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.

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..

Несколько научных дисциплин (материало- и металловедение, физика, химия) занимаются изучением свойств и характеристик металлов. Существует их общепринятая классификация. Однако каждая из дисциплин при их изучении опирается на особые специализированные параметры, находящиеся в сфере ее интересов. С другой стороны, все науки, изучающие металлы и сплавы, придерживаются одной точки зрения, что существует две основные группы: черные и цветные.

Признаки металлов

Различают следующие основные механические свойства:

• Твердость - определяет возможность одного материала противодействовать проникновению другого, более твердого.
• Усталость - количество, а также время циклических воздействий, которое может выдержать материал без изменения целостности.
• Прочность. Заключается в следующем: если приложить динамическую, статическую или знакопеременную нагрузку, то это не приведет к изменению формы, строения и размеров, нарушению внутренней и наружной целостности металла.
• Пластичность - это способность удерживать целостность и полученную форму при деформации.
• Упругость - это деформация без нарушения целостности под воздействием определенных сил, а также после избавления от нагрузки возможность к возращению первоначальной формы.
• Стойкость к трещинам - под влиянием внешних сил в материале они не образуются, а также сохраняется наружная целостность.
• Износостойкость - способность сохранять наружную и внутреннюю целостность при продолжительном трении.
• Вязкость - сохранение целостности при увеличивающихся физических воздействиях.
• Жаростойкость - противостояние изменению размера, формы и разрушению при воздействии высоких температур.

Классификация металлов

К металлам относятся материалы, обладающие совокупностью механических, технологических, эксплуатационных, физических и химических характерных свойств:

• механические подтверждают способность к сопротивлению деформации и разрушению;
• технологические свидетельствуют о способности к разному виду обработки;
• эксплуатационные отражают характер изменения при эксплуатации;
• химические показывают взаимодействие с различными веществами;
• физические указывают на то, как ведет себя материал в разных полях - тепловом, электромагнитном, гравитационном.

По системе классификации металлов все существующие материалы подразделяются на две объемные группы: черные и цветные. Технологические и механические свойства также тесно связаны. К примеру, прочность металла может являться результатом правильной технологической обработки. Для этих целей используют так называемую закалку и «старение».

Химические, физические и механические свойства тесно взаимосвязаны между собой, так как состав материала устанавливает все остальные его параметры. Например, тугоплавкие металлы являются самыми прочными. Свойства, которые проявляются в состоянии покоя, называются физическими, а под воздействием извне - механическими. Также существуют таблицы классификации металлов по плотности - основному компоненту, технологии изготовления, температуре плавления и другие.

Черные металлы

Материалы, относящиеся к этой группе, обладают одинаковыми свойствами: внушительной плотностью, большой температурой плавления и темно-серой окраской. К первой большой группе черных металлов принадлежат следующие:

Цветные металлы

Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:

• Легкие - магний, стронций, цезий, кальций. В природе встречаются только в прочных соединениях. Применяются для получения легких сплавов разного назначения.
• Благородные. Примеры металлов: платина, золото, серебро. Они обладают повышенной устойчивостью к коррозии.
• Легкоплавкие - кадмий, ртуть, олово, цинк. Имеют невысокую температуру плавления, участвуют в производстве разных сплавов.

Низкая прочность цветных металлов не позволяет их использовать в чистом виде, поэтому в промышленности их применяют в виде сплавов.

Медь и сплавы с медью

В чистом виде имеет розовато-красный цвет, маленькое удельное сопротивление, небольшую плотность, хорошую теплопроводность, отличную пластичность, обладает стойкостью к коррозии. Находит широкое применение как проводник электрического тока. Для технических нужд используют два вида сплавов из меди: латуни (медь с цинком) и бронзы (медь с алюминием, оловом, никелем и другими металлами). Латунь используется для изготовления листов, лент, труб, проволоки, арматуры, втулок, подшипников. Из бронзы изготавливают плоские и круглые пружины, мембраны, разную арматуру, червячные пары.

Алюминий и сплавы

Этот очень легкий металл, имеющий серебристо-белый цвет, обладает высокой коррозийной стойкостью. У него хорошая электропроводность и пластичность. Благодаря своим характеристикам нашел применение в пищевой, легкой и электропромышленности, а также в самолетостроении. Сплавы из алюминия очень часто используются в машиностроении для изготовления особо ответственных деталей.

