Металлы их классификация и основные физические свойства
Что такое металл? М. В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии или рудных дел» дал металлам такое определение: «Металлы суть ковкие блестящие тела». Позже, объясняя понятие « металлы », стали называть и другие металлические свойства. В энциклопедическом словаре Мейера о металлах говорится следующее: «Элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».
Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:
· высокой тепло- и электропроводностью;
· положительным температурным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление чистых метал-
лов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью – у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление падает скачкообразно практически до нуля);
· термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;
· хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском);
· повышенной способностью к пластической деформации.
Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными -ио нами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило название металличе-
Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной. Этому положению соответствует равновесное расстояние d 0 (рис. 1.1).
Сближение атомов (ионов) на расстояние меньшее d 0 или удаление на расстояние больше d 0 , осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.
Рис. 1.1. Силы взаимодействия двух атомов
Каждый металл отличается от других строением и свойством, но по некоторым признакам их можно объединить в группы (рис. 1.2).
Рис.1.2. Классификация металлов периодической системы Д.И. Менделеева
Металлы делятся на две большие группы – черные и цветные. Черные металлы делятся на:
· железные – железо, кобальт, никель, марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали;
· тугоплавкие – титан, вольфрам, хром, молибден и др. – температура плавления выше, чем железа (выше 1539 °С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов;
· урановые – актиний и актиноиды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики;
· редкоземельные – лантан, церий, неодим и др., объединяемые под названием лантаноиды. Эти металлы обладают близкими химическими свойствами, но различными физическими (температура плавления и т. д.). Их применяют как присадки к сплавам др. элементов;
· щелочноземельные – литий, натрий, кальций и др., которые в свободном металлическом состоянии не применяются.
Цветные металлы подразделяются на:
· легкие – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;
· благородные – серебро, золото, металлы платиновой группы. Обладают высокой устойчивостью против коррозии;
· легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец и др.
1.2. Различные агрегатные состояния и кристаллическое
Все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.
В чистых металлах при повышении температуры происходит изменение агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твердое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.
Температура плавления – особенно важная константа свойств металла – колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 ° С для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 ° С – для самого тугоплавкого металла – вольфрама.
При постоянном давлении температуры плавления, плотность и некоторые теплофизические характеристики вполне определенны и для наиболее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.1.
В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие
плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы
– хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически нейтральны.
При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов заряженных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизированный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяющих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) состоянием вещества – плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма ( ~ 10 3 –10 4 К).
Плотность, теплоемкость, температура плавления и теплота плавления некоторых металлов
Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым и газообразном. Жидкости подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут.
В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул ( ~ 10 Нм = 10 –10 м), поэтому силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого тела молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако если в твердых телах эти положения равновесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях
они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами.
Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Таким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний порядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.
В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильностью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колебания около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.
Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку , а тела, имеющие кристаллическую решетку, на-
зывают твердыми телами . Металлы являются телами кристаллическими .
Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемноцентрирован-
ную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК ).
Рис. 1.3. Кристаллические решетки:
а) кубическая объемно–центрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)
У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба(1 атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо(Fe α ), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо(Fe γ ), алюминий, медь, никель и другие металлы.
Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 1.3).
Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой . Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки . Размер элементарной ячейки оценивают отрезками а, в, с . Их называют периодами решетки . Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.
Координационное число К – число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке(для ОЦК – К8, для ГЦК – К12). Коэффициент компактности – отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК – 0,68, для ГЦК – 0,74).
Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости
(рис. 1.4). Кристаллографические направления – лучи, выходящие из ка-
кой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.
Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.
Рис. 1.4.Основные кристаллографические направления и плоскости
Кристаллографические плоскости – плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого–либо направления следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки.
Пример. Координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлениях [100]. Индексы направлений вдоль оси
оу и оz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагонали грани хоz , хоу, уоz и диагонали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011], [111].
Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями координат, проведенными из точки отсчета0. Затем обратные величины найденных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Использование понятий о кристаллографических -на правлениях и плоскостях и об их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.
Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в кубических решетках (рис. 1.4) вдоль диагонали куба ОЦК решетки[111] или диагонали грани решетки ГЦК[110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].
Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлениях.
Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, так, например, теплоемкость, от направления не зависит.
Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.
В связи с этим, недостаток какого-либо свойства по одному из направлений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.
Понятие металлов, сплавов и изделий из них. Классификация, свойства и область применения.
Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: блеском и непрозрачностью ,высокой тепло- и электропроводностью, прочностью, твердостью, ковкостью, пластичностью, жаропрочностью и коррозийной стойкостью.
Для диагностических исследований, проводимых в рамках КИМВИ, используются классификации, основанные на физических, химических свойствах металлов и степени их распространенности. По этим показателям металлы подразделяются
• легкие – алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий;
• тяжелые – медь, свинец, никель, кобальт, олово, цинк, ртуть;
• тугоплавкие – вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений, хром;
• благородные (драгоценные) – золото, серебро, платина, палладий;
• радиоактивные – франций, радий, уран, актиний и актиниды;
• рассеянные – галлий, индий, таллий;
• магнитные – железо, никель, кобальт;
• редкоземельные – скандий, иттрий, лантан и лантаниды.
В промышленности металлы подразделяют на две основные группы: черные (на основе железа) и цветные (все остальные).
Металлы, которые производят и используют в ограниченном масштабе, называют редкими. К ним относят все рассеянные и редкоземельные металлы, большая часть тугоплавких, радиоактивные и некоторые легкие (бериллий, литий, рубидий
Сплаваминазываются твердые кристаллические тела, получаемые при сплавлении металлов и металлов с неметалла-
ми. По химическому составу первые подразделяются на сплавы следующих металлов:
• черных (чугун, сталь);
• цветных (алюминиевые – дюралюминий, силумин; медные – бронзы, латуни; свинцовые (баббиты, припой); магние-
вые, титановые и пр.);
• драгоценных (золотые, серебряные, платиновые и др.).
Особенности собирания объектов из металлов и сплавов.
Специфические свойства металлов облегчают поиск соответствующих объектов,даже в случаях, когда
последние сокрыты под землей, в воде, в тайниках и пр. С этой целью обычно используются металлоискатели разных модификаций, предназначенные для обнаружения изделий, изготовленных как из черных, так и из цветных металлов, на различном удалении.
Обращаться с металлическими объектами при их изъятии нужно таким образом, чтобы не поставить под сомнение возможность дальнейшего исследования не только материала изделий, но и имеющихся на их поверхности загрязнений (например, наслоений материалов взломанных преград на рабочих поверхностях предполагаемого орудия взлома), а также проведения различных традиционных криминалистических экспертиз: трасологических, дактилоскопических, баллистических и
пр. Поэтому замки и запирающие устройства изымаются в том состоянии, в котором обнаружены; проверять работу запирающего механизма на месте происшествия нельзя.
При изъятии пуль, дроби и картечи с целью сохранения следов на них
запрещается пользоваться пинцетами, плоскогубцами, щипцами и другими подобными предметами. Каждый из подобных предметов упаковывается отдельно в бумагу или ткань.
Поиск металлических опилок и стужек проводится визуально, а также при помощи дактилоскопической магнитной кисти, конец
которой обернут чистой бумагой или полиэтиленом, и фиксируются дактилоскопическими пленкам.
При изъятии металлов в виде порошка, напротив, пользоваться пылесосом и липкой пленкой недопустимо. Соответствующие пробы из значительных объемов отбираются при помощи шпателей и помещаются в стеклянные плотно закрываемые сосуды или полиэтиленовые пакетики, которые после этого запаиваются.
Изымаемая металлическая ртуть упаковывается только в герметично закрываемые стеклянные сосуды.
Если обнаруженные металлические объекты сырые, их необходимо просушить и упаковать в полиэтиленовые пакеты с
тем, чтобы исключить возможность их дальнейшей коррозии.
Предметы, на поверхности которых предполагается наличие микрочастиц или наслоений металла, как правило, изымаются целиком и упаковываются в полиэтилен или бумагу.
каждый предмет упаковывается в отдельный полиэтиленовый пакет.
Изъятые объекты следует предохранять герметичной упаковкой от воздействия атмосферы воздуха, влаги и других коррозийных сред.
Общая характеристика и классификация металлов
В технике под металлами понимают материалы, обладающие целым комплексом специфических физических, химических, технологических, эксплуатационных и механических свойств.
Физические свойства отражают поведение материалов в различных тепловых, электромагнитных и гравитационных полях. К наиболее характерным физическим свойствам металлов следует отнести металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность, способность испускать электроны при нагреве, а также сравнительно высокую плотность большинства металлов.
Химические свойства отражают способность материалов взаимодействовать с другими веществами. С точки зрения химических свойств металлы это химические элементы, расположенные в левой части таблицы Менделеева. Атомы этих элементов содержат на внешней электронной оболочке небольшое число электронов, слабо связанных с ядром. Вступая в химические взаимодействия с неметаллами, атомы металлов легко отдают им свои внешние валентные электроны и становятся положительно заряженными ионами.
Технологические свойства отражают способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки. К наиболее характерным технологическим свойствам металлов следует отнести их относительно хорошую деформируемость (в частности, штампуемость и ковкость), а также хорошую свариваемость и возможность получать изделия методом литья.
Эксплуатационные свойства характеризуют поведение материалов в реальных условиях эксплуатации. Среди эксплуатационных свойств металлов можно выделить их неплохую износостойкость.
Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. К наиболее характерным механическим свойствам металлов относят их достаточно высокую пластичность и вязкость, а также твёрдость и прочность.
Физические и химические свойства металлов наиболее подробно изучаются в рамках дисциплин «Физика» и «Химия». Материаловедение большее внимание уделяет механическим и технологическим свойствам материалов.
Все металлы делят на две большие группы: на чёрные металлы и цветные металлы.
Чёрные металлы отличаются специфическим темно-серым цветом, высокой температурой плавления и относительно высокой твёрдостью. Цветные металлы имеют характерную белую, желтую или красную окраску, и отличаются от чёрных металлов большей пластичностью, меньшей твёрдостью и невысокой температурой плавления.
Чёрные металлы, в свою очередь, подразделяют на 5 групп:
1. Металлы группы железа – Fe, Cо, Ni и Mn.
Fe составляет основу самых распространённых в промышленности сплавов – сталей и чугунов. Остальные металлы этой группы применяются либо в качестве добавок к железоуглеродистым сплавам, либо в качестве основы для соответствующих сплавов (кобальтовых, никелевых и т.п.).
2. Тугоплавкие металлы – Ti, V, Cr, Mo, W и др.
Металлы этой группы имеют температуру плавления выше, чем у железа, т.е. более 1539°С. Их обычно используют в качестве добавок к легированным сталям, либо в качестве основы для специальных сплавов (например, титановых или хромовых). Вольфрам в чистом виде используют для изготовления нитей накала электроламп.
3. Урановые металлы или актиноиды – Ac, Th и т.д. Применяются, как правило, для изготовления сплавов, используемых в атомной энергетике.
4. Редкоземельные металлы или лантаноиды – La, Ce и т.д. Эти металлы обычно встречаются в смешанном виде и имеют близкие свойства. Их используют для изготовления специальных сплавов, обладающих особыми физическими и иными свойствами.
5. Щелочные металлы – Li, Na, K и т.д. Отличаются высокой химической активностью и поэтому в свободном виде не используются.
Цветные металлы подразделяют на 3 группы:
1. Легкие металлы – Al, Mg, Be. Обладают сравнительно низкой плотностью. Al из-за своей высокой электропроводности широко применяется для изготовления электропроводов. Кроме того, Al используют для получения алюминиевых сплавов, широко применяемых в машиностроении.
2. Благородные металлы – Ag, Au, Pt и т.д. в том числе Cu. Данные металлы отличаются высокой пластичностью, электропроводностью и коррозионной стойкостью. Благодаря этим свойствам они широко применяются в микроэлектронике и ювелирном деле. Медь используют также для получения бронз и латуней. Слитки благородных металлов, размещённые в банках, играют роль фактических денег.
3. Легкоплавкие металлы – Sn, Pb, Zn, Hg и т.д. Имеют сравнительно низкую температуру плавления. Температура плавления ртути (Hg) ниже комнатной и поэтому данный металл в обычных условиях является жидким. Sn и Pb используют для изготовления припоев, те сплавов, служащих для соединения деталей методом пайки.
Наиболее распространенным металлом на земном шаре является алюминий (8,8%). На втором месте находится железо (4,65%), которое к тому же является одним из наиболее дешёвых металлов.
2. Структура и свойства металлов
Физические свойстваотражают поведение материалов в различных тепловых, электромагнитных и гравитационных полях. К наиболее характерным физическим свойствам металлов следует отнести металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность, способность испускать электроны при нагреве, а также сравнительно высокую плотность большинства металлов.
Химические свойстваотражают способность материалов взаимодействовать с другими веществами. С точки зрения химических свойств металлы это химические элементы, расположенные в левой части таблицы Менделеева. Атомы этих элементов содержат на внешней электронной оболочке небольшое число электронов, слабо связанных с ядром. Вступая в химические взаимодействия с неметаллами, атомы металлов легко отдают им свои внешние валентные электроны и становятся положительно заряженными ионами.
Технологические свойстваотражают способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки. К наиболее характерным технологическим свойствам металлов следует отнести их относительно хорошую деформируемость (в частности, штампуемость и ковкость), а также хорошую свариваемость и возможность получать изделия методом литья.
Механические свойстваотражают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. К наиболее характерным механическим свойствам металлов относят их достаточно высокую пластичность и вязкость, а также твёрдость и прочность.
11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ
Все ученые применяют термин «металлы». Это простые вещества, обладающие характерным металлическим блеском, прекрасной тепло- и электропроводностью, ковкостью и др. Наиболее характерным свойством металлов является способность их отдавать свои валентные электроны и превращаться в положительно заряженные ионы (катионы), т. е. в реакциях метал-
лы проявляют восстановительные свойства : Ме 0 – nē = Ме n+ .
В периодической системе Д. И. Менделеева на долю металлов приходится около 80 % всех элементов: все s-, d- и f-элементы и часть р-элементов.
Например, олово, относящееся обычно к металлам, имеет две аллотропные модификации: белое олово 50 Sn с металлической решеткой и серое – с решеткой неметалла. Или сурьма 51 Sb – металловидный элемент, обладает металлическим блеском и серым цветом, но хрупка, слабо тепло- и электропроводна.
Резкую границу между металлами и неметаллами провести нельзя. Рассмотрим это на элементах IV периода. Начинается он с калия (4s 1 ) – активного металла, легко отдающего свой единственный валентный электрон. Кальций (4s 2 ) имеет на внешнем слое два валентных электрона, тоже активный металл. Далее по периоду слева направо растет число валентных электронов на внешнем энергетическом уровне d-элементов. Способность элементов к их отдаче уменьшается, соответственно, уменьшаются и восстановительные свойства металлов.
Однако один и тот же элемент в разных степенях окисления может проявлять как основные свойства, так и кислотные. Например, хром (4s 1 3d 5 ) имеет степени окисления (+2), (+3), (+6), образуя соответствующие соединения:
Следовательно, один и тот же элемент может проявлять свойства основные (в низшей степени окисления) и кислотные (в высшей степени окисления), т. е. резкую грань между металлами и неметаллами провести нельзя.
Химия. Учеб. пособие
11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ
11.1. Классификация металлов
11.1. Классификация металлов
Единой классификации металлов нет. Чаще всего их классифицируют по какому-либо характерному признаку.
По плотности металлы подразделяются на легкие (менее 5 г/см 3 ) и тяжелые (более 5 г/см 3 ). Примером самого легкого металла может служить литий, его плотность равна 0,53 г/см 3 , самого тяжелого – осмий, его плотность равна 22,48 г/см 3 .
По температурам плавления металлы делят на легкоплавкие , имею-
щие температуру плавления менее 1500 ° С (например, температура плавления калия 63,6 ° С, цинка 419 ° С), и тугоплавкие , которые имеют температуру плавления выше 800 ° С (например, температура плавления хрома 1 850 ° С, марганца 1 247 ° С). Минимальную температуру плавления имеет ртуть 80 Hg (–8,89 °С), максимальную – вольфрам 74 W (3 410 °С).
Это деление условное, зависит от степени чистоты металла. Чем он более чист, чем меньше содержит примесей, тем выше у него температура плавления.
Металлы отличаются также своим отношением к магнитным полям . По этому свойству они делятся на три группы:
ферромагнитные − металлы, способные намагничиваться при действии слабых магнитных полей (например, железо, кобальт, никель, гадолиний);
парамагнитные − металлы, проявляющие слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром, титан и большая часть лантаноидов);
диамагнитные − металлы, не притягивающиеся к магниту и даже слегка отталкивающиеся от него (висмут, олово, медь).
Принято классифицировать металлы также по положению их в перио-
дической таблице Д. И. Менделеева.
щелочные (s-элементы I группы); щелочноземельные (s-элементы II группы);
благородные (d-элементы VIII группы − Ru, Rh, Pd, Pt, Ir, Os, а также
редкоземельные (f-элементы – лантаноиды и актиноиды, d-элементы –
цветные, т. е. металлы, которые сами или их соединения имеют характерную окраску (Cu, Bi и др.);
черные железо и его сплавы.
В природе металлы находятся, как правило, в виде различных соединений (солей, оксидов, гидроксидов), но встречаются и в самородном состоянии (золото, платина). Бывают руды сульфидные, карбонатные, оксидные и др., содержащие соответствующее соединение металла или, чаще, их смесь. Такие руды называют полиметаллическими.
Например, встречаются следующие минералы:
оксиды: TiO 2 – рутил, Fe 2 O 3 ·2H 2 O – железняк, Al 2 O 3 · 2H 2 O – бокситы; сульфиды: FeS 2 – пирит, ZnS – сфалерит, PbS – галенит;
сульфаты: CaSO 4 ·2H 2 O – гипс (строительный материал), BaSO 4 – ба-
карбонаты: CaCO 3 ·MgCO 3 – доломит, СаСО 3 – кальцит (мел, мрамор);
галиды: KCl – сильвин, NaCl · KCl – сильвинит, KCl · MgCl 2 · H 2 O –
карналлит, 3NaF · AlF 3 – криолит;
силикаты и алюмосиликаты: ZrSiO 4 – циркон, 3BeO · Al 2 O 3 · 6SiO 2 –
берилл, Na 2 O (K 2 O) · Al 2 O 3 · 2S I O 2 – нефелин.
11.2. Физические свойства металлов
Все металлы, за исключением ртути, твердые кристаллические вещества с характерным металлическим блеском. Металлы обладают различной твердостью: одни металлы мягкие и легко режутся ножом (натрий, калий), другие − очень твердые и приближаются по твердости к алмазу (хром).
Металлы хорошо проводят тепло, электричество, они упруги, пластичны. Все эти свойства металлов объясняются определенным строением их кристаллических решеток, наличием обобществленных валентных электронов, осуществляющих прочную металлическую связь ( табл. 11.1 ).
Физические свойства некоторых металлов IV периода
Наличие свободных электронов во всех металлических структурах обуславливает существование общих свойств металлов и объясняет их.
Электропроводность . Поскольку обобществленные валентные электроны не связаны с определенными катионами металлов, то под действием даже небольшой разности потенциалов электроны начинают перемещаться от (+) к (–), поэтому возникает электрический ток.
С увеличением температуры электропроводность уменьшается, т. к. с повышением температуры возрастает амплитуда колебаний катионов в металлической решетке, что затрудняет перемещение электронов между ними. С уменьшением температуры электропроводность резко возрастает (сверхпроводимость при абсолютном нуле).
11.2. Физические свойства металлов
Металлы считаются проводниками первого рода, которые проводят электрический ток, не изменяя своего химического состава, в отличие от проводников второго рода (расплавы, растворы), изменяющих состав. Причем подвижность ионов значительно (в сотни тысяч раз) ниже, чем электронов.
Электропроводность разных металлов различна. Наиболее высокая она у серебра. Если принять ее за 100 %, то относительная электропроводность меди равна 91–92 %; алюминия – 50 %; железа – 12 %.
Теплопроводность металлов высокая, что обуславливается наличием свободных электронов или электронного газа (аналогично электропроводности).
Прекрасная ковкость (пластичность) металлов объясняется легкостью скольжения в металлической решетке одних слоев катионов относительно других. Вместе с ними перераспределяются и связывающие их электроны, поэтому разрыва металлической связи не происходит. Если взять неметалл, например серу кристаллическую, ударить по ней молотком, то кристалл будет крошиться на мелкие кусочки, т. к. в сере электроны закреплены за конкретными атомами и если произойдет их сдвиг, то получается разрыв связи (ковалентной).
На пластичность металлов большое влияние оказывают примеси, которые уменьшают свободу перемещения электронов и уменьшают пластичность.
Первое место по пластичности занимает золото, его можно превратить в тончайший полупрозрачный лист и невидимую невооруженным глазом проволоку.
Температура кипения и температура плавления зависят от структуры металла. Чем прочнее металлическая решетка (металлическая связь), тем прочнее металл, выше температура кипения и плавления.
Оптические свойства . Подавляющее большинство металлов поглощает лучи коротких и длинных волн примерно одинаково, поэтому они имеют цвет от темного до серо-белого. Лишь немногие металлы не имеют характерной металлической окраски: медь – красного цвета; золото и цезий – желтого; висмут − красноватого оттенка. Металлическим блеском обладают металлы в компактном состоянии, и только некоторые сохраняют его в порошке (Al, Mg и др.). Наиболее яркий блеск имеют серебро, палладий, индий, благодаря чему они нашли применение в производстве зеркал.
Своеобразным свойством металлов является способность отражать от своей поверхности радиоволны . На нем основана радиолокация – обнаружение и установление местонахождения металлических объектов (самолетов, кораблей и др.) путем принятия «эха» посылаемых радиосигналов.
11.3. Химические свойства металлов
11.3. Химические свойства металлов
Химическую активность металла оценивают обычно по способности его атомов отдавать валентные электроны (восстановительные свойства). Мерой прочности связи электронов с ядром в атомах является энергия иони-
ции I, т. е. количество энергии, необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома.
В подгруппах s- и р-элементов (сверху вниз) наблюдается значительное увеличение радиуса атома и снижение энергии ионизации. Самые низкие значения энергии ионизации (4–5 эВ/моль) у щелочных металлов.
В соединениях s-металлы имеют постоянные степени окисления, равные номеру группы; их оксиды за исключением бериллия (соединения бериллия амфотерны) проявляют основные свойства; гидриды солеподобны, решетки их
построены из положительных ионов металлов и анионов водорода (ВаН 2 ). Образование связей у s- и p-металлов осуществляется главным образом
за счет s- и p-электронов, но, по мере увеличения в подгруппе главного квантового числа, sp-гибридные орбитали становятся менее устойчивыми и связи могут образовывать только p-электроны, поэтому в соединениях они могут
проявлять переменные степени окисления (SnCl 2 , SnCl 4 ). Оксиды их амфотерны и реже обладают кислотными свойствами (исключение составляют In 2 O и
Tl 2 O, проявляющие основные свойства). Гидриды – полимерные (AlH 3 ↑ ) или газообразные (SnH 4 , PbH 4 ) соединения с ковалентным типом связи.
В больших периодах между s- и p-элементами расположены d-металлы, получившие название переходных. В образовании связей у них могут принимать участие электроны s-, p- и d-подуровней, поэтому эти элементы (кроме Zn и Cd ) в соединениях могут проявлять переменную степень окисления. Характер их оксидов зависит от степени окисления металла. Оксиды с низкой степенью окисления элемента преимущественно основные. При наличии кислородных вакансий некоторые из них представляют собой металлоподобные вещества с металлической проводимостью или полупроводники. Оксиды с промежуточной степенью окисления металла обладают амфотерными свойствами, а с высшей − главным образом кислотными. Гидриды – кристаллические вещества с металлической проводимостью.
В подгруппах d-элементов с увеличением радиуса атомов энергия ионизации понижается, а затем, вследствие лантаноидного сжатия, повышается.
Читайте также: