МЕТАЛЛЫ основа промышленного производства

 

МЕТАЛЛЫ (от греческого Metallon - изнаначально, копи, шахта), вещества, в обычных условиях имеющие характерные  металлические свойства - высокая электрическая проводимость и теплопроводность, а также такие показатели как отрицательный температурный коэффициент электропроводности и способность хорошо отражать волны света (проще говоря, тот самый металлический блеск). Также плюс ко всему, конечно же, - пластичность. К металлам имеют отношение и непосредственно сами металлы (простые вещества),  и металлические соединения, их сплавы, в числе которых есть подгруппа  интерметаллидов. Зачастую слово «металлы» закрепляется  за всеми веществами, обладающими теми или иными свойствами. К примеру, так называемые, "синтетические" металлы (интеркалаты, см. yandex.ru ), металлы органические.

Блеск и нищета, от бора до золота


В былые времена металл отделяли от других веществ по таким свойствам как: пластичность и ковкость, блеск, - "светлое тело, которое ковать можно" (М. В. Ломоносов). Все же металлический блеск отличает и некоторые из неметаллов, к примеру иод. В природе существуют хрупкие металлы, но множество из них получены в пластичном состоянии в процессе тщательной очистки. Сегодня  признаком №1 в отношении металлов является характерный отрицательный коэффициент электрической проводимости, иными словами снижение электрической проводимости при нагревании самого металла. 86 металлов отмечено в периодической системе Менделеева,  при том, что общее количество элементов равно 109-ти.  Пограничная линия между металлами и неметаллами в таблице Менделеева (ее длинном варианте) проведена по диагонали от бора до астата (At). О таких элементах, как к примеру, германий (Ge), сурьма (Sb), единого мнения нет. Аксиомой здесь является то, что  германий, к примеру, больше неметалл, так как  обладает  свойствами полупроводника, a сурьма-металл, хоть и по физическим свойствам сурьма (Sb) -полуметалл.

Полупроводник, металлы и неметаллы


Олово есть в природе как  в металлической (b-Sn) модификации,  и также как  полупроводник (a-Sn). У германия, кремния, фосфора и некоторых других неметаллов в условии высокого давления обнаружены проводниковые модификации. Здесь легко сделать вывод, что при экстремально высоких давлениях металлические свойства могут приобретать все вещества.  В этом отношении оттеснять тот или иной элемент к металлам или неметаллам  нужно на  основании изучения не только физических свойств простого элемента таблицы Менделеева, но также его химических свойств. Нередко для элементов, расположенных на границе металлы - неметаллы, применяется термин "полуметаллы", хотя в химии такой термин сегодня задействовать не рекомендуется.

За связь в решетке


В металлах есть металлическая связь. Научно ее можно описать так: кристаллич. решетка сформирована положит. ионами, а валентные электроны размещены по всему пространству решетки. Металлы — это своеобразный остов из положительных ионов, погруженный в "электронный газ", компенсирующий действие  взаимного отталкивания положительных ионов.

Прочность кристаллов


Прочность кристаллической структуры металлов характеризуема энтальпией атомизации. Величина ее варьируется от 61,4 кДж/молъ у ртути до 850 кДж/моль у вольфрма (W). Наибольшая. энтальпия атомизации свойственна металлам рядов ниобий-рутений (Nb-Ru) и гафний-иридий (Hf-Ir). Эти металлы отличаются высокой механической прочностью и высокими температурами плавления.

Классификация цветная и черная


Классификация металлов. Абсолютно все элементы металлической природы разделяют на 4 группы : s-металлы (это все элементы так называемого s раздела первой и второй группы в таблице) , за исключением гелия Не и водорода (Н) ), р-металлы (сюда входят элементы гр. IIIа. Исключаются В, Рb, Sb,Sn, Ро, Bi), а также d- и f-металлы, объединяемые в группу "переходных" (см. google.com  переходные элементы). Элементы двух первых групп ещё иногда называют "простыми". Из них выходят несколько групп более узкой направленности: из s-металлов- щелочные  , а также щелочноземельные металлы, из d-элементов - платиновые металлы. Так называемая группа редкоземельных элементов включает в себя и d-,  и f-вещества (подгруппа Sc и лантаноиды).

