новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
тендеры / аналитика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы
chill-out
расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты / книги
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас

реклама на сайте
контакты
Магазин химических реактивов
поиск

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Металлы


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Металлы (от греч. metallon-первоначально, шахта, копи), вещества, обладающие в обычных условиях характерными, металлическими, свойствами-высокими электрической проводимостью и теплопроводностью. отрицательным температурным коэффициентом электрической проводимости, способностью хорошо отражать световые волны (блеск), пластичностью. К металлы относятся как собственно металлы (простые вещества), так и их сплавы, металлические соединения, в том числе интерметаллиды. Иногда металлами называют все вещества, обладающие теми или иными металлическими свойствами, например так называемые "синтетические" металлы, металлы органические.

Ранее характерными признаками металлов считались блеск, пластичность и ковкость - "светлое тело, которое ковать можно" (М.В. Ломоносов). Но металлическим блеском обладают и некоторые неметаллы, например иод. Известны хрупкие металлы, хотя многие из них в результате тщательной очистки получены в пластичном состоянии. В настоящее время важнейшим признаком металлы признается отрицательный температурный коэффициент электрической проводимости, то есть понижение электрической проводимости с ростом температуры. Из 109 элементов в периодической системе 86 относят к металлам. Граница между металлами и неметаллами в периодической таблице (в ее длинном варианте) проводится по диагонали от В до At. О некоторых элементах, например Ge, Sb, нет единого мнения, все же правильнее считать Ge неметаллом, так как он обладает полупроводниковыми свойствами, a Sb-металлом, хотя по физическим свойствам сурьма -полуметалл.

Олово существует как в металлической (b-Sn), в полупроводниковой (a-Sn) модификации. С др. стороны, у Ge, Si, P и некоторых других неметаллов при высоких давлениях обнаружены модификации с металлической проводимостью. Можно предположить, что при достаточно высоких давлениях все вещества могут приобретать металлические свойства. Поэтому вопрос об отнесении того или иного элемента к металлам следует, по-видимому, решать на основании рассмотрения не только физ. свойств простого вещества, но и его химических свойств. Иногда для элементов, лежащих на границе между металлами и неметаллами, применяют термин "полуметаллы", хотя этот термин в химии теперь не рекомендуется.

В металлах существует металлическая связь, характеризующаяся тем, что кристаллическая решетка образована положительными ионами, тогда как валентные электроны делокализованы по всему пространству решетки. Металлы можно представить в виде остова из положительных ионов, погруженного в "электронный газ", который компенсирует силы взаимного отталкивания положительных ионов. Энергия этих делокализованных электронов-электронов проводимости - отвечает зоне проводимости. Согласно зонной теории, у металлов отсутствует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости.

В кристаллах металлы атомы ионизированы лишь частично и часть валентных электронов остается связанной, в результате возможно появление частично ковалентных связей между соседними атомами. Прочность связи в кристаллической структуре металлы характеризуется энтальпией атомизации, которая меняется от 61,4 кДж/моль у Hg до 850 кДж/моль у W. Максимальная энтальпия атомизации характерна для металлы рядов Nb-Ru и Hf-Ir. Относящиеся к ним металлы отличаются максимальными температурами плавления и высокой механической прочностью.

Классификация металловВсе металлы делятся на четыре группы: s-металлы (все s-элементы, кроме Н и Не), р-металлы (элементы грeggs IIIа, кроме В, а также Sn, Рb, Sb, Bi, Ро), d-M. и f-металлы, которые объединяются под названием "переходных". Металлы первых двух групп иногда называют "простыми". Из этих групп выделяются некоторые более узкие группы: из s-металлы- щелочные металлы и щелочноземельные элементы. из d-M.- платиновые металлы. Группа редкоземельных элементов включает как d-, так и f-металлы (подгруппа Sc и лантаноиды).

Существует также, хотя и не общепринятая, техническая классификация металлов. В известной мере она перекликается с геохимическими классификациями элементов. Обычно выделяют следующие группы: черные металлы (Fe); тяжелые цветные металлы-Сu, Pb, Zn, Ni и Sn (к этой группе примыкают так называемые малые, или младшие, металлы-Со, Sb, Bi, Hg, Cd, некоторые из них иногда относят к редким металлам); легкие металлы (с плотностью менее 5 г/см3)-Аl, Mg, Ca и т.д.; драгоценные металлы - Au, Ag и платиновые металлы; легирующие (или ферросплавные) металлы - Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и др.; редкие металлы, разбиваемые в свою очередь на несколько групп; радиоактивные металлы - U, Th, Pu и другие

Кристаллическая структура. Большинство металлов кристаллизуется в одном из трех структурных типов, а именно - в кубической и гексагoнальной плотнейших упаковках или в объемноцентрированной кубической решетке. В плотнейших упаковках каждый атом на равных расстояниях имеет 12 ближайших соседей. В объемноцентрированной кубической решетке у каждого атома 8 равноудаленных соседей, еще 6 соседей расположены на большем (на 15%) расстоянии. Поэтому координационное число в этой структуре считают равным 14 (8 + 6). Межатомные расстояния в кристаллической структуре металлы характеризуются металлическим радиусом.

При обычных условиях щелочные металлы, а также Ва, Ra, элементы подгрупп V и Сr кристаллизуются в объемно-центрированной кубической решетке типа a-Fe. Плотнейшая кубическая упаковка (гранецентрированная кубическая решетка) типа Си характерна для Al, Ni, металлов подгруппы Сu, платиновых металлы (кроме Ru и Os) и т. д. В гексагoнальной плотнейшей упаковке типа Mg кристаллизуются Be, Са, Sr, Zn, Cd, Co, Ru, Os, элементы подгрупп Ti и Sc, многие РЗЭ. Более сложными являются структуры различных модификаций Мn, Ра, U, трансурановых элементов.

Многие металлы претерпевают при изменении температуры или давления полиморфные превращения. Металлы, которые при низких температурах образуют плотнейшие упаковки, например Са, La, Zr, часто имеют высокотемпературные модификации с объемноцентрированной кубической структурой.

При плавлении металлы сохраняют свои электрические, тепловые и оптические свойства. Вблизи температуры плавления в жидких металлах наблюдается примерно такой же ближний порядок, как и в кристаллическом. Металлы с повышением температуры ближний порядок нарушается вплоть до полного разупорядочения.

Физические свойства. Физические свойства металлы меняются в очень широких пределах. Так, температура плавления изменяется от - 38,87 °С (Hg) до 3380 °С (W), плотность - от 0,531 г/см3 (Li) до 22,5 г/см3 (Os). Удельное электрическое сопротивление р при 25 °С имеет значения от 1,63 (Ag) до 140 (Мn) мкОм.см. Сопротивление движению электронов (рассеяние электронов) возникает вследствие нарушения кристаллической решетки из-за теплового движения атомов, а также дефектов (вакансий, дислокаций, примесных атомов). Мерой его является длина свободного пробега электрона. При комнатной температуре она равна ~ 10-6 см у металлов обычной чистоты и ~ 10-2 см у высокочистых. Температурный коэффициент р (в интервале 0-100°С) меняется в пределах 1,0.10-3 (Hg)-9,0.10-3 К-1 (Be). При гелиевых температурах (4,2 К) р практически не зависит от температуры (rост). Его измерение используют для характеристики чистоты и совершенства кристаллов металла. Чем больше отношение r273/r4,2, тем чище металлы. В монокристаллах высокой чистоты оно достигает 104-105. Некоторые металлы при низких температурах становятся сверхпроводниками, при этом критическая температура у чистых металлы от сотых долей до 9 К.

У металлов наблюдается термоэлектронная эмиссия (способность испускать электроны при высокой температуре). Эмиссия электронов возникает также под действием электромагнитного излучения в видимой и УФ областях спектра (фотоэлектронная эмиссия), внешнего электрического поля высокой напряженности (туннельная, или автоэлектронная, эмиссия), при бомбардировке поверхности металлы электронами (вторичная электронная эмиссия) или ионами (ионно-электронная эмиссия), при взаимодействии поверхности металлы с плазмой (взрывная электронная эмиссия). Перепад температуры вызывает в металлы появление электрического тока (термоэдс).

Теплопроводность металлы обусловлена в основном движением электронов, поэтому удельный коэффициент теплопроводности ( ) и электрич. проводимости (s) металлы связаны между собой соотношением /(s•Т) = L = 2,45•10 -8 Вт•Ом/К2 (закон Видемана-Франца). Удельный коэффициент теплопроводности металлов имеет значения от 425 (для Ag) до 8,41 (для Bi) Вт/(м-К).

Температурный коэффициент линейного расширения металлы в интервале 0-100°С имеет значения от 4,57.10-6 (для Os) до 10-4 K-1 (для Sr). Согласно эмпирическому правилу Грюнайзена, относительное увеличение объема металлы в интервале от 0 К до температуры плавления приблизительно равно 0,06. Поэтому температурный коэффициент объемного расширения у тугоплавких металлы меньше, чем у легкоплавких.

У большинства металлов магнитная восприимчивость по абсолютной величине сравнительно мала (~ 10-9) и слабо зависит от температуры. Среди металлов есть диамагнетики, например Bi ( = — 1,34.10-9), и парамагнетики, причем все переходные металлы, кроме металлов I и II гр., парамагнитны. Некоторые из них при температурах точки Кюри переходят в магнитно-упорядоченное состояние. Металлы триады Fe, а также Gd и некоторые другие лантаноиды - ферромагнетики, тогда как Сr, Мn, большинство лантаноидов-антиферромагнетики.

Излучения оптического диапазона почти полностью отражаются поверхностью металлов, вследствие чего они непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском (порошки многих металлы матовые). Некоторые металлы, например Аu в виде тонкой фольги, просвечивают. Отраженный от поверхности металла плоскополяризованный свет становится эллиптически поляризованным.

Для использования металлов в качестве конструкционных материалов важнейшее значение имеет сочетание механических свойств - пластичности и вязкости с значительной прочностью, твердостью и упругостью. Эти свойства зависят не только от состава (чистоты металла), но и от совершенства кристаллической решетки (наличия дефектов) и структуры, определяемых предварительной термической и механической обработкой образца.

Механические свойства реальных металлы определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокаций, так как перемещение дислокаций по плоскостям кристаллической решетки с наиболее плотной упаковкой является основным механизмом пластической деформации металлов Взаимодействие дислокаций с другими дефектами увеличивает сопротивление пластической деформации. В процессе деформации число дислокаций растет, соответственно растет и сопротивление деформации (деформационное упрочнение, или наклеп). Напряженное состояние и наклеп после деформации ликвидируются при отжиге. Рост напряжений в местах "сгущения" дислокаций вызывает зарождение трещин - очагов разрушения. Важнейшая характеристика мех. свойств металлы-модуль упругости Е (модуль Юнга). Предел текучести, то есть сопротивление пластической деформации, 10-3-10-4 Е.

Химические свойства. Металлы обладают низкими значениями первого потенциала ионизации и сродства к электрону. Вследствие этого в химических реакциях они выступают как доноры электронов (восстановители), а в соединениях и их растворах образуют положительно заряженные ионы (в большинстве случаев аквакатионы). Электроотрицательности атомов металлы ниже электроотрицательностей атомов неметаллов. Металлы могут входить в состав сложных анионов, например МnО-4, или ацидокомплексов, например [Fe(CN)6]4-, однако в них атомы металлы всегда являются центрами положительного заряда. Только для некоторых металлов, находящихся на границе с неметаллами, таких, как Sn, Po, Sb и т.п., известны соединения, например гидриды, в которых металлы имеют формально отрицательная степень окисления. Но во всех этих соединениях химическая связь ковалентная.

Способность металлов к окислению меняется в очень широких пределах. Большинство металлы окисляется кислородом воздуха уже при обычной температуре, однако скорость и механизм реакции очень сильно зависят от природы металла. В большинстве случаев при этом образуются оксиды, а у щелочных металлы, кроме Li,-пepоксиды. Устойчивость металлов на воздухе определяется свойствами образующегося оксида, в частности отношением молярных объемов Vокс/VM.. Если Vокс/Vметаллы > 1, на металлы образуется защитная пленка, предохраняющая металлы от дальнейшего окисления. Такая пленка характерна, например, для Al, Ti, Сr, которые устойчивы на воздухе, хотя и обладают высокой активностью. Металлы, для которых это отношение меньше 1 (напр., щелочные), на воздухе неустойчивы.

С N2 реагирует ряд металлов, например Li при обычной температуре, a Mg, Zr, Hf, Ti-при нагревании. Многие металлы активно взаимодействуют с Н2, галогенами, халькогенами. Все металлы, чьи стандартные электродные потенциалы отрицательнее, чем —0,413 В, окисляются водой с выделением Н2. Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при обычных температурах, а такие металлы, как Zn или Fe, реагируют с водяным паром при высоких температурах. С растворами щелочей взаимодействуют металлы, образующие растворимые анионные гидроксокомплексы (Be, Zn, Al, Ga, Sn).

Большинство металлов окисляется теми или иными кислотами. Металлы, имеющие отрицательные стандартные электродные потенциалы, то есть стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, окисляются ионами Н+ и растворяются поэтому при действии неокисляющих кислот (соляная или разбавленная H2SO4), если не образуются нерастворимые продукты. Реакции способствует образование анионных комплексов. Азотная кислота, даже разбавленная, окисляет многие металлы При этом, если ионы металлы устойчивы в низших степенях окисления, образуются катионные комплексы, если в высших, как в случае, например, Re,-анионные (ReO-4 ). Некоторые металлы реагируют с разбавленной HNO3 и H2SO4 с образованием катионных комплексов и пассивируются в концентрированных растворах этих кислот. Для растворения малоактивных металлов, например Аu или Pt, используют смеси, содержащие окислитель и поставщик лигандов для образования растворимых комплексов, таких, как, например, царская водка или смесь HNO3 с HF.

Важная характеристика металлических элементов - их способность образовывать основные оксиды и соответствующие гидроксиды. У металлов главных подгрупп периодической системы основность оксидов и гидроксидов растет сверху вниз, в побочных подгруппах (кроме I - III) - обратная зависимость. По периодам и рядам с ростом порядкового номера элемента основность убывает. У металлы, имеющих несколько степеней окисления, как d- и f-металлы, с ростом степени окисления основность оксидов уменьшается и высшие оксиды имеют кислотный характер.

Получение металловИзвлечение металлов из природного сырья и других источников - область металлургии. Можно отметить двоякий характер технологии металлов. Технология железа, тяжелых цветных металлов, а также малых металлов и большинства рассеянных элементов (халькофильных элементов) имеет "металлургический" характер. Это означает, что конечный продукт получают без предварительного выделения какого-либо чистого соединения, что обусловлено сравнительной легкостью восстановления до металлов как пирометаллургическим так и гидрометаллургическим (электролиз растворов, цементация и т.п.;) путем.

Иной характер имеет технология легких, а также редких металлов (литофильных элементов). Это связано с трудностями их получения в своб. состоянии. Для этих металлы технология разбивается четко на два этапа - получение чистого соед., например Аl2О3, и получение металлы из этого соединения. Сами металлы в производстве их соединений обычно не используют. Поэтому можно сказать, что технология этих металлов имеет более "химический" характер.

Способность металлов к взаимному растворению с образованием при кристаллизации твердых растворов и интерметаллидов, разнообразным фазовым превращениям дает возможность получения большого числа сплавов, отличающихся различной структурой и самыми разнообразными сочетаниями свойств. В современной технике применяют свыше 30 000 различных сплавов - легкоплавких и тугоплавких, очень твердых и пластичных, с большой и малой электрической проводимостью, ферромагнитных и других. В сплавах ныне используют практически все известные металлы (кроме искусственно полученных трансплутониевых элементов). Мера использования в значительной степени определяется доступностью металла - содержанием в земной коре, а также степенью концентрирования в месторождениях и трудностью получения. Использование сплавов (бронзовый век) было одним из важнейших этапов становления человеческой цивилизации. И в настоящее время сплавы - важнейшие конструкционные материалы. В последние годы наблюдается тенденция некоторого снижения роли железа и увеличение использования легких металлов (Al, Mg) и наиболее доступных редких металлов (Ti, Nb, Zr).

Лит.: Пирсон У., Кристаллохимия и физика металлов и сплавов, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1977; Уманский Я. С., Скаков Ю.А., Физика металлов. Атомное строение металлов и сплавов, М., 1978; Бернштейн М.Л., Займовский В. А., Механические свойства металлов, 2 изд., М., 1979; Лившиц Б. Г., Крапошин В. С., Липецкий Я. Л., Физические свойства металлов и сплавов, 2 изд., М., 1980; Баррет Ч. С., Массальский Т. Б., Структура металлов, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1984; Гуляев А. П., Металловедение, 6 изд., М., 1986; Зайцев Б. Е., Общие физические и химические свойства металлов, М., 1987; Пекшева Н. П., Химия металлов, Красноярск, 1987; Абрикосов А. А., Основы теории металлов, М., 1987; Бобылев А. В., Механические и технологические свойства металлов, 2 изд., М., 1987. П. И. Федоров.





выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости


РЕКЛАМА:
Интернет-магазин военторг. Интернет военторг, военторг петербург.





Новости компаний

Все новости


Rambler's Top100
© ChemPort.Ru, MMII-MMXIV
Контактная информация

Химический портал ChemPort.Ru работает при поддержке профессионалов Clustertech. Clustertech - защита от DDOS, удаленное администрирование сервера, очень качественный хостинг.