Общие свойства металлов

Металлы и их сплавы широко применяются в различных сферах промышленности, и они являются главными материалами в машиностроении.

Около 80% всех известных химических элементов составляют металлы, причем металлические свойства могут быть присущи как s-, так и р-, d— или f-элементам.

Физические характеристики металлов включают высокую электропроводность, теплопроводность, пластичность, ковкость и металлический блеск.

Физические свойства металлов

С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света.

Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу.

Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелко раздробленном виде имеет черный или темносерый цвет.

Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники — серебро и медь, худшие — свинец и ртуть.

Интересный факт: считается, что около 8 процентов земной коры состоит из алюминия Al. Соединения алюминия встречаются по всему миру. Обычная почва также содержит много алюминатов.

С повышением температуры электропроводность металлов падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

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

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры.

Согласно современным воззрениям, 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, в промежутках между которыми находятся легкоподвижные электроны.

Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома.

Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т. е. возникает электрический ток.

Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов («электронного газа»).

Если принять во внимание, что находящиеся в узлах решетки ионы также не являются абсолютно неподвижными, а могут совершать небольшие колебания, то легко понять причину уменьшения электропроводности при нагревании.

Интересный факт: кальций считается самым распространенным металлическим элементом в организме человека, составляя примерно 1,4% человеческого тела.

С повышением температуры колебательные движения ионов усиливаются, вследствие чего перемещение электронов между ними затрудняется.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией.

Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них — следующим и т. д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

Кристаллическая решетка металлов

Изложенное выше представление о строении металлов из положительных ионов и свободных электронов согласуется также с типами кристаллических решеток металлов.

В отличие от солей, в кристаллах которых узлы решетки попеременно заняты анионами и катионами, решетки металлов построены из одинаковых положительных ионов.

Так как электроны, ввиду их ничтожных размеров, требуют очень мало места, то обычно ионы металла располагаются по одному из способов наиболее плотной упаковки шаров равного диаметра.

Таких способов имеется всего два. При одном из них шары размещаются так, что они занимают вершины кубов и центры их граней.

Этот способ укладки шаров изображен на рис. 2. Подобного рода строение имеют кристаллы серебра, золота, родия, платины, никеля, алюминия, свинца и железа.

Другой способ максимально плотной упаковки шаров (в виде призмы) показан на рис. 3. Такое расположение ионов встречается в кристаллах бериллия, магния, цинка, кадмия, осмия, титана и др.

Интересный факт: В 1975 году считалось, что в мире всего около грамма калифорния, а грамм стоил около 1 миллиарда долларов.

В обоих случаях упаковка получается одинаковой плотности, т. е. определенное число шаров занимает один и тот же объем. Каждый шар окружен 12 другими шарами; следовательно, координационное число таких решеток равно 12.

Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, допускающим легкое скольжение одних слоев ионов относительно других под влиянием внешнего воздействия.

Некоторые сплавы, имеющие, подобно металлам, кубические решетки с центрированными гранями, тоже обладают большой пластичностью (латунь, бронза).

В тех же случаях, когда однородность структуры металла нарушается от добавления другого металла, сплавы, наоборот, отличаются твердостью и хрупкостью.

При механической обработке металла, вследствие многократного смещения ионных слоев, порядок расположения ионов нарушается, металл становится как бы аморфным и пластичность его уменьшается, а твердость увеличивается.

Однако обработанному металлу (например, тянутой железной проволоке) можно вернуть пластичность путем «отжига», т. е. нагревания до такой температуры, при которой он снова становится кристаллическим.

Хром (Cr), известный как «твердая кость», — это серебристо-белый металл, чрезвычайно твердый и хрупкий. По шкале Мооса — 9, уступает только алмазам.

Удельный вес металлов

По величине удельного веса металлы условно делятся на две большие группы: легкие металлы, удельный вес которых не больше 5, и тяжелые металлы — все остальные. Удельные веса, а также температуры плавления некоторых металлов указаны в табл.

Таблица. удельный вес металлов.

Наименование металла, обозначение	Атомный вес	Температура плавления, °C	Удельный вес, г/куб.см
Цинк Zn	65,37	419,5	7,13
Алюминий Al	26,9815	659	2,69808
Свинец Pb	207,19	327,4	11,337
Олово Sn	118,69	231,9	7,29
Медь Cu	63,54	1083	8,96
Титан Ti	47,90	1668	4,505
Никель Ni	58,71	1455	8,91
Магний Mg	24	650	1,74
Ванадий V	6	1900	6,11
Вольфрам W	184	3422	19,3
Хром Cr	51,996	1765	7,19
Молибден Mo	92	2622	10,22
Серебро Ag	107,9	1000	10,5
Тантал Ta	180	3269	16,65
Железо Fe	55,85	1535	7,85
Золото Au	197	1095	19,32
Платина Pt	194,8	1760	21,45

Данные, приведенные в этой таблице, показывают, что все металлы, кроме ртути, являются при обычной температуре твердыми веществами.

Легкие металлы являются в общем и наиболее легкоплавкими. Среди тяжелых металлов, наоборот, очень много тугоплавких. Самую низкую точку плавления после ртути имеет цезий (28°), самую высокую — вольфрам (3380°).

Точки кипения металлов в большинстве случаев лежат очень высоко. Например, медь кипит при 2595°, железо — при 2740°, платина — около 4400°.

Пары металлов одноатомны.

Быстрые ответы?