Магний, титан и их сплавы

Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.

Антифрикционные сплавы

Такие сплавы определены для увеличения срока службы поверхностей, испытывающих трение. Они сочетают в себе следующие характеристики металла - хорошую теплопроводность, маленькую температуру плавления, микропористость, слабый коэффициент трения. К антифрикционным относят сплавы, основой которых является свинец, алюминий, медь или олово. К самым применяемым относятся:

• баббит. Его изготовляют на основе свинца и олова. Используют в производстве вкладышей для подшипников, которые работают на больших скоростях и при ударных нагрузках;
• алюминиевые сплавы;
• бронза;
• металлокерамические материалы;
• чугун.

Мягкие металлы

По системе классификации металлов это золото, медь, серебро, алюминий, но среди самых мягких выделяют цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Золото сильно распылено в природе. Оно есть в морской воде, организме человека, а также его можно встретить практически в любом осколке гранита. В чистом виде золото имеет желтый с оттенком красного цвет, так как металл мягкий - его можно поцарапать даже ногтем. Под влиянием окружающей среды золото достаточно быстро разрушается. Этот металл является незаменимым для электрических контактов. Несмотря на то что серебра в двадцать раз больше, чем золота, он также является редким.

Используется для производства посуды, ювелирных украшений. Легкий металл натрий также получил широкое распространение, востребован практически в каждой отрасли промышленности, в том числе химической - для производства удобрений и антисептиков.

Металлом является ртуть, хоть и находится в жидком состоянии, поэтому считается одним из самых мягких в мире. Этот материал используется в оборонной и химической промышленности, сельском хозяйстве, электротехнике.

Твердые металлы

В природе практически нет самых твердых металлов, поэтому добыть их очень сложно. В большинстве случаев их находят в упавших метеоритах. Хром принадлежит к тугоплавким металлам и является самым твердым из чистейших на нашей планете, к тому же он легко поддается механической обработке.

Вольфрам - это химический элемент. Считается самым твердым при сравнении с другими металлами. Имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Несмотря на твердость, из него можно выковывать любые нужные детали. Благодаря теплоустойчивости и гибкости это наиболее подходящий материал для выплавки небольших элементов, используемых в осветительных приборах. Тугоплавкий металл вольфрам - основное вещество тяжелых сплавов.

Металлы в энергетике

Металлы, в состав которых входят свободные электроны и положительные ионы, считаются хорошими проводниками. Это довольно востребованный материал, характеризующийся пластичностью, высокой электропроводностью и способностью легко отдавать электроны.

Из них делают силовые, радиочастотные и специальные провода, детали для электрических установок, машин, для бытовых электроприборов. Лидерами применения металлов для изготовления кабельной продукции считаются:

• свинец - за большую устойчивость к коррозии;
• медь - за высокую электропроводность, легкость в обработке, стойкость к коррозии и достаточную механическую прочность;
• алюминий - за небольшой вес, устойчивость к вибрациям, прочность и температуру плавления.

Категории черных вторичных металлов

К отходам черных металлов предъявляют определенные требования. Для отправки сплавов в сталеплавильные печи потребуются определенные операции по их обработке. Перед подачей заявки на перевозку отходов необходимо ознакомиться с ГОСТом черных металлов для определения его стоимости. Черный вторичный лом классифицируют на стальной и чугунный. Если в составе присутствуют легирующие добавки, то его относят к категории «Б». В категорию «А» включены углеродистые: сталь, чугун, присад.

Металлурги и литейщики из-за ограниченности первичной сырьевой базы проявляют активный интерес к вторичному сырью. Использование лома черных металлов вместо металлической руды - это ресурсное, а также энергосберегающее решение. Вторичный черный металл используют как охладитель конвертерной плавки.

Диапазон применения металлов невероятно широк. Черные и цветные неограниченно используются в строительной и машинной индустрии. Не обойтись без цветных металлов и в энергетической промышленности. Редкие и драгоценные идут на изготовление украшений. В искусстве и медицине находят применение как цветные, так и черные металлы. Невозможно представить жизнь человека без них, начиная от хозяйственных принадлежностей и до уникальных приборов и аппаратов.

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.

