Металлы как класс веществ¶

Металл — класс химических элементов и простых веществ, обладающих характерным набором физических и химических свойств: высокой электро- и теплопроводностью, металлическим блеском, пластичностью, способностью отражать свет. В периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева металлы составляют большинство — около 90 из известных элементов. В технике и повседневной речи под металлом обычно понимают конструкционный материал на основе одного или нескольких металлических элементов.

¶Общая характеристика

Металличность свойств определяется строением атомов и типом химической связи. Атомы металлов имеют относительно небольшие заряды ядра и легко отдают валентные электроны. В кристаллической решётке часть электронов становится коллективной («электронный газ»), что и обеспечивает высокую электропроводность и теплопроводность. Металлическая связь не обладает жёсткой направленностью, поэтому слои атомов могут смещаться друг относительно друга без разрушения — отсюда пластичность и ковкость.

Химически металлы — восстановители: они отдают электроны, образуя положительно заряженные ионы (катионы). Активность металла определяется его положением в электрохимическом ряду напряжений.

¶Физические свойства

К основным свойствам металлов относят:

• Электропроводность — обусловлена свободными электронами; лучшие проводники — серебро, медь, золото, алюминий.
• Теплопроводность — связана с переносом энергии электронами и колебаниями решётки.
• Металлический блеск — результат отражения световых волн поверхностью.
• Пластичность и ковкость — способность деформироваться без разрушения; золото можно раскатать в фольгу толщиной в доли микрометра.
• Плотность и температура плавления — варьируются в широких пределах: от лёгкого лития (плотность около 0,53 г/см³) до осмия (около 22,6 г/см³); самый тугоплавкий — вольфрам (около 3422 °C), самый легкоплавкий из металлов — ртуть (около −39 °C).

¶Классификация

Металлы классифицируют по нескольким признакам.

¶По физическим свойствам

• Чёрные — железо, его сплавы (сталь, чугун), а также марганец, хром.
• Цветные — все остальные: медь, алюминий, свинец, цинк, олово, никель и др.

¶По плотности

• Лёгкие — плотность менее 5 г/см³ (алюминий, магний, титан, щелочные металлы).
• Тяжёлые — плотность более 5 г/см³ (свинец, медь, железо, ртуть).

¶По химической активности

• Щелочные и щёлочноземельные — наиболее активные (натрий, калий, кальций, магний).
• Благородные — золото, серебро, платина, палладий; химически малоактивны.
• Амфотерные — алюминий, цинк, проявляющие свойства и металлов, и неметаллов.

¶Сплавы

Чистые металлы в технике применяются реже, чем сплавы — материалы из двух или более компонентов, где сохраняются металлические свойства. Сплавы позволяют целенаправленно изменять прочность, твёрдость, коррозионную стойкость, температуру плавления. Важнейшие из них:

¶История освоения

Первыми металлами, освоенными человеком, стали медь, золото и метеоритное железо — они встречаются в самородном виде. Медный век сменился бронзовым (сплав меди с оловом), затем — железным. Освоение железа и способов получения стали определило развитие цивилизаций Средиземноморья, Европы и Азии. В России металлургия активно развивалась с XVII–XVIII веков: строились заводы на Урале, чему способствовали запасы руды и леса для выплавки. К концу XIX века Россия входила в число крупных производителей чугуна и стали, а в XX веке металлургия стала одной из базовых отраслей промышленности.

¶Металлургия

Металлургия — отрасль, охватывающая добычу руд, их обогащение и получение металлов. Выделяют:

• Чёрную металлургию — производство железа, стали, чугуна и ферросплавов.
• Цветную металлургию — получение меди, алюминия, никеля, свинца, цинка, титана и редких металлов.

Основные способы получения: пирометаллургия (восстановление при высоких температурах), гидрометаллургия (извлечение из растворов), электрометаллургия (электролиз расплавов и растворов). В России крупными центрами металлургии являются Урал, Сибирь, а также районы Центральной России.

¶Применение

Металлы — основа современной техносферы:

• Конструкционные материалы — несущие конструкции, машины, транспорт, трубопроводы.
• Электротехника и электроника — провода, контакты, микросхемы.
• Авиация и космонавтика — лёгкие и жаропрочные сплавы титана, алюминия.
• Медицина — хирургический инструмент, имплантаты из титана и нержавеющей стали.
• Быт — посуда, монеты, ювелирные изделия, отделка.
• Энергетика — реакторы, турбины, теплообменники.

¶Коррозия и защита

Коррозия — разрушение металлов под действием окружающей среды, прежде всего кислорода и влаги. Ежегодно она наносит значительный экономический ущерб. Способы защиты:

• нанесение покрытий (цинкование, лужение, лаки, краски);
• легирование — введение добавок, повышающих стойкость (нержавеющая сталь);
• электрохимическая защита (протекторная, катодная);
• ингибиторы коррозии.

¶Значение и ресурсы

Металлы — невозобновляемый ресурс; их запасы в земной коре ограничены, поэтому развивается рециклинг металлолома. Металлы остаются ключевым фактором промышленного развития, определяя возможности строительства, транспорта, энергетики и обороны. Вместе с тем добыча и выплавка связаны с высокой энергоёмкостью и экологическими нагрузками, что стимулирует разработку более эффективных и «зелёных» технологий.

Источники: учебные курсы общей и неорганической химии; материалы по материаловедению и металлургии; данные периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.