Daugiausia metalų pagal savybes. Visas mokslui žinomų metalų sąrašas

Pirmoji medžiaga, kurią žmonės išmoko panaudoti savo reikmėms, yra akmuo. Tačiau vėliau, kai žmogus sužinojo apie metalų savybes, akmuo pasislinko toli atgal. Būtent šios medžiagos ir jų lydiniai tapo svarbiausia ir pagrindine medžiaga žmonių rankose. Iš jų buvo gaminami namų apyvokos daiktai, darbo įrankiai, statomos patalpos. Todėl šiame straipsnyje apžvelgsime, kas yra metalai, kurių bendros charakteristikos, savybės ir panaudojimas yra tokie aktualūs šiai dienai. Iš tiesų, pažodžiui iškart po akmens amžiaus, sekė visa metalų galaktika: varis, bronza ir geležis.

Metalai: bendrosios charakteristikos

Kas vienija visus šių paprastų medžiagų atstovus? Žinoma, tai yra jų kristalinės gardelės struktūra, cheminių ryšių tipai ir atomo elektroninės struktūros ypatybės. Galų gale, iš čia ir būdingos fizinės savybės, kuriomis grindžiamas šių medžiagų naudojimas žmonėms.

Pirmiausia apsvarstykite metalus kaip periodinės sistemos cheminius elementus. Jame jie išsidėstę gana laisvai, užimantys 95 langelius iš šiandien žinomų 115. Bendroje sistemoje yra keletas jų išsidėstymo požymių:

Jie sudaro pagrindinius I ir II, taip pat III grupių pogrupius, pradedant aliuminiu.
Visi šoniniai pogrupiai susideda tik iš metalų.
Jie yra žemiau sąlyginės įstrižainės nuo boro iki astatino.

Remiantis tokiais duomenimis, nesunku pastebėti, kad nemetalai yra surinkti viršutinėje dešinėje sistemos dalyje, o likusi erdvė priklauso mūsų svarstomiems elementams.

Visi jie turi keletą atomo elektroninės struktūros bruožų:

Bendrosios metalų ir nemetalų charakteristikos leidžia nustatyti jų struktūros modelius. Taigi, pirmosios kristalinė gardelė yra metalinė, ypatinga. Jo mazguose vienu metu yra kelių tipų dalelės:

jonai;
atomai;
elektronų.

Viduje kaupiasi bendras debesis, vadinamas elektronų dujomis, kurios paaiškina visas fizines šių medžiagų savybes. Metalų cheminės jungties tipas yra toks pat kaip ir su jais.

Fizinės savybės

Yra keletas parametrų, jungiančių visus metalus. Jų bendrosios charakteristikos fizinių savybių požiūriu yra tokios.

Išvardyti parametrai yra bendrosios metalų charakteristikos, tai yra viskas, kas juos vienija į vieną didelę šeimą. Tačiau reikia suprasti, kad kiekviena taisyklė turi išimčių. Be to, tokių elementų yra per daug. Todėl pačioje šeimoje taip pat yra skirstymo į įvairias grupes, kurias apsvarstysime toliau ir nurodysime būdingus bruožus.

Cheminės savybės

Chemijos mokslo požiūriu visi metalai yra reduktoriai. Ir labai stiprus. Kuo mažiau elektronų išoriniame lygyje ir kuo didesnis atomo spindulys, tuo stipresnis metalas pagal nurodytą parametrą.

Dėl to metalai gali reaguoti su:

Tai tik bendra cheminių savybių apžvalga. Juk kiekvienai elementų grupei jie yra grynai individualūs.

šarminių žemių metalų

Bendrosios šarminių žemės metalų charakteristikos yra šios:

Taigi šarminių žemių metalai yra įprasti s šeimos elementai, pasižymintys dideliu cheminiu aktyvumu ir stiprūs reduktoriai bei svarbūs biologinių procesų organizme dalyviai.

šarminių metalų

Bendra charakteristika prasideda jų pavadinimu. Jie gavo jį už gebėjimą ištirpti vandenyje, sudarydami šarmus - šarminius hidroksidus. Reakcijos su vandeniu yra labai smarkios, kartais degios. Gamtoje šių medžiagų laisvos formos nėra, nes jų cheminis aktyvumas yra per didelis. Jie reaguoja su oru, vandens garais, nemetalais, rūgštimis, oksidais ir druskomis, tai yra, beveik su viskuo.

Taip yra dėl jų elektroninės struktūros. Išoriniame lygyje yra tik vienas elektronas, kurį jie lengvai atiduoda. Tai yra stipriausios redukuojančios medžiagos, todėl jų grynos formos gavimas užtruko gana ilgai. Pirmą kartą tai padarė Humphrey Davy jau XVIII amžiuje elektrolizuodamas natrio hidroksidą. Dabar visi šios grupės atstovai yra išgaunami šiuo metodu.

Bendra šarminių metalų savybė taip pat yra ta, kad jie sudaro pirmąją pagrindinio periodinės sistemos pogrupio grupę. Visi jie yra svarbūs elementai, sudarantys daug vertingų žmogaus naudojamų natūralių junginių.

Bendrosios d ir f šeimų metalų charakteristikos

Šiai elementų grupei priklauso visi tie, kurių oksidacijos būsena gali skirtis. Tai reiškia, kad, priklausomai nuo sąlygų, metalas gali veikti ir kaip oksidatorius, ir kaip reduktorius. Tokie elementai turi puikų gebėjimą įsitraukti į reakcijas. Tarp jų yra daug amfoterinių medžiagų.

Bendras visų šių atomų pavadinimas yra pereinamieji elementai. Jį gavo už tai, kad pagal savo savybes jie tikrai stovi tarsi per vidurį tarp tipiškų s-šeimos metalų ir p-šeimos nemetalų.

Bendra pereinamųjų metalų charakteristika reiškia jų panašių savybių žymėjimą. Jie yra šie:

didelis elektronų skaičius išoriniame lygyje;
didelis atominis spindulys;
keli oksidacijos laipsniai (nuo +3 iki +7);
yra d arba f polygyje;
sudaro 4-6 didelius sistemos periodus.

