Состоят из одних металлов элементы. Металлы: общая характеристика металлов и сплавов

26.09.2019

Чтобы разобраться в классификации металлов, необходимо дать им определение. К металлам принято относить простые элементы, обладающие характерными признаками. Основополагающим признаком для них является отрицательный температурный коэффициент электрической проводимости. Это значит, что при повышении температуры, электрическая проводимость металлических проводников понижается, а при низких температурах, некоторые проводники наоборот переходят в состояние сверхпроводников. В то же время у неметаллов, этот коэффициент либо нейтрален, либо является положительным.

К числу второстепенных признаков следует относить металлический блеск, пластичность, высокую плотность, высокую температуру плавления, высокую теплопроводность и электропроводность. Кроме того большинство металлов в окислительно-восстоновительных реакциях выполняют роль восстановителя, то есть отдают свои электроны, а сами при этом окисляются. Но этот ряд признаков не является решающим, так как для многих химических элементов данного типа, они могут быть диаметрально противоположными. Более того, вероятно, любые неметаллы, при высоком давлении могут проявлять свойства металлов.

Чистые металлы встречаются в природе очень редко и на протяжении истории люди относили к металлам не только простые вещества, но руды и самородки, которые могут включать в себя другие химические элементы. Поэтому в более широком смысле к металлам относятся:

Очищенные от прочих включений металлы;
Сплавы;
Метллиды (сложные соединения, в том числе с неметаллами);
Интерметаллиды (соединения металлов, часто образующие очень прочные, тугоплавкие и твёрдые структуры).

Классификация в химии

Мы можем только попытаться дать классификацию данных объектов, но единой картины предложить по этому поводу невозможно, так как во многом она будет зависеть от профессиональной точки зрения, удобной для применения в той или иной научной или производственной области. На самом же элементарном уровне классификация даётся в периодической системе элементов, но даже в химии существуют разногласия по этому поводу.

В химии принято классифицировать металлы по количеству уровней электронной оболочки атомов и конечному уровню заполнения оболочки электронами. По этому признаку вещества делятся на -s -p -f -d металлы. Кроме того различают щелочные, щелочноземельные, переходные и постпереходные металлы. Но данная классификация неприменима в больше случаев, так как не затрагивает многие важные утилитарные вопросы, которые интересуют, прежде всего, науку металлургию.

Классификация по структуре кристаллической решётки

Очевидными являются различия в строении кристаллической решётки для различных металлов в твёрдом состоянии. Для них характерно наличие одного из трёх типов устройства:

Объёмоцентрированная кубическая решётка с 8 равноудалёнными атомами от взятого в качестве точки отсчёта атома и ещё 6 соседями на большем расстоянии;
Плотноупакованная кубическая решётка с 12 равноудалёнными соседями;
Плотноупакованная гексагональная решётка с 12 равноудалёнными соседями.

Для металлов в расплавленном и газообразном состоянии эти свойства не играют большой роли, так как кристаллическая структура атомов в этих состояниях становится неупорядоченной.

Техническая классификация

Наиболее распространённой и простой в усвоении на практическом уровне является абстрактная техническая классификация металлов, которая позаимствовала многие понятия из той же химии и геологии. Можно представить эту классификацию подобным образом:

Чёрные металлы - металлы и сплавы на основе Fe, или самые распространённые в производстве;

Железные металлы,
Тугоплавкие,
Урановые,
Редкоземельные,
Щелочноземельные и другие.

Цветные металлы - другие сплавы и металлы;

Тяжёлые (Сu, Sn Pb, Ni, Zn, а также Со, Bi, Sb, Cd, Hg),
Лёгкие (Mg, Аl, Ca),
Драгоценные (серебро, золото, платина и их сплавы),
Ферросплавные легирующие металлы (Mn, W, Cr, Nb, Mo, V и другие),
Редкие - радиоактивные и другие (U, Pu, Th).

Ниже приведено более наглядное представление данного списка в виде схемы.

К чёрным металлам относятся: сталь и чугун, а также другие сплавы на основе Fe.

