Базовые понятия. Запись 7 (физические свойства металлов)
В данной статье ознакомимся с основными физическими свойствами металлов. Вашему вниманию будут представлены пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск, твёрдость, плотность, температура плавления.
Начнём с пластичности.
Пластичность — это свойство вещества изменять форму под внешним воздействием, не разрушаясь, и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия.
Почему у металлов так выходит? Это происходит из-за их строения, виновной выступает кристаллическая решётка. Она состоит из узлов и свободных электронов, которые бегают между углами, никому не принадлежа. В узлах могут быть атомы, молекулы или ионы. Электроны то присоединяются к ним, то уходят. Именно взаимосвязью между бегающими по всему веществу электронами и узлами объяснятся свойство пластичности: слои смещаются друг с другом без разрыва.
Как же определить и сравнить пластичность разных металлов? Она определяется при испытании на растяжение. Под действием нагрузки образцы разных металлов в различной степени удлиняются, а их поперечное сечение уменьшается. Чем больше способен образец удлиняться, а его поперечное сечение сужаться, тем пластичнее образец.
Существуют две единицы измерения: относительное удлинение и относительное сужение при разрыв.
По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:
-высокопластичные (относительное удлинение превосходит 40 %) — металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и «легкие» металлы (натрий, калий, рубидий и др.);
-пластичные (относительное удлинение лежит в диапазоне между 40 и 3%) — магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа);
-хрупкие (относительное удлинение меньше 3%) — хром, марганец, кобальт, сурьма.
Электропроводность — свойство проводить электрический ток.
Электрическим током зовём упорядоченное движение частиц. В нашем случае под действие некого поля начинают двигаться в одном направлении все свободные электроны в образце.
Электропроводность металлов обусловлена концентрацией электронов и их подвижностью. Чем сильнее металл нагрет, тем сильнее прыгающие узлы будут мешать электронам свободно передвигаться в выбранном направлении. Чем больше столкновений, тем сильнее нагревается металл. Данный эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.
Теплопроводность — свойство металлов переносить энергию от одной части тела к другой.
Оно связано с высокой подвижностью электронов: сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами, атомами, электроны обмениваются с ними энергией. Как видим, данное свойство связано с предыдущим.
Металлический блеск — способность металлов отражать световые лучи.
Данное свойство обуславливается несколькими причинами. Во-первых, от гладкости поверхности, т.е. падающая электромагнитная волна (свет) не застревала в неровностях, а могла отразиться обратно.
Во-вторых, свет попадает на металл, поглощается электронами и через некое малое время излучается обратно, при этом количество энергии, которое может уйти на нагревание, небольшое. Отражённую волну воспринимает наш глаз, цвет волны определяется из величины «длина волны».
Твёрдость — свойство твёрдого тела сопротивляться проникновению в него другого тела.
Если хотите много теории по данному свойству, то прошу сюда:
Оценка металла по шкале Мооса берёт за основу то, насколько легко образец может быть поцарапан другими металлами. Например, коэффициент твердости золота — 2,5-3, что значительно ниже коэффициента твердости большинства других материалов. В то время как графит и некоторые виды пластика стоят на одном конце шкалы, имея значение 1, то на другой её конец ставится алмаз, одно из самых твердых веществ на Земле. Он оценивается в 10 баллов.
Олово: 1.5
Цинк: 2.5
Золото: 2.5-3
Серебро: 2.5-3
Алюминий: 2.5-3
Медь: 3
Медь: 3
Бронза: 3
Никель: 4
Платина: 4-4.5
Сталь: 4-4.5
Железо: 4.5
Палладий: 4.75
Родий: 6
Титан: 6
Укрепленная сталь: 7-8
Вольфрам: 7.5
Карбид вольфрама: 8.5-9
Плотность — это отношение массы на объём.
Тяжело расшифровать определение, но я попробую. Оно значит, что при равном объёме разные металлы будут проявлять разную инерцию. Конечно, если и стало понятнее, то на чуток.
-лёгкие (плотность не более 5 г/см 3 ) — магний, алюминий, титан и др.:
-тяжёлые — (плотность от 5 до 10 г/см 3 ) — железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа);
-очень тяжёлые (плотность более 10 г/см 3 ) — молибден, вольфрам, золото, свинец и др.
Таблицы с плотностями:
Температура плавления — температура, при которой осуществляется процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое.
При увеличении внутренней энергии начинают сильнее колебаться узлы, решётка теряет свою структуру, нарушаются связи. Примерно такой процесс можно назвать переходом в жидкое состоянии.
Делят металлы на несколько групп:
-легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 o С) — цинк, олово, свинец, висмут и др.;
-среднеплавкие (от 600 o С до 1600 o С) — к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото;
-тугоплавкие ( более 1600 o С) — вольфрам, молибден, титан, хром и др.