Нахождение в природе

Бо?льшая 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 .

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 .

Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:

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).

Некоторые металлы

1. Лёгкие:
2. Другие:

Применение металлов

Конструкционные материалы

Инструментальные материалы

История развития представлений о металлах

Знакомство человека с металлами началось с золота , серебра и меди , то есть с металлов, встречающихся в свободном состоянии на земной поверхности; впоследствии к ним присоединились металлы, значительно распространенные в природе и легко выделяемые из их соединений: олово , свинец , железо и . Эти семь металлов были знакомы человечеству в глубокой древности. Среди древнеегипетских артефактов встречаются золотые и медные изделия, которые, по некоторым данным, относятся к эпохе, удаленной на 3000-4000 лет от н. э.

К семи известным металлам уже только в средние века прибавились цинк , висмут , сурьма и в начале XVIII столетия мышьяк . С середины XVIII века число открытых металлов быстро возрастает и к началу XX столетия доходит до 65, а к началу XXI века - до 96.

Ни одно из химических производств не способствовало столько развитию химических знаний, как процессы, связанные с получением и обработкой металлов; с историей их связаны важнейшие моменты истории химии. Свойства металлов так характерны, что уже в самую раннюю эпоху золото, серебро, медь, свинец, олово, железо и ртуть составляли одну естественную группу однородных веществ, и понятие о «металле» относится к древнейшим химическим понятиям. Однако воззрения на их натуру в более или менее определенной форме появляются только в средние века у алхимиков . Правда, идеи Аристотеля о природе: образовании всего существующего из четырёх элементов (огня, земли, воды и воздуха) уже тем самым указывали на сложность металлов; но эти идеи были слишком туманны и абстрактны. У алхимиков понятие о сложности металлов и, как результат этого, вера в возможность превращать одни металлы в другие, создавать их искусственно, является основным понятием их миросозерцания. Это понятие есть естественный вывод из той массы фактов, относящихся до химических превращений металлов, которые накопились к тому времени. В самом деле, превращение металла в совершенно непохожую на них окись простым прокаливанием на воздухе и обратное получение металла из окиси, выделение одних металлов из других, образование сплавов, обладающих другими свойствами, чем первоначально взятые металлы, и прочее - всё это как будто должно было указывать на сложность их натуры.

Что касается собственно до превращения металлов в золото, то вера в возможность этого была основана на многих видимых фактах. В первое время образование сплавов, цветом похожих на золото, например из меди и цинка, в глазах алхимиков уже было превращением их в золото. Им казалось, что нужно изменить только цвет, и свойства металла также станут другими. В особенности много способствовали этой вере плохо поставленные опыты, когда для превращения неблагородного металла в золото брались вещества, содержавшие примесь этого золота. Например, уже в конце XVIII столетия один копенгагенский аптекарь уверял, что химически чистое серебро при сплавлении с мышьяком отчасти превращается в золото. Этот факт был подтвержден известным химиком Гитоном де Морво и наделал много шума. Вскорости потом было показано, что мышьяк, служивший для опыта, содержал следы серебра с золотом.

Так как из семи известных тогда металлов одни легче подвергались химическим превращениям, другие труднее, то алхимики делили их на благородные - совершенные, и неблагородные - несовершенные. К первым принадлежали золото и серебро, ко вторым медь, олово, свинец, железо и ртуть. Последняя, обладая свойствами благородных металлов, но в то же время резко отличаясь от всех металлов своим жидким состоянием и летучестью, чрезвычайно занимала тогдашних ученых, и некоторые выделяли её в особую группу; внимание, привлекавшееся ей, было так велико, что ртуть стали считать в числе элементов, из которых образованы собственно металлы, и в ней именно видели носителя металлических свойств. Принимая существование в природе перехода одних металлов в другие, несовершенных в совершенные, алхимики предполагали, что в обычных условиях это превращение идет чрезвычайно медленно, целыми веками, и, может быть, не без таинственного участия небесных светил, которым в тогдашнее время приписывали такую большую роль и в судьбе человека. По совпадению, известных тогда металлов было семь, как и известных тогда планет, а это ещё более указывало на таинственную связь между ними. У алхимиков металлы часто носят название планет; золото называется Солнцем , серебро - Луной , медь - Венерой , олово - Юпитером , свинец - Сатурном , железо - Марсом и ртуть - Меркурием . Когда были открыты цинк, висмут, сурьма и мышьяк, тела, во всех отношениях схожие с металлами, но у которых одно из характернейших свойств металла, ковкость, развито в слабой степени, то они были выделены в особую группу - полуметаллов . Деление металлов на собственно металлы и полуметаллы существовало ещё в середине XVIII столетия.

