Метали

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Кристали галію
Самородок золота
Шматок заліза високої (99,97%) чистоти
Краплина ртуті

Мета́ли ( від грец. μέταλλον — «шахта», «кар'єр», «добування з надр землі»)[1] — клас хімічних елементів і речовин з такими хімічними та фізичними властивостями:

Історична довідка[ред.ред. код]

В стародавні часи і в середні віки вважалося, що існує лише сім металів: золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо, ртуть. За уявленнями алхіміків метали зароджувалися в земних надрах під впливом променів планет і поступово украй повільно удосконалювалися, перетворюючись на срібло і золото. Алхіміки вважали, що метали — речовини складні, які складаються з «металічного начала» (ртуті) і «начала горючості» (сірки). На початку 18 століття набула поширення гіпотеза, за якою метали складаються із землі і «вогняної субстанції» — флогістону.

В кінці 18 століття А. Л. Лавуазьє спростував гіпотезу флогістону і показав, що метали — прості речовини. У 1789 Лавуазьє у посібнику з хімії дав список простих речовин, в який включив всі відомі тоді 17 металів (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). У міру розвитку методів хімічного дослідження число відомих металів зростало. У першій половині 19 століття були відкриті елементи-супутники платини — платиноїди, отримано шляхом електролізу деякі лужні і лужноземельні метали, відкриті невідомі метали при хімічному аналізі мінералів.

У 1860-63 роках методом спектрального аналізу були відкриті Cs, Rb, Tl, In. Відкриття радіоактивності наприкінці 19 століття дало поштовх успішним пошукам природних радіоактивних металів. І, нарешті, методом ядерних перетворень починаючи з середини 20 століття штучно отримано радіоактивні метали, зокрема, трансуранові елементи.

Класифікація металів[ред.ред. код]

Металами є прості речовини більшості хімічних елементів (приблизно 80 % елементів періодичної системи елементів). Найпоширенішим хімічним елементом-металом у земній корі є алюміній.

Вміст металів у земній корі[ред.ред. код]

Метали % маси земної кори
Алюміній 8,8
Залізо 5,1
Кальцій 3,6
Натрій 2,6
Калій 2,6
Магній 2,1
Титан 0,6
Марганець 0,09
Мідь 0,01

Доля інших металів загалом не перевищує 2,0 %.

Групи металів за використанням[ред.ред. код]

Широко використовуються такі групи металів:

У техніці найбільшого застосування набули залізо, алюміній, мідь, свинець, цинк, олово, нікель. Вони ще мають назву «технічні метали».

Сплави металів[ред.ред. код]

Металевими сплавами називають речовини, які складаються не менше, як з двох компонентів і одним з них обов’язково повинен бути метал. Сплави металів відіграють велику роль, оскільки зазвичай вони мають вищі функціональні (механічні, електричні, ...) і технологічні властивості, ніж їхні складові - чисті метали. Компонентами називають хімічні елементи або їх сполуки у складі сплаву. За кількістю компонентів сплави поділяють на подвійні, потрійні і т.д.

У техніці найчастіше застосовують сплави на основі заліза (чавун, сталь) і сплави кольорових металів на основі міді (латунь, бронза), алюмінію (силумін, дюралюміній), свинцю, цинку, олова, нікелю. Деякі сплави створюють на основі вольфраму, титану, ванадію, молібдену й інших металів.

Залежно від характеру взаємодії компонентів сплаву, вирізняють такі різновиди сплавів:

  • механічна суміш компонентів — ці суміші неоднорідні, вони є найдрібнішою сумішшю кристалітів компонентів;
  • необмежений твердий розчин компонентів — однорідний, може утворюватися за будь-якого співвідношення компонентів;
  • обмежений твердий розчин компонентів — однорідний, зазвичай може утворюватися, якщо склад сплаву є близьким до одного з чистих компонентів або до певної хімічної сполуки компонентів;
  • хімічна сполука компонентів — однорідний, може утворюватися за чітко визначеного співвідношення компонентів.

У твердих розчинах атоми розчиненої речовини заміщують атоми розчинника у кристалічній ґратці або проникають у неї; хімічні сполуки утворюють нову відмінну кристалічну ґратку. Після кристалізації сплаву утворюється або одна фаза (твердий розчин, хімічна сполука), або сплав, який містить суміш фаз. Фазою називають однорідну частину системи, відділену від інших складових (фаз) поверхнею поділу.

У суміші певного складу (евтектика) компоненти кристалізуються одночасно, причому температура кристалізації такого сплаву мінімальна. У неевтектичних сплавах двох компонентів, що не розчиняються один в одному і не утворюють хімічних сполук, відбувається розділення сплаву на дві фази, спочатку з розплаву виділяються кристали надлишкового, порівняно з евтектикою, компоненту, тоді температура розплаву знижується, а склад рідкої фази наближається до евтектики, кристалізація якої, нарешті, відбувається при сталій температурі. Таким чином утворюється двофазний сплав.

Сплави речовин, необмежено розчинних одна в одній у твердому стані (наприклад, золотосрібло), евтектики не утворюють. Хоча спочатку з розплаву виділяються кристали більш тугоплавкого елементу (золота) при повільному остиганні вони розчиняються у сріблі (відбувається дифузія), і сплав виходить однорідним. Швидким охолодженням, однак, можна добути сплав, що міститиме кристали різного складу.

Будова[ред.ред. код]

Гранецентрована структура кристалічної гратки
Об'ємноцентрована структура кристалічної гратки
Гексагональна структура кристалічної гратки

Всі метали мають кристалічну будову. Розташовані тим або іншим способом атоми утворюють елементарну комірку просторової кристалічної ґратки. Тип ґратки залежить від хімічної природи і фазового стану металу.

Залізо, хром, молібден, вольфрам і деяких інші метали мають елементарну комірку у вигляді куба із атомами у вершинах і додатковим — у центрі (об'ємноцентрована кубічна ґратка). За температури понад 910°С у кристалічній структурі заліза відбувається перебудова, кількість атомів у елементарній комірці збільшується до 14. У результаті перебудови симетрія елементарної комірки змінюється — атоми розміщуються у вершинах куба й додатково в центрі кожної грані (гранецентрована кубічна ґратка). Існування одного металу в декількох кристалічних формах зветься поліморфізмом чи алотропією, а температура, за якої метал переходить з одного стану в інший, - температурою поліморфного перетворення. Залізо, наприклад, має дві температури поліморфного перетворення: 910 °C і 1400 °C. Цинк, магній, титан мають елементарну комірку в формі шестигранної призми. Як і залізо, олово, нікель, титан, кобальт та деякі інші метали зі зміною температури змінюють тип своїх ґраток. Наприклад, нікель може мати кубічну гранецентровану чи гексагональну ґратки, а кальцій — кубічну гранецентровану, гексагональну і кубічну об'ємно-центровану.

Елементарні комірки кожного даного кристала однаково орієнтовані в просторі; розташовуючись послідовно, вони мають спільні з сусідніми комірками атоми й утворюють разом просторову ґратку. Проте різні метали з ідентичною кристалічною ґраткою мають різні параметри, тобто відстані між сусідніми атомами. Параметр решітки (сторона куба або шестигранника) у міді 0,36 нм, в алюмінію 0,405 нм, у цинку 0,267 нм тощо.

Перехід з рідкого стану у твердий для металів — це процес перетворення неупорядкованого розташування атомів у закономірне з утворенням кристалічних ґраток і, отже, кристалів. Такий процес називається первинною кристалізацією.

Установлено, що кристалізація складається з двох елементарних процесів, перебіг яких відбувається одночасно: перший — зародження центрів кристалізації, другий — ріст кристалів з цих центрів. У звичайних умовах кристали не можуть набути правильної форми тому, що їхній ріст обмежується суміжними кристалами. Кристали, що мають неправильні зовнішні обриси, називаються кристалітами або зернами. Внутрішня будова зерен кристалічна.

Важливий вплив на швидкість кристалізації та форму кристалів у процесі затвердіння металу чинять швидкість і напрям відведення тепла. У напрямку відведення тепла кристали ростуть швидше, утворюючи осі, від яких відгалужуються численні відростки. Такі деревоподібні кристали називають дендритами. Дендритна будова характерна для литого металу.

Властивості[ред.ред. код]

Вимоги до металів та їх сплавів ставляться в залежності від їхнього призначення. Наприклад, метал рейок і бандажів повинен бути міцним і стійким проти зносу, метал ресор — пружним, метал заклепок — пластичним, метал електричних проводок повинен мати малий електричний опір, метал зварних конструкцій добре зварюватися і не гартуватися при охолодження на повітрі, а метал деталей, що працюють в агресивних середовищах, бути стійким до корозії.

Область застосування металів визначається їх властивостями. Властивості металів поділяють на:

Механічні та фізичні властивості[ред.ред. код]

Основні фізичні і механічні властивості найпоширеніших металів приведені в таблиці.

Метали Густина, ρ, кг/м3 Температура плавлення, °C Температура кипіння, °C Границя міцності, σв, МПа Відносне видовження, δ, % Твердість, HB Лінійний коефіцієнт теплового розширення, α, при 20 °C
(10−6/°C)
Залізо 7860 1539 2380 300 21...55 50...70 11,5
Алюміній 2700 660 2500 80...110 40 20...30 23,1
Мідь 8930 1083 2600 220 60 35 16,5
Магній 1740 651 1103 170...200 10...12 25...30 25,7
Нікель 8900 1455 3080 400...500 40 60 13,9
Титан 4500 1665 3260 300...550 20...30 100 1,2
Молібден 10200 2620 4800 800...1200 46 150...160 5,8...6,2

Усі метали (за винятком ртуті) за звичайних умов є кристалічними речовинами. Їхні атоми розташовані в певному геометричному порядку і утворюють просторову кристалічну ґратку. У вузлах кристалічної ґратки містяться іони металів. Валентні електрони дуже слабо зв'язані з атомами і можуть легко рухатися по всьому об'єму металу, переходячи від одних іонів до інших.

Легкою рухливістю валентних електронів пояснюється висока електропровідність і теплопровідність металів. На відміну від розчинів і розплавів при проходженні електричного струму через металічний провідник переносу частинок речовини не відбувається. Метали мають електронну електропровідність. За електропровідністю і теплопровідністю метали розміщуються в однаковому порядку. Найкращими провідниками електричного струму є срібло, мідь, золото і алюміній.

Характерна особливість металів — металічний блиск, тобто здатність добре відбивати світло. Але ця здатність проявляється лише тоді, коли метал утворює суцільну і гладку (поліровану) поверхню.

Дуже важливою властивістю більшості металів є пластичність, тобто здатність змінювати зовнішню форму за дії сторонньої сили і зберігати набуту форму після припинення впливу зовнішньої дії. На цій здатності базуються різні способи механічної обробки металів: прокатка, кування, штамповка, волочіння тощо. Однак ця властивість у різних металів виявляється неоднаково. Здатність розкатуватись у тоненькі листи і витягуватись у тоненький дріт найкраще виявляється у золота, срібла, міді, алюмінію і олова, трохи гірше в заліза і цинку. Деякі метали зовсім не виявляють пластичності, вони дуже крихкі — це бісмут, манган і особливо стибій (сурма). При ударі вони розпадаються на шматочки.

За густиною метали умовно поділяють на легкі (густина яких до 5 г/см3) і важкі (густина яких понад 5 г/см3). До найлегших металів належать літій, калій і натрій. Легкі метали — манган, алюміній і титан. Найважчими вважаються ртуть, золото, платина і осмій.

За твердістю метали теж дуже відрізняються один від одного. Найтвердішим металом є хром, який дряпає скло. За ним іде вольфрам, нікель тощо. До найм'якших металів належать калій і натрій, які легко ріжуться ножем. Дуже м'яким є також свинець. (Див. таблиця густин речовин; таблиця відносної твердості речовин)

За температурами плавлення метали теж різко відрізняються один від одного. Найнижчу температуру плавлення має ртуть (—39°С), за нею йде цезій (28,5 °C), рубідій (38,5 °C), калій (62,3 °C), а найвищу — вольфрам (3410 °C). (Див. таблиця температур плавлення речовин)

За забарвленням метали умовно поділяють на чорні — залізо, манган та їх численні сплави (чавун, сталь) і кольорові, до яких відносять усі інші метали. Відповідно до цього і промисловість, яка їх добуває, називають чорною і кольоровою металургією.

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Характерною особливістю металів є здатність їх атомів віддавати свої валентні електрони і утворювати позитивно заряджені іони. На відміну від неметалів метали негативно заряджених іонів не утворюють. Отже, вільні метали є відновниками. Чим легше даний метал віддає свої валентні електрони, тим він активніший відновник. За хімічною активністю метали можна розподілити на три групи: високоактивні — калій, натрій, барій, кальцій і ін., середньої активності — цинк, залізо, нікель тощо і малоактивні — срібло, золото і платина. Відносну активність металів можна визначити за положенням елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва: металічний характер елементів і хімічна активність металів посилюється в періодах справа наліво, а в головних підгрупах - згори донизу. Типові металічні елементи перебувають у лівому нижньому куті довгого варіанта періодичної системи. Це францій, цезій, радій.

Високоактивні метали з киснем повітря енергійно взаємодіють вже за звичайної температури, утворюючи оксиди, наприклад:

  • 2Ca + O2 = 2CaO

Тому лужні і лужноземельні метали зберігають під шаром гасу, щоб запобігти їх окисненню киснем повітря. Метали середньої активності окиснюються киснем повітря лише з поверхні, покриваючись тонкою оксидною плівкою, яка запобігає дальшому окисненню металу. Наприклад:

  • 2Zn + O2 = 2ZnO

Але за високої температури вони енергійно взаємодіють з киснем і перетворюються в оксиди.

Малоактивні (благородні) метали з киснем безпосередньо не реагують взагалі. Більшість металів може безпосередньо реагувати з сіркою, хлором та майже усіма неметалами, особливо за високої температури. З водою сильно активні (лужні і лужноземельні) метали взаємодіють вже за звичайної температури з виділенням водню і утворенням розчинних гідроксидів (лугів), наприклад:

  • 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
  • Ba + 2H2O = Ba(OH)2 + H2

Метали середньої активності, наприклад залізо, реагують з водою (водяною парою) лише за сильного розжарення:

  • 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

Малоактивні метали з водою не реагують ні за яких умов. Відношення металів до кислот визначається їх місцем в електрохімічному ряду напруг (ряду активності). Усі метали, що займають місце в ряду напруг лівіше від водню, взаємодіють з кислотами з утворенням солей і виділенням водню (з нітратної кислоти водень не виділяється!) Метали, що займають місце в ряду напруг правіше від водню, водню з кислот не витісняють. Але деякі з них можуть реагувати з концентрованою сульфатною кислотою за нагрівання з утворенням солі і виділенням діоксиду сірки SO2, наприклад:

  • Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2

Що ж стосується нітратної кислоти, то за взаємодії її з усіма металами незалежно від їх місця в ряду напруг водень з HNO3 не виділяється, а утворюються оксиди азоту і сіль металу. Наприклад:

  • 3Zn + 2HNO3 + 6HNO3 = 3Zn(NO3)2 + 2NO ↑ + 4H2O
  • Ag + 2HNO3 (конц.) = AgNO3 + NO2↑ + H2O

Метали в природі[ред.ред. код]

Метали складають понад 80% усіх хімічних елементів. Переважна більшість металів зустрічається в природі у вигляді різних сполук і лише деякі з них — у вільному стані. Це так звані самородні метали (золото і платина), а також інколи срібло, ртуть, мідь та інші метали.

Мінерали і гірські породи, придатні для добування з них металів заводським способом, називаються рудами. Важливішими рудами є оксиди (Fe2O3, Fe3O4, Al2O3 • nH2O, MnO2 тощо); сульфіди (ZnS, PbS, Cu2S, HgS і ін.), солі (NaCl, KCl, MgCl2 CaCO3 і т. д.). Малоактивні метали зустрічаються переважно у вигляді оксидів і сульфідів, а активні (лужні і лужноземельні) — винятково у вигляді солей.

Одержання металів з руд[ред.ред. код]

В більшості випадків руди містять різні домішки у вигляді піску, глини, вапняку тощо. Ці домішки називають пустою породою. Коли в руді багато пустої породи, тобто коли руда є бідною на корисну речовину, таку руду піддають збагаченню, тобто видаляють з неї частину пустої породи. Різні руди збагачують різними способами.

Для збагачення сульфідних руд звичайно застосовують спосіб флотації (спливання). При цьому способі руду розмелюють у тонкий порошок і заливають у великих чанах водою. До води додають певні органічні речовини (наприклад, соснове масло, вищі жирні кислоти тощо), молекули яких добре адсорбуються частинками сульфідів, і вкривають їх тонкою плівкою, внаслідок чого вони не змочуються водою. Крізь воду продувають повітря, пухирці якого з маслом утворюють піну, а також прилипають до частинок сульфідів, і вони спливають та збираються зверху разом з піною, а змочені водою частинки пустої породи осідають на дно (див. мал. Схема флотаційного апарату). Піну з сульфідами металів зливають з чану і віджимають сульфіди. Так одержують збагачену на корисну речовину руду.

Флотаційна машина

Вільні метали добувають з руд різними способами. З оксидних руд метали одержують відновленням їх за високих температур. При цьому як відновник частіше всього використовують вугілля (кокс) і монооксид вуглецю СО. Наприклад:

  • Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO ↑
  • Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
  • SnO2 + C = Sn + CO2
  • 2Cu2O + C = 4Cu + CO2

Інколи відновником служать активні метали. Наприклад, при добуванні хрому, берилію, мангану та інших як відновник застосовують алюміній (алюмінотермія):

  • Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3
  • 3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3

У деяких випадках як відновник використовують водень, зокрема, при добуванні молібдену, вольфраму, порошкоподібного заліза тощо:

  • Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
  • WO3 + 3H2 = W + 3H2O

Сульфідні руди спочатку обпалюють, переводячи їх в оксиди металів, які потім відновлюють. Наприклад:

  • 2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2
  • PbO + C = Pb + CO ↑

Найактивніші метали — калій, натрій, кальцій та інші — не можна одержати способом хімічного відновлення їх сполук. Ці метали одержують лише електролізом їх розплавлених солей. Наприклад:

Отримання калію електролізом

Застосування металів[ред.ред. код]

Конструкційні матеріали[ред.ред. код]

Метали і їх сплави — одні з головних конструкційних матеріалів сучасної цивілізації. Це визначається насамперед їх високими міцністю, жорсткістю та іншими механічними властивостями, технологічністю у переробці, відносною доступністю, однорідністю і непроникністю для рідин і газів, стійкістю до температурних впливів та впливів навколишнього середовища. Крім того, змінюючи рецептуру сплавів, можна впливати на їх властивості у потрібному напрямку і в дуже широких межах.

Електротехнічні матеріали[ред.ред. код]

Метали та сплави використовуються як хороші провідники електрики (мідь, алюміній), так і в якості матеріалів з підвищеним опором, котрі працюють за високих температур: для виготовлення резисторів, реостатів та електронагрівальних елементів (ніхром і інші)

Інструментальні матеріали[ред.ред. код]

Метали і їх сплави широко застосовуються для виготовлення інструментів (їх робочої частини). В основному це інструментальні сталі і тверді сплави.

Науки, що вивчають метали[ред.ред. код]

Фізика металів (металофізика) — розділ фізики, який вивчає атомно-кристалічну, дефектну і гетерофазну структури металів і сплавів, їх фізико-хімічні властивості. Вивчає також процеси, що мають місце у металах і сплавах за їх отримання, механічної і термічної обробки та в різних умовах експлуатації. Металофізика є теоретичною основою металознавства.

Металознавство — наука, що вивчає взаємозв'язки складу, будови та властивостей металів і сплавів, а також закономірності їх зміни при теплових, механічних, фізико-хімічних та інших видах впливу. Металознавство є науковою основою пошуку складу, способів отримання і обробки металевих матеріалів з різноманітними механічними, фізичними і хімічними властивостями.

Примітки[ред.ред. код]

  1. μέταλλον Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus Digital Library

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • Деркач Ф. А. «Хімія» Л. 1968
  • Металознавство: Підручник / О. М. Бялік, B. C. Черненко, В. М. Писаренко, Ю. Н. Москаленко - 2-ге вид., перероб. і доп. - К.: ІВЦ "Видавництво «Політехніка»",2008 - 384 с.
  • Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.
  • Уманский Я. С., Скачков Ю. А. Физика металлов.- М: Атомиздат, 1978. - 405 с.