Источник
Металлы
Металлы относятся к основным природным материалам используемым человечеством.
Металлургия – одна из базовых отраслей промышленности, определяющих экономический и военный потенциал страны. Создаются новые сплавы с заданными свойствами, в качестве добавок используются различные металлы.
Около 80% всех известных химических элементов ПСЭ составляют металлы. Наиболее распространенными металлами являются: Al – 8,8%; Fe – 4,0%; Ca – 3,6%; Na – 2,64%; K – 2,6%; Mg – 2,1%; Ti – 0,64%.
Для металлов характерны свой специфические свойства, отличающие их от металлоидов: пластичность, высокая тепло — и электропроводность, твердость, для большинства металлов высокая температура плавления и кипения, металлический блеск.
Пластичностью называется способность металлов под действием внешних сил подвергаться деформации, которая остается и после прекращения этого действия. Благодаря пластичности металлы подвергаются ковке, прокатке, штамповке. Металлы имеют различную пластичность.
Металлический блеск. Гладкая поверхность металлов отражает световые лучи. Чем меньше она эти лучи поглощает, тем больше металлический блеск. По блеску металлы можно расположить в следующий ряд: Ag, Pd, Cu, Au, Al, Fe.
На этом свойстве металлов основано производство зеркал.
Металлы характеризуются также высокой тепло — и электропроводностью. По электропроводности I место занимает Ag, Cu, Al.
С повышением температуры электропроводность уменьшается, так как усиливается колебательное движение ионов в узлах кристаллической решетки, что препятствует направленному движению электронов.
С понижением температуры электропроводность увеличивается и в области близкой к абсолютному нулю у многих металлов наблюдается сверхпроводимость.
Причиной общности физических и химических свойств металлов объясняется общностью строения их атомов и природой кристаллических решеток металлов.
Атомы металлов имеют большее, по сравнению с неметаллами размеры. Внешние электроны атомов металлов значительно удалены от ядра и связаны с ним слабо, поэтому металлы имеют низкие потенциалы ионизации (являются восстановителями).
Специфические свойства металлов – пластичность, тепло — и электропроводность, блеск объясняются тем, что в металлах имеются «свободные» электроны, способные перемещаться по всему кристаллу.
Для металлов характерна металлическая связь (она объясняется на основе метода МО).
Физические свойства металлов.
Все металлы, за исключением ртути, при обыкновенной температуре являются твердыми веществами с характерным металлическим блеском.
Большинство металлов имеют цвет от темно-серого, до серебристо-белого. Золото и цезий имеют желтый цвет, совершенно чистая медь – светло-розовый, некоторые металлы обладают красноватым оттенком (висмут).
Плотность металлов может колебаться в широких пределах; например плотность Li = 0,53г/см3 (самый легкий), а Os является самым тяжелым металлом 22,48г/см3.
В пределах одной подгруппы аналогов величины плотностей, как правило, растут с возрастанием заряда ядра атома.
В технике металлы классифицируются по плотности: легкие, тяжелые, легкоплавкие и тугоплавкие.
Нахождение в природе.
В природе металлы встречаются как в самородном состоянии, так и в виде различных соединений. В самородном состоянии находятся только химически малоактивные металлы – Pt, Ag, Au. Химически активные металлы встречаются только в виде различных соединений – руд.
Руды бывают: окисные, сульфидные и соли.
Предварительно руду обогащают, то есть отделяют от пустой породы. Самый распространенный метод – флотационный, он основан на различной смачиваемости поверхности минералов водой.
Методы извлечения минералов из руд определяются их химическим составом. Все способы получения металлов сводятся к реакциям окисления – восстановления.
Карботермия. В этом методе получения металлов восстановителем служит углерод — самый дешевый и самый доступный. Углерод применяют в виде кокса, а окисленный углерод легко удаляется в виде СО2.
Углерод применяется для восстановления сравнительно малоактивных металлов: Fe, Cu, Zn, Pb.
При восстановлении углеродом смеси железной руды с оксидами Cr, Mo, W или Mn в промышленности получают сплавы, содержащие примерно 70% указанных металлов и очень небольшое количество углерода. Это ферросплавы, служат для получения специальных легированных сталей. Для восстановления углеродом пригодны только окиси.
Сульфидные руды (цинковые, свинцовые, медные) сначала подвергают окислительному прокаливанию:
2ZnS + 2O2 → 2ZnO + SO2
Li, Ca, Ba также, как и металлы III группы, не могут быть получены восстановлением углеродом, так как они сразу же после выделения в свободном состоянии с избытком углерода образуют карбиды.
Металлотермия. Основана на процессах вытеснения одного металла (менее активного) другим (более активным) из соответствующих окислов, хлоридов, сульфидов.
Очень хорошим восстановителем окислов металлов вследствие большого сродства к кислороду является алюминий. Процесс называется алюминотермия.
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe
Алюминотермией получают и другие металлы (Mn, Cr, Ti), которые не могут быть получены в чистом виде восстановлением их окисей углем из-за образования карбидов. В алюмотермической реакции выделяется большое количество тепла за очень короткое время, вследствие чего развивается высокая температура.
Электролитическое или катодное восстановление металлов. Для трудновосстанавливаемых металлов уголь как восстановитель непригоден и в этом случае применяют катодное восстановление, то есть выделение путем электролиза. Такие металлы могут окисляться водой, поэтому их соединения подвергаются электролизу не в водных растворах, а в расплавах или растворах других растворителей.
Например, металлические Na, K, Ba, Ca, Mg, Be получают электролизом расплавов соответствующих хлоридов.
Получение металлов высокой чистоты.
В связи с бурным развитием техники потребовались металлы, обладающие очень высокой чистотой. Например, для надежной работы ядерного реактора необходимо, чтобы в расщепляющихся материалах такие примеси как бор, кадмий и др., содержались в количестве, не превышающих миллионных долей процента. Чистый цирконий – один из лучших конструкционных материалов для атомных реакторов – становится совершенно непригодным для этой цели, если в нем содержится даже ничтожная примесь гафния.
Перегонка в вакууме. Этот метод основан на различной летучести очищаемого металла и имеющихся в нем примесей. Исходный металл загружается в специальный сосуд, соединенный с вакуумным насосом и в сосуде создают вакуум, после чего нижняя часть сосуда нагревается. На холодных частях сосуда осаждаются либо примеси, либо чистый металл, в зависимости от того, что является более летучим.
1. Карбонильный процесс. Этот процесс используют в основном для получения чистого никеля и чистого железа. Металл содержащий примеси, нагревают в присутствии СО (окиси углерода) и получающийся летучий карбонил отгоняют от нелетучих примесей. Затем карбонилы разлагают при более высоких температурах с образованием высокочистых металлов.
2. Йодистый процесс дает возможность получать такие металлы, как цирконий, титан.
3. Очистка металла (обычно содержащего в качестве примесей окисел) в вакууме при нагревании его до очень высокой температуры при помощи электрической дуги.
Зонная плавка. Этот метод заключается в протягивании бруска неочищенного Германия через узкую печь; образующаяся при этом расплавленная зона, по мере продвижения бруска через нее перемещается вдоль него и уносит за собой примеси.
Многократным повторением этого процесса можно достигнуть высокой степени чистоты.
Химические свойства металлов.
У металлов отсутствует способность присоединять электроны, следовательно металлы являются восстановителями. Мерой химической активности металлов является энергия ионизации J.
Окислителями металлов могут быть: элементарные вещества, кислоты, соли менее активных металлов и т. д.
1. Взаимодействие с элементарными веществами.
2. Взаимодействие с кислотами:
а) Окислитель – ион Н+ (HCl, H2SO4 (разб.) и т. д.);
б) Окислитель анион кислоты (к таким кислотам относятся HNO3 и H2SO4 (конц.);
в) Взаимодействие с водой;
г) Взаимодействие со щелочами;
д) Взаимодействие с растворами солей.
Все атомы кислорода непосредственно связаны с атомами металла и не связаны друг с другом: Ме * О2.
Классификация оксидов металлов
Основные – оксиды наиболее активных металлов (s — элементы I и II групп) – связь ионная: Na2O, K2O, CaO, MgO и т. д.
Их свойства: а) взаимодействуют с кислотами; б) с кислотными оксидами; в) с водой.
Амфотерные оксиды (менее активных металлов и d — элементов): Al2O3, ZnO, Cr2O3 и т. д.
Их свойства: а) взаимодействие с кислотами; б) взаимодействие со щелочами.
Кислотные – оксида малоактивных металлов в высших степенях окисления (CrO3, Mn2O7 и др.). Их свойства: а) взаимодействие с водой, образуя кислоты; б) взаимодействуют с основаниями (щелочами).
Характер изменения свойств оксидов
В пределах одного периода происходит ослабление основных свойств через амфотерные и усиление кислотных слева на право.
В группе у одного и того же элемента наблюдается такое же изменение свойств.
1. Непосредственное окисление металлов – горение.
2. Окисление сульфидов.
ZnS + O2 = ZnO + SO2
3. Окисление оксидами других элементов, если теплота образования получающегося оксида больше теплоты образования исходного (металлотермия).
Al + Cr2O3 = Cr + Al2O3 + Q
4. Обезвоживание соответствующих гидроксидов.
Al(OH)3 
Al2O3 + H2O
5. Термическое разложение карбонатов, нитратов, сульфатов и других солей.
СаСО3 СаО + СО2
Классификация: основные, амфотерные, кислотные (соответствуют оксидам).
Характер изменения свойств в природе – аналогично оксидам.
Источник