1.1 Властивості  металів

 

                Більшість металів характеризуються специфічним блиском, ковкістю, високою електро- і теплопровідністю. Ці ознаки, властиві більшості металів, не завжди достатні для чіткого поділу простих речовин на метали і неметали, між якими зовсім немає різкої межі.

                Метали складаються з геометрично правильних кристалів, кожному металу властива певна структура кристалічної ґратки. У вузлах ґраток знаходяться іони, що постійно коливаються, і атоми металу. Електрони деяких атомів слабо зв'язані з ядром, вони відриваються і повертаються знову. При цьому атоми перетворюються на іони, а іони - в атоми.

                У результаті можна сказати, що у кристалічній ґратці металів знаходяться атоми і іони, а між ними вільно і безладно переміщаються вільні електрони. На рис. 1.1 показана схема кристалічної ґратки металів, а на рис. 1.2 наведені її типи, що найбільш часто зустрічаються.

 

                На атоми і іони у вузлах кристалічної гратки діють сили взаємного тяжіння і відштовхування. Амплітуди коливання іонів і атомів залежать від температури і зростають з нею. При температурі плавлення амплітуди коливань такі великі, що ґратки руйнуються: атоми й іони втрачають свої постійні місця і переходять в безладний рух, властивий рідкому стану. Зв'язок між іонами і електронами називають металевим, а між атомами – ковалентним. Від співвідношення цих видів хімічного зв'язку залежить кількість блукаючих електронів. Чим більша ця кількість, тим яскравіше виражені металеві властивості елементів.

                Міцністю металевого зв'язку пояснюються багато фізичних і механічних властивостей металів, показники яких наведені у табл. 1.1.

                Зовнішні механічні дії на метал викликають зрушення шарів  кристалічної  ґратки, проте  зв'язок  між   іонами   і електронами   при   цьому не  порушується через вільну рухливість електронів. З цієї причини метали міцні і пластичні, вони змінюють форму, не втрачають міцності. У міді і золоті багато вільних електронів, металевий зв'язок значно переважає над ковалентним –  ці  метали  пластичні,  ковкі, в'язкі. У сурми і вісмуту вільних електронів порівняно мало, тому вони крихкі.

                Свобода переміщення електронів у просторі між вузлами кристалічної гратки пояснює високу електропровідність металів, при накладенні потенціалу рух електронів легко переходить з безладного у направлений. З підвищенням температури амплітуди коливання іонів і атомів наростають, рухливості електронів від цього важко, і електропровідність металів знижується. При температурах, близьких до абсолютного нуля, коливання у вузлах ґраток майже згасають, і електропровідність різко збільшується. Електроопір деяких металів  при температурах,  близьких  до  00 К, зникаюче мало (надпровідність). Домішки, навіть у малих кількостях, порушують будову кристалічної гратки, утрудняють переміщення електронів і цим знижують електропровідність.

                Теплопровідність металів – результат руху електронів, а також коливань іонів і атомів. Із цього зрозуміло, чому електропровідність і теплопровідність металів – властивості, що паралельно змінюються. У більшості випадків найбільш електропровідні метали характеризуються і високою теплопровідністю.    Таблиця 1.1 - Фізичні та механічні властивості найважливіших металів

 

 

 

                При нагріванні металів може початися викидання електронів. Цей термоелектричний ефект залежить від температури і особливостей будови ґраток. У деяких металів він особливо великий і тому використовується в електроніці.

                Рідкі метали відрізняються від твердих порівняно малим зв'язком між атомами і іонами. Але свобода руху електронів і тут збережена, тому рідкі метали також електропровідні і теплопровідні.

                Іноді один і той самий метал при різних температурах має різні кристалічні ґратки. Перехід з однієї кристалічної системи в іншу (поліморфне перетворення) змінює відстань між вузлами ґраток і їх розташування, він істотно відбивається і на властивостях поліморфних модифікацій. Наприклад олово, відоме при звичайних температурах як пластичний блискучий метал з щільністю 7,29 г/см3 (β - модифікація), при температурах нижче 13,2° З, а особливо швидко – при переохолодженні перетворюється на сірий порошок з щільністю 5,85 г/см3 (α - модифікація).

                Багато металів взаємно розчинні в рідкому і твердому станах, деякі з них утворюють між собою хімічні сполуки (інтерметалеві з'єднання). Все це приводить до утворення інших кристалічних систем і широкої зміни властивостей. Мова йде про утворення сплавів, які відкривають широкий простір отримання нових цінних матеріалів з потрібними властивостями. У сучасній техніці застосовуються тисячі подвійних, потрійних і складніших металевих сплавів.

                У періодичній системі елементів Д.І.Менделєєва метали розміщені у всіх групах, окрім нульової і сьомої. У кожній із головних підгруп металеві властивості елементів посилюються зверху вниз, а в кожному із семи горизонтальних рядів вони слабшають зліва направо. Всі ці зміни властивостей закономірно пов’язані з електронною будовою атомів.

                Хімічну активність металів можна характеризувати положенням в електрохімічному ряді напруги, де метали розміщені в порядку наростання нормальних електрохімічних або електродних потенціалів. Нагадаємо, що величина нормального електрохімічного потенціалу, що виникає між металом і однополярным розчином його іонів, характеризує здатність металу віддавати електрон (окиснюватися), тобто бути відновником. Чим більша величина нормального електродного потенціалу, тим менша відновна здатність і хімічна активність металу. У ряді напруги кожен метал здатний витісняти правіші за нього метали з водних розчинів і сольових розплавів.

                Метали з негативними електрохімічними потенціалами легко схильні до окиснення, тому вони трапляються в природі тільки у вигляді хімічних сполук: оксидів, галогенідів, а також сульфідів, силікатів та інших солей. У міру підвищення потенціалу, а отже, і зниження хімічної активності вільний стан металів стає все більш стійким. Наприклад, мідь, срібло і ртуть знаходяться в природі не тільки у вигляді солей, але і у вільному стані, а золото і платина – переважно у вільному стані. Зв'язок між електродними потенціалами і деякими властивостями металів показаний в табл. 1.2.

                Періодична система елементів Д.І.Менделєєва дає чітку класифікацію металів за їх хімічними властивостями, але вона, природно, не відображає важливих для металургії особливостей виробництва і застосування металів. З цієї причини склалася промислова або технічна класифікація металів, що не має наукової  основи, але традиційно прийнята в технічній літературі і практиці.

                Залізо далеко випереджає всі інші метали за масштабами виробництва і застосування. Тому розрізняють «залізні метали» (залізо і його багатообразні сплави – чавуни і сталі) та інші «незалізні метали». У російській мові цьому відповідають прийняті назви «чорні» і «кольорові» метали.

                Кольорові метали, у свою чергу, поділяються за деякими умовними ознаками на ряд груп і підгруп (табл. 1.3).Таблиця 1.2 - Ряд напружень і деякі властивості металів

 

 

Таблиця 1.3 – Промислова класифікація металів