Основные классификационные свойства металлов

Содержание

 

   Введение            4

1 Происхождение слова  «металл»        5

   1.1 Нахождение в природе         5

   1.2 Добыча           6

2. Физические свойства  металлов        6

3. Химические свойства  металлов        11

   3.1 Реакции с простыми веществами       12

   3.2. Взаимодействие  кислот с металлами      13

4. Механические свойства  металлов       14

5. Характерные свойства  металлов        18

   5.1. Кристаллическая структура        18

   5.2. Скольжение и дислокации        20

   5.3. Температурные эффекты        21

   5.4. Магнитные свойства         22

   5.5. Понятие об изотропии и анизотропии      22

   Заключение           24

   Список используемой литературы       25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего  строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решётке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что  может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного  описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны, причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность  такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при  минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка  валентных электронов, т. е. течёт электрический ток.

Та же высокая подвижность  электронов приводит и к высокой  теплопроводности, а также к способности  зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Происхождение  слова «металл»

 

Металлы — один из самых  распространённых материалов, используемых цивилизацией на протяжении практически всей её истории.

Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

 – 6 элементов в группе щелочных металлов,

 – 6 в группе щёлочноземельных металлов,

 – 38 в группе переходных металлов,

 – 11 в группе лёгких металлов,

 – 7 в группе полуметаллов,

 – 14 в группе лантаноиды + лантан,

 – 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,

 – вне определённых групп бериллий и магний.

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.

В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия.

Слово «металл» заимствовано из немецкого языка в старорусский период. Отмечается в «Травнике» Николая Любчанина, написанном в 1534 году: «...злато и сребро всех металей одолеваетъ». Окончательно усвоено в Петровскую эпоху. Первоначально имело общее значение «минерал, руда, металл»; разграничение этих понятий произошло в эпоху М.В. Ломоносова.

Немецкое слово «metall» заимствовано из латинского языка, где «metallum» «рудник, металл». Латинское в свою очередь заимствовано из греческого языка (μεταλλον – «рудник, копь»).

 

1.1. Нахождение в природе

 

Бо́льшая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) 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.

 

1.2 Добыча

 

Металлы часто извлекают  из земли средствами горной промышленности, результат — добытые руды —  служат относительно богатым источником необходимых элементов. Для выяснения  нахождения руд используются специальные  поисковые методы, включающие разведку руд и исследование месторождений. Месторождения, как правило, делятся  на карьеры (разработки руд на поверхности), в которых добыча ведётся путем извлечения грунта с использованием тяжелой техники, а также — на подземные шахты.

Из добытой руды металлы  извлекаются, как правило, с помощью  химического или электролитического восстановления. В пирометаллургии для преобразования руды в металлическое сырьё используются высокие температуры, в гидрометаллургии применяют для тех же целей водную химию. Используемые методы зависят от вида металла и типа загрязнения.

Когда металлическая руда является ионным соединением металла  и неметалла, для извлечения чистого  металла она обычно подвергается выплавлению — нагреву с восстановителем. Многие распространенные металлы, такие как железо, плавят с использованием в качестве восстановителя углерода (получаемого из сжигания угля). Некоторые металлы, такие как алюминий и натрий, не имеют ни одного экономически оправданного восстановителя и извлекаются с применением электролиза.

Сульфидные руды не улучшаются непосредственно до получения чистого металла, но обжигаются на воздухе, с целью преобразования их в окислы.

 

2. Физические свойства металлов

 

К характерным физическим свойствам металла относят:

 – Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы йод и углерод в виде графита)

 – Хорошая электропроводность

 – Возможность лёгкой механической обработки (пластичность; однако некоторые металлы, например германий и висмут, непластичны)

 – Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)

 – Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)

 – Большая теплопроводность

К физическим свойствам металлов относят удельный вес, температуру плавления, цвет, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании, магнитные свойства и некоторые другие. В зависимости от условий работы или эксплуатации деталей некоторые из этих свойств приобретают решающее значение и служат основанием для выбора материала при изготовлении и использовании детали. Например, удельный вес и прочность — важные качества для материала в самолетостроении, где нужны легкие и прочные детали. Температура плавления имеет большое значение для деталей, работающих при высоких температурах, например нити накаливания в электрических лампах, футеровка плавильных печей и т. п. Поэтому детали самолета изготовляют из сплавов алюминия и магния, а для изготовления нитей накаливания употребляется вольфрам и т. д.

Под прочностью понимают сопротивление, которое оказывает материал соответственно деформации и разрыву при воздействии внешних сил. Высокая прочность многих металлов делает их пригодными для самых разных конструкций.

