МЕТА́ЛЛЫ, вещества, состоящие из атомов, легко отдающих электроны в процессе химич. реакций, и обладающие характерными свойствами – высокими электро- и теплопроводностью, пластичностью, положительным температурным коэф. электрич. сопротивления, способностью хорошо отражать свет и т. д. К М. относятся как собственно М. (простые вещества), так и их сплавы и интерметаллич. соединения (интерметаллиды), которые от обычных M. отличаются более сложной кристаллич. структурой. В металлич. состоянии могут находиться сильно легированные полупроводники, а также вещества, состоящие из атомов неметаллов, напр. полимерный кристалл $\ce{(SN)}_x$. Металлич. свойствами обладают также некоторые химич. соединения (напр., кристаллы оксидов типа $\ce{MoO_2, WO_2,}$ халькогенидов $\ce{NbSe_2, TaS_2}$), кристаллы, содержащие органич. комплексы (см. Органические проводники), многокомпонентные материалы со структурой перовскита (напр., $\ce{YBa_2Cu_3O_7}$) или со слоистой структурой (напр., $\ce{Bi_2Sr_2CaCu_2O_8}$), являющиеся высокотемпературными сверхпроводниками.
В природе M. существуют в составе химич. соединений – оксидов, сульфидов и др., образующих руды; $\ce{Au, Ag, Pt, Cu}$ и др. встречаются также в самородном состоянии.
В обычных условиях M. – твёрдые тела, имеющие кристаллич. строение (в парообразном состоянии – в осн. одноатомные газы). Темп-ры плавления M. выше 300 К (кроме ртути, её темп-ра плавления –38,83 °C). Макс. темп-ру плавления имеет вольфрам (ок. 3420 °C). При плавлении M. сохраняют металлич. свойства (см. Жидкие металлы). Искусственно созданы аморфные твёрдые M. (см. Аморфные металлы, Стекло металлическое).
Большинство простых M. кристаллизуется в объёмноцентрированной кубической, гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решётках (см. Металлические кристаллы). Среди др. решёток – тетрагональная с 1–2 атомами в элементарной ячейке (напр., In). Лишь небольшое число M. имеют более сложное строение, напр. низкотемпературная модификация Mn, в элементарной ячейке которого 58 атомов. Мн. М. в зависимости от темп-ры и давления могут существовать в разл. кристаллич. модификациях. Некоторые вещества в зависимости от кристаллич. структуры могут быть M., диэлектриками, полупроводниками или полуметаллами, напр. Sn (белое олово с тетрагональной структурой – M., серое олово с кубич. структурой алмаза – полупроводник), С (графит – полуметалл, алмаз – диэлектрик) (см. Полиморфизм).
М. и сплавы обычно состоят из большого числа мелких кристаллов (зёрен), неразличимых невооружённым глазом. Зёрна могут иметь округлую или вытянутую форму, быть крупными или мелкими и располагаться относительно друг друга в определённом порядке или случайно. Форма, размер и взаимное расположение, а также ориентировка зёрен зависят от условий их образования.
Историческая справка
Термин «М.» произошёл от греч. слова μέταλλον (от μεταλλεύω – выкапывать, добывать из земли), которое первоначально означало «копи, рудники» (в этом значении оно встречается у Геродота в 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл μεταλλεία . В древности и в средние века считалось, что существует только 7 М.: золото, серебро, железо, ртуть, олово, медь, свинец. По алхимич. представлениям, М. зарождались в земных недрах под влиянием «лучей» планет и постепенно совершенствовались, превращаясь в золото (см. Алхимия). Алхимики полагали, что М. – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В нач. 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой неблагородные М. состоят из золы («окалины») и «начала горючести» – флогистона. М. В. Ломоносов насчитывал 6 М. ($\ce{Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb}$) и определял М. как «светлое тело, которое ковать можно». В кон. 18 в. А. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона. В руководстве по химии (1789) он дал список простых веществ, 17 из которых отнёс к М. ($\ce{Sb, Ag, As, Bi, Со, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn}$). По мере развития методов химич. исследования число известных М. возрастало. В 1-й пол. 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные М., положено начало разделению редкоземельных М., при химич. анализе минералов открыты неизвестные ранее М. В 1860–63 методом спектрального анализа открыты $\ce{Cs, Rb, Tl, In}$. В кон. 19 – нач. 20 вв. подтвердилось существование М., предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодич. закона. Открытие радиоактивности в кон. 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных М. Начиная с 1930–1940-х гг. методом ядерных превращений искусственно получены радиоактивные М., в частности трансурановые элементы.
Широкое использование М. привело к тому, что их осн. физич. свойства были изучены ещё в 19 в. Микроскопич. теория М. начала развиваться в 20 в. В 1900 П. Друде предложил модель М., в которой электропроводность осуществляется потоком электронного газа, заполняющего промежутки между атомами. Х. Лоренц развил идею Друде, применив к электронному газу кинетич. теорию газов. Однако построенная на применении законов классич. механики и статистики теория Друде – Лоренца не могла объяснить некоторые эксперим. факты. В 1927–28 В. Паули и А. Зоммерфельд устранили ряд недостатков теории Друде, предположив, что осн. часть электронного газа в М. при обычных темп-рах находится в вырожденном состоянии; эти работы легли в основу совр. электронной теории металлов.
В 1929–30 Ф. Блох и Л. Бриллюэн рассмотрели влияние периодич. поля кристаллич. решётки на электронный газ, что привело к созданию зонной теории твёрдых тел. Применение к электронам в М. теории обменного взаимодействия (В. Гейзенберг, П. Дирак, 1928) позволило понять природу ферромагнетизма и обнаружить новые магнитоупорядоченные состояния М. – антиферромагнетизм (Л. Неель, 1932) и ферримагнетизм. В 1911 Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Исследование взаимодействия электронов друг с другом и с решёткой позволило раскрыть природу этого явления (Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер, 1956). Изучение нормальных, сверхпроводящих и магнитоупорядоченных М. – три осн. направления совр. микроскопич. теории металлов.
