Metali

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Metali su jedan od najčešćih materijala koje je civilizacija koristila kroz većinu svoje povijesti .

Metali (od latinskog metallum - rudnik, rudnik) su skupina kemijskih elemenata koji u obliku jednostavnih tvari u normalnim uvjetima imaju karakteristična metalna svojstva , kao što su visoka toplinska i električna vodljivost , pozitivni temperaturni koeficijent otpora , visoka plastičnost , duktilnost i metalni sjaj.

Klasifikacija

Od 118 kemijskih elemenata otkrivenih za 2019., često se spominju metali (ne postoji jedinstvena općenito prihvaćena kemijska definicija, na primjer, polumetali i poluvodiči nisu uvijek klasificirani kao metali):

6 elemenata u skupini alkalnih metala : Li , Na , K , Rb , Cs , Fr ;

4 u skupini zemnoalkalijskih metala : Ca , Sr , Ba , Ra ; kao i Mg i Be ;

38 u skupini prijelaznih metala :

- Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn;
- Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd;
- Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg;
- Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn;

7 u skupini lakih metala : Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi;

7 u skupini polumetala [1] : B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po;

14 u skupini lantanida + lantan (La):
Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu;

14 u skupini aktinida (fizička svojstva nisu proučavana za sve elemente) + aktinij (Ac):
Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, Ne, Lr.

Vodik također ima metalna svojstva u standardnim uvjetima [2] [3] , ali budući da se njegova metalna svojstva očituju u standardnim, a ne normalnim uvjetima, on se ne klasificira kao metal.

Dakle, više od 90 svih otkrivenih elemenata može pripadati metalima.

U astrofizici, pojam "metal" može imati drugačije značenje i označavati sve kemijske elemente teže od helija (vidi Metaličnost ) .

Osim toga, u fizici se metali, kao vodiči , suprotstavljaju poluvodičima i dielektricima (vidi također Polumetal (spintronika) ) [4] .

Neke skupine / obitelji metala (prema različitim klasifikacijama)

Metali po kemijskim svojstvima
Metali prema fizičkim svojstvima i djelatnostima

Podrijetlo riječi "metal"

Riječ " metal " posuđena je iz njemačkog jezika . Zabilježeno je u "Travniku" Nikolaja Ljubčanina, napisanom 1534. godine: " ...zlato i srebro pobjeđuju sve metale ." Konačno je svladana u petrovsko doba. Izvorno je imao opće značenje " mineral , ruda , metal"; diferencijacija ovih koncepata dogodila se u doba MV Lomonosova [5] .

" Lagano tijelo koje se može kovati naziva se metal. Nalazimo samo šest takvih tijela: zlato, srebro, bakar, kositar, željezo i olovo. Dijele se na visoke i jednostavne metale; koja se razlika sastoji u tome što se oni visoki ne mogu samo jednom vatrom spaliti u pepeo bez pomoći drugih stvari, nego se naprotiv, jednostavni, kroz jednu jedinu silu, pretvaraju u pepeo.
...
Arsen, antimon, bizmut, cink i živa cijenjeni su kao polumetali.
M. V. Lomonosov
"

Njemačka riječ „Metall” posuđena je iz latinskog jezika , gdje „METALLUM” značimina , metal”. Latinski je pak posuđen iz grčkog jezika ( μεταλλον - " moj , moj "). [6]

Biti u prirodi

Većina metala prisutna je u prirodi u obliku ruda i spojeva. Tvore okside , sulfide , karbonate i druge kemijske spojeve. Za dobivanje čistih metala i njihovu daljnju upotrebu potrebno ih je odvojiti od ruda i pročistiti. Ako je potrebno, izvršite legiranje i drugu obradu metala. Znanost metalurgije to proučava. Metalurgija razlikuje rude crnih metala (na bazi željeza ) i rude obojenih (ne uključuju željezo, samo oko 70 kemijskih elemenata). Zlato, srebro i platina također su plemeniti (plemeniti) metali . Osim toga, prisutni su u malim količinama u morskoj vodi i u živim organizmima (imaju važnu ulogu u tome).

Poznato je da je ljudsko tijelo 3% sastavljeno od metala [7] . Većina tijela sadrži kalcij (u kostima ) i natrij , koji djeluje kao elektrolit u međustaničnoj tekućini i citoplazmi. Magnezij se nakuplja u mišićima i živčanom sustavu , bakar u jetri , a željezo u krvi .