Šios grupės metalai, kaip paprastos medžiagos, yra labai stiprūs, plastiški ir lankstūs, todėl turi didelę pramoninę reikšmę.

Šoniniai periodinės sistemos pogrupiai

Antrinių pogrupių metalų bendrosios charakteristikos visiškai sutampa su pereinamųjų. Ir tai nenuostabu, nes iš tikrųjų tai yra lygiai tas pats. Tiesiog sistemos šoninius pogrupius sudaro būtent d ir f šeimų atstovai, tai yra pereinamieji metalai. Todėl galime sakyti, kad šios sąvokos yra sinonimai.

Aktyviausi ir svarbiausi iš jų – pirmoji 10-ies atstovų eilė nuo skandžio iki cinko. Visi jie turi didelę pramoninę reikšmę ir dažnai naudojami žmonių, ypač lydymui.

Lydiniai

Bendrosios metalų ir lydinių charakteristikos leidžia suprasti, kur ir kaip galima šias medžiagas panaudoti. Tokie junginiai per pastaruosius dešimtmečius patyrė didelių transformacijų, nes jų kokybei gerinti atrandama ir sintetinama vis daugiau naujų priedų.

Garsiausi šiandienos lydiniai yra:

Žalvaris;
duraliuminis;
ketaus;
plieno;
bronzos;
laimės;
nichromas ir kt.

Kas yra lydinys? Tai metalų mišinys, gaunamas lydant pastaruosius specialiuose krosnių įrenginiuose. Tai daroma siekiant gauti produktą, kuris savo savybėmis pranašesnis už jį sudarančias grynas medžiagas.

Metalų ir nemetalų savybių palyginimas

Jei kalbėsime apie bendras savybes, tai metalų ir nemetalų savybės skirsis vienu labai reikšmingu tašku: pastariesiems neįmanoma išskirti panašių savybių, nes jie labai skiriasi savo fizinėmis ir cheminėmis savybėmis. .

Todėl tokios charakteristikos nemetalams sukurti neįmanoma. Galima tik atskirai apsvarstyti kiekvienos grupės atstovus ir apibūdinti jų savybes.

Metalai yra labiausiai paplitusi medžiagų rūšis, kuria žmogus patenkina savo gyvybinius poreikius. Dabar žmonija gyvena metalų amžiuje ir visų pramonės šakų raida, mokslas, kultūra ir žmogaus gyvenimas neįsivaizduojami be mašinų, mechanizmų, instrumentų ir kitų metalo gaminių.

Žmogaus perėjimas nuo akmens naudojimo (akmens amžius) prie metalo buvo ilgas ir sudėtingas. Tai neįvyko dėl revoliucinio visuomenės raidos šuolio, tačiau metalai per ilgą laiką palaipsniui pateko į kasdienį žmogaus gyvenimą. Pirmasis metalas, patekęs į kasdienį gyvenimą, buvo varis, atvėręs metalurgijos erą ir padovanojęs pasauliui pirmąjį lydinį – bronzą. Archeologiniais duomenimis, pirmosios žinios apie vario lydymą siekia 6500-5700 metų. pr. Kr. Tai buvo materialinės kultūros pagrindas tūkstančius metų, o vario amžius pamažu perėjo į bronzos amžių.

Kitas metalurgijos etapas buvo geležies naudojimas (geležies amžius), o jo pradžia priskiriama antrajam tūkstantmečiui prieš Kristų. Grynos geležies ir jos lydinių gavimas tapo įmanomas dėka sukauptos patirties lydant varį, bronzą, auksą ir kitus žemo lydymosi metalus bei lydinius. Geležies gamybos plėtra buvo galingas postūmis gamybinių jėgų vystymuisi ir techninei pažangai. Senovėje žmogui buvo žinomi aštuoni metalai – varis, auksas, sidabras, alavas, švinas, geležis, gyvsidabris ir stibis. Iki XVIII amžiaus pabaigos. jų skaičius išaugo iki 20, o šiuo metu pagaminama ir naudojama apie 80 metalų.

Elementų gausa žemės plutoje skiriasi – nuo kelių procentų iki milijoninių dalių. Bendras dešimties labiausiai paplitusių elementų (deguonies – 47,00; silicio – 29,50; aliuminio – 8,05; geležies – 4,65, kalcio – 2,96; natrio – 2,50; kalio – 2,50; kalio – 2,50; magnio – 1,87; titano – 0,40,1; vandenilio) kiekis. sudaro 99,63% žemės plutos masės, o visi kiti elementai sudaro tik 0,37% visos žemės masės. Įspūdį apie kai kurių gerai žinomų metalų paplitimą žemės plutoje suteikia jų klarkų vertės, t.y. aritmetinis vidutinis kiekis žemės plutoje, kuris pateiktas žemiau (%):

Gamtoje rečiausi yra polonis ir aktinis, kurių klarkas yra arti 10–15 proc.

Techninę metalo reikšmę lemia jo paplitimas gamtoje, poreikiai šalies ūkyje ir jo gavimo galimybės. Paskutiniai du veiksniai lemia tam tikrų metalo rūšių gamybos mastą. Gaminant metalus, apie 95% produkcijos (apie 800 mln. tonų) sudaro ketus ir plienas, kurie yra geležies lydiniai su anglimi ir kitais legiruojančiais komponentais. Metinė pagrindinių spalvotųjų metalų produkcija yra lygi (milijonai tonų .): aliuminis 23–24; varis 10–11; nikelio 0,5–0,7; švinas 4–5; cinko 5–6; magnio 0,2–0,3; skarda 0,20–0,25; molibdenas 0,14–0,15; titano apie 0,1.

