Подавляющее большинство (93 из 117) известных в настоящее время химических элементов относится к металлам.
Атомы различных металлов имеют много общего в строении, а образуемые ими простые и сложные вещества имеют схожие свойства (физические и химические).
Положение в периодической системе и строение атомов металлов.
В периодической системе металлы располагаются левее и ниже условной ломаной линии, проходящей от бора к астату (см. таблицу ниже). К металлам относятся почти все s-элементы (за исключением Н, Не), примерно половина р -элементов, все d — и f -элементы (лантаниды и актиниды ).
У большинства атомов металлов на внешнем энергетическом уровне содержится небольшое число (до 3) электронов, только у некоторых атомов р-элементов (Sn, Pb, Bi, Ро) их больше (от четырех до шести). Валентные электроны атомов металлов слабо (по сравнению с атомами неметаллов) связаны с ядром. Поэтому атомы металлов относительно легко отдают эти электроны другим атомам, выступая в химических реакциях только в качестве восстановителей и превращаясь при этом в положительно заряженные катионы:
Me - пе – = Ме n+ .
В отличие от неметаллов для атомов металлов характерны только положительные степени окисления от +1 до +8.
Легкость, с которой атомы металла отдают свои валентные электроны другим атомам, характеризует восстановительную активность данного металла. Чем легче атом металла отдает свои электроны, тем он более сильный восстановитель. Если расположить в ряд металлы в порядке уменьшения их восстановительной способности в водных растворах, мы получим известный нам вытеснительный ряд металлов , который называется также электрохимическим рядом напряжений (или рядом активности ) металлов (см. таблицу ниже).
Распространенность м еталлов в природе .
В первую тройку наиболее распространенных в земной коре (это поверхностный слой нашей планеты толщиной примерно 16 км) металлов входят алюминий, железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.
железо и кальций. Менее распространены натрий, калий, магний. В таблице ниже приведены массовые доли некоторых металлов в земной коре.
Распространенность металлов в земной коре
| Металл | Металл | Массовая доля в земной коре, % | |
|---|---|---|---|
| Al | 8,8 | Cr | 8,3 ∙ 10 -3 |
| Fe | 4,65 | Zn | 8,3 ∙ 10 -3 |
| Ca | 3,38 | Ni | 8 ∙ 10 -3 |
| Na | 2,65 | Cu | 4,7 ∙ 10 -3 |
| K | 2,41 | Pb | 1,6 ∙ 10 -3 |
| Mg | 2,35 | Ag | 7 ∙ 10 -6 |
| Ti | 0,57 | Hg | 1,35 ∙ 10 -6 |
| Mn | 0,10 | Au | 5 ∙ 10 -8 |
Элементы, массовая доля которых в земной коре составляет менее 0,01 %, называются редкими . К числу редких металлов относятся, например, все лантаниды. Если элемент не способен концентрироваться в земной коре, т. е. не образует собственных руд, а встречается в качестве примеси с другими элементами, то его относят к рассеянным элементам. Рассеянными, например, являются следующие металлы: Sc, Ga, In, Tl, Hf.
В 40-х годах XX в. немецкие ученые Вальтер и Ида Нолла к высказали мысль о том. что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все химические элементы периодической системы. Вначале эти слова были встречены их коллегами далеко не с единодушным одобрением. Однако по мере появления все более точных методов анализа ученые все больше убеждаются в справедливости этих слов.
Поскольку все живые организмы находятся в тесном контакте с окружающей средой, то и в каждом из них должны содержаться если не все, то большая часть химических элементов периодической системы. Например, в организме взрослого человека массовая доля неорганических веществ составляет 6 %. Из металлов в этих соединениях присутствуют Mg, Са, Na, К. В составе многих ферментов и иных биологически активных органических соединений в нашем организме содержатся V, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Mo, Сг и некоторые другие металлы.
В организме взрослого человека содержится в среднем около 140 г ионов калия и около 100 г ионов натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 г до 7 г ионов калия и от 2 г до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах натрия настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу. Значительная потеря ионов натрия (в виде NaCl с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют пить минеральную воду. Однако и избыточное содержание соли в пище негативно сказывается на работе наших внутренних органов (в первую очередь, сердца и почек).
Вам необходимо включить JavaScript, чтобы проголосоватьСвойства металлов.
1.Основные свойства металлов.
Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.
К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.
К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.
К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием.
1. Физические и химические свойства.
