.
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Extracción de hierro en el horno alto
El hierro está por debajo del carbono en la reactividad, por lo que el carbono puede reducir su mineral al metal.
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.
Español
Memorice la serie de reactividad (potasio → oro). Un metal más reactivo desplaza a un menos reactivo de una solución de sus iones.
Los metales por encima del carbono se extraen mediante electrólisis; aquellos por debajo del carbono (como el hierro) se pueden extraer calentándolos con carbono.
La oxidación necesita tanto agua como oxígeno. Los métodos de barrera (pintura, aceite) los mantienen fuera; el galvanizado también proporciona protección sacrificial, porque el zinc más reactivo se corroe en lugar del hierro.
Las aleaciones son más duras que los metales puros porque los átomos de diferentes tamaños impiden que las capas de iones se deslicen unas sobre otras.
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