Proizvodnja metala

Priprema rude

Metali se izvlače iz zemlje tijekom procesa rudarenja . Iskopane rude su relativno bogat izvor esencijalnih elemenata. Kako bi se saznalo mjesto ruda uzemljinoj kori , koriste se posebne metode istraživanja, uključujući istraživanje i proučavanje rudnih ležišta. Rude depoziti su razvijeni od strane otvorenog - jama ili otvoren - pit rudarstva i podzemnim ili mina metoda. Ponekad se koristi kombinirana (otvoreno-podzemna) metoda izrade rudnih ležišta.

Nakon vađenja ruda, oni su obično izloženi obogaćivanje . Tako se iz početne mineralne sirovine izdvaja jedna ili više korisnih komponenti - koncentrat (e) rude , srednja smjesa i otpadni ostaci . U procesima obogaćivanja koriste se razlike između minerala korisne komponente i otpadne stijene u gustoći, magnetskoj osjetljivosti, vlaženju, električnoj vodljivosti, veličini, obliku zrna, kemijskim svojstvima itd.

Rad s rudom

Metali se dobivaju iz iskopane i oplemenjene rude, obično kemijskom ili elektrolitičkom redukcijom. U pirometalurgiji se visoke temperature koriste za pretvaranje rude u metalne sirovine, u hidrometalurgiji se za iste svrhe koristi kemija vode. Metode koje se koriste ovise o vrsti metala i vrsti onečišćenja.

Kada je metalna ruda ionski spoj metala i nemetala, obično se topi - zagrijava s redukcijskim sredstvom - da se dobije čisti metal. Mnogi uobičajeni metali kao što su željezo , bakar i kositar se tope koristeći ugljik kao redukcijsko sredstvo. Neki metali, kao što su aluminij i natrij , nemaju ekonomski isplativo redukcijsko sredstvo i dobivaju se elektrolizom . [8] [9]

Sulfidne rude se ne rafiniraju izravno u čisti metal, već se prže na zraku kako bi se pretvorile u okside.

Fizička svojstva metala

Tvrdoća

Svi metali (osim žive i, konvencionalno, Francuske ) su učvrstom stanju u normalnim uvjetima , ali imaju različitu tvrdoću . Donja tablica prikazuje Mohsovu tvrdoću nekih metala.

Mohsova tvrdoća nekih metala: [10]
Tvrdoća Metal
0.2 cezij
0.3 Rubidij
0.4 Kalij
0.5 Natrij
0.6 litij
1.2 indija
1.2 talij
1.25 Barij
1.5 Stroncij
1.5 Galij
1.5 Kositar
1.5 voditi
1.5 Merkur (tv.)
1.75 Kalcij
2.0 kadmij
2.25 Bizmut
2.5 Magnezij
2.5 Cinkov
2.5 Lantan
2.5 Srebro
2.5 Zlato
2.59 itrij
2.75 Aluminij
3.0 Bakar
3.0 Antimon
3.0 torij
3.17 skandij
3.5 Platina
3.75 Kobalt
3.75 Paladij
3.75 cirkonij
4.0 Željezo
4.0 Nikla
4.0 Hafnij
4.0 Mangan
4.5 vanadij
4.5 Molibden
4.5 rodij
4.5 titanijum
4.75 Niobij
5.0 Iridij
5.0 Rutenij
5.0 Tantal
5.0 Tehnecij
5.0 Krom
5.5 Berilijum
5.5 osmij
5.5 renij
6.0 Volfram
6.0 β-Uran

Temperatura taljenja

Točke taljenja čistih metala kreću se od -39 °C (živa) do 3410 °C ( volfram ). Većina metala (osim lužina) ima visoku točku taljenja, ali neki metali, kao što su kositar i olovo , mogu se rastopiti na konvencionalnom električnom ili plinskom štednjaku .

Gustoća

Ovisno o gustoći , metali se dijele na lagane (gustoća 0,53 ÷ 5 g / cm³) i teške (5 ÷ 22,5 g / cm³). Najlakši metal je litij (gustoća 0,53 g/cm³). Trenutno je nemoguće imenovati najteži metal, budući da su gustoće osmija i iridija - dva najteža metala - gotovo jednake (oko 22,6 g / cm³ - točno dvostruko više od gustoće olova), a iznimno je teško izračunati njihovu točna gustoća: jer je potrebno potpuno pročistiti metale, jer sve nečistoće smanjuju njihovu gustoću.

Plastični

Većina metala je duktilna, što znači da se metalne žice mogu saviti bez lomljenja. To je zbog pomicanja slojeva atoma metala bez prekida veze između njih. Najduktilnije su zlato, srebro i bakar . Folija debljine 0,003 mm može se izraditi od zlata koje se koristi za pozlatu proizvoda. Međutim, nisu svi metali duktilni. Žica od cinka ili kositra škripi kada se savija; mangan i bizmut se uopće ne savijaju tijekom deformacije , već se odmah lome . Plastičnost također ovisi o čistoći metala; tako da je vrlo čisti krom vrlo duktilan, ali, kontaminiran čak i manjim nečistoćama, postaje krhak i tvrđi. Neki metali, kao što su zlato, srebro, olovo, aluminij, osmij, mogu rasti zajedno, ali to može potrajati desetljećima.

Električna provodljivost

Sve [ izvor nespecificiran 241 dan ] metali su dobri električni vodiči ; to je zbog prisutnosti u njihovim kristalnim rešetkama pokretnih elektrona koji se kreću pod djelovanjem električnog polja . Srebro, bakar i aluminij imaju najveću električnu vodljivost ; iz tog razloga se posljednja dva metala najčešće koriste kao žičani materijal. Natrij također ima vrlo visoku električnu vodljivost; u eksperimentalnoj opremi su poznati pokušaji korištenja natrijevih strujnih vodiča u obliku tankozidnih cijevi od nehrđajućeg čelika ispunjenih natrijem. Zbog male specifične težine natrija, s jednakim otporom, natrijeve "žice" su puno lakše od bakrenih, pa čak i nešto lakše od aluminijskih.

Toplinska vodljivost

Visoka toplinska vodljivost metala također ovisi o pokretljivosti slobodnih elektrona. Stoga je niz toplinskih vodljivosti sličan nizu električnih vodljivosti, a najbolji vodič topline, kao i elektriciteta, je srebro. Natrij se također koristi kao dobar provodnik topline; nadaleko je poznata, primjerice, upotreba natrija u ventilima automobilskih motora za poboljšanje njihovog hlađenja.

Najnižu toplinsku vodljivost imaju bizmut i živa.

Boja

Boja većine metala je približno ista - svijetlo siva s plavkastom nijansom. Zlato, bakar i cezij su žuti, crveni i svijetložuti. Osmij ima izrazitu plavu boju.

Interakcija s jednostavnim tvarima

Na vanjskoj elektronskoj razini većina metala ima mali broj elektrona (1-3), pa u većini reakcija djeluju kao redukcijski agensi (odnosno "odustaju" svoje elektrone).

Reakcije s jednostavnim tvarima

  • Svi metali reagiraju s kisikom , osim metala zlata i platine. Reakcija sa srebrom odvija se pri visokim temperaturama, ali srebrni (II) oksid praktički ne nastaje, jer je toplinski nestabilan. Ovisno o metalu, izlaz može sadržavati okside , perokside , superokside :
litijev oksid
natrijev peroksid
kalijev superoksid

Za dobivanje oksida iz peroksida, peroksid se reducira metalom:

Kod metala srednje i niske aktivnosti reakcija se događa kada se zagrijava:

  • Samo najaktivniji metali reagiraju s dušikom, samo litij reagira na sobnoj temperaturi, stvarajući nitride :

Kada se zagrije:

  • Svi metali reagiraju sa sumporom, osim zlata i platine.

Željezo reagira sa sumporom kada se zagrije u sulfid :

  • S vodikom reagiraju samo najaktivniji metali, odnosno metali skupine IA i IIA, osim Be. Reakcije se provode zagrijavanjem i nastaju hidridi . U reakcijama metal djeluje kao redukcijsko sredstvo, oksidacijsko stanje vodika je -1:

Interakcija kiselina s metalima

Metali reagiraju s kiselinama na različite načine. Metali koji se nalaze u elektrokemijskom rasponu aktivnosti metala (ERAM) do vodika stupaju u interakciju s gotovo svim kiselinama.

Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Взаимодействие концентрированной серной кислоты H 2 SO 4 с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Сильно разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Реакции для азотной кислоты (HNO 3 )

Продукты взаимодействия железа с HNO 3 разной концентрации

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:

Легирование

Легирование — это введение в расплав дополнительных элементов, модифицирующих механические, физические и химические свойства основного материала.