Цвет . Металлы непрозрачны, т.е. не пропускают сквозь себя свет, и в этом отраженном свете каждый металл имеет свой особенный оттенок – цвет.
Из технических металлов окрашенными являются только медь (красная) и ее сплавы. Цвет остальных металлов колеблется от серо- стального до серебристо – белого. Тончайшие пленки окислов на поверхности металлических изделий придают им дополнительные окраски.
Удельный вес. Вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах, называется удельным весом.
По величине удельного веса различают легкие металлы и тяжелые металлы. Из технических металлов легчайшим является магний (удельный вес 1,74), наиболее тяжёлым – вольфрам (удельный вес 19,3). Удельный вес металлов в некоторой степени зависит от способа их производства и обработки.
Плавкость. Способность при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое является важнейшим свойством металлов. При нагревании все металлы переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении расплавленного металла – из жидкого состояния в твердого. Температура плавления технических сплавов имеет не одну определённую температуру плавления, а интервал температур, иногда весьма значительный.
Электропроводность. Электропроводность заключается в переносе электричества свободными электронами. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. При повышении температуры электропроводность металлов падет, и при понижении – возрастает. При приближении к абсолютному нулю (- 273 0 С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +232 0 (олово) до 3370 0 (вольфрам). Большинство увеличивается (сопротивление, падает почти до нуля).
Электропроводность сплавов всегда ниже электропроводности одного из компонентов, составляющих сплавов.
Магнитные свойства. Явно магнитными (ферромагнитьными) являются только три металла: железо, никель, и кобальт, а также некоторые их сплавы. При нагревании до определённых температур эти металлы также теряют магнитные свойства. Некоторые сплавы железа и при комнатной температуре не являются ферромагнитными. Все прочие металлы разделяются на парамагнитные (притягивают магнитами) и диамагнитные (отталкиваются магнитами).
Теплопроводность. Теплопроводность называется переход тепла в теле от более нагретого места к менее нагретому без видимого перемещения частиц этого тела. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать.
Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается.
Теплоёмкость. Теплоёмкость называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 1 0 .
Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 1 0 .
Удельная теплоёмкость металлов в сравнении с другими веществами невелика, что позволяет относительно легко нагревать их до высоких температур.
Расширяемость при нагревании. Отношение приращения длины тела при его нагревании на 1 0 к первоначальной его длине называется коэффициентом линейного расширения. Для различных металлов коэффициентом линейного расширения колеблется в широких пределах. Так, например, вольфрам имеет коэффициент линейного расширения 4,0·10 -6 , а свинец 29,5 ·10 -6 .
Коррозионная стойкость. Коррозия есть разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Примером коррозии является ржавление железа.
Высокая сопротивляемость коррозии (коррозионная стойкость) является важным природным свойством некоторых металлов: платины, золота и серебра, которые именно поэтому и получили название благородных. Хорошо сопротивляются коррозии также никель и другие цветные металлы. Черные металлы коррозируют сильнее и быстрее, чем цветные.
2. Механические свойства.
Прочность. Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Твердость. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.
Упругость. Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.)
Вязкость. Вязкость называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости.
Пластичность. Пластичностию называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство, обратное упругости.
В табл. 1 приведены свойства технических металлов.
Таблица 1.
Свойства технических металлов.
| Название металла | Удельный вес(плотность) г\см 3 | Температура плавления 0 С | Твердость по Бринеллю | Предел прочности(временное сопротивление) кг\мм 2 | Относительное удлинение % | Относительное сужение поперечного сечения % |
| Алюминий Вольфрам Железо Кобальт Магний Марганец Медь Никель Олово Свинец Хром Цинк | 2,7 19,3 7,87 8,9 1,74 7,44 8,84 8,9 7,3 11,34 7,14 7,14 | 658 3370 1530 1490 651 1242 1083 1452 232 327 1550 419 | 20-37 160 50 125 25 20 35 60 5-10 4-6 108 30-42 | 8-11 110 25-33 70 17-20 Хрупкий 22 40-50 2-4 1,8 Хрупкий 11,3-15 | 40 - 21-55 3 15 Хрупкий 60 40 40 50 Хрупкий 5-20 | 85 - 68-55 - 20 Хрупкий 75 70 74 100 Хрупкий - |
3. Значение свойств металлов.
Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, - это достаточная прочность.
Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.
Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать ещё особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Так, например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.
Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью
Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергается ударной нагрузке.
Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).
Физические свойства. В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и особенно магния являются здесь незаменимыми. Удельная прочность(отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых, сплавов выше, чем для мягкой стали.
