Металл — класс химических элементов и материалов¶
Металл — химический элемент или материал, обладающий высокой электропроводностью, теплопроводностью, металлическим блеском, способностью образовывать катионы и формировать кристаллические решётки с обобществлёнными электронами. Термин происходит от латинского metallum (горная порода, руда). К металлам относится большая часть элементов периодической таблицы — около 80 из 118 известных, включая железо, медь, алюминий, золото, серебро, титан, уран.
¶Свойства металлов
Металлы характеризуются набором общих физических свойств, обусловленных характером химической связи — металлической связью, при которой валентные электроны обобществлены и свободно перемещаются по кристаллической решётке.
¶Физические свойства
- Электропроводность. Металлы — одни из лучших проводников электрического тока. Лучшие проводники — серебро, медь, золото. Электрическое сопротивление металлов растёт с повышением температуры, что отличает их от полупроводников.
- Теплопроводность. Обеспечивается переносом энергии как через электроны, так и через колебания решётки. Лучшие проводники тепла — серебро, медь, золото.
- Металлический блеск. Свободные электроны поглощают и переизлучают видимый свет, придавая поверхности характерный отблеск. При тонком измельчении (в виде порошка) многие металлы выглядят серыми.
- Пластичность. Большинство металлов можно деформировать, прокатывать, вытягивать в проволоку. Исключение — хрупкие при обычных условиях ртуть (жидкость) и висмут, а также щелочные металлы, которые настолько мягки, что режутся ножом.
- Температура плавления. Варьируется в широких пределах: от −38,8 °C у ртути до 3422 °C у вольфрама — самого тугоплавкого металла.
¶Химические свойства
Металлы характеризуются низкой электроотрицательностью и склонностью отдавать электроны, образуя положительно заряженные ионы. В общих случаях:
- щелочные и щёлочноземельные металлы реагируют бурно, вплоть до взрыва в воде;
- железо, цинк, алюминий вытесняют водород из кислот;
- алюминий и цинк проявляют амфотерность — реагируют и с кислотами, и со щелочами;
- благородные металлы (золото, платина, палладий) устойчивы к коррозии и большинству реагентов.
¶Классификация
По химическим свойствам металлы делят на:
| Группа | Примеры | Особенности |
|---|---|---|
| Щелочные | Li, Na, K, Cs | Мягкие, бурно реагируют с водой |
| Щёлочноземельные | Ca, Ba, Mg | Реактивные, но менее бурные, чем щелочные |
| Переходные | Fe, Cu, Ni, Ti, Au | Образуют оксиды различной стехиометрии, многие проявляют несколько степеней окисления |
| Лантаноиды | La, Ce, Nd | Редкоземельные, сходные химические свойства |
| Актиноиды | U, Th, Pu | Радиоактивные |
| Постпереходные | Al, Sn, Pb, Zn | Менее активные, некоторые проявляют кислотные свойства |
По физическим свойствам выделяют:
- твёрдые металлы (большинство);
- жидкие при комнатной температуре — ртуть и (при лёгком нагреве) галлий, цезий;
- лёгкие (Li, Na, Mg, Al) — малой плотности;
- тяжёлые (W, Os, Pt) — плотностью свыше 10 г/см³;
- тугоплавкие (W, Mo, Ta, Re) — температура плавления выше 1650 °C;
- благородные (Au, Ag, Pt, Pd) — химически инертные.
¶Сплавы
Чистые металлы редко применяются в технике — их свойства улучшают сплавами. Сплав — металлоподобный материал, состоящий из двух и более компонентов, основой которых является металл.
Основные типы сплавов:
- Механические смеси — компоненты сохраняют свои фазы (латунь = медь + цинк).
- Твёрдые растворы — атомы одного металла внедряются в решётку другого (бронза = медь + олово).
- Химические соединения — образуются межметаллиды с определённой стехиометрией (сталь = железо + углерод до 2,14 %).
Наиболее известные сплавы: сталь (Fe + C), чугун (Fe + C свыше 2,14 %), латунь (Cu + Zn), бронза (Cu + Sn), алюминиевые сплавы, амальгамы (сплавы с ртутью).
¶Металлургия
Получение металлов из руд — задача металлургии, одной из старейших отраслей промышленности.
¶Древняя металлургия
Человечество освоило медь около 5000 года до н. э. в Месопотамии и Анатолии, бронзу — около 3300 года до н. э., железо — около 1200 года до н. э. (хеттская металлургия). В Древней Руси кузнечное дело и выплавка железа были развиты с IX века, а крупные центры — Тула, Новгород, Владимир — славились оружейным производством.
¶Современная металлургия
Разделяется на:
- чёрную — производство железа, стали и сплавов на его основе;
- цветную — производство всех остальных металлов (медь, алюминий, никель, олово, свинец, цинк, титан, редкие и благородные).
Основные методы извлечения металлов из руд:
- Пирометаллургия — восстановление высокими температурами (доменное производство, выплавка меди в шахтных печах).
- Гидрометаллургия — растворение руд кислотами или щелочами с последующим вытеснением металла (производство алюминия методом Байера — Галлера).
- Электрометаллургия — электролиз расплавов (алюминий по методу Холла — Эру, натрий, магний).
¶Применение
Металлы и их сплавы составляют основу машиностроения, строительства, энергетики, электротехники и ювелирного дела. Железо и сталь — конструкционные материалы мостов, зданий, транспорта. Медь и алюминий — кабели и проводники. Титан и его сплавы применяются в авиации и медицине (имплантаты). Благородные металлы — в электронике, ювелирном деле, катализаторах. Радиоактивные металлы (уран, плутоний) — в ядерной энергетике.
¶Металлы в живой природе
Металлы играют ключевую роль в биохимии. Железо входит в состав гемоглобина и переносит кислород. Кальций и фосфор формируют костную ткань. Натрий, калий и магний участвуют в нервной проводимости и сокращении мышц. Медь и цинк — кофакторы ферментов. Кобальт — центральный атом витамина B12.