Металлы и их свойства

Содержание

Введение

1. Металлы

1.1 Общие сведения

1.2 Химические свойства

1.3 Физические свойства

1.4 Микроскопическое строение

1.5 Применение металлов

Введение

В природе имеется более 100 химических элементов, которые подразделяются на две группы: металлы и неметаллы (металлоиды). Металлами называются вещества, обладающие характерными признаками: хорошей проводимостью тепла и электричества, ковкостью, особым металлическим блеском.

Такие металлы, как золото, серебро и медь, известны человеку с доисторических времен. М.В. Ломоносов определял металл как «светлое тело, которое ковать можно» и относил к металлам золото, серебро, медь, олово, железо и свинец. А. Лавуазье в «Начальном курсе химии» (1789) упоминал уже 17 металлов. В начале XIX в. последовало открытие платиновых металлов, а затем щелочных, щелочноземельных и ряда других. Триумфом периодического закона было открытие металлов: галлия, скандия и германия. В середине XX в. с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы - не существующие в при-роде радиоактивные металлы. Современная металлургия получает свыше 60 ме-таллов и на их основе более 5000 сплавов.

В промышленности обычно используются не чистые металлы, а их сплавы. Металлы разделяются на черные и цветные. К черным относятся железо и его сплавы -- сталь и чугун; к цветным все остальные -- медь, алюминий, олово, свинец, цинк, никель, хром и др. Черные металлы в промышленности составляют более 90% всего металла, применяемого для изготовления: строительных металлоконструкций (мостов, балок, ферм, колонн, резервуаров); для изготовления различных машин и аппаратов, вагонов, рельсов и т.п. Цветные металлы употребляются в основном в качестве присадок для улучшения свойств черных металлов или придания им особых свойств. Чистые металлы используются только тогда, когда к материалу предъявляют высокие требования в отношении теплопроводности и электропроводности, высокой температуры плавления и т. д.

Таким образом, актуальность темы сомнений не вызывает.

Цель данной работы: изучение и характеристика металлов, физических и химических свойств.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем работы 15 страниц.

1. Металлы

1.1 Общие сведения

Металлы (название происходит от лат. metallum -- шахта) -- это вещества, которые, в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Эти характерные свойства металла обусловлены наличием свободно перемещающихся электронов в его кристаллической решетке. Из известных в настоящее время 107 химических элементов 85 относятся к металлам. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере. Самым распространённым металлом в земной коре является алюминий.

Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенных характерных свойств: металлический блеск; хорошая электропроводность; возможность лёгкой механической обработки (пластичность); высокая плотность; высокая температура плавления; большая теплопроводность; способность к образованию сплавов.

Неметаллы не обладают перечисленными выше свойствами и резко отличаются по внешнему виду от металлов.

Деление всех химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева на металлы и неметаллы является условным. Если в периодической таблице провести диагональ через бор и астат, то в главных подгруппах, расположенных справа от диагонали, будут неметаллы, а в главных подгруппах слева от диагонали, побочных подгруппах и в восьмой группе (кроме инертных газов) -- металлы. Причем элементы рядом с разделительной линией являются так называемыми металлоидами, т.е. веществами с промежуточными свойствами (металлов и неметаллов). К ним относятся: бор В, кремний Si, германий Gе, мышьяк Аs, сурьма Sb, теллур Те, полоний Ро.

В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе, различают переходные (элементы побочных подгрупп) и непереходные металлы (элементы главных подгрупп). Металлы главных подгрупп характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение электронных s- и р-подуровней. В атомах металлов побочных подгрупп происходит достраивание d- и f-подуровней.

1.2 Химические свойства

В химическом отношении все металлы характеризуются сравнительной легкостью отдачи валентных электронов и способностью образовывать положительно заряженные ионы. Следовательно, металлы в свободном состоянии являются восстановителями.

Восстановительная способность различных металлов неодинакова и определяется положением в электрохимическом ряду напряжения металлов:

Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au

Металлы размещены в порядке убывания их восстановительных свойств и усиления окислительных свойств их ионов. Этот ряд характеризует химическую активность металлов только в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в водной среде.

Отношение металлов к кислороду воздуха. Наиболее активные металлы (литий, натрий, калий, цезий, барий, кальций) очень легко реагируют с кислородом воздуха на холоде. Менее активные металлы (алюминий, хром, марганец и др.) при окислении на воздухе покрываются плотной оксидной пленкой, которая предохраняет их от дальнейшего взаимодействия с кислородом. При высокой температуре эти металлы сгорают, а иридий, золото в прямую реакцию с кислородом не вступают.