От серебра и золота до свинца и никеля


Кроме этого существует не общепринятая, техническая классификация элементов металлической природы.  Она сопряжена с геохимическими классификациями элементов. Вообще выделяются такие группы: черные металлы (Fe);  цветные тяжелые металлы: никель, олово, цинк, медь, свинец,  (в эту группу идут так называемые младшие металлы или малые: сурьма, кобальт (Со), висмут (Bi), кадмий (Cd), ртуть (Hg),  некоторые из которых  зачастую относят к  группе редких металлов); легкие металлы (плотность которых менее 5 г/см3) - кальций, алюминий (Аl), магний (Mg), и прочие; драгоценные металлы — серебро (Ag),  золото (Au) плюс платиновые металлы; легирующие  металлы (ферросплавные) — молибден, марганец, ваннадий (V), вольфрам (W), хром (Cr), ниобий (Nb), и др.; редкие металлы , разделяемые на небольшое количество групп; радиоактивные металлы: уран, плутоний, торий и прочие.

Атомный радиус в плотной упаковке - цирконий


Кристаллическая структура. Большое число металлов кристаллизируется в одной из трех структур (гугль металлические кристаллы). Именно - в  гексагoнических, кубических и упаковках высокой плотности (плотная упаковка, см. яндекс ) либо - в объемноцентрированной кубической решетке. В последнем случае на равных расстояниях каждый атом имеет 12 ближайших соседей, также 8 равноудаленных соседей плюс 6 , расположенных на большем  расстоянии (на 15%). В этом отношении  ко-ординационное число данной структуры принято считать эквивалентным 14 (8 + 6). В решетке, межатомные дистанции кристаллической структуры металлов характеризуемы металлическим радиусом (яндекс  атомные радиусы).

Температура плавления сплавов


Множество металлов  при изменении температуры и/или  давления испытывают полиморфные превращения. Другие же металлы, в условиях низкой температуры формирующие плотнейшие упаковки, напр. цирконий, кальций , лантан (Zr, Са, La), имеют высокотемпературные модификации с кубической, объемноцентрированной  структурой.
В процессе плавления металлы сохраняют  тепловые, электрические и оптические свойства. Приблизительно при температуре плавления в структуре жидких металлов наблюдается  порядок, примерно аналогичный порядку в  в кристаллических металлах. По мере повышения температуры, неизбежно, ближний порядок нарушается. Даже до абсолютного разупорядочения.

Физическая, но не культура а свойства. Чапаев и чистота


Физические свойства.  У металлов они меняются очень сильно. Таким образом, температура плавления может измениться от - 39 °С (Hg) до 3400 °С (W), а плотность, в свою очередь, - меняется в пределах величин: 0,5 г/см3 (литий Li) - 22,5 г/см3 (осьмий Os). Удаленное электрическое сопротивление (р)  при температуре 25 °С варьируется от 1,6 (серебро Ag) до 140 (марганец Мn) мкОм.см. Рассеяние электронов ( либо сопротивление подвижности электронов) происходит по причине деформации кристаллической решетки из-за теплового атомного движения, а также из-за дефектов ( примесных атомов, вакансий и дислокаций,). Мера движения - это длина свобразного пробега электрона. В условиях комнатной температуры она равняется ~ 10-6 см , если чистота металлов обычная и ~ 10-2 см у металлов высокой чистоты. Р - (температурный коэффициент) (если брать интервал 0-100°С) изменяем в пределах от 1,0.10-3 (у ртути Hg) до 9,0.10-3 К-1 (бериллий Be). В условиях гелиевых температур, (4,2 К) р не имеет большой зависимости от температуры (rост). Его измерение находят в целях  характеристики совершенства и чистоты металлических кристаллов. Чем чище металл, тем больше отношение r273/r4,2,. В монокристаллах с высокой чистотой оно достигает 104-105. Также  при низких температурах некоторые металлы проявляют себя как сверхпроводники При всем при этом критическая температура  чистых металлов располагается в районе от сотых долей до 9 К.

Эмиссия денег при бомбардировке


В ряду металлов существует такое явление как как термоэлектронная эмиссия (возможность испускания электронов при высокой температуре). Она возникает также под влиянием электромагнитного излучения в пределах видимой и УФ областей спектра (иначе - фотоэлектронная эмиссия -слабое взаимодействие), внешне приложенного электрического поля  с высоким  напряжением (автоэлектронная, или туннельная, эмиссия). Может возникнуть при бомбардировке электронами металлической поверхности (вторичная электронная эмиссия) или при бомбардировке поверхности металла ионами (ионно-электронная инициированная эмиссия), также при воздействии на  металлическую поверхность высокотемпературной плазмой (взрывная электронная эмиссия). Перепады температуры вызывают появление электрического тока в металлах (термоэдс).

Теплопроводность и электропроводность


Теплопроводность  элементов-металлов обусловлена чаще движением электронов, и посему - удельный коэффициент теплопроводности  и электрической проводимости (s) металлов — величины, связанные между собой соотношением по закону Видемана-Франца). Значения удельного коэффициента теплопроводности металлов варьируются в рамках: 425 (для серебра (Ag)) - 8,41 (для висмута (Bi)) Вт/(м-К).
Величины температурного коэффициента линейного расширения металлоэлементов в промежутке 0-100°С принимают следующие значения: 4,5.10-6 (для осьмия (Os)) - 10-4 K-1 (для стронция (Sr)). В соответствии с эмпирическим правилом Грюнайзена, относительное увеличение объема металла на промежутке от О К до температуры плавления  равно примерно 0,06. В этой связи величина температурного коэффициента объемного расширения у легкоплавких металлов больше, чем у тугоплавких.

Металл пропускает свет


В большинстве своем металлы магнитно слабо восприимчивы согласно абсолютной величине  (~ 10-9) и также слабо зависят от температуры. В ряду металлов есть диамагнетики, к примеру висмут, а также парамагнетики. Все из переходных металлов парамагнитны, за исключением металлов I и II гр. Некоторые  при температурах точки Кюри приобретают  магнитно-упорядоченное состояние. Металлы Феррумной триады, а также гадолиний (Gd) и несколько других лантаноидов — ферромагнетики.  Марганец, хром  и большая часть лантаноидов - антиферромагнетики. Излучения в оптическом диапазоне практически полностью отражаются металлической поверхностью, и вследствие этого они обладают непрозрачностью и тем самым характерным металлическим блеском (множество порошков металлов - матовые). Некоторые из металлов, допустим золото ( если он в виде тонкой фольги), могут пропускать свет. Плоскополяризованный свет, отраженный от поверхности металлов, становится эллиптически поляризованным.
Если использовать металлы в качестве конструкционных материалов, то важным здесь станет сочетание таких механических свойств  как пластичнось,  вязкость со значительной прочностью, твердостью, упругостью. Данные свойства зависят не только лишь от состава вещества (чистоты металла), но также и от того, насколько совершенна кристаллическая решетка (наличие дефектов) и структура определяемого предварительной механической и термической  обработкой образца.

Механическая прочность обломков


Механические свойства  металлических элементов определяются наличием дефектов, и это будут в первую очередь дислокации, поскольку перемещение их по плоскостям кристаллической решетки с самой плотной упаковкой - основной механизм пластической деформации металлических веществ. Это важно для современного производства. Взаимодействие дислокаций с иными дефектами повышает сопротивление пластической деформации. В ходе деформаций количество дислокаций становится больше, соответственно, возрастает и сопротивление процессу деформации (деформационное упрочнение, или иначе - наклеп). Состояние напряженности и наклеп  после деформации уходит при отжиге. Повышение напряжения в тех самых местах "сгущения" дислокаций вызывает трещины - очаги разрушения. Одна из важнейших характеристик механических свойств металлов — модуль упругости металла Е (так наз. модуль Юнга). Предел текучести - сопротивляемость приложенной пластической деформации, порядок 10-4 Е.

Химия на марше


Химические свойства. Металлические элементы имеют невысокие показатели первого потенциала ионизации и  сродства к электрону. В этой связи, в химических реациях металлы выступают в роли доноров электронов (восстановителей), а в соединениях получают положительно заряженные ионы (аквакатионы - в большинстве таких случаев). Электроотрицательность атомов неметаллов выше электроотрицательности  металлических атомов. Металлы  вхожи в составы сложных анионов, таких, например, как МnО-4, или ацидокомплексов - [Fe(CN)6]4-, однако в таких соединениях атомы металлов всегда центры положительного заряда. Лишь для некоторых металлов, граничащих с неметаллами, (олово, полоний, сурьма и т.п.) известны такие соединения, как  гидриды. В них металлы имеют формально отрицательную степень окисления. Во подобного рода синтезированных  соединениях выявленная химическая связь- ковалентная.

Порча металлов на воздухе

Известная способность металлических веществ  окисляться и превращаться в металлолом изменчива в очень широких пределах. Множество металлов окисляемо в кислородной среде (проще говоря, на воздухе)  даже при комнатной температуре, но скорость и механизм реакций зависимы от природы металлов. При этом в большинстве случаев формируются оксиды, а у щелочных элементов, ( всех, кроме лития (Li)) - пepоксиды. Устойчивость металлов к воздуху определяема свойствами образующегося оксида, в конкретике -  соотношением объема оксида к его количеству, (т.е. молярных объемов) Vокс/VM.. Если Vокс/VМ > 1.  Металлы образуют на своей поверхности защитную пленку, предохраняющую их от дальнейшего окисления. Пленка эта характерна, например, для таких элементов, как: алюминий Al, титан Ti, хром Сr. Они устойчивы на воздухе, хоть и  высоко активны. Металлы, для которых данное отношение меньше единицы, (к примеру, щелочные), неустойчивы на воздухе.
С азотом N2 в реакцию может вступить ряд металлов.  Литий прореагирует при обычной температуре , a вот цирконий Zr, магний Mg, гафний Hf или титан  - уже при нагреве. Большинство металлов активно взаимодействуют с галогенами, халькогенами , а также с водородом Н2. Металлы, у которых типовые электродные потенциалы не превышают 0,4 В, окисляемы водой с выделением водорода. Щелочные, а также щелочно-земельные металлы вступают с водой в реакции при обычных температурах. Такие же металлы, как железо или цинк , охотно прореагируют при высоких температурах с водяным паром. С растворами щелочей взаимодействуют металлы, могущие образовывать растворимые анионные гидроксокомплексы (цинк Zn, алюминий Al, бериллий Be, галлий Ga, олово Sn).

Коррозия металла


Также те или иные кислоты окисляют большинство металлов. Те, что имеют отрицательные  электродные потенциалы ( ищи «электрохимия») -  находящиеся в ряду напряжений левее водорода, окисляемы ионами Н+ и поэтому растворяются в неокисляющих кислотах ( разбавленная H2SO4, соляная кислота ), когда не образуется нерастворимых продуктов.  Способствует реакции образование анионных комплексов.  Для растворения же малоактивных металлов, например таких как золото  или платина Pt, используются смеси, содержащие поставщиков лигандов для образования растворимых соединений, (к примеру таких, как царская водка либо смесь HNO3 с ортофосфорной кислотой), а также содержащие окислитель .
Читайте в yandex.ru  «Коррозия металлов» также о взаимодействии металлов со средой, которое ведет к их разрушению и превращению во вторичное сырье.
Важная способность металлических элементов - возможность образовывать основные оксиды и  гидроксиды. Для металлов-элементов главных подгрупп  основность оксидов и гидроксидов повышается сверху вниз, а в побочных подгруппах (исключая I - III) - зависимость обратная. Основность элемента убывает по рядам и периодам с ростом порядкового номера. У металлов с несколькими степенями окисления, таких как f-металлы и d-металлы, основность (кол-во атомов водорода в молекуле кислоты, способных замещаться на металл ) оксидов уменьшается с ростом степени окисления.

А вот и металлургия полного цикла

Получение металлов. Область металлургии - извлечение металлов из природного сырья и прочих источников.   У технологии металлов можно заметить двоякий характер. Производство железа, многих цветных и малых металлов, а также большей части рассеянных элементов (халькофильных элементов) имеет  выраженный    "металлургический" характер.  Это объясняется  технологической  легкостью восстановления до металлов как путем гидрометаллургии (электролиз растворов, цементация и т.п. ( ключевое слово гидрометаллургия), так и пирометаллургии (кл. сл. пирометаллургия).
Иной характер имеет технология  редких металлов (литофильных элементов), а также легких.  Для данных металлов технология проходит в два этапа - 1)получение чистого соединения, например Аl2О3, 2)получение металла из этого соединения. В производстве собственных соединений сами металлы  обычно не используются. В этом смысле можно сказать, что у технологии данных металлов  более "химический" характер.

Твердый раствор сплавов


Способность металлов взаимно растворяться  с образованием твердых растворов и интерметаллидов при кристаллизации  дает возможность получения огромного числа сплавов, различных по структуре и  сочетаниям свойств. В современной технологии применяют более 30 000 разнообразных сплавов — тугоплавких и легкоплавких, пластичных или наоборот, очень твердых, с различной  электропроводимостью, ферромагнитными свойствами  и прочих. Ныне в сплавах используются практически все известные металлические элементы (за исключением полученных искусственно трансплутониевых элементов). Мера эксплуатации в значительной степени определяема доступностью металла — фактически, стоимостью его извлечения из земной коры и процентным содержанием   в месторождениях, равно как и сложностью выработки.  Сплавы — их получение и использование в промышленности - один из важнейших этапов  человеческой цивилизации. Сегодня сплавы - важнейшие  материалы для машин, механизмов, конструкций и сооружений. Однако же, в последние годы стало наблюдаться  сокращение потребления железа и железосодержащих сплавов в пользу большего употребления разнообразных легких цветных металлов (алюминий , магний ), а  зачастую и  редких металлов.

Статья  «О металлах» написана с использование материалов из  химической и физической энциклопедии.