МЕТАЛЛЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Металлы — химические элементы, кристаллические решетки которых состоят из атомов и ионов, а в пространстве между ядрами свободно перемещаются электроны. Связь между атомами ковалентная, между ионами и электронами — металлическая.
 
Атомы постоянно теряют электроны, превращаясь в ионы, а последние принимают их, становясь атомами. Количество электронов, беспорядочно блуждающих в кристаллической решетке, подобно молекулам газа, у разных металлов различно, оно определяет долю металлической связи и меру металличности элемента.
Металлическая связь по своей природе занимает промежуточное положение между ионной и ковалентной.
 
Представление о кристаллической решетке — «погруженной в облако свободно блуждающих электронов», — впервые высказанное Друдэ в 1902 г., теперь дополнено и приобрело несколько измененную трактовку; однако оно и в первоначальном упрощенном виде хорошо объясняет высокую электропроводность, теплопроводность и термоэлектронную эмиссию металлов.
 
Электропроводность, обусловленная перемещением в пространстве кристаллической решетки «обобществленных» электронов, очевидно, зависит от свободы их передвижения — правильности расположения атомов, амплитуды и частоты их теплового колебания. Действительно, с повышением температуры размах колебания узлов решетки увеличивается, рассеивание электронов усиливается и электропроводность снижается; с охлаждением она снова возрастает. При температурах, близких к абсолютному нулю, электрическое сопротивление некоторых металлов и сплавов становится исчезающе малым. Необходимость очень низких температур пока затрудняет практическое использование этого ценного и интересного явления. Сверхпроводимость при —253°С, недавно обнаруженная у сплава ниобия, алюминия и германия, — редкое явление. Другой такой «высокотемпературный» сверхпроводник представляет собой сплав из ниобия и галлия.
 
Присутствие даже малых примесей других элементов понижает электропроводность: нарушая порядок в решетке, они рассеивают электроны. Также рассеивают электроны атомы, мещенные в результате внешнего механического воздействия, деформации ковкой, прокаткой или иной подобной обработкой.
Кристаллические решетки металлов
(Рис. Типичные кристаллические решетки металлов и дефекты структуры:
а — кубическая гранецентрированная решетка меди (аналогичны Аu, Ag, Al, Pt и др.); б — кубическая объемноцентрированная решетка вольфрама (аналогичны Fe, К, Ва и др.); в— гексагональная плотная решетка магния (аналогичны Zn, Bе и др.); г — дефекты структуры; — вакансии; 2 — междоузлия, включающие примесь)
 
Теплопроводность почти всегда изменяется с температурой подобно электропроводности — наиболее электропроводные металлы хорошо проводят тепло, а имеющие сравнительно высокое электрическое сопротивление — хуже. Теплопроводность связана как с колебаниями атомов в решетке, так и с движением свободных электронов. Последнее, по-видимому, имеет преобладающее значение. Согласно закону Видемана — Франца, коэффициенты электропроводности ϰ и теплопроводности о для многих металлов связаны соотношением:
 
здесь Т — температура, К.
 

Механические свойства

Прочность на разрыв, сжатие, изгиб, твердость и пластичность объясняются не только металлической связью, но и особенностями кристаллической cтруктуры металлов, имеющей в большинстве плотноупакованные пространственные решетки с высоким координатным числом. Наиболее типичные из них показаны на рис. 2, который надо понимать только как схему расположения атомных центров. В действительности, атомы, условно представляемые в виде шаров, плотно упакованы и занимают только 70% объема.
 
Многие металлы взаимно растворимы в жидком или твердом состояниях, либо образуют между собой химические — интерметаллические соединения. Вследствие этого возникают иные кристаллические системы и широко изменяются свойства. Речь идет о сплавах, которые открывают простор получению новых ценных материалов с особыми свойствами. Уже применяют тысячи двойных, тройных и более сложных сплавов, которые получают не только смешиванием жидких металлов, но и спеканием порошков или растворением какого-либо элемента в поверхностном слое твердого металла (сплава).
 
Способность к упругим и пластическим деформациям, высокие электропроводность и теплопроводность и некоторые другие особенности составляют комплекс свойств, не присущий иным твердым телам — дереву, камню, пластмассам. Этим и объясняется неоспоримое признание металлов и сплавов важнейшими Материалами современной техники.
 
М. В. Ломоносов определял металлы как «…светлые тела, которые ковать можно». В наши дни, помимо дополнения этого признаками высокой электропроводности и теплопроводности, надо отметить и зависимость многих свойств от чистоты и механической обработки. Один и тот же металл может быть и ковким и хрупким. В реальных кристаллах всегда есть различные дефекты, из-за которых механические и другие физические свойства нельзя отнести только к особенностям металлической связи и кристаллической решетки.
 
Точечные дефекты — незаполненные узлы решетки, вакансии (см. рис.), а также узлы, занятые атомами примесей, возникают при кристаллизации из расплава. Линейные и плоские дефекты — дислокации получаются также прикристаллизации либо в результате механической обработки в виде неполных слоев атомов или их взаимного смещения, а иногда и переплетения. Общее количество дефектов на 1 см2 площади металла или сплава часто превышает 106. Точечные дефекты снижают преимущественно электропроводность и теплопроводность, а другие— еще и механические свойства.
 
Обычные металлы и сплавы поликристалличны, они состоят из произвольно ориентированных совокупностей зерен, в каждом из которых элементарные кристаллы имеют одинаковую ориентацию, а в соседних — отличную, иногда расположенную под большими углами рис. 4). На границах зерен скапливаются
примеси и образуются газовые пустоты. Помимо понижений физических свойств, здесь наблюдается и меньшая коррозионная стойкость.
Возможность смещения слоев кристаллов по направлениях дислокаций или разрыв их на границах зерен понижают прочность. Последняя в известной мере возрастает после отжига — нагревания и медленного охлаждения, когда в результате диффузии дислокации частично устраняются, а зерна становятся мельче.
Границы зерен металла, расположение под большими углами
(Рис. Границы зерен металла, расположение под большими углами)
 
Механическая обработка иногда вызывает упрочнение, связанное с переплетением дислокаций. Другая причина существенного упрочнения, сопровождающегося понижением пластичности и появлением хрупкости, связана с возникновением или введением посторонних нерастворимых фаз, например карбида железа Fe3C в стали или окислов и нитридов в титане, вольфраме, молибдене. Зерна этих соединений препятствуют взаимному смещению слоев металла. Очистка металлов от примесей обычно значительно улучшает ковкость и облегчает обработку.
 
Жидкие металлы отличаются от твердых сравнительно малой связью между атомами и ионами, но свобода движения электронов и здесь сохранена, поэтому они также электропроводны и теплопроводны.
 
Один и тот же металл при разных температурах может иметь разные кристаллические решетки. Переход из одной системы в другую изменяет расстояние между узлами и их расположение, этот переход существенно отражается на свойствах полиморфных модификаций. Например олово, известное при обычных температурах как пластичный блестящий металл тетрагональной сингонии с плотностью 7,29 г/см3 (β-модификация), при температурах ниже 13,2° С, а особенно при быстром переохлаждении превращается в серый порошок, кристаллизуясь в кубической системе с плотностью 5,85 г/см3(α-модификация). Подобные превращения свойственны многим другим элементам, некоторые из них показаны на рис. ниже.
Характеризуя металлы как химические элементы, надо заметить, что Периодическая система Д. И. Менделеева не позволяет четко различить их от металлоидов и неметаллов. Это и естественно: каждый элемент представляет собой диалектрическое единство металлических и металлоидных свойств, противоречивая природа которых не устраняется с ростом заряда ядра и количества электронных оболочек.
 
Явными неметаллами легко признать водород, благородные газы, галогены, элементы группы VI — кислород, серу, селен, теллур и полоний, а также бор, углерод, азот, кремний и фосфор. Все они не дают основных окислов и гидроокисей, свойственных металлам. Вместе с тем из числа прочих элементов некоторые имеют амфотерные гидроокиси
 
Стандартные изобарные потенциалы образования окислов
(Рис. Стандартные изобарные потенциалы образования окислов)
 
В частности, у таких, казалось бы, явных металлов, как цинк и алюминий, окислы проявляют и кислотные и основные свойства.
О кристаллических решетках металлов в общем случае говорилось выше, а для большинства химических элементов они условно показаны в табл. 3. Однако различие кристаллических структур также не дает оснований для интересующего нас подразделения элементов. Привычно считаемые металлами ртуть и висмут кристаллизуются в несвойственной большинству других металлов ромбической системе, а индий и олово — в тетрагональной.
 

Таблица . Сравнение некоторых физических и механических свойств металлов

            Температура, °С Механические свойства
Металл Атомный номер Атомная масса Удельное сопротивление при20° С, Ом•см•106 Коэффициент теплопроводности при20° С, Вт/(м•град) Плотность при 20° С, кг/см3 плавления кипения предел прочности на растяжение, Н2 твердость по Бринелю, Н2
Железо …. 26 55,85 8,7   7,87 1539 ~3200 196 393
        Цветные металлы        
Тяжелые:
медь…..
никель ….
цинк…..
свинец ….
олово ….
29
28
30
82
50
63,54
58,71 65,37 207,19 118,69
1,7
6,8
5,9
20,6
12,8
393,5
92,1
112,2
35,1
67,2
8,93
8,90
7,14
11,34
7,30
1083
1453 419,5 327,3 231,9
2600 3000 907 1751 2270 216

442

128

15

17

343

687
373

49

39

Младшие: кадмий . . . висмут …. кобальт . . . 48 83 27 112,40 209,00 58,94 7,4

107
5,7

92,2

104,8

67,2

8,65 9,80 8,79 321 271,3 1492 767 1560 3100 63 5
236
157

88

1220

Благородные: золото .. . . сереброплатина . . 79 47 78 197,0
107,87
195,09
2,2

1,6

9,8

310,0

415,0

71,5

19,32
10,5
21,45
1063 960,8 1769 2847 2184 4520 137

98

140

177
246
460
Легкие: алюминий . . магний 13 12 26,98 24,32 2,7

4,4

221,9

159,1

2,70 1,74 660 651 2500 1103 98,1

176,6

265

245

Тугоплавкие: титан …. вольфрам молибден . 22 74 42 47,90 183,92 95,94 43,5

5,5

4,8

15,9

167,4

146,5

4,54 19,3 10,23 1725 3410 2620 3170 5930 4800 313,9

343,4

686,7

823

2943 1226

Наиболее четкую условную границу между металлами и металлоидами можно провести, сравнивая электропроводность или обратную ей величину — удельное электрическое сопротивление (Ом•см). Для явного металла—марганца последнее равно 185•10-6, а для металлоида углерода только в модификации графита составляет 1375 • 10-6; удельное электросопротивление алмаза 5•1014 Ом •см.
 
Ориентируясь по этому признаку, к металлам следует отнести 80 элементов, а к неметаллам и металлоидам 23.
Далее, ограничивая область металлургии элементами, входящими в состав земной коры, из восьмидесяти следует исключить франций, технеций, прометий, а также актиниды, начиная с америция, и определить окончательное число металлов, равным 68.
 
Надо заметить, что в связи со стремлением к комплексности использования сырья, а также широким производством сплавов, часто включающих металлоиды, сложились, традиции, по которым к металлам иногда неправильно относят кремний, германий, а иногда также селен и теллур, попутно извлекаемые из металлургического сырья. Наряду с этим типичный металл — натрий получает химическая промышленность; из этого, видна тесная связь химии с металлургией. Раньше металлургию отличало от химической технологии преимущественное применение плавок при высоких температурах, теперь эта особенность все более утрачивается: наряду с огневой пирометаллургией возрастает значение гидрометаллургии, которая извлекает металлы из руд выщелачиванием водными растворами реагентов с последующим восстановлением электролизом либо цементацией.
 
В качестве промежуточных переделов для разделения и концентрирования растворенных веществ пользуются сорбцией, экстракцией, осаждением, соосаждением и другими способами химической переработки, о которых более подробно будет сказано ниже.
 
Промышленная классификация металлов, традиционно сложившаяся в нашей стране в период наиболее интенсивной индустриализации, не имеет четкой научной основы, но широко применяется в технической литературе и обиходе. Первое основание ее, принятое и в некоторых других странах, состоит в резком различии масштабов производства железа и прочих металлов. В общей массе металлургической продукции, сплавы железа занимают около 93% (см. табл. 1). Поэтому различают «железные металлы» (железо и его сплавы — чугуны и стали) и прочие «нежелезные».
 
У нас этому соответствуют условно принятые названия черные и цветные металлы. Последние в свою очередь подразделяются по некоторым общим признакам на ряд групп и подгрупп, отмеченных табл. 2 и 3.
 

Статья на тему Металлы и их классификация