Таблица химических элементов Менделеева, металлы, неметаллы
Таблица Менделеева является одним из главных постулатов химии. С ее помощью можно найти все необходимые элементы, как щелочные, так и обычные металлы или неметаллы. В этой статье мы рассмотрим, как в такой таблице отыскать необходимые вам элементы.
Историческая справка
В середине 19 века было открыто 63 химических элемента. Первоначально предполагалось разместить элементы согласно увеличению атомной массы и поделить их на группы. Однако структурировать их не удавалось, а предложение химика Нуланда не было воспринято всерьез из-за попыток связать между собой химию и музыку.
В 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев впервые опубликовал свою периодическую таблицу на страницах журнала Русского химического общества. Вскоре он известил о своем открытии химиков по всему миру.
Менделеев впоследствии продолжал дорабатывать и улучшать свою таблицу, пока она не приобрела современный вид. Именно Менделеев сумел расставить химические элементы таким образом, чтобы они изменялись не монотонно, а периодически.
Окончательно теория объединилась в периодический закон в 1871 году. Перейдем к рассмотрению неметаллов и металлов в таблице Менделеева.
Определение металлов теоретическим методом
Теоретический метод:
- Все металлы, за исключением ртути, находятся в твердом агрегатном состоянии. Они пластичны и без проблем гнутся. Также данные элементы отличаются хорошими тепло- и электропроводящими свойствами.
- Если вам нужно определить список металлов, то проведите диагональную линию от бора до астата, ниже которой будут располагаться металлические компоненты. К ним относятся также все элементы побочных химических групп.
- В первой группе первой подгруппе находятся щелочные, например, литий или цезий. При растворении образую щелочи, а именно гидроксиды. Обладают электронной конфигурацией вида ns1 с одним валентным электроном, который при отдаче приводит проявлению восстановительных свойств.
Во второй группе главной подгруппы находятся щелочно-земельные металлы по типу радия или кальция. При обычной температуре они обладают твердым агрегатным состоянием. Их электронная конфигурация имеет вид ns2.
Переходные металлы располагаются в побочных подгруппах. Они обладают переменными степенями окисления.
В низших степенях проявляются основные свойства, промежуточные степени выявляют кислотные свойства, а в высших степенях амфотерные.
Теоретическое определение неметаллов
В первую очередь, такие элементы обычно находятся в жидком или газообразном состоянии, иногда в твердом. При попытке согнуть их они ломаются по причине хрупкости. Неметаллы плохо проводят тепло и электрический ток.
Неметаллы находятся в верхней части диагональной линии, проведенной от бора до астата. В атомах неметаллов содержится большое количество электронов, из-за чего им выгоднее принимать дополнительные электроны, нежели отдавать. К неметаллам также относят водород и гелий.
Все неметаллы располагаются в группах со второй по шестую.
Химические способы определения
Есть несколько способов:
- Нередко приходится применять химические методы определения металлов. Например, нужно определить количество меди в сплаве. Для этого следует нанести каплю азотной кислоты на поверхность и через некоторое время пойдет пар. Промокните фильтрованную бумагу и подержите над колбой с аммиаком. Если пятно окрасилось в темно-голубой цвет, то это свидетельствует о наличии меди в сплаве.
- Предположим, что вам надо отыскать золото, но вы не хотите спутать его с латунью. Наносите на поверхность концентрированный раствор азотной кислоты в соотношении 1 к 1. Подтверждением большого количества золота в сплаве будет отсутствие реакции на раствор.
- Очень популярным металлом считается железо. Для его определения нужно нагреть кусочек металла в соляной кислоте. Если это действительно железо, то колба окрасится в желтый цвет. Если для вас химия довольно проблемная тема, то возьмите магнит. Если это действительно железо,то оно притянется к магниту. Никель определяется практически таким же методом, как и медь, только дополнительно капните диметилглиоксин на спирт. Никель подтвердит себя красным сигналом.
Похожими методами определяются и остальные металлические элементы. Просто используйте необходимые растворы и все получится.
Заключение
Периодическая таблица Менделеева — важный постулат химии. Она позволяет найти все необходимые элементы, в особенности металлы и неметаллы.
Если вы изучите некоторые особенности химических элементов, то сможете выявить ряд особенностей, помогающих отыскать необходимый элемент.
Также можно воспользоваться химическими способами определения металлов и неметаллов, так как они позволяют на практике изучить данную сложную науку. Удачи при изучении химии и периодической таблицы Менделеева, это поможет вам при дальнейших научных исследованиях!
Из видео вы узнаете, как определять металлы и неметаллы по таблице Менделеева.
Химические свойства и методы получения
В длинной форме периодич. системы химич. элементов граница между элементами-М. и элементами-неметаллами проводится по диагонали от B до At: М. расположены слева от этой линии (к М. относятся ок. 90 известных химич. элементов, точнее – все элементы за исключением $\ce{H, B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te,}$ галогенов и благородных газов). По строению атома М. подразделяются на непереходные и переходные; среди непереходных М. выделяют щелочные и щёлочноземельные, среди переходных – $d$- и $f$-М., а также редкоземельные, платиновые, трансурановые и др. М. (см. в ст. Химические элементы).