Плавкость используется для получения отливок путём заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы(например, свинец) используются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляется в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографических матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров.
Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания, электронагревательных приборов.
Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, мотора, трансформаторы),для приборов связи (телефонные и телеграфные аппараты) и используются во многих других видах машин и приборов.
Теплопроводность металлов дает возможность производить их физические свойства. Теплопроводность используется также при производстве пайки и сварки металлов.
Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения , близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп. Расширение металлов должно применяться во внимание при постройке длинных сооружений, например, мостов. Нужно также учитывать,что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение.
Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (колосниковые решётки, детали химических машин и приборов). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислостойкие и жаропрочные стали, а также применяются защитные покрытия.
Бо́льшая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды , сульфиды , карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия . Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам . Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах (играя при этом важную роль).
Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов . Больше всего в наших клетках кальция и натрия , сконцентрированного в лимфатических системах . Магний накапливается в мышцах и нервной системе , медь - в печени , железо - в крови .
Металлы часто извлекают из земли средствами горной промышленности, результат - добытые руды - служат относительно богатым источником необходимых элементов. Для выяснения нахождения руд используются специальные поисковые методы, включающие разведку руд и исследование месторождений. Месторождения, как правило, делятся на карьеры (разработки руд на поверхности), в которых добыча ведётся путем извлечения грунта с использованием тяжелой техники, а также - на подземные шахты .
Из добытой руды металлы извлекаются, как правило, с помощью химического или электролитического восстановления. В пирометаллургии для преобразования руды в металлическое сырьё используются высокие температуры, в гидрометаллургии применяют для тех же целей водную химию. Используемые методы зависят от вида металла и типа загрязнения.
Когда металлическая руда является ионным соединением металла и неметалла, для извлечения чистого металла она обычно подвергается выплавлению - нагреву с восстановителем. Многие распространенные металлы, такие как железо , плавят с использованием в качестве восстановителя углерода (получаемого из сжигания угля). Некоторые металлы, такие как алюминий и натрий , не имеют ни одного экономически оправданного восстановителя и извлекаются с применением электролиза .
Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:
| Твёрдость | Металл |
|---|---|
| 0.2 | Цезий |
| 0.3 | Рубидий |
| 0.4 | Калий |
| 0.5 | Натрий |
| 0.6 | Литий |
| 1.2 | Индий |
| 1.2 | Таллий |
| 1.25 | Барий |
| 1.5 | Стронций |
| 1.5 | Галлий |
| 1.5 | Олово |
| 1.5 | Свинец |
| 1.5 | |
| 1.75 | Кальций |
| 2.0 | Кадмий |
| 2.25 | Висмут |
| 2.5 | Магний |
| 2.5 | Цинк |
| 2.5 | Лантан |
| 2.5 | Серебро |
| 2.5 | Золото |
| 2.59 | Иттрий |
| 2.75 | Алюминий |
| 3.0 | Медь |
| 3.0 | Сурьма |
| 3.0 | Торий |
| 3.17 | Скандий |
| 3.5 | Платина |
| 3.75 | Кобальт |
| 3.75 | Палладий |
| 3.75 | Цирконий |
| 4.0 | Железо |
| 4.0 | Никель |
| 4.0 | Гафний |
| 4.0 | Марганец |
| 4.5 | Ванадий |
| 4.5 | Молибден |
| 4.5 | Родий |
| 4.5 | Титан |
| 4.75 | Ниобий |
| 5.0 | Иридий |
| 5.0 | Рутений |
| 5.0 | Тантал |
| 5.0 | Технеций |
| 5.0 | Хром |
| 5.5 | Бериллий |
| 5.5 | Осмий |
| 5.5 | Рений |
| 6.0 | Вольфрам |
| 6.0 | β-Уран |
Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав , важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий.
Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику . Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны, причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной . Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.
Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, т. е. течёт электрический ток .
Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск).
Знакомство человека с металлами началось с золота , серебра и меди , то есть с металлов, встречающихся в свободном состоянии на земной поверхности; впоследствии к ним присоединились металлы, значительно распространенные в природе и легко выделяемые из их соединений: олово , свинец , железо и . Эти семь металлов были знакомы человечеству в глубокой древности. Среди древнеегипетских артефактов встречаются золотые и медные изделия, которые, по некоторым данным, относятся к эпохе, удаленной на 3000-4000 лет от н. э.
