Какие технические характеристики и физические свойства некоторых

Физические свойства некоторых металлов

Отношение массы тела к его объему является постоянной вели­чиной для данного вещества и называется плотностью.

Плотность и удельный вес имеют большое значение при вы­боре металлических материалов для изготовления различных из­делий. Так, детали и конструкции в приборостроении, в авиа- и вагоностроении наряду с высокой прочностью должны обладать малой плотностью. Из металлов, наиболее широко применяемых в технике, наименьшую плотность имеют магний и алюминий.

Все металлы как тела кристаллического строения переходят при определенной температуре из твердого состояния в жидкое и наоборот. Температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления.

Температура плавления является важным физическим свой­ством металлов. Знание температуры плавления металлов и спла­вов необходимо в металлургии, в литейном производстве, при горя­чей обработке металлов давлением, при сварке, пайке и других процессах, сопровождающихся нагреванием металлических мате­риалов.

Способность металлов передавать тепло­ту от более нагретых частей тела к менее нагретым называется теплопроводностью.

Среди металлических материалов лучшей теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Эти же металлы являются и лучшими проводниками электрического тока.

Теплопроводность металлов имеет большое практическое значе­ние. Из металлов и сплавов, обладающих высокой теплопроводно­стью, изготовляют детали машин, которые при работе поглощают или отдают теплоту.

Металлы и сплавы с низкой теплопроводностью для полного прогрева нуждаются в медленном и длительном нагревании. Быст­рый нагрев и быстрое охлаждение таких металлических материа­лов может вызвать образование трещин. Это необходимо учиты­вать при термической обработке, горячей обработке давлением, литье в металлические формы и т. д.

Различные вещества, в том числе и металлы, при нагревании расширяются, при охлаждении — сжима­ются. Неодинаковость величины теплового линейного расширения материалов характеризуется коэффициентом линейного расшире­ния α, который показывает, на какую долю первоначальной длины l₀ при 0 °С удлинилось тело вследствие нагревания его на 1°С. Единица измерения α — °С -1 .

Тепловое расширение металлов необходимо учитывать при изго­товлении и эксплуатации точных измерительных приборов и инст­рументов, изготовлении литейных форм, горячей обработке метал­лов давлением и в других случаях, связанных с нагреванием и охлаждением.

Детали точных приборов и измерительных инструментов изго­тавливаются из материалов с малым коэффициентом линейного расширения, детали автоматически действующих механизмов, которые, удлиняясь, должны замыкать электрическую цепь, делают из мате­риалов с большим коэффициентом линейного расширения.

Электропроводностью называется способность металлов про­водить электрический ток.

Высокой электропроводностью обладают те металлы, которые хорошо, т. е. без потерь на тепло, проводят электрический ток.

Магнитные свойства. Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. Сильно выраженными магнитными свойствами обладают желе­зо, никель, кобальт и их сплавы. Перечисленные выше металличе­ские материалы называют ферромагнитными. У остальных металлов и сплавов магнитные свойства выражены крайне слабо, поэтому практически они считаются немагнитными.

Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Магнитной проницаемостью называют способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа — 768°С, у никеля — 360° С, у кобальта — 1130° С.). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками (слабомагнитными материалами).

К химическим свойствам металлов следует отнести их спо­собность сопротивляться химическому или электрохимическому воздействию различных сред (коррозии) при нормальных и высо­ких температурах.

Рассмотренные выше физические свойства металлов обна­руживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением вещест­ва. Так, например, нагрев металлов или прохождение через метал­лы электрического тока не сопровождается химическими измене­ниями их. При химических же явлениях происходит превращение металлов в другие вещества с иными свойствами.

Многие металлы подвергаются химическому изменению под воз­действием внешней среды, т. е. разрушаются от коррозии. Мерой коррозионной стойкости служит скорость распростране­ния коррозии металлов в данной среде и в данных условиях: чем эта скорость меньше, тем металл более коррозионностоек.

Высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и в агрессивных средах обладают никель, титан и их сплавы. Титан и его сплавы по коррозионной стойкости приближаются к благородным ме­таллам.

Прочность — это способность материала сопротивляться дейст­вию внешних сил без разрушения.

Упругость — это способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.

Пластичность — это способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, и сохра­нять полученные деформации после прекращения действия внеш­них сил.

Механическими свойствами металлов называется совокуп­ность свойств, характеризующих способность металлических мате­риалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок).

К механическим свойствам металлических материалов относят­ся: прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость, хруп­кость, усталость, ползучесть и износостойкость.

Твердость — способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление).

Пластичность — способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки.

Вязкость – способность металла оказывать сопротивление быстровозрастающим (ударным) нагрузкам.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризу­ют их способность поддаваться различным методам горячей и хо­лодной обработки. К технологическим свойствам металлов и спла­вов относятся литейные свойства, ковкость, свариваемость, обраба­тываемость режущими инструментами, прокаливаемость.

Обрабатываемость металлов характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах. Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Красноломкасть — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с повышением температуры.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

Понятие сплава, их классификация и свойства.

В технике металлами называют все металлические материа­лы. К ним относятся простые металлы и сложные металлы — сплавы.

Простые металлы состоят из одного основного элемента и незна­чительного количества примесей других элементов. Например, тех­нически чистая медь содержит от 0,1 до 1% примесей свинца, вис­мута, сурьмы, железа и других элементов.

Сплавы — это сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими метал­лами или неметаллами. Например, латунь — сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь.

Химический элемент, входящий в состав металла или спла­ва, называется компонентом. Кроме основного компонента, преобла­дающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты, вводи­мые в состав сплава для получения требуемых свойств. Так, для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, сви­нец и другие легирующие компоненты.

По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные) и т. д. Кроме основных и легирующих компонентов, в сплаве содержатся примеси других эле­ментов.

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жид­ком состоянии. Другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Способность металлов к взаимному растворению создает хорошие условия для получения большого числа сплавов, обладаю­щих самыми разнообразными сочетаниями полезных свойств, ко­торых нет у простых металлов.

Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т. д. Вот почему они применяются в технике значительно шире простых металлов. Например, железо — мягкий металл, почти не применяющийся в чистом виде. Зато самое широ­кое применение в технике имеют сплавы железа с углеродом — ста­ли и чугуны.

На современном этапе развития техники наряду с увеличе­нием количества сплавов и усложнением их состава большое зна­чение приобретают металлы особой чистоты. Содержание основного компонента в таких металлах составляет от 99,999 до 99,999999999% и более. Металлы особой чистоты нужны ракетостроению, атомной, электронной и другим новым отраслям техники.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1) механические смеси;

2) химические соединения;

3) твердые растворы.

1) Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, ко­гда они в твердом состоянии не растворяются друг в друге и не вступают в химическое взаимодействие. Сплавы — механические смеси (например, свинец — сурьма, олово — цинк) неоднородны по своей структуре и представляют смесь кристаллов данных компо­нентов. При этом кристаллы каждого компонента в сплаве полно­стью сохраняют свои индивидуальные свойства. Вот почему свой­ства таких сплавов (например, электросопротивление, твердость и др.) определяются как среднее арифметическое от величины свойств обоих компонентов.

2) Твердые растворы характеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основ­ного металла-растворителя и атомами растворимого элемента. Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы за­мещения и твердые растворы внедрения.

К таким сплавам относятся ла­туни, медноникелевые, железохромистые и др.

Сплавы — твердые растворы являются самыми распространен­ными. Их свойства отличаются от свойств составляющих компонен­тов. Так, например, твердость и электросопротивление у твердых растворов значительно выше, чем у чистых компонентов. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

3) Химические соединения, подобно твердым растворам, явля­ются однородными сплавами. При их затвердевании образуется совершенно новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих сплав компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. Химические соединения образуются при строго опре­деленном количественном соотношении сплавляемых компонентов. Состав сплава химического соединения выражается химической формулой. Эти сплавы обладают обычно высоким электросопротив­лением, большой твердостью, малой пластичностью. Так, химиче­ское соединение железа с углеродом — цементит (Fe₃C) тверже чистого железа в 10 раз.

Диаграммы состояния сплавов

Д иаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры.

По диаграмме состояния можно судить о структурных превра­щениях, происходящих в любом сплаве данной системы при нагре­вании и медленном охлаждении. Имея диаграмму состояния, мож­но заранее определять технологические и механические свойства всех сплавов данной системы. Она позволяет также установить тем­пературы начала и конца кристаллизации сплавов, что имеет боль­шое практическое значение. Кроме того, диаграмма состояния по­зволяет выбрать из данной системы сплавы определенного состава, наиболее удовлетворяющие требованиям практики.

Существуют различные типы диаграмм состояния: двойных сплавов, тройных сплавов и т. д.

Для примера рассмотрим диаграмму состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состоянии. Такими сплавами, образующими твердые растворы, являются сплавы системы медь — никель (Сu — Ni).

Рисунок 4 — Диаграмма состояния сплавов системы медь – никель

Сплавы в отличие от простых металлов плавятся обычно не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур.

Чёрные и цветные металлы

Все применяемые в технике металлы делятся на черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь и чу­гун). Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветных металлов.

Наибольшее распространение в технике получили черные ме­таллы. Это обусловлено большими запасами железных руд в зем­ной коре, сравнительной простотой технологии выплавки черных ме­таллов, их высокой прочностью.

Основными металлическими материалами современной техники являются сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержа­ния углерода эти сплавы делятся на стали и чугуны.

Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью. Цветные металлы дороже черных. Во всех случаях, когда это возможно, их заменяют черными металла­ми, пластмассами и другими материалами. Однако цветные метал­лы имеют ценные свойства, которые делают их применение в тех­нике неизбежным. Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и применяются в электропромышлен­ности. Сплавы магния, алюминия и титана благодаря малому удель­ному весу широко применяются в самолетостроении и т. д.

Из большого числа цветных металлов и сплавов наибольшее распространение получили сплавы меди, алюминия, магния и титана.

Цветные металлы условно подразделяются на:

а) легкие (литий, магний, бериллий, алюминий, титан и др.), обладающие малой плотностью;

б) легкоплавкие (ртуть, цезий, олово, свинец, цинк и др.), име­ющие низкую температуру плавления; самую низкую температу­ру плавления имеет ртуть ( — 38,87° С).

в) тугоплавкие , имеющие температуру плавления более высокую, чем же­лезо (т. е. выше 1539° С);

Самый тугоплавкий металл — вольфрам. Его температура плавле­ния 3380° С. Высокую температуру плавления имеют также тантал (2996° С), ниобий (2468° С), молибден (2610° С), ванадий (1919° С) и др.