Определение состава металла первоначально было чисто умозрительным. В первое время алхимики принимали, что они образованы из двух элементов - и серы . Происхождение этого воззрения неизвестно, оно имеется уже в VIII столетии. По Геберу доказательством присутствия ртути в металлах служит то, что она их растворяет, и в этих растворах индивидуальность их исчезает, поглощается ртутью, чего не случилось бы, если бы в них не было одного общего с ртутью начала. Кроме того, ртуть со свинцом давала нечто похожее на олово. Что касается серы, то, может быть, она взята потому, что были известны сернистые соединения, по внешнему виду схожие с металлами. В дальнейшем эти простые представления, вероятно, вследствие безуспешных попыток получения металлов искусственно, крайне усложняются, запутываются. В понятиях алхимиков, например Х-XIII столетий, ртуть и сера, из которых образованы металлы, не были теми ртутью и серой, которые имели в руках алхимики. Это было только нечто схожее с ними, обладающее особыми свойствами; нечто такое, которое в обыкновенной сере и ртути существовало реально, было выражено в них в большей степени, чем в других телах. Под ртутью, входящей в состав металлов, представляли нечто, обуславливающее неизменяемость их, металлический блеск, тягучесть, одним словом, носителя металлического вида; под серой подразумевали носителя изменяемости, разлагаемости, горючести металлов. Эти два элемента находились в металлах в различном соотношении и, как тогда говорили, различным образом фиксированные; кроме того, они могли быть различной степени чистоты. По Геберу, например, золото состояло из большого количества ртути и небольшого количества серы в высшей степени чистоты и наиболее фиксированных; в олове, напротив, предполагали много серы и мало ртути, которые были не чисты, плохо фиксированы и прочее. Всем этим, конечно, хотели выразить различное отношение металлов к единственному в тогдашнее время могущественному химическому агенту - огню. При дальнейшем развитии этих воззрений двух элементов - ртути и серы - для объяснения состава металлов алхимикам показалось недостаточно; к ним присоединили соль, а некоторые мышьяк. Этим хотели указать, что при всех превращениях металлов остается нечто не летучее, постоянное. Если в природе «превращение неблагородных металлов в благородные совершается веками», то алхимики стремились создать такие условия, в которых этот процесс совершенствования, созревания шёл бы скоро и легко. Вследствие тесной связи химии с тогдашней медициной и тогдашней биологией, идея о превращении металлов естественным образом отождествлялась с идеей о росте и развитии организованных тел: переход, например, свинца в золото, образование растения из зерна, брошенного в землю и как бы разложившегося, брожение, исцеление больного органа у человека - все это были частные явления одного общего таинственного жизненного процесса, совершенствования, и вызывались одними стимулами. Отсюда само собой понятно, что таинственное начало, дающее возможность получить золото, должно было исцелять болезни, превращать старое человеческое тело в молодое и прочее. Так сложилось понятие о чудесном философском камне.

Что касается роли философского камня в превращении неблагородных металлов в благородные, то больше всего существует указаний относительно перехода их в золото, о получении серебра говорится мало. По одним авторам, один и тот же философский камень превращает металлы в серебро и золото; по другим - существуют два рода этого вещества: одно совершенное, другое менее совершенное, и это то последнее и служит для получения серебра. Относительно количества философского камня, требующегося для превращения, указания тоже разные. По одним, 1 часть его способна превратить в золото 10000000 частей металла, по другим - 100 частей и даже только 2 части. Для получения золота плавили какой-нибудь неблагородный металл или брали ртуть и бросали туда философский камень; одни уверяли, что превращение происходит мгновенно, другие же - мало-помалу. Эти взгляды на природу металлов и на способность их к превращениям держатся в общем в течение многих веков до XVII столетия, когда начинают резко отрицать все это, тем более что эти взгляды вызвали появление многих шарлатанов, эксплуатировавших надежду легковерных получить золото. С идеями алхимиков в особенности боролся Бойль : «Я бы хотел знать, - говорит он в одном месте, - как можно разложить золото на ртуть, серу и соль; я готов уплатить издержки по этому опыту; что касается меня, то я никогда не мог этого достигнуть».

