Металлы

Металлы – класс химических элементов с определенными химическими и физическими свойствами: металлы хорошо проводят электричество и тепло, непрозрачные, но могут отражать свет; ковкие, позволяющий придавать изделиям из них нужную форму и розкатуваты в плоские пластинки, пластичны, что позволяет извлекать тонкий провод.
Металлами являются простые вещества большинства химических элементов (примерно 80%). Самым распространенным химическим элементом-металлом, в земной коре является алюминий.
Широко используются следующие типы металлов:
Все металлы имеют кристаллическое строение. Расположенные тем или иным способом, атомы образуют элементарную ячейку пространственной кристаллической решетки. Тип решетки зависит от химической природы и фазового состояния металла.
В железа, хрома, молибдена, вольфрама и некоторых других металлов элементарная ячейка является кубом с атомами в вершинах и дополнительным – в центре (объемноцентрированая кубическая решетка). При температуре свыше 910 ° С в кристаллической структуре железа происходит перестройка, число атомов в элементарной ячейке увеличивается до 14-ти. В результате перестройки симметрия элементарной ячейки меняется – атомы располагаются в вершинах куба и дополнительно в центре каждой грани (гранецентрированной кубической решетки). Цинк, магний, титан имеют элементарную ячейку в форме шестигранной призмы.
Элементарные ячейки каждого данного кристалла одинаково ориентированы в пространстве, располагаясь последовательно, они имеют общие с соседними ячейками атомы и образуют вместе пространственную решетку. Однако различные металлы с идентичной кристаллической решеткой имеют разные параметры, то есть расстоянию между соседними атомами.
Область применения металлов определяется их свойствами. Свойства металлов подразделяют на:
К основным механическим свойствам относятся ударная вязкость, пластичность, прочность и твердость металла.
К технологическим свойствам относятся физическая и технологическая свариваемость, ковкость, плавкость, обрабатываемость резанием.
К физическим свойствам металлов относятся цвет, удельная масса, тепловая и электрическая проводимость, магнитные качества.
Химические свойства металлов – это устойчивость против коррозии, жаропрочность.
Физические свойства
Все металлы (за исключением ртути) при обычных условиях является кристаллическими веществами. Их атомы расположены в определенном геометрическом порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку. В узлах кристаллической решетки находятся ионы металлов. Валентные электроны очень слабо связаны с атомами и могут легко перемещаться по всему объему металла, переходя от одних ионов к другим.
Легкой подвижностью валентных электронов объясняется высокая электропроводность и теплопроводность металлов. В отличие от растворов и расплавов при прохождении электрического тока через металлический проводник переноса частиц вещества не происходит. Металлы имеют электронную электропроводность. По электропроводностью и теплопроводностью металлы размещаются в одинаковом порядке. Лучшими проводниками электрического тока являются серебро, медь, золото и алюминий.
Характерная особенность металлов – металлический блеск, то есть способность хорошо отражать свет. Но эта способность проявляется лишь тогда, когда металл образует сплошную и гладкую (полированную) поверхность.
Очень важным свойством большинства металлов является пластичность, то есть способность изменять внешнюю форму при воздействии посторонней силы и сохранять полученную форму после прекращения воздействия внешнего воздействия. На этой способности основаны различные способы механической обработки металлов: прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д. Также кованые люстры в дом. Однако это свойство в различных металлов оказывается не одинаково. Способность розкатуватись в тоненькие письма и вытягиваться в тоненький провод лучше проявляется у золота, серебра, меди, алюминия и олова, несколько хуже у железа и цинка. Некоторые металлы совсем не проявляют пластичности, они очень хрупкие – это висмут, марганец и особенно сурьма (труба). При ударе они распадаются на кусочки.
По плотности металлы условно делят на легкие (плотность которых меньше 5 г / см 3) и тяжелые (плотность которых больше 5 г / см 3). К легких металлов относятся литий, калий и натрий. Легкие металлы – марганец, алюминий и титан. Самыми тяжелыми считаются ртуть, золото, платина и осмий. По твердости металлы тоже очень отличаются друг от друга. Твердым металлом является хром, который царапает стекло. За ним идет вольфрам, никель и др. К наймьягших металлов относятся калий и натрий, которые легко режутся ножом. Очень мягким является также свинец. (См. таблица плотностей веществ; таблица относительной твердости веществ)
По температурами плавления металлы тоже резко отличаются друг от друга. Температуры плавления ртуть (-39 ° С), за ней следует цезий (28,5 ° C), рубидий (38,5 ° C), калий (62,3 ° C), а самую высокую – вольфрам (3410 ° C ). (См. таблица температур плавления веществ)
По окраске металлы условно делят на черные – железо, марганец и их многочисленные сплавы (чугун, сталь) и цветные, к которым относят все остальные металлы. Соответственно этому и промышленность, их добывает, называют черной и цветной металлургией.
Химические свойства
Характерной особенностью металлов является способность их атомов отдавать свои валентные электроны и образовывать положительно заряженные ионы. В отличие от неметаллов металлы отрицательно заряженных ионов не образуют. Следовательно, свободные металлы являются восстановителями. Чем легче данный металл отдает свои валентные электроны, тем он активнее восстановитель. По химической активностью металлы можно разделить на три группы: сильно активны – калий, натрий, барий, кальций и др., средней активности – цинк, железо, никель и т.д. и мало активны – серебро, золото и платина. Сильно активные металлы с кислородом воздуха энергично взаимодействуют уже при обычной температуре, образуя оксиды, например:
Поэтому щелочные и щелочноземельные металлы хранят под слоем керосина, чтобы предотвратить их окисление кислородом воздуха. Металлы средней активности окисляются кислородом воздуха только с поверхности, покрываясь тонкой пленкой окисла, которая предотвращает дальнейшему окислению металла. Например:
Но при высокой температуре они энергично взаимодействуют с кислородом и превращаются в оксиды.
Малоактивные (благородные) металлы с кислородом непосредственно не реагируют вообще. Большинство металлов может непосредственно реагировать с серой, хлором и почти со всеми металлами, особенно при высокой температуре. С водой сильно активные (щелочные и щелочноземельные) металлы взаимодействуют уже при обычной температуре с выделением водорода и образованием растворимых гидроксидов (щелочей), например:
Металлы средней активности, например железо, реагируют с водой водяным паром) только при сильном накале:
Мало активные металлы с водой не реагируют ни при каких условиях. Отношение металлов к кислотам определяется их местом в электрохимическом ряду напряжений (ряду активности). Все металлы, занимают место в ряду напряжений левее водорода взаимодействуют с кислотами с образованием соли и выделением водорода (с азотной кислоты водород не выделяется!) Металлы, занимают место в ряду напряжений правее водорода, водорода из кислот не вытесняют. Но некоторые из них могут реагировать с концентрированной серной кислотой при нагревании с образованием соли и выделением диоксида серы SO 2, например:
Что же касается азотной кислоты, то при взаимодействии ее со всеми металлами, независимо от их места в ряду напряжений, водород с HNO 3 не выделяется, а образуются оксиды азота и соль металла. Например:
Металлы составляют более 80% всех химических элементов. Подавляющее большинство металлов встречается в природе в виде различных соединений и только некоторые из них – в свободном состоянии. Это так называемые самородные металлы (золото и платина), а также иногда серебро, ртуть, медь и другие металлы.
Минералы и горные породы, пригодные для извлечения из них металлов заводским способом, называются рудами. Важными рудами являются оксиды (Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, Al 2 O 3 • nH 2 O, MnO 2 и т.д.); сульфиды (ZnS, PbS, Cu 2 S, HgS и др.), соли (NaCl, KCl, MgCl 2 CaCO 3 и т. д.). Малоактивные металлы встречаются преимущественно в виде оксидов и сульфидов, а активные (щелочные и щелочноземельные) – исключительно в виде солей.
В большинстве случаев руды содержат различные примеси в виде песка, глины, известняка и т.п. Эти примеси называют пустой породой. Когда в руде много пустой породы, то есть когда руда является бедна полезное вещество, такую руду подвергают обогащению, т.е. удаляют из нее часть пустой породы. Различные руды обогащают различными способами.
Для обогащения сульфидных руд обычно применяют способ флотации (всплытие). При этом способе руду размалывают в тонкий порошок и заливают в больших чанах водой. К воде добавляют определенные органические вещества (например, сосновое масло, высшие жирные кислоты и др.), молекулы которых хорошо адсорбируются частицами сульфидов, и укрывают их тонкой пленкой, вследствие чего они не смачиваются водой. Сквозь воду продувают воздух, пузырьки которого с маслом образуют пену, а также прилипают к частицам сульфидов, и они всплывают и собираются сверху вместе с пеной, а смоченные водой частицы пустой породы оседают на дно (см. рис. Схема флотационного аппарата). Пену с сульфидами металлов сливают из чана и отжимают сульфиды. Так получают обогащенную полезными веществами руду.
Схема флотационного аппарата Свободные металлы добывают из руд различными способами. С оксидных руд металлы получают восстановлением их при высоких температурах. При этом как восстановитель чаще всего используют уголь (кокс) и монооксид углерода СО. Например:
Иногда восстановителем служат активные металлы. Например, при добыче хрома, бериллия, марганца и др. как восстановитель применяют алюминий (Алюминотермия):
В некоторых случаях как восстановитель используют водород, в частности при извлечении молибдена, вольфрама, порошкообразного железа и т.п.:
Сульфидные руды сначала обжигают, переводя их в оксиды металлов, которые затем восстанавливают. Например:
Наиболее активные металлы – калий, натрий, кальций и др. – Нельзя получить способом химического восстановления их соединений. Эти металлы получают лишь электролизом их расплавленных солей. Например:
Получение калия електполизом