Практическое металловедение
Металлы
Металлы (от лат. metallum - шахта, рудник) - это группа физических элементов, обладающих металлическими свойствами: высокая теплопроводность, электропроводность, высокая пластичность и положительные температурные коэффициенты сопротивления. 1 2

Из 118 открытых в настоящий момент химических элеметов к металлам относятся:
  • 6 - щелочные металлы;
  • 4 - щелочноземельные металлы;
  • 38 - переходные металлы;
  • 11 - легкие металлы;
  • 7 - полуметаллы;
  • 14 - лантаноиды+лантан;
  • 14 - актиноиды+актиний.

Вне каких-либо групп находятся бериллий и магний. Таким образом, к металлам можно отнести 98 элементов из 118 открытых.

Большинство металлов находится в природе в качестве руд и соединений. Они образуют сульфиды, карбонаты и оксиды, а также другие химические соединения. Чтобы получить чистые металлы, которые можно использовать в дальнейшем, первоначально они выделяются из руд, а затем проводится очистка. При необходимости осуществляется легирование и другая обработка металлов. Изучением данного аспекта занимается металлургия, которая различает руды черных металлов (на основе железа) и цветных (в составе которых нет железа). Золото, серебро и платина являются драгоценными металлами. Более того, они присутствуют в растениях, живых организмах и морской воде, играя важную роль в нормальном функционировании.

Установлено, что организм на 3% состоит из металлов, среди которых больше всего натрия и кальция, сконцентрированных в лимфматических системах. Медь накапливается в печени, железо в крови, а магний в нервной системе и мышцах.

Свойства металлов.
Металлам характерен “металлический” блеск, который свойственен еще и йоду, углероду в виде графита. Они обладают хорошей электропроводностью, с легкостью могут быть механически обработаны, имеют высокую плотность и температуру плавления (за исключением щелочных металлов, ртути и галлия), большую теплопроводность.

Все металлы при нормальных условиях (кроме ртути и франция) находятся в твердом состоянии - но уровень твердости у каждого из них различен. Так, некоторые щелочные металлы могут быть разрезаны кухонным ножом, а другие - такие как вольфрам, хром и ванадий способны поцарапать стекло и сталь.

Температура плавления металлов находится в диапазоне от -39 (ртуть) до 3410 градусов по Цельсию (вольфрам). В большинстве случаев металлы (кроме щелочных) плавятся только при очень высокой температуре, однако некоторые привычные металлы можно расплавить и в обычной газовой или электрической плите.

В зависимости от значения плотности, металлы подразделяются на легкие (0,53/5 г/см3) и тяжелые (5/22,5 г/см3). Самый легкий - литий, а самый тяжелый пока что назвать невозможно, поскольку плотности иридия и осмия приблизительно равны. Вычисление точной плотности является крайне сложным процессом, поскольку для этого требуется очистка от примесей - а они, в свою очередь, снижают плотность.

Большинство металлов являются пластичными - то есть, проволоку из металла можно согнуть, а она не сломается. Это получается из-за смещения слоев атомов металла без разрыва связи. Самыми пластичными являются медь, серебро и золото. Золото уникально еще и тем, что из него можно изготовить фольгу толщиной всего 0,003 мм - именно она применяется для золочения изделий.

Однако не все металлы - пластичны. Например, проволока из цинка будет хрустеть при сгибании, а висмут и марганец при деформации не сгибаются даже на миллиметр - сразу ломаются. Пластичность зависит от того, насколько материал хорошо очищен - чистый хром обладает высокой пластичностью, но, в тоже время, если присутствует загрязнение примесями, то он становится твердым и хрупким.

Все металлы являются проводниками электрического тока. Происходит это потому, что в их кристаллических решетках присутствуют подвижные электроны, которые перемещаются под действием электрического поля. Медь, алюминий и серебро обладают наивысшей электропроводностью. По этой причине их чаще всего используют для изготовления проводов. Обладает хорошей электропроводностью и натрий - многие проводили эксперименты по производству натриевых проводов в форме трубок из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому весу и при равном сопротивлении, натриевые провода оказываются гораздо легче медных и алюминиевых.

Теплопроводность металлов также является зависимой от подвижности свободных электронов. И поэтому данное свойство по своему принципу очень схоже с электропроводимостью - и здесь, как и в случае с электрическим током, лучшим проводником является серебро. Хорош и натрий - широко известно использование натрия в клапанах автомобильных двигателей для лучшего их охлаждения.

Гладкий металл хорошо отражает свет - это явление называется “металлический блеск”. Это не касается порошкообразного состояния большинства металлов - кроме алюминия и магния. Первый, кстати, является хорошим отражателем света, в то время как палладий и серебро используется для производства зеркал. В некоторых случаях используется и родий, хотя он и очень дорог из-за большей твердости и химической стойкости, а также по причине меньшей тонкости слоя.

Цвет большинства металлов светло-сервый с голубоватым оттенком. Золото, цезий и медь имеют соответственно желтый, светло-желтый и красный цвет.

Легирование.
Легированием называется введение в расплав металла дополнительных элементов, которые улучшают его физические, механические и химические свойства.

Микроскопическое строение.
Харатерные свойства металлов очень легко изучить, основываясь на их внутреннем строении. У них слабая связь валентных электронов (слабая связь между ними на внешнем энергетическом уровне) с ядром. Из-за этого разность потенциалов в проводнике создает лавинообразное движение электронов - электронов проводимости, как их называют в научных кругах - в кристаллической решетке. Подобную совокупность также часто называют электронным газом. Вклад в хорошую теплопроводность, помимо электронов, делают и фотоны (колебания решетки). Пластичность металлов объясняется слабым энергетическим барьером для сдвига кристаллографических плоскостей и движения дислокаций. Твердость объясняется многими структурными дефектами (вакансиями, междоузельными атомами и т.д.).

Окисление металлов возможно из-за легкой отдачи электронов, что приводит к ухудшению свойств металла и коррозии. Способность к окислению узнается по обычному ряду активности металлов. Данное утверждение подтверждается необходимостью применения металлов в виде сплавов, самым важным из которых является сталь, а также легирования и применения покрытий, в том числе и порошковых.

Более полное описание электронных свойств металлов возможно с использованием квантовой физики. Во всех твердых телах с необходимым уровнем симметрии энергия электронов отдельных атомов перекрывается, образуя разрешенные зоны. Причем они, созданные валентными электронами, называются валентными зонами. Слабая связь валентных электронов с ядром в металлах приводит к тому, что такая зона будет очень широкой, и всех электронов просто не хватит для её заполнения. Принципиальной особенностью такого заполнения является то, что даже при минимальном напряжении начинается перестройка валентных электронов - то есть, свободно протекает электрический ток. Тоже самое касается и теплопроводности, и способности металлов отражать зеркально электромагнитное излучение, которое и придает металлам блеск.

Применение металлов.
Конструкционные материалы. Металлы и их сплавы являются важнейшими конструктивными элементами. Это обусловлено их прочностью, однородностью и непроницаемостью для газов и жидкостей. Помимо этого, меняя рецептуру сплавов, возможно добиться изменения их физических и химических свойств в самих широких пределах.

Электротехнические материалы. Металлы являются хорошими электропроводниками - они используются, как материалы с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов.

Инструментальные материалы. Металлы и их сплавы широко используются для изготовления инструментов, в том числе и их рабочей части. В основном это твердые сплавы и инструментальные сплавы. В качестве инструментальных материалов также используется керамика, нитрид бора и алмаз.


Спонсоры публикации:
  • vtb24

Практическое металловедение
Газы и металлы
Растворы неметаллов в металлах
Металлические соединения
Партнёр
©2009-2012 - Права защищены
Укажите ссылку на источник при копировании информации