После вековых бесплодных попыток искусственного получения металлов и при том количестве фактов, которые накопились к XVII столетию, например о роли воздуха при горении, увеличении веса металла при окислении, что, впрочем, знал ещё Гебер в VIII столетии, вопрос об элементарности состава металла, казалось, был совсем близок к окончанию; но в химии появилось новое течение, результатом которого явилась флогистонная теория, и решение этого вопроса было ещё отсрочено на продолжительное время.

Тогдашних ученых сильно занимали явления горения. Исходя из основной идеи тогдашней философии, что сходство в свойствах тел должно происходить от одинаковости начал, элементов, входящих в их состав, принимали, что тела горючие заключают общий элемент. Акт горения считался актом разложения, распадения на элементы; при этом элемент горючести выделялся в виде пламени, а другие оставались. Признавая взгляд алхимиков на образование металлов из трёх элементов, ртути, серы и соли, и принимая их реальное существование в металле, горючим началом в них нужно было признать серу. Тогда другой составной частью металла нужно было, очевидно, признать остаток от прокаливания металла - «землю», как тогда говорили; следовательно, ртуть тут ни при чём. С другой стороны, сера сгорает в серную кислоту , которую многие, в силу сказанного, считали более простым телом, чем сера, и включили в число элементарных тел. Выходила путаница и противоречие. Бехер , чтобы согласовать старые понятия с новыми, принимал существование в металле земли трех сортов: собственно «землю», «землю горючую» и «землю ртутную». В этих-то условиях Шталь предложил свою теорию. По его мнению, началом горючести служит не сера и не какое-либо другое известное вещество, а нечто неизвестное, названное им флогистоном . Металлы, будто бы, образованы из флогистона и земли; прокаливание металла на воздухе сопровождается выделением флогистона; обратное получение металлов из его земли с помощью угля - вещества, богатого флогистоном - есть акт соединения флогистона с землей. Хотя металлов было несколько и каждый из них при прокаливании давал свою землю, последняя, как элемент, была одна, так что и эта составная часть металла была такого же гипотетического характера, как и флогистон; впрочем, последователи Шталя иногда принимали столько «элементарных земель», сколько было металлов. Когда Кавендиш при растворении металлов в кислотах получил водород и исследовал его свойства (неспособность поддерживать горение, его взрывчатость в смеси с воздухом и проч.), он признал в нём флогистон Шталя; металлы, по его понятиям, состоят из водорода и «земли». Этот взгляд принимался многими последователями флогистонной теории.

Несмотря на видимую стройность теории флогистона, существовали крупные факты, которые никак нельзя было связать с ней. Ещё Геберу было известно, что металлы при обжигании увеличиваются в весе; между тем, по Шталю, они должны терять флогистон: при обратном присоединении флогистона к «земле» вес полученного металла меньше веса «земли». Таким образом выходило, что флогистон должен обладать каким-то особенным свойством - отрицательным тяготением. Несмотря на все остроумные гипотезы, высказанные для объяснения этого явления, оно было непонятно и вызывало недоумение.

Когда Лавуазье выяснил роль воздуха при горении и показал, что прибыль в весе металлов при обжигании происходит от присоединения к металлам кислорода из воздуха, и таким образом установил, что акт горения металлов есть не распадение на элементы, а, напротив, акт соединения, вопрос о сложности металлов был решен отрицательно. Металлы были отнесены к простым химическим элементам, в силу основной идеи Лавуазье, что простые тела суть те, из которых не удалось выделить других тел. С созданием периодической системы химических элементов Менделеевым элементы металлов заняли в ней своё законное место.

См. также

Примечания

Ссылки

• С. П. Вуколов : // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907. (историческая часть)

Что такое металл? Природой этого вещества интересовались ещё в древности. Сейчас открыто около 96 Об их характеристиках и свойствах и поговорим в статье.

Что такое металл?

Наибольшее число элементов в таблице Менделеева относится к металлам. В настоящее время человеку известно только 96 их видов. Каждый из них обладает своими особенностями, многие из которых ещё не изучены.