Все металлы (кроме ртути  и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса. Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:

Твёрдость	Металл
0.2	Цезий
0.3	Рубидий
0.4	Калий
0.5	Натрий
0.6	Литий
1.2	Индий
1.2	Таллий
1.25	Барий
1.5	Стронций
1.5	Галлий
1.5	Олово
1.5	Свинец
1.5	Ртуть(тв.)
1.75	Кальций
2.0	Кадмий
2.25	Висмут
2.5	Магний
2.5	Цинк
2.5	Лантан
2.5	Серебро
2.5	Золото
2.59	Иттрий
2.75	Алюминий
3.0	Медь
3.0	Сурьма
3.0	Торий
3.17	Скандий
3.5	Платина
3.75	Кобальт
3.75	Палладий
3.75	Цирконий
4.0	Железо
4.0	Никель
4.0	Гафний
4.0	Марганец
4.5	Ванадий
4.5	Молибден
4.5	Родий
4.5	Титан
4.75	Ниобий
5.0	Иридий
5.0	Рутений
5.0	Тантал
5.0	Технеций
5.0	Хром
5.5	Бериллий
5.5	Осмий
5.5	Рений
6.0	Вольфрам
6.0	β-Уран

Твердость материала - это  его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку  испытания на растяжение требуют  дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают "индентор" (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести - это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая. Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат). Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение). Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение.

Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Упругость — способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших это изменение. Примером упругого тела может служить стальная пружина, которая после прекращения сил воздействия восстанавливает свою прежнюю форму.

Пластичность — способность материала изменять свою форму под воздействием сил не разрушаясь и не восстанавливать прежней формы после прекращения действия сил. Примером пластичного металла может служить свинец. Это качество по своей сущности противоположно упругости.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.

Вязкость — способность материала выдерживать механические воздействия (удары) не разрушаясь. Очень вязка, например, малоуглеродистая сталь, употребляемая для неответственных деталей.

Хрупкость — качество, противоположное вязкости, способность тела легко разрушаться при механических воздействиях (ударах). Примером хрупкого металла является чугун.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

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, твёрдости 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 жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

 

 

 

Основные физические свойства некоторых чистых элементарных металлов
Металл	Хим.  символ	Атомный  номер	Плотн.  г/(см^3)	Тплав.  °С	Уд. теплоемк.  Дж/(кг*°К)	Уд. теплопр.  Вт/(м*°К)	Тепл. коэф лин.  расш. (10^6)/°К	Число  Бринеля	Уд. сопрот. мкОм*м	Магнитные свойства
Алюминий	Al	13	2,70	660	923	218,0	21,0	25	0,026	Парамагне тик
Вольфрам	W	74	19,30	3400	142	167,0	4,4	262	0,055	Парамагне тик
Железо	Fe	26	7,87	1540	453	73,3	10,7	50	0,097	Ферромагне тик
Золото	Au	79	19,30	1063	134	312,0	14,0	18	0,0225	Диамагнетик
Иридий	Ir	77	22,40	2410	130	146,0	6,5	170	0,054	Парамагне тик
Кадмий	Cd	48	8,65	320,9	231	92,8	29,0	21	0,074	Диамагнетик
Кобальт	Co	27	8,85	1500	445	69,5	13,5	102	0,064	Ферромагне тик
Медь	Cu	29	8,92	1083	386	406,0	16,6	35	0,017	Диамагнетик
Молибден	Mo	42	10,20	2620	272	150,0	5,3	153	0,05	Парамагне тик
Никель	Ni	28	8,96	1453	440	75,5	13,2	68	0,068	Ферромагне тик
Олово	Sn	50	7,29	231,9	226	63,1	23,0	5,2	0,113	Парамагне тик
Палладий	Pd	46	12,02	1552	243	70,7	9,5	46	0,108	Парамагне тик
Платина	Pt	78	21,45	1773	134	71,1	9,5	40	0,098	Парамагне тик
Родий	Rh	45	12,48	1970	247	88,0	8,5	102	0,043	Парамагне тик
Ртуть	Hg	80	13,50	- 39	138	7,9	182,0	-	0,958	Диамагнетик
Свинец	Pb	82	11,34	327	130	35,0	28,3	3,9	0,19	Диамагнетик
Серебро	Ag	47	10,49	960,5	235	453,0	18,6	25	0,015	Диамагнетик
Титан	Ti	22	4,52	1670	550	21,9	8,1	73	0,47	Парамагне тик
Хром	Cr	24	7,19	1900	462	88,6	6,2	114	0,13	Антиферро магн.
Цинк	Zn	30	7,14	419,5	336	113,0	30,0	42	0,059	Диамагнетик

 

 

3. Химические свойства металлов

 

На внешнем электронном  уровне у большинства металлов небольшое  количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны).

Строение атомов металлов определяет не только характерные физические свойства простых веществ – металлов, но и общие их химические свойства.

При большом многообразии все химические реакции металлов относятся к окислительно-восстановительным и могут быть только двух типов: соединения и замещения. Металлы способны при химических реакциях отдавать электроны, то есть быть восстановителями, проявлять в образовавшихся соединениях только положительную степень окисления.

В общем виде это можно  выразить схемой:

Ме⁰ – ne → Me⁺ⁿ,

где Ме – металл – простое вещество,

а    Ме⁰⁺ⁿ – металл химический элемент в соединении.

Металлы способны отдавать свои валентные электроны атомам неметаллов, ионам водорода, ионам других металлов, а поэтому будут реагировать с неметаллами – простыми веществами, водой, кислотами, солями. Однако восстановительная способность металлов различна. Состав продуктов реакции металлов с различными веществами зависит и от окислительной способности веществ и условий, при которых протекает реакция.

При высоких температурах большинство металлов сгорает в  кислороде:

2Mg + O₂ = 2MgO

Не окисляются в этих условиях только золото, серебро, платина и  некоторые другие металлы.

С галогенами многие металлы  реагируют без нагревания. Например, порошок алюминия при смешивании с бромом загорается:

2Al + 3Br₂ = 2AlBr₃

При взаимодействии металлов с водой в некоторых случаях образуются гидроксиды. Очень активно при обычных условиях взаимодействуют с водой щелочные металлы, а также кальций, стронций, барий. Схема этой реакции в общем виде выглядит так:

Ме + HOH → Me(OH)_n + H₂↑

Другие металлы реагируют  с водой при нагревании: магний при её кипении, железо в парах  воды при красном кипении. В этих случаях получаются оксиды металлов.

Если металл реагирует  с кислотой, то он входит в состав образующейся соли. Когда металл взаимодействует с растворами кислоты, он может окисляться ионами водорода, имеющимися в этом растворе. Сокращённое ионное уравнение в общем виде можно записать так:

Me + nH⁺ → Meⁿ⁺ + H₂↑

Более сильными окислительными свойствами, чем ионы водорода, обладают анионы таких кислородосодержащих  кислот, как например, концентрированная серная и азотная. Поэтому с этими кислотами реагируют те металлы, которые не способны окисляться ионами водорода, например, медь и серебро.

При взаимодействии металлов с солями происходит реакция замещения: электроны от атомов замещающего – более активного металла переходят к ионам замещаемого – менее активного металла. То сеть происходит замещение металла металлом в солях. Данные реакции не обратимы: если металл А вытесняет металл В из раствора солей, то металл В не будет вытеснять металл А из раствора солей.

В порядке убывания химической активности, проявляемой в реакциях вытеснения металлов друг друга из водных растворов их солей, металлы  располагаются в электрохимическом ряду напряжений (активности) металлов:

Li → Rb → K → Ba → Sr → Ca → Na→ Mg → Al → Mn → Zn → Cr → Fe → Cd→ Co → Ni → Sn → Pb → H → Sb → Bi → Cu → Hg → Ag → Pd → Pt → Au

Металлы, расположенные в  этом ряду левее, более активны и способны вытеснять следующие за ними металлы из растворов солей.

В электрохимический ряд  напряжений металлов включён водород, как единственный неметалл, разделяющий с металлами общее свойство — образовывать положительно заряженные ионы. Поэтому водород замещает некоторые металлы в их солях и сам может замещаться многими металлами в кислотах, например:

Zn + 2 HCl = ZnCl₂ + H₂↑ + Q

Металлы, стоящие в электрохимическом  ряду напряжений до водорода, вытесняют его из растворов многих кислот (соляной, серной и др.), а все следующие за ним, например, медь не вытесняют.

 

3.1 Реакции с простыми веществами

 

С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

оксид лития

пероксид натрия

надпероксид калия

Чтобы получить из пероксида  оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Со средними и малоактивными  металлами реакция происходит при  нагревании:

С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной  температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

При нагревании:

С серой реагируют все  металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует  с серой при нагревании, образуя сульфид:

С водородом реагируют  только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

С углеродом реагируют  только наиболее активные металлы. При  этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.

 

3.2. Взаимодействие кислот с металлами

 

С кислотами металлы реагируют  по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

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:

Реакции для азотной кислоты (HNO₃)

Продукты взаимодействия железа с HNO₃ разной концентрации

При взаимодействии с активными  металлами вариантов реакций  ещё больше:

4. Механические  свойства металлов

 

Когда на металлический образец  действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и  конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла. Интенсивность силы, действующей  на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.