Электронное строение

Все металлы имеют слабую связь валентных электронов ( электронов внешнего энергетического уровня) с ядром . Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости ) в кристаллической решётке . Совокупность таких электронов часто называют электронным газом . Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по ряду активности металлов . Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами ( сплав , важнейшим из которых является сталь ), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику . Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны , причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной . Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, то есть течёт электрический ток .

Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск).

Структура металлов

Кристаллическая структура сплавов
Вакансия в кристаллической решётке
Образование дендритов

Ни один металл невозможно приготовить в абсолютно чистом состоянии. Технически «чистые» металлы могут содержать до нескольких процентов примесей, и если эти примеси являются элементами с низким атомным весом (например, углерод , азот или кислород ), то в пересчёте на атомные проценты содержание этих примесей может быть очень большим. Первые небольшие количества примесей в металле обычно входят в кристалл в виде твёрдого раствора. Можно выделить два главных типа твёрдых растворов :

  • первый, когда атомы примеси намного меньше атомов металла-растворителя, растворённые атомы располагаются в решётке растворителя по междоузлиям, или «пустотам». Образование таких твёрдых растворов — твёрдых растворов внедрения — почти всегда сопровождается расширением решётки растворителя, и в окрестности каждого растворённого атома имеется локальное искажение решётки;
  • второй, когда атомы примеси и растворителя имеют приблизительно одинаковые размеры, образуется твёрдый раствор замещения, в котором атомы растворённого элемента замещают атомы растворителя, так что атомы обоих сортов занимают места в узлах общей решётки. В таких случаях тоже вокруг каждого растворённого атома имеется искажённая область, а будет ли при этом решётка расширяться или сжиматься, зависит от относительных размеров атомов растворителя и растворённого вещества [11] .

Для большей части металлов наиболее важными элементами, образующими твёрдые растворы внедрения, являются водород, бор, углерод, азот и кислород. Присутствие дислокаций всегда приводит к появлению аномально больших или малых межатомных расстояний. В присутствии примесей каждая дислокация окружена «атмосферой» примесных атомов. Примесные атмосферы «закрепляют» дислокации, потому что в результате перемещения дислокаций будет образовываться новая конфигурация с повышенной энергией. Границы между кристаллами также являются областями с аномальными межатомными расстояниями и, следовательно, тоже растворяют примесные атомы легче, чем неискажённые области кристаллов.

При увеличении содержания примесей растворённые атомы входят и в основную массу кристалла, однако всё ещё имеется избыток примеси по границам зёрен и вокруг дислокаций. Когда содержание примеси превышает предел растворимости, появляется новая фаза, которая может представлять собой или растворённое вещество, или промежуточную фазу, или соединение. В таких случаях границы между фазами могут быть двух родов. В общем случае кристаллическая структура частичек примеси слишком отлична от структуры металла-растворителя, поэтому решётки двух фаз не могут переходить одна в другую, образуя непрерывную структуру. В таких случаях на границах раздела фаз образуются слои с нерегулярной (искажённой) структурой. С образованием границ связано появление свободной поверхностной энергии, однако энергия деформации решётки растворителя относительно невелика. В таких случаях говорят, что эти частицы выделяются некогерентно.

B ряде случаев межатомные расстояния и кристаллическая структура металла-растворителя и частичек примеси таковы, что некоторые плоскости могут соединяться между собой, образуя непрерывную структуру. Тогда говорят, что частицы второй фазы выделяются когерентно и, поскольку сопряжение решёток никогда не бывает абсолютно точным, вокруг границы образуется сильно напряжённая область. В тех случаях, когда энергия деформации слишком велика для этого, соседние кристаллы могут контактировать таким образом, что при этом в пограничных слоях возникают области упругой деформации, а на самой границе раздела — дислокации. В таких случаях говорят, что частицы выделяются полукогерентно [12] .

При повышении температуры вследствие увеличения амплитуды колебаний атомов может образоваться дефект кристаллической решётки, который называют вакансия или «дырка». Диффузия вакансий является одним из механизмов образования дислокаций [13] .

Как правило, кристаллизация металла происходит путём переохлаждения с образованием дендритной структуры . По мере разрастания дендритные кристаллы соприкасаются, при этом образуются различные дефекты структуры. В большинстве случаев металл затвердевает так, что первая порция кристаллов содержит меньше примесей, чем последующие. Поэтому, как правило, примеси концентрируются на границах зёрен, образуя стабильные структуры [14] .

