Общие сведения о металлах

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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 (Ео).

Для восстановления молекул воды в нейтральной среде (концентрация ионов водорода при 25о 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 Ео 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 Ео, 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).

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. химический сплав сталь металл

Цементация стали -- поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900--950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) -- при 850--900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Способы цементации:

в твёрдом карбюризаторе

в газовом карбюризаторе

в кипящем слое

в растворах электролитов

в пастах

Цементация в твёрдом карбюризаторе

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5-10мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы.

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 920 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя. для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов.

При "ускореном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией.

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненых малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Цементация в кипящем слое

Цементация в слое мелких частиц (0,05-0,20 мм) корунда, через который проходит восходящий поток эндогаза с добавкой метана (кипящий слой). При прохождении газа частицы становятся подвижными и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой).

Цементация в растворах электролитов

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности углеродом в многокомпонентных растворах электролитов, один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450-1050°С. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения цементации в электролит кроме электропроводящего компонента вводят углеродсодержащие вещества-доноры (глицерин, ацетон, этиленгликоль, сахароза и другие).

Цементация в пастах

Цементация с нанесением на науглероживаемую металлическую поверхность С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушкой и последующим нагревом изделия ТВЧ или током промышленной частоты. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Температуру цементации устанавливают 910-1050°С

Литьё в оболочковые формы -- способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в формах, состоящих из смеси песчаных зёрен (обычно кварцевых) и синтетического порошка (обычно фенолоформальдегидной смолы и пульвер-бакелита). Предпочтительно применение плакированных песчаных зёрен (покрытых слоем синтетической смолы).

Оболочковую форму получают одним из двух методов. Смесь насыпают на металлическую модель, нагретую до 300 °C, выдерживают в течение нескольких десятков секунд до образования тонкого упрочнённого слоя, избыток смеси удаляют. При использовании плакированной смеси её вдувают в зазор между нагретой моделью и наружной контурной плитой. В обоих случаях необходимо доупрочнение оболочки в печи (при температуре до 400 °C) на модели. Полученные оболочковые полуформы скрепляют, и в них заливают жидкий сплав. Во избежание деформации форм под действием заливаемого сплава перед заливкой их помещают в металлический кожух, а пространство между его стенками и формой заполняют металлической дробью, наличие которой воздействует также на температурный режим охлаждающейся отливки.

Этим способом изготавливают различные отливки массой до 25 кг. Преимуществами способа являются значительные повышение производительности по сравнению с изготовлением отливок литьём в песчаные формы, управление тепловым режимом охлаждения отливки и возможность механизировать процесс.

Размещено на Allbest.ru