Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Метали



План:


Введення

Метали - один з найпоширеніших матеріалів, що використовуються цивілізацією протягом практично всієї її історії.

Метали (від лат. metallum - Шахта, рудник) - група елементів, що володіє характерними металевими властивостями, такими як висока тепло- і електропровідність, позитивний температурний коефіцієнт опору, висока пластичність і металевий блиск.

З 118 [1] хімічних елементів, відкритих на даний момент (з них не всі офіційно визнані), до металів відносять:

6 елементів у групі лужних металів,

6 в групі лужноземельних металів,

38 в групі перехідних металів,

11 в групі легких металів,

7 в групі полуметаллов,

14 в групі лантаноїди + лантан,

14 в групі актиноїди (фізичні властивості вивчені не у всіх елементів) + актиній,

поза певних груп берилій та магній.

Таким чином, до металів можливо відноситься 96 елементів з усіх відкритих.


1. Знаходження в природі

Більша частина металів присутній в природі у вигляді руд і з'єднань. Вони утворюють оксиди, сульфіди, карбонати та інші хімічні сполуки. Для отримання чистих металів і подальшого їх застосування необхідно виділити їх з руд і провести очистку. При необхідності проводять легування та іншу обробку металів. Вивченням цього займається наука металургія. Металургія розрізняє руди чорних металів (на основі заліза) і кольорових (до їх складу не входить залізо, всього близько 70 елементів). Золото, срібло і платина відносяться також до дорогоцінним металам. Крім того, в малих кількостях вони присутні в морській воді, рослинах, живих організмах (граючи при цьому важливу роль).

Відомо, що організм людини на 3% складається з металів . Найбільше в наших клітинах кальцію і натрію, сконцентрованого в лімфатичних системах. Магній накопичується в м'язах і нервовій системі, мідь - в печінки, залізо - у крові.


2. Властивості металів

2.1. Характерні властивості металів


2.2. Фізичні властивості металів

Всі метали (крім ртуті і, умовно, франція) при нормальних умовах перебувають у твердому стані, однак володіють різною твердістю. Нижче наводиться твердість деяких металів за шкалою Мооса.

Твердість деяких металів за шкалою Мооса:

Твердість Метал Оброблюваність
0.3 Рубідій дуже легко дряпається нігтем (дотик небезпечно)
0.4 Калій дуже легко дряпається нігтем (дотик небезпечно)
0.5 Натрій дуже легко дряпається нігтем (дотик небезпечно)
0.6 Літій дуже легко дряпається нігтем (дотик небезпечно)
1.2 Індій дуже легко дряпається нігтем, навіть мнеться (пари індію токсичні)
1.2 Талій легко дряпається нігтем (дотик смертельно небезпечно)
1.25 Барій легко дряпається нігтем
1.5 Стронцій дряпається нігтем
1.5 Галій дряпається нігтем
1.5 Олово дряпається нігтем
1.5 Свинець дряпається нігтем
1.5 Ртуть дряпається нігтем (у твердому стані)
1.75 Кальцій дряпається нігтем
2.0 Кадмій дряпається алюмінієвою ложкою
2.25 Вісмут дряпається алюмінієвою ложкою
2.5 Магній дряпається мідним дротом
2.5 Цинк дряпається мідним дротом
2.5 Срібло дряпається мідної монетою
2.5 Золото дряпається мідної монетою
3.0 Мідь дряпається кухонним ножем
3.0 Сурма дряпається кухонним ножем
3.5 Платина дряпається кухонним ножем
4.0 Залізо дряпається кухонним ножем (з нержавіючої сталі)
4.0 Нікель дряпається кухонним ножем (з нержавіючої сталі)
4.75 Паладій дряпається кухонним ножем (з нержавіючої сталі)
5.0 Кобальт дряпається склом і сталевим цвяхом
5.0 Цирконій дряпається склом і сталевим цвяхом
5.0 Берилій дряпається напилком і польовим шпатом
5.5 Молібден дряпається напилком і польовим шпатом
5.5 Гафній дряпається напилком і польовим шпатом
6.0 Титан дряпає скло; дряпається склом і напилком
6.0 Марганець дряпає скло; дряпається склом і напилком
6.0 Германій дряпає скло; дряпається склом і напилком
6.0 Ніобій дряпає скло; дряпається склом і напилком
6.0 Родій дряпає скло; дряпається склом і напилком
6.5 Рутеній дряпає скло; дряпається кварцем
6.5 Тантал дряпає скло; дряпається кварцем
6.5 Іридій дряпає скло; дряпається кварцем
7.0 Ванадій дряпає всі види сталей; дряпається топазом
7.0 Реній дряпає всі види сталей; дряпається топазом
7.0 Осмій дряпає всі види сталей; дряпається топазом
7.5 Вольфрам дряпає всі види сталей; дряпається топазом
8.5 Хром легко дряпає скло і всі метали; дряпається рубіном

