Металлы обладают механическими, технологическими, физическими и химическими свойствами.
К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании и фазовых превращениях;
к химическим - окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность;
к механическим - прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость;
к технологическим - прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.
Прочность - способность металла сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Удельная прочность - отношение предела прочности к плотности.
Твердостью - называется способность тела противостоять проникновению в него другого тела.
Упругость - свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих изменение формы (деформацию).
Вязкость - способность металла оказывать сопротивление ударным внешним силам. Вязкость - свойство обратное хрупкости.
Пластичность - свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил.
Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический, спектральный, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах.
Механические свойства . Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, - это достаточная прочность. Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами, характерными для данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих и других инструментов применяют инструментальные стали и сплавы, а для рессор и пружин - специальные стали, обладающие высокой упругостью.
Вязкие металлы применяют в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке.
Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, штамповать).
Физические свойства . В авиа-, авто-, приборо-, и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными.
Плавкость используется для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (свинец) применяют в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки топографических матриц, предохранителей в приборах пожарной безопасности.
Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, в линиях электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением - для ламп накаливания, электронагревательных приборов.
Магнитные свойства металлов используются в электромашиностроении при производстве электродвигателей, трансформаторов в приборостроении (телефонные и телеграфные аппараты).
Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для обработки давлением, термической обработки, кроме того, она обеспечивает возможность пайки и сварки металлов.
Некоторые металлы имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие металлы применяют для изготовления точных приборов при сооружении мостов, путепроводов и др.
Химические свойства . Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (детали машин в химической промышленности). Для таких изделий используют сплавы с высокой коррозионной стойкостью - нержавеющие, кислотостойкие и жароупорные стали.
Подавляющее большинство (93 из 117) известных в настоящее время химических элементов относится к металлам.
Атомы различных металлов имеют много общего в строении, а образуемые ими простые и сложные вещества имеют схожие свойства (физические и химические).
Положение в периодической системе и строение атомов металлов.
В периодической системе металлы располагаются левее и ниже условной ломаной линии, проходящей от бора к астату (см. таблицу ниже). К металлам относятся почти все s-элементы (за исключением Н, Не), примерно половина р -элементов, все d — и f -элементы (лантаниды и актиниды ).
У большинства атомов металлов на внешнем энергетическом уровне содержится небольшое число (до 3) электронов, только у некоторых атомов р-элементов (Sn, Pb, Bi, Ро) их больше (от четырех до шести). Валентные электроны атомов металлов слабо (по сравнению с атомами неметаллов) связаны с ядром. Поэтому атомы металлов относительно легко отдают эти электроны другим атомам, выступая в химических реакциях только в качестве восстановителей и превращаясь при этом в положительно заряженные катионы:
Me - пе – = Ме n+ .
В отличие от неметаллов для атомов металлов характерны только положительные степени окисления от +1 до +8.
Легкость, с которой атомы металла отдают свои валентные электроны другим атомам, характеризует восстановительную активность данного металла. Чем легче атом металла отдает свои электроны, тем он более сильный восстановитель. Если расположить в ряд металлы в порядке уменьшения их восстановительной способности в водных растворах, мы получим известный нам вытеснительный ряд металлов , который называется также электрохимическим рядом напряжений (или рядом активности ) металлов (см. таблицу ниже).
Распространенность м еталлов в природе .
В первую тройку наиболее распространенных в земной коре (это поверхностный слой нашей планеты толщиной примерно 16 км) металлов входят алюминий, железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.
железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.
Распространенность металлов в земной коре
| Металл | Металл | Массовая доля в земной коре, % | |
|---|---|---|---|
| Al | 8,8 | Cr | 8,3 ∙ 10 -3 |
| Fe | 4,65 | Zn | 8,3 ∙ 10 -3 |
| Ca | 3,38 | Ni | 8 ∙ 10 -3 |
| Na | 2,65 | Cu | 4,7 ∙ 10 -3 |
| K | 2,41 | Pb | 1,6 ∙ 10 -3 |
| Mg | 2,35 | Ag | 7 ∙ 10 -6 |
| Ti | 0,57 | Hg | 1,35 ∙ 10 -6 |
| Mn | 0,10 | Au | 5 ∙ 10 -8 |
Элементы, массовая доля которых в земной коре составляет менее 0,01 %, называются редкими . К числу редких металлов относятся, например, все лантаниды. Если элемент не способен концентрироваться в земной коре, т. е. не образует собственных руд, а встречается в качестве примеси с другими элементами, то его относят к рассеянным элементам. Рассеянными, например, являются следующие металлы: Sc, Ga, In, Tl, Hf.
В 40-х годах XX в. немецкие ученые Вальтер и Ида Нолла к высказали мысль о том. что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все химические элементы периодической системы. Вначале эти слова были встречены их коллегами далеко не с единодушным одобрением. Однако по мере появления все более точных методов анализа ученые все больше убеждаются в справедливости этих слов.
Поскольку все живые организмы находятся в тесном контакте с окружающей средой, то и в каждом из них должны содержаться если не все, то большая часть химических элементов периодической системы. Например, в организме взрослого человека массовая доля неорганических веществ составляет 6 %. Из металлов в этих соединениях присутствуют Mg, Са, Na, К. В составе многих ферментов и иных биологически активных органических соединений в нашем организме содержатся V, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Mo, Сг и некоторые другие металлы.
В организме взрослого человека содержится в среднем около 140 г ионов калия и около 100 г ионов натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 г до 7 г ионов калия и от 2 г до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах натрия настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу. Значительная потеря ионов натрия (в виде NaCl с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют пить минеральную воду. Однако и избыточное содержание соли в пище негативно сказывается на работе наших внутренних органов (в первую очередь, сердца и почек).
Вам необходимо включить JavaScript, чтобы проголосоватьНахождение в природе
Бо́льшая 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:
| Твёрдость | Металл |
|---|---|
| 0.2 | Цезий |
| 0.3 | Рубидий |
| 0.4 | Калий |
| 0.5 | Натрий |
| 0.6 | Литий |
| 1.2 | Индий |
| 1.2 | Таллий |
| 1.25 | Барий |
| 1.5 | Стронций |
| 1.5 | Галлий |
| 1.5 | Олово |
| 1.5 | Свинец |
| 1.5 | |
| 1.75 | Кальций |
| 2.0 | Кадмий |
| 2.25 | Висмут |
| 2.5 | Магний |
| 2.5 | Цинк |
| 2.5 | Лантан |
| 2.5 | Серебро |
| 2.5 | Золото |
| 2.59 | Иттрий |
| 2.75 | Алюминий |
| 3.0 | Медь |
| 3.0 | Сурьма |
| 3.0 | Торий |
| 3.17 | Скандий |
| 3.5 | Платина |
| 3.75 | Кобальт |
| 3.75 | Палладий |
| 3.75 | Цирконий |
| 4.0 | Железо |
| 4.0 | Никель |
| 4.0 | Гафний |
| 4.0 | Марганец |
| 4.5 | Ванадий |
| 4.5 | Молибден |
| 4.5 | Родий |
| 4.5 | Титан |
| 4.75 | Ниобий |
| 5.0 | Иридий |
| 5.0 | Рутений |
| 5.0 | Тантал |
| 5.0 | Технеций |
| 5.0 | Хром |
| 5.5 | Бериллий |
| 5.5 | Осмий |
| 5.5 | Рений |
| 6.0 | Вольфрам |
| 6.0 | β-Уран |
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
- Лёгкие:
- 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)
| Периодическая таблица | |
|---|---|
| Дмитрий Иванович Менделеев · Периодический закон · Группы элементов | |
| Форматы | Короткая · По блокам · Расширенная · Увеличенная · Электронные конфигурации · Электроотрицательность · Альтернативная · Изотопы элементов |
| Списки элементов по | |
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.
Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп, выделены синим цветом), а справа вверху – элементы-неметаллы (выделены желтым цветом). Элементы, расположенные вблизи диагонали – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером (выделены розовым цветом).
Как видно из рисунка, подавляющее большинство элементов являются металлами.
По своей химической природе металлы – это химические элементы, атомы которых отдают электроны с внешнего или предвнешнего энергетического уровней, образуя при этом положительно заряженные ионы.
Практически все металлы имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (от 1 до 3) на внешнем энергетическом уровне. Для металлов характерны низкие значения электроотрицательности и восстановительные свойства.
Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к увеличивается радиус атомов (за счет увеличения числа энергетических уровней). Это приводит к уменьшению электроотрицательности (способности притягивать электроны) элементов и усилению восстановительных свойств (способность отдавать электроны другим атомам в химических реакциях).
Типичными металлами являются s-элементы (элементы IА-группы от Li до Fr. элементы ПА-группы от Мg до Rа). Общая электронная формула их атомов ns 1-2 . Для них характерны степени окисления + I и +II соответственно.
Небольшое число электронов (1-2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.
Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами — это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Вг — , Сa 2+ О 2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами — гидроксидов и солей, например Мg 2+ (OН —) 2 , (Li +)2СO 3 2-.
Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а также примыкающие к ним металлы (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0-4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры — соединения Тl III , Рb IV , Вi v). Подобное химическое поведение характерно и для большинства (d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры — амфотерные элементы Сr и Zn).
Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga 2 , в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути (II) АlСl 3 и НgСl 2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе АlСl 3 диссоциирует почти полностью, а НgСl 2 — в очень малой степени (да и то на ионы НgСl + и Сl —).
Общие физические свойства металлов
Благодаря наличию свободных электронов («электронного газа») в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:
1) Пластичность — способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.
2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.
3) Электропроводность . Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».
4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.
5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий — литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее 5 г/см3 считаются «легкими металлами».
7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.
Общие химические свойства металлов
Сильные восстановители: Me 0 – nē → Me n +
Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.
I. Реакции металлов с неметаллами
1) С кислородом:
2Mg + O 2 → 2MgO
2) С серой:
Hg + S → HgS
3) С галогенами:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2
4) С азотом:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2
5) С фосфором:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2
6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H 2 → 2LiH
Ca + H 2 → CaH 2
II. Реакции металлов с кислотами
1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2
2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2
6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2
2) С кислотами-окислителями:
При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!
Zn + 2H 2 SO 4(К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
4Zn + 5H 2 SO 4(К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
3Zn + 4H 2 SO 4(К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O
2H 2 SO 4(к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
4HNO 3 (к) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
III. Взаимодействие металлов с водой
1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2
3) Неактивные (Au, Ag, Pt) — не реагируют.
IV. Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:
Cu + HgCl 2 → Hg+ CuCl 2
Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4
В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси - сплавы , в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь ) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем — дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) — это широко известные чугун и сталь.
Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой , в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.
Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина ), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.
Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией . Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте — металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.
При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+)
Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg — только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи — «царской водкой».
Коррозия металлов
Нежелательным химическим свойством металлов является их , т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.
Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО 2 и SО 2 ; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н 2 (водородная коррозия ).
Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более активный металл разрушается (корродирует).
Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).
Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении ; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь ), имеют высокую коррозионную стойкость.
электрометаллургия , т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;
пирометаллургия , т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);
гидрометаллургия , т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO 4 действием цинка, железа или алюминия).
В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры — Аg, Аu, Рt, Нg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды ). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных — Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до самых редких — Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.