Metalų iš rūdų ir kitų metalų turinčių žaliavų gamybą vykdo metalurgija – didžiausia sunkiosios pramonės šaka. Metalurgija yra pagrindinė kasybos ir metalurgijos gamybos grandis, apimanti geologiją, kasybą, sodrinimą, pačią metalurgiją, liejyklų gamybą ir metalo apdirbimą įvairiais metodais (slėgiu, temperatūra, mechaniniais metodais ir kt.). Metalurgija remiasi cheminių technologijų principais, nes, įgyvendinant metalurginius procesus, apdirbamos medžiagos patiria įvairius fizinius ir cheminius virsmus. Todėl metalurgija yra glaudžiai susijusi su fizika, chemija, o ypač su fizikine chemija, kuri yra mokslinis teorinės ir praktinės metalurgijos pagrindas. Pastaraisiais metais ryšys tarp metalurgijos ir matematikos bei kompiuterinių technologijų stiprėja.

Rusijos metalurgijos pramonė šiuo metu gamina 78 D.I. periodinės lentelės elementus. Mendelejevas, taip pat įvairių rūšių trąšos, statybinės medžiagos, sieros rūgštis ir siera, cementas ir daugelis kitų rūšių produktų. Rusijos metalurgija yra labai išvystyta medžiagų gamybos šaka. Ypač svarbūs kasybos pramonės plėtrai Rusijoje buvo M. V. darbai. Lomonosovas, D.I. Mendelejevas, taip pat pagrindiniai juodųjų metalų gamybos specialistai P.P. Anosova, D.K. Černova, N.N. Beketova, I.P. Bardinas ir daugelis kitų. Neįkainojamą indėlį į vietinės spalvotosios metalurgijos plėtrą padarė A.A. Baikovas, NS. Kurnakovas, P.P. Fedotjevas, V.A. Vaniukovas, AI. Beliajevas, I F. Chudjakovas, AN Volskis ir kt.

Metalai, jų savybės ir klasifikacija

Dauguma metalų turi keletą savybių, kurios yra bendro pobūdžio ir skiriasi nuo kitų paprastų ar sudėtingų junginių savybių. Tokios savybės yra gana aukšta daugumos metalų lydymosi temperatūra, gebėjimas atspindėti šviesą, didelis šilumos ir elektros laidumas bei galimybė riedėti. Šios savybės paaiškinamos tuo, kad metaluose yra speciali jungtis - metalas.

Pagal padėtį periodinėje sistemoje metalo atomai turi nedaug valentinių elektronų ir daug tuščių orbitų. Be to, valentiniai elektronai yra gana silpnai surišti su savo branduoliais ir todėl turi didelę judėjimo laisvę metalo kristalinėje gardelėje. Bendras metalo būsenos vaizdas gali būti pateiktas tokia forma. Metalo kristalinės gardelės mazgus užima ir atskiri atomai, ir jonai, tarp kurių santykinai laisvai juda elektronai, kartais vadinami elektronų dujomis (1 pav.).

Ryžiai. 1 pav. Atomų, jonų ir elektronų išsidėstymo metalų kristalinėse gardelėse schema: 1 – atomai; 2 - jonai; 3 - elektronai

Kadangi valentiniai elektronai metaliniame kristale pasiskirstę beveik tolygiai, negalima kalbėti apie jokį metalinių ryšių kryptingumą. Tai yra svarbus jų skirtumas nuo kovalentinių ryšių, kurie turi griežtą orientaciją erdvėje. Metalinis ryšys nuo kovalentinio ryšio skiriasi ir savo stiprumu: jo energija 3–4 kartus mažesnė už kovalentinio ryšio energiją. Mobiliųjų elektronų buvimas metalo kristale paaiškina jiems būdingas savybes (elektros laidumą, šilumos laidumą).

Metalinis ryšys gali būti apibrėžtas kaip nekryptinė kovalentinė cheminė jungtis, kai atomai turi mažai valentinių elektronų, daug laisvų orbitų, o valentinių elektronų branduolys yra silpnai išlaikomas.

Taigi metalai yra cheminiai elementai, kurių kristalinės gardelės susideda iš atomų ir jonų, o elektronai laisvai juda erdvėje tarp branduolių. Ryšiai tarp atomų yra kovalentiniai, o tarp jonų ir elektronų yra metaliniai.

Atomai nuolat praranda elektronus, virsdami jonais, o pastarieji juos priima, tapdami atomais. Atsitiktinai kristalinėje gardelėje, kaip ir dujų molekulėse, klaidžiojančių elektronų skaičius skirtingiems metalams yra skirtingas, tai lemia metalinio ryšio proporciją ir elemento metališkumo matą.

Kristalinės gardelės sąvoka – „panardintas į laisvai klajojančių elektronų debesį“, – pirmą kartą išsakyta 1902 m., dabar papildyta ir įgavo šiek tiek pakeistą interpretaciją; tačiau net ir savo pradine supaprastinta forma jis gerai paaiškina didelį metalų elektros laidumą, šilumos laidumą ir terminę emisiją.

Abipusės traukos ir atstūmimo jėgos veikia kristalinės gardelės mazguose esančius atomus ir jonus. Jonų ir atomų virpesių amplitudės priklauso nuo temperatūros ir didėja kartu su ja. Lydymosi taške virpesių amplitudės tokios didelės, kad gardelė suardoma: atomai ir jonai praranda nuolatines vietas ir pereina į atsitiktinį judėjimą, būdingą skystai būsenai. Ryšys tarp jonų ir elektronų vadinamas metaliniu, o tarp atomų – kovalentiniu. Klajojančių elektronų skaičius priklauso nuo šių tipų cheminių ryšių santykio. Kuo didesnis šis skaičius, tuo ryškesnės elementų metalinės savybės.

Metalinės jungties stiprumas paaiškina daugelį fizinių ir mechaninių metalų savybių.

Išorinis mechaninis poveikis metalui sukelia kristalinės gardelės sluoksnių poslinkį, tačiau ryšys tarp jonų ir elektronų nepažeidžiamas dėl laisvo elektronų judėjimo. Dėl šios priežasties metalai yra tvirti ir plastiški, keičia formą, tačiau nepraranda stiprumo. Varyje ir aukse yra daug laisvųjų elektronų, metalinis ryšys vyrauja prieš kovalentinį ryšį – šie metalai yra plastikiniai, kalimo, mezgimo. Stibis ir bismutas turi palyginti nedaug laisvųjų elektronų, todėl yra trapūs.

Pateikiamos kai kurios dažniausiai pasitaikančių spalvotųjų metalų fizinės ir mechaninės savybės (1 lentelė).

1 lentelė

Elektros laidumas, dėl judėjimo „socializuotų“ elektronų kristalinės gardelės erdvėje, akivaizdžiai priklauso nuo jų judėjimo laisvės – teisingo atomų išsidėstymo, jų šiluminių virpesių amplitudės ir dažnio. Iš tiesų, kylant temperatūrai, didėja gardelės vietų svyravimų amplitudė, didėja elektronų sklaida, mažėja elektros laidumas; jis vėl didėja aušinant. Esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui, kai kurių metalų ir lydinių elektrinė varža tampa nykstančia. Labai žemos temperatūros poreikis vis dar trukdo praktiškai panaudoti šį vertingą ir įdomų reiškinį. Superlaidumas minus 253 °C temperatūroje, aptiktas XX amžiaus viduryje niobio, aliuminio ir germanio lydinyje, yra retas reiškinys. Kitas toks „aukštos temperatūros“ superlaidininkas – niobio ir galio lydinys.

Net ir mažų kitų elementų priemaišų buvimas mažina elektrinį laidumą: pažeidžiant tvarką gardelėje, jos išsklaido elektronus. Elektronus taip pat išsklaido atomai, pasislinkę dėl išorinio mechaninio poveikio – deformacijos kalimo, valcavimo ar kitokio panašaus apdorojimo metu.

Šilumos laidumas beveik visada kinta priklausomai nuo temperatūros, kaip ir elektros laidumas – elektrai laidiausi metalai gerai praleidžia šilumą, o tie, kurių elektrinė varža santykinai didelė, blogiau. Šilumos laidumas yra susijęs tiek su atomų virpesiais gardelėje, tiek su laisvųjų elektronų judėjimu. Atrodo, kad pastarasis yra vyraujantis.

Mechaninės savybės - atsparumas tempimui, gniuždymas, lenkimas, kietumas ir plastiškumas paaiškinamos ne tik metaliniu ryšiu, bet ir metalų kristalinės struktūros ypatumais, kurie dažniausiai turi glaudžiai supakuotas erdvines gardeles su dideliu koordinačių skaičiumi. Pavaizduoti tipiškiausi iš jų (2 pav.), kuriuos reikėtų suprasti tik kaip atomų centrų išsidėstymo diagramą. Iš tikrųjų atomai, paprastai vaizduojami kaip sferos, yra tankiai supakuoti ir užima tik 70% tūrio (žr. 2d, 1 pav.).

Ryžiai. 2. Tipinės metalų kristalinės gardelės ir struktūriniai defektai:
a – kubinė vario gardelė su centru (panaši į Au, Ag, Al, Pt ir kt.); b - kubinė kūno centre esanti volframo gardelė (panaši į Fe, K. Ba ir kt.); c – šešiakampė tanki magnio gardelė (panaši į Zn, Be ir kt.); d – konstrukciniai defektai: 1 – laisvos darbo vietos; 2 - tarpai, įskaitant priemaišą

Daugelis metalų yra tarpusavyje tirpūs skystoje arba kietoje būsenoje arba sudaro cheminius tarpmetalinius junginius, dėl kurių atsiranda kitos kristalinės sistemos, o savybės labai keičiasi. Kalbame apie lydinius, kurie atveria galimybes gauti naujų vertingų, ypatingų savybių turinčių medžiagų. Jau naudojami tūkstančiai dvejetainių, trinarių ir sudėtingesnių lydinių, kurie gaunami ne tik maišant skystus metalus, bet ir sukepinant miltelius ar ištirpinant bet kurį elementą kieto metalo (lydinio) paviršiniame sluoksnyje.

Gebėjimas elastingai ir plastiškai deformuotis, didelis elektros ir šilumos laidumas bei kai kurios kitos savybės sudaro savybių rinkinį, kuris nėra būdingas kitoms kietosioms medžiagoms - medžiui, akmeniui, plastikui. Tai paaiškina neabejotiną metalų ir lydinių pripažinimą svarbiausiomis šiuolaikinių technologijų medžiagomis.

M. V. Lomonosovas apibrėžė metalus kaip „... lengvus kūnus, kuriuos galima padirbti“. Šiais laikais, be to, kad tai papildo didelio elektros ir šilumos laidumo požymiais, reikia pažymėti, kad daugelis savybių priklauso nuo grynumo ir mechaninio apdorojimo. Tas pats metalas gali būti ir kalus, ir trapus. Tikruose kristaluose visada yra įvairių defektų, dėl kurių mechaninės ir kitos fizinės savybės negali būti siejamos tik su metalinio ryšio ir kristalinės gardelės ypatumais.

Taškiniai defektai – neužpildytos gardelės vietos, laisvos vietos (žr. 2 pav.), taip pat vietos, kurias užima priemaišų atomai – atsiranda kristalizacijos metu iš lydalo. Linijiniai ir plokšti defektai - dislokacijos taip pat gaunamos kristalizacijos metu arba dėl mechaninio apdorojimo nepilnų atomų sluoksnių arba jų tarpusavio poslinkio, o kartais ir persipynimo, pavidalu.

Bendras defektų skaičius 1 cm 2 metalo ar lydinio ploto dažnai viršija 10 6 . Taškiniai defektai daugiausia sumažina elektros ir šilumos laidumą, o kiti taip pat sumažina mechanines savybes.

Įprasti metalai ir lydiniai yra polikristaliniai, jie susideda iš atsitiktinai orientuotų grūdelių agregatų. kiekviename grūdelyje elementarūs kristalai turi vienodą orientaciją, o gretimuose grūduose – skirtingą, kartais išsidėstę dideliais kampais (3 pav.). Prie grūdų ribų kaupiasi nešvarumai ir susidaro dujų tuštumos. Be fizinių savybių sumažinimo, taip pat yra mažesnis atsparumas korozijai.

Ryžiai. 3. Metalo grūdelių ribos, išsidėsčiusios dideliais kampais

Galimybė perkelti kristalų sluoksnius dislokacijų kryptimis arba sulaužyti juos grūdelių ribose sumažina stiprumą. Stiprumas tam tikru mastu padidėja po atkaitinimo – kaitinimo ir lėto aušinimo, kai dėl difuzijos dalinai išnyksta išnirimai, grūdeliai smulkėja.

Apdirbimas kartais sukelia sukietėjimą, susijusį su išnirimų įsipainiojimu. Kita reikšmingo kietėjimo priežastis, kurią lydi sumažėjęs plastiškumas ir trapumas, yra susijusi su pašalinių netirpių fazių, pavyzdžiui, geležies karbido F 3 C pliene arba oksidų ir nitridų titane, volframe, molibdene, atsiradimu arba įvedimu. . Šių junginių grūdeliai neleidžia tarpusavyje pasislinkti metalo sluoksniams. Metalų išvalymas nuo priemaišų paprastai žymiai pagerina plastiškumą ir palengvina apdirbimą.

Skystieji metalai nuo kietųjų skiriasi santykinai nedideliu ryšiu tarp atomų ir jonų, tačiau ir čia išsaugoma elektronų judėjimo laisvė, todėl jie taip pat yra laidūs elektrai ir šilumai.

Tas pats metalas skirtingoje temperatūroje gali turėti skirtingas kristalines gardeles. Perėjimas iš vienos sistemos į kitą keičia atstumą tarp mazgų ir jų vietą, šis perėjimas reikšmingai įtakoja polimorfinių modifikacijų savybes. Pavyzdžiui, alavas, įprastoje temperatūroje žinomas kaip kalus, blizgus tetragoninės sistemos metalas, kurio tankis yra 7,29 g / cm 3 (β - modifikacija), esant žemesnei nei 13,2 ° C temperatūrai ir ypač greitai peršaldant, virsta pilka spalva. milteliai, kristalizuojasi į kubinę sistemą, kurios tankis yra 5,85 g / cm 3 (α - modifikacija). Panašios transformacijos būdingos ir daugeliui kitų elementų.

Metalų cheminį aktyvumą galima apibūdinti pagal padėtį elektrocheminėje įtampų serijoje, kur metalai yra išdėstyti normalių elektrocheminių arba elektrodų potencialų didėjimo tvarka. Kuo didesnė normalaus elektrodo potencialo algebrinė vertė, tuo mažesnis metalo redukcinis gebėjimas ir cheminis aktyvumas. Įtampos serijoje kiekvienas metalas gali išstumti metalus į dešinę nuo vandeninių tirpalų ir ištirpusių druskų.

Metalai, turintys neigiamą elektrocheminį potencialą, lengvai oksiduojasi, todėl gamtoje randami tik cheminių junginių pavidalu: oksidai, halogenidai, taip pat sulfidai, silikatai ir kitos druskos. Didėjant potencialui, taigi ir mažėjant cheminiam aktyvumui, laisva metalų būsena tampa vis stabilesnė. Pavyzdžiui, varis, sidabras ir gyvsidabris gamtoje randami ne tik druskų pavidalu, bet ir laisvos būsenos, o auksas ir platina – daugiausia laisvos būsenos. Rodomas ryšys tarp elektrodų potencialų ir kai kurių metalų savybių (2 lentelė).

Apibūdinant metalus kaip cheminius elementus, reikia pažymėti, kad D. I. Mendelejevo periodinė sistema jų aiškiai neatskiria nuo metaloidų ir nemetalų. Tai natūralu: kiekvienas elementas yra metalo ir metaloidinių savybių dielektrinė vienybė, kurios prieštaringumas nepašalinamas didėjant branduolio krūviui ir elektronų apvalkalų skaičiui.

Vandenilis, tauriosios dujos, halogenai, VI grupės elementai – deguonis, siera, selenas, telūras ir polonis, taip pat boras, anglis, azotas, silicis ir fosforas yra nesunkiai atpažįstami kaip akivaizdūs nemetalai. Visi jie nesuteikia metalams būdingų bazinių oksidų ir hidroksidų. Tačiau, be kitų elementų, kai kurie turi amfoterinių hidroksidų. Visų pirma, tokiuose iš pažiūros akivaizdžių metalų kaip cinkas ir aliuminis oksidai pasižymi ir rūgštinėmis, ir bazinėmis savybėmis.

Metalų kristalinės gardelės bendruoju atveju buvo aptartos aukščiau, o daugumos cheminių elementų atveju jos paprastai pateiktos lentelėje. 4. Tačiau kristalų struktūrų skirtumas taip pat neduoda pagrindo skirstyti mus dominančius elementus. Gyvsidabris ir bismutas, paprastai laikomi metalais, kristalizuojasi rombinėje sistemoje, kuri yra neįprasta daugeliui kitų metalų, o indis ir alavas kristalizuojasi tetragoninėje sistemoje.

Aiškiausią sąlyginę ribą tarp metalų ir metaloidų galima nubrėžti lyginant elektrinį laidumą arba jo grįžtamąją vertę – elektrinę savitąją varžą. Akivaizdaus metalo - nikelio elektrinė varža yra 6,8∙10-6 (Ohm∙cm), o anglies metaloido tik modifikuojant grafitą yra 1375∙10-6 (Ohm∙cm). ).

Sutelkiant dėmesį į šią savybę, 80 elementų turėtų būti priskirti metalams, o 23 – nemetalams ir metaloidams.

Be to, metalurgijos plotą apribojant elementais, sudarančius žemės plutą, francis, technetis, prometis, taip pat aktinidai, pradedant americiu, turėtų būti neįtraukti į aštuoniasdešimt, o galutinis metalų skaičius turėtų būti lygus. iki 68 (3 lentelė).

3 lentelė

Dėl žaliavų naudojimo sudėtingumo, taip pat plačiai paplitusios lydinių, dažnai įskaitant metaloidus, gamybos, susiformavo tradicijos, pagal kurias silicis, germanis, o kartais ir selenas bei telūras, išgaunami iš metalurgijos. žaliavos, kartais neteisingai priskiriamos metalams. Be to, chemijos pramonė gauna tipišką metalą natrį; tai rodo glaudų ryšį tarp chemijos ir metalurgijos. Anksčiau metalurgiją nuo chemijos technologijos skyrė vyraujantis lydalo naudojimas aukštoje temperatūroje, dabar ši savybė vis labiau nyksta: kartu su ugnies pirometalurgija didėja ir hidrometalurgijos, kuri iš rūdų išskiria metalus išplaunant vandeniniais reagentų tirpalais, svarba. , po to redukuojama elektrolizės arba cementavimo būdu.

Sorbcija, ekstrahavimas, nusodinimas, bendras nusodinimas ir kiti cheminio apdorojimo metodai naudojami kaip tarpiniai ištirpusių medžiagų atskyrimo ir koncentravimo etapai.

Intensyviausios industrializacijos laikotarpiu mūsų šalyje tradiciškai nusistovėjusi pramoninė metalų klasifikacija neturi aiškaus mokslinio pagrindo, tačiau plačiai naudojama techninėje literatūroje ir kasdieniame gyvenime. Pirmasis jos pagrindas, priimtas kai kuriose kitose šalyse, yra ryškus geležies ir kitų metalų gamybos masto skirtumas. Bendroje metalurgijos gaminių masėje geležies lydiniai užima apie 93 proc. Todėl yra „geležies metalai“ (geležis ir jos lydiniai – ketus ir plienas) ir kiti „negeležies“.

Mūsų šalyje tai atitinka sąlygiškai priimti juodųjų ir spalvotųjų metalų pavadinimai. Savo ruožtu spalvotieji metalai pagal kai kurias bendras charakteristikas skirstomi į keletą grupių ir pogrupių, nurodytų 3 ir 4 lentelėse.

Aukščiau pateiktoje klasifikacijoje nėra net grupių pavadinimų principo. Taigi praėjusio amžiaus pabaigoje aliuminis buvo laikomas retu metalu, o dabar pagal gamybą ir vartojimą užima pirmąją vietą tarp spalvotųjų metalų. Titano problema galutinai neišspręsta, nes kai kurie metalurgai jį priskiria ugniai atspariems retiesiems metalams, o kiti – lengviesiems metalams. Todėl skirtingi metalurgai, laikydamiesi skirtingų požiūrių, atskirus metalus priskiria skirtingoms grupėms.

Lengvai reaguojantys metalai vadinami aktyviaisiais metalais. Tai šarminiai, šarminių žemių metalai ir aliuminis.

Padėtis periodinėje lentelėje

Mendelejevo periodinėje lentelėje elementų metalinės savybės silpnėja iš kairės į dešinę. Todėl I ir II grupių elementai laikomi aktyviausiais.

Ryžiai. 1. Aktyvieji metalai periodinėje lentelėje.

Visi metalai yra reduktoriai ir lengvai išsiskiria su elektronais išoriniame energijos lygyje. Aktyvieji metalai turi tik vieną ar du valentinius elektronus. Šiuo atveju metalinės savybės sustiprėja iš viršaus į apačią, padidėjus energijos lygių skaičiui, nes. kuo toliau elektronas yra nuo atomo branduolio, tuo lengviau jis atsiskiria.

Šarminiai metalai laikomi aktyviausiais:

ličio;
natrio;
kalio;
rubidžio;
cezis;
francium.

Šarminių žemių metalai yra:

berilis;
magnio;
kalcio;
stroncis;
baris;
radžio.

Metalo aktyvumo laipsnį galite sužinoti pagal elektrocheminę metalo įtampų eilutę. Kuo elementas yra kairėje nuo vandenilio, tuo jis aktyvesnis. Dešinėje vandenilio pusėje esantys metalai yra neaktyvūs ir gali sąveikauti tik su koncentruotomis rūgštimis.

Ryžiai. 2. Metalų elektrocheminės įtampų eilės.

Chemijos veikliųjų metalų sąraše taip pat yra aliuminis, esantis III grupėje ir į kairę nuo vandenilio. Tačiau aliuminis yra ant aktyvių ir vidutinio aktyvumo metalų ribos ir normaliomis sąlygomis nereaguoja su tam tikromis medžiagomis.

Savybės

Aktyvieji metalai yra minkšti (galima pjauti peiliu), lengvi, žemos lydymosi temperatūros.

Pagrindinės metalų cheminės savybės pateiktos lentelėje.

Reakcija	Lygtis	Išimtis
Šarminiai metalai ore užsidega savaime, sąveikaudami su deguonimi	K + O 2 → KO 2	Litis reaguoja su deguonimi tik esant aukštai temperatūrai.
Šarminių žemių metalai ir aliuminis ore sudaro oksido plėveles ir kaitinant savaime užsidega.	2Ca + O 2 → 2CaO
Reaguokite su paprastomis medžiagomis, kad susidarytų druskos	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2Al + 3S → Al 2 S 3	Aliuminis nereaguoja su vandeniliu
Smarkiai reaguoja su vandeniu, susidaro šarmai ir vandenilis	- Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2	Reakcija su ličiu vyksta lėtai. Aliuminis reaguoja su vandeniu tik pašalinus oksido plėvelę.
Reaguoja su rūgštimis, kad susidarytų druskos	Ca + 2HCl → CaCl2 + H2; 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2
Reaguokite su druskos tirpalais, pirmiausia su vandeniu, o paskui su druska	2Na + CuCl2 + 2H2O: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl

Aktyvūs metalai lengvai reaguoja, todėl gamtoje randami tik mišiniuose – mineraluose, uolienose.

Ryžiai. 3. Mineralai ir grynieji metalai.

Ko mes išmokome?

Prie aktyvių metalų priskiriami I ir II grupių elementai – šarminiai ir šarminiai žemės metalai, taip pat aliuminis. Jų aktyvumą lemia atomo sandara – keli elektronai lengvai atsiskiria nuo išorinio energijos lygio. Tai minkšti lengvieji metalai, kurie greitai reaguoja su paprastomis ir sudėtingomis medžiagomis, sudarydami oksidus, hidroksidus, druskas. Aliuminis yra arčiau vandenilio ir jo reakcijai su medžiagomis reikalingos papildomos sąlygos – aukšta temperatūra, oksido plėvelės sunaikinimas.

Kelios mokslo disciplinos (medžiagų ir metalo mokslas, fizika, chemija) tiria metalų savybes ir charakteristikas. Yra visuotinai priimta klasifikacija. Tačiau kiekviena iš jų studijuojamų disciplinų remiasi specialiais specializuotais parametrais, kurie yra jos interesų srityje. Kita vertus, visi mokslai, tiriantys metalus ir lydinius, laikosi to paties požiūrio, kad yra dvi pagrindinės grupės: juodoji ir spalvotoji.

Metalų ženklai

Yra šios pagrindinės mechaninės savybės:

Kietumas – lemia vienos medžiagos gebėjimą atsispirti kitos, kietesnės, prasiskverbimui.
Nuovargis – tai ciklinių smūgių kiekis ir laikas, kurį medžiaga gali atlaikyti nepakeisdama vientisumo.
Jėga. Jį sudaro taip: jei taikote dinaminę, statinę ar kintamą apkrovą, tai nepakeis formos, struktūros ir matmenų, nepažeis vidinio ir išorinio metalo vientisumo.
Plastiškumas – tai gebėjimas išlaikyti vientisumą ir susidariusią formą deformacijos metu.
Elastingumas – tai deformacija nepažeidžiant vientisumo, veikiant tam tikroms jėgoms, o taip pat atsikračius apkrovos, galimybė grįžti į pradinę formą.
Atsparumas įtrūkimams – veikiant išorinėms medžiagoje esančioms jėgoms, jie nesusiformuoja, taip pat išlaikomas išorinis vientisumas.
Atsparumas dilimui – gebėjimas išlaikyti išorinį ir vidinį vientisumą ilgalaikės trinties metu.
Klampumas – vientisumo išlaikymas didėjant fiziniam krūviui.
Atsparumas karščiui – atsparumas dydžio, formos pokyčiams ir sunaikinimui veikiant aukštai temperatūrai.

Metalo klasifikacija

Metalams priskiriamos medžiagos, turinčios mechaninių, technologinių, eksploatacinių, fizinių ir cheminių charakteristikų savybių derinį:

mechaniniai patvirtina gebėjimą atsispirti deformacijai ir sunaikinimui;
technologiniai liudija apie gebėjimą atlikti įvairius apdorojimo būdus;
eksploatacinės atspindi pakeitimo pobūdį eksploatacijos metu;
cheminių medžiagų sąveika su įvairiomis medžiagomis;
fiziniai rodo, kaip medžiaga elgiasi skirtinguose laukuose – šiluminiame, elektromagnetiniame, gravitaciniame.

Pagal metalų klasifikavimo sistemą visos esamos medžiagos skirstomos į dvi tūrio grupes: juodąsias ir spalvotąsias. Technologinės ir mechaninės savybės taip pat glaudžiai susijusios. Pavyzdžiui, metalo stiprumas gali būti tinkamo apdorojimo rezultatas. Šiems tikslams naudojamas vadinamasis grūdinimas ir „senėjimas“.

Cheminės, fizinės ir mechaninės savybės yra glaudžiai tarpusavyje susijusios, nes medžiagos sudėtis lemia visus kitus jos parametrus. Pavyzdžiui, ugniai atsparūs metalai yra stipriausi. Savybės, kurios pasireiškia ramybės būsenoje, vadinamos fizinėmis, o veikiant išoriniam poveikiui – mechaninėmis. Taip pat yra lentelės, skirtos metalams klasifikuoti pagal tankį – pagrindinį komponentą, gamybos technologiją, lydymosi temperatūrą ir kt.

Juodieji metalai

Šiai grupei priklausančios medžiagos pasižymi tomis pačiomis savybėmis: įspūdingas tankis, aukšta lydymosi temperatūra ir tamsiai pilka spalva. Pirmajai didelei juodųjų metalų grupei priklauso:

Spalvotieji metalai

Antroji pagal dydį grupė turi mažą tankį, gerą plastiškumą, žemą lydymosi temperatūrą, vyraujančias spalvas (balta, geltona, raudona) ir susideda iš šių metalų:

Plaučiai – magnis, stroncis, cezis, kalcis. Gamtoje jie randami tik stipriuose junginiuose. Jie naudojami įvairiems tikslams lengviesiems lydiniams gauti.
Kilnus. Metalų pavyzdžiai: platina, auksas, sidabras. Jie yra labai atsparūs korozijai.
Lydieji – kadmis, gyvsidabris, alavas, cinkas. Jie turi žemą lydymosi temperatūrą, dalyvauja įvairių lydinių gamyboje.

Mažas spalvotųjų metalų stiprumas neleidžia jų naudoti gryna forma, todėl pramonėje jie naudojami lydinių pavidalu.

Varis ir vario lydiniai

Gryna forma turi rausvai raudoną spalvą, mažą varžą, mažą tankį, gerą šilumos laidumą, puikų lankstumą ir atsparumą korozijai. Jis plačiai naudojamas kaip elektros srovės laidininkas. Techninėms reikmėms naudojami dviejų tipų vario lydiniai: žalvaris (varis su cinku) ir bronzos (varis su aliuminiu, alavu, nikeliu ir kitais metalais). Žalvaris naudojamas lakštų, juostų, vamzdžių, laidų, jungiamųjų detalių, įvorių, guolių gamybai. Iš bronzos gaminamos plokščios ir apvalios spyruoklės, membranos, įvairios jungiamosios detalės, sliekinės pavaros.

Aliuminis ir lydiniai

Šis labai lengvas sidabriškai baltos spalvos metalas pasižymi dideliu atsparumu korozijai. Jis turi gerą elektros laidumą ir lankstumą. Dėl savo savybių jis buvo pritaikytas maisto, lengvosios ir elektros pramonėje, taip pat orlaivių konstrukcijoje. Aliuminio lydiniai labai dažnai naudojami mechaninėje inžinerijoje svarbių dalių gamybai.

Magnis, titanas ir jų lydiniai

Magnis yra atsparus korozijai, tačiau techninėms reikmėms nenaudojamas lengvesnis metalas. Iš esmės jis dedamas į lydinius su kitomis medžiagomis: cinku, manganu, aliuminiu, kurie puikiai pjaustomi ir yra gana tvirti. Kamerų, įvairių prietaisų ir variklių korpusai gaminami iš lydinių su lengvojo metalo magniu. Titanas buvo pritaikytas raketų pramonėje, taip pat chemijos pramonės mechaninėje inžinerijoje. Titano turintys lydiniai turi mažą tankį, puikias mechanines savybes ir atsparumą korozijai. Jie puikiai tinka gydyti spaudimu.

Antifrikciniai lydiniai

Tokie lydiniai skirti padidinti trinties paviršių tarnavimo laiką. Juose derinamos šios metalo savybės – geras šilumos laidumas, žema lydymosi temperatūra, mikroporingumas, mažas trinties koeficientas. Antifrikciniai lydiniai apima lydinius iš švino, aliuminio, vario arba alavo. Dažniausiai naudojami yra:

babbitt. Jis pagamintas iš švino ir alavo. Naudojamas guolių korpusų, veikiančių dideliu greičiu ir smūgio apkrovomis, gamyboje;
aliuminio lydiniai;
bronzos;
kermetinės medžiagos;
ketaus.

minkštieji metalai

Pagal metalų klasifikavimo sistemą tai yra auksas, varis, sidabras, aliuminis, tačiau tarp minkštiausių yra cezis, natris, kalis, rubidis ir kt. Auksas yra labai išsklaidytas gamtoje. Jis randamas jūros vandenyje, žmogaus kūne, taip pat jo galima rasti beveik bet kuriame granito gabale. Gryna forma auksas yra geltonas su raudonu atspalviu, nes metalas yra minkštas – jį galima subraižyti net nagu. Aplinkos įtakoje auksas greitai subyra. Šis metalas yra nepakeičiamas elektros kontaktams. Nepaisant to, kad sidabro yra dvidešimt kartų daugiau nei aukso, jis taip pat yra retas.

Jis naudojamas indų, papuošalų gamybai. Lengvojo metalo natris taip pat plačiai paplito ir yra paklausus beveik visose pramonės šakose, įskaitant chemijos pramonę trąšų ir antiseptikų gamybai.

Metalas yra gyvsidabris, nors yra skystos būsenos, todėl laikomas vienu minkštiausių pasaulyje. Ši medžiaga naudojama gynybos ir chemijos pramonėje, žemės ūkyje ir elektrotechnikoje.

kietieji metalai

Gamtoje kiečiausių metalų praktiškai nėra, todėl juos išgauti labai sunku. Daugeliu atvejų jie randami nukritusiuose meteorituose. Chromas priklauso ugniai atspariems metalams ir yra kiečiausias iš gryniausių mūsų planetoje, be to, lengvai apdirbamas.

Volframas yra cheminis elementas. Jis laikomas sunkiausiu, palyginti su kitais metalais. Turi itin aukštą lydymosi temperatūrą. Nepaisant kietumo, iš jo galima nukalti bet kokias norimas detales. Dėl savo atsparumo karščiui ir lankstumo tai tinkamiausia medžiaga smulkių elementų, naudojamų šviestuvuose, lydymui. Ugniai atsparus metalas volframas yra pagrindinė sunkiųjų lydinių medžiaga.

Metalai energijoje

Metalai, kuriuose yra laisvųjų elektronų ir teigiamų jonų, laikomi gerais laidininkais. Tai gana populiari medžiaga, pasižyminti plastiškumu, dideliu elektros laidumu ir galimybe lengvai paaukoti elektronus.

Iš jų gaminami maitinimo, radijo dažnių ir specialūs laidai, elektros instaliacijos detalės, mašinos, buitinė technika. Metalų naudojimo kabelių gaminių gamyboje lyderiai yra:

švinas – didesniam atsparumui korozijai;
varis - dėl didelio elektros laidumo, lengvo apdorojimo, atsparumo korozijai ir pakankamo mechaninio stiprumo;
aliuminis - mažas svoris, atsparumas vibracijai, stiprumas ir lydymosi temperatūra.

Juodųjų antrinių metalų kategorijos

Juodųjų metalų atliekoms keliami tam tikri reikalavimai. Norint siųsti lydinius į plienines krosnis, reikės atlikti tam tikras apdorojimo operacijas. Prieš pateikdami paraišką dėl atliekų vežimo, turite susipažinti su juodųjų metalų GOST, kad nustatytumėte jo kainą. Juodasis antrinis laužas skirstomas į plieną ir ketų. Jei kompozicijoje yra legiruojančių priedų, ji priskiriama "B" kategorijai. „A“ kategorijai priklauso anglis: plienas, ketus, priedai.

Metalurgai ir liejyklų darbuotojai dėl ribotos pirminių žaliavų bazės aktyviai domisi antrinėmis žaliavomis. Juodųjų metalų laužo naudojimas vietoj metalo rūdos yra išteklių ir energijos taupymo sprendimas. Antrinis juodasis metalas naudojamas kaip konverterio lydymo aušintuvas.

Metalų pritaikymo spektras yra neįtikėtinai platus. Juoda ir spalvota neribotai naudojamos statybų ir mašinų pramonėje. Neapsieita be spalvotųjų metalų ir energetikos pramonėje. Papuošalams gaminti naudojami reti ir brangūs. Tiek spalvotieji, tiek juodieji metalai naudojami mene ir medicinoje. Be jų neįmanoma įsivaizduoti žmogaus gyvenimo – nuo namų apyvokos daiktų iki unikalių instrumentų ir aparatų.