Температури плавлення металів лежать в діапазоні від -39 C (ртуть) до 3410 C ( вольфрам). Температура плавлення більшості металів (за винятком лужних) висока, проте деякі "нормальні" метали, наприклад олово і свинець, можна розплавити на звичайній електричної або газовій плиті.

Залежно від щільності, метали ділять на легкі (щільність 0,53 5 г / см ) і важкі (5 22,5 г / см ). Найлегшим металом є літій (щільність 0.53 г / см ). Самий важкий метал в даний час назвати неможливо, так як щільності осмію і іридію - двох найбільш важких металів - майже рівні (близько 22.6 г / см - рівно в два рази вище щільності свинцю), а обчислити точну щільність вкрай складно: для цього потрібно повністю очистити метали, адже будь-які домішки знижують їх щільність.

Більшість металів пластичні, тобто металеву дріт можна зігнути, і вона не зламається. Це відбувається через зміщення шарів атомів металів без розриву зв'язку між ними. Найпластичнішими є золото, срібло і мідь. Із золота можна виготовити фольгу товщиною 0.003 мм, яку використовують для золочення виробів. Однак не всі метали пластичні. Дріт з цинку або олова хрумтить при згинанні; марганець і вісмут при деформації взагалі майже не згинаються, а відразу ламаються. Пластичність залежить і від чистоти металу; так, дуже чистий хром дуже пластичний, але, забруднений навіть незначними домішками, стає крихким і більш твердим.

Всі метали добре проводять електричний струм; це обумовлено наявністю в їх кристалічних решітках рухомих електронів, що переміщаються під дією електричного поля. Срібло, мідь і алюміній мають найбільшу електропровідність; з цієї причини останні два метали найчастіше використовують як матеріал для проводів. Дуже високу електропровідність має також натрій, в експериментальній апаратурі відомі спроби застосування натрієвих струмопроводів у формі тонкостінних труб з нержавіючої сталі, заповнених натрієм. Завдяки малій питомій вазі натрію, при рівному опорі натрієві "проводу" виходять значно легше мідних і навіть дещо легше алюмінієвих.

Висока теплопровідність металів також залежить від рухливості вільних електронів. Тому ряд теплопровідності схожий на ряд електропровідність і кращим провідником тепла, як і електрики, є срібло. Натрій також знаходить застосування як хороший провідник тепла; широко відомо, наприклад, застосування натрію в клапанах автомобільних двигунів для поліпшення їх охолодження.

Гладка поверхню металів відображає великий відсоток світла - це явище називається металевим блиском. Однак у порошкоподібному стані більшість металів втрачають свій блиск; алюміній і магній, тим не менше, зберігають свій блиск і в порошку. Найбільш добре відбивають світло алюміній, срібло і паладій - з цих металів виготовляють дзеркала. Для виготовлення дзеркал іноді застосовується і родій, незважаючи на його винятково високу ціну: завдяки значно більшою, ніж у срібла або навіть паладію, твердості та хімічної стійкості, родієве шар може бути значно тонше, ніж срібний.

Колір у більшості металів приблизно однаковий - світло-сірий з блакитним відтінком. Золото, мідь і цезій відповідно жовтого, червоного і світло-жовтого кольору.


2.3. Хімічні властивості металів

На зовнішньому електронному рівні у більшості металів невелика кількість електронів (1-3), тому вони в більшості реакцій виступають як відновники (тобто "віддають" свої електрони)

Реакції з простими речовинами

  • З киснем реагують всі метали, крім золота, платини. Реакція з сріблом відбувається при високих температурах, але оксид срібла (II) практично не утворюється, так як він термічно нестійкий. Залежно від металу на виході можуть виявитися оксиди, пероксиди, надпероксід :

4Li + O 2 = 2Li 2 O оксид літію
2Na + O 2 = Na 2 O 2 пероксид натрію
K + O 2 = KO 2 надпероксід калію
Щоб отримати з пероксиду оксид, пероксид відновлюють металом:
Na 2 O 2 + 2Na = 2Na 2 O
З середніми і малоактивними металами реакція відбувається при нагріванні:
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4
2Hg + O 2 = 2HgO
2Cu + O 2 = 2CuO

  • З азотом реагують тільки найактивніші метали, при кімнатній температурі взаємодіє тільки літій, утворюючи нітриди :

6Li + N 2 = 2Li 3 N
При нагріванні:
2Al + N 2 = 2AlN
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2

  • З сірої реагують всі метали, крім золота і платини:

Залізо взаємодіє з сіркою при нагріванні, утворюючи сульфід :
Fe + S = FeS

  • З воднем реагують тільки найактивніші метали, тобто метали IA і IIA груп крім Be. Реакції здійснюються при нагріванні, при цьому утворюються гідриди. В реакціях метал виступає як відновник, ступінь окислення водню -1:

2Na + H 2 = 2NaH
Mg + H 2 = MgH 2

  • З вуглецем реагують тільки найбільш активні метали. При цьому утворюються ацетіленіди або метаніди. Ацетіленіди при взаємодії з водою дають ацетилен, метаніди - метан.

2Na + 2C = Na 2 C 2
Na 2 C 2 + 2H 2 O = 2NaOH + C 2 H 2
2Na + H 2 = 2NaH


2.4. Легування

Легування - це введення в розплав додаткових елементів, що модифікують механічні, фізичні та хімічні властивості основного матеріалу.

3. Мікроскопічна будова

Характерні властивості металів можна зрозуміти, виходячи з їх внутрішньої будови. Всі вони мають слабкий зв'язок електронів зовнішнього енергетичного рівня (іншими словами, валентних електронів) з ядром. Завдяки цьому створена різниця потенціалів в провіднику приводить до лавиноподібного руху електронів (званих електронами провідності) в кристалічній решітці. Сукупність таких електронів часто називають електронним газом. Вклад в теплопровідність, крім електронів, дають фонони (коливання решітки). Пластичність обумовлена ​​малим енергетичним бар'єром для руху дислокацій і зсуву кристалографічних площин. Твердість можна пояснити великим числом структурних дефектів (міжвузольний атоми, вакансії та ін.)

Через легкої віддачі електронів можливо окислення металів, що може призводити до корозії та подальшої деградації властивостей. Здатність до окислення можна дізнатися за стандартним ряду активності металів. Цей факт підтверджує необхідність використання металів в комбінації з іншими елементами ( сплав, найважливішим з яких є сталь), їх легування та застосування різних покриттів.

Для більш коректного опису електронних властивостей металів необхідно використовувати квантову механіку. У всіх твердих тілах з достатньою симетрією рівні енергії електронів окремих атомів перекриваються і утворюють дозволені зони, причому зона, утворена валентними електронами, називається валентної зоною. Слабкий зв'язок валентних електронів в металах призводить до того, що валентна зона в металах виходить дуже широкою, і всіх валентних електронів не вистачає для її повного заповнення.

Принципова особливість такої частково заповненої зони полягає в тому, що навіть при мінімальному доданому напрузі в зразку починається перебудова валентних електронів, тобто тече електричний струм.

Та ж висока рухливість електронів призводить і до високої теплопровідності, а також до здатності дзеркально відображати електромагнітне випромінювання (що і додає металам характерний блиск).


3.1. Деякі метали

  1. Лужні :
  2. Лужноземельні :
  3. Перехідні :
  4. Легкі :
  5. Інші:

4. Застосування металів

4.1. Конструкційні матеріали

Метали та їх сплави - ​​одні з головних конструкційних матеріалів сучасної цивілізації. Це визначається передусім їх високою міцністю, однорідністю і непроникністю для рідин і газів. Крім того, змінюючи рецептуру сплавів, можна змінювати їх властивості в дуже широких межах.

4.2. Електротехнічні матеріали

Метали використовуються як в якості хороших провідників електрики (мідь, алюміній), так і в якості матеріалів з ​​підвищеним опором для резисторів та електронагрівальних елементів ( ніхром і т. п.).

4.3. Інструментальні матеріали

Метали та їх сплави широко застосовуються для виготовлення інструментів (їх робочої частини). В основному це інструментальні стали і тверді сплави. Як інструментальних матеріалів застосовуються також алмаз, нітрид бору, кераміка.

Примітки


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Чорні метали
Важкі метали
Монетні метали
Благородні метали
Тугоплавкі метали
Пост-метали
Перехідні метали
Лужноземельні метали
Лужні метали
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru