химический каталог




МЕТАЛЛЫ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

МЕТАЛЛЫ (от греческого metallon-первоначально, шахта, копи), вещества, обладающие в обычных условиях характерными, металлическими, свойствами-высокими электрический проводимостью и теплопроводностью, отрицат. температурным коэффициент электрический проводимости, способностью хорошо отражать световые волны (блеск), пластичностью. К металлам относятся как собственно металлы (простые вещества), так и их сплавы, металлические соединения, в том числе интерметаллиды. Иногда металлами называют все вещества, обладающие теми или иными металлич. свойствами, например так называемой "синтетические" металлы (см. Интеркалаты), металлы органические.

Ранее характерными признаками металлов считались блеск, пластичность и ковкость - "светлое тело, которое ковать можно" (М. В. Ломоносов). Но металлич. блеском обладают и некоторые неметаллы, например иод. Известны хрупкие металлы, хотя многие из них в результате тщательной очистки получены в пластичном состоянии. В настоящее время важнейшим признаком металлов признается отрицат. температурный коэффициент электрический проводимости, т.е. понижение электрический проводимости с ростом температуры. Из 109 элементов в периодической системе 86 относят к металлам. Граница между металлами и неметаллами в периодической таблице (в ее длинном варианте) проводится по диагонали от В до At. О некоторых элементах, например Ge, Sb, нет единого мнения, все же правильнее считать Ge неметаллом, так как он обладает полупроводниковыми свойствами, a Sb-металлом, хотя по физических свойствам сурьма -полуметалл.

Олово существует как в металлической (b-Sn), в полупроводниковой (a-Sn) модификации. С др. стороны, у Ge, Si, P и некоторых др. неметаллов при высоких давлениях обнаружены модификации с металлич. проводимостью. Можно предположить, что при достаточно высоких давлениях все вещества могут приобретать металлич. свойства. Поэтому вопрос об отнесении того или иного элемента к металлам или неметаллам следует, по-видимому, решать на основании рассмотрения не только физических свойств простого вещества, но и его химический свойств. Иногда для элементов, лежащих на границе между металлами и неметаллами, применяют термин "полуметаллы", хотя этот термин в химии теперь не рекомендуется.

В металлах существует металлическая связь, характеризующаяся тем, что кристаллич. решетка образована положит. ионами, тогда как валентные электроны делокализованы по всему пространству решетки. Металлы можно представить в виде остова из положит. ионов, погруженного в "электронный газ", который компенсирует силы взаимного отталкивания положит. ионов. Энергия этих делокализованных электронов-электронов проводимости - отвечает зоне проводимости. Согласно зонной теории, у металлов отсутствует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости (см. Твердое тело).

В кристаллах металлов атомы ионизированы лишь частично и часть валентных электронов остается связанной, в результате возможно появление частично ковалентных связей между соседними атомами. Прочность связи в кристаллич. структуре металлов характеризуется энтальпией атомизации, которая меняется от 61,4 кДж/молъ у Hg до 850 кДж/моль у W. Макс. энтальпия атомизации характерна для металлов рядов Nb-Ru и Hf-Ir. Относящиеся к ним металлы отличаются макс. температурами плавления и высокой механические прочностью.

Классификация металлов. Все металлы делятся на четыре группы (см. форзац): s-М. (все s-элементы, кроме Н и Не), р-М. (элементы гр. IIIа, кроме В, а также Sn, Рb, Sb, Bi, Ро), d-M. и f-М., которые объединяются под назв. "переходных" (см. Переходные элементы). МЕТАЛЛЫ первых двух групп иногда называют "простыми". Из этих групп выделяются некоторые более узкие группы: из s-М.- щелочные металлы и щелочноземельные элементы, из d-M.- платиновые металлы. Группа редкоземельных элементов включает как d-, так и f-М. (подгруппа Sc и лантаноиды).

Существует также, хотя и не общепринятая, техн. классификация металлов. В известной мере она перекликается с геохимическими классификациями элементов. Обычно выделяют следующей группы: черные металлы (Fe); тяжелые цветные металлы - Сu, Pb, Zn, Ni и Sn (к этой группе примыкают т.называют малые, или младшие, металлы - Со, Sb, Bi, Hg, Cd, некоторые из них иногда относят к редким металлам); легкие металлы (с плотностью менее 5 г/см3)-Аl, Mg, Ca и т.д.; драгоценные M.-Au, Ag и платиновые металлы; легирующие (или ферросплавные) металлы - Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и др.; редкие металлы (см. Редкие элементы), разбиваемые в свою очередь на несколько групп; радиоактивные M.-U, Th, Pu и др.

Кристаллическая структура. Большинство металлов кристаллизуется в одном из трех структурных типов (см. Металлические кристаллы), а именно-в кубич. и гексагoн. плот-нейших упаковках (см. Плотная упаковка)или в объем-ноцентрированной кубич. решетке. В плотнейших упаковках каждый атом на равных расстояниях имеет 12 ближайших соседей. В объемноцентрированной кубич. решетке у каждого атома 8 равноудаленных соседей, еще 6 соседей расположены на большем (на 15%) расстоянии. Поэтому ко-ординац. число в этой структуре считают равным 14 (8 + 6). Межатомные расстояния в кристаллич. структуре металлов характеризуются металлич. радиусом (см. Атомные радиусы).

При обычных условиях щелочные металлы, а также Ва, Ra, элементы подгрупп V и Сr кристаллизуются в объемно-центрированной кубич. решетке типа a-Fe. Плотнейшая кубич. упаковка (гранецентрированная кубич. решетка) типа Си характерна для Al, Ni, металлов подгруппы Сu, платиновых металлов (кроме Ru и Os) и т. д. В гексагoн. плотнейшей упаковке типа Mg кристаллизуются Be, Са, Sr, Zn, Cd, Co, Ru, Os, элементы подгрупп Ti и Sc, многие РЗЭ. Более сложными являются структуры различные модификаций Мn, Ра, U, трансурановых элементов.

Многие металлы претерпевают при изменении температуры или давления полиморфные превращения. Металлы, которые при низких температурах образуют плотнейшие упаковки, например Са, La, Zr, часто имеют высокотемпературные модификации с объемноцентрированной кубич. структурой.

При плавлении металлы сохраняют свои электрический, тепловые и оптический свойства. Вблизи температуры плавления в жидких металлах наблюдается примерно такой же ближний порядок, как и в кристаллических металлах. С повышением температуры ближний порядок нарушается вплоть до полного разупорядочения.

Физические свойства. Физ. свойства металлов меняются в очень широких пределах. Так, температура плавления изменяется от - 38,87 °С (Hg) до 3380 °С (W), плотность - от 0,531 г/см3 (Li) до 22,5 г/см3 (Os). Уд. электрический сопротивление р при 25 °С имеет значения от 1,63 (Ag) до 140 (Мn) мкОм.см. Сопротивление движению электронов (рассеяние электронов) возникает вследствие нарушения кристаллич. решетки из-за теплового движения атомов, а также дефектов (вакансий, дислокаций, примесных атомов). Мерой его является длина свободный пробега электрона. При комнатной температуре она равна ~ 10-6 см у металлов обычной чистоты и ~ 10-2 см у высокочистых. Температурный коэффициент р (в интервале 0-100°С) меняется в пределах 1,0.10-3 (Hg)-9,0.10-3 К-1 (Be). При гелиевых температурах (4,2 К) р практически не зависит от температуры (rост). Его измерение используют для характеристики чистоты и совершенства кристаллов металла. Чем больше отношение r273/r4,2, тем чище металл. В монокристаллах высокой чистоты оно достигает 104-105. Некоторые металлы при низких температурах становятся сверхпроводниками, при этом критической температура у чистых металлов от сотых долей до 9 К.

У металлов наблюдается термоэлектронная эмиссия (способность испускать электроны при высокой температуре). Эмиссия электронов возникает также под действием электромагн. излучения в видимой и УФ областях спектра (фотоэлектронная эмиссия), внешний электрический поля высокой напряженности (туннельная, или автоэлектронная, эмиссия), при бомбардировке поверхности металлов электронами (вторичная электронная эмиссия) или ионами (ионно-электронная эмиссия), при взаимодействие поверхности металла с плазмой (взрывная электронная эмиссия). Перепад температуры вызывает в металлах появление электрический тока (термоэдс).

Теплопроводность металлов обусловлена в основные движением электронов, поэтому удельная коэффициент теплопроводности () и электрический проводимости (s) металлов связаны между собой соотношением/(s•Т) = L = 2,45•10 -8 Вт•Ом/К2 (закон Виде мана-Франца). Уд. коэффициент теплопроводности металлов имеет значения от 425 (для Ag) до 8,41 (для Bi) Вт/(м-К).

Температурный коэффициент линейного расширения металлов в интервале 0-100°С имеет значения от 4,57.10-6 (для Os) до 10-4 K-1 (для Sr). Согласно эмпирическая правилу Грюнайзена, относит. увеличение объема металла в интервале от О К до температуры плавления приблизительно равно 0,06. Поэтому температурный коэффициент объемного расширения у тугоплавких металлов меньше, чем у легкоплавких.

У большинства металлов магн. восприимчивость по абс. величине сравнительно мала (~ 10-9) и слабо зависит от температуры. Среди металлов есть диамагнетики, например Bi (= — 1,34.10-9), и парамагнетики, причем все переходные металлы, кроме металлов I и II гр., парамагнитны. Некоторые из них при температурах точки Кюри переходят в магнитно-упорядоченное состояние. Металлы триады Fe, а также Gd и некоторые др. лантаноиды - ферромагнетики, тогда как Сr, Мn, большинство лантаноидов-антиферромагнетики.

Излучения оптический диапазона почти полностью отражаются поверхностью металлов, вследствие чего они непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском (порошки многие металлов матовые). Некоторые металлы, например Аu в виде тонкой фольги, просвечивают. Отраженный от поверхности металлов плоскополяризованный свет становится эллиптически поляризованным.

Для использования МЕТАЛЛЫ в качестве конструкц. материалов важнейшее значение имеет сочетание механические свойств - пластичности и вязкости с значительной прочностью, твердостью и упругостью. Эти свойства зависят не только от состава (чистоты металла), но и от совершенства кристаллич. решетки (наличия дефектов) и структуры, определяемых предварительной термодинамически и механические обработкой образца.

Мех. свойства реальных МЕТАЛЛЫ определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокаций, т. к. перемещение дислокаций по плоскостям кристаллич. решетки с наиболее плотной упаковкой является основные механизмом пластич. деформации МЕТАЛЛЫ Взаимод. дислокаций с другими дефектами увеличивает сопротивление пластич. деформации. В процессе деформации число дислокаций растет, соответственно растет и сопротивление деформации (деформационные упрочнение, или наклеп). Напряженное состояние и наклеп после деформации ликвидируются при отжиге. Рост напряжений в местах "сгущения" дислокаций вызывает зарождение трещин - очагов разрушения. Важнейшая характеристика механические свойств МЕТАЛЛЫ-модуль упругости Е (модуль Юнга). Предел текучести, т. е. сопротивление пластич. деформации, 10-3-10-4 Е.

Химические свойства. М. обладают низкими значениями первого потенциала ионизации и сродства к электрону. Вследствие этого в химический реакциях они выступают как доноры электронов (восстановители), а в соединение и их растворах образуют положительно заряженные ионы (в большинстве случаев аквакатионы). Электроотрицательности атомов МЕТАЛЛЫ ниже электроотрицательностей атомов неметаллов. МЕТАЛЛЫ могут входить в состав сложных анионов, например МnО-4, или ацидокомплексов, например [Fe(CN)6]4-, однако в них атомы МЕТАЛЛЫ всегда являются центрами положит. заряда. Только для некоторых МЕТАЛЛЫ, находящихся на границе с неметаллами, таких, как Sn, Po, Sb и т.п., известны соединение, например гидриды, в которых МЕТАЛЛЫ имеют формально отрицат. степень окисления. Но во всех этих соединение химический связь ковалентная.

Способность МЕТАЛЛЫ к окислению меняется в очень широких пределах. Большинство МЕТАЛЛЫ окисляется кислородом воздуха уже при обычной температуре, однако скорость и механизм реакции очень сильно зависят от природы МЕТАЛЛЫ В большинстве случаев при этом образуются оксиды, а у щелочных МЕТАЛЛЫ, кроме Li,-пepоксиды. Устойчивость МЕТАЛЛЫ на воздухе определяется свойствами образующегося оксида, в частности отношением молярных объемов Vокс/VM.. Если Vокс/VМ. > 1, на МЕТАЛЛЫ образуется защитная пленка, предохраняющая МЕТАЛЛЫ от дальнейшего окисления. Такая пленка характерна, например, для Al, Ti, Сr, которые устойчивы на воздухе, хотя и обладают высокой активностью. МЕТАЛЛЫ, для которых это отношение меньше 1 (например, щелочные), на воздухе неустойчивы.

СN2 реагирует ряд МЕТАЛЛЫ, например Li при обычной температуре , a Mg, Zr, Hf, Ti-при нагревании. Мн. МЕТАЛЛЫ активно взаимодействие с Н2, галогенами, халькогенами. Все МЕТАЛЛЫ, чьи стандартные электродные потенциалы отрицательнее, чем —0,413 В, окисляются водой с выделением Н2. Щелочные и щел.-зем. МЕТАЛЛЫ реагируют с водой при обычных температурах, а такие МЕТАЛЛЫ, как Zn или Fe, реагируют с водяным паром при высоких температурах. С растворами щелочей взаимодействие МЕТАЛЛЫ, образующие растворимые анионные гидроксокомплексы (Be, Zn, Al, Ga, Sn).

Большинство МЕТАЛЛЫ окисляется теми или иными кислотами. МЕТАЛЛЫ, имеющие отрицат. стандартные электродные потенциалы, т.е. стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, окисляются ионами Н+ и растворяются поэтому при действии неокисляющих кислот (соляная или разбавленый H2SO4), если не образуются нерастворимые продукты. Реакции способствует образование анионных комплексов. Азотная кислота, даже разбавленная, окисляет многие МЕТАЛЛЫ При этом, если ионы МЕТАЛЛЫ устойчивы в низших степенях окисления, образуются ка-тионные комплексы, если в высших, как в случае, например, Re,-анионные (ReO-4 ). Некоторые МЕТАЛЛЫ реагируют с разбавленый HNO3 и H2SO4 с образованием катионных комплексов и пас-сивируются в конц. растворах этих кислот. Для растворения малоактивных МЕТАЛЛЫ, например Аu или Pt, используют смеси, содержащие окислитель и поставщик лигандов для образования растворимых комплексов, таких, как, например, царская водка или смесь HNO3 с HF.

О взаимод, МЕТАЛЛЫ со средой, ведущем к разрушению МЕТАЛЛЫ, см. в ст. Коррозия металлов.

Важная характеристика металлич. элементов-их способность образовывать основные оксиды и соответственно гидроксиды. У МЕТАЛЛЫ главных подгрупп периодической системы основность оксидов и гидроксидов растет сверху вниз, в побочных подгруппах (кроме I - III) - обратная зависимость. По периодам и рядам с ростом порядкового номера элемента основность убывает. У МЕТАЛЛЫ, имеющих несколько степеней окисления, как d- и f-М., с ростом степени окисления основность оксидов уменьшается и высшие оксиды имеют кислотный характер.

Получение МЕТАЛЛЫ Извлечение МЕТАЛЛЫ из природные сырья и др. источников - область металлургии. Можно отметить двоякий характер технологии МЕТАЛЛЫ Технология железа, тяжелых цветных МЕТАЛЛЫ, а также малых МЕТАЛЛЫ и большинства рассеянных элементов (халькофильных элементов) имеет "металлур-гич." характер. Это означает, что конечный продукт получают без предварит. выделения к.-л. чистого соединения, что обусловлено сравнит. легкостью восстановления до МЕТАЛЛЫ как пирометаллургич. (см. Пирометаллургия), так и гидроме-таллургич. (электролиз растворов, цементация и т.п.; см. Гидрометаллургия)путем.

Иной характер имеет технология легких, а также редких МЕТАЛЛЫ (литофильных элементов). Это связано с трудностями их получения в свободный состоянии. Для этих МЕТАЛЛЫ технология разбивается четко на два этапа - получение чистого соединение, например Аl2О3, и получение МЕТАЛЛЫ из этого соединения. Сами МЕТАЛЛЫ в производстве их соединение обычно не используют. Поэтому можно сказать, что технология этих МЕТАЛЛЫ имеет более "химический" характер.

Способность МЕТАЛЛЫ к взаимному растворению с образованием при кристаллизации твердых растворов и интерметал-лидов, разнообразным фазовым превращениям дает возможность получения большого числа сплавов, отличающихся различные структурой и самыми разнообразными сочетаниями свойств. В современной технике применяют св. 30 000 различные сплавов - легкоплавких и тугоплавких, очень твердых и пластичных, с большой и малой электрический проводимостью, ферромагнитных и др. В сплавах ныне используют практически все известные МЕТАЛЛЫ (кроме искусственно полученных трансплутониевых элементов). Мера использования в значительной степени определяется доступностью МЕТАЛЛЫ-содержанием в земной коре, а также степенью концентрирования в месторождениях и трудностью получения. Использование сплавов (бронзовый век) было одним из важнейших этапов становления человеческой цивилизации. И в настоящее время сплавы-важнейшие конструкционные материалы. В последние годы наблюдается тенденция некоторого снижения роли железа и увеличение использования легких МЕТАЛЛЫ (Al, Mg) и наиболее доступных редких МЕТАЛЛЫ (Ti, Nb, Zr).

Химическая энциклопедия. Том 3 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
строительство дома в миллениум парке
каркас для гироскутера 10
чиллер консервация
мастер по холодильникам на дом

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(30.05.2017)