К семи известным металлам уже только в средние века прибавились цинк , висмут , сурьма и в начале XVIII столетия мышьяк . С середины XVIII века число открытых металлов быстро возрастает и к началу XX столетия доходит до 65, а к началу XXI века - до 96.
Ни одно из химических производств не способствовало столько развитию химических знаний, как процессы, связанные с получением и обработкой металлов; с историей их связаны важнейшие моменты истории химии. Свойства металлов так характерны, что уже в самую раннюю эпоху золото, серебро, медь, свинец, олово, железо и ртуть составляли одну естественную группу однородных веществ, и понятие о «металле» относится к древнейшим химическим понятиям. Однако воззрения на их натуру в более или менее определенной форме появляются только в средние века у алхимиков . Правда, идеи Аристотеля о природе: образовании всего существующего из четырёх элементов (огня, земли, воды и воздуха) уже тем самым указывали на сложность металлов; но эти идеи были слишком туманны и абстрактны. У алхимиков понятие о сложности металлов и, как результат этого, вера в возможность превращать одни металлы в другие, создавать их искусственно, является основным понятием их миросозерцания. Это понятие есть естественный вывод из той массы фактов, относящихся до химических превращений металлов, которые накопились к тому времени. В самом деле, превращение металла в совершенно непохожую на них окись простым прокаливанием на воздухе и обратное получение металла из окиси, выделение одних металлов из других, образование сплавов, обладающих другими свойствами, чем первоначально взятые металлы, и прочее - всё это как будто должно было указывать на сложность их натуры.
Что касается собственно до превращения металлов в золото, то вера в возможность этого была основана на многих видимых фактах. В первое время образование сплавов, цветом похожих на золото, например из меди и цинка, в глазах алхимиков уже было превращением их в золото. Им казалось, что нужно изменить только цвет, и свойства металла также станут другими. В особенности много способствовали этой вере плохо поставленные опыты, когда для превращения неблагородного металла в золото брались вещества, содержавшие примесь этого золота. Например, уже в конце XVIII столетия один копенгагенский аптекарь уверял, что химически чистое серебро при сплавлении с мышьяком отчасти превращается в золото. Этот факт был подтвержден известным химиком Гитоном де Морво и наделал много шума. Вскорости потом было показано, что мышьяк, служивший для опыта, содержал следы серебра с золотом.
Так как из семи известных тогда металлов одни легче подвергались химическим превращениям, другие труднее, то алхимики делили их на благородные - совершенные, и неблагородные - несовершенные. К первым принадлежали золото и серебро, ко вторым медь, олово, свинец, железо и ртуть. Последняя, обладая свойствами благородных металлов, но в то же время резко отличаясь от всех металлов своим жидким состоянием и летучестью, чрезвычайно занимала тогдашних ученых, и некоторые выделяли её в особую группу; внимание, привлекавшееся ей, было так велико, что ртуть стали считать в числе элементов, из которых образованы собственно металлы, и в ней именно видели носителя металлических свойств. Принимая существование в природе перехода одних металлов в другие, несовершенных в совершенные, алхимики предполагали, что в обычных условиях это превращение идет чрезвычайно медленно, целыми веками, и, может быть, не без таинственного участия небесных светил, которым в тогдашнее время приписывали такую большую роль и в судьбе человека. По совпадению, известных тогда металлов было семь, как и известных тогда планет, а это ещё более указывало на таинственную связь между ними. У алхимиков металлы часто носят название планет; золото называется Солнцем , серебро - Луной , медь - Венерой , олово - Юпитером , свинец - Сатурном , железо - Марсом и ртуть - Меркурием . Когда были открыты цинк, висмут, сурьма и мышьяк, тела, во всех отношениях схожие с металлами, но у которых одно из характернейших свойств металла, ковкость, развито в слабой степени, то они были выделены в особую группу - полуметаллов . Деление металлов на собственно металлы и полуметаллы существовало ещё в середине XVIII столетия.