К цветным металлам и сплавам, информацию о которых Вы можете узнать на нашем сайте, относятся:

Это самые распространённые в употреблении металлы и сплавы, которые применяются в различных областях промышленности и хозяйственной деятельности. Драгоценные же сплавы, на нашем сайте не представлены.

Данная классификация даёт более полное представление о металлах, но является неупорядоченной и нефункциональной. Наиболее утилитарный характер же носит классификация, принятая в металлургии, отражённая в нормативных документах ГОСТ и ТУ.

Классификация в ГОСТ

Наконец следует различать:

Литейные сплавы и металлы;
Деформируемые давлением;
Порошковые.

Из этой классификации уже становится видно, для каких целей служит тот или иной материал. Далее следует ещё более подробная классификация:

Металлы с хорошими антикоррозионными свойствами;
С хорошими антифрикционными свойствами;
Криогенные;
Магнитные и немагнитные;
Пружинные;
Пластичные металлы;
Автоматные сплавы для обработки на станках;
Ковочные сплавы;
Жаропрочные;
Свариваемые без ограничений или ограниченно свариваемые;
Лёгкие (для применения в авиационной промышленности);
С хорошей электропроводностью и теплопроводностью, и многие другие.

Кроме того различаются металлы по области применения:

Конструкционные сплавы и металлы - применяются при обшивок и несущих элементов конструкций;
Электротехнические - для изготовления деталей электротехники;
Инструментальные - для изготовления инструментов.

Всё же эти определения даются относительно в рамках сплавов на основе какого-то одного металла, или в рамках всего многообразия выбора, что нередко приводит к путанице. Поэтому полную картину можно получить, только при детальном сравнении различных сплавов. При этом важнейшими параметрами будут являться: прочность, упругость, вязкость, пластичность, твёрдость, теплопроводность и электропроводность. Кроме того следует различать номинальные характеристики и конструкционные свойства металлов. Например, прочность на растяжение не говорит о высокой конструкционной прочности, а при некоторых температурных значениях свойства металлов изменяются. Только опираясь на точный анализ можно прийти к заключению о целесообразности применения того или иного материала в тех или иных целях.

Как найти нужный сплав в классификаторе ГОСТ

Исчерпывающая информация касательно этих качеств и возможностей применения дана в государственных стандартах, на которые и следует опираться в дальнейшей работе. Чтобы найти нужную информацию, достаточно:

Определить основной элемент металла;
Сплав или металл будет рассматриваться;
Литейный, деформируемый давлением или порошковый;
И если Вы ещё не нашли нужного металла в классификаторе ГОСТ, нужно узнать про область применения металла и не является ли этот сплав специальным.

Словом, классификация металлов крайне сложна, и в зависимости от области применения разных материалов и будет образовываться определённая структура знаний. Поэтому в каждом конкретном случае, необходимо выбирать узкую понятийную сферу для определения видов металлов, чтобы не вникать во все подробности в целом.

Посмотрите вокруг на секунду... Сколько металлических вещей вы можете увидеть? Обычно, когда мы думаем о металлах, мы вспоминаем о веществах, которые являются блестящими и прочными. Однако они также находятся в нашей пище и в наших телах. Давайте познакомимся с полным списком металлов, известных науке, узнаем их основные свойства и выясним, почему они такие особенные.

Элементы, легко теряющие электроны, которые являются блестящими (отражающими), податливыми (могут быть отлиты в другие формы) и считаются хорошими проводниками тепла и электричества, называют металлами. Они имеют решающее значение для нашего образа жизни, так как не только являются частью структур и технологий, но и важны для производства почти всех предметов. Металл есть даже в человеческом теле. Взглянув на этикетку состава мультивитаминов, вы увидите десятки перечисленных соединений.

Возможно, вы не знали, что такие элементы, как натрий, кальций, магний и цинк, необходимы для жизни, и, если они отсутствуют в наших телах, наше здоровье может быть в серьезной опасности. Например, кальций необходим для здоровых костей, магний - для метаболизма. Цинк усиливает функцию иммунной системы, а железо помогает клеткам крови переносить кислород по всему телу. Однако металлы в наших телах отличаются от металла в ложке или стальном мосте тем, что они потеряли электроны. Они называются катионами.

