Свойства металлов.

1.Основные свойства металлов.

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

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

К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

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

К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием.

1. Физические и химические свойства.

Цвет . Металлы непрозрачны, т.е. не пропускают сквозь себя свет, и в этом отраженном свете каждый металл имеет свой особенный оттенок – цвет.

Из технических металлов окрашенными являются только медь (красная) и ее сплавы. Цвет остальных металлов колеблется от серо- стального до серебристо – белого. Тончайшие пленки окислов на поверхности металлических изделий придают им дополнительные окраски.

Удельный вес. Вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах, называется удельным весом.

По величине удельного веса различают легкие металлы и тяжелые металлы. Из технических металлов легчайшим является магний (удельный вес 1,74), наиболее тяжёлым – вольфрам (удельный вес 19,3). Удельный вес металлов в некоторой степени зависит от способа их производства и обработки.

Плавкость. Способность при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое является важнейшим свойством металлов. При нагревании все металлы переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении расплавленного металла – из жидкого состояния в твердого. Температура плавления технических сплавов имеет не одну определённую температуру плавления, а интервал температур, иногда весьма значительный.

Электропроводность. Электропроводность заключается в переносе электричества свободными электронами. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. При повышении температуры электропроводность металлов падет, и при понижении – возрастает. При приближении к абсолютному нулю (- 273 0 С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +232 0 (олово) до 3370 0 (вольфрам). Большинство увеличивается (сопротивление, падает почти до нуля).

Электропроводность сплавов всегда ниже электропроводности одного из компонентов, составляющих сплавов.

Магнитные свойства. Явно магнитными (ферромагнитьными) являются только три металла: железо, никель, и кобальт, а также некоторые их сплавы. При нагревании до определённых температур эти металлы также теряют магнитные свойства. Некоторые сплавы железа и при комнатной температуре не являются ферромагнитными. Все прочие металлы разделяются на парамагнитные (притягивают магнитами) и диамагнитные (отталкиваются магнитами).

Теплопроводность. Теплопроводность называется переход тепла в теле от более нагретого места к менее нагретому без видимого перемещения частиц этого тела. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать.

Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается.

Теплоёмкость. Теплоёмкость называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 1 0 .

Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 1 0 .

Удельная теплоёмкость металлов в сравнении с другими веществами невелика, что позволяет относительно легко нагревать их до высоких температур.

Расширяемость при нагревании. Отношение приращения длины тела при его нагревании на 1 0 к первоначальной его длине называется коэффициентом линейного расширения. Для различных металлов коэффициентом линейного расширения колеблется в широких пределах. Так, например, вольфрам имеет коэффициент линейного расширения 4,0·10 -6 , а свинец 29,5 ·10 -6 .

Коррозионная стойкость. Коррозия есть разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Примером коррозии является ржавление железа.

Высокая сопротивляемость коррозии (коррозионная стойкость) является важным природным свойством некоторых металлов: платины, золота и серебра, которые именно поэтому и получили название благородных. Хорошо сопротивляются коррозии также никель и другие цветные металлы. Черные металлы коррозируют сильнее и быстрее, чем цветные.

2. Механические свойства.

Прочность. Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Твердость. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.

Упругость. Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.)

Вязкость. Вязкость называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости.

Пластичность. Пластичностию называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство, обратное упругости.

В табл. 1 приведены свойства технических металлов.

Таблица 1.

Свойства технических металлов.

Название металла	Удельный вес(плотность) г\см 3	Температура плавления 0 С	Твердость по Бринеллю	Предел прочности(временное сопротивление) кг\мм 2	Относительное удлинение %	Относительное сужение поперечного сечения %
Алюминий Вольфрам Железо Кобальт Магний Марганец Медь Никель Олово Свинец Хром Цинк	2,7 19,3 7,87 8,9 1,74 7,44 8,84 8,9 7,3 11,34 7,14 7,14	658 3370 1530 1490 651 1242 1083 1452 232 327 1550 419	20-37 160 50 125 25 20 35 60 5-10 4-6 108 30-42	8-11 110 25-33 70 17-20 Хрупкий 22 40-50 2-4 1,8 Хрупкий 11,3-15	40 - 21-55 3 15 Хрупкий 60 40 40 50 Хрупкий 5-20	85 - 68-55 - 20 Хрупкий 75 70 74 100 Хрупкий -

3. Значение свойств металлов.

Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, - это достаточная прочность.

Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.

Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать ещё особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Так, например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.

Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью

Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергается ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).

Физические свойства. В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и особенно магния являются здесь незаменимыми. Удельная прочность(отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых, сплавов выше, чем для мягкой стали.

Плавкость используется для получения отливок путём заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы(например, свинец) используются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляется в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографических матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров.

Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, мотора, трансформаторы),для приборов связи (телефонные и телеграфные аппараты) и используются во многих других видах машин и приборов.

Теплопроводность металлов дает возможность производить их физические свойства. Теплопроводность используется также при производстве пайки и сварки металлов.

Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения , близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп. Расширение металлов должно применяться во внимание при постройке длинных сооружений, например, мостов. Нужно также учитывать,что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (колосниковые решётки, детали химических машин и приборов). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислостойкие и жаропрочные стали, а также применяются защитные покрытия.

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 métallion, 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.

Металлы - элементы, составляющие окружающую нас природу. Сколько существует Земля, столько существуют и металлы.

Земная кора содержит следующие металлы:

• алюминий - 8,2%,
• железо - 4,1%,
• кальций - 4,1%,
• натрий - 2,3%,
• магний - 2,3%,
• калий - 2,1 %,
• титан - 0,56% и т.д.

На данный момент наука обладает информацией о 118 химических элементах. Восемьдесят пять элементов из этого списка относятся к металлам.

Химические свойства металлов

Для того чтобы понять, от чего зависят химические свойства металлов, обратимся кавторитетному источнику – таблице периодической системе элементов, т.н. таблице Менделеева. Проведем диагональ (можно мысленно) между двумя точками: начнем от Be (бериллий) и закончим на At (астат). Деление это конечно условно, но все-таки позволяет объединять химические элементы в соответствии с их свойствами. Элементы, находящиеся слева под диагональю, и будут металлами. Чем левее, относительно диагонали, расположение элемента, тем более выражены будут у него металлические свойства:

• кристаллическая структура - плотная,
• теплопроводность - высокая,
• электрическая проводимость, уменьшающаяся с повышением температуры,
• уровень степени ионизации - низкий (электроны отделяются свободно)
• способность к образованию соединений (сплавы),
• растворимость (растворяются в сильных кислотах и едких щелочах),
• окисляемость (образование оксидов).

Вышеперечисленные свойства металлов зависят от наличия электронов, свободно перемещающихся в кристаллической решетке. У элементов, расположенных рядом с диагональю, или непосредственно в месте ее прохождения, имеют двойственные признаки принадлежности, т.е. имеют свойства металлов и неметаллов.

Радиусы атомов металлов имеют сравнительно большие размеры. Внешние электроны, называемыевалентными, значительно удалены от ядра и, как следствие, слабо связаны с ним. Поэтому атомы металлов легко отдают валентные электроны и образуют положительно заряженные ионы (катионы). Эта особенность является основным химическим свойством металлов. Атомы элементов с наиболее выраженными металлическими свойствами на внешнем энергетическом уровне имеют от одного до трех электронов. Химические элементы с характерно выраженными признаками металлов образуют только положительно заряженные ионы, они совсем не способны присоединять электроны.

Вытеснительный ряд М. В. Бекетова

Активность металла и скорость реакции его взаимодействия с другими веществами зависит от величины показателя способности атома "расстаться с электронами". Способность различно выражена у разных металлов. Элементы, обладающие высокими показателями, являются активными восстановителями. Чем больше масса атома металла, тем выше его восстановительная способность. Самыми сильными восстановителями считаются щелочные металлы K, Ca, Na. Если атомы металла не способны отдать электроны, то такой элемент будет считаться окислителем, например: аурид цезия может окислять другие металлы. В этом отношении наиболее активны соединения щелочных металлов.

Русский ученый М. В. Бекетов первым начал изучать явление вытеснения одних металлов, из соединений образованных ими, другими металлами. Составленный им перечень металлов, в котором они расположены в соответствии со степенью увеличения нормальных потенциалов,получил название "электрохимического ряда напряжений" (вытеснительный ряд Бекетова).

Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au

Чем правее расположен металла в этом ряду, тем ниже его восстановительные свойства, и тем сильнее окислительные свойства его ионов.

Классификация металлов по Менделееву

В соответствии с таблицей Менделеева различаются следующие виды (подгруппы) металлов:

• щелочные - Li (литий), Na (натрий), K (калий), Rb (рубидий), Cs (цезий), Fr (франций);
• щелочноземельные – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий), Ra (радий);
• легкие - AL (алюминий), In (индий), Cd (кадмий), Zn (цинк);
• переходные;
• полуметаллы

Техническое применение металлов

Металлы, нашедшие более или менее широкое техническое применение, условно делятся на три группы: черные, цветные и благородные.

К черным металлам относят железо и его сплавы: сталь, чугун и ферросплавы.

Следует сказать, что железо –самый распространенный в природе металл. Его химическая формула Fe (феррум) . Железо сыграло огромную роль в эволюции человека. Человек смог получить новые орудия труда, научившись выплавлять железо. В современной промышленности широко применяются сплавы железа, полученные путём добавления в железо углерода или других металлов.

Цветные металлы – это практически все металлы за исключением железа, его сплавов и благородных металлов. По своим физическим свойствам цветные металлы классифицируют следующим образом:

· тяжёлые металлы: медь, никель, свинец, цинк, олово;

· лёгкие металлы: алюминий, титан, магний, бериллий, кальций, стронций, натрий, калий, барий, литий, рубидий, цезий;

· малые металлы: висмут, кадмий, сурьма, ртуть, кобальт, мышьяк;

· тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, ванадий, цирконий, ниобий, тантал, марганец, хром;

· редкие металлы: галлий, германий, индий, цирконий;

Благородные металлы : золото, серебро, платина, родий, палладий, рутений, осмий.

Нужно сказать, что с золотом человек познакомился гораздо раньше, чем с железом. Золотые украшения из этого металла делали ещё в Древнем Египте. В наше время золото используется ещё и в микроэлектронике и других отраслях промышленности.

Серебро, как и золото, используется в ювелирной промышленности, микроэлектронике, фармацевтической промышленности.

Металлы сопровождают человека на протяжении всей истории человеческой цивилизации. Нет такой отрасли, где не использовались бы металлы. Без металлов и их соединений невозможно представить современную жизнь.

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.

---