Надо Знать

добавить знаний



Металлы



План:


Введение

Кристаллы галлия
Самородок золота
Кусок железа высокой (99,97%) чистоты
Капля ртути

Металлы (от греч. μέταλλον (mtallon) - Шахта, карьер, добыча из недр земли) [1] - класс химических элементов и веществ со следующими химическими и физическими свойствами : хорошо проводят электричество и тепло, непрозрачные, но могут отражать свет (имеют металлический блеск); ковки, что позволяет придавать изделиям из них нужной формы и розвальцьовуваты в плоские пластинки, пластические, что дает возможность получать их в тонкую проволоку.


1. Историческая справка

В древности и в средние века считалось, что существует только семь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По представлениям алхимиков, металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики считали, что металлы - вещества сложные, состоящие из "металлического начала" (ртути) и "начала горючести" (серы). В начале 18 века получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и "огненной субстанции - флогистона.

В конце 18 века А. Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы - простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов ( Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В первой половине 19 века были открыты элементы спутники платины - платиноиды, получены путем электролиза некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, открыты неизвестные металлы при химическом анализе минералов.

В 1860-63 годах методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Открытие радиоактивности в конце 19 ст. дало толчок успешным поискам природных радиоактивных металлов. И, наконец, методом ядерных превращений начиная с середины 20 века искусственно получены радиоактивные металлы, в частности, трансурановые элементы.


2. Классификация металлов

Металлами является простые вещества большинства химических элементов (примерно 80% элементов периодической системы элементов). Самым распространенным химическим элементом-металлом, в земной коре есть алюминий.

2.1. Содержание металлов в земной коре

Металлы % Массы земной коры
Алюминий 8,8
Железо 5,1
Кальций 3,6
Натрий 2,6
Калий 2,6
Магний 2,1
Титан 0,6
Марганец 0,09
Медь 0,01

Доля других металлов в общем не превышает 2,0%.


2.2. Группы металлов с использованием

Широко используются такие типы металлов:

В технике наибольшее применение получили железо, алюминий, медь, свинец, цинк, олово, никель. Они еще называются технические металлы".


2.3. Сплавы металлов

Металлическими сплавами называют вещества, состоящие не менее чем из двух компонентов и одним из них обязательно должен быть металл. Сплавы металлов играют большую роль, так как они имеют более высокие механические и технологические свойства, чем их компоненты чистые металлы. Компонентами называют химические элементы или их соединения в составе сплава. По количеству компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д.

В технике чаще всего применяются сплавы на основе железа ( чугун, сталь), и сплавы цветных металлов на основе меди ( латунь, бронза), алюминия ( силумин, дюралюминий), свинца, цинка, олова, никеля. Некоторые сплавы создают на основе вольфрама, титана, ванадия, молибдена и других металлов.

В зависимости от природы компонентов, из которых состоит сплав, различают следующие разновидности сплавов:

  • механическая смесь компонентов - эти смеси неоднородны, они мелкой смесью кристаллитов компонентов;
  • неограниченный твердый раствор компонентов - однородный, может образовываться при различном соотношении компонентов;
  • ограниченный твердый раствор компонентов - однородный, может образовываться при различном но ограниченном соотношении компонентов;
  • химическое соединение компонентов - однородный, может образовываться при четко определенном соотношении компонентов.

В твердых растворах атомы растворенного вещества замещают атомы растворителя в кристаллической решетке или проникают в нее, химические соединения образуют новую отличную кристаллическую решетку. После кристаллизации сплава образуется или одна фаза (твердый раствор, химическое соединение), или сплав, содержащий смесь фаз. Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других составляющих (фаз) поверхностью раздела.


3. Строение

Гранецентрированная структура кристаллической решетки
Объемноцентрированная структура кристаллической решетки
Гексагональная структура кристаллической решетки

Все металлы имеют кристаллическое строение. Расположенные тем или иным способом, атомы образуют элементарную ячейку пространственной кристаллической решетки. Тип решетки зависит от химической природы и фазового состояния металла.

В железа, хрома, молибдена, вольфрама и некоторых других металлов элементарная ячейка является кубом с атомами в вершинах и дополнительным - в центре ( объемноцентрированная кубическая решетка). При температуре свыше 910 С в кристаллической структуре железа происходит перестройка, число атомов в элементарной ячейке увеличивается до 14-ти. В результате перестройки симметрия элементарной ячейки меняется - атомы располагаются в вершинах куба и дополнительно в центре каждой грани ( гранецентрированная кубическая решетка). Существование одного металла в нескольких кристаллических формах называется полиморфизмом, или аллотропия, а температура, при которой металл переходит из одного состояния в другое - температурой полиморфного превращения. Железо, например, имеет две температуры полиморфного превращения: 910 C и 1400 C. Цинк, магний, титан имеют элементарную ячейку в форме шестигранной призмы. Как и железо, олово, никель, титан, кобальт и некоторые другие металлы с изменением температуры меняют тип своих решеток. Например, никель может иметь кубическую гранецентрированную или гексагональную решетку, а кальций - кубическую гранецентрированную, гексагональную и кубическую объемно-центрированную.

Элементарные ячейки каждого данного кристалла одинаково ориентированы в пространстве, располагаясь последовательно, они имеют общие с соседними ячейками атомы и образуют вместе пространственную решетку. Однако различные металлы с идентичной кристаллической решеткой имеют разные параметры, то есть расстояния между соседними атомами. Параметр решетки (сторона куба или шестигранника) в меди 0,36 нм, алюминия 0,405 нм, в цинке 0,267 нм и т. д.

Переход из жидкого состояния в твердое для металлов - это процесс преобразования неупорядоченного расположения атомов в закономерное с образованием кристаллической решетки и, следовательно, кристаллов. Такой процесс называется первичной кристаллизацией.

Установлено, что кристаллизация состоит из двух элементарных процессов, течение которых происходит одновременно: первый - зарождение центров кристаллизации, второй - рост кристаллов из этих центров. В обычных условиях кристаллы не могут получить правильной формы потому, что их рост ограничивается смежными кристаллами. Кристаллы, имеющие неправильные внешние очертания, называются кристаллитами или зернами. Внутреннее строение зерен кристаллическая.

На скорость кристаллизации и форму кристаллов в процессе затвердевания металла важное влияние оказывают скорость и направление отвода тепла. В направлении отвода тепла кристаллы растут быстрее, образуя оси, от которых ответвляются многочисленные отростки. Такие древовидные кристаллы называют дендритами. Дендритные строение характерно для литого металла.


4. Свойства

Требования к металлов и их сплавов относятся в зависимости от их назначения. Например, металл рельсов и бандажей должен быть прочным и устойчивым против износа, металл рессор - упругим, металл заклепок - пластичным, металл электрических проводок должен иметь малый электрическое сопротивление, металл сварных конструкций хорошо свариваться и не закаляться при охлаждение на воздухе, а металл деталей, работающих в агрессивных средах, быть устойчивым к коррозии.

Область применения металлов определяется их свойствами. Свойства металлов подразделяют на:


4.1. Механические и физические свойства

Основные физические и механические свойства распространенных металлов приведены в таблице.

Металлы Плотность, ρ, кг / м 3 Температура плавления, C Температура кипения, C Предел прочности, σ в, МПа Относительное удлинение, δ,% Твердость, HB Линейный коэффициент теплового расширения, α, при 20 C
(10 -6 / C)
Железо 7860 1539 2380 300 21 ... 55 50 ... 70 11,5
Алюминий 2700 660 2500 80 ... 110 40 20 ... 30 23,1
Медь 8930 1083 2600 220 60 35 16,5
Магний 1740 651 1103 170 ... 200 10 ... 12 25 ... 30 25,7
Никель 8900 1455 3080 400 ... 500 40 60 13,9
Титан 4500 1665 3260 300 ... 550 20 ... 30 100 1,2
Молибден 10200 2620 4800 800 ... 1200 46 150 ... 160 5,8 ... 6,2

Все металлы (за исключением ртути) при обычных условиях является кристаллическими веществами. Их атомы расположены в определенном геометрическом порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку. В узлах кристаллической решетки находятся ионы металлов. Валентные электроны очень слабо связаны с атомами и могут легко перемещаться по всему объему металла, переходя от одних ионов к другим.

Легкой подвижностью валентных электронов объясняется высокая электропроводность и теплопроводность металлов. В отличие от растворов и расплавов при прохождении электрического тока через металлический проводник переноса частиц вещества не происходит. Металлы имеют электронную электропроводность. По электропроводностью и теплопроводностью металлы размещаются в одинаковом порядке. Лучшими проводниками электрического тока являются серебро, медь, золото и алюминий.

Характерная особенность металлов - металлический блеск, то есть способность хорошо отражать свет. Но эта способность проявляется лишь тогда, когда металл образует сплошную и гладкую (полированную) поверхность.

Очень важным свойством большинства металлов является пластичность, т.е. способность изменять внешнюю форму при воздействии посторонней силы и сохранять полученную форму после прекращения воздействия внешнего воздействия. На этой способности основаны различные способы механической обработки металлов: прокатка, ковка, штамповка, волочения и т.д.. Однако это свойство в различных металлов оказывается не одинаково. Способность розкатуватись в тоненькие письма и вытягиваться в тоненький провод лучше проявляется у золота, серебра, меди, алюминия и олова, немного хуже в железа и цинка. Некоторые металлы совсем не проявляют пластичности, они очень хрупкие - это висмут, марганца и особенно сурьма (сурьма). При ударе они распадаются на части.

По плотностью металлы условно делят на легкие (плотность которых меньше 5 г / см 3) и тяжелые (плотность которых больше 5 г / см 3). В легких металлов относятся литий, калий и натрий. Легкие металлы - марганец, алюминий и титан. Трудными считаются ртуть, золото, платина и осмий.

По твердостью металлы тоже сильно отличаются друг от друга. Твердым металлом является хром, который царапает стекло. За ним идет вольфрам, никель и др.. В мягких металлов относятся калий и натрий, легко режутся ножом. Очень мягким также свинец. (См. таблица плотностей веществ; таблица относительной твердости веществ)

По температурами плавления металлы тоже резко отличаются друг от друга. Низкую температуру плавления имеет ртуть (-39 С), за ней идет цезий (28,5 C), рубидий (38,5 C), калий (62,3 C), а самую высокую - вольфрам (3410 C). (См. таблица температур плавления веществ)

По окраске металлы условно делят на черные - железо, марганец и их многочисленные сплавы ( чугун, сталь) и цветные, к которым относят все остальные металлы. Відповідно до цього і промисловість, яка їх добуває, називають чорною і кольоровою металургією.


4.2. Химические свойства

Характерною особливістю металів є здатність їх атомів віддавати свої валентні електрони і утворювати позитивно заряджені іони. На відміну від неметалів метали негативно заряджених іонів не утворюють. Отже, вільні метали є відновниками. Чим легше даний метал віддає свої валентні електрони, тим він активніший відновник. За хімічною активністю метали можна розподілити на три групи: сильно активні - калій, натрій, барій, кальцій і ін., середньої активності - цинк, залізо, нікель тощо і мало активні - срібло, золото і платина. Відносну активність металів можна визначити за положенням елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва: металічний характер елементів і хімічна активність металів посилюється в періодах справа наліво, а в головних підгрупах - згори донизу. Типові металічні елементи перебувають у лівому нижньому куті довгого варіанта періодичної системи. Это францій, цезій, радій.

Сильно активні метали з киснем повітря енергійно взаємодіють вже при звичайній температурі, утворюючи оксиди, наприклад:

  • 2Ca + O 2 = 2CaO

Тому лужні і лужноземельні метали зберігають під шаром гасу, щоб запобігти їх окисненню киснем повітря. Метали середньої активності окиснюються киснем повітря лише з поверхні, покриваючись тонкою оксидною плівкою, яка запобігає дальшому окисненню металу. Например:

  • 2Zn + O 2 = 2ZnO

Але при високій температурі вони енергійно взаємодіють з киснем і перетворюються в оксиди.

Малоактивні (благородні) метали з киснем безпосередньо не реагують взагалі. Більшість металів може безпосередньо реагувати з сіркою, хлором і майже з усіма неметалами, особливо при високій температурі. З водою сильно активні (лужні і лужноземельні) метали взаємодіють вже при звичайній температурі з виділенням водню і утворенням розчинних гідроксидів (лугів), наприклад:

  • 2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
  • Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2

Метали середньої активності, наприклад залізо, реагують з водою (водяною парою) лише при сильному розжаренні:

  • 3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2

Мало активні метали з водою не реагують ні при яких умовах. Відношення металів до кислот визначається їх місцем в електрохімічному ряду напруг (ряду активності). Усі метали, що займають місце в ряду напруг лівіше від водню взаємодіють з кислотами з утворенням солі і виділенням водню (з нітратної кислоти водень не виділяється!) Метали, що займають місце в ряду напруг правіше від водню, водню з кислот не витісняють. Але деякі з них можуть реагувати з концентрованою сульфатною кислотою при нагріванні з утворенням солі і виділенням діоксиду сірки SO 2, наприклад:

  • Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + 2H 2 O + SO 2

Що ж стосується нітратної кислоти, то при взаємодії її з усіма металами, незалежно від їх місця в ряду напруг, водень з HNO 3 не виділяється, а утворюються оксиди азоту і сіль металу. Например:

  • 3Zn + 2HNO 3 + 6HNO 3 = 3Zn(NO 3) 2 + 2NO ↑ + 4H 2 O
  • 3Ag + HNO 3 + 3HNO 3 = 3AgNO 3 + NO ↑ + 2H 2 O

5. Метали в природі

Метали складають понад 80% усіх хімічних елементів. Переважна більшість металів зустрічається в природі у вигляді різних сполук і лише деякі з них - у вільному стані. Це так звані самородні метали (золото і платина), а також інколи срібло, ртуть, мідь і інші метали.

Мінерали і гірські породи, придатні для добування з них металів заводським способом, називаються рудами. Важливішими рудами є оксиди (Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, Al 2 O 3 nH 2 O, MnO 2 тощо); сульфіди (ZnS, PbS, Cu 2 S, HgS і ін.), солі (NaCl, KCl, MgCl 2 CaCO 3 і т. д.). Малоактивні метали зустрічаються переважно у вигляді оксидів і сульфідів, а активні (лужні і лужноземельні) - винятково у вигляді солей.


6. Одержання металів з руд

В більшості випадків руди містять різні домішки у вигляді піску, глини, вапняку тощо. Ці домішки називають пустою породою. Коли в руді багато пустої породи, тобто коли руда є бідною на корисну речовину, таку руду піддають збагаченню, тобто видаляють з неї частину пустої породи. Різні руди збагачують різними способами.

Для збагачення сульфідних руд звичайно застосовують спосіб флотації (спливання). При цьому способі руду розмелюють у тонкий порошок і заливають у великих чанах водою. До води додають певні органічні речовини (наприклад, соснове масло, вищі жирні кислоти тощо), молекули яких добре адсорбуються частинками сульфідів, і вкривають їх тонкою плівкою, внаслідок чого вони не змочуються водою. Крізь воду продувають повітря, пухирці якого з маслом утворюють піну, а також прилипають до частинок сульфідів, і вони спливають та збираються зверху разом з піною, а змочені водою частинки пустої породи осідають на дно (див. мал. Схема флотаційного апарату). Піну з сульфідами металів зливають з чану і віджимають сульфіди. Так одержують збагачену на корисну речовину руду.

Схема флотаційного апарату

Свободные металлы добывают из руд различными способами. С оксидных руд металлы получают восстановлением их при высоких температурах. При этом как восстановитель чаще всего используют уголь (кокс) и моноксид углерода СО. Например:

  • Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO ↑
  • Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
  • SnO 2 + C = Sn + CO 2
  • 2Cu 2 O + C = 4Cu + CO 2

Иногда восстановителем служат активные металлы. Например, при извлечении хрома, бериллия, марганца и др.. как восстановитель применяют алюминий (Алюминотермия):

  • Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3
  • 3MnO 2 + 4Al = 3Mn + 2Al 2 O 3

В некоторых случаях в качестве восстановителя используют водород, в частности при добыче молибдена, вольфрама, порошкообразного железа и т.п.:

  • Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O
  • WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O

Сульфидные руды сначала обжигают, переводя их в оксиды металлов, которые затем восстанавливают. Например:

  • 2PbS + 3O 2 = 2PbO + 2SO 2
  • PbO + C = Pb + CO ↑

Активные металлы - калий, натрий, кальций и др.. - Нельзя получить способом химического восстановления их соединений. Эти металлы получают только электролизом их расплавленных солей. Например:

Получение калия електполизом

7. Применение металлов

7.1. Конструкционные материалы

Металлы и их сплавы - одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокими прочностью, жесткостью и другими механическими свойствами, технологичностью в переработке, относительной доступностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов, устойчивостью к температурным воздействиям и воздействиям окружающей среды. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно воздействовать их свойства в нужном направлении и в очень широких пределах.


7.2. Электротехнические материалы

Металлы используются как хорошие проводники электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением, работающих при высоких температурах: для резисторов, реостатов и электронагревательных элементов ( нихром и т.п.)

7.3. Инструментальные материалы

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твердые сплавы.

8. Науки, изучающие металлы

Физика металлов (Металлофизика) - раздел физики, который изучает атомно-кристаллическую, дефектную и гетерофазные структуры металлов и сплавов, их физико-химические свойства. Изучает также процессы, имеющие место в металлах и сплавах при их получении, механической и термической обработке и в условиях эксплуатации. Металлофизика является теоретической основой металловедения.

Металловедение - наука, изучающая взаимосвязи состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения при тепловых, механических, физико-химических и других видах воздействия. Металловедение является научной основой поиска состава, способов получения и обработки металлических материалов с разнообразными механическими, физическими и химическими свойствами.


Примечания

  1. μέταλλον - www.perseus.tufts.edu/hopper/text?doc=Perseus:text:1999.04.0057:entry=me/tallon Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus Digital Library

См.. также

Литература

  • Деркач Ф. А. "Химия" Л. 1968
  • Металловедение: Учебник / А. М. Бялик, B. C. Черненко, В. Н. Писаренко, Ю. Н. Москаленко - 2-е изд., Перераб. и доп. - М.: ИПЦ "Издательство" Политехника "", 2008 - 384 с.
  • Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 542 с.
  • Уманский Я. С., Скачков Ю. А. Физика металлов. - М: Атомиздат, 1978. - 405 с.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам