Por que escavamos ouro do solo como nuggets brilhantes, mas ferro apenas como rocha opaca e enferrujada? E por que uma lata de refrigerante nunca enferruja, enquanto um prego de ferro sim? O…
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9.1
Properties of metals · Propriedades dos metais
Syllabus · Programa
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
Português
Central
Suplementar
1 Compare as propriedades físicas gerais dos metais e não-metais, incluindo: (a) condutividade térmica (b) condutividade elétrica (c) maleabilidade e ductilidade (d) pontos de fusão e ebulição
2 Descreva as propriedades químicas gerais dos metais, limitadas às suas reações com: (a) ácidos diluídos (b) água fria e vapor (c) oxigênio
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa 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
Português
Propriedades físicas
Metais 金属 e não-metais 非金属 comportam-se muito diferentemente:
Propriedade
Metais
Não-metais
condutividade térmica 导热性 (conduzir calor)
boa
má
condutividade elétrica 导电性
boa
má (exceto grafite)
maleabilidade 展性 e ductilidade 延性
maleável e dúctil
frágil 易碎 (quebram)
ponto de fusão 熔点 e ponto de ebulição 沸点
geralmente alto
geralmente baixo
Propriedades químicas
Os metais reagem de três maneiras principais:
com ácidos 酸 diluídos → um sal 盐 + hidrogênio 氢气
com água fria ou vapor 蒸汽 → um hidróxido (ou óxido) metálico + hidrogênio
com oxigênio 氧气 → um óxido 氧化物 metálico
Cobre nativo: metais são brilhantes, densos, maleáveis condutores de calor e eletricidade
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Ligação metálica
Íons positivos estão imersos em um mar de elétrons deslocalizados — é por isso que metais conduzem e podem ser moldados. Empurre as camadas e a ligação se mantém.
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Laboratório de propriedades metálicas
Ligue as propriedades dos metais ao modelo particulado.
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
Português
Central
Suplementar
1 Descreva os usos dos metais em termos de suas propriedades físicas, incluindo: (a) alumínio na fabricação de aviões devido à sua baixa densidade (b) alumínio na fabricação de cabos elétricos aéreos devido à sua baixa densidade e boa condutividade elétrica (c) alumínio em recipientes alimentícios devido à sua resistência à corrosão (d) cobre em fiação elétrica devido à sua boa condutividade elétrica e ductilidade
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa 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).
Português
Um metal é escolhido para uma tarefa devido às suas propriedades físicas.
Alumínio 铝 é usado para fazer aviões devido à sua baixa densidade 密度 (é leve).
Alumínio é usado para cabos elétricos aéreos devido à sua baixa densidade e boa condutividade elétrica.
Alumínio é usado para recipientes alimentícios porque resiste à corrosão 腐蚀.
Cobre 铜 é usado para fiação elétrica devido à sua boa condutividade elétrica e ductilidade (pode ser estirado em fios).
Corpos de aviões usam muito alumínio: é forte mas tem baixa densidade, então o avião permanece leve
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Laboratório de uso metálico
Escolha a propriedade que explica cada uso metálico.
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
Português
Central
Suplementar
1 Descreva uma liga como uma mistura de um metal com outros elementos, incluindo: (a) latão como uma mistura de cobre e zinco (b) aço inoxidável como uma mistura de ferro e outros elementos como cromo, níquel e carbono
2 Afirme que ligas podem ser mais duras e resistentes que os metais puros e são mais úteis
5 Explique em termos de estrutura como ligas podem ser mais duras e resistentes que os metais puros porque os átomos de tamanhos diferentes nas ligas significam que as camadas não podem mais deslizar umas sobre as outras
3 Descreva os usos das ligas em termos de suas propriedades físicas, incluindo aço inoxidável em talheres devido à sua dureza e resistência à ferrugem
4 Identifique representações de ligas a partir de diagramas de estrutura
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa 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.
Português
Uma liga 合金 é uma mistura 混合物 de um metal com um ou mais outros elementos.
Latão 黄铜 é uma mistura de cobre e zinc 锌.
Aço inoxidável 不锈钢 é uma mistura de ferro 铁 com outros elementos como cromo 铬, níquel 镍 e carbono 碳.
Ligas geralmente são mais duras e fortes que os metais puros, o que as torna mais úteis. Por exemplo, o aço inoxidável é usado para talheres porque é duro e não enferruja.
Por que as ligas são mais duras. Em um metal puro, os átomos 原子 são todos do mesmo tamanho, então as camadas 层 podem deslizar umas sobre as outras facilmente. Em uma liga, os átomos de tamanhos diferentes impedem que as camadas deslizem, tornando a liga mais dura e forte.
Em uma liga, átomos de tamanhos diferentes impedem que as camadas deslizem umas sobre as outras, tornando a liga mais dura que o metal puro
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Laboratório de propriedades de ligações
Veja por que misturar átomos altera as propriedades dos metais.
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
Português
Central
Suplementar
1 Afirme a ordem da série de reatividade como: potássio, sódio, cálcio, magnésio, alumínio, carbono, zinco, ferro, hidrogênio, cobre, prata, ouro
4 Descreva as reatividades relativas dos metais em termos de sua tendência a formar íons positivos, por reações de deslocamento, se houver, com os íons aquosos de magnésio, zinco, ferro, cobre e prata
2 Descreva as reações, se houver, de: (a) potássio, sódio e cálcio com água fria (b) magnésio com vapor (c) magnésio, zinco, ferro, cobre, prata e ouro com ácido clorídrico diluído e explique essas reações em termos da posição dos metais na série de reatividade
5 Explique a aparente inércia do alumínio em termos de sua camada de óxido
3 Deduza uma ordem de reatividade a partir de um conjunto dado de resultados experimentais
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa 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.
Português
A série de reatividade 金属活动性顺序 lista os metais em ordem de sua reatividade. Carbono e hidrogênio são incluídos para comparação:
Metais acima do carbono são extraídos por eletrólise; aqueles abaixo do carbono podem ser extraídos aquecendo com carbono
Quanto mais alto está um metal, mais facilmente forma íons positivos 离子. Isso explica suas reações:
potássio, sódio e cálcio reagem com água fria.
magnésio reage com vapor (mas muito lentamente com água fria).
magnésio, zinco e ferro reagem com ácido clorídrico diluído; cobre, prata e ouro não reagem.
Reações de deslocamento
Um metal mais reativo deslocará um metal menos reativo de uma solução de seus íons (uma reação de deslocamento 置换反应). Por exemplo, o zinco desloca o cobre da solução de sulfato de cobre(II), pois o zinco é mais reativo que o cobre:
Esteja pronto para dizer o que você veria, pois são marcas separadas:
a cor azul da solução desaparece - os íons azul $\text{Cu}^{2+}$ estão sendo consumidos (sulfato de zinco é incolor).
um sólido rosa-acastanhado reveste o zinco - esse é o cobre deslocado.
o zinco cinza dissolve e diminui de tamanho.
a mistura aquece - o deslocamento é exotérmico.
Reações de metal com ácido têm sua própria lista: efervescência 泡腾 (o escape do hidrogênio) e o sólido dissolve. Com óxido de cobre(II) ou carbonato e ácido, adicione que a solução fica azul. Nunca escreva "hidrogênio é liberado" como uma observação - você não pode ver o gás, apenas as bolhas, então escreva efervescência.
Exemplo resolvido. Zinco e alumínio são ambos encontrados como óxidos. Qual pode ser extraído aquecendo com carbono, e por quê? Encontre a posição de cada metal em relação ao carbono na série de reatividade. O zinco fica abaixo do carbono, então o carbono é mais reativo dos dois e pode retirar o oxigênio dele: o óxido de zinco é reduzido aquecendo com carbono. O alumínio fica acima do carbono, então o carbono não é suficientemente reativo para desloca-lo, e o alumínio deve ser extraído por eletrólise - é por isso que o alumínio custa muito mais para extrair. A linha na série que decide o método é a do carbono, não o topo da lista.
O caso especial do alumínio
O alumínio parece menos reativo do que sua posição sugere. Isso ocorre porque ele é coberto por uma fina e forte camada de óxido 氧化层 que impede que outras substâncias alcancem o metal por baixo.
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Deslocamento e a série de reatividade
Passo a passo do deslocamento. Um metal mais reativo empurra um menos reativo para fora de seu composto — exatamente o que a série de reatividade prevê.
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
Português
Central
Suplementar
1 Afirme as condições necessárias para a ferrugem do ferro e do aço para formar óxido de ferro(III) hidratado
2 Afirme alguns métodos de barreira comuns, incluindo pintura, lubrificação e revestimento com plástico
4 Descreva o uso do zinco na galvanização como exemplo de método de barreira e proteção sacrificial
3 Descreva como os métodos de barreira impedem a ferrugem excluindo oxigênio ou água
5 Explique a proteção sacrificial em termos da série de reatividade e em termos de perda de elétrons
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa 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.
Português
A corrosão consome lentamente o metal exposto.
Ferrugem 生锈 é a corrosão do ferro e do aço. Duas coisas são necessárias para a ferrugem: oxigênio (do ar) e água. A ferrugem 铁锈 formada é óxido de ferro(III) hidratado.
Água salgada e ar oxidaram gravamente esta corrente de ferro — a ferrugem é óxido de ferro(III) hidratadoA ferrugem precisa tanto de água quanto de oxigênio — o prego só enferruja no tubo que tem ambos
Evitando a ferrugem
Métodos de barreira 隔离法 mantêm o oxigênio e a água longe do ferro:
pintura, graxa (cobertura com óleo) e revestimento com plástico.
Galvanização 镀锌 significa revestir o ferro com uma camada de zinco. Isso funciona de duas formas:
é uma barreira (o zinco impede o ar e a água);
oferece proteção sacrificial 牺牲保护. Como o zinco é mais reativo que o ferro, o zinco perde elétrons 电子 e corrói em vez do ferro — mesmo se a superfície for riscada.
O zinco mais reativo corrói-se e doa seus elétrons ao ferro, assim o ferro é protegido mesmo onde a superfície está riscada
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Por que o ferro enferruja — e como evitar
Passo a passo da ferrugem. O ferro precisa DE ÁGUA E oxigênio, e uma vez que começa, a ferrugem se solta expondo metal fresco — é por isso que protegemos o ferro.
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
Português
Central
Suplementar
1 Descreva a facilidade de obtenção de metais de seus minérios, relacionada à posição do metal na série de reatividade
2 Descreva a extração de ferro da hematita no forno alto, limitado a: (a) a queima de carbono (coque) para fornecer calor e produzir dióxido de carbono (b) a redução do dióxido de carbono para monóxido de carbono (c) a redução do óxido de ferro(III) por monóxido de carbono (d) a decomposição térmica do carbonato de cálcio/pedra calcária para produzir óxido de cálcio (e) a formação de escória Equações simbólicas não são necessárias
4 Afirme as equações simbólicas para a extração de ferro da 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 Afirme que o principal minério de alumínio é a bauxita e que o alumínio é extraído por eletrólise
5 Descreva a extração de alumínio de bauxita/aluminia purificada, incluindo: (a) o papel da criolita (b) por que os eletrodos de carbono precisam ser substituídos regularmente (c) as reações nos eletrodos, incluindo semi-equações iônicas Detalhes da purificação da bauxita não são necessários
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa 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.
Português
Como um metal é retirado de seu minério 矿石 depende de sua posição na série de reatividade. Metais abaixo do carbono podem ser extraídos aquecendo com carbono (que remove o oxigênio). Metais acima do carbono são muito reativos para isso e devem ser extraídos por eletrólise 电解.
Metais acima do carbono precisam de eletrólise; os abaixo são aquecidos com carbono
Ferro do alto-forno
O ferro é extraído de seu minério hematita 赤铁矿 (óxido de ferro(III)) em um alto-forno 高炉:
O carbono (coque) queima em ar quente para dar dióxido de carbono e muito calor.
Este dióxido de carbono 二氧化碳 reage com mais carbono para formar monóxido de carbono 一氧化碳.
O monóxido de carbono reduz o óxido de ferro(III) a ferro (isto é redução 还原).
Pedra calcária 石灰石 (carbonato de cálcio) se decompõe pelo calor para formar óxido de cálcio 氧化钙.
O óxido de cálcio reage com impurezas arenosas para formar escória 炉渣, que é removida.
No alto-forno, o monóxido de carbono reduz o minério de ferro, e a pedra calcária remove impurezas arenosas como escória
Alumínio por eletrólise
O alumínio é extraído de seu minério bauxita 铝土矿 (purificado em óxido de alumínio) por eletrólise:
O óxido de alumínio é dissolvido em criolita 冰晶石 fundida para baixar seu ponto de fusão e economizar energia.
No cátodo 阴极, íons de alumínio ganham elétrons para formar metal de alumínio.
No ânodo 阳极, oxigênio é formado. Este oxigênio reage com os ânodos de carbono quentes e os queima, então eles devem ser substituídos regularmente.
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Extraindo ferro no alto-forno
O ferro está abaixo do carbono na reatividade, então o carbono pode reduzir seu minério ao 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.
Português
Aprenda a série de reatividade (potássio → ouro). Um metal mais reativo desloca um menos reativo de uma solução de seus íons.
Metais acima do carbono são extraídos por eletrólise; aqueles abaixo do carbono (como o ferro) podem ser extraídos aquecendo com carbono.
Ferrugem precisa de ambos água e oxigênio. Métodos de barreira (tinta, óleo) os mantêm fora; galvanização também oferece proteção sacrificial, porque o zinco mais reativo corrói em vez do ferro.
Ligas são mais duras que metais puros porque átomos de tamanhos diferentes impedem que as camadas de íons deslizuem umas sobre as outras.
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