Определение состава металла первоначально было чисто умозрительным. В первое время алхимики принимали, что они образованы из двух элементов - и серы . Происхождение этого воззрения неизвестно, оно имеется уже в VIII столетии. По Геберу доказательством присутствия ртути в металлах служит то, что она их растворяет, и в этих растворах индивидуальность их исчезает, поглощается ртутью, чего не случилось бы, если бы в них не было одного общего с ртутью начала. Кроме того, ртуть со свинцом давала нечто похожее на олово. Что касается серы, то, может быть, она взята потому, что были известны сернистые соединения, по внешнему виду схожие с металлами. В дальнейшем эти простые представления, вероятно, вследствие безуспешных попыток получения металлов искусственно, крайне усложняются, запутываются. В понятиях алхимиков, например Х-XIII столетий, ртуть и сера, из которых образованы металлы, не были теми ртутью и серой, которые имели в руках алхимики. Это было только нечто схожее с ними, обладающее особыми свойствами; нечто такое, которое в обыкновенной сере и ртути существовало реально, было выражено в них в большей степени, чем в других телах. Под ртутью, входящей в состав металлов, представляли нечто, обуславливающее неизменяемость их, металлический блеск, тягучесть, одним словом, носителя металлического вида; под серой подразумевали носителя изменяемости, разлагаемости, горючести металлов. Эти два элемента находились в металлах в различном соотношении и, как тогда говорили, различным образом фиксированные; кроме того, они могли быть различной степени чистоты. По Геберу, например, золото состояло из большого количества ртути и небольшого количества серы в высшей степени чистоты и наиболее фиксированных; в олове, напротив, предполагали много серы и мало ртути, которые были не чисты, плохо фиксированы и прочее. Всем этим, конечно, хотели выразить различное отношение металлов к единственному в тогдашнее время могущественному химическому агенту - огню. При дальнейшем развитии этих воззрений двух элементов - ртути и серы - для объяснения состава металлов алхимикам показалось недостаточно; к ним присоединили соль, а некоторые мышьяк. Этим хотели указать, что при всех превращениях металлов остается нечто не летучее, постоянное. Если в природе «превращение неблагородных металлов в благородные совершается веками», то алхимики стремились создать такие условия, в которых этот процесс совершенствования, созревания шёл бы скоро и легко. Вследствие тесной связи химии с тогдашней медициной и тогдашней биологией, идея о превращении металлов естественным образом отождествлялась с идеей о росте и развитии организованных тел: переход, например, свинца в золото, образование растения из зерна, брошенного в землю и как бы разложившегося, брожение, исцеление больного органа у человека - все это были частные явления одного общего таинственного жизненного процесса, совершенствования, и вызывались одними стимулами. Отсюда само собой понятно, что таинственное начало, дающее возможность получить золото, должно было исцелять болезни, превращать старое человеческое тело в молодое и прочее. Так сложилось понятие о чудесном философском камне.
Что касается роли философского камня в превращении неблагородных металлов в благородные, то больше всего существует указаний относительно перехода их в золото, о получении серебра говорится мало. По одним авторам, один и тот же философский камень превращает металлы в серебро и золото; по другим - существуют два рода этого вещества: одно совершенное, другое менее совершенное, и это то последнее и служит для получения серебра. Относительно количества философского камня, требующегося для превращения, указания тоже разные. По одним, 1 часть его способна превратить в золото 10000000 частей металла, по другим - 100 частей и даже только 2 части. Для получения золота плавили какой-нибудь неблагородный металл или брали ртуть и бросали туда философский камень; одни уверяли, что превращение происходит мгновенно, другие же - мало-помалу. Эти взгляды на природу металлов и на способность их к превращениям держатся в общем в течение многих веков до XVII столетия, когда начинают резко отрицать все это, тем более что эти взгляды вызвали появление многих шарлатанов, эксплуатировавших надежду легковерных получить золото. С идеями алхимиков в особенности боролся Бойль : «Я бы хотел знать, - говорит он в одном месте, - как можно разложить золото на ртуть, серу и соль; я готов уплатить издержки по этому опыту; что касается меня, то я никогда не мог этого достигнуть».
После вековых бесплодных попыток искусственного получения металлов и при том количестве фактов, которые накопились к XVII столетию, например о роли воздуха при горении, увеличении веса металла при окислении, что, впрочем, знал ещё Гебер в VIII столетии, вопрос об элементарности состава металла, казалось, был совсем близок к окончанию; но в химии появилось новое течение, результатом которого явилась флогистонная теория, и решение этого вопроса было ещё отсрочено на продолжительное время.
Тогдашних ученых сильно занимали явления горения. Исходя из основной идеи тогдашней философии, что сходство в свойствах тел должно происходить от одинаковости начал, элементов, входящих в их состав, принимали, что тела горючие заключают общий элемент. Акт горения считался актом разложения, распадения на элементы; при этом элемент горючести выделялся в виде пламени, а другие оставались. Признавая взгляд алхимиков на образование металлов из трёх элементов, ртути, серы и соли, и принимая их реальное существование в металле, горючим началом в них нужно было признать серу. Тогда другой составной частью металла нужно было, очевидно, признать остаток от прокаливания металла - «землю», как тогда говорили; следовательно, ртуть тут ни при чём. С другой стороны, сера сгорает в серную кислоту , которую многие, в силу сказанного, считали более простым телом, чем сера, и включили в число элементарных тел. Выходила путаница и противоречие. Бехер , чтобы согласовать старые понятия с новыми, принимал существование в металле земли трех сортов: собственно «землю», «землю горючую» и «землю ртутную». В этих-то условиях Шталь предложил свою теорию. По его мнению, началом горючести служит не сера и не какое-либо другое известное вещество, а нечто неизвестное, названное им флогистоном . Металлы, будто бы, образованы из флогистона и земли; прокаливание металла на воздухе сопровождается выделением флогистона; обратное получение металлов из его земли с помощью угля - вещества, богатого флогистоном - есть акт соединения флогистона с землей. Хотя металлов было несколько и каждый из них при прокаливании давал свою землю, последняя, как элемент, была одна, так что и эта составная часть металла была такого же гипотетического характера, как и флогистон; впрочем, последователи Шталя иногда принимали столько «элементарных земель», сколько было металлов. Когда Кавендиш при растворении металлов в кислотах получил водород и исследовал его свойства (неспособность поддерживать горение, его взрывчатость в смеси с воздухом и проч.), он признал в нём флогистон Шталя; металлы, по его понятиям, состоят из водорода и «земли». Этот взгляд принимался многими последователями флогистонной теории.
Несмотря на видимую стройность теории флогистона, существовали крупные факты, которые никак нельзя было связать с ней. Ещё Геберу было известно, что металлы при обжигании увеличиваются в весе; между тем, по Шталю, они должны терять флогистон: при обратном присоединении флогистона к «земле» вес полученного металла меньше веса «земли». Таким образом выходило, что флогистон должен обладать каким-то особенным свойством - отрицательным тяготением. Несмотря на все остроумные гипотезы, высказанные для объяснения этого явления, оно было непонятно и вызывало недоумение.
Когда Лавуазье выяснил роль воздуха при горении и показал, что прибыль в весе металлов при обжигании происходит от присоединения к металлам кислорода из воздуха, и таким образом установил, что акт горения металлов есть не распадение на элементы, а, напротив, акт соединения, вопрос о сложности металлов был решен отрицательно. Металлы были отнесены к простым химическим элементам, в силу основной идеи Лавуазье, что простые тела суть те, из которых не удалось выделить других тел. С созданием периодической системы химических элементов Менделеевым элементы металлов заняли в ней своё законное место.
| Периодическая таблица | |
|---|---|
| Дмитрий Иванович Менделеев · Периодический закон · Группы элементов | |
| Форматы | Короткая · По блокам · Расширенная · Увеличенная · Электронные конфигурации · Электроотрицательность · Альтернативная · Изотопы элементов |
| Списки элементов по | |
Металлы - элементы, составляющие окружающую нас природу. Сколько существует Земля, столько существуют и металлы.
Земная кора содержит следующие металлы:
На данный момент наука обладает информацией о 118 химических элементах. Восемьдесят пять элементов из этого списка относятся к металлам.
Для того чтобы понять, от чего зависят химические свойства металлов, обратимся кавторитетному источнику – таблице периодической системе элементов, т.н. таблице Менделеева. Проведем диагональ (можно мысленно) между двумя точками: начнем от Be (бериллий) и закончим на At (астат). Деление это конечно условно, но все-таки позволяет объединять химические элементы в соответствии с их свойствами. Элементы, находящиеся слева под диагональю, и будут металлами. Чем левее, относительно диагонали, расположение элемента, тем более выражены будут у него металлические свойства:
Вышеперечисленные свойства металлов зависят от наличия электронов, свободно перемещающихся в кристаллической решетке. У элементов, расположенных рядом с диагональю, или непосредственно в месте ее прохождения, имеют двойственные признаки принадлежности, т.е. имеют свойства металлов и неметаллов.
Радиусы атомов металлов имеют сравнительно большие размеры. Внешние электроны, называемыевалентными, значительно удалены от ядра и, как следствие, слабо связаны с ним. Поэтому атомы металлов легко отдают валентные электроны и образуют положительно заряженные ионы (катионы). Эта особенность является основным химическим свойством металлов. Атомы элементов с наиболее выраженными металлическими свойствами на внешнем энергетическом уровне имеют от одного до трех электронов. Химические элементы с характерно выраженными признаками металлов образуют только положительно заряженные ионы, они совсем не способны присоединять электроны.
Активность металла и скорость реакции его взаимодействия с другими веществами зависит от величины показателя способности атома "расстаться с электронами". Способность различно выражена у разных металлов. Элементы, обладающие высокими показателями, являются активными восстановителями. Чем больше масса атома металла, тем выше его восстановительная способность. Самыми сильными восстановителями считаются щелочные металлы K, Ca, Na. Если атомы металла не способны отдать электроны, то такой элемент будет считаться окислителем, например: аурид цезия может окислять другие металлы. В этом отношении наиболее активны соединения щелочных металлов.
Русский ученый М. В. Бекетов первым начал изучать явление вытеснения одних металлов, из соединений образованных ими, другими металлами. Составленный им перечень металлов, в котором они расположены в соответствии со степенью увеличения нормальных потенциалов,получил название "электрохимического ряда напряжений" (вытеснительный ряд Бекетова).
Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au
Чем правее расположен металла в этом ряду, тем ниже его восстановительные свойства, и тем сильнее окислительные свойства его ионов.
В соответствии с таблицей Менделеева различаются следующие виды (подгруппы) металлов:
Металлы, нашедшие более или менее широкое техническое применение, условно делятся на три группы: черные, цветные и благородные.
К черным металлам относят железо и его сплавы: сталь, чугун и ферросплавы.
Следует сказать, что железо –самый распространенный в природе металл. Его химическая формула Fe (феррум) . Железо сыграло огромную роль в эволюции человека. Человек смог получить новые орудия труда, научившись выплавлять железо. В современной промышленности широко применяются сплавы железа, полученные путём добавления в железо углерода или других металлов.
Цветные металлы – это практически все металлы за исключением железа, его сплавов и благородных металлов. По своим физическим свойствам цветные металлы классифицируют следующим образом:
· тяжёлые металлы: медь, никель, свинец, цинк, олово;
· лёгкие металлы: алюминий, титан, магний, бериллий, кальций, стронций, натрий, калий, барий, литий, рубидий, цезий;
· малые металлы: висмут, кадмий, сурьма, ртуть, кобальт, мышьяк;
· тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, ванадий, цирконий, ниобий, тантал, марганец, хром;
· редкие металлы: галлий, германий, индий, цирконий;
Благородные металлы : золото, серебро, платина, родий, палладий, рутений, осмий.
Нужно сказать, что с золотом человек познакомился гораздо раньше, чем с железом. Золотые украшения из этого металла делали ещё в Древнем Египте. В наше время золото используется ещё и в микроэлектронике и других отраслях промышленности.
Серебро, как и золото, используется в ювелирной промышленности, микроэлектронике, фармацевтической промышленности.
Металлы сопровождают человека на протяжении всей истории человеческой цивилизации. Нет такой отрасли, где не использовались бы металлы. Без металлов и их соединений невозможно представить современную жизнь.
Несколько научных дисциплин (материало- и металловедение, физика, химия) занимаются изучением свойств и характеристик металлов. Существует их общепринятая классификация. Однако каждая из дисциплин при их изучении опирается на особые специализированные параметры, находящиеся в сфере ее интересов. С другой стороны, все науки, изучающие металлы и сплавы, придерживаются одной точки зрения, что существует две основные группы: черные и цветные.
Различают следующие основные механические свойства:
К металлам относятся материалы, обладающие совокупностью механических, технологических, эксплуатационных, физических и химических характерных свойств:
По системе классификации металлов все существующие материалы подразделяются на две объемные группы: черные и цветные. Технологические и механические свойства также тесно связаны. К примеру, прочность металла может являться результатом правильной технологической обработки. Для этих целей используют так называемую закалку и «старение».
Химические, физические и механические свойства тесно взаимосвязаны между собой, так как состав материала устанавливает все остальные его параметры. Например, тугоплавкие металлы являются самыми прочными. Свойства, которые проявляются в состоянии покоя, называются физическими, а под воздействием извне - механическими. Также существуют таблицы классификации металлов по плотности - основному компоненту, технологии изготовления, температуре плавления и другие.
Материалы, относящиеся к этой группе, обладают одинаковыми свойствами: внушительной плотностью, большой температурой плавления и темно-серой окраской. К первой большой группе черных металлов принадлежат следующие:
Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:
Низкая прочность цветных металлов не позволяет их использовать в чистом виде, поэтому в промышленности их применяют в виде сплавов.
В чистом виде имеет розовато-красный цвет, маленькое удельное сопротивление, небольшую плотность, хорошую теплопроводность, отличную пластичность, обладает стойкостью к коррозии. Находит широкое применение как проводник электрического тока. Для технических нужд используют два вида сплавов из меди: латуни (медь с цинком) и бронзы (медь с алюминием, оловом, никелем и другими металлами). Латунь используется для изготовления листов, лент, труб, проволоки, арматуры, втулок, подшипников. Из бронзы изготавливают плоские и круглые пружины, мембраны, разную арматуру, червячные пары.
Этот очень легкий металл, имеющий серебристо-белый цвет, обладает высокой коррозийной стойкостью. У него хорошая электропроводность и пластичность. Благодаря своим характеристикам нашел применение в пищевой, легкой и электропромышленности, а также в самолетостроении. Сплавы из алюминия очень часто используются в машиностроении для изготовления особо ответственных деталей.
Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.
Такие сплавы определены для увеличения срока службы поверхностей, испытывающих трение. Они сочетают в себе следующие характеристики металла - хорошую теплопроводность, маленькую температуру плавления, микропористость, слабый коэффициент трения. К антифрикционным относят сплавы, основой которых является свинец, алюминий, медь или олово. К самым применяемым относятся:
По системе классификации металлов это золото, медь, серебро, алюминий, но среди самых мягких выделяют цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Золото сильно распылено в природе. Оно есть в морской воде, организме человека, а также его можно встретить практически в любом осколке гранита. В чистом виде золото имеет желтый с оттенком красного цвет, так как металл мягкий - его можно поцарапать даже ногтем. Под влиянием окружающей среды золото достаточно быстро разрушается. Этот металл является незаменимым для электрических контактов. Несмотря на то что серебра в двадцать раз больше, чем золота, он также является редким.
Используется для производства посуды, ювелирных украшений. Легкий металл натрий также получил широкое распространение, востребован практически в каждой отрасли промышленности, в том числе химической - для производства удобрений и антисептиков.
Металлом является ртуть, хоть и находится в жидком состоянии, поэтому считается одним из самых мягких в мире. Этот материал используется в оборонной и химической промышленности, сельском хозяйстве, электротехнике.
В природе практически нет самых твердых металлов, поэтому добыть их очень сложно. В большинстве случаев их находят в упавших метеоритах. Хром принадлежит к тугоплавким металлам и является самым твердым из чистейших на нашей планете, к тому же он легко поддается механической обработке.
Вольфрам - это химический элемент. Считается самым твердым при сравнении с другими металлами. Имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Несмотря на твердость, из него можно выковывать любые нужные детали. Благодаря теплоустойчивости и гибкости это наиболее подходящий материал для выплавки небольших элементов, используемых в осветительных приборах. Тугоплавкий металл вольфрам - основное вещество тяжелых сплавов.
Металлы, в состав которых входят свободные электроны и положительные ионы, считаются хорошими проводниками. Это довольно востребованный материал, характеризующийся пластичностью, высокой электропроводностью и способностью легко отдавать электроны.
Из них делают силовые, радиочастотные и специальные провода, детали для электрических установок, машин, для бытовых электроприборов. Лидерами применения металлов для изготовления кабельной продукции считаются:
К отходам черных металлов предъявляют определенные требования. Для отправки сплавов в сталеплавильные печи потребуются определенные операции по их обработке. Перед подачей заявки на перевозку отходов необходимо ознакомиться с ГОСТом черных металлов для определения его стоимости. Черный вторичный лом классифицируют на стальной и чугунный. Если в составе присутствуют легирующие добавки, то его относят к категории «Б». В категорию «А» включены углеродистые: сталь, чугун, присад.
Металлурги и литейщики из-за ограниченности первичной сырьевой базы проявляют активный интерес к вторичному сырью. Использование лома черных металлов вместо металлической руды - это ресурсное, а также энергосберегающее решение. Вторичный черный металл используют как охладитель конвертерной плавки.
Диапазон применения металлов невероятно широк. Черные и цветные неограниченно используются в строительной и машинной индустрии. Не обойтись без цветных металлов и в энергетической промышленности. Редкие и драгоценные идут на изготовление украшений. В искусстве и медицине находят применение как цветные, так и черные металлы. Невозможно представить жизнь человека без них, начиная от хозяйственных принадлежностей и до уникальных приборов и аппаратов.