Для атомов М. характерны более низкие значения энергии ионизации, чем для атомов неметаллов. В изменении значений энергии ионизации атомов М. при увеличении их порядкового номера явно выражена периодичность: в общем, при увеличении порядкового номера в пределах отд. периода энергии ионизации М. возрастают, при увеличении порядкового номера в пределах отд. группы – убывают; отклонения от этой тенденции обусловлены строением электронных оболочек атомов (подробнее см. в ст. Периодическая система химических элементов).
Слабой связью валентных электронов с ядром атома объясняются мн. свойства М., проявляющиеся в химич. процессах: образование положительно заряженных ионов (катионов), образование осно́вных оксидов и гидроксидов с осно́вными свойствами (оснований), замещение водорода в кислотах и т. д. В химич. реакциях М. выступают как доноры электронов (восстановители); в кристаллах химич. соединений с др. элементами, а также в водных растворах соединений образуют в осн. элементарные катионы (в растворах – аквакатионы). М. могут входить в состав сложных анионов, напр. перманганат-анион $\ce{MnO_4^-}$, в т. ч. комплексных, напр. ацидокомплекс $\ce{[Fe(CN)_6]^{4–}}$. В сложных ионах и полярных молекулах атомы М. являются центрами положительного заряда. Способность образовывать отрицательно заряженные элементарные ионы для М. нехарактерна (тем не менее формально отрицательные степени окисления М. встречаются в целом ряде комплексных соединений).
Наиболее распространённая химич. реакция, свойственная всем М., – окисление. Способность М. к окислению меняется в очень широких пределах. Мн. М. окисляются кислородом воздуха уже при комнатной темп-ре, однако скорость и механизм реакции очень сильно зависят от природы М. Большинство М. при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, щелочные (кроме $\ce{Li}$) и щёлочноземельные М. – также пepоксиды и надпероксиды. Окисление приводит к формированию на поверхности компактного М. плёнки оксида. Такие плёнки, как правило, имеют рыхлую структуру, и их образование не защищает М. от дальнейшего окисления. Очень плотные плёнки, предохраняющие М. от дальнейшего окисления, характерны, напр., для $\ce{Al, Ti, Сr,}$ которые устойчивы на воздухе, хотя и обладают высокой химич. активностью. Крайне неустойчивы на воздухе щелочные М. С азотом ряд М. (напр., $\ce{Li}$) реагируют при комнатной темп-ре, другие М. (напр., $\ce{Mg, Zr, Hf, Ti}$) – при нагревании; при этом образуются нитриды. Мн. М. активно взаимодействуют с водородом (образуются гидриды), галогенами (галогениды), серой (сульфиды), фосфором (фосфиды), др. неметаллами. Наиболее активные М. реагируют с углеродом, образуя карбиды и ацетилениды. В результате металлирования органич. молекул образуются металлоорганические соединения. При сплавлении М. друг с другом – твёрдые растворы или интерметаллиды.
М., имеющие переменную валентность (напр., $\ce{Cr, Mn, Fe}$), в соединениях, отвечающих низшим степеням окисления ($\ce{Cr^{2+}, Mn^{2+}, Fe^{2+}}$), проявляют восстановит. свойства; в высших степенях окисления те же М. ($\ce{Cr^{6+}, Mn^{7+}, Fe^{3+}}$) обнаруживают окислит. свойства. Для водных растворов и растворов электролитов окислительно-восстановит. свойства М. выражают с помощью электрохимич. ряда напряжений (см. в ст. Электродный потенциал). М., для которых стандартные электродные потенциалы меньше, чем –0,413 В, окисляются водой с выделением $\ce{H_2}$ (щелочные и щёлочноземельные М. реагируют с водой при комнатной темп-ре; такие М., как $\ce{Zn}$ или $\ce{Fe}$, реагируют с водяным паром при высоких температурах). С растворами щелочей взаимодействуют М., образующие растворимые анионные гидроксокомплексы ($\ce{Be, Zn, Al, Ga, Sn}$). Большинство М. окисляются теми или иными кислотами. М., стоящие в электрохимич. ряду напряжений до водорода, окисляются ионами $\ce{H^+}$ и поэтому растворяются при действии неокисляющих кислот ($\ce{HCl}$ или разбавленной $\ce{H_2SO_4}$), но только если не образуются нерастворимые продукты; реакции способствует образование анионных комплексов. Азотная кислота, даже разбавленная, окисляет многие М. При этом, если ионы М. устойчивы в низших степенях окисления, образуются катионные комплексы, если в высших, как в случае, напр., $\ce{Re}$, – анионные ($\ce{ReO_4^-}$). Некоторые М. реагируют с разбавленными $\ce{HNO_3}$ и $\ce{H_2SO_4}$ с образованием катионных комплексов и пассивируются в концентриров. растворах этих кислот. Для растворения малоактивных М., напр. $\ce{Au}$ или $\ce{Pt}$, используют смеси, содержащие окислитель и донор лигандов, необходимый для образования растворимых комплексов (напр., смеси $\ce{HNO_3}$ с $\ce{HCl}$ или $\ce{HNO_3}$ с $\ce{HF}$).
Важная характеристика М. – их способность образовывать осно́вные оксиды и соответствующие гидроксиды, а также соли – продукты замещения в кислотах протона на ион М. На примере гидроксидов М. можно проследить закономерности изменения свойств соединений в зависимости от изменения металлич. характера элемента; в частности, наиболее типичные М. – щелочные – образуют наиболее сильные основания (см. в ст. Щёлочи). О взаимодействии М. со средой, ведущей к их разрушению, см. в ст. Коррозия.
