Металлы

Под понятием металлы подразумеваю группу химических элементов, которые располагаются в периодической таблице Д.И. Менделеева слева и ниже разделительной линии от бора до астата. Кроме того металлами принято называть вещества в чистом виде, которые обладают блестящим внешним видом, проводят тепло и электричество, обладают пластичностью и ковкостью.

Основные свойства металлов

К основным свойствам металлов относятся:

• Повышенная способность к пластическим деформациям;
• Способность выпускать электроны при нагреве;
• Высокая электро- и теплопроводность;
• Металлический блеск;
• Хорошая отражательная способность;
• Положительный температурный коэффициент электросопротивления;

Все вышеперечисленные свойства обусловленны молекулярным строением и химическими связями свободнодвижущихся электронов, которые принято называть металлическими связями. Данные связи образуют так называемую кристаллическую решетку(у каждого элемента своя), которая и определяет свойства того или иного металла или сплава.

Классификация металлов

Вся современная классификация сводится к тому, что при определенных обстоятельствах металлами могут стать  многие химические элементы(например водород при высоком давлении или в составе сплавов). Именно по этой причине как такового определения металлов в современной химии нет. Понятия, которые приводятся во многих учебных пособиях можно называть условными. Из 118 химических элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева к металлам и полуметаллам(металлоиды) относят свыше 90 экземляров.

Согласно общепринятым утверждениям металлы делятся на 7 групп:

1. актиноиды;
2. легкие металлы;
3. щелочные металлы;
4. щелочноземельные металлы;
5. полуметаллы;
6. переходные металлы;
7. лантаноиды;

Актиноиды представляет собой семейство металлов состоящих из 15 радиоактивных элементов III группы 7-го периода периодической системы с атомными номерами 89 – 103. Актиноидами являются актиний (Ac), торий (Th), протактиний (Pa), уран (U), нептуний (Np), плутоний (Pu), америций (Am), кюрий (Cm), берклий (Bk), калифорний (Cf), эйнштейний (Es), фермий (Fm), менделевий (Md), нобелий (No), лоуренсий (Lr). Все вышеперечисленные элементы имеют преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

Легкие металлы как группа представляют собой набор 7 химических элементов в составе алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In), олово (Sn), таллий (Tl), свинец (Pb) и висмут (Bi);

Группу щелочных металлов составляют 6 химических элементов первой группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Они включают в себя литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щелочами.

Щелочноземельные металлы представляют химические элементы второй группы периодической таблицы. К таковым относятся 6 элементов в числе которых бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra).

Полуметаллы  (металлоиды) представляют собой группу химических элементов, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. В число полуметаллов входят 7 химических элементов включая бор (B), кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), сурьма (Sb), полоний (Po) и теллур (Te).

Переходные металлы составляют самую обширную группу и представляют элементы побочных подгрупп, в атомах которых появляются электроны на d- и f-орбиталях. В их число входят такие химические элементы как скандий (Sc), титан (Ti), ванадий (V), хром (Cr), марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), медь (Cu), цинк (Zn), иттрий (Y), цирконий (Zr), ниобий (Nb), молибден (Mo), технеций (Tc), рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Pd), серебро (Ag), кадмий (Cd), гафний (Hf), тантал (Ta), вольфрам (W), рений (Re), осмий (Os), иридий (Ir), платина (Pt), золото (Au), ртуть (Hg), резерфордий (Rf), дубний (Db), сиборгий (Sg), борий (Bh), хассий (Hs), мейтнерий (Mt), дармштадтий (Ds), рентгений (Rg) и коперниций (Cn);

Группу лантаноидов составляют химические элементы III группы 6-го периода с номерами от 57 до 71. В число данных химических элементов входят лантан (La), церий (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометий (Pm), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Yb) и лютеций (Lu).

Таким образом в современной периодической таблице 94 химических элемента составляют группу металлы, в которую в ближайшей перспективе добавятся новые экземпляры.

Основные характеристики металлов

Характеристики имеют решающее значение в практическом применении металлов в различного рода областях. Сегодня большая доля открытых металлических элементов изучены достаточно хорошо и занимают свою нишу в мировом производстве. К примеру железо, благодаря своей твердости и жаропрочности, используется в металлургии в качестве основного компонента металлических изделий, а такие элементы как кобальт, никель и марганец используются для улучшения характеристик железа(прочности и жесткости) в качестве присадок. С другой стороны литий является одним из главных компонентов в производстве аккумуляторов, благодаря своим химическим особенностям. Медь и алюминий из-за своей электропроводности и способности деформироваться без разрушений используются для изготовления проводки для электричества. В общем областей для применения металлов большое множество, но основой для любого применения остаются химические и физические характеристики, которые наиболее целесообразно применить в той или иной области.

К основным характеристикам металлов относят:

• плотность;
• температура плавления;
• температура кипения;
• твердость по шкале Мооса;
• электропроводность;
• теплопроводность;
• Электроотрицательность;

---

Плотность ρ в физическом смысле представляет собой массу вещества на единицу объема и измеряется как правило в г/см³. В практическом плане  плотность обычно оценивается как нечто относительное. В пример можно привести воду: если плотность материала меньше плотности воды – материал будет плавать в воде, а если больше – пойдет ко дну.

---

Температура плавления T_плпредставляет собой температуру при которой материал находится в равновесии между твердым и  жидким состоянием. Данная характеристика указывается при нормальном давлении, которое составляет 1013 гектопаскалей (гПа) и измеряется либо в градусах Цельсия (°C), либо в Кельвинах (К). Главным практическим смысловым фактором  является температура при которой вещество способно находиться в твердом или жидком состоянии в зависимости от конкретных требований.

---

Температура кипения T_кпредставляет собой температуру при которой материал находится в равновесии между жидким и газообразным состоянием. С физической точки зрения данная величина представляет температуру при которой давление паров жидкости, равняется давлению окружающему жидкость и последняя превращается в пар. Измерения проводят нормальном давлении 1013 гектопаскалей(гПа) и измеряется в градусах Цельсия (°C), либо в Кельвинах (К).

---

Твердость по шкале Мооса представляет собой относительную величину поверхностной твердости материала по десятибальной шкале. Сама шкала состоит из 10 эталонных минералов, абсолютная твердость ( числовое значение в скобках измерено склерометром) которых располагается по возрастанию:

1. тальк (1);
2. гипс (3);
3. кальцит (9);
4. флюорит(21);
5. апатит (48);
6. ортоклаз (72);
7. кварц (100);
8. топаз (200);
9. корунд (400);
10. алмаз (1600);

Смысловая нагрузка шкалы Мооса состоит в том, что если испытуемый материал царапает эталонный образец — твердость материала выше, а если наооборот — ниже.

---

Электропроводность представляет собой способность материала проводить электрический ток. Обычно он обозначается греческой буквой σ и измеряется в сименсах на метр (См/м) и указывает насколько хорошо подопытный материал проводит электрический ток. Данная физическая величина является обратной электрическому сопротивлению.

---

Теплопроводность является физической величиной, которая определяет количество тепла способное пропускать через себя испытуемый материал. Фактически данная величина показывает, насколько хорошо материал проводит тепло или насколько хорошо он пригоден для теплоизоляции. Чем ниже значение теплопроводности, тем лучше теплоизоляция. В качестве единиц измерения теплопроводности выступает Ватт/(метр*Кельвин).

---

Электроотрицательность χ является химической характеристикой вещества, которая показывает способность атомов элементов притягивать общие электроны при образовании химических связей. Чем выше показатель связанной электроотрицательности, тем больше атом или группа заместителя притягивает электроны. Другими словами данная характеристика является простым количественным показателем силы химической связи элементов.

Сплавы металлов

Сплавы являются важными веществами, которые получают методом сплавления или спекания одного или нескольких химических элементов из группы металлов с другими элементами для достижения определенных химических или физических характеристик. Сплав считается металлическим, если в его основе металлические компоненты составляют не менее 50%. Основными характеристиками которые улучшают с помощью сплавообразования являются твердость, прочность и коррозионная стойкость материала.

Основу мирового производства составляет производство различного рода сталей, в числе которых легированная сталь, инструментальная сталь, углеродистая сталь и нержавеющая сталь. Кроме вышеперечисленных сталей очень большими масштабами осуществляется производство медных сплавов, сплавов алюминия, магния, титана и чугуна. Самым известным медным сплавом и первым сплавом в истории человечества является бронза. По химическому составу она представляет собой соединение меди (80 — 95%) и олова (5 — 20%).

Кроме всего вышеперечисленного имеется еще такое понятие как суперсплавы. Они представляют собой металлические сплавы обладающий превосходной механической прочностью и хорошей устойчивостью к ползучести при высоких температурах (обычно в 0,7–0,8 раза превышающей температуру плавления ), а так же хорошей поверхностной стабильностью и устойчивостью к коррозии. Суперсплавы обычно представляют собой соединения, которые могут содержать более десятка различных компонентов и применяются в высокотехнологичных устройствах. К таким устройствам относятся компоненты реактивных двигателей для космических кораблей, турбины летательных аппаратов, корпус подводной лодки и многое другое.

Важные характеристики некоторых металлов и сплавов