Из тугоплавких металлов и сплавов изготавливают детали, ра­ботающие при высоких температурах. Особенно возросла роль тугоплавких металлов в связи с разви­тием новых отраслей техники — электроники, ядерной энергети­ки, ракетной и космической техники. Тугоплавкие металлы приме­няют также как легирующие добавки к сталям.

г) благородные (золото, серебро, металлы платиновой группы), обладающие высокой устойчивостью против коррозии;

д) урановые металлы (уран, торий и д.р.) — актиноиды, используемые в атомной технике;

е) редкоземельные (РЗМ) (скандий, иттрий, лантан и ланта­ноиды), применяемые в качестве присадок к сплавам других эле­ментов;

ж) щелочноземельные (натрий, калий, литий), не находящие применения в свободном состоянии (за исключением особых случа­ев, например в качестве теплоносителей в ядерных реакторах).

Металлы. Свойства, характеристики металлов

Металлы (от лат. metallum – шахта, рудник, копь) – наиболее широко используемый класс конструкционных материалов, применение которых наряду с неметаллами и композитами позволяет решать почти любые технологические задачи. К металлам принято относить элементы, обладающие характерными металлическими свойствами (высокой тепло- и электропроводностью, повышенной пластичностью и т. д.).

Число элементов, проявляющих свойства металлов, гораздо больше по сравнению с числом элементов, характеризующихся неметаллическими свойствами. Металлы расположены в I и II группах Периодической системы Д. И. Менделеева, а также образуют побочные подгруппы III–VIII групп. Ряд элементов проявляет амфотерные свойства (амфотерность – двойственность, способность некоторых соединений в зависимости от условий демонстрировать как кислотные, так и основные свойства).

Металлические свойства элементов определяются способностью атомов при взаимодействии с атомами других элементов частично или полностью смещать к ним электронные облака или «отдавать» электроны, т. е. проявлять при взаимодействии восстановительные свойства.

К самым активным металлам относятся элементы, обладающие:

• низкой энергией ионизации;
• большим радиусом атома;
• малым числом внешних электронов;
• небольшим значением электроотрицательности.

По мере заполнения внешнего энергетического уровня электронами их число на валентном уровне атомов элементов растет, а радиус атомов уменьшается, поэтому в большей степени проявляется склонность атомов к присоединению, а не к отдаче электронов. В связи с этим в периоде при движении слева направо металлические свойства элементов постепенно уменьшаются, а неметаллические – увеличиваются.

Имея больший радиус атома, металлы характеризуются, как было сказано выше, сравнительно низкими значениями энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательности. Эти особенности влияют на преобладание у металлов восстановительных свойств, т. е. способности их атомов отдавать электроны. Ярче всего восстановительные свойства выражены у атомов металлов I и II групп главных подгрупп или у s-элементов. Самым сильным восстановителем является франций, а в водной среде – литий, выделяющийся за счет более высокого значения энергии гидратации образующихся катионов металла.

Число элементов, проявляющих металлические свойства, внутри периодов возрастает по мере увеличения номера периода. Так, во втором периоде это два элемента, в третьем – три, в четвертом – тринадцать и т. д.

В Периодической таблице металлические элементы отделены от неметаллических диагональной линией, проходящей от бора к астату. Вдоль этой границы располагаются элементы, одновременно проявляющие свойства и металлов, и неметаллов. К ним относятся бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, теллур и астат, которые называются полуметаллами или металлоидами. Таким образом, внутри каждого периода имеется «пограничная зона», где располагается элемент, имеющий двойственные свойства. Соответственно переход от типичного металла к типичному неметаллу в периоде происходит постепенно.

Начиная с 3-го периода у атомов появляются новые подуровни. Поэтому увеличивается число свободных орбиталей и, следовательно, возрастает между атомами количество связей, способствующих образованию сложных молекул, таких как комплексные соединения. В комплексных соединениях связь чаще всего образуется по донорно-акцепторному механизму. В роли акцептора, как правило, выступает положительно заряженный ион металла. Практически все элементы могут исполнять роль комплексообразователя, но наибольшее число комплексных соединений характерно для d-элементов 4-, 5- и 6-го периодов системы. Следовательно, элементы побочных подгрупп (В) более склонны к комплексообразованию, чем элементы главных подгрупп (А).

1. Физические свойства металлов

Почти все металлы, за исключением франция и ртути, в стандартных условиях находятся в твердом состоянии. При нагревании до определенной температуры они плавятся, а при еще более высоких температурах переходят в газообразное состояние.

Твердость металлов, а также их температура плавления обусловлены прочностью пространственной кристаллической решетки. Самые мягкие – щелочные металлы, которые легко режутся ножом. Наиболее твердые – металлы VIВ группы, особенно хром; по твердости он приближается к алмазу и режет стекло.

Изменение температуры плавления можно проследить по таблице Д. И. Менделеева: каждый период начинается с металла, имеющего очень низкий показатель. По мере увеличения заряда ядра атома температура плавления растет и достигает максимума в группе хрома, где находится самый тугоплавкий металл – вольфрам (3390 °С). Далее она снижается

и достигает минимума в подгруппе цинка, где находится самый легкоплавкий металл – ртуть (–38,9 °С). Металлы, температуры плавления которых выше 1000 °С, называют тугоплавкими, а ниже 100 °С – легкоплавкими.

Металлический блеск является следствием отражения световых лучей, а его интенсивность определяется долей поглощаемого света. Большинство металлов почти полностью отражают свет всех длин волн спектра, в связи с чем имеют белый или серый цвет. Наиболее ярко блестят палладий и серебро. Некоторые металлы (медь, золото, цезий) поглощают зеленый или голубой свет сильнее, чем свет других длин волн, поэтому окрашены в желтый или красный цвета.

В мелкораздробленном состоянии многие металлы теряют блеск. Например, железо, платина, хром становятся черного или серого цвета, тогда как алюминий и магний в порошкообразном состоянии продолжают блестеть. Интенсивность блеска зависит от доли поглощенного света: чем меньше света поглощает металл, тем более интенсивным будет блеск.

Все металлы полностью отражают радиоволны, что используется для обнаружения различных металлических объектов с помощью радиоволн (радиолокация).

Теплота сублимации – это характеристика, представляющая собой энергию, необходимую для перевода определенной массы металла в парообразное состояние. Теплота сублимации является мерой прочности связи в кристаллической решетке металла. В каждом периоде таблицы Д. И. Менделеева с увеличением порядкового номера теплота сублимации возрастает и достигает максимума для металлов подгруппы хрома, затем снижается до минимального значения в подгруппе цинка. Характер изменения значений теплоты сублимации в побочных подгруппах аналогичен изменению температур плавления и кипения металлов.

Электропроводность обусловлена присутствием в металле свободных электронов, которые направленно перемещаются при наложении электрического тока. Металлы – проводники 1-го рода, поскольку проводят электрический ток без изменений своей структуры. При нагревании электропроводность уменьшается, так как усиливается колебательное движение ионов, что затрудняет движение электронов. При охлаждении же электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля она стремится к бесконечности – это так называемое явление сверхпроводимости.

Теплопроводность – это свойство металлов, обеспечиваемое взаимодействием электронов проводимости с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. Теплопроводность связана с электропроводностью: у металлов с высокой электропроводностью теплопроводность так же высока.

Пластичность металлов представляет собой легкость деформации, особенно проявляющуюся при высоких температурах. Обусловлена она тем, что под внешним воздействием одни слои в кристаллах легко перемещаются (скользят) относительно других без разрыва. Благодаря этому большинство металлов прокатывается в листы, вытягивается в проволоку, поддается ковке, прессованию и т. д. Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Механически прочные металлы деформируются только под воздействием больших нагрузок.

Плотность – это критерий, лежащий в основе разделения металлов на легкие и тяжелые. Металлы, плотность которых меньше 5 г/см 3 , условно принято называть легкими, а более 5 г/см 3 – тяжелыми. Самый легкий из металлов – литий (плотность 0,53 г/см 3 ), а самый тяжелый – осмий (плотность 22,6 г/см 3 ). К легким относятся щелочные, щелочноземельные металлы, а также бериллий, алюминий, скандий, иттрий и титан, а к тяжелым – все остальные.

Плотность металлов связана с температурой их плавления. Легкие металлы обычно самые легкоплавкие, например, цезий с плотностью 1,87 г/см 3 плавится при температуре +28 °С, а вольфрам с плотностью 19 г/см 3 имеет температуру плавления, равную +3380 °С.

Фотоэлектрический эффект – это свойство металлов выбрасывать электроны с поверхности под действием электромагнитных волн, что обусловлено слабой связью валентных электронов с ядром. Чем слабее эта связь, тем меньше энергии необходимо для отрыва электрона. Именно поэтому в щелочных металлах фотоэлектрический эффект выражен сильнее.

На границе раздела двух металлов возникает контактная разность потенциалов, вызванная различной концентрацией электронов проводимости и разной работой выхода электронов у соприкасающихся поверхностей.

Полиморфизм – это явление существования металла в разных формах в твердом состоянии, или способность принимать различные кристаллические формы. Полиморфные модификации отличаются как внутренней структурой, так и физическими свойствами. Например, у железа известны α-, β-, γ-формы. Модификация α- железа устойчива при низких температурах, β– при более высоких.

Магнитные свойства присущи фактически всем металлам, поскольку они являются магнетиками – веществами, изменяющими или приобретающими магнитный момент под действием внешнего (стороннего) магнитного поля. Мерой измерения магнитных свойств металлов служат следующие величины: остаточная индукция, коэрцитивная сила и магнитная проницаемость (магнитная восприимчивость).

Металлы по магнитным свойствам могут быть разделены на три основные группы:

• диамагнетики – выталкиваются из магнитного поля и ослабляют его;
• парамагнетики – втягиваются магнитным полем, незначительно усиливая его;
• ферромагнетики – усиливают магнитное поле на порядки величин.

К диамагнетикам относятся такие металлы, как медь, серебро, золото, кремний, бериллий и металлы подгруппы цинка, галлия, германия. Им свойственна отрицательная магнитная восприимчивость, поскольку под действием внешнего магнитного поля в них возникает намагниченность, направленная ему навстречу. Парамагнетики – металлы с небольшой положительной восприимчивостью (в основном щелочные и щелочноземельные), которые намагничиваются в направлении внешнего поля. Ферромагнетики включают металлы, обладающие высокой магнитной восприимчивостью – это железо, кобальт, никель. Есть металлы и сплавы, которые не принадлежат трем упомянутым группам: антиферромагнетики (ряд редкоземельных металлов), ферриты (соединения оксида железа) и т. д.

Металлы, применяемые в технике, подразделяются на черные (железо и его сплавы), цветные (все остальные, включая магний и алюминий), драгоценные (золото, платина, палладий, иридий), редкие (цирконий, иттрий, лантан, церий и др.).

2. Типы кристаллических решеток

Все металлы в твердом состоянии представляют собой кристаллы. Кристалл – это совокупность атомов, расположенных в пространстве не хаотично, а в геометрически правильной последовательности. Пространственное расположение атомов и образует кристаллическую решетку.

В узлах пространственной кристаллической решетки металла правильно расположены положительно заряженные ионы, а между ними перемещаются свободные электроны – электронный газ. Переходя от одного катиона к другому, они осуществляют связь между ионами и превращают кристалл металла в единое целое. Эта связь, называемая металлической, возникает между атомами металлов за счет перекрывания электронных облаков внешних электронов. Металлическая связь отличается от неполярной ковалентной связи своей ненаправленностью. В кристалле металлического типа электроны не закреплены между двумя атомами, а принадлежат всем атомам данного кристалла, т. е. делокализованы. К особенности структуры металлических кристаллов относятся большие координационные числа – 8÷12, которым соответствует высокая плотность упаковки.

Кристаллическая решетка каждого металла состоит из положительно заряженных ионов одинакового размера, расположенных в кристалле по принципу наиболее плотной упаковки шаров одинакового диаметра.

Различают три основных типа упаковки, или кристаллической решетки.

1. Объемноцентрированная кубическая решетка с координационным числом, равным 8 (натрий, калий, барий). Атомы металла расположены в вершинах куба, а один – в центре объема. Плотность упаковки шарообразными ионами в этом случае составляет 68 %.

2. Гранецентрированная кубическая решетка с координационным числом, равным 12 (алюминий, медь, серебро). Атомы металла расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Плотность упаковки – 74 %.

3. Гексагональная решетка с координационным числом 12 (магний, цинк, кадмий). Атомы металла расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а еще три – в ее средней плоскости. Плотность упаковки – 74 %.

Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Это явление, получившее название анизотропия, характерно для одиночных кристаллов – монокристаллов. Однако большинство металлов в обычных условиях имеют поликристаллическое строение, т. е. состоят из значительного числа кристаллов, или зерен, каждое из которых анизотропно. Разная ориентировка отдельных зерен приводит к усреднению свойств поликристаллического металла.

Особенности кристаллических решеток обусловливают характерные физические свойства металлов.

3. Характеристика химических свойств металлов

3.1. Восстановительная способность

Все металлы в свободном состоянии – восстановители, поэтому в соединениях их степени окисления всегда положительны. Химическая активность металлов, т. е. их способность отдавать электроны, может быть охарактеризована с помощью двух величин: энергии ионизации и стандартного электродного потенциала. Различие между этими величинами заключается в том, что энергия ионизации влияет на процесс отрыва электрона от атомов металлов в газовой фазе, а электродные потенциалы изменяют свойства металлов в растворах.

Энергия ионизации (Е_и) – энергия, необходимая для удаления электрона из изолированного атома на бесконечно большое расстояние:

Электродный потенциал (Е 0 ) количественно характеризует способность металла отдавать электроны в растворе, т. е. его восстановительные свойства:

Интенсивность взаимодействия металлов с элементарными окислителями определяется не только энергией ионизации атома металла, но и энергией сродства к электрону, и энергией диссоциации молекулярного окислителя. Последнее служит объяснением более легкого окисления металлов галогенами, чем кислородом или азотом, обладающими высокими значениями сродства к электрону.

Внутри каждого периода таблицы Д. И. Менделеева при движении слева направо энергия ионизации повышается: наименьшей энергией характеризуется щелочной металл, а наибольшей – благородный газ. Тогда как в пределах одной группы с возрастанием заряда ядра энергия ионизации, наоборот, уменьшается, так как радиус атома увеличивается, а притяжение электрона к ядру ослабевает. Следовательно, в периоде восстановительная способность атомов элементов уменьшается, а в группе увеличивается.

Все металлы окисляются фтором и могут окисляться хлором. Большинство из них, кроме золота и платины, окисляются бромом в кислой среде. Продуктами такого взаимодействия являются высшие галиды металлов.

С кислородом металлы взаимодействуют менее энергично, что объясняется высоким значением энергии диссоциации его молекулы. Продуктами такого взаимодействия являются, как правило, оксиды, хотя в некоторых случаях возможно образование пероксидов.

С азотом многие металлы вообще не взаимодействуют. Лишь некоторые, способные гореть в атмосфере азота, образуют нитриды. Такая устойчивость обусловлена высокой энергией диссоциации молекулы азота. Атомарный же азот легко взаимодействует со многими металлами с образованием нитридов.

С серой почти все металлы взаимодействуют при нагревании. Особенно легко они реагируют на расплавленную серу. Продуктами такого взаимодействия являются сульфиды металлов.

С водородом активные металлы взаимодействуют с образованием гидридов. Легкость перехода атомов металлов в гидратированные ионы зависит не только от химической активности металла, но и от энергии гидратации его иона.

Сравним свойства двух металлов: лития и цезия. Оба они относятся к s-элементам I группы, но литий находится во втором периоде, а цезий – в шестом. Поскольку радиус атома цезия больше, чем радиус атома лития, то энергия ионизации лития (5,39 эВ) больше, чем цезия (3,89 эВ). Ионы лития лучше гидратируются, благодаря чему в водных растворах он является более сильным восстановителем. А вот в твердом виде наиболее активным металлом и эффективным восстановителем становится цезий.

Металлы при взаимодействии с кислородом (прямом или косвенном) образуют основные оксиды, гидроксиды которых проявляют основные свойства: металл (Ме) → основной оксид (Ме_хО_у) → гидроксид или [Ме(ОН)_х] основание. Например:

Оксид и гидроксид кальция проявляют основные свойства, поэтому могут взаимодействовать с кислотными оксидами и с кислотами:

В периоде основные свойства оксидов и гидроксидов уменьшаются:

В группе основные свойства соединений увеличиваются:

Если металл может образовывать соединения с разными степенями окисления, то свойства соединений будут зависеть от степени окисления элемента.

С возрастанием степени окисления металла основные свойства соединений уменьшаются, а кислотные свойства увеличиваются:

Взаимодействие металлов с водородными соединениями зависит от агрегатного состояния водородного соединения и от температуры. В основном галогенводороды реагируют с металлами при высокой температуре. При этом образуются соответствующие галиды металлов и выделяется водород:

С активными металлами данная реакция протекает при обычной температуре.

Взаимодействие металлов с водой определяется их активностью. Активные металлы вытесняют водород из воды при комнатной температуре:

Действие воды на металлы усиливается в присутствии кислорода. Если малоактивные металлы в обычных условиях с водой не взаимодействуют, то в присутствии растворенного кислорода достаточно легко окисляются:

Сероводород (H₂S) взаимодействует с металлами преимущественно при высоких температурах с выделением водорода и образованием сульфидов, а в случае активных металлов – гидросульфидов.

Газообразный аммиак (NH₃) действует на металлы также при высоких температурах, образуя при этом нитриды или гидронитриды (амиды) металлов. Однако жидкий аммиак активными металлами разлагается:

Образование пассивных пленок. Взаимодействие многих металлов с фтором, хлором, бромом и кислородом тормозится пассивными пленками. Они образуются на поверхности металла и имеют особую структуру, благодаря которой обладают такими свойствами как прочность, высокая плотность, инертность и т. д. Наибольшая склонность к пассивации отличает алюминий, бериллий и d-металлы: титан, хром, железо.

Токсичность. Пыль и пары многих металлов являются токсичными. Примером могут служить бериллий, ртуть, свинец, кадмий, серебро, никель, таллий, радий, индий и т. д. Степень токсичности определяется значением предельно допустимой концентрации (ПДК). Так, для бериллия ПДК = 10 –3 мг/м 3 , для таллия – 10 –1 мг/м 3 .

Комплексообразование. Большинство металлов являются комплексообразователями за счет вакантных (свободных) орбиталей: [Cu(NH₃)₄]Cl₂; K₂[HgI₄].

Способность к комплексообразованию возрастает с увеличением заряда иона-комплексообразователя и уменьшением его радиуса.

3.2. Отношение металлов к кислотам

Взаимодействие с серной кислотой – H₂SO₄

1. Разбавленная H₂SO₄. Окислителем в разбавленной серной кислоте является ион водорода Н + . Следовательно, в реакцию могут вступать металлы, чей

стандартный электродный потенциал меньше, чем у водорода (Е 0 _Me > Е 0 _H = 0) :

2. Концентрированная H₂SO₄. Окислителем в этом случае является атом серы со степенью окисления +6 – S +6 . В зависимости от активности металла реакция может быть разной:

• металлы низкой активности (Е 0 _Me < Е 0 _H ) восстанавливают серную кислоту до диоксида серы:

• металлы средней активности, для которых справедливо соотношение Е 0 _Mn = – 1,05 ≤ Е 0 _Me < Е 0 _H, восстанавливают серу серной кислоты до простого вещества:

• металлы высокой активности ( Е 0 _Me < Е 0 _Mn ) вытесняют из серной кислоты сероводород, в котором степень окисления серы минимальна и равна – 2:

Взаимодействие с азотной кислотой – HNO₃

1. Разбавленная HNO₃. Окислителем в азотной кислоте всегда является атом N +5 , поэтому при взаимодействии с металлами из нее никогда не выделяется водород. Возможны три варианта взаимодействия металлов разной активности с разбавленной HNO₃:

• металлы низкой активности ( Е 0 _Me > Е 0 _H ) способны восстанавливать азот азотной кислоты до степени окисления +2:

• металлы средней активности ( Е 0 _Mn = – 1,05 ≤ Е 0 _Me < Е 0 _H) восстанавливают азотную кислоту до простого вещества N₂ (или до закиси азота N₂O):

• металлы высокой активности ( Е 0 _Me < Е 0 _Mn) способны восстановить азот азотной кислоты до минимальной степени окисления –3:

2. Концентрированная HNO₃. В этом случае различают лишь два варианта взаимодействия с металлами:

• металлы низкой активности ( Е 0 _Me > Е 0 _H) восстанавливают азотную кислоту до диоксида азота NO₂, в котором степень окисления азота равна +4:

• активные металлы (Е 0 _Ме < Е 0 _Н) при растворении в концентрированной кислоте выделяют из нее оксид азота (II):

Такие металлы, как Fe, Al, Cr, Ti не взаимодействуют с концентрированной HNO₃ вследствие явления пассивации.

Разложение нитратов металлов разной активности. От активности металла зависит состав продуктов разложения солей азотной кислоты. Возможны три варианта термического разложения нитратов металлов разной активности:

1. стоящие в ряду напряжений до Mg при разложении образуют соответствующие нитриты и кислород: MeNO₃ → MeNO₂ + O₂;
2. расположенные в ряду напряжений в диапазоне «Mg – Cu» разлагаются с образованием соответствующих оксидов, диоксида азота и кислорода: MeNO₃ → MeO + NO₂ + O₂;
3. находящиеся в ряду напряжений после Cu разлагаются с выделением металла в виде простого вещества, диоксида азота и кислорода: MeNO₃ → Me + NO₂ + O₂.

4. Металлические сплавы

В твердом состоянии металлы практически не взаимодействуют друг с другом, однако в расплавленном состоянии могут иметь место и растворение, и взаимодействие. Различные расплавленные металлы в большинстве случаев смешиваются друг с другом в любых соотношениях, образуя жидкие однородные системы. В отдельных случаях наблюдается неполная взаимная растворимость. Например, расплавленные цинк и свинец при смешивании образуют двухслойную жидкую систему, фазы которой представляют собой растворы цинка в свинце и свинца в цинке.

Отличительные признаки смешанных металлических расплавов проявляются в процессе их кристаллизации при охлаждении в некотором температурном интервале. Система при этом затвердевает, образуя металлический сплав.

Металлические сплавы – это вещества, обладающие свойствами металлов и состоящие из двух и более компонентов, из которых хотя бы один является металлом.

Природа затвердевших сплавов зависит от отношения друг к другу составляющих их компонентов. При сходстве кристаллических решеток они взаимно растворимы друг в друге даже в твердом состоянии. Из их расплавов при охлаждении кристаллизуются твердые растворы, представляющие собой кристаллы с решетками, в узлах которых попеременно располагаются ионы составляющих металлов, например, медь – серебро. При близости параметров кристаллических решеток составляющих металлов наблюдается их неограниченная растворимость друг в друге, т. е. могут образовываться твердые растворы с любым содержанием исходных веществ. Системы с полной взаимной растворимостью – это непрерывные твердые растворы: Ag – Au, Ni – Co, Cu – Ni, Mo – W.

Твердые растворы металлов обладают свойствами, качественно напоминающими свойства индивидуальных металлов, но количественно отличающимися от них в зависимости от состава. Например, латунь (сплав Cu – Zn) имеет прочность на разрыв, которая в 3 раза больше, чем у меди и в 6 раз, чем у цинка, а нержавеющая сталь (сплав Fe – Cr – Ni) устойчива в разбавленной H₂SO₄, тогда как чистый металл Fe в ней растворяется.

Среди компонентов твердого раствора различают металл-растворитель и растворенный металл. Растворителем считается металл, сохраняющий свою кристаллическую решетку при образовании раствора, и содержание которого в растворе должно быть не меньше определенного значения. Ионы растворяемого металла постепенно замещают в кристаллической решетке ионы металла-растворителя (растворы замещения) или располагаются между ними (растворы внедрения). В том случае, когда различные металлы с близкими кристаллическими решетками способны образовывать твердые растворы в любых количественных соотношениях, отличить растворенный металл от металла-растворителя нет возможности: приходится считать, что они взаимно растворяют друг друга.

Ионы растворенного металла изменяют средние размеры элементарной ячейки металла-растворителя. При образовании твердых растворов замещения параметры решетки изменяются в зависимости от разности ионных диаметров растворенного металла и растворителя. При образовании твердых растворов внедрения параметры решетки увеличиваются, так как размеры ионов растворенного металла больше межионных помежутков, в которых они располагаются.

Однако чаще всего растворимость твердых металлов друг в друге ограничена, т. е. в твердой фазе содержание одного из металлов не может превысить некий предел. В этом случае при полном затвердевании расплава из двух металлов образуется неоднородный сплав, состоящий из двух твердых фаз, одна из которых представляет собой насыщенный раствор первого металла во втором, а другая – насыщенный раствор второго металла в первом. Иногда растворимость настолько ничтожна, что отдельные твердые фазы образовавшегося сплава можно считать состоящими практически из индивидуальных металлов.

Многие металлы, взаимно растворимые в расплавленном состоянии, при охлаждении образуют смесь кристаллов с различной кристаллической решеткой. Температура плавления (Т_пл) такой смеси меньше Т_пл отдельных компонентов.

Состав, имеющий минимальную Т_пл, называется эвтектикой. Эвтектический сплав состоит из мельчайших кристаллов индивидуальных компонентов. Его образуют металлы очень близкие по природе, но существенно отличающиеся по типу кристаллической решетки, например, Рb – Sn, Pb – Sb, Cd – Bi, Sn – Zn. Эвтектические сплавы имеют высокую твердость и прочность.

В некоторых случаях при взаимодействии двух металлов образуются химические соединения, именуемые интерметаллидами. Большинство этих соединений устойчивы только в твердом состоянии, так как их формульный состав не соответствует классическим представлениям о валентности элементов, например, TiBe₁₂. Очень часто интерметаллиды имеют переменный состав, так как в твердом состоянии способны растворяться в металлах и других интерметаллических соединениях.

Интерметаллиды представляют собой соединения с металлической связью между входящими в их состав атомами. Термическая прочность таких соединений невысока: большинство из них при плавлении частично или полностью разлагается.

Интерметаллические соединения выглядят как металлоподобные вещества. Однако типичные для металлов физические свойства у интерметаллидов проявляются слабее. Обычно у них и электропроводность меньше, чем у компонента с низшей электрической проводимостью, и теплопроводность, и блеск, и пластичность существенно уступают соответствующим элементарным металлам. По химическим же свойствам интерметаллиды им подобны. Некоторые сравнительно прочные интерметаллические соединения в расплавленном состоянии могут подвергаться электролизу, причем на катоде выделяется более активный металл, на аноде – менее активный.

Металлические сплавы можно получить разными способами. Например, спеканием, суть которого заключается в том, что при высокой температуре и под большим давлением в смеси порошкообразных металлов осуществляется их взаимная диффузия.

Другой способ получения металлических сплавов – электролиз смеси электролитов, при котором на катоде одновременно восстанавливаются ионы двух или более металлов.

Кроме того, металлические сплавы образуются при возгонке нескольких металлов, когда из смеси паров происходит одновременная конденсация, сопровождающаяся взаимной диффузией компонентов друг в друга.

Композиционные материалы. Композиты получают путем объемного сочетания химически разнородных компонентов при сохранении между ними границы раздела. Свойства композитов существенно отличаются от свойств входящих в них компонентов.

Композиты состоят из основы (матрицы) и добавок (порошки, волокна, стружка). В качестве основы используют металлы, керамику, полимеры.

1. Если основой служат металлы, то добавками могут быть металлические нитевидные кристаллы, неорганические волокна и порошки: Al₂O₃, SiO₂ и т. д.
2. Если основой является керамика, то добавками выступают металлы. Например, основа – Al₂O₃, Cr₂O₃, MgO, ZrO₂ и т. д., добавки – Mo, W, Ta, Ni, Co. Такие композиты называются керамико-металлическими материалами (керметами).

Композиты характеризуются высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, благодаря чему их используют в качестве конструкционных материалов, контактов, подшипников, инструментов и т. д.

5. Распространение в природе и способы получения металлов

Значительная часть металлов находится в земной коре в виде различных соединений, и только малоактивные (благородные) встречаются в свободном или самородном состоянии.

Содержание наиболее распространенных металлов в земной коре можно представить следующим образом (масс. %): алюминий – 8,45; железо – 4,4; кальций – 3,3; натрий – 2,6; калий – 2,5; магний – 2,1; титан – 0,61.

Из природных соединений металлов в большей степени распространены оксиды, входящие в состав горных пород, и сульфиды (железа, никеля, меди, цинка и др.). Встречаются также фториды и хлориды – преимущественно щелочных и щелочноземельных металлов. Некоторые металлы присутствуют в виде солей кислородсодержащих кислот (карбонаты, силикаты, сульфаты, фосфаты и т. д.).

Главным источником получения металлов являются руды – скопления металлосодержащих минералов, входящих в состав горных пород. Металлы в составе руд находятся в окисленном состоянии, поэтому основным способом их получения является процесс восстановления. Если в руде содержатся разные металлы, ее подвергают расщеплению на отдельные соединения металлов путем химической обработки. Так, при воздействии на полиметаллические руды хлора (в присутствии восстановителя) образуются хлориды нескольких металлов, которые благодаря разной степени летучести могут быть отделены друг от друга и от непрохлорированной части руды. Чистые хлориды ряда металлов восстанавливают активными металлами до свободных металлов.

Иногда сложные полиметаллические руды с целью получения сложных сплавов подвергают восстановлению без предварительного разделения. Поскольку они бывают загрязнены так называемой пустой породой, которая затрудняет восстановление, то процессу получения металла предшествует очистка руды или ее обогащение механическими, химическими, физико-химическими и другими методами. Из физико-химических наибольшее распространение получил метод флотации, основанный на различной смачиваемости водой частиц смеси различных материалов.

Чистые оксиды металлов легче и удобнее поддаются процессу восстановления. В связи с этим водные оксиды обезвоживают, а сульфидные руды переводят в оксидные путем окислительного обжига.

Руды с небольшим содержанием металлов подвергают гидрометаллургической переработке водными растворами кислот или щелочей. При этом соединения некоторых металлов переходят в раствор.

Таким образом, наиболее распространенными способами получения металлов являются пирометаллургия и гидрометаллургия.

1. Пирометаллургия – восстановление металлов, при котором в качестве восстановителей используют углерод (карботермия), водород, металлы-восстановители (металлотермия):

Если при восстановлении соединений металлов используется алюминий, метод получения называется алюмотермией. Алюмотермические методы применяют при извлечении из оксидов тугоплавких металлов (ванадий, хром, молибден и др.). Иногда в качестве восстановителя требуется магний. Метод магнийтермии нашел применение при получении титана, циркония, тантала из хлоридов этих металлов.

Углерод по своей восстановительной активности уступает многим металлам. Тем не менее, карботермия имеет широкое распространение при восстановлении металлов малой активности (медь) и средней (железо, цинк, свинец).

2. Гидрометаллургия – восстановление металлов, протекающее из водных растворов их солей при обычной температуре. При этом восстанавливаемый металл находится в мелкораздробленном состоянии. В качестве восстановителей используют активные металлы.

3. Электрометаллургия – процесс получения металлов под воздействием постоянного электрического тока, протекающего через раствор или расплав соли металла:

Электролизом водных растворов получают сравнительно малоактивные металлы (медь, серебро, никель и т. д.). А электролизом расплавов солей – высокоактивные (щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий).

Получение чистых металлов. Некоторые отрасли промышленности и техники нуждаются в металлах особой чистоты. Например, они востребованы при конструировании ядерных реакторов, в электронной и медицинской технике. Особо чистые металлы отличаются по своим физическим свойствам от обычных. Такие свойства, как пластичность, электро- и теплопроводность, а также сопротивление коррозии у чистых металлов имеют более высокие значения.

В настоящее время проблема получения чистых и сверхчистых металлов решается разными способами.

Свойства металлов

Металлы, это группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск. В данной статье все свойства металлов будут представлены в виде отдельных таблиц.

Свойства металлов

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства металлов

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.

Удельный вес металла — это отношение веса однородного тела из металла к объему металла, т.е. это плотность в кг/м 3 или г/см 3 .

Плавкость металла — это способность металла расплавляться при определенной температуре, называемой температурой плавления.

Электропроводность металлов — это способность металлов проводить электрический ток, это свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток.

Магнитные свойства металлов характеризуются: остаточной индукцией, коэрцетивной силой и магнитной проницаемостью.

Теплопроводность металлов — это их способность передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым. Теплопроводность металла определяется количеством теплоты, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1см 2 , длиной 1см в течение 1сек. при разности температур в 1°С.

Теплоемкость металлов — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус. Отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению единицы массы вещества (г, кг) называется удельной теплоёмкостью, 1 моля вещества — мольной (молярной).

Расширяемость металлов при нагревании.Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.

Химические свойства металлов

К химическим — окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

Механические свойства металлов

К механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

Металлы: характеристики, свойства, применение и классификация

Мета́лл (в переводе с латыни означает шахта) составляет определенную категорию элементов, обладающих свойствами металлов в отличие от группы неметаллов. Около 80% процентов существующих элементов являются металлами. Алюминий является самым распространенным в земной коре. Характерной чертой является наличие особого блеска, который позволяет отличить металл от каменной породы.

На сегодняшний день насчитывается около 118 химических элементов, но не каждый завоевал официальное признание. Открытые металлы условно подразделяют на следующие элементы:

• к щелочной категории 6;
• к щелочноземельным 6;
• к переходным 38;
• к легким 11;
• полуметаллы 7;
• лантан и лантаноиды 14;
• актиноиды 14;
• бериллий и магний не относятся ни к одной категории.

Соответственно, можно сделать вывод, что из всех существующих веществ 96 можно отнести к металлам. Если рассматривать с точки зрения астрофизики, то это химические элементы, вес которых больше гелия.

Происхождение слова металл

Существует три основных теории, которые раскрывают тайну происхождения слова металл:

• в старорусский период слово было заимствовано из немецкого языка. В немецком языке слово появилось из латыни, что в переводе на русский означает рудник или металл. Латинское слово было заимствовано с греческого языка (греч metallum);
• с греческого слово означает добываю из земли. Изначально толкование предполагало природные рудники и копьи;
• в немецком языке слово появилось в переводе с латыни рудник.

Небольшая историческая справка

Впервые человек повстречал металл в виде золота, меди и серебра. Они встречаются на земле в свободной форме. Постепенно к ним стали присоединяться другие элементы, которые встречаются в круговороте природы. К соединениям, которые легко выделить, можно отнести: олово, ртуть, железо, свинец. Данные металлы известны людям с древних времен.

С точки зрения алхимии, зарождение металла происходит в недрах земли. Совершенствование происходило под планетным воздействием, а метаморфозы происходили веками. В результате появились драгоценные металлы в виде золота и серебра. Ко второй группе относились медь, олово, свинец, железо и ртуть, которые обладают свойствами благородных металлов. При этом они отличаются летучестью, жидким состоянием. Многие ученые выделяли данные элементы в особую категорию. Ртуть была причислена к элементам, из которых образовывались металлы. Именно она была носителем металлических свойств.

Цинк, висмут, сурьма и мышьяк обладают множеством схожих свойств с металлами, но ковкость в данном случае уступает реальным металлам. Поэтому была образована новая категория полуметаллов. Классификация на металлы и полуметаллы появилась еще в 18 веке. Первоначально алхимики расценивали процесс преобразования сплавов схожих по цвету с золотом, как настоящее превращение в драгоценный металл. Они считали, что достаточно поменять только цвет, чтобы свойства тоже изменились. Алхимики думали, что это вещества, которые относятся к категории сложных, состоят из серы и ртути.

Алхимики стали стараться ускорить естественный процесс созревания, поддерживая необходимые условия. Естественное превращение металлов имело прямое отождествление с обычным ростом и развитием вещей. Данная тема относилась к таинствам жизни. Именно в этот период возникла история о философском камне. Но не существует никаких точных инструкций, которые смогли бы превратить золото или серебро в камень, дающий бессмертие. Существует множество теорий. Основным борцом против идеи алхимиков считался Бойль.

С наступлением 17 века человечество узнало о том, какую роль играет воздух в процессе горения, как увеличивается массовая доля при окислении. Однако об этом знал Гебер в 8 веке. Казалось, что вопрос об элементарном составе металла будет в скором времени закрыт, но в химии появился новый раздел под названием флогистонная теория. Это привело к возникновению нового заблуждения. Процесс горения был классифицирован как разложение, то есть распад на составляющие элементы. Выделение горючего элемента происходило в форме пламени, а остальные оставались в исходном состоянии. Поэтому начали появляться противоречия. Бехер старался прийти к формированию единых понятий и предполагал, что в металле присутствует земля трех сортов: земля, горючая и ртутная. Именно при таких условиях Шталь разработал свою теорию, согласно которой причиной горючести является неизвестная, названная флогистоном. Образование металлов происходит посредством земли и флогистона. В 18 веке Ломоносов учитывал 6 металлов: Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb. Ученый из России в процессе исследования металлов и неметаллов дал определение: металлом называется светлое тело, которое возможно ковать. К таким можно отнести только 6 тел: серебро, медь, золото, олово, свинец и железо. Но в этой теории была большая дыра, так как тело в процессе обжига увеличивалось в массе. В таком случае флогистон должен обладать определенным свойством в виде отрицательного тяготения. В конце 18 века данную теорию смог опровергнуть Лавуазье и доказал, что металлы являются простыми веществами. В 1789 он подготовил список простых веществ, в который включено 17 металлов. По мере прогрессирования, количество химических элементов возрастало.

Лавуазье смог установить, какую функцию воздух выполняет в процессе горения. Он показал, что увеличение веса металла при обжигании происходит в результате присоединения кислорода, который выделяется из воздуха.

В первой половине 19 века произошло новое открытие: установлены спутники Плутона, которые были получены посредством электролиза. Появились задатки классификации редкоземельных элементов, открыты новые неизвестные в процессе химического анализа минералов.

Посредством спектрального анализа появились Cs, Rb, Tl, In. Менделеев предсказал существование металлов. Например, метод ядерных превращений, начиная с середины 20 века. Искусственным методом получены радиоактивные металлы. В период 19-20 вв металлургия получила новую химико-физическую базу. В это же время появились новые исследования в области свойств металлов и сплавов, учитывая состав и строение. Такие гибриды могут иметь высокий потенциал в тепло- и энергетическом типе устойчивости. Вследствие внедрения неметаллических элементов молекулы меняют свое строение, анионы и катионы.

Нахождение металлов в природе

Основная часть всех металлов добываются из земной коры, она там расположена в виде соединений, только малоактивные, называемые благородными, встречаются в свободном формате. Обычно металлы встречаются в природе в формате руды и различных соединений.

Наличие самых распространенных металлов в коре Земли можно представить примерно таким соотношением (масс. %): алюминий 8,45; железо 4,4; кальций 3,3; натрий 2,6; калий 2,5; магний 2,1; титан 0,61.

Из металлов получаются: оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические вещества. Получить чистые металлы для их обработки в будущем можно только после очистки их от примесей, которые содержатся в руде. Руды скопления металлосодержащих минералов, входящих в состав горных пород. Металл в составе руды находится в окисленном состоянии, независимо от типа, поэтому основным способом получения металлов является процесс восстановления. Если в руде содержатся различные металлы, то руду подвергают расщеплению на отдельные соединения химическим методом. Таким образом, при воздействии на полиметаллические руды хлора (в присутствии восстановителя) образуются хлориды разных металлов, которые благодаря разнице степеней летучести могут отделяться один от другого и от не хлорированной части руд. Чистые хлориды ряда металлов восстанавливают активными металлами до свободных металлов.

Изредка сложные полиметаллические типы руд для выделения сложных сплавов подвергают восстановлению без предварительного разделения. Они бывают загрязненные так называемыми пустыми породами, которые затрудняют восстановление. Тогда процессу добычи металла предшествует очистка руды или ее обработка механическим, химическим, физико-химическим и другим методом. Из физико-химических наибольшее распространение получил метод флотации, в основе которого различная смачиваемость водой частиц смеси различных материалов.

Чистые оксиды металлов легче и удобнее поддаются процессу восстановления. В связи с этим водные оксиды обезвоживают, а сульфидные руды переводят в оксидные путем окислительного обжига.

Руды, в которых совсем небольшое содержание металлов подвергаются гидрометаллургической переработке водными растворами кислот или щелочей. При этом соединения некоторых металлов переходят в раствор.

Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия разделяет руды на чёрные металлы (на основе железа) и цветные (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Исключением можно назвать около 16 элементов: т. н. благородные металлы (золото, серебро и др.), и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей. Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах (играя при этом важную роль).

Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов. Больше всего в наших клетках кальция и натрия, сконцентрированного в лимфатических системах. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь в печени, железо в крови.

Добыча металла

Металлы часто извлекают из земли средствами горной промышленности, результат добытые руды в самородном карьере служат относительно богатым источником необходимых элементов. Для выяснения расположения руды используют специальные поисковые методы, которые включают в себя разведку руд и исследование мест рождений и окружающей среды. Месторождения, как правило, делятся на карьеры (разработки руд на поверхности), в которых добыча ведется путем извлечения грунта с использованием тяжелой техники, а также на подземные шахты.

После добычи руды ее превращают в металлы при помощи химического, а также электролитического воздействия. Самыми популярными способами распространенными способами добычи металлов считаются пирометаллургия и гидрометаллургия. Рассмотрим подробнее:

1. Пирометаллургией называют восстановительную работу металлов, при которой используются углерод (карботермия), водород, металлы-восстановители (металлотермия):

WO3 + 3H2 = W + 3H2O; CuS + O2 = CuO + SO2; CuO + H2 = Cu + H2O; BeF2 + Mg = Be + MgF2.

При использовании алюминия, метод получения называется алюминотермией. Алюмотермические методы применяются в извлечении из оксидов тугоплавких металлов (ванадий, хром, молибден и др.). Иногда в качестве восстановителя требуется магний. Метод магний термии нашел применение при получении титана, циркония, тантала из хлоридов этих металлов. Углерод по своей восстановительной активности уступает многим металлам. Тем не менее, карботермия имеет широкое распространение при восстановлении металлов малой активности (медь) и средней (железо, цинк, свинец).

1. Гидрометаллургией называют процесс восстановления металлов, происходит из водных растворов их солей при обычной температуре (комнатной). В этом случае восстанавливаемый металл находится в мелко раздробленном состоянии, требуются активные металлы.
2. Электрометаллургией является процесс добычи под воздействием электрического тока, который пропускают через раствор или расплав соли металла:

AgNO3 + H2O → Ag + O2 + HNO3.

Электролизом водных растворов получают сравнительно малоактивные металлы (медь, серебро, никель и т. д.). А электролизом расплавов солей высокоактивные (щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий).

Некоторые отрасли промышленности и техники нуждаются в металлах особой чистоты. Например, они востребованы при конструировании ядерных реакторов, в электронной и медицинской технике. Особо чистые металлы отличаются по своим физическим свойствам от обычных. Такие свойства, как пластичность, электро- и теплопроводность, а также сопротивление коррозии у чистых металлов имеют более высокие значения.

Сейчас проблема получения чистых и сверхчистых металлов решается различными способами.

1. Электролитическое рафинирование. Это формат электролиза с использованием чернового металла в качестве анода (активного). При пропускании постоянного электрического тока через электролит черновой металл окисляется (растворяется), а на катоде, изготовленном из чистого металла, из раствора (расплава) восстанавливается (осаждается) металл.
2. Термическая диссоциация летучих соединений очистка, основанная на способности некоторых соединений металлов разлагаться при высокой температуре. Например, иодиды титана и циркония, являясь летучими соединениями, при повышении температуры разлагаются на чистый металл и йод.
3. Зонная плавка процесс, основанный на различной степени растворимости примесей в твердом и расплавленном состояниях. Через зону с высокой температурой медленно продвигают стержень из очищаемого металла. По мере продвижения расплавленная область, где собираются все примеси, постепенно перемещается в конец стержня, который входит в горячую зону последним. Операцию повторяют многократно, каждый раз механически отделяя от чистого металла конец стержня, содержащий примеси.

В современной технике применяют около 30 000 сплавов легкоплавких и тугоплавких, очень твердых и пластичных, с большой и малой электрической проводимостью, ферромагнитных и др. В сплавах ныне используют практически все известные металлы (кроме искусственно полученных трансплутониевых элементов). Мера использования определяется доступностью металла и содержанием в земной коре, а также степенью концентрирования в месторождениях и трудностью получения. В последние годы наблюдается тенденция некоторого снижения роли железа и увеличение использования легких металлов (Al, Mg) и наиболее доступных редких металлов (Ti, Nb, Zr).

Свойства металлов

Свойства металлов можно разделить на четыре основных направления.

Характерные свойства металлов

Основные характеристики металлов:

• Металлический блеск (характерный признак не только металлов: его имеют и неметаллы азот и углерод в виде графита).
• Хорошая электропроводность всех металлов.
• Возможность легкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, например германий и висмут, не пластичны).
• Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов).
• Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы).
• Большая теплопроводность.
• В реакциях чаще всего являются восстановителями.

Атомы с промежуточными значениями степени окисления могут быть и окислителями, и восстановителями. Основные отличительные особенности металлов и неметаллов.

Положение в П. С.

Под диагональю бор-астат

Большой атомный радиус, число электронов на последнем слое от 1 до 3

Маленький, от 4 до 7 соответственно

Электропроводность, теплопроводность, блеск, ковкость, пластичность, по агрегатному состоянию, в основном, твердые

Диэлектрики, не блестящие, хрупкие, газы, жидкости и летучие твердые вещества

Окислительные (иногда восстановительные)

Физические свойства

Физические свойства металлов обусловлены металлической кристаллической решеткой и химической связью. В технике металлы принято классифицировать по различным физическим свойствам:

• плотности легкие (р < 5,0 г/см3) и тяжелые (р > 5,0 г/см3). Диапазон от 0,531 г/см3 (Li) до 22,6 г/см3 (Os). Плотность металлов связана с температурой их плавления. Легкие металлы обычно самые легкоплавкие, например, цезий с плотностью 1,87 г/см3 плавится при температуре +28 °С, а вольфрам с плотностью 19 г/см3 имеет температуру плавления, равную +3380 °С.
• температуре плавления легкоплавкие (tпл < 1000 °С) и тугоплавкие (tпл > 1000 °С). Диапазон температуры плавления от 38,87 °С (Hg) до 3380 °С (W).

Металлам характерны несколько свойств:

• Твердость сопротивление к проникновению в материал другого, более твердого тела;
• Теплота сублимации это характеристика, представляющая собой энергию, необходимую для перевода определенной массы металла в парообразное состояние. Теплота сублимации является мерой прочности связи в решетке металла. Характер изменения ее значений в побочных подгруппах аналогичен изменению температур плавления и кипения металлов.
• Износостойкость сохранение хорошего внешнего вида и физических свойств материала после сильного трения;
• Прочность стойкость к разрушению под воздействием внешней нагрузки;
• Упругость изменение формы материала под воздействием внешних сил и восстановление ее после того, как эти силы перестают на нее воздействовать;
• Теплопроводность это свойство металлов, обеспечиваемое взаимодействием электронов проводимости с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. Теплопроводность металлов обусловлена в основном движением положительных электронов, поэтому коэффициент теплопроводности (3010-6.jpg) и электрической проводимости (s) металлов полностью связаны между собой соотношением 3010-7.jpg/(s•Т) = L = 2,45•10 -8 Вт•Ом/К2 (закон Видемана-Франца). Уд. коэф. теплопроводности металлов имеет значения от 425 (для Ag) до 8,41 (для Bi) Вт/(м-К).
• Пластичность изменение формы материала под внешним воздействием и сохранение ее после устранения этого воздействия;
• Усталость свойство материала выдерживать многократные нагрузки;
• Жароустойчивость сопротивление окислительным процессам при нагревании до высоких температур;
• Фотоэлектрический эффект это свойство металлов выбрасывать электроны с поверхности под действием электромагнитных волн, что обусловлено слабой связью валентных электронов с ядром.
• Полиморфизм это явление существования металла в разных формах в твердом состоянии, или способность принимать различные кристаллические формы.
• Вязкость способность материала вытягиваться под воздействием внешних сил;
• Магнитные свойства присущи фактически всем металлам, поскольку они являются магнетиками веществами, изменяющими или приобретающими магнитный момент под действием внешнего (стороннего) магнитного поля. Мерой измерения магнитных свойств металлов служат следующие величины: остаточная индукция, коэрцитивная сила и магнитная проницаемость (магнитная восприимчивость). Металлы по магнитным свойствам могут быть разделены на три основные группы:

• диамагнетики выталкиваются из магнитного поля и ослабляют его;
• парамагнетики втягиваются магнитным полем, незначительно усиливая его;
• ферромагнетики усиливают магнитное поле на порядки величин.

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твердом состоянии, однако обладают различной твердостью.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твердости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно желтого, красного и светло-желтого цвета.

Электрические свойства металлов

Электропроводность обусловлена присутствием в металле свободных электронов, которые направленно перемещаются при наложении электрического тока. Металлы проводники первого рода, так как проводят электрический ток без изменений своего строения. При нагревании электропроводность снижается, так как усиливается колебательное движение ионов, что затрудняет движение электронов. При охлаждении же электропроводность возрастает, близко абсолютного 0 она стремится к бесконечности это явление названо сверхпроводимостью.

Причина электрического сопротивления рассеяние электронов на любых нарушениях периодичности кристаллического строения решетки: тепловых колебаниях ионов (фононах), самих электронах, а также дефектах. К ним относятся примесные атомы, дислокации, границы кристаллов и образцов. Мерой рассеяния служит длина свободного пробега l усредненное расстояние между двумя последовательными столкновениями электронов с дефектами:

где n концентрация электронов проводимости (порядка 10221023 см3), e заряд электрона, pF=2πℏ(3n/8π)1/3 т. н. граничный фермиевский импульс. При T=300 К длина свободного пробега l порядка 106 см; с понижением T длина пробега растёт, достигая (для высококачественных образцов) 0,11 см. Соответственно возрастает электропроводность и уменьшается удельное электрич. сопротивление 1. Отношение проводимости при T=4,2 К к проводимости при T=300 К характеризует совершенство и химич. чистоту металлов.

Сопротивление сплавов значительно выше сопротивления чистых пород. В веществах с большим ρ возникает локализация электронных состояний проводимость исчезает.

При плавлении подвижные электроны в нём сохраняются, поэтому сохраняется и большая проводимость, хотя разрушение дальнего порядка приводит к скачкообразному росту сопротивления. Исключение составляют Sb,Ga,Bi, — их сопротивление при плавлении уменьшается.

Химические свойства

Во всех реакциях простые вещества металлы проявляют только восстановительные свойства.

Металлы взаимодействуют с неметаллами, образуя бинарные соединения. По правилам ИЮПАК названия этих соединений образуются в соответствии со схемой:

Так, с очень активными неметаллами (галогенами, серой) металлы образуют соединения, которые молено рассматривать, как соли бескислородных кислот: 2Na + Cl2 = 2NaCl

Если металл проявляет переменные степени окисления, подобная соль имеет состав, который зависит от окислительных свойств неметалла. Например, железо энергично взаимодействует с хлором, образуя хлорид железа(III): 2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3

При взаимодействии железа с серой, окислительная способность которой ниже, чем у галогенов, продуктом реакции является сульфид железа(II): Fe + S = FeS

При взаимодействии металлов с кислородом образуются оксиды или пероксиды:

Оксиды в этом случае имеют основный или амфотерный характер:

4Аl + 3O2 = 2Аl2O3

Эти реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты и очень ярким пламенем, поэтому применяются для изготовления сигнальных ракет, фейерверков, салютов и других пиротехнических средств. Поэтому обращение с ними требует строгого соблюдения правил техники безопасности.

Продуктом горения железа в кислороде является смешанный оксид :

3Fe + 2O2 = Fe3O4

Металлы простые вещества, образованные элементами IA и IIАгрупп, в полном соответствии с названием этих групп взаимодействуют с водой с образованием щелочи и водорода. В общем виде эти реакции можно записать так:

2М + 2Н2O = 2МОН + Н2↑, где М щелочной металл

М + 2Н2O = М(ОН)2 + H2↑, где М Mg или щелочноземельный металл.

Для характеристики химических свойств металлов важное значение имеет их положение в электрохимическом ряду напряжений:

К, Са, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, (H2), Cu, Hg, Ag, Au

Вспомните известные вам из курса основной школы два вывода:

• взаимодействие металлов с растворами концентрированных кислот происходит, если металл находится в ряду напряжений левее водорода. Других кислотных взаимодействий нет;
• взаимодействие металлов с растворами солей происходит, если металл находится в ряду напряжений левее металла соли.

Лабораторный способом получения водорода:

Zn + 2НСl = ZnCl2 + H2↑

Zn0 + 2H+ = Zn2+ + H20

Аналогично протекает реакция металлов и с органическими кислотами, они вступают в реакцию:

2СН3СООН + Zn > (CH3COO)2Zn + Н2↑

2СН3СООН + Zn > 2СН3СОO + Zn2+ + Н20

Реакция между цинком и раствором сульфата меди(II) протекает согласно уравнению:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Zn0 + Сu2+ = Zn2+ + Сu0

Подчеркнем, что в этом случае металл может находиться в ряду напряжений и после водорода, но не после металла соли. Например, реакция замещения серебра медью:

Cu + 2AgNO3 = Сu(NО3)2 + 2Ag

Cu0 + 2Ag+ = Cu2+ + 2Ag0

В завершение рассмотрим еще одно характерное не для всех металлов свойство, которое называется металлотермия. Такие активные металлы, как алюминий, кальций, магний, литий, способны взаимодействовать с оксидами других металлов. Для того чтобы началась такая реакция, смесь активного металла и оксида металла (ее называют термитной) необходимо поджечь. После этого процесс сопровождается выделением большого количества теплоты и света (отсюда и название процесса). Металлотермию применяют для получения и более ценных металлов: 2Аl + Сr2О3 = Al2O3 + 2Сг

Классификация (виды) металлов

Есть несколько разных классификаций металлов, о которых поговорим ниже в статье. Стандарты всех металлов прописаны в ГОСТ. Каждый из стандартов определяет требования к металлическим материалам, к их индивидуальным характеристикам и сферам использования. За все эти направленности отвечает химия строения металлов. Данные критерии становятся основными при выборе материала для определенной цели.

Все металлы делятся на четыре группы:

• s-металлы (все s-элементы, кроме Н и Не) простые. Бывают щелочные металлы и щелочноземельные элементы.
• р-металлы (элементы гр. IIIа, кроме В, а также Sn, Рb, Sb, Bi, Ро) простые.
• d-металлы. Выделяют платиновые металлы.
• f-металлы.

Группа редкоземельных элементов включает как d-, так и f-металлы (подгруппа Sc и лантаноиды).

Существует также техническая классификация металлов. В известной мере она перекликается с геохимическими классификациями элементов. Обычно выделяют следующие виды, которые отличаются химически:

• черные металлы (Fe);
• тяжелые цветные металлы Сu, Pb, Zn, Ni и Sn (к этой группе примыкают т.наз. малые, или младшие, металлы Со, Sb, Bi, Hg, Cd, некоторые из них иногда относят к редким металлам);
• легкие металлы (с плотностью меньше 5 г/см3)-Аl, Mg, Ca и т.д.;
• драгоценные металлы Au, Ag и платиновые металлы;
• легирующие (или ферросплавные) металлы Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и др.;
• редкие металлы;
• радиоактивные металлы U, Th, Pu и др.

Отличия металлов от сплавов заключается в разных визуальных признаках, например, в зернистости и гладкости поверхности. Еще сплавы имеют теплопроводность и электропроводность. Чаще всего применяются в промышленности медные, титановые, бронзовые и алюминиевые типы сплавов. Эти элементы служат сырьем для производства разного рода деталей и выливания металлоконструкций.

Для более простого восприятия, в обиходе деление происходит всего на две основные группы. Такими группами являются черные и цветные металлы. Они не имеют схожести ни по свойствам, ни по промышленному применению. Ниже в статье разберем эти группы металлов подробнее.

Черные металлы

Черные металлы получили такое наименование из-за своего цвета, который изменяется от темно-серого до практически белоснежного (серебристо-белого или белого цвета сталь, например). Они обладают высокой плотностью и температурой плавления, твердостью. Среди всех черных металлов больше всего распространено и чаще всего применяется в промышленности обычное железо.

Класс черных металлов включает в себя два основных подвида, к которым относится сталь и чугун. Стали же в свою очередь могут быть углеродистыми или легированными.

Различные виды черных сплавов получили значительное распространение в области изготовления металлопроката. Они обладают отличными рабочими свойствами, поэтому на рынке черные металлы всегда востребованы.

Добывают материалы напрямую из железной руды при помощи доменной печи, где при температуре близко к 2000 градусов протекает процесс плавления руд, из которых сразу и получают железо. На самом деле способов выработки железа множество. Также помимо доменного процесса выплавки железа, существует еще вариант прямого получения железа из предварительно измельченной железной руды с добавлением специальной глины. При таком способе железо получается сразу твердое, которое потом приходится переплавлять в мощных электропечах. Помимо видов металлов и их сплавов, существуют также и разнообразные их марки, разновидность которых указывается в буквенно-цифровом виде, например Ст4. Такого рода группировка и маркировка черных металлов, очень облегчает работу и изготовление металлопроката.

Любой металлопрокат по форме, размерам и предельным отклонениям должен строго соответствовать в России требованиям ГОСТа. К черному металлу относятся следующие виды проката: листовой, сортовый, фасонный, трубный прокат. Чугун и сталь между собой очень похожи, за исключением количества содержащегося углерода. Основные характеристики:

• Чугуны сплавы содержащие углерод свыше 2,14 % (в некоторых чугунах доля углерода доходит до 6 %). Кроме углерода в чугунах и сталях содержатся иные компоненты. Например, марганец, кремний, сера, фосфор.
• Стали сплавы железа с углеродом при содержании углерода менее 2,14 %. Стали также бывают низкоуглеродистые (содержание углерода менее 0,25%), углеродистые (0,25 0,6 %), высокоуглеродистые (более 0,6 %). Низкоуглеродистые стали легко сваривается и весьма пластичны, высокоуглеродистые же напротив очень твердые, благодаря чему применяются в агрегатах режущих инструментов.

Цветные металлы

Цветные металлы также названы благодаря цвету простых веществ. Их цвет может быть красным, желтым, белым. Например, медь красного цвета, и ее сплавы имеют красноватый оттенок. Цветным металлам свойственны также уникальные физические и химические свойства. Важнейшими продуктами цветной металлургии являются титан, вольфрам, молибден и другие металлы, которые могут использоваться в качестве специальных легирующих добавок для производства сверхтвердых, тугоплавких, устойчивых к коррозии сплавов, широко применяемых в машино и станкостроении, в обороннокосмической отрасли.

Сплавы в сравнении с металлами более пластичные, мягкие и легкоплавкие. К механической обработке цветных металлов относится штамповка, ковка, прессование, прокатка, пайка, сварка и резка.

Типы цветных металлов:

• Тяжелые цветные металлы. К ним относится свинец, медь, олово, цинк, никель, ртуть.
• Легкие цветные металлы. К ним относится: алюминий, титан, магний, бериллий, стронций, кальций, литий, барий, калий, натрий, цезий и рубидий.
• Благородные цветные металлы. Это металлы, которые уже готовы и очищены на поверхности Земли. К примеру: платина, золото, серебро, осмий, родий, рутений, палладий.
• Тугоплавкие цветные металлы. Это вольфрам и ванадий, молибден и тантал, хром и ниобий, цирконий и марганец.
• Рассеянные цветные металлы, к которым относятся: индий, таллий, германий, рений, селен, гафний и теллур.
• Радиоактивные цветные металлы. Список: уран, торий, радий, нептуний, актиний, америций, протактиний, плутоний, эйнштейний, калифорний, фермий, нобелий, менделевий и лоуренсий.

Многочисленную группу составляют редкоземельные металлы, такие как: туллий, эрбий, прометий, лютеций, церий, лантан, неодим, празеодим, европий, самарий, тербий, гадолиний, гольмий, диспрозий, иттрий и скандий.

Стоит отметить, что большая часть литых изделий, а также проволока, квадраты, шестиугольники в виде прутков и мотков, ленты и полосы, листы и фольга изготавливаются из цветных металлов. Различают по толщине, фольга бывает тонкой в несколько мм. В последнее время в производстве даже начали использоваться порошки из данных металлов.

Сплавы металлов

В твердом состоянии металлы практически не взаимодействуют друг с другом, однако в расплавленном состоянии могут иметь место и растворение, и взаимодействие. Различные расплавленные металлы в большинстве случаев смешиваются друг с другом в любых соотношениях, образуя жидкие однородные системы. Сплавами называют материалы, которые состоят из двух и более металлических компонентов. Как правило, каждый сплав состоит из основы, в нее обычно входит несколько металлов, и так называемых легирующих элементов. Легирующие добавки нужны, чтобы придать сплаву мягкость, эластичность, твердость, коррозионную стойкость и другие свойства. Чаще всего в промышленности применяются смеси с использованием железа и алюминия, но вообще существует более 5 тысяч разновидностей сплавов. Сплавы делятся на два вида: литые и порошковые. Литые сплавы получаются путем смешивания расплавленных компонентов. А порошковый метод получения сплавов подразумевает прессование порошков нескольких металлов и их последующее спекания при высоких температурах. По назначению сплавы делятся на:

• конструкционные. Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей автомобилей, техники и оборудования. Это обусловлено прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.
• инструментальные. Из технологии инструментальных сплавов, как можно понять из названия, изготавливают инструменты например, различные молотки и ножи. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика..
• специальные. Специальные сплавы используются для изготовления деталей специального назначения например, для предотвращения трения. Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.)

Сплавы подразделяются на твердые и мягкие, легкоплавкие и тугоплавкие, устойчивые к воздействию кислот и щелочей.

Электро- и теплопроводность сплавов высокая. Свойства сплавов зависят от свойств веществ, входящих в его состав.

Твердость сплава, состоящего из 99% меди и 1% бериллия, в 7 раз больше твердости меди.

Сплав, состоящий из 50,1% висмута, 24,9% свинца, 14,2% олова, 10,8% кадмия, имеет температуру плавления, равную 65,5°С (тогда как висмут плавится при 271,3°С, олово 231,9°С, кадмии 320,9°С, свинец 327,4°С).

Такие металлы, как цинк, медь, алюминии не реагируют с водой, тогда как сплав, состоящий из 5% цинка, 50% меди, 45% алюминия при нормальных условиях взаимодействует с водой и вытесняет водород.

Сплавы, также как и металлы, имеют кристаллическое строение, и свойства разнятся в зависимости от строения. При кристаллизации в некоторых сплавах происходит образование химических соединений, в некоторых же сплавах, с химической точки зрения, атомы металлов связь не образуют. Такие сплавы называют нередко твердыми растворами.

Гомогенные сплавы это сплавы, состоящие из металлов, имеющих близкие величины атомного радиуса, в узлах крис-ской решетки которых возможен обмен атомов (Си-Аи, Ag-Au, Na-K, Bi-Sb).

Гетерогенные сплавы это сплавы, состоящие из металлов, имеющих различные величины атомного радиуса и в узлах кристаллической решетки которых невозможен обмен атомов (Sn-Al, Zn-Al).

Интерметаллические (межметаллические сплавы это сплавы, состоящие из металлов, электроотрицательность которых резко отличается друг от друга. В этих сплавах металлы соединяются в различных эквивалентных соотношениях, образуя химические соединения (CuZn, Cu3Al, Cu5Zn8). В отдельных случаях металлы не растворяются друг в друге и не могут образовывать сплавы (железо и свинец). В быту практически не применяются изделия, изготовленные из чистого металла. Нередко в обычной жизни можно встретить гидроксиды или каустик. Их используют при производстве целлюлозы, моющих средств (мыла, шампуней и других), в нефтепереработке, при производстве биодизельного топлива, для нейтрализации кислот во всем мире.

При изготовлении сплавов их свойства заранее должны быть известны. Кристаллическая решетка сплавов сильно отличается от кристаллической решетки чистых металлов.

Примеры сплавов

Многие изделия станок, самолеты и ракеты, автомобили и мотоциклы, сковородки, кухонный инвентарь, ювелирные изделия делают из сплавов. Металлы-примеси (легирующие компоненты) очень часто изменяют свойства основного металла в лучшую, с точки зрения человека, сторону. Например, и железо и алюминий довольно мягкие металлы. Но, соединяясь друг с другом или с другими компонентами, они превращаются в сталь, дуралюмин и другие прочные конструкционные материалы. Рассмотрим свойства самых распространенных сплавов:

1. Сталь (английский steel) это сплавы железа с углеродом, содержащие последнего до 2 %. В состав легированных сталей входят и другие химические элементы хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25 % углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55 %) идет на изготовление режущих инструментов: бритвенные лезвия, сверла и др.
2. Железо составляет основу чугуна. Чугуном называется сплав железа с 24 % углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей и др.
3. Бронза сплав меди, обычно с оловом как основным легирующим компонентом, а также с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка. Оловянные бронзы знали и широко использовали еще в древности. Большинство античных изделий из бронзы содержат 7590 % меди и 2510 % олова, что делает их внешне похожими на золотые, однако они более тугоплавкие. Это очень прочный сплав. Из него делали оружие до тех пор, пока не научились получать железные сплавы. С применением бронзы связана целая эпоха в истории человечества: Бронзовый век.
4. Латунь это сплавы меди с Zn, Al, Mg. Это цветные сплавы с невысокой температурой плавления, их легко обрабатывать: резать, сваривать и паять.
5. Мельхиор является сплавом меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. По внешним характеристикам мельхиор похож на серебро, но обладает большей механической прочностью. Сплав широко применяют для изготовления посуды и недорогих ювелирных изделий. Большинство современных монет серебристого цвета изготавливают из мельхиора (обычно 75 % меди и 25 % никеля с незначительными добавками марганца).
6. Дюралюминий, или дюраль это сплав на основе алюминия с добавлением легирующих элементов медь, марганец, магний и железо. Он характеризуется своей стальной прочностью и устойчивостью к возможным перегрузкам. Это основной конструкционный материал в авиации и космонавтике.

Взаимодействие металлов с кислотами

Кислоты взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду активности металлов левее водорода. Результатом такой реакции становится соль и выделение водорода. Можно сказать, что металлы, расположенные в ряду активности левее, вытесняют водород из кислот. Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Взаимодействие серной кислоты H2SO4 с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

3Mg+4H2SO43=3MgSO4+S↓+4H₂O

Реакции для азотной кислоты (HNO3)

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций еще больше:

Строение металла

Металлы мы знаем из детства, в школе о них рассказывали на таких уроках, как биология, химия, физика и даже математика. Учили формулу, понятия, что такое легирование и ионная структура. Оттуда все знают, что это неорганические вещества, выдерживающие высокий температурный режим без деформации. Также есть растворимые в некоторых условиях металлы и нерастворимые. Характеристики металлов легко можно понять лишь взглянув на кристаллическую решетку.

Так как металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое внутреннее строение, то образующие их элементарные частицы (атомы) в процессе кристаллизации из расплавленного состояния должны группироваться в определенной последовательности. Эта последовательность имеет название — кристаллическая решетка, что являет собой воображаемый элемент объема, который образуется минимальным количеством атомов, чье многократное повторение позволяет построить весь кристалл.

В каждом узле решетки металла пространственной кристаллической определенным образом расположены положительно заряженные ионы, а между ними летают свободные электроны, что представляют собой некий электронный газ. Переходя от одного катиона к другому, они осуществляют связь между ионами и превращают кристалл металла в целое вещество. Такой вид связи, называемый металлическим, возникает между атомами за счет перекрытия электронных облаков внешних электронов. Металлическая связь отлична от неполярной ковалентной в первую очередь своей ненаправленностью. В кристалле с металлической связью электроны не закрепляются между 2-мя атомами, а принадлежат всем атомам этого кристалла, другими словами. они делокализованные. К особенности структуры кристаллов металла относятся высокие координационные числа 8÷12, которым соответствует значительная твердость.

Суммарно известно четырнадцать разных видов кристаллических решеток. Металлы в основном кристаллизируются в одном из трех видов структур: объемноцентрированной кубической (ОЦК), гранецентрированной кубической (ГЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ), о которых подробнее поговорим в статье ниже. Для изображения кристаллической решетки используются упрощенные схемы. В объемно-центрированной кубической решетке содержится суммарно 9 атомов, выразить можно так: 8 расположены в вершинах куба и 1 в центре объема. Такое строение решетки у молибдена, вольфрама, ванадия и других металлов.

Типы кристаллических решеток

У каждого металла кристаллическая решетка содержит положительно заряженные ионы одинакового размера, что расположены по принципу довольно плотной упаковки шаров одинакового диаметра. Отличают всего 3 основных вида упаковки/кристаллической решетки.

1. Объемноцентрированный кубический тип решетки с координационным числом = 8 (натрий, калий, барий). Атомы металла расположены на верхах куба, а один в центре объема. Плотность упаковки шарообразными ионами в таком варианте равна 68%.
2. Гранецентрированный формат кубической решетки с координационным числом = 12 (это тип алюминия, меди, серебра). Атомы металла расположены в вершинах куба и по центру каждой из граней. Плотность упаковки 74%.
3. Гексагональный тип решетки с координационным числом = 12 (магний, цинк, кадмий). Атомы металла расположены на верхах и в центре шестигранных оснований призмы, а еще три в ее средней плоскости. Плотность упаковки 74%.

Из-за разной плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разного формата свойства. Это явление было названо анизотропия. Оно характерно для одиночного типа кристаллов монокристаллов. Однако в основном металлы в обычных условиях имеют поликристаллический тип строения, другими словами — состоят из большого количества кристаллов/зерен, каждое из которых анизотропно. Особенности кристаллических решеток обусловливают характерные физические свойства металлов.

Особенности строения

Твердость объясняется значительным количеством структурного плана дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.). Из-за легкой отдачи электронов есть риск окисления металлов, что в свою очередь приводит к коррозии и дальнейшему разрушению и деградации его свойств. Способность к окислению легко понять по стандартному ряду активности металлов. Это и говорить в пользу смешивания металлов в сплавы с использованием легирующих элементов химической периодической таблицы, а также применение различного рода покрытий уже готового изделия.

Для наиболее адекватного описания электронных свойств металлов стоит использовать понятие квантовой механики. В структуре всех твердых тел с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешенные зоны, при этом зона, которую образовали валентные электроны, имеет соответствующее название — валентная зона. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для ее полного заполнения.

Главная особенность и отличие от остальных этой частично заполненной зоны в том, что даже при малейшем напряжении в образце запускается перестройка валентных электронов. Проще говоря, протекает электричество.

Эта же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности и способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придает металлам характерный им блеск).

Применение металлов

Металлы активно применяют как в повседневной жизни, в быту, так и для строения зданий, оборудования и транспорта.

Применение в качестве конструкционных материалов

Сплавы, которые используются для изготовления разного формата конструкций и строений, должны быть прочны и легкообрабатываемы. В строительстве, а также в машиностроении чаще всего применяются смеси из железа и алюминия. Например, из железа получают таким образом сталь, которая славится высокой прочностью и твердостью. Из нее можно ковать детали, прессовать листы, сваривать конструкции.

Чугун популярен для отлива крупногабаритного типа конструкций и формата деталей, для которых необходима высокая прочность и устойчивость. К примеру, много лет чугун служил основой для домашних батарей центрального отопления, а также канализационных труб. Из него делают сейчас котлы, перила и опоры для мостов, лестниц. Чугун довольно тяжелый, что не позволяет его использовать в некоторых сферах. Поэтому в некоторых отраслях его заменили на сплав алюминия, который прочный, но легкий. Дюралюминий, силумин соединения алюминия, они незаменимы в построении самолетов, вагонов, а также являются основой кораблестроения. В некоторых узлах самолетов используется смесь на основе магния. Смеси магния очень легкие и устойчивые к высоким температурам.

В ракетостроительной сфере применяют легкие и термостойкие соединения титана. Для повышения показателя ударопрочности, коррозионной стойкости и износоустойчивости сплавы легируют. Например, добавление марганца делает стали ударопрочными. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав смеси вводят хром.

Инструментальные сплавы

Из них делают режущие инструменты, штампы и детали для точных механизмов. Эти элементы должны быть износостойкими и с высокой прочностью, причем при нагревании должны оставаться такими же. Таким требованиям соответствуют, к примеру, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку высокими температурами (закалку). Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Применение в электротехнической промышленности, электронике и приборостроении

Многочисленные металлические сплавы — незаменимый материал для изготовления особо чувствительных и высокоточных приборов, разного типа датчиков и преобразователей энергии. Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идет смесь никеля. Некоторые составляющие электромоторов изготавливают из соединений кобальта. Сплав никеля с хромом называется нихром и отличается высоким сопротивлением. Он часто основа для нагревательных элементов печей и электроприборов, которые используются в быту. Из медных сплавов в электротехнической промышленности и в приборостроении самое широкое применение нашли для латуни и бронзы. Первые незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны ( основные детали в конструкциях подачи газа и воды). Бронза идет обычно на изготовление пружин и пружинящих контактов.