Применение металлов

Конструкционные материалы

Металлы и их сплавы — одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется, прежде всего, их высокой прочностью , однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов . Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Электротехнические материалы

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов ( нихром и т. п.).

Инструментальные материалы

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном, это инструментальные стали и твёрдые сплавы . В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз , нитрид бора , керамика .

История развития представлений о металлах

Знакомство человека с металлами началось с золота , серебра и меди , то есть с металлов, встречающихся в свободном состоянии на земной поверхности; впоследствии к ним присоединились металлы, значительно распространенные в природе и легко выделяемые из их соединений: олово , свинец , железо и ртуть . Эти семь металлов были знакомы человечеству в глубокой древности. Среди древнеегипетских артефактов встречаются золотые и медные изделия, которые, по некоторым данным, относятся к эпохе, удаленной на 3000—4000 лет от н. э.

К семи известным металлам уже только в средние века прибавились цинк , висмут , сурьма и в начале XVIII столетия мышьяк . С середины XVIII века число открытых металлов быстро возрастает и к началу XX столетия доходит до 65, а к началу XXI века — до 96.

Ни одно из химических производств не способствовало столько развитию химических знаний, как процессы, связанные с получением и обработкой металлов; с историей их связаны важнейшие моменты истории химии. Свойства металлов так характерны, что уже в самую раннюю эпоху золото, серебро, медь, свинец, олово, железо и ртуть составляли одну естественную группу однородных веществ, и понятие о «металле» относится к древнейшим химическим понятиям. Однако воззрения на их натуру в более или менее определенной форме появляются только в средние века у алхимиков . Правда, идеи Аристотеля о природе: образования всего существующего из четырёх элементов (огня, земли, воды и воздуха) уже тем самым указывали на сложность металлов; но эти идеи были слишком туманны и абстрактны. У алхимиков понятие о сложности металлов и, как результат этого, вера в возможность превращать одни металлы в другие, создавать их искусственно, является основным понятием их миросозерцания.

Лишь Лавуазье выяснил роль воздуха при горении и показал, что прибыль в весе металлов при обжигании происходит от присоединения к металлам кислорода из воздуха, и таким образом установил, что акт горения металлов есть не распадение на элементы, а, напротив, акт соединения, вопрос о сложности металлов был решен отрицательно. Металлы были отнесены к простым химическим элементам, в силу основной идеи Лавуазье, что простые тела суть те, из которых не удалось выделить других тел. С созданием периодической системы химических элементов Менделеевым элементы металлов заняли в ней своё законное место.

См. также

Примечания

  1. Строго говоря из-за амфотерности химических свойств полуметаллы ( металлоиды ) представляют собой обособленную группу, не относясь ни к металлам, ни к неметаллам; К группе металлов их можно отнести лишь условно.
  2. Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen (англ.) // Science. — 2017-01-26. — P. eaal1579 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . — doi : 10.1126/science.aal1579 .
  3. In, Geology . Scientists Have Finally Created Metallic Hydrogen , Geology IN . Дата обращения 28 января 2017.
  4. Металлы // Энциклопедический словарь юного физика. / Сост. В. А. Чуянов. — М.: Педагогика, 1984. — с. 165—167 . — 352 с.
  5. Ломоносов М. В. Основы металлургии и горного дела. — Санкт-Петербург: Императорская Академия Наук, 1763. — 416 с.
  6. Этимологический словарь русского языка. Вып. 10: М / Под общей редакцией А. Ф. Журавлёва и Н. М. Шанского. — М.: Изд-во МГУ, 2007. — 400 с. ISBN 978-5-211-05375-5
  7. Юрий Кукшкин. Химия вокруг нас
  8. (англ.) Los Alamos National Laboratory – Sodium . Дата обращения: 8 июня 2007. Архивировано 4 августа 2012 года.
  9. (англ.) Los Alamos National Laboratory – Aluminum . Дата обращения: 8 июня 2007. Архивировано 4 августа 2012 года.
  10. Поваренных А. С. Твердость минералов. — АН СССР, 1963. — С. 197—208. — 304 с.
  11. Юм-Розери, 1965 , с. 92.
  12. Юм-Розери, 1965 , с. 93—94.
  13. Юм-Розери, 1965 , с. 97.
  14. Юм-Розери, 1965 , с. 103.

Литература

Ссылки