Металл. Виды металлов

Металлы обладают механическими, технологическими, физическими и химическими свойствами.

К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании и фазовых превращениях;

к химическим - окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность;

к механическим - прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость;

к технологическим - прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Прочность - способность металла сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Удельная прочность - отношение предела прочности к плотности.

Твердостью - называется способность тела противостоять проникновению в него другого тела.

Упругость - свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих изменение формы (деформацию).

Вязкость - способность металла оказывать сопротивление ударным внешним силам. Вязкость - свойство обратное хрупкости.

Пластичность - свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический, спектральный, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах.

Механические свойства . Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, - это достаточная прочность. Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами, характерными для данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих и других инструментов применяют инструментальные стали и сплавы, а для рессор и пружин - специальные стали, обладающие высокой упругостью.

Вязкие металлы применяют в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, штамповать).

Физические свойства . В авиа-, авто-, приборо-, и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными.

Плавкость используется для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (свинец) применяют в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки топографических матриц, предохранителей в приборах пожарной безопасности.

Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, в линиях электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением - для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Магнитные свойства металлов используются в электромашиностроении при производстве электродвигателей, трансформаторов в приборостроении (телефонные и телеграфные аппараты).

Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для обработки давлением, термической обработки, кроме того, она обеспечивает возможность пайки и сварки металлов.

Некоторые металлы имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие металлы применяют для изготовления точных приборов при сооружении мостов, путепроводов и др.

Химические свойства . Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (детали машин в химической промышленности). Для таких изделий используют сплавы с высокой коррозионной стойкостью - нержавеющие, кислотостойкие и жароупорные стали.

Московский Государственный Геологоразведочный

Университет им. С. Орджоникидзе

Кафедра химии

Реферат и лабораторная работа

По теме: «Металлы»

Москва, 2003 г.

СВОЙСТВА, ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ МЕТАЛЛОВ

Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои электроны и переходить в положительно заряженный ион. Типичные металлы никогда не присоединяют электроны; их ионы заряжены положительно.

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, металлы являются восстановителями. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее он вступает во взаимодействие с другими веществами. Благодаря различному сродству к кислороду, металлы способны при высоких температурах восстанавливаться из окислов другие металлы.

С внешней же стороны (физические свойства) металлы характеризуются прежде всего особым «металлическим блеском», которое обуславливается их способностью сильно отражать лучи света. Также типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью. Причем проводить тепло и так могут металлы, располагающиеся в одном и том же порядке: лучшие проводники – серебро и медь, худшие – свинец и ртуть. С повышением температуры проводность металлов падает, при понижении, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку и т. д.

Кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Таким образом высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов. Также наличием свободных электронов обуславливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией.

Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, допускающим легкое скольжение одних слоев ионов относительно других под влиянием внешнего воздействия. Когда однородность структуры нарушается от добавления другого металла, сплавы отличаются твердостью и хрупкостью. По плотности металлы условно подразделяются на две группы: легкие металлы (плотностью < 5 г/см 3) и тяжелые металлы – все остальные.

Все металлы, кроме ртути, являются при обычной температуре твердыми веществами. Легкие металлы более легкоплавки, тяжелые – тугоплавкие. Температуры кипения металлов очень высоки.

ПОЛОЖЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТАБЛИЦЕ МЕНДЕЛЕЕВА. ПОТЕНЦИАЛЫ ИОНИЗАЦИИ.

В периодической системе Д. И. Менделеева металлы занимают всю левую нижнюю часть, причем граница переходит за диагональную линию, проведенную из левого верхнего угла. В соответствии с особенностями электронной структуры и положением в периодической системе, различают s-, p-, d- и f- металлы. К s- металлам относятся элементы, у которых происходит заполнение внешнего s- уровня. Это элементы главных подгрупп I и II групп ПС – щелочные и щелочноземельные металлы. К числу р- металлов относятся элементы III – IV групп. Эти металлы типичные полупроводники. Характерная черта этих элементов – образование амфотерных гидроксидов. d- металлы получили название переходных металлов. Каждое семейство состоит из 10 d- элементов. Максимально возможная степень окисления d- металлов +8. Самая характерная особенность d- элементов – исключительная способность к комплексообразованиям. Этим они резко отличаются от непереходных элементов. Химию с достраивающими f- слоями образуют две группы элементов – лантаноиды и актиноиды. Лантаноиды - редкоземельные элементы. Их типичная степень окисления +3. Среди актиноидов большинство – радиоактивные элементы. Они способны проявлять несколько степеней окисления. Металлы IV и VII периодов называют также тяжелыми металлами, в связи с высокой плотностью, в отличии от легких металлов первых трех периодов.

Потенциал ионизации

По группе По периоду

металл металл

МЕТАЛЛЫ В ПРИРОДЕ И ИХ КЛАРКИ

s-металлы встречаются в природе только в виде соединений, либо в составе минералов (KCl, NaCl, CaCO 3 и т. д.), либо в виде ионов в морской воде. Алюминий – самый распространенный металл на Земле (8% состава земной коры). В виде свободного металла в природе не встречается; входит в состав глиноземов (Al 2 O 3), бокситов (Al 2 O 3  xH 2 O).

Золото и платина встркчаются почти исключительно в самородном виде, а серебро и медь – отчасти; иногда встречается самородная ртуть.

Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов, носят название руд.

Рассеянное состояние – когда элементы не образуют или почти не образуют собственных минералов.

Формы нахождения металлов:

Минералы:

А) оксиды

Б) галогениды

В) сульфиды

Г) селениды

Д) карбонаты

Е) силикаты

Редкие рассеянные элементы: Te, Ge, Cd.

Самородные элементы: Cu, Au, Ag, Pt.

Кларки большинства элементов не превышают 0,01 – 0,0001%, такие элементы называются редкими.

РЯД НАПРЯЖЕНИЙ МЕТАЛЛОВ

Ряд напряжений – это вытеснительный ряд Бекетова. Он расположил металлы по их убывающей химической активности.

Если из всего ряда стандартных электродных потенциалов выделить только те электродные процессы, которые отвечают общему уравнению:

то получим ряд напряжений металлов. В этот ряд всегда помещают также водород, что позволяет видеть, какие металлы способны вытеснять водород из водных растворов кислот. Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его способность к окислительно-восстановительным взаимодействиям в водных растворах при стандартных условиях.

Уменьшение химической активности

K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au

Уменьшение способности ионов к присоединению электронов

В этом ряду положение каждого металла точно определяется величиной электрического напряжения, или разностью потенциалов. Водород также помещен в этот ряд, т.к. он тоже может вытеснять некоторые металлы из растворов их солей.

Химическое поведение отдельных металлов при реакциях в растворах:

Каждый металл этого ряда (и водород) вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из растворов их солей. В свою очередь сам он может быть вытеснен (восстановлен) любым из металлов, стоящих впереди него.

Металлы, стоящие в ряду напряжения до водорода, могут вытеснять его из разбавленных кислот. Металлы, стоящие вправо от водорода, не способны вытеснять водород из кислот.

Чем левее в ряду напряжение стоит Ме, тем он активнее, тем больше его восстановительная способность в отношении ионов других металлов, тем легче он сам превращается в ионы.

Уравнение электронного процесса		Уравнение электродного процесса	Стандартный потенциал φ 0 при 25 0 С.
Li + + ē - = Li Rb + + ē - = Rb K + + ē - = K Cs + + ē - = Cs Ca 2+ + 2ē - = Ca Na + + ē - = Na Mg 2+ + 2ē - = Mg Al 3+ + 3ē - = Al Ti 2+ + 2ē - = Ti Mn 2+ + 2ē - = Mn Cr 2+ + 2ē - = Cr Zn 2+ + 2ē - = Zn Cr 3+ + 3ē - = Cr Fe 2+ + 2ē - = Fe Cd 2+ + 2ē - = Cd		Co 2+ + 2ē - = Co Ni 2+ +2ē - = Ni Sn 2+ + 2ē - = Sn Pb 2+ + 2ē - = Pb Fe 3+ + 3ē - = Fe 2H + + 2ē - = H 2 Bi 3+ + 3ē - = Bi Cu 2+ + 2ē - = Cu Cu + + ē - = Cu Hg 2 2+ + 2ē - = 2Hg Ag + + ē - = Ag Hg 2+ + 2ē - = Hg Pt 2+ + 2ē - = Pt Au 3+ + 3ē - = Au Au + + ē - = Au

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В МЕТАЛЛАХ.

Подвижные свободные электроны обуславливают электропроводность металлов, явления фотоэффекта, электрохимические свойства.

Следу методу молекулярных орбиталей, надо представить себе общее, на которых и размещаются все валентные электроны. При сближении 2-х атомов водорода, каждый энергетический уровень расщепляется на М подуровней. Увеличение числа уровней, вызываемая сближением атомов, приводит к тому, что образуются полосы, отвечающие s-электронам, р-электронам и т.д..

Свойства химических элементов позволяют объединять их в соответствующие группы. На этом принципе была создана периодическая система, изменившая представление о существующих веществах и позволившая предположить существование новых, ранее неизвестных элементов.

Вконтакте

Периодическая система Менделеева

Периодическая таблица химических элементов была составлена Д. И. Менделеевым во второй половине XIX века. Что такое это, и для чего она нужна? Она объединяет все химические элементы по возрастанию атомного веса, причем, все они расставлены так, что их свойства изменяются периодическим образом.

Периодическая система Менделеева в свела в единую систему все существующие элементы, прежде считавшиеся просто отдельными веществами.

На основании ее изучения были предсказаны, а впоследствии - синтезированы новые химические вещества. Значение этого открытия для науки невозможно переоценить , оно значительно опередило свое время и дало толчок к развитию химии на многие десятилетия.

Существует три наиболее распространенных варианта таблицы, которые условно именуются «короткая», «длинная» и «сверхдлинная». Основной считается длинная таблица, она утверждена официально. Отличием между ними является компоновка элементов и длина периодов.

Что такое период

Система содержит 7 периодов . Они представлены графически в виде горизонтальных строк. При этом, период может иметь одну или две строки, называемые рядами. Каждый последующий элемент отличается от предыдущего возрастанием заряда ядра (количества электронов) на единицу.

Если не усложнять, период - это горизонтальная строка периодической таблицы. Каждый из них начинается металлом и заканчивается инертным газом. Собственно, это и создает периодичность - свойства элементов изменяются внутри одного периода, вновь повторяясь в следующем. Первый, второй и третий периоды - неполные, они называются малыми и содержат соответственно 2, 8 и 8 элементов. Остальные - полные, они имеют по 18 элементов.

Что такое группа

Группа - это вертикальный столбец , содержащий элементы с одинаковым электронным строением или, говоря проще, с одинаковой высшей . Официально утвержденная длинная таблица содержит 18 групп, которые начинаются со щелочных металлов и заканчиваются инертными газами.

Каждая группа имеет свое название, облегчающее поиск или классификацию элементов. Усиливаются металлические свойства в независимости от элемента по направлению сверху-вниз. Это связано с увеличением количества атомных орбит — чем их больше, тем слабее электронные связи, что делает более ярко выраженной кристаллическую решетку.

Металлы в периодической таблице

Металлы в таблице Менделеева имеют преобладающее количество, список их достаточно обширен. Они характеризуются общими признаками, по свойствам они неоднородны и делятся на группы. Некоторые из них имеют мало общего с металлами в физическом смысле, а иные могут существовать только доли секунды и в природе абсолютно не встречаются (по крайней мере, на планете ), поскольку созданы, точнее, вычислены и подтверждены в лабораторных условиях, искусственно. Каждая группа имеет собственные признаки , название и довольно заметно отличается от других. Особенно это различие выражено у первой группы.

Положение металлов

Какого положение металлов в периодической системе? Элементы расположены по увеличению атомной массы или количества электронов и протонов. Их свойства изменяются периодически, поэтому аккуратного размещения по принципу «один к одному» в таблице нет. Как определить металлы, и возможно ли это сделать по таблице Менделеева? Для того, чтобы упростить вопрос, придуман специальный прием: условно по местам соединения элементов проводится диагональная линия от Бора до Полония (или до Астата). Те, что оказываются слева - металлы, справа - неметаллы. Это было бы очень просто и здорово, но есть исключения - Германий и Сурьма.

Такая «методика» - своего рода шпаргалка, она придумана лишь для упрощения процесса запоминания. Для более точного представления следует запомнить, что список неметаллов составляет всего 22 элемента, поэтому отвечая на вопрос, сколько всего металлов всего содержится в таблице Менделеева

На рисунке можно наглядно увидеть, какие элементы являются неметаллами и как они располагаются в таблице по группам и периодам.

Общие физические свойства

Существуют общие физические свойства металлов. К ним относятся:

• Пластичность.
• Характерный блеск.
• Электропроводность.
• Высокая теплопроводность.
• Все, кроме ртути, находятся в твердом состоянии.

Следует понимать, что свойства металлов очень различаются относительно их химической или физической сути. Некоторые из них мало похожи на металлы в обыденном понимании этого термина. Например, ртуть занимает особенное положение. Она при обычных условиях находится в жидком состоянии, не имеет кристаллической решетки, наличию которой обязаны своими свойствами другие металлы. Свойства последних в этом случае условны, с ними ртуть роднят в большей степени химические характеристики.

Интересно! Элементы первой группы, щелочные металлы, в чистом виде не встречаются, находясь в составе различных соединений.

Самый мягкий металл, существующий в природе - цезий - относится к этой группе. Он, как и другие щелочные подобные вещества, мало общего имеет с более типичными металлами. Некоторые источники утверждают, что на самом деле, самый мягкий металл калий, что сложно оспорить или подтвердить, поскольку ни тот, ни другой элемент не существует сам по себе — будучи выделенным в результате химической реакци они быстро окисляются или вступают в реакцию.

Вторая группа металлов - щелочноземельные - намного ближе к основным группам. Название «щелочноземельные» происходит из древних времен, когда окислы назывались «землями», поскольку они имеют рыхлую рассыпчатую структуру. Более-менее привычными (в обиходном смысле) свойствами обладают металлы начиная с 3 группы. С увеличением номера группы количество металлов убывает

Первый материал, который научились использовать люди для своих нужд - это камень. Однако позже, когда человеку стало известно о свойствах металлов, камень отошел далеко назад. Именно эти вещества и их сплавы стали самым важным и главным материалом в руках людей. Из них изготавливались предметы быта, орудия труда, строились помещения. Поэтому в данной статье мы рассмотрим, что же собой представляют металлы, общая характеристика, свойства и применение которых так актуально по сей день. Ведь буквально сразу за каменным веком последовала целая плеяда металлических: медный, бронзовый и железный.

Металлы: общая характеристика

Что же объединяет всех представителей этих простых веществ? Конечно, это строение их кристаллической решетки, типы химических связей и особенности электронного строения атома. Ведь отсюда и характерные физические свойства, которые лежат в основе использования этих материалов человеком.

В первую очередь, рассмотрим металлы как химические элементы периодической системы. В ней они располагаются достаточно вольготно, занимая 95 ячеек из известных на сегодняшний день 115. Есть несколько особенностей их расположения в общей системе:

• Образуют главные подгруппы I и II групп, а так же III, начиная с алюминия.
• Все побочные подгруппы состоят только из металлов.
• Они располагаются ниже условной диагонали от бора до астата.

Опираясь на такие данные, легко проследить, что неметаллы собраны в верхней правой части системы, а все остальное пространство принадлежит рассматриваемым нами элементам.

Все они имеют несколько особенностей электронного строения атома:

Общая характеристика металлов и неметаллов позволяет выявить закономерности в их строении. Так, кристаллическая решетка первых - металлическая, особенная. В узлах ее находятся сразу несколько типов частиц:

• ионы;
• атомы;
• электроны.

Внутри скапливается общее облако, называемое электронным газом, которое и объясняет все физические свойства этих веществ. Тип химической связи в металлах одноименный с ними.

Физические свойства

Существует ряд параметров, которые объединяют все металлы. Общая характеристика их по физическим свойствам выглядит так.

Перечисленные параметры - это и есть общая характеристика металлов, то есть все то, что их объединяет в одно большое семейство. Однако следует понимать, что из всякого правила есть исключения. Тем более что элементов подобного рода слишком много. Поэтому внутри самого семейства также есть свои подразделения на различные группы, которые мы рассмотрим ниже и для которых укажем характерные особенности.

Химические свойства

С точки зрения науки химии, все металлы - это восстановители. Причем, очень сильные. Чем меньше электронов на внешнем уровне и чем больше атомный радиус, тем сильнее металл по указанному параметру.

В результате этого металлы способны реагировать с:

Это лишь общий обзор химических свойств. Ведь для каждой группы элементов они сугубо индивидуальны.

Щелочноземельные металлы

Общая характеристика щелочноземельных металлов следующая:

Таким образом, щелочноземельные металлы - это распространенные элементы s-семейства, проявляющие высокую химическую активность и являющиеся сильными восстановителями и важными участниками биологических процессов в организме.

Щелочные металлы

Общая характеристика начинается с их названия. Его они получили за способность растворяться в воде, формируя щелочи - едкие гидроксиды. Реакции с водой очень бурные, иногда с воспламенением. В свободном виде в природе данные вещества не встречаются, так как их химическая активность слишком высока. Они реагируют с воздухом, парами воды, неметаллами, кислотами, оксидами и солями, то есть практически со всем.

Это объясняется их электронным строением. На внешнем уровне всего один электрон, который они легко отдают. Это самые сильные восстановители, именно поэтому для их получения в чистом виде понадобилось достаточно долгое время. Впервые это было сделано Гемфри Дэви уже в XVIII веке путем электролиза гидроксида натрия. Сейчас всех представителей этой группы добывают именно таким методом.

Общая характеристика щелочных металлов заключается еще и в том, что они составляют первую группу главную подгруппу периодической системы. Все они - важные элементы, образующие много ценных природных соединений, используемых человеком.

Общая характеристика металлов d- и f-семейств

К этой группе элементов относятся все те, степень окисления которых может варьироваться. Это значит, что в зависимости от условий, металл может выступать в роли и окислителя, и восстановителя. У таких элементов велика способность вступать в реакции. Среди них большое количество амфотерных веществ.

Общее название всех этих атомов - переходные элементы. Они получили его за то, что по проявляемым свойствам действительно стоят как бы посередине, между типичными металлами s-семейства и неметаллами р-семейства.

Общая характеристика переходных металлов подразумевает обозначение сходных их свойств. Они следующие:

• большое количество электронов на внешнем уровне;
• большой атомный радиус;
• несколько степеней окисления (от +3 до +7);
• находятся на d- или f-подуровне;
• образуют 4-6 больших периодов системы.

Как простые вещества металлы данной группы очень прочные, тягучие и ковкие, поэтому имеют большое промышленное значение.

Побочные подгруппы периодической системы

Общая характеристика металлов побочных подгрупп полностью совпадает с таковой у переходных. И это неудивительно, ведь, по сути, это совершенно одно и то же. Просто побочные подгруппы системы образованы именно представителями d- и f-семейств, то есть переходными металлами. Поэтому можно сказать, что данные понятия - синонимы.

Самые активные и важные из них - первый ряд из 10 представителей от скандия до цинка. Все они имеют важное промышленное значение и часто используются человеком, особенно для выплавки.

Сплавы

Общая характеристика металлов и сплавов позволяет понять, где и как возможно использовать эти вещества. Такие соединения в последние десятки лет претерпели большие преобразования, ведь открываются и синтезируются все новые добавки для улучшения их качества.

Наиболее известными сплавами на сегодняшний день являются:

• латунь;
• дюраль;
• чугун;
• сталь;
• бронза;
• победит;
• нихром и прочие.

Что такое сплав? Это смесь металлов, получаемая при плавке последних в специальных печных устройствах. Это делается для того, чтобы получить продукт, превосходящий по свойствам чистые вещества, его образующие.

Сравнение свойств металлов и неметаллов

Если говорить об общих свойствах, то характеристика металлов и неметаллов будет отличаться одним очень существенных пунктом: для последних нельзя выделить схожих черт, так как они очень разнятся по проявляемым свойствам как физическим, так и химическим.

Поэтому для неметаллов создать подобную характеристику нельзя. Можно лишь по отдельности рассмотреть представителей каждой группы и описать их свойства.

Металлы являются наиболее распространенным видом материалов, которыми человек удовлетворяет свои жизненные потребности. Сейчас человечество живет в век металлов и развитие всех отраслей промышленности, наука, культура и быт человека немыслимы без машин, механизмов, приборов и других изделий из металла.

Переход человека от использования камня (каменный век) к металлу был длительным и сложным. Он произошел не в результате революционного скачка в развитии общества, а металлы постепенно входили в обиход человека в течение длительного периода. Первым металлом, вошедшим в повседневный обиход человека, была медь, которая открыла эру металлургии и дала миру первый сплав – бронзу. По археологическим данным первые сведения о плавках меди относятся к 6500–5700 гг. до н.э. Она была основой материальной культуры в течение тысячелетий, и медный век постепенно перешел к бронзовому веку.

Следующим этапом в металлургии стало применение железа (железный век) и его начало относят ко второму тысячелетию до н.э. Получение чистого железа и его сплавов стало возможным благодаря накопленному опыту по выплавке меди, бронзы, золота и других легкоплавких металлов и сплавов. Освоение производства железа послужила мощным толчком к развитию производительных сил и технического прогресса. В древности человеку были известны восемь металлов – медь, золото, серебро, олово, свинец, железо, ртуть и сурьма. К концу XVIII в. их число увеличилось до 20, а в настоящее время производится и используется около 80 металлов.

Распространенность элементов в земной коре различна – от нескольких процентов до миллионных долей. Суммарное содержание десяти наиболее распространенных элементов (кислород – 47,00; кремний – 29,50; алюминий – 8,05; железо – 4,65, кальций – 2,96; натрий – 2,50; калий – 2,50; магний – 1,87; титан – 0,45; водород – 0,15) составляет 99,63 % массы земной коры, а на все остальные элементы приходится только 0,37 % общей массы земли. Представление о распространенности в земной коре некоторых хорошо известных металлов дают значения их кларков, т.е. среднеарифметическое содержание в земной коре, которые приведены ниже (%):

Наиболее редко в природе встречаются полоний и актиний, кларк которых близок к 10 –15 %.

Техническое значение металла определяется его распространенностью в природе, потребностями в народном хозяйстве и производственными возможностями получения. Два последних фактора определяют масштабы производства отдельных видов металла. В производстве металлов около 95 % выпускаемой продукции (около 800 млн. т.) составляют чугун и сталь, которые представляют собой сплавы железа с углеродом и другими легирующими компонентами. Ежегодный выпуск основных цветных металлов находится на уровне (млн. т.): алюминий 23–24; медь 10–11; никель 0,5–0,7; свинец 4–5; цинк 5–6; магний 0,2–0,3; олово 0,20–0,25; молибден 0,14–0,15; титана около 0,1.

Производством металлов из руд и других видов металлосодержащего сырья занимается металлургия – крупнейшая отрасль тяжелой индустрии. Металлургия является центральным звеном горнометаллургического производства, включающего геологию, горное дело, обогащение, собственно металлургию, литейное производство и обработку металлов различными приемами (давлением, температурой, механическими методами и т.д.). В основе металлургии лежат принципы химических технологий, так как при осуществлении металлургических процессов перерабатываемые материалы претерпевают различные физико-химические превращения. Поэтому металлургия тесно связана с физикой, химией и особенно с физической химией, которая является научной основой теоретической и практической металлургии. В последние годы возрастает связь металлургии с математикой и компьютерной техникой.

Металлургическая промышленность России в настоящее время производит 78 элементов Периодической системы Д.И. Менделеева, а также различные виды удобрений, строительных материалов, серной кислоты и серы, цемента и многих других видов продукции. Металлургия России является высокоразвитой отраслью материального производства. Особое значение для развития горнозаводского дела в России имели труды M.B. Ломоносова, Д.И. Менделеева, а также крупных специалистов по производству черных металлов П.П. Аносова, Д.К. Чернова, Н.Н. Бекетова, И.П. Бардина и многих других. Неоценимый вклад в развитие отечественной цветной металлургии внесли А.А. Байков, НС. Курнаков, П.П. Федотьев, В.А. Ванюков, АИ. Беляев, И Ф. Худяков, АН Вольский и другие.

Металлы, их свойства и классификация

Большинство металлов обладает рядом свойств, имеющих общий характер и отличающихся от свойств других простых или сложных соединений. Такими свойствами являются сравнительно высокие температуры плавления большинства металлов, способность к отражению света, высокая теплопроводность и электропроводность, способностью к прокатыванию. Эти особенности объясняются существованием в металлах особого вида связи – металлической.

В соответствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов и много незаполненных орбит. Кроме того, валентные электроны достаточно слабо связаны со своими ядрами и поэтому обладают большой свободой перемещения в кристаллической решетке металла. общая картина металлического состояния может быть представлена в следующем виде. Узлы кристаллической решетки металла заняты как отдельными атомами, так и ионами, между которыми сравнительно свободно перемещаются электроны, называемые иногда электронным газом (рис.1).

Рис. 1. Схема размещения атомов, ионов и электронов в кристаллических решетках металлов: 1 – атомы; 2 – ионы; 3 – электроны

Поскольку валентные электроны распределены в кристалле металла почти равномерно, невозможно говорить о какой-либо направленности металлических связей. В этом состоит их важное отличие от ковалентных связей, которые имеют строгую направленность в пространстве. Металлическая связь отличается от ковалентной также и своей прочностью: ее энергия в 3–4 раза меньше энергии ковалентной связи. Существование подвижных электронов в кристалле металлов объясняет их характерные особенности (электропроводность, теплопроводность).

Металлическую связь можно определить как разновидность ненаправленной ковалентной химической связи, когда атомы имеют мало валентных электронов, много свободных орбит, а валентные электроны слабо удерживаются ядром

Таким образом, металлы – химические элементы, кристаллические решетки которых состоят из атомов и ионов, а в пространстве между ядрами свободно перемещаются электроны. Связь между атомами ковалентная, между ионами и электронами – металлическая.

Атомы постоянно теряют электроны, превращаясь в ионы, а последние принимают их, становясь атомами. Количество электронов, беспорядочно блуждающих в кристаллической решетке, подобно молекулам газа, у разных металлов различно, оно определяет долю металлической связи и меру металличности элемента.

Представление о кристаллической решетке – «погруженной в облако свободно блуждающих электронов», – впервые высказанное в 1902 г., теперь дополнено и приобрело несколько измененную трактовку; однако оно и в первоначальном упрощенном виде хорошо объясняет высокую электропроводность, теплопроводность и термоэлектронную эмиссию металлов.

На атомы и ионы в узлах кристаллической решетки действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Амплитуды колебания ионов и атомов зависят от температуры и возрастают с ней. При температуре плавления амплитуды колебаний столь велики, что решетка разрушается: атомы и ионы теряют свои постоянные места и переходят в беспорядочное движение, свойственное жидкому состоянию. Связь между ионами и электронами называют металлической, а между атомами – ковалентной. От соотношения этих видов химической связи зависит количество блуждающих электронов. Чем больше это количество, тем ярче выражены металлические свойства элементов.

Прочностью металлической связи объясняются многие физические и механические свойства металлов.

Внешние механические воздействия на металл вызывают сдвиг слоев кристаллической решетки, однако связь между ионами и электронами при этом не нарушается из-за свободной подвижности электронов. По этой причине металлы прочны и пластичны, они изменяют форму, но не теряют прочности. В меди и золоте много свободных электронов, металлическая связь значительно преобладает над ковалентной – эти металлы пластичны, ковки, вязки. У сурьмы и висмута свободных электронов сравнительно мало, поэтому они хрупки.

Некоторые физические и механические свойства наиболее распространенных цветных металлов приведены (таб.1).

Таблица 1

Электропроводность, обусловленная перемещением в пространстве кристаллической решетки «обобществленных» электронов, очевидно, зависит от свободы их передвижения – правильности расположения атомов, амплитуды и частоты их теплового колебания. Действительно, с повышением температуры размах колебания узлов решетки увеличивается, рассеивание электронов усиливается, и электропроводность снижается; с охлаждением она снова возрастает. При температурах, близких к абсолютному нулю, электрическое сопротивление некоторых металлов и сплавов становится исчезающе малым. Необходимость очень низких температур пока затрудняет практическое использование этого ценного и интересного явления. Сверхпроводимость при минус 253 °С, обнаруженная в середине XX века у сплава ниобия, алюминия и германия, – редкое явление. Другой такой «высокотемпературный» сверхпроводник представляет собой сплав из ниобия и галлия.

Присутствие даже малых примесей других элементов понижает электропроводность: нарушая порядок в решетке, они рассеивают электроны. Также рассеивают электроны атомы, перемещенные в результате внешнего механического воздействия, – деформации ковкой, прокаткой или иной подобной обработкой.

Теплопроводность почти всегда изменяется с температурой подобно электропроводности – наиболее электропроводные металлы хорошо проводят тепло, а имеющие сравнительно высокое электрическое сопротивление – хуже. Теплопроводность связана как с колебаниями атомов в решетке, так и с движением свободных электронов. Последнее, по-видимому, имеет преобладающее значение.

Механические свойства – прочность на разрыв, сжатие, изгиб, твердость и пластичность объясняются не только металлической связью, но и особенностями кристаллической структуры металлов, имеющей в большинстве плотноупакованные пространственные решетки с высоким координатным числом. Наиболее типичные из них показаны (рис. 2), который надо понимать только как схему расположения атомных центров. В действительности, атомы, условно представляемые в виде шаров, плотно упакованы и занимают только 70 % объема (см. рис.2 г, 1).

Рис. 2. Типичные кристаллические решетки металлов и дефекты структуры:
а – кубическая гранецентрированная решетка меди (аналогичны Аи, Ag, Al, Pt и др.); б – кубическая объемно-центрированная решетка вольфрама (аналогичны Fe, К. Ва и др.); в – гексагональная плотная решетка магния (аналогичны Zn, Be и др.); г – дефекты структуры: 1 – вакансии; 2 – междоузлия, включающие примесь

Многие металлы взаимно растворимы в жидком или твердом состояниях, либо образуют между собой химические – интерметаллические соединения, вследствие этого возникают иные кристаллические системы и широко изменяются свойства. Речь идет о сплавах, которые открывают простор получению новых ценных материалов с особыми свойствами. Уже применяют тысячи двойных, тройных и более сложных сплавов, которые получают не только смешиванием жидких металлов, но и спеканием порошков или растворением какого-либо элемента в поверхностном слое твердого металла (сплава).

Способность к упругим и пластическим деформациям, высокие электропроводность и теплопроводность, и некоторые другие особенности составляют комплекс свойств, не присущий иным твердым телам – дереву, камню, пластмассам. Этим и объясняется неоспоримое признание металлов и сплавов важнейшими материалами современной техники.

М. В. Ломоносов определял металлы как «…светлые тела, которые ковать можно». В наши дни, помимо дополнения этого признаками высокой электропроводности и теплопроводности, надо отметить и зависимость многих свойств от чистоты и механической обработки. Один и тот же металл может быть и ковким и хрупким. В реальных кристаллах всегда есть различные дефекты, из-за которых механические и другие физические свойства нельзя отнести только к особенностям металлической связи и кристаллической решетки.

Точечные дефекты – незаполненные узлы решетки, вакансии (см. рис. 2), а также узлы, занятые атомами примесей, возникают при кристаллизации из расплава. Линейные и плоские дефекты – дислокации получаются также при кристаллизации либо в результате механической обработки в виде неполных слоев атомов или их взаимного смещения, а иногда и переплетения.

Общее количество дефектов на 1 см 2 площади металла или сплава часто превышает 10 6 . Точечные дефекты снижают преимущественно электропроводность и теплопроводность, а другие – еще и механические свойства.

Обычные металлы и сплавы поликристалличны, они состоят из произвольно ориентированных совокупностей зерен. в каждом зерне элементарные кристаллы имеют одинаковую ориентацию, а в соседних – отличную, иногда расположенную под большими углами (рис. 3). На границах зерен скапливаются примеси и образуются газовые пустоты. Помимо понижения физических свойств, здесь наблюдается и меньшая коррозионная стойкость.

Рис. 3. Границы зерен металла, расположенные под большими углами

Возможность смещения слоев кристаллов по направлениям дислокаций или разрыв их на границах зерен понижают прочность. Прочность в известной мере возрастает после отжига – нагревания и медленного охлаждения, когда в результате диффузии дислокации частично устраняются, а зерна становятся мельче.

Механическая обработка иногда вызывает упрочнение, связанное с переплетением дислокаций. Другая причина существенного упрочнения, сопровождающегося понижением пластичности и появлением хрупкости, связана с возникновением или введением посторонних нерастворимых фаз, например, карбида железа F 3 C в стали или окислов и нитридов в титане, вольфраме, молибдене. Зерна этих соединений препятствуют взаимному смещению слоев металла. Очистка металлов от примесей обычно значительно улучшает ковкость и облегчает обработку.

Жидкие металлы отличаются от твердых металлов сравнительно малой связью между атомами и ионами, но свобода движения электронов и здесь сохранена, поэтому они также электропроводны и теплопроводны.

Один и тот же металл при разных температурах может иметь разные кристаллические решетки. Переход из одной системы в другую изменяет расстояние между узлами и их расположение, этот переход существенно отражается на свойствах полиморфных модификаций. Например, олово, известное при обычных температурах как пластичный блестящий металл тетрагональной сингонии с плотностью 7,29 г/см 3 (β – модификация), при температурах ниже 13,2 °С, а особенно при быстром переохлаждении превращается в серый порошок, кристаллизуясь в кубической системе с плотностью 5,85 г/см 3 (α – модификация). Подобные превращения свойственны многим другим элементам.

Химическую активность металлов можно характеризовать положением в электрохимическом ряду напряжений, где металлы размещены в порядке нарастания нормальных электрохимических или электродных потенциалов. Чем больше алгебраическая величина нормального электродного потенциала, тем меньше восстановительная способность и химическая активность металла. В ряду напряжений каждый металл способен вытеснять стоящие правее него металлы из водных растворов и солевых расплавов.

Металлы с отрицательными электрохимическими потенциалами легко подвержены окислению, поэтому они встречаются в природе только в виде химических соединений: оксидов, галогенидов, а также сульфидов, силикатов и других солей. По мере повышения потенциала, а значит и снижения химической активности, свободное состояние металлов становится все более устойчивым. Например, медь, серебро и ртуть находятся в природе не только в виде солей, но и в свободном состоянии, а золото и платина – преимущественно в свободном состоянии. Связь между электродными потенциалами и некоторыми свойствами металлов показана (табл. 2).

Характеризуя металлы как химические элементы надо заметить, что Периодическая система Д. И. Менделеева не позволяет четко различить их от металлоидов и неметаллов. Это и естественно: каждый элемент представляет собой диаэлектрическое единство металлических и металлоидных свойств, противоречивая природа которых не устраняется с ростом заряда ядра и количества электронных оболочек.

Явными неметаллами легко признать водород, благородные газы, галогены, элементы группы VI – кислород, серу, селен, теллур и полоний, а также бор, углерод, азот, кремний и фосфор. Все они не дают основных оксидов и гидрооксидов, свойственных металлам. Вместе с тем из числа прочих элементов некоторые имеют амфотерные гидрооксиды. В частности, у таких, казалось бы, явных металлов, как цинк и алюминий, оксиды проявляют и кислотные и основные свойства.

О кристаллических решетках металлов в общем случае говорилось выше, а для большинства химических элементов они условно показаны в табл. 4. Однако различие кристаллических структур также не дает оснований для интересующего нас подразделения элементов. Привычно считаемые металлами ртуть, и висмут кристаллизуются в несвойственной большинству других металлов ромбической системе, а индий и олово – в тетрагональной.

Наиболее четкую условную границу между металлами и металлоидами можно провести, сравнивая электропроводность или обратную ей величину – удельное электрическое сопротивление. Для явного металла – никеля удельное электрическое сопротивление равно 6,8∙10 –6 (Ом∙см), а для металлоида углерода только в модификации графита составляет 1375∙10 –6 (Ом∙см).

Ориентируясь по этому признаку, к металлам следует отнести 80 элементов, а к неметаллам и металлоидам 23.

Далее, ограничивая область металлургии элементами, входящими в состав земной коры, из восьмидесяти следует исключить франций, технеций, прометий, а также актиниды, начиная с америция, и определить окончательное число металлов, равным 68 (таб. 3).

Таблица 3

в связи со стремлением к комплексности использования сырья, а также широким производством сплавов, часто включающих металлоиды, сложились традиции, по которым к металлам иногда неправильно относят кремний, германий, а иногда также селен и теллур, попутно извлекаемые из металлургического сырья. Наряду с этим типичный металл – натрий получает химическая промышленность; из этого видна тесная связь химии с металлургией. Раньше металлургию отличало от химической технологии преимущественное применение плавок при высоких температурах, теперь эта особенность все более утрачивается: наряду с огневой пирометаллургией возрастает значение гидрометаллургии, которая извлекает металлы из руд выщелачиванием водными растворами реагентов с последующим восстановлением электролизом либо цементацией.

В качестве промежуточных переделов для разделения и концентрирования растворенных веществ пользуются сорбцией, экстракцией, осаждением, соосаждением и другими способами химической переработки.

Промышленная классификация металлов, традиционно сложившаяся в нашей стране в период наиболее интенсивной индустриализации, не имеет четкой научной основы, но широко применяется в технической литературе и обиходе. Первое основание ее, принятое и в некоторых других странах, состоит в резком различии масштабов производства железа и прочих металлов. В общей массе металлургической продукции, сплавы железа занимают около 93%. Поэтому различают «железные металлы» (железо и его сплавы – чугуны и стали) и прочие «нежелезные».

У нас этому соответствуют условно принятые названия черные и цветные металлы. Цветные металлы в свою очередь подразделяются по некоторым общим признакам на ряд групп и подгрупп, отмеченных в табл.3 и 4.

В вышеприведенной классификации нет даже принципа названий групп. Так, в конце прошлого столетия алюминий считали редким металлом, а сейчас по производству и потреблению он занимает первое место среди цветных металлов. Не решен окончательно вопрос и с титаном, так как некоторые металлурги относят его к тугоплавким редким металлам, а другие к легким металлам. Поэтому различные металлурги, придерживаясь разных точек зрения, относят отдельные металлы к разным группам.