Отношение металлов к воде. Металл в виде простого вещества является восстановителем, причем восстановительные свойства его выражаются тем сильнее, чем меньше стандартный потенциал металла (Е^о).

Для восстановления молекул воды в нейтральной среде (концентрация ионов водорода при 25^о С равна 10^-7 моль/л) надо приложить потенциал, равный -0,414 В (рассчитывается по уравнению Нернста). Следовательно, теоретически металлы, имеющие потенциал более отрицательный, чем -0,414 В, должны вытеснять водород из воды. Практически же из всех металлов при обыкновенной температуре легко реагируют с водой лишь щелочные (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) и щелочноземельные (кальций, стронций, барий) металлы, поскольку их оксидные пленки и продукты взаимодействия - гидроксиды - растворимы в воде. Они не предохраняют металл от её действия. Роль окислителя в этих реакциях выполняет вода, о чем свидетельствует выделение водорода.

Менее активные металлы - магний, алюминий, цинк, железо - окисляются труднее. Для разложения ими воды требуется более или менее высокая температура. Отсутствие видимого взаимодействия других активных металлов с водой при обычной температуре объясняется, главным образом, нерастворимостью естественных оксидных пленок или получающихся продуктов. Это обусловлено наличием на поверхности алюминия очень плотного тонкого слоя химически инертной оксидной пленки, которая ни при каких условиях не взаимодействует с водой.

Однако при нагревании некоторые из активных металлов (Mg, Mn, Ti, Zn, Cr, Fe) могут взаимодействовать с водой. Но реакция взаимодействия этих металлов при нагревании протекает также по - разному. Это зависит от активности металла и растворимости их оксидов и гидроксидов. Так, магний и марганец при нагревании энергично взаимодействуют с водой, а титан реагирует лишь с кипящей водой и то медленно. Цинк взаимодействует лишь с перегретым паром, а хром и железо вступают в реакцию с водяными парами только при температуре красного каления.

Таким образом, для растворения металла в воде необходимо три условия:

чтобы естественная оксидная пленка металла растворялась в воде;

чтобы Е^о металла был меньше, чем 0,414 В;

чтобы продукт взаимодействия металла с водой растворялся в воде.

Отношение металлов к растворам кислот. Характер взаимодействия металлов с кислотами зависит от активности окисляемого металла, природы и концентрации кислоты. При этом роль окислителя могут играть ионы кислот или основной элемент, образующий кислородосодержащую кислоту. В первом случае кислоты (соляная, разбавленная серная, уксусная и некоторые другие) растворяют почти все металлы, имеющие отрицательные значения стандартного электродного потенциала (алюминий, железо, цинк, никель и др.). Металлы, имеющие положительное значение Е^о, окисляются за счет кислотных остатков азотной и концентрированной серной кислот. С этими кислотами реагируют также почти все металлы, имеющие меньшее значение электродного потенциала, чем потенциал водорода, т.е. меньше 0. Во всех случаях продуктами взаимодействия металлов с азотной и концентрированной серной кислотами являются соль, продукт восстановления кислоты и вода.

При соответствующих условиях (природа металла и кислоты, её температура) металлы в кислотах практически не растворяются вследствие пассирования. В общем случае термин «пассивность» металлов применяется для характеристики такого состояния металлов, когда они утрачивают способность вступать в некоторые реакции, свойственные им в нормальных состояниях. Пассирование связано с образованием на поверхности металла плотных практически не растворимых пленок оксидов, солей или иных соединений. Так, за счет образования на поверхности оксидной пленки алюминий, хром, железо, кобальт, никель не взаимодействуют на холоде с концентрированной (и особенно дымящей) азотной и серной кислотами. Нераствоимые соли чаще всего образуются при взаимодействии металлов с несильными кислотами типа H₃PO₄, H₂CO₃, HF. Пассирование металлов широко используется в промышленности. Например, алюминий применяется в качестве конструкционного материала в производстве концентрированной азотной кислоты, нержавеющая сталь - в производстве серной кислоты, свинец - в производстве разбавленной серной кислоты, хром добавляют в сплавы для придания им кислотности.

Отношение металлов к растворам щелочей. Для растворения металла в водных растворах щелочей необходимо три условия:

чтобы естественная оксидная пленка металла растворялась в щелочи;

чтобы потенциал процесса окисления металла был меньше -0,826 В;

чтобы продукт взаимодействия металла с водой, т.е. годрооксид металла, обладал амфотерными свойствами.

В щелочной среде металлы, образующие амфотерные гидрооксиды, оксиды, образуют гидроокиси соли

Отношение металлов к растворам солей. Каждый металл ряда стандартных электродных потенциалов вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из растворов их солей. Однако возможны случаи, когда менее активные металлы взаимодействуют в водной среде с солями, образованными активными металлами. Так, протекание реакции между железом и хлоридом цинка обусловлено гидролизом соли в водном растворе и дальнейшем взаимодействии металла с продуктами гидролиза (HCl).

1.3 Физические свойства

Для металлов наиболее характерны следующие свойства: металлический блеск, твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла и электричества. Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п. Эти типичные для металлов свойства обусловлены их электронным строением.

Для всех металлов характерна металлическая кристаллическая решетка: в ее узлах находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны. Наличие последних объясняет высокую электропроводность и теплопроводность, а также способность поддаваться механической обработке.

Теплопроводность и электропроводность уменьшается в ряду металлов:

Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg

Все металлы делятся на две большие группы:

Черные металлы. Имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления и относительно высокую твердость. Типичным представителем черных металлов является железо и его сплавы -- сталь и чугун.

Черные металлы в промышленности составляют по весу более 90% всего металла, применяемого для различных целей. Употребляются для изготовления строительных металлоконструкций (мостов, балок, ферм, колонн, резервуаров), для изготовления различных машин и аппаратов, вагонов, рельсов и т. п. Причина столь широкого применения черных металлов заключается в их относительной дешевизне и большой прочности.

Цветные металлы. Имеют характерную окраску: красную, желтую, белую; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Типичным представителем цветных металлов является медь.

Цветные металлы употребляются в основном в качестве присадок (добавок) для улучшения свойств черных металлов или придания им особых свойств (например, для изготовления нержавеющих сталей, для получения твердых режущих сплавов и т. п.).

Таким образом, под термином «металлы» понимают всю группу металлических материалов -- чистые металлы и сплавы.

Чистые металлы используются только в тех случаях, когда к материалу предъявляют высокие требования в отношении теплопроводности и электропроводности, высокой температуры плавления и т. д. Так, например, провода, кабели, обмотки электрических машин почти всегда делают из меди, так как медь лучше всех других металлов, за исключением серебра, проводит электрический ток. Чистый вольфрам как самый тугоплавкий металл используется для изготовления нитей электрических лампочек.

Металлам присущи магнитные свойства. Так, переходные металлы с недостроенными f- и d- электронными облачками являются парамагнетиками. Некоторые из них при определенных температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние.

Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу - благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Звания «благородных» эти металлы удостоились благодаря своей высокой химической стойкости (практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей) и красивому внешнему виду в изделиях, в том числе ювелирных. Кроме того, золото, серебро и платина обладают высокой пластичностью (можно прокатывать листы толщиной до 0,0001 мм, благодаря чему благородные металлы точно передает и сохраняет приданную им форму), а металлы платиновой группы -- тугоплавкостью.

Отличаясь химической стойкостью, все эти металлы встречаются в природе почти исключительно в чистом - самородном - виде и, в отличие от остальных металлов, почти не вступают в химические реакции и не образуют соединений с другими элементами, мало поддаются коррозии.

В зависимости от своей плотности металлы делятся на:

Легкие (плотность не более 5 г/см). К легким металлам относятся: литий, натрий, калий, магний, кальций, цезий, алюминий, барий. Самый легкий металл -- литий 1л, плотность 0.534 г/см3.

Тяжелые (плотность больше 5 г/см3). К тяжелым металлам относятся: цинк, медь, железо, олово, свинец, серебро, золото, ртуть и др. Самый тяжелый металл -- осмий, плотность 22,5 г/см3.

Металлы различаются по своей твердости:

-- мягкие: режутся даже ножом (натрий, калий, индий);

-- твердые: металлы сравниваются по твердости с алмазом, твердость которого равна 10. Хром -- самый твердый металл, режет стекло.

В зависимости от температуры плавления металлы условно делятся на:

1. Легкоплавкие (температура плавления до 1539°С).

К легкоплавким металлам относятся: ртуть -- температура плавления --38,9°С; галлий -- температура плавления 29,78°С; цезий -- температура плавления 28,5°С; и другие металлы.

2. Тугоплавкие (температура плавления выше 1539 С).

К тугоплавким металлам относятся: хром -- температура плавления 1890°С; молибден -- температура плавления 2620°С; ванадий -- температура плавления 1900°С; тантал -- температура плавления 3015°С; и многие другие металлы.

Самый тугоплавкий металл вольфрам -- температура плавления 3420°С.

1.4 Микроскопическое строение

Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) 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 стандартному 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, т. е. 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).

1.5 Применение металлов

Конструкционные материалы. Металлы и их сплавы -- один их 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 электронагрева-тельных элементов (нихром и т. п.).