Металлы также обладают антибиотическими свойствами, поэтому перила и ручки в общественных местах часто изготавливаются из этих элементов. Известно, что многие инструменты делаются из серебра для предотвращения размножения бактерий. Искусственные суставы изготавливаются из титановых сплавов, которые одновременно предотвращают заражение и делают реципиентов сильнее.

Металлы в периодической таблице

Все элементы в Дмитрия Менделеева делятся на две большие группы: металлы и неметаллы. Первая является самой многочисленной. Большинство элементов - металлы (синий). Неметаллы в таблице изображены на желтом фоне. Есть также группа элементов, которые относят к металлоидам (красный). Все металлы сгруппированы в левой части таблицы. Обратите внимание, что водород сгруппирован с металлами в верхнем левом углу. Несмотря на это, он считается неметаллическим. Однако некоторые ученые теоретизируют, что в ядре планеты Юпитер может быть металлический водород.

Металлическое связывание

Многие из замечательных и полезных качеств элемента связаны с тем, как его атомы соединяются друг с другом. При этом возникают определенные связи. Металлическое взаимодействие атомов приводит к созданию металлических структур. Любой образец этого элемента в повседневной жизни, от автомобиля до монет в кармане, включает в себя металлическое соединение.

Во время этого процесса атомы металла разделяют свои внешние электроны равномерно друг с другом. Электроны, протекающие между положительно заряженными ионами, легко передают тепло и электроэнергию, делая эти элементы такими хорошими проводниками тепла и электричества. Медные провода используются для электроснабжения.

Реакции металлов

Реакционная способность относится к тенденции элемента реагировать с химическими веществами в его окружении. Она бывает разная. Некоторые металлы, например, калий и натрий (в колонках 1 и 2 в периодической таблице), легко реагируют со многими различными химическими веществами и редко встречаются в своей чистой, элементарной форме. Оба обычно существуют только в соединениях (связанных с одним или несколькими другими элементами) или как ионы (заряженная версия их элементарной формы).

С другой стороны, существуют и другие металлы, их еще называют ювелирными. Золото, серебро и платина являются не очень реактивными и обычно встречаются в чистом виде. легче теряют электроны, чем неметаллы, но не так легко, как реактивные металлы, например, натрий. Платина относительно нереакционноспособна и очень устойчива к реакциям с кислородом.

Свойства элементов

Когда вы изучали алфавит в начальной школе, вы обнаружили, что все буквы имеют свой собственный уникальный набор свойств. Например, у некоторых были прямые линии, у некоторых - кривые, а у других были линии обоих типов. То же самое можно сказать и об элементах. Каждый из них имеет уникальный набор физических и химических свойств. Физические свойства - это качества, присущие определенным веществам. Блестящий или нет, насколько он хорошо проводит тепло и электричество, при какой температуре тает, насколько большую имеет плотность.

Химические свойства включают те качества, которые наблюдаются при реагировании на воздействие кислородом, если они будут гореть (то, насколько сложно им будет удерживать их электроны во время химической реакции). Различные элементы могут иметь общие свойства. Например, железо и медь являются одновременно элементами, которые проводят электричество. Однако они не имеют одинаковых свойств. Например, когда железо подвергается воздействию влажного воздуха, оно покрывается ржавчиной, но когда медь оказывается под действием тех же условий, она приобретает специфический зеленый налет. Вот почему статуя Свободы зеленая, а не ржавая. Она сделана из меди, а не железа).

Организация элементов: металлы и неметаллы

Тот факт, что элементы имеют некоторые общие и уникальные свойства, позволяет сортировать их в красивую, аккуратную диаграмму, которая называется периодической таблицей. Она организует элементы на основе их атомного числа и свойств. Итак, в периодической таблице мы находим элементы, сгруппированные вместе, которые имеют общие свойства. Железо и медь находятся близко друг к другу, оба являются металлами. Железо обозначено символом «Fe», а медь обозначается символом «Cu».

Большинство элементов периодической таблицы - это металлы, и они, как правило, находятся в левой части таблицы. Они группируются вместе, потому что обладают определенными физическими и химическими свойствами. Например, металлы плотные, блестящие, они хорошие проводники тепла и электричества, и они легко теряют электроны в химических реакциях. Напротив, неметаллы имеют противоположные свойства. Они не плотные, не проводят тепло и электричество, и стремятся получить электроны, а не отдать их. Когда мы смотрим в периодическую таблицу, мы видим, что большинство неметаллов сгруппированы справа. Это такие элементы, как гелий, углерод, азот и кислород.

Что такое тяжелые металлы?

Список металлов достаточно многочисленный. Некоторые из них могут накапливаться в организме и не наносить ему при этом вреда, как например, природный стронций (формула Sr), который является аналогом кальция, так как продуктивно откладывается в костной ткани. Какие из них называются тяжелыми и почему? Рассмотрим четыре примера: свинец, медь, ртуть и мышьяк.

Где находятся эти элементы и как они влияют на окружающую среду и здоровье человека? Тяжелые металлы представляют собой металлические, встречающиеся в природе соединения, которые имеют очень высокую плотность по сравнению с другими металлами - по меньшей мере, они в пять раз больше плотности воды. Они токсичны для людей. Даже небольшие дозы могут привести к серьезным последствиям.

Свинец. Это тяжелый металл, являющийся токсичным для людей, особенно для детей. Отравление этим веществом может привести к проблемам неврологического характера. Несмотря на то что когда-то он был весьма привлекательным из-за его гибкости, высокой плотности и способности поглощать вредное излучение, свинец был выведен из употребления по многим направлениям. Этот мягкий серебристый металл, который встречается на Земле, является опасным для людей и накапливается в организме в течение долгого времени. Самое страшное, что от него нельзя избавиться. Он сидит там, накапливается и постепенно отравляет тело. Свинец токсичен для нервной системы и может вызвать серьезное повреждение головного мозга у детей. Он широко использовался в 1800-х годах для создания макияжа и вплоть до 1978 года использовался в качестве одного из ингридиентов в краске для волос. Сегодня свинец используется в основном в больших батареях, в качестве экранов для рентгеновских лучей или изоляции для радиоактивного материала.
Медь. Это красновато-коричневый тяжелый металл, у которого есть множество применений. Медь по-прежнему является одним из лучших проводников электричества и тепла, и многие электрические провода сделаны из этого металла и покрыты пластиком. Монеты, в основном мелочь, также делают из этого элемента периодической системы. Острые отравления медью встречаются редко, но, как и свинец, она может накапливаться в тканях, что в конечном итоге приводит к токсичности. Люди, которые подвергаются воздействию большим количеством меди или медной пыли, также находятся в зоне риска.
Ртуть. Этот металл токсичен в любой форме и может даже поглощаться кожей. Его уникальность состоит в том, что он является жидким при комнатной температуре, его иногда называют «быстрым серебром». Его можно увидеть в термометре, потому что в качестве жидкости он поглощает тепло, изменяя объем даже с малейшей разницей в температуре. Это позволяет ртути подниматься или падать в стеклянной трубке. Поскольку это вещество является мощным нейротоксином, многие компании переходят на окрашенные в красный цвет.
Мышьяк. Со времен Римской империи вплоть до викторианской эпохи мышьяк считался «королем ядов», а также «ядом царей». История пронизана бесчисленными примерами как королевских лиц, так и простых людей, совершающих убийства для личной выгоды, используя соединения мышьяка, у которых не было ни запаха, ни цвета, ни вкуса. Несмотря на все отрицательные влияния, этот металлоид также имеет свои области применения, даже в медицине. Например, триоксид мышьяка является очень эффективным препаратом, используемым для лечения людей с острым промиелоцитарным лейкозом.

Что такое драгоценный металл?

Драгоценный металл представляет собой металл, который может быть редким или трудно добываемым, а также экономически очень ценным. Каков список металлов, являющихся драгоценными? Всего их три:

Платина. Несмотря на свою тугоплавкость, она используется в ювелирных изделиях, электронике, автомобилях, в химических процессах и даже в медицине.
Золото. Этот драгоценный металл используется для изготовления ювелирных изделий и золотых монет. Однако он имеет много других применений. Он используется в медицине, производстве и лабораторном оборудовании.
Серебро. Этот благородный металл серебристо-белого цвета является очень ковким. в чистом виде является достаточно тяжелым, оно легче свинца, но тяжелее меди.

Металлы: виды и свойства

Большинство элементов можно рассматривать как металлы. Они сгруппированы в середине в левой стороне таблицы. Металлы бывают щелочные, щелочноземельные, переходные, лантаноиды и актиниды.

Все они имеют несколько общих свойств, это:

твердое вещество при комнатной температуре (за исключением ртути);
обычно блестящее;
с высокой температурой плавления;
хороший проводник тепла и электричества;
с низкой способностью к ионизации;
с низкой электроотрицательностью;
податливый (способный принимать заданную форму);
пластичный (можно вытянуть в проволоку);
с высокой плотностью;
вещество, которое теряет электроны в реакциях.

Список металлов, известных науке

литий;
бериллий;
натрий;
магний;
алюминий;
калий;
кальций;
скандий;
титан;
ванадий;
хром;
марганец;
железо;
кобальт;
никель;
медь;
цинк;
галлий;
рубидий;
стронций;
иттрий;
цирконий;
ниобий;
молибден;
технеций;
рутений;
родий;
палладий;
серебро;
кадмий;
индий;
коперниций;
цезий;
барий;
олово;
железо;
висмут;
свинец;
ртуть;
вольфрам;
золото;
платина;
осмий;
гафний;
германий;
иридий;
ниобий;
рений;
сурьма;
таллий;
тантал;
франций;
ливерморий.

Всего известно около 105 химических элементов, большая часть из которых - металлы. Последние являются очень распространенным элементом в природе, который встречается как в чистом виде, так и в составе всевозможных соединений.

Металлы залегают в недрах земли, их можно найти в различных водоемах, в составе тел животных и человека, в растениях и даже в атмосфере. В периодической системе они располагаются начиная с лития (металл с формулой Li) и заканчивая ливерморием (Lv). Таблица она продолжает пополняться новыми элементами, и в основном это металлы.

Определение металла, физические и химические свойства металлов

Определение металла, физические и химические свойства металлов, применение металлов

Определение

Нахождение в природе

Свойства металлов

Характерные свойства металлов

Физические свойства металлов

Химические свойства металлов

Микроскопическое строение

Щелочные металлы

Общая характеристика щелочных металлов

Химические свойства щелочных металлов

Получение щелочных металлов

Гидроксиды

Карбонаты

Рубидий

Щёлочноземельные металлы

Кальций

Стронций

Переходные металлы

Общая характеристика переходных элементов

Алюминий

Другие металлы

Применение металлов

Конструкционные материалы

Электротехнические материалы

Инструментальные материалы

Металлургия

История

Добывающая металлургия

Мета́лл это (название происходит от лат. metallum - шахта) - группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и др. К металлам относятся примерно 70 % всех химических элементов.

Нахождение в природе

Большая 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 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.

Свойства металлов

Характерные свойства металлов

Металлический блеск (кроме йода и углерода в виде графита. Несмотря на свой металлический блеск, кристаллический йод и графит относятся к неметаллам.)

Хорошая электропроводность (кроме углерода.)

Возможность лёгкой механической обработки.

Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов.)

Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы.)

Большая теплопроводность

В реакциях всегда являются восстановителями.

Физические свойства металлов

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако они обладают различной твёрдостью. Так, щелочные металлы легко режутся кухонным ножом, а такие металлы, как ванадий, вольфрам и хром легко царапают самую твёрдую сталь и стекло. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

Температуры плавления лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия - двух самых тяжёлых металлов - почти равны (около 22.6 г/см³ - ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света - это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий - из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый - светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Химические свойства металлов

На внешнем электронном слое у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

1. Реакции с простыми веществами

С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

4Li + O2 = 2Li2O оксид лития

2Na + O2 = Na2O2 пероксид натрия

K + O2 = KO2 надпероксид калия

Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Na2O2 + 2Na = 2Na2O

Со среднмими и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

3Fe + 2O2 = Fe3O4

С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

6Li + N2 = 2Li3N

При нагревании:

3Ca + N2 = Ca3N2

С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодествии с водой дают ацетилен, метаниды - метан.

2Na + 2C = Na2C2

Na2C2 + 2H2O = 2NaOH + C2H2

Легирование - это введение в расплав дополнительных элементов, модифицирующих механические, физические и химические свойства основного материала.

Микроскопическое строение

Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решётке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

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).

Щелочные металлы

Щелочны́е мета́ллы - элементы главной подгруппы I группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Эти металлы получили название щелочных, потому что большинство их соединений растворимо в воде. По-славянски «выщелачивать» означает «растворять», это и определило название данной группы металлов. При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щёлочами.

Общая характеристика щелочных металлов

В Периодической системе они следуют сразу за инертными газами, поэтому особенность строения атомов щелочных металлов заключается в том, что они содержат один электрон на новом энергетическом уровне: их электронная конфигурация ns1. Очевидно, что валентные электроны щелочных металлов могут быть легко удалены, потому что атому энергетически выгодно отдать электрон и приобрести конфигурацию инертного газа. Поэтому для всех щелочных металлов характерны восстановительные свойства. Это подтверждают низкие значения их потенциалов ионизации (потенциал ионизации атома цезия - один из самых низких) и электроотрицательности (ЭО).

Все металлы этой подгруппы имеют серебристо-белый цвет (кроме серебристо-жёлтого цезия), они очень мягкие, их можно резать скальпелем. Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней.

Щелочные металлы встречаются в природе в форме соединений, содержащих однозарядные катионы. Многие минералы содержат в своём составе металлы главной подгруппы I группы. Например, ортоклаз, или полевой шпат, состоит из алюмюсиликата калия K2, аналогичный минерал, содержащий натрий - альбит - имеет состав Na2. В морской воде содержится хлорид натрия NaCl, а в почве - соли калия - сильвин KCl, сильвинит NaCl KCl, карналлит KCl MgCl2 6H2O, полигалит K2SO4 MgSO4 CaSO4 2H2O.

Химические свойства щелочных металлов

Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, азоту их хранят под слоем керосина. Чтобы провести реакцию со щелочным металлом, кусочек нужного размера аккуратно отрезают скальпелем под слоем керосина, в атмосфере аргона тщательно очищают поверхность металла от продуктов его взаимодействия с воздухом и только потом помещают образец в реакционный сосуд.

1. Взаимодействие с водой. Важное свойство щелочных металлов - их высокая активность по отношению к воде. Наиболее спокойно (без взрыва) реагирует с водой литий.

При проведении аналогичной реакции натрий горит жёлтым пламенем и происходит небольшой взрыв. Калий ещё более активен: в этом случае взрыв гораздо сильнее, а пламя окрашено в фиолетовый цвет.

2. Взаимодействие с кислородом. Продукты горения щелочных металлов на воздухе имеют разный состав в зависимости от активности металла.

Только литий сгорает на воздухе с образованием оксида стехиометрического состава.

При горении натрия в основном образуется пероксид Na2O2 с небольшой примесью надпероксида NaO2.

В продуктах горения калия, рубидия и цезия содержатся в основном надпероксиды.

Для получения оксидов натрия и калия нагревают смеси гидроксида, пероксида или надпероксида с избытком металла в отсутствие кислорода.

Для кислородных соединений щелочных металлов характерна следующая закономерность: по мере увеличения радиуса катиона щелочного металла возрастает устойчивость кислородных соединений, содержащих пероксид-ион О22-и надпероксид-ион O2-.

Для тяжёлых щелочных металлов характерно образование довольно устойчивых озонидов состава ЭО3. Все кислородные соединения имеют различную окраску, интенсивность которой углубляется в ряду от Li до Cs.

Оксиды щелочных металлов обладают всеми свойствами, присущими основным оксидам: они реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами.

Пероксиды и надпероксиды проявляют свойства сильных окислителей.

Пероксиды и надпероксиды интенсивно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды.