Что такое простое вещество, для которого характерны большие электро- и теплопроводность, положительный температурный коэффициент проводимости. Большинство металлов обладает высокой прочностью, пластичностью и поддаются ковке. Одной из отличительных особенностей является наличие металлического блеска.

Значение слова «металл» связано с греческим m?tallion, где оно означает «выкапывать из земли», а также «рудник, копи». В русскую терминологию оно пришло в период правления Петра I из немецкого языка (нем. Metall), в который слово перебралось с латинского.

Физические свойства

Элементы металлы обычно обладают хорошей пластичностью, исключение составляют олово, цинк, марганец. По плотности они разделяются на легкие (алюминий, литий) и тяжелые (осмий, вольфрам). Большинство имеет высокую температуру плавления, общий диапазон колеблется от - 39 у ртути до 3410 градусов по Цельсию у вольфрама.

В нормальных условиях все металлы, кроме ртути и франция, являются твердыми. Степень их твердости определяют в баллах по шкале Мосса, где максимумом считается 10 баллов. Так, самыми твердыми являются вольфрам и уран (6.0), наиболее мягким является цезий (0.2). Многие металлы обладают серебристым, голубоватым и серым оттенками, только некоторым свойственны желтый и красноватый цвета.

В их кристаллических решетках находятся подвижные электроны, благодаря чему они отлично проводят электрический ток и тепло. Лучше всего с этим справляется серебро и медь. Наименьшую теплопроводность имеет ртуть.

Химические свойства

По химическим свойствам металлы разделяются на множество групп. Среди них легкие, актиний и актиноиды, лантан и лантаноиды, полуметаллы. Отдельно находятся магний и бериллий.

Как правило, металлы выступают в качестве восстановителей для неметаллов. Они обладают различной активностью, поэтому реакции на вещества неодинаковы. Наиболее активными являются они легко взаимодействуют с водородом, водой.

При определенных условиях почти всегда происходит взаимодействие металлов с кислородом. Реакция на него отсутствует только у золота и платины. Они также не реагируют на серу и хлор, в отличие от других металлов. Щелочная группа окисляется в обыкновенной среде, остальные при воздействии высоких температур.

Нахождение в природе

В природе металлы встречаются в основном в рудах или соединениях, например, оксидах, солях, карбонатах. Перед использованием они проходят длительные этапы очистки. Многие металлы сопровождают месторождения минералов. Так, кадмий входит в состав цинковых руд, скандий и тантал соседствуют с оловом.

Сразу в чистом виде встречаются только инертные, то есть неактивные металлы. Из-за слабой подверженности к окислениям и коррозиям они завоевали звание благородных. К ним относят золото, платину, серебро, рутений, осмий, палладий и т. д. очень пластичны и обладают характерным ярким блеском в готовых изделиях.

Металлы окружают нас повсюду. В больших количествах они находятся в земной коре. Самыми распространенными являются алюминий, железо, натрий, магний, кальций, титан и калий. Они содержатся в морской воде (натрий, магний), являются частью живых организмов. В теле человека металлы присутствуют в костях (кальций), в крови (железо), нервной системе (магний), мышцах (магний) и других органах.

Изучение и использование

Что такое металл знали ещё древние цивилизации. Среди египетских археологических находок, датируемых 3-4 тысячелетиями до нашей эры, были найдены изделия из благородных металлов. Первыми человек открыл золото, медь, серебро, свинец, железо, олово, ртуть. Они служили для изготовления украшений, орудий труда, ритуальных предметов и оружия.

В эпоху Средневековья были обнаружены сурьма, мышьяк, висмут, цинк. Им нередко придавали магические свойства, связывали с космосом, движением планет. Алхимики проводили многочисленные опыты в надежде превратить ртуть в воду или золото. Постепенно число открытий возрастало, и к XXI веку были открыты все известные на сегодняшний день металлы.

Сейчас их применяют практически во всех сферах жизни. Металлы используют для изготовления украшений, техники, кораблей, автомобилей. Из них делают каркасы для строительства зданий, изготовляют мебель, различные мелкие детали.

Отличная электропроводность сделала металл незаменимым для изготовления проводов, именно благодаря ему, мы пользуемся электрическим током.