Для получения М. практич. значение имеют неск. осн. методов: восстановление оксидов М. углеродом или водородом; восстановление оксидов М. другими М. (металлотермия); восстановление галогенидов или сульфидов М. водородом или металлами; термич. разложение подходящих соединений М. (напр., карбонилов); электрохимич. методы. Поскольку достижению требуемых эксплуатац. характеристик мешает присутствие в М. примесей, используются разл. методы очистки М. (зонная плавка, экстракционные методы и т. д.).
Подробнее о свойствах, методах получения и очистки М. можно узнать в статьях, посвящённых отд. М. или их группам. См. также Металловедение, Металлургия.
Классификация в химии
Мы можем только попытаться дать классификацию данных объектов, но единой картины предложить по этому поводу невозможно, так как во многом она будет зависеть от профессиональной точки зрения, удобной для применения в той или иной научной или производственной области. На самом же элементарном уровне классификация даётся в периодической системе элементов, но даже в химии существуют разногласия по этому поводу.
В химии принято классифицировать металлы по количеству уровней электронной оболочки атомов и конечному уровню заполнения оболочки электронами. По этому признаку вещества делятся на –s –p -f -d металлы. Кроме того различают щелочные, щелочноземельные, переходные и постпереходные металлы. Но данная классификация неприменима в больше случаев, так как не затрагивает многие важные утилитарные вопросы, которые интересуют, прежде всего, науку металлургию.
Металлическое состояние
M. можно представить как вещества, состоящие из положит. ионов и свободных электронов (электронов проводимости). Электроны компенсируют силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ионами, и тем самым способствуют связыванию их в твёрдое тело или жидкость (металлическая связь, см. в ст. Химическая связь). Электроны проводимости определяют электрич., магнитные, оптич. свойства М., а также их теплопроводность, а при низких темп-pax – теплоёмкость. Значительна роль электронов в сжимаемости M. и др. механич. свойствах; их наличие делает M. пластичными. Изменение электронного спектра иногда служит причиной фазовых переходов в M., при которых изменение кристаллич. структуры носит вторичный характер (напр., переход из нормального состояния M. в сверхпроводящее или из парамагнитного в ферро- или антиферромагнитное).
Важнейшая характеристика металлич. состояния – число электронов проводимости $n$ в 1 см3 (или их число на элементарную ячейку кристалла либо на 1 атом). Как правило, из всех электронов атома коллективизируются только валентные. Это даёт возможность по химич. свойствам атомов, из которых состоит кристалл, и по его геометрич. структуре определить $n=Z/V_0$, где $Z$ – число валентных электронов, $V_0$ – объём элементарной ячейки.
Mн. свойства M. можно объяснить, считая, что электроны проводимости – идеальный вырожденный газ фермионов, а роль ионов сводится к созданию потенциальной ямы, в которой движутся электроны (модель Друде – Лоренца – Зоммерфельда; см. Друде теория, Зоммерфельда теория). В этой модели темп-pa вырождения $T_\text F$ электронного газа порядка 104–105 К, т. е. практически при любой темп-ре существования М. электронный газ в нём вырожден (см. Вырожденный газ).
Более полное объяснение свойств M. даёт зонная теория твёрдого тела, которая рассматривает движение отд. электрона в периодич. поле с потенциалом $U{\bf (r)}$, создаваемом ионами кристаллич. решётки и остальными электронами (одноэлектронное приближение): $U({\bf r}+a)=U{\bf (r)}$, где ${\bf {r}}$ – пространственная координата точки, $a$ – период решётки (см. Блоховские электроны).
Периодичность U(r) позволяет характеризовать стационарное состояние электрона проводимости квазиимпульсом ${\bf p}=ℏ{\bf k}$ ($ℏ$ – постоянная Планка, ${\bf k}$ – квазиволновой вектор), аналогичным импульсу частицы в свободном пространстве. Волновая функция электрона в стационарном состоянии – решение Шрёдингера уравнения для электрона, отвечающее собств. значению энергии электрона $ℰ_s$. Волновая функция и собств. значение энергии (в отличие от случая свободного электрона) – периодич. функции квазиимпульса. Индекс $s$, нумерующий решения уравнения Шрёдингера, называют номером зоны, $ℰ_s({\bf p})$ – законом дисперсии электронов или электронным спектром кристалла, соответствующим полю. В каждой разрешённой энергетич. зоне состояния электронов заполняют полосу между $ℰ_\text{мин}$ и $ℰ_\text{макс}$. Зоны могут перекрываться, но их индивидуальность при этом сохраняется. С помощью законов дисперсии можно рассчитать плотность электронных состояний в энергетич. зоне.
Рис. 1. Схема заполнения энергетических зон металла (а), полуметалла (б) и диэлектрика или полупроводника (в). Жирные линии ограничивают заполненные состояния ℰ(p), тонкие – пустые состояния, штрихова…
Зонный характер спектра и Паули принцип позволяют сформулировать принципиальное отличие M. от диэлектрика. T. к. в каждую зону может «поместиться» не более 2$N$ электронов ($N$ – число атомов в кристалле), то в зависимости от числа электронов, приходящихся на 1 атом, и взаимного расположения зон могут осуществляться два случая: либо в осн. состоянии (при T=0 К) имеются зоны, частично заполненные электронами (рис. 1, а, б), либо есть только целиком заполненные зоны и пустые (рис. 1, в). В первом случае кристалл является M. (рис. 1, б соответствует полуметаллу), во втором – диэлектриком (или полупроводником).
В M. граница заполнения уровней электронами (энергия Ферми $ℰ_F$) попадает в разрешённую зону. Соответствующая ей изоэнергетич. поверхность ℰ({\bf p})=ℰ_F (поверхность Ферми) отделяет область занятых электронами состояний от свободных в импульсном пространстве.
Рис. 2. Поверхности Ферми вольфрама (а) и гадолиния (б).
Поверхности Ферми щелочных М. ($\ce{Li, Na, K, Pb, Cs}$) – почти идеальные сферы. Это не означает, что электроны этих М. не испытывают влияния ионов. Их эффективные массы отличаются от массы свободного электрона $m_0$, напр. у $\ce{Na}$ $m=1,24m_0$. У всех M., кроме перечисленных, поверхности Ферми имеют сложную форму (рис. 2).
Некоторые свойства M. (гл. обр. в сильном магнитном поле) очень чувствительны к форме поверхности Ферми (см. Де Хааза – ван Альвена эффект, Шубникова – де Хааза эффект), что позволило экспериментально определить поверхность Ферми мн. M. и интерметаллич. соединений.
Методы зонной теории позволили определить законы дисперсии, выяснить происхождение отд. характерных деталей электронного спектра M. При всей сложности законов дисперсии представление об электронах M. как лёгких (по сравнению с ионами) заряженных частицах является правильным на качественном уровне и позволяет в рамках модели Друде – Лоренца – Зоммерфельда оценить порядок величин осн. характеристик M. – электронной теплоёмкости, электро- и теплопроводности, толщины скин-слоя (см. Скин-эффект) и т. п. У некоторых соединений ($\ce{CeAl_3, CeCu_6, CeCu_2Si_2, UB_{13}}$ и др.) обнаружены необычные свойства (напр., гигантская электронная теплоёмкость), указывающие на то, что в них есть электроны, обладающие аномально большой эффективной массой.
При высоких давлениях, когда объём, приходящийся на 1 атом, уменьшается, атомы теряют свою индивидуальность и любое вещество превращается в сильно сжатую электронно-ядерную плазму, т. е. в своеобразный M. Металлизация любого вещества происходит при плотности $≫20Z^2$, где $Z$ – атомный номер вещества. При таких плотностях большинство свойств вещества определяется вырожденным электронным газом.
Основные виды классификации металлов
Существует несколько видов классификации металлов. Начнем с основного типа – деления на две большие группы: черные и цветные. Черные металлы отличает высокая температура плавления, плотность и повышенная твердость. Цветные металлы, в большинстве случаев, плавятся при более низких температурах и обладают повышенной электро и теплопроводимостью.
Такое разделение обусловлено распространением элементов в природе. На добычу черных элементов приходится более 90 процентов от всей массы добываемых металлов, в то время как на цветную группу приходится не более 5-10 процентов. Необходимо отметить, что виды классификации являются условными, и используются в зависимости от назначения конечного продукта, который производят из этих металлов. Так, для изготовления крепежа используется классификация по техническим характеристикам, а для изготовления сложных сплавов химическая и кристаллическая. Рассмотрим эти виды подробнее.
Химическая классификация металлов
Все элементы в периодической таблице делятся на четыре основных группы, маркируемые латинскими буквами:
- S. Отмечены розовым цветом.
- P. Желтые элементы.
- D. Бирюзовый цвет.
- F. Зеленые элементы в таблице.
Каждая группа содержит в себе металлы. Элементы из первых двух категорий (S и P) называют простым видом, а элементы из групп D и F переходным. Также каждая группа делится еще на несколько категорий. В группу S входят щелочные и щелочеземеленые металлы, а в группы D и F платиновые, урановые и редкоземельные. При этом в каждой группе существуют исключения, из чего можно сделать вывод, что деление металлов по химическим группам является условностью, и редко применяется в практических сферах. Такое деление интересно только для научных изысканий, и практически не применимо в промышленности и производстве. Например, изготовление крепежа отталкивается от технических аспектов, и лишь в малой степени от химических.
Классификация металлов по кристаллической решетке
Все элементы имеют, так называемую, кристаллическую решетку. Абстрактная структура, определяющая расположение атомов и электронов, а также их привязку к ядру. В аморфных материалах, таких как стекло, атомы расположены хаотично, и не имеют строгой конструкции. В отличие от металлов, которые в твердом виде обладают строго структурированной решеткой, с четким построением молекулярных элементов. Всего разделяют 4 вида кристаллических решеток, которые проще представить в виде таблицы:
Это наиболее распространенные типы кристаллических решеток, часто встречающиеся у металлов. В общей сложности система классификации насчитывает 14 конфигураций, но у металлов они или встречаются крайне редко, или не встречаются вообще. Также следует отметить, что правильное построение решетки возможно только при естественном затвердевании металла, без искусственных ускорений. Если процесс остывания был ускорен, форма решетки изменится. В производстве это называют закаливанием, в результате которого меняется не только молекулярная структура, но и технические свойства.
Также, при нарушении норм производства металлического проката, может наблюдаться замена в кристаллической решетке. Это ведет к полному изменению качеств готового изделия. Чтобы условия производства соблюдались, были разработаны нормы стандартизации, гарантирующие четкое соответствие готового проката техническому описанию его свойств.
Техническая классификация металлов
Наиболее полную систему классификации предложил профессор Гуляев, хотя современные ученые и не согласны с некоторыми ее аспектами, ничего нового пока предложено не было. Итак, черные металлы делят на 5 основных подгрупп:
- Железные металлы. Сюда входят марганец, кобальт, никель, и конечно, железо. Наиболее распространенная в природе группа, используемая в сплавах как основной компонент.
- Тугоплавкие. Элементы, имеющие высокую температуру расплавления. В качестве эталона принята мера в 1539 градусов по Цельсию.
- Редкоземельные. Дорогостоящие в плане добычи и обработки элементы, к которым относят неодим, европий, самарий и другие металлы, используемые в качестве присадок к основному сплаву. Способны даже при небольшом проценте вмешательства существенно повысить или полностью изменить характеристики сплава.
- Щелочные. Особая группа, практически не применяемая в чистом виде. Чаще всего используются в атомной энергетике. Сюда относят: литий, барий, радий и другие.
- Урановые. Торий, уран, плутоний. Применяются исключительно в атомной энергетике.
Цветные металлы также делят на несколько подгрупп. Их три:
- Легкие. Алюминий, магний, бериллий. Обладают низким удельным весом и часто применяются в авиастроении и прочих сферах, где необходим твердый, но в то же время легкий материал.
- Легкоплавкие. Металлы с наиболее низкой температурой плавления: цинк, олово, свинец. Используются как в чистом виде, в качестве припоя и соединительного элемента, и как легирующие добавки, повышающие или изменяющие характеристики сплава.
- Благородные или драгоценные металлы. Наиболее редкие элементы, к которым относят: золото, серебро, палладий, платину. Обладают максимальной устойчивостью к коррозии и окислению, благодаря чему получают широкое распространение в различных промышленных сферах.
Практически все металлы из двух групп поддаются смешению, то есть производству из них сплавов с необходимыми техническими характеристиками.
Электрические свойства
При комнатной темп-ре удельная электрич. проводимость $σ$ М. порядка 10–8–10–6 Ом–1·м–1; с понижением темп-ры она увеличивается. Характерное свойство M. в нормальном (несверхпроводящем) состоянии – линейная зависимость между плотностью тока $j$ и напряжённостью $E$ приложенного электрич. поля (Ома закон): $j=σE$.
Носители тока в M. – электроны проводимости с энергией, близкой к $ℰ_F$. Причина электрич. сопротивления – рассеяние электронов на любых нарушениях периодичности кристаллич. решётки: тепловых колебаниях ионов (фононах), самих электронах, а также разл. дефектах – примесных атомах, вакансиях, дислокациях, границах кристаллов и образца (см. Рассеяние носителей заряда). Мерой рассеяния служит длина свободного пробега $l$ – ср. расстояние между двумя последовательными столкновениями электронов с дефектами:$$σ=nel/p_\text{F},$$ где $n$ – концентрация электронов проводимости (порядка 1022–1023 см–3), $e$ – заряд электрона, $p_\text{F}=2π\hbar (3n/8π)^{1/3}$ – т. н. граничный фермиевский импульс. При $T$=300 К длина свободного пробега l порядка 10–6 см; с понижением $T$ длина пробега растёт, достигая (для высококачественных монокристаллич. образцов) 0,1–1 см. Соответственно возрастает электрич. проводимость $σ$ и уменьшается удельное электрич. сопротивление $ρ=σ^{–1}$. Отношение проводимости при $T$=4,2 К к проводимости при $T$=300 К характеризует совершенство и химич. чистоту металлов.
Сопротивление сплавов значительно выше сопротивления чистых M. Причина этого в нарушении идеальности кристаллич. решётки (разл. атомы в узлах решётки) и наличии дефектов. В веществах с большим $ρ$ возникает локализация электронных состояний – проводимость исчезает (см. Андерсоновская локализация).
При плавлении М. подвижные электроны в нём сохраняются, поэтому сохраняется и большая электрич. проводимость, хотя разрушение дальнего порядка приводит к скачкообразному росту сопротивления $ρ$. Исключение составляют $\ce{Sb, Ga, Bi,}$ электрич. сопротивление которых при плавлении уменьшается.
При $T→0$ К у большинства M. происходит исчезновение электрич. сопротивления – они переходят в сверхпроводящее состояние.
Тепловые свойства
Теплоёмкость М. обусловлена ионным остовом (решёточная теплоёмкость $C_\text p$) и электронным газом (электронная теплоёмкость $C_\text э$). Хотя концентрация электронов проводимости в М. велика и не зависит от темп-ры, $C_\text э$ наблюдается у большинства М. только при низких температурах (порядка нескольких $\text K$), т. к. электронный газ в М. вырожден. При уменьшении темп-ры $C_\text p$ убывает пропорционально $T^3$, а $C_\text э$ – пропорционально $T$. Электроны проводимости вносят линейный по $T$ вклад и в коэф. теплового расширения металлов.
Электроны проводимости принимают участие не только в переносе электрич. заряда, но и в переносе теплоты. Вследствие большой подвижности электронов проводимости теплопроводность M. велика. Удельная электропроводность и электронная часть теплопроводности M. связаны соотношением, называемым Видемана – Франца законом. Теплопроводность сплавов ниже теплопроводности чистых металлов.
При наличии градиента темп-ры в M. возникает электрич. ток или разность потенциалов (термоэдс). Из-за вырождения электронного газа коэффициенты, описывающие термоэдс и др. термоэлектрич. эффекты, малы, однако их исследование позволяет обнаружить увлечение электронов тепловыми фононами. Взаимодействие возбуждённых в M. акустич. волн с электронами проводимости приводит к возникновению электрич. тока либо разности потенциалов, пропорциональной интенсивности потока фононов (см. Акустоэлектрический эффект).
Магнитные свойства
Электроны проводимости обладают как парамагнитными (из-за наличия у каждого электрона собственного магнитного момента), так и диамагнитными (связанными с квантованием движения электронов в плоскости, перпендикулярной магнитному полю) свойствами (см. Парамагнетизм, Диамагнетизм). В магнитную восприимчивость M. вносят вклад и ионы: у непереходных M. ионы диамагнитны, у переходных, как правило, парамагнитны. Из-за вырождения электронного газа парамагнитная восприимчивость $χ$ электронного газа слабо зависит от $T$ (см. Паули парамагнетизм). При низких темп-рах и в сильных магнитных полях напряжённостью $H$ парамагнитная восприимчивость $χ$ металлич. монокристаллов осциллирует как функция $1/H$ (эффект де Хааза – ван Альвена).
Все переходные М. с недостроенными $d$- или $f$-электронными оболочками – парамагнетики. Некоторые M. при понижении темп-ры переходят в магнитоупорядоченное состояние: ферромагнитное (напр., $\ce{Fe, Co, Ni, Gd}$), антиферромагнитное (напр., $\ce{Ce, Mn}$) или в состояние с геликоидальной магнитной атомной структурой (напр., $\ce{Cr}$). При этом электроны проводимости играют существенную роль в формировании магнитных структур (см. Ферромагнетизм, Антиферромагнетизм). Большинство непереходных М. остаются парамагнетиками или диамагнетиками вплоть до $T$=0 К. Магнитное упорядочение существенно влияет на все др. свойства М., в частности на электрич. свойства – в электрич. сопротивление вносит вклад рассеяние электронов на спиновых волнах.
Переход M. в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его магнитных свойств: в сверхпроводящем состоянии в слабых полях M. проявляет себя как диамагнетик, в котором магнитное поле равно нулю из-за экранирования внешнего магнитного поля незатухающими вихревыми токами (см. Мейснера эффект). В сверхпроводниках 1-го рода ($\ce{Sn, Pb, In}$ и др.) это выполняется вплоть до полей, разрушающих сверхпроводимость. В сверхпроводниках 2-го рода ($\ce{Nb_3Sn, NbTi}$ и др.) магнитное поле в широком диапазоне напряжённостей $H$, не разрушая сверхпроводимость, проникает в объём М. в виде вихрей, что ослабляет диамагнетизм.
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.
Гальваномагнитные и термомагнитные явления
Если металлич. образец, по которому течёт электрич. ток, поместить в постоянное магнитное поле, то в нём возникают явления, обусловленные искривлением траекторий электронов в плоскости, перпендикулярной ${\bf H}$, что приводит к изменению кинетич. коэффициентов (коэф. электро- и теплопроводности, термоэлектрич. коэф. и др.) и к ряду новых явлений: Холла эффекту, магнитосопротивлению и др. На зависимость кинетич. коэффициентов от ${\bf H}$ влияют особенности электронного энергетич. спектра M., в частности топология поверхности Ферми (см. Гальваномагнитные явления, Термогальваномагнитные явления). Даже не слишком сильное магнитное поле при низких темп-pax (порядка 1 К) может изменить кинетич. свойства M., напр. в десятки тысяч раз увеличить поперечное (относительно направления ${\bf H}$) сопротивление (у $\ce{Bi}$) или практически полностью «выключить» поперечную электронную теплопроводность металла.
Список
К металлам с изначальной хрупкостью относятся природные и технологичные материалы.
Природные вещества:
- Щелочноземельные – бериллий.
- Легкоплавкие – олово, висмут.
- Тяжелые элементы – цинк, марганец, хром, сурьма, кобальт.
Кобальт
В списке присутствуют уникумы:
- Вольфрам. Самый прочный на растяжение среди металлов.
- Осмий. Твердый хрупкий платиноид голубовато-серебристого цвета, второй по плотности среди простых веществ, тугоплавкий.
- Германий. Мягкий хрупкий белый металл.
Самый хрупкий металл – сурьма. Ее легко сделать порошком вручную.
Материалы, полученные в результате технологических процессов: бронза, белый чугун, сталь с высоким содержанием углерода.
Эмиссия электронов
При нагревании M. до высоких температур наблюдается эмиссия («испарение») электронов с поверхности M. (см. Термоэлектронная эмиссия). Число электронов, вылетающих из M. в единицу времени, пропорционально ехр$(–W/kT)$, где $W$ – работа выхода электрона из M., $k$ – постоянная Больцмана. Величина $W$ у разл. M. (и даже на разных кристаллич. гранях одного M.) различна и составляет 2–5 эВ; $W$ зависит от состояния поверхности. Различия в $W$ обусловливают контактную разность потенциалов между разл. М. Эмиссия электронов с поверхности M. происходит также в сильных электрич. полях (напряжённостью порядка 107 В/см) в результате туннельного прохождения электронов через сниженный полем потенциальный барьер (см. Автоэлектронная эмиссия). Туннелирование электронов через малый (меньше 1 нм) зазор лежит в основе сканирующей туннельной микроскопии.
Эмиссия электронов возникает также под действием электромагнитного излучения видимого и УФ-диапазонов – фотоэлектронная эмиссия, при бомбардировке поверхности М. электронами – вторичная электронная эмиссия, или ионами – ионно-электронная эмиссия, при взаимодействии поверхности М. с плазмой – взрывная электронная эмиссия.
Какие бывают сплавы?
На данный момент существует множество сплавов, которые применяются во всех отраслях производства. Сплавы классифицируются по различным признакам.
По способу изготовления
- Литые получают с помощью кристаллизации смешанных расплавов.
- Порошковые получают прессованием смеси порошков с последующим спеканием.
По методам получения
- Литейные (чугун).
- Деформируемые (сталь).
- Порошковые (сплавы, полученные из порошков и керамики).
Mеталлы в электромагнитных полях
Переменный электрич. ток частоты $ω$ течёт по поверхности М., проникая в него на глубину скин-слоя толщиной $δ=c\sqrt{2πσω}$, где $c$ – скорость света (см. Высокочастотная проводимость); напр., для $\ce{Cu}$ $δ≈$ 6·10–6 м при $ω=$ 6·10–8 Гц. При падении электромагнитной волны на поверхность M. часть электромагнитной энергии поглощается в скин-слое, а др. часть переизлучается электронами и отражается от поверхности M. Коэф. отражения (для $\ce{Cu}≈$ 2·10–5).
При падении на М., помещённый в сильное постоянное магнитное поле, электромагнитных волн, частота которых равна или кратна циклотронной частоте электронов проводимости, в М. наблюдаются резонансные явления (см. Циклотронный резонанс). В некоторых M. (напр., щелочных) можно наблюдать электронный парамагнитный резонанс на электронах проводимости и спиновые волны.
M., помещённый в достаточно сильное магнитное поле при низкой темп-ре, обладает мн. свойствами, характерными для плазмы: в нём могут распространяться разнообразные слабозатухающие волны (геликоны, магнитоплазменные волны, доплероны и др.) (см. Плазма твёрдых тел).
Оптические свойства
Для электромагнитных волн оптич. диапазона M., как правило, непрозрачны. Характерный блеск – следствие практически полного отражения света поверхностью M. При взаимодействии света с электронами проводимости M. важную роль играет внутр. фотоэффект, т. е. вынужденные (за счёт поглощения фотонов) переходы электронов из одной энергетич. зоны в другую. Как правило, именно внутр. фотоэффект определяет коэф. поглощения излучения видимого и УФ-диапазонов и изменение проводимости M. под воздействием света (см. Фотопроводимость). Чем выше частота излучения, тем меньшую роль играют электроны проводимости во взаимодействии излучения с M.: в УФ- и рентгеновском диапазонах оптич. свойства M. мало отличаются от свойств диэлектриков.
Отражение плоскополяризованного света от поверхности M. сопровождается поворотом плоскости поляризации и появлением эллиптич. поляризации. Это явление используется для технич. целей и для определения оптич. констант M. См. также Металлооптика.
Классификация по структуре кристаллической решётки
Очевидными являются различия в строении кристаллической решётки для различных металлов в твёрдом состоянии. Для них характерно наличие одного из трёх типов устройства:
- Объёмоцентрированная кубическая решётка с 8 равноудалёнными атомами от взятого в качестве точки отсчёта атома и ещё 6 соседями на большем расстоянии;
- Плотноупакованная кубическая решётка с 12 равноудалёнными соседями;
- Плотноупакованная гексагональная решётка с 12 равноудалёнными соседями.
Для металлов в расплавленном и газообразном состоянии эти свойства не играют большой роли, так как кристаллическая структура атомов в этих состояниях становится неупорядоченной.
Механические свойства
Для М. характерно сочетание высоких пластичности и вязкости со значительными прочностью, твёрдостью и упругостью. Соотношение этих свойств можно регулировать с помощью механич. и термич. обработки М., а в сплавах – изменением концентрации компонентов. Упругая деформация М. и их сплавов находится в пределах 0,01–1%, пластическая – много больше и при комнатной темп-ре может достигать 10–100%.
Сопротивление изотропного поликристаллич. M. воздействию внешних механич. сил описывают в зависимости от типа деформации (растяжение, сдвиг, объёмное сжатие) разл. модулями упругости (модулями Юнга $E$, сдвига $G$ и объёмного сжатия $K$ соответственно), между которыми существует линейная связь через коэф. Пуассона $ν$: $E=3K(1-2ν)$; $E=G[2(1+ν)]$. Для большинства М. $ν$ находится в пределах 0,22-0,46. Модули упругости М. определяются межатомными взаимодействиями. В монокристалле модули упругости зависят от направления, поэтому они образуют тензор. Величина модуля сдвига $G$ М. лежит в пределах от 0,39 ГПа ($\ce{Cs}$) до 224 ГПа ($\ce{Os}$), у железа $G=$ 84,1 ГПа. При увеличении темп-ры модули упругости монотонно убывают; изменение модуля упругости в интервале от 0 К до темп-ры плавления составляет ок. 50% от исходного значения. В области упругого поведения в M. возможно проявление внутр. трения.
Пластич. деформация M. осуществляется относит. сдвигом (скольжением) параллельных атомных плоскостей. Теоретически сопротивление M. пластич. деформации и разрушению составляет 10–1$G$ (одновременный разрыв всех связей в плоскости скольжения). Экспериментально пластич. деформация и разрушение наблюдаются при напряжениях 10–4–10–2$G$. Это различие обусловлено существованием носителей пластич. деформации – дислокаций – линий, вдоль которых происходит разрыв связей. Движение дислокаций вдоль определённых плоскостей в кристалле обеспечивает сдвиг одной части кристалла относительно другой. Прочность и пластичность M. обусловлены движением и взаимодействием дислокаций между собой и с др. дефектами, примесями и их скоплениями, границами раздела фаз, включениями др. фаз.
Механич. характеристики M. можно изменять в широких пределах термич. и механич. обработкой, а также введением примесей (легированием). Напр., предел прочности $\ce{Fe}$ (технич. чистоты) 0,35 ГПа, тогда как высокопрочные легированные стали (сплавы $\ce{Fe}$ с др. М. и с $\ce{C}$) имеют предел прочности от 1,5 до 4,5 ГПа.
Применение металлов
В технике в осн. применяют сплавы М. Так, напр., из-за малой прочности чистые M. непригодны в качестве материалов для изготовления конструкций, но мн. сплавы M. обладают одновременно высокой механич. прочностью и высокой пластичностью и находят широкое применение в качестве конструкционных материалов. M. с низким уровнем внутр. трения, слабо рассеивающие энергию колебаний, используют при изготовлении акустич. резонаторов муз. инструментов. М. и их сплавы используют: в электротехнике как в качестве проводников электрич. тока (медь, алюминий), так и в качестве материалов для резисторов и электронагреват. элементов (нихром и т. п.); в инструментальной технике для изготовления рабочей части инструментов (в осн. это инструментальные стали и твёрдые сплавы).