3. Взаимодействие с другими веществами. Щелочные металлы реагируют со многими неметаллами. При нагревании они соединяются с водородом с образованием гидридов, с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом и кремнием с образованием, соответственно, галогенидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и силицидов.

При нагревании щелочные металлы способны реагировать с другими металлами, образуя интерметаллиды. Активно (со взрывом) реагируют щелочные металлы с кислотами.

Щелочные металлы растворяются в жидком аммиаке и его производных - аминах и амидах.

При растворении в жидком аммиаке щелочной металл теряет электрон, который сольватируется молекулами аммиака и придаёт раствору голубой цвет. Образующиеся амиды легко разлагаются водой с образованием щёлочи и аммиака.

Щелочные металлы взаимодействуют с органическими веществами спиртами (с образованием алкоголятов) и карбоновыми кислотами (с образованием солей).

4. Качественное определение щелочных металлов. Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени атом ионизируется, окрашивая пламя в определённый цвіт.

Получение щелочных металлов

1. Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего - хлоридов, образующих природные минералы:

катод: Li+ + e → Li

анод: 2Cl- - 2e → Cl2

2. Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов:

катод: Na+ + e → Na

анод: 4OH- - 4e → 2H2O + O2

Поскольку щелочные металлы в электрохимическом ряду напряжений находятся левее водорода, то электролитическое получение их из растворов солей невозможно; в этом случае образуются соответствующие щёлочи и водород.

Гидроксиды

Для получения гидроксидов щелочных металлов в основном используют электролитические методы. Наиболее крупнотоннажным является производство гидроксида натрия электролизом концентрированного водного раствора поваренной соли.

Прежде щёлочь получали реакцией обмена.

Получаемая таким способом щёлочь была сильно загрязнена содой Na2CO3.

Гидроксиды щелочных металлов - белые гигроскопичные вещества, водные растворы которых являются сильными основаниями. Они участвуют во всех реакциях, характерных для оснований - реагируют с кислотами, кислотными и амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами.

Гидроксиды щелочных металлов при нагревании возгоняются без разложения, за исключением гидроксида лития, который так же, как гидроксиды металлов главной подгруппы II группы, при прокаливании разлагается на оксид и воду.

Гидроксид натрия используется для изготовления мыла, синтетических моющих средств, искусственного волокна, органических соединений, например фенола.

Карбонаты

Важным продуктом, содержащим щелочной металл, является сода Na2CO3. Основное количество соды во всём мире производят по методу Сольве, предложенному ещё в начале XX века. Суть метода состоит в следующем: водный раствор NaCl, к которому добавлен аммиак, насыщают углекислым газом при температуре 26 - 30 °C. При этом образуется малорастворимый гидрокарбонат натрия, называемый питьевой содой.

Аммиак добавляют для нейтрализации кислотной среды, возникающей при пропускании углекислого газа в раствор, и получения гидрокарбонат-иона HCO3-, необходимого для осаждения гидрокарбоната натрия. После отделения питьевой соды раствор, содержащий хлорид аммония, нагревают с известью и выделяют аммиак, который возвращают в реакционную зону.

Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом является хлорид кальция, остающийся в растворе и имеющий ограниченное применение.

При прокаливании гидрокарбоната натрия получается кальцинированная, или стиральная, сода Na2CO3 и диоксид углерода, используемый в процессе получения гидрокарбоната натрия.

Основной потребитель соды - стекольная промышленность.

В отличие от малорастворимой кислой соли NaHCO3, гидрокарбонат калия KHCO3 хорошо растворим в воде, поэтому карбонат калия, или поташ, K2CO3 получают действием углекислого газа на раствор гидроксида калия.

Поташ используют в производстве стекла и жидкого мыла.

Литий - единственный щелочной металл, для которого не получен гидрокарбонат. Причина этого явления в очень маленьком радиусе иона лития, который не позволяет ему удерживать довольно крупный ион HCO3-.

Литий

Ли́тий - элемент главной подгруппы первой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 3. Обозначается символом Li (лат. Lithium). Простое вещество литий (CAS-номер: 7439-93-2) - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом А. Арфведсоном сначала в минерале петалите (Li,Na), а затем в сподумене LiAl и в лