Najwięcej metali pod względem właściwości. Pełna lista metali znanych nauce

Pierwszym materiałem, którego ludzie nauczyli się używać do swoich potrzeb, jest kamień. Jednak później, gdy człowiek zdał sobie sprawę z właściwości metali, kamień cofnął się daleko. To właśnie te substancje i ich stopy stały się najważniejszym i głównym materiałem w rękach ludzi. Wykonywano z nich artykuły gospodarstwa domowego, narzędzia pracy, budowano pomieszczenia. Dlatego w tym artykule zastanowimy się, jakie są metale, których ogólna charakterystyka, właściwości i zastosowanie są tak istotne do dziś. Rzeczywiście, dosłownie zaraz po epoce kamiennej pojawiła się cała galaktyka metali: miedź, brąz i żelazo.

Metale: ogólna charakterystyka

Co łączy wszystkich przedstawicieli tych prostych substancji? Jest to oczywiście budowa ich sieci krystalicznej, rodzaje wiązań chemicznych oraz cechy budowy elektronowej atomu. Wszakże stąd charakterystyczne właściwości fizyczne leżące u podstaw używania tych materiałów przez ludzi.

Przede wszystkim rozważ metale jako pierwiastki chemiczne układu okresowego. W nim znajdują się dość swobodnie, zajmując 95 komórek ze 115 znanych dzisiaj.Istnieje kilka cech ich lokalizacji w ogólnym systemie:

Tworzą główne podgrupy grup I i II, a także III, począwszy od aluminium.
Wszystkie podgrupy boczne składają się wyłącznie z metali.
Znajdują się one poniżej warunkowej przekątnej od boru do astatyny.

Na podstawie takich danych łatwo zauważyć, że niemetale gromadzą się w prawej górnej części układu, a reszta przestrzeni to pierwiastki, które rozważamy.

Wszystkie mają kilka cech struktury elektronowej atomu:

Ogólna charakterystyka metali i niemetali umożliwia identyfikację wzorców w ich strukturze. Tak więc sieć krystaliczna pierwszego jest metaliczna, wyjątkowa. Jego węzły zawierają jednocześnie kilka rodzajów cząstek:

jony;
atomy;
elektrony.

Wewnątrz gromadzi się wspólna chmura, zwana gazem elektronowym, która wyjaśnia wszystkie właściwości fizyczne tych substancji. Rodzaj wiązania chemicznego w metalach ma taką samą nazwę jak one.

Właściwości fizyczne

Istnieje szereg parametrów, które łączą wszystkie metale. Ich ogólna charakterystyka pod względem właściwości fizycznych jest następująca.

Wymienione parametry to ogólna charakterystyka metali, czyli wszystko, co łączy je w jedną dużą rodzinę. Należy jednak rozumieć, że od każdej reguły są wyjątki. Ponadto elementów tego rodzaju jest zbyt wiele. Dlatego w obrębie samej rodziny istnieją również podziały na różne grupy, które rozważymy poniżej i dla których wskażemy cechy charakterystyczne.

Właściwości chemiczne

Z punktu widzenia nauki chemii wszystkie metale są środkami redukującymi. I bardzo silny. Im mniej elektronów na poziomie zewnętrznym i im większy promień atomowy, tym silniejszy metal zgodnie z określonym parametrem.

W rezultacie metale mogą reagować z:

To tylko ogólny przegląd właściwości chemicznych. W końcu dla każdej grupy elementów są one czysto indywidualne.

metale ziem alkalicznych

Ogólna charakterystyka metali ziem alkalicznych jest następująca:

Zatem metale ziem alkalicznych są powszechnymi pierwiastkami z rodziny s, wykazującymi wysoką aktywność chemiczną i silnymi reduktorami oraz ważnymi uczestnikami procesów biologicznych zachodzących w organizmie.

metale alkaliczne

Ogólna charakterystyka zaczyna się od ich nazwy. Otrzymali go za zdolność rozpuszczania się w wodzie, tworząc alkalia - żrące wodorotlenki. Reakcje z wodą są bardzo gwałtowne, czasem palne. Substancje te nie występują w naturze w postaci wolnej, ponieważ ich aktywność chemiczna jest zbyt wysoka. Reagują z powietrzem, parą wodną, niemetalami, kwasami, tlenkami i solami, czyli prawie ze wszystkim.

Wynika to z ich budowy elektronicznej. Na poziomie zewnętrznym jest tylko jeden elektron, który łatwo oddają. Są to najsilniejsze środki redukujące, dlatego też uzyskanie ich w czystej postaci zajęło dość dużo czasu. Po raz pierwszy dokonał tego Humphrey Davy już w XVIII wieku przez elektrolizę wodorotlenku sodu. Teraz wszyscy przedstawiciele tej grupy są wydobywani tą metodą.

Ogólną cechą metali alkalicznych jest również to, że stanowią one pierwszą grupę głównej podgrupy układu okresowego. Wszystkie one są ważnymi pierwiastkami tworzącymi wiele cennych naturalnych związków wykorzystywanych przez człowieka.

Ogólna charakterystyka metali rodzin d i f

Ta grupa pierwiastków obejmuje wszystkie te, których stopień utlenienia może się zmieniać. Oznacza to, że w zależności od warunków metal może działać zarówno jako środek utleniający, jak i redukujący. Takie pierwiastki mają dużą zdolność do wchodzenia w reakcje. Wśród nich jest duża liczba substancji amfoterycznych.

Wspólna nazwa wszystkich tych atomów to pierwiastki przejściowe. Otrzymali je za to, że pod względem właściwości plasują się niejako pośrodku między typowymi metalami z rodziny s a niemetalami z rodziny p.

Ogólna charakterystyka metali przejściowych implikuje oznaczenie ich podobnych właściwości. Są to:

duża liczba elektronów na poziomie zewnętrznym;
duży promień atomowy;
kilka stopni utlenienia (od +3 do +7);
znajdują się na podpoziomie d lub f;
tworzą 4-6 dużych okresów systemu.

Jako proste substancje metale z tej grupy są bardzo mocne, ciągliwe i ciągliwe, dlatego mają duże znaczenie przemysłowe.

Podgrupy boczne układu okresowego

Ogólna charakterystyka metali podgrup drugorzędowych całkowicie pokrywa się z charakterystyką metali przejściowych. I nie jest to zaskakujące, ponieważ w rzeczywistości jest to dokładnie to samo. Tyle, że boczne podgrupy układu tworzą właśnie przedstawiciele rodzin d i f, czyli metali przejściowych. Dlatego możemy powiedzieć, że te pojęcia są synonimami.

Najbardziej aktywni i ważni z nich to pierwszy rząd 10 przedstawicieli od skandu do cynku. Wszystkie mają duże znaczenie przemysłowe i są często wykorzystywane przez człowieka, zwłaszcza do wytapiania.

Stopy

Ogólna charakterystyka metali i stopów pozwala zrozumieć, gdzie i jak można wykorzystać te substancje. Takie związki przeszły wielkie przemiany w ostatnich dziesięcioleciach, ponieważ odkrywa się i syntetyzuje coraz więcej nowych dodatków poprawiających ich jakość.

Najbardziej znane dziś stopy to:

mosiądz;
duraluminium;
żeliwo;
stal;
brązowy;
wygra;
nichrom i inne.

Co to jest stop? Jest to mieszanina metali uzyskana przez wytapianie tych ostatnich w specjalnych urządzeniach piecowych. Odbywa się to w celu uzyskania produktu, który ma lepsze właściwości niż czyste substancje, które go tworzą.

Porównanie właściwości metali i niemetali

Jeśli mówimy o ogólnych właściwościach, to właściwości metali i niemetali będą się różnić w jednym bardzo istotnym punkcie: w przypadku tych ostatnich nie można wyróżnić podobnych cech, ponieważ różnią się one znacznie pod względem przejawianych właściwości, zarówno fizycznych, jak i chemicznych.

Dlatego niemożliwe jest stworzenie takiej charakterystyki dla niemetali. Możliwe jest jedynie osobne rozważenie przedstawicieli każdej grupy i opisanie ich właściwości.

Metale są najczęstszym rodzajem materiałów, za pomocą których człowiek zaspokaja swoje potrzeby życiowe. Obecnie ludzkość żyje w epoce metali, a rozwój wszelkich gałęzi przemysłu, nauki, kultury i życia ludzkiego jest nie do pomyślenia bez maszyn, mechanizmów, przyrządów i innych wyrobów metalowych.

Przejście człowieka od używania kamienia (epoka kamienia łupanego) do metalu było długie i złożone. Nie nastąpiło to w wyniku rewolucyjnego skoku w rozwoju społeczeństwa, ale metale stopniowo i przez długi czas wkraczały w codzienne życie człowieka. Pierwszym metalem, który wszedł w życie codzienne była miedź, która otworzyła erę metalurgii i dała światu pierwszy stop – brąz. Według danych archeologicznych pierwsze informacje o wytopie miedzi pochodzą z 6500-5700 lat. PNE. Przez tysiące lat stanowiła podstawę kultury materialnej, a epoka miedzi stopniowo przechodziła w epokę brązu.

Kolejnym etapem w metalurgii było wykorzystanie żelaza (epoka żelaza), a jego początek przypisuje się II tysiącleciu pne. Uzyskanie czystego żelaza i jego stopów stało się możliwe dzięki zgromadzonemu doświadczeniu w wytapianiu miedzi, brązu, złota oraz innych metali i stopów o niskiej temperaturze topnienia. Rozwój produkcji żelaza był potężnym bodźcem do rozwoju sił wytwórczych i postępu technicznego. W starożytności człowiek znał osiem metali - miedź, złoto, srebro, cynę, ołów, żelazo, rtęć i antymon. Do końca XVIIIw. ich liczba wzrosła do 20, a obecnie produkuje się i wykorzystuje około 80 metali.

Obfitość pierwiastków w skorupie ziemskiej jest różna – od kilku procent do milionowych. Całkowita zawartość dziesięciu najczęstszych pierwiastków (tlen - 47,00; krzem - 29,50; glin - 8,05; żelazo - 4,65, wapń - 2,96; sód - 2,50; potas - 2,50; magnez - 1,87; tytan - 0,45; wodór - 0,15) wynosi 99,63% masy skorupy ziemskiej, a wszystkie inne pierwiastki stanowią tylko 0,3 7% całkowitej masy Ziemi. Wyobrażenie o rozpowszechnieniu w skorupie ziemskiej niektórych dobrze znanych metali dają wartości ich clarków, tj. średnie arytmetyczne zawartości w skorupie ziemskiej, które podano poniżej (%):

Najrzadsze w przyrodzie są polon i aktyn, których clarke jest bliski 10–15%.

O znaczeniu technicznym metalu decyduje jego rozpowszechnienie w przyrodzie, potrzeby gospodarki narodowej oraz możliwości produkcyjne jego pozyskiwania. Dwa ostatnie czynniki determinują skalę produkcji niektórych rodzajów metali. W produkcji metali około 95% produkcji (około 800 mln ton) stanowi żeliwo i stal, które są stopami żelaza z węglem i innymi składnikami stopowymi. Roczna produkcja głównych metali nieżelaznych kształtuje się na poziomie (mln ton .): aluminium 23–24; miedź 10–11; nikiel 0,5–0,7; prowadzenie 4–5; cynk 5–6; magnez 0,2–0,3; cyna 0,20–0,25; molibden 0,14–0,15; tytan około 0,1.

Wytwarzaniem metali z rud i innych rodzajów surowców zawierających metale zajmuje się metalurgia, największa gałąź przemysłu ciężkiego. Metalurgia jest centralnym ogniwem w górnictwie i produkcji metalurgicznej, w tym geologii, górnictwie, wzbogacaniu, samej metalurgii, produkcji odlewniczej i obróbce metali różnymi metodami (ciśnieniowymi, temperaturowymi, metodami mechanicznymi itp.). Metalurgia opiera się na zasadach technologii chemicznych, ponieważ podczas realizacji procesów metalurgicznych przetwarzane materiały podlegają różnym przemianom fizycznym i chemicznym. Dlatego metalurgia jest ściśle związana z fizyką, chemią, a zwłaszcza z chemią fizyczną, która jest naukową podstawą metalurgii teoretycznej i praktycznej. W ostatnich latach wzrasta związek między metalurgią a matematyką i technologią komputerową.

Przemysł metalurgiczny Rosji produkuje obecnie 78 elementów układu okresowego D.I. Mendelejewa, a także różnego rodzaju nawozy, materiały budowlane, kwas siarkowy i siarka, cement i wiele innych rodzajów produktów. Metalurgia rosyjska jest wysoko rozwiniętą gałęzią produkcji materiałów. Szczególne znaczenie dla rozwoju przemysłu wydobywczego w Rosji miały prace M.V. Łomonosow, D.I. Mendelejewa, a także głównych specjalistów w produkcji metali żelaznych P.P. Anosova, D.K. Chernova, NN Beketova, I.P. Bardina i wielu innych. Nieoceniony wkład w rozwój krajowego metalurgii metali nieżelaznych wniósł A.A. Bajkow, NS. Kurnakow, P.P. Fiedotiew, V.A. Waniukow, AI. Belyaev, I F. Chudyakov, AN Volsky i inni.

Metale, ich właściwości i klasyfikacja

Większość metali ma szereg właściwości, które mają charakter ogólny i różnią się od właściwości innych prostych lub złożonych związków. Takie właściwości to stosunkowo wysokie temperatury topnienia większości metali, zdolność odbijania światła, wysoka przewodność cieplna i elektryczna oraz zdolność do toczenia. Cechy te tłumaczy się istnieniem w metalach specjalnego rodzaju wiązania - metalicznego.

Zgodnie z położeniem w układzie okresowym atomy metali mają niewielką liczbę elektronów walencyjnych i wiele pustych orbit. Ponadto elektrony walencyjne są raczej słabo związane ze swoimi jądrami i dlatego mają dużą swobodę ruchu w sieci krystalicznej metalu. Ogólny obraz stanu metalicznego można przedstawić w następującej postaci. Węzły sieci krystalicznej metalu zajęte są zarówno przez pojedyncze atomy, jak i jony, pomiędzy którymi względnie swobodnie poruszają się elektrony, nazywane czasem gazem elektronowym (rys. 1).

Ryż. Rys. 1. Schemat ułożenia atomów, jonów i elektronów w sieciach krystalicznych metali: 1 – atomy; 2 - jony; 3 - elektrony

Ponieważ elektrony walencyjne są rozłożone prawie równomiernie w krysztale metalu, nie można mówić o jakiejkolwiek kierunkowości wiązań metalicznych. Jest to ich istotna różnica w stosunku do wiązań kowalencyjnych, które mają ścisłą orientację w przestrzeni. Wiązanie metaliczne różni się od wiązania kowalencyjnego także siłą: jego energia jest 3–4 razy mniejsza niż energia wiązania kowalencyjnego. Istnienie ruchomych elektronów w krysztale metalu wyjaśnia ich charakterystyczne cechy (przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne).

Wiązanie metaliczne można zdefiniować jako rodzaj bezkierunkowego kowalencyjnego wiązania chemicznego, gdy atomy mają niewiele elektronów walencyjnych, wiele wolnych orbit, a elektrony walencyjne są słabo zatrzymywane przez jądro

Zatem metale są pierwiastkami chemicznymi, których sieci krystaliczne składają się z atomów i jonów, a elektrony poruszają się swobodnie w przestrzeni między jądrami. Wiązania między atomami są kowalencyjne, między jonami i elektronami są metaliczne.

Atomy nieustannie tracą elektrony, zamieniając się w jony, a te ostatnie przyjmują je, stając się atomami. Liczba elektronów błądzących losowo w sieci krystalicznej, podobnie jak molekuły gazu, jest różna dla różnych metali, decyduje o proporcji wiązania metalicznego i miary metaliczności pierwiastka.

Pojęcie sieci krystalicznej – „zanurzonej w chmurze swobodnie wędrujących elektronów” – po raz pierwszy wyrażone w 1902 r., zostało obecnie uzupełnione i uzyskało nieco zmodyfikowaną interpretację; jednak nawet w swojej pierwotnej uproszczonej formie dobrze wyjaśnia wysoką przewodność elektryczną, przewodność cieplną i emisję termionową metali.

Siły wzajemnego przyciągania i odpychania działają na atomy i jony w węzłach sieci krystalicznej. Amplitudy drgań jonów i atomów zależą od temperatury i wraz z nią rosną. W temperaturze topnienia amplitudy oscylacji są tak duże, że sieć ulega zniszczeniu: atomy i jony tracą swoje stałe miejsca i przechodzą w ruch losowy, który jest charakterystyczny dla stanu ciekłego. Wiązanie między jonami i elektronami nazywa się metalicznym, a między atomami - kowalencyjnym. Liczba wędrujących elektronów zależy od stosunku tego typu wiązań chemicznych. Im większa ta liczba, tym wyraźniejsze są właściwości metaliczne pierwiastków.

Siła wiązania metalicznego wyjaśnia wiele fizycznych i mechanicznych właściwości metali.

Zewnętrzne oddziaływania mechaniczne na metal powodują przesunięcie warstw sieci krystalicznej, jednak wiązanie między jonami i elektronami nie zostaje naruszone ze względu na swobodną ruchliwość elektronów. Z tego powodu metale są mocne i plastyczne, zmieniają kształt, ale nie tracą wytrzymałości. W miedzi i złocie jest dużo wolnych elektronów, wiązanie metaliczne przeważa nad wiązaniem kowalencyjnym - te metale są plastyczne, kute, dziewiarskie. Antymon i bizmut mają stosunkowo mało wolnych elektronów, więc są kruche.

Podano niektóre właściwości fizyczne i mechaniczne najpowszechniejszych metali nieżelaznych (Tabela 1).

Tabela 1

Przewodnictwo elektryczne, wynikające z ruchu w przestrzeni sieci krystalicznej "uspołecznionych" elektronów, zależy oczywiście od swobody ich ruchu - prawidłowego ułożenia atomów, amplitudy i częstotliwości ich drgań termicznych. Rzeczywiście, wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda oscylacji miejsc sieci, zwiększa się rozpraszanie elektronów, a przewodnictwo elektryczne maleje; wzrasta ponownie wraz z chłodzeniem. W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu opór elektryczny niektórych metali i stopów staje się znikomo mały. Konieczność utrzymywania bardzo niskich temperatur wciąż utrudnia praktyczne wykorzystanie tego cennego i interesującego zjawiska. Nadprzewodnictwo w temperaturze minus 253°C, odkryte w połowie XX wieku w stopie niobu, aluminium i germanu, jest zjawiskiem rzadkim. Innym takim nadprzewodnikiem „wysokotemperaturowym” jest stop niobu i galu.

Obecność nawet niewielkich zanieczyszczeń innymi pierwiastkami zmniejsza przewodnictwo elektryczne: zaburzając porządek w siatce, rozpraszają elektrony. Elektrony są również rozpraszane przez atomy przemieszczone w wyniku zewnętrznego działania mechanicznego - odkształcenia przez kucie, walcowanie lub inną podobną obróbkę.

Przewodność cieplna prawie zawsze zmienia się wraz z temperaturą, podobnie jak przewodność elektryczna - metale o największej przewodności elektrycznej dobrze przewodzą ciepło, a te o stosunkowo wysokim oporze elektrycznym gorzej. Przewodnictwo cieplne jest związane zarówno z drganiami atomów w sieci, jak i z ruchem swobodnych elektronów. Wydaje się, że to drugie przeważa.

Właściwości mechaniczne - wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, zginanie, twardość i plastyczność tłumaczy się nie tylko wiązaniem metalicznym, ale także cechami struktury krystalicznej metali, które w większości mają ściśle upakowane sieci przestrzenne o dużej liczbie współrzędnych. Pokazano najbardziej typowe z nich (ryc. 2), które należy rozumieć jedynie jako schemat rozmieszczenia centrów atomowych. W rzeczywistości atomy konwencjonalnie reprezentowane jako kule są gęsto upakowane i zajmują tylko 70% objętości (patrz ryc. 2d, 1).

Ryż. 2. Typowe sieci krystaliczne metali i defekty strukturalne:
a – sześcienna centrowana sieć miedziana (podobna do Au, Ag, Al, Pt itp.); b - sześcienna sieć wolframowa skoncentrowana na ciele (podobna do Fe, K. Ba itp.); c – heksagonalna gęsta sieć magnezowa (podobna do Zn, Be itp.); d – wady strukturalne: 1 – wakaty; 2 - szczeliny, w tym domieszka

Wiele metali rozpuszcza się wzajemnie w stanie ciekłym lub stałym lub tworzy między sobą chemiczne związki międzymetaliczne, w wyniku czego powstają inne układy krystaliczne i zmieniają się szeroko właściwości. Mówimy o stopach, które otwierają pole do pozyskiwania nowych cennych materiałów o specjalnych właściwościach. Stosowanych jest już tysiące stopów dwuskładnikowych, trójskładnikowych i bardziej złożonych, które otrzymuje się nie tylko przez mieszanie ciekłych metali, ale także przez spiekanie proszków lub rozpuszczanie dowolnego pierwiastka w warstwie powierzchniowej litego metalu (stopu).

Zdolność do odkształceń sprężystych i plastycznych, wysoka przewodność elektryczna i cieplna oraz niektóre inne cechy składają się na zestaw właściwości, który nie występuje w innych ciałach stałych - drewnie, kamieniu, tworzywach sztucznych. Tym tłumaczy się niezaprzeczalne uznanie metali i stopów za najważniejsze materiały współczesnej techniki.

MV Łomonosow zdefiniował metale jako „… lekkie ciała, które można wykuć”. W dzisiejszych czasach, oprócz uzupełnienia tego o oznaki wysokiej przewodności elektrycznej i cieplnej, należy zauważyć, że wiele właściwości zależy od czystości i obróbki mechanicznej. Ten sam metal może być zarówno plastyczny, jak i kruchy. W prawdziwych kryształach zawsze występują różne defekty, przez co mechaniczne i inne właściwości fizyczne nie mogą być przypisane tylko cechom wiązania metalicznego i sieci krystalicznej.

Podczas krystalizacji ze stopu pojawiają się defekty punktowe – niewypełnione miejsca sieciowe, luki (patrz ryc. 2), a także miejsca zajęte przez atomy zanieczyszczeń. Defekty liniowe i płaskie – dyslokacje powstają również podczas krystalizacji lub w wyniku obróbki mechanicznej w postaci niepełnych warstw atomów lub ich wzajemnego przemieszczania się, a niekiedy przeplatania.

Łączna liczba defektów na 1 cm2 powierzchni metalu lub stopu często przekracza 10 6 . Wady punktowe zmniejszają głównie przewodność elektryczną i cieplną, podczas gdy inne zmniejszają również właściwości mechaniczne.

Zwykłe metale i stopy są polikrystaliczne, składają się z przypadkowo zorientowanych agregatów ziaren. w każdym ziarnku kryształy elementarne mają taką samą orientację, natomiast w sąsiednich ziarnach mają inną orientację, czasem usytuowaną pod dużymi kątami (ryc. 3). Zanieczyszczenia gromadzą się na granicach ziaren i tworzą się puste przestrzenie gazowe. Oprócz obniżenia właściwości fizycznych występuje również mniejsza odporność na korozję.

Ryż. 3. Granice ziaren metalu położone pod dużymi kątami

Możliwość przesuwania warstw kryształów wzdłuż kierunków dyslokacji lub łamania ich na granicach ziaren zmniejsza wytrzymałość. Wytrzymałość w pewnym stopniu wzrasta po wyżarzaniu - nagrzewaniu i powolnym chłodzeniu, gdy w wyniku dyfuzji dyslokacje są częściowo eliminowane, a ziarna stają się drobniejsze.

Obróbka skrawaniem powoduje niekiedy stwardnienie związane ze splątaniem dyslokacji. Inna przyczyna znacznego utwardzenia, któremu towarzyszy spadek ciągliwości i pojawienie się kruchości, wiąże się z pojawieniem się lub wprowadzeniem obcych faz nierozpuszczalnych, na przykład węglika żelaza F 3 C w stali lub tlenków i azotków w tytanie, wolframie, molibdenie. Ziarna tych związków zapobiegają wzajemnemu przemieszczaniu się warstw metalu. Oczyszczanie metali z zanieczyszczeń zazwyczaj znacznie poprawia plastyczność i ułatwia obróbkę.

Ciekłe metale różnią się od metali stałych stosunkowo niewielkimi wiązaniami między atomami i jonami, ale i tutaj zachowana jest swoboda ruchu elektronów, dlatego też przewodzą one prąd i ciepło.

Ten sam metal w różnych temperaturach może mieć różne sieci krystaliczne. Przejście z jednego układu do drugiego zmienia odległość między węzłami i ich położenie, przejście to znacząco wpływa na właściwości modyfikacji polimorficznych. Na przykład cyna, znana w zwykłych temperaturach jako plastyczny błyszczący metal układu tetragonalnego o gęstości 7,29 g/cm3 (β - modyfikacja), w temperaturach poniżej 13,2°C, a zwłaszcza przy gwałtownym przechłodzeniu, zamienia się w szary proszek krystalizujący w układzie sześciennym o gęstości 5,85 g/cm3 (α - modyfikacja). Podobne przekształcenia są charakterystyczne dla wielu innych pierwiastków.

Aktywność chemiczną metali można scharakteryzować na podstawie pozycji w elektrochemicznym szeregu napięć, w której metale są ułożone w kolejności rosnących normalnych potencjałów elektrochemicznych lub elektrodowych. Im większa wartość algebraiczna normalnego potencjału elektrody, tym mniejsza zdolność redukcyjna i aktywność chemiczna metalu. W szeregu napięć każdy metal jest w stanie wyprzeć metale znajdujące się na prawo od niego z roztworów wodnych i stopionej soli.

Metale o ujemnym potencjale elektrochemicznym łatwo ulegają utlenianiu, dlatego w przyrodzie występują tylko w postaci związków chemicznych: tlenków, halogenków, a także siarczków, krzemianów i innych soli. Wraz ze wzrostem potencjału, a co za tym idzie spadkiem aktywności chemicznej, stan wolny metali staje się coraz bardziej stabilny. Na przykład miedź, srebro i rtęć występują w przyrodzie nie tylko w postaci soli, ale także w stanie wolnym, podczas gdy złoto i platyna występują głównie w stanie wolnym. Pokazano zależność między potencjałami elektrod a niektórymi właściwościami metali (tab. 2).

Charakteryzując metale jako pierwiastki chemiczne, należy zauważyć, że układ okresowy D. I. Mendelejewa nie odróżnia ich wyraźnie od metaloidów i niemetali. Jest to naturalne: każdy pierwiastek jest jednością dielektryczną o właściwościach metalicznych i metaloidalnych, których sprzeczny charakter nie jest eliminowany wraz ze wzrostem ładunku jądrowego i liczby powłok elektronowych.

Wodór, gazy szlachetne, halogeny, pierwiastki grupy VI - tlen, siarka, selen, tellur i polon, a także bor, węgiel, azot, krzem i fosfor są łatwo rozpoznawalne jako oczywiste niemetale. Wszystkie z nich nie dają podstawowych tlenków i wodorotlenków charakterystycznych dla metali. Jednak wśród innych pierwiastków niektóre mają amfoteryczne wodorotlenki. W szczególności w tak pozornie oczywistych metalach, jak cynk i aluminium, tlenki wykazują zarówno właściwości kwasowe, jak i zasadowe.

Sieci krystaliczne metali w ogólnym przypadku omówiono powyżej, a dla większości pierwiastków chemicznych są one konwencjonalnie pokazane w tabeli. 4. Jednak różnica w budowie kryształów również nie daje podstaw do podziału interesujących nas pierwiastków. Rtęć i bizmut, zwykle uważane za metale, krystalizują w układzie rombowym, co jest niezwykłe w przypadku większości innych metali, podczas gdy ind i cyna krystalizują w układzie tetragonalnym.

Najbardziej wyraźną warunkową granicę między metalami i metaloidami można wyznaczyć, porównując przewodnictwo elektryczne lub jego odwrotność, opór elektryczny. Dla oczywistego metalu - niklu, rezystywność elektryczna wynosi 6,8∙10 -6 (Ohm∙cm), a dla metaloidu węglowego tylko w modyfikacji grafitu wynosi 1375∙10 -6 (Ohm∙cm ).

Koncentrując się na tej funkcji, 80 pierwiastków należy przypisać metalom, a 23 niemetalom i metaloidom.

Ponadto, ograniczając obszar metalurgii do pierwiastków tworzących skorupę ziemską, franka, technetu, prometu, a także aktynowców, począwszy od ameryku, należy wykluczyć z osiemdziesięciu, a ostateczną liczbę metali należy określić na 68 (tabela 3).

Tabela 3

W związku z dążeniem do złożoności wykorzystania surowców, a także powszechną produkcją stopów, często zawierających metaloidy, wykształciły się tradycje, według których krzem, german, a czasem także selen i tellur, które wydobywa się z surowców hutniczych, są niekiedy błędnie klasyfikowane jako metale. Wraz z tym przemysł chemiczny otrzymuje typowy metal, sód; pokazuje to ścisły związek między chemią a metalurgią. Wcześniej metalurgię odróżniało od technologii chemicznej dominujące stosowanie wytopów w wysokich temperaturach, obecnie ta cecha jest coraz bardziej zatracana: wraz z pirometalurgią ogniową wzrasta znaczenie hydrometalurgii, która wydobywa metale z rud przez ługowanie wodnymi roztworami reagentów, a następnie redukcję przez elektrolizę lub cementację.

Sorpcja, ekstrakcja, wytrącanie, współstrącanie i inne metody obróbki chemicznej są stosowane jako etapy pośrednie do rozdzielania i zatężania substancji rozpuszczonych.

Klasyfikacja przemysłowa metali, tradycyjnie ustanowiona w naszym kraju w okresie najbardziej intensywnej industrializacji, nie ma jasnych podstaw naukowych, ale jest szeroko stosowana w literaturze technicznej i życiu codziennym. Jego pierwszą podstawą, akceptowaną w niektórych innych krajach, jest wyraźna różnica w skali produkcji żelaza i innych metali. W całkowitej masie wyrobów hutniczych stopy żelaza zajmują około 93%. Istnieją więc „metale żelazne” (żelazo i jego stopy – żeliwo i stal) oraz inne „nieżelazne”.

W naszym kraju odpowiadają temu warunkowo przyjęte nazwy metali żelaznych i nieżelaznych. Z kolei metale nieżelazne są podzielone według pewnych wspólnych cech na szereg grup i podgrup wymienionych w tabelach 3 i 4.

W powyższej klasyfikacji nie ma nawet zasady nazw grup. Tak więc pod koniec ubiegłego wieku aluminium było uważane za rzadki metal, a teraz zajmuje pierwsze miejsce wśród metali nieżelaznych pod względem produkcji i zużycia. Problem tytanu nie został ostatecznie rozwiązany, ponieważ niektórzy metalurdzy przypisują go ogniotrwałym metalom rzadkim, podczas gdy inni metalom lekkim. Dlatego różni metalurdzy, wyznający różne punkty widzenia, przypisują poszczególne metale do różnych grup.

Metale, które łatwo reagują, nazywane są metalami aktywnymi. Należą do nich metale alkaliczne, metale ziem alkalicznych i aluminium.

Pozycja w układzie okresowym

Metaliczne właściwości pierwiastków słabną od lewej do prawej w układzie okresowym Mendelejewa. Dlatego elementy z grup I i II są uważane za najbardziej aktywne.

Ryż. 1. Metale aktywne w układzie okresowym.

Wszystkie metale są środkami redukującymi i łatwo rozstają się z elektronami na poziomie energii zewnętrznej. Aktywne metale mają tylko jeden lub dwa elektrony walencyjne. W tym przypadku właściwości metaliczne są poprawiane od góry do dołu wraz ze wzrostem liczby poziomów energetycznych, ponieważ. im dalej elektron znajduje się od jądra atomu, tym łatwiej jest mu się oddzielić.

Metale alkaliczne są uważane za najbardziej aktywne:

lit;
sód;
potas;
rubid;
cez;
frank.

Metale ziem alkalicznych to:

beryl;
magnez;
wapń;
stront;
bar;
rad.

Stopień aktywności metalu można znaleźć na podstawie serii elektrochemicznych napięć metalu. Im bardziej na lewo od wodoru znajduje się pierwiastek, tym bardziej jest aktywny. Metale na prawo od wodoru są nieaktywne i mogą wchodzić w interakcje tylko ze stężonymi kwasami.

Ryż. 2. Szeregi elektrochemiczne napięć metali.

Na liście metali aktywnych w chemii znajduje się również aluminium, znajdujące się w grupie III i na lewo od wodoru. Jednak aluminium znajduje się na pograniczu metali aktywnych i średnio aktywnych iw normalnych warunkach nie reaguje z niektórymi substancjami.

Nieruchomości

Aktywne metale są miękkie (można je ciąć nożem), lekkie i mają niską temperaturę topnienia.

Główne właściwości chemiczne metali przedstawiono w tabeli.

Reakcja	Równanie	Wyjątek
Metale alkaliczne zapalają się samorzutnie w powietrzu, wchodząc w interakcję z tlenem	K + O 2 → KO 2	Lit reaguje z tlenem tylko w wysokich temperaturach.
Metale ziem alkalicznych i aluminium tworzą warstwy tlenków w powietrzu i samorzutnie zapalają się po podgrzaniu.	2Ca + O2 → 2CaO
Reaguj z prostymi substancjami, tworząc sole	Ca + Br2 → CaBr2; - 2Al + 3S → Al 2 S 3	Aluminium nie reaguje z wodorem
Reaguje gwałtownie z wodą, tworząc zasady i wodór	- Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2	Reakcja z litem przebiega powoli. Aluminium reaguje z wodą dopiero po usunięciu warstwy tlenku.
Reaguj z kwasami tworząc sole	Ca + 2HCl → CaCl2 + H2; 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2
Reaguj z roztworami soli, najpierw reagując z wodą, a następnie z solą	2Na + CuCl2 + 2H2O: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; - 2NaOH + CuCl2 → Cu(OH)2 ↓ + 2NaCl

Aktywne metale łatwo reagują, dlatego w naturze występują tylko w mieszaninach - minerałach, skałach.

Ryż. 3. Minerały i czyste metale.

Czego się nauczyliśmy?

Metale aktywne obejmują pierwiastki z grupy I i II - metale alkaliczne i ziem alkalicznych, a także aluminium. Ich aktywność wynika z budowy atomu - kilka elektronów łatwo oddziela się od zewnętrznego poziomu energetycznego. Są to miękkie metale lekkie, które szybko reagują z substancjami prostymi i złożonymi, tworząc tlenki, wodorotlenki, sole. Aluminium jest bliższe wodorowi, a jego reakcja z substancjami wymaga dodatkowych warunków - wysokich temperatur, zniszczenia filmu tlenkowego.

Kilka dyscyplin naukowych (nauka o materiałach i metalach, fizyka, chemia) bada właściwości i właściwości metali. Istnieje ogólnie przyjęta klasyfikacja. Jednak każda z dyscyplin w ich badaniu opiera się na specjalnych specjalistycznych parametrach, które znajdują się w obszarze jej zainteresowań. Z drugiej strony wszystkie nauki zajmujące się metalami i stopami wyznają ten sam punkt widzenia, że istnieją dwie główne grupy: czarne i nieżelazne.

Znaki metali

Istnieją następujące główne właściwości mechaniczne:

Twardość - określa zdolność jednego materiału do przeciwstawienia się penetracji innego, twardszego.
Zmęczenie to ilość i czas cyklicznych uderzeń, które materiał może wytrzymać bez zmiany jego integralności.
Wytrzymałość. Składa się z następujących elementów: jeśli zastosujesz obciążenie dynamiczne, statyczne lub przemienne, nie doprowadzi to do zmiany kształtu, struktury i wymiarów, naruszenia wewnętrznej i zewnętrznej integralności metalu.
Plastyczność to zdolność do zachowania integralności i powstałego kształtu podczas odkształcania.
Elastyczność to odkształcenie bez zerwania integralności pod wpływem określonych sił, a także po pozbyciu się obciążenia zdolność powrotu do pierwotnego kształtu.
Odporność na pęknięcia - pod wpływem działania sił zewnętrznych w materiale nie powstają, a także zachowana jest integralność zewnętrzna.
Odporność na zużycie - zdolność do zachowania integralności zewnętrznej i wewnętrznej podczas długotrwałego tarcia.
Lepkość - zachowanie integralności przy rosnącym obciążeniu fizycznym.
Odporność na ciepło - odporność na zmianę rozmiaru, kształtu i zniszczenie pod wpływem wysokich temperatur.

Klasyfikacja metali

Metale obejmują materiały, które mają kombinację właściwości mechanicznych, technologicznych, operacyjnych, fizycznych i chemicznych:

mechaniczne potwierdzają odporność na odkształcenia i zniszczenia;
technologiczne świadczą o zdolności do różnych rodzajów obróbki;
operacyjne odzwierciedlają charakter zmiany podczas pracy;
chemiczne pokazują interakcje z różnymi substancjami;
fizyczne wskazują, jak materiał zachowuje się w różnych polach - termicznym, elektromagnetycznym, grawitacyjnym.

Zgodnie z systemem klasyfikacji metali wszystkie istniejące materiały są podzielone na dwie grupy objętościowe: czarną i nieżelazną. Właściwości technologiczne i mechaniczne są również ściśle ze sobą powiązane. Na przykład wytrzymałość metalu może być wynikiem odpowiedniej obróbki. Do tych celów stosuje się tak zwane hartowanie i „starzenie”.

Właściwości chemiczne, fizyczne i mechaniczne są ze sobą ściśle powiązane, ponieważ skład materiału determinuje wszystkie inne jego parametry. Na przykład metale ogniotrwałe są najsilniejsze. Właściwości, które przejawiają się w spoczynku, nazywane są fizycznymi, a pod wpływem zewnętrznym - mechanicznymi. Istnieją również tabele klasyfikacji metali według gęstości - głównego składnika, technologii wytwarzania, temperatury topnienia i innych.

Czarne metale

Materiały należące do tej grupy mają takie same właściwości: imponującą gęstość, wysoką temperaturę topnienia i ciemnoszary kolor. Do pierwszej dużej grupy metali żelaznych należą:

Metale nieżelazne

Druga co do wielkości grupa ma niską gęstość, dobrą ciągliwość, niską temperaturę topnienia, dominujące kolory (biały, żółty, czerwony) i składa się z następujących metali:

Płuca - magnez, stront, cez, wapń. W naturze występują tylko w silnych związkach. Służą do otrzymywania stopów lekkich o różnym przeznaczeniu.
Szlachetny. Przykłady metali: platyna, złoto, srebro. Charakteryzują się wysoką odpornością na korozję.
Topliwy - kadm, rtęć, cyna, cynk. Mają niską temperaturę topnienia, biorą udział w produkcji różnych stopów.

Niska wytrzymałość metali nieżelaznych nie pozwala na ich stosowanie w czystej postaci, dlatego są stosowane w przemyśle w postaci stopów.

Miedź i stopy miedzi

W czystej postaci ma różowo-czerwony kolor, niską rezystywność, niską gęstość, dobrą przewodność cieplną, doskonałą plastyczność i odporność na korozję. Jest szeroko stosowany jako przewodnik prądu elektrycznego. Dla potrzeb technicznych stosuje się dwa rodzaje stopów miedzi: mosiądz (miedź z cynkiem) i brąz (miedź z aluminium, cyną, niklem i innymi metalami). Mosiądz jest używany do produkcji blach, taśm, rur, drutów, kształtek, tulei, łożysk. Z brązu wykonane są sprężyny płaskie i okrągłe, membrany, różne okucia, przekładnie ślimakowe.

Aluminium i stopy

Ten bardzo lekki metal o srebrzystobiałej barwie odznacza się wysoką odpornością na korozję. Ma dobrą przewodność elektryczną i plastyczność. Ze względu na swoje właściwości znalazł zastosowanie w przemyśle spożywczym, lekkim i elektrycznym, a także w budowie samolotów. Stopy aluminium są bardzo często stosowane w inżynierii mechanicznej do produkcji krytycznych części.

Magnez, tytan i ich stopy

Magnez jest odporny na korozję, ale nie ma lżejszego metalu używanego do celów technicznych. Zasadniczo dodaje się go do stopów z innymi materiałami: cynkiem, manganem, aluminium, które są doskonale cięte i dość mocne. Korpusy aparatów, różne instrumenty i silniki są wykonane ze stopów metali lekkich z magnezem. Tytan znalazł zastosowanie w przemyśle rakietowym, a także w inżynierii mechanicznej dla przemysłu chemicznego. Stopy zawierające tytan mają niską gęstość, doskonałe właściwości mechaniczne i odporność na korozję. Dobrze nadają się do leczenia ciśnieniowego.

Stopy przeciwcierne

Takie stopy mają na celu zwiększenie żywotności powierzchni ciernych. Łączą w sobie następujące cechy metalu - dobrą przewodność cieplną, niską temperaturę topnienia, mikroporowatość, niski współczynnik tarcia. Stopy przeciwcierne obejmują stopy na bazie ołowiu, aluminium, miedzi lub cyny. Do najczęściej używanych należą:

kołtun. Wykonany jest z ołowiu i cyny. Stosowany do produkcji panewek łożysk pracujących przy dużych prędkościach i obciążeniach udarowych;
stopy aluminium;
brązowy;
materiały cermetalowe;
żeliwo.

miękkie metale

Zgodnie z systemem klasyfikacji metali są to złoto, miedź, srebro, aluminium, ale wśród najbardziej miękkich są cez, sód, potas, rubid i inne. Złoto jest bardzo rozproszone w przyrodzie. Występuje w wodzie morskiej, ludzkim ciele, a także można go znaleźć w prawie każdym kawałku granitu. W czystej postaci złoto jest żółte z nutą czerwieni, ponieważ metal jest miękki - można go zarysować nawet paznokciem. Pod wpływem otoczenia złoto szybko się psuje. Ten metal jest niezbędny do styków elektrycznych. Pomimo faktu, że srebro jest dwadzieścia razy droższe niż złoto, jest również rzadkie.

Służy do produkcji naczyń, biżuterii. Rozpowszechnił się również sód metalu lekkiego, który jest poszukiwany w prawie każdej gałęzi przemysłu, w tym w przemyśle chemicznym do produkcji nawozów i środków antyseptycznych.

Metal to rtęć, chociaż jest w stanie ciekłym, dlatego jest uważany za jeden z najdelikatniejszych na świecie. Materiał ten znajduje zastosowanie w przemyśle obronnym, chemicznym, rolnictwie i elektrotechnice.

twarde metale

W naturze praktycznie nie ma najtwardszych metali, więc bardzo trudno jest je wydobyć. W większości przypadków znajdują się one w upadłych meteorytach. Chrom należy do metali ogniotrwałych i jest najtwardszym z najczystszych na naszej planecie, ponadto jest łatwy w obróbce.

Wolfram jest pierwiastkiem chemicznym. Jest uważany za najtwardszy w porównaniu z innymi metalami. Ma wyjątkowo wysoką temperaturę topnienia. Pomimo swojej twardości można z niego wykuć dowolne detale. Ze względu na swoją odporność na ciepło i elastyczność jest najbardziej odpowiednim materiałem do wytapiania drobnych elementów stosowanych w oprawach oświetleniowych. Ogniotrwały wolfram jest główną substancją stopów ciężkich.

Metale w energetyce

Metale zawierające wolne elektrony i jony dodatnie są uważane za dobre przewodniki. Jest to dość popularny materiał, charakteryzujący się plastycznością, wysoką przewodnością elektryczną oraz zdolnością do łatwego oddawania elektronów.

Wykonywane są z nich przewody zasilające, radiowe i specjalne, części instalacji elektrycznych, maszyn i sprzętu AGD. Liderami w wykorzystaniu metali do produkcji wyrobów kablowych są:

ołów - dla większej odporności na korozję;
miedź - dla wysokiej przewodności elektrycznej, łatwości obróbki, odporności na korozję i wystarczającej wytrzymałości mechanicznej;
aluminium - zapewniające niską wagę, odporność na wibracje, wytrzymałość i temperaturę topnienia.

Kategorie wtórnych metali żelaznych

Istnieją pewne wymagania dotyczące odpadów metali żelaznych. Aby wysłać stopy do pieców stalowniczych, wymagane będą pewne operacje przetwarzania. Przed złożeniem wniosku o transport odpadów należy zapoznać się z GOST metali żelaznych, aby określić jego koszt. Czarny złom wtórny dzieli się na stal i żeliwo. Jeśli w kompozycji występują dodatki stopowe, wówczas jest ona klasyfikowana jako kategoria „B”. Kategoria „A” obejmuje węgiel: stal, żeliwo, dodatki.

Hutnicy i odlewnicy ze względu na ograniczoną bazę surowcową wykazują żywe zainteresowanie surowcami wtórnymi. Wykorzystanie złomu żelaznego zamiast rudy metali jest rozwiązaniem oszczędzającym zasoby i energię. Wtórny metal żelazny jest używany jako chłodnica do wytapiania konwertora.

Zakres zastosowań metali jest niezwykle szeroki. Czarne i kolorowe mają nieograniczone zastosowanie w przemyśle budowlanym i maszynowym. Nie obejdzie się bez metali nieżelaznych iw energetyce. Rzadkie i cenne są używane do wyrobu biżuterii. Zarówno metale nieżelazne, jak i żelazne są wykorzystywane w sztuce i medycynie. Bez nich nie można sobie wyobrazić życia człowieka, od artykułów gospodarstwa domowego po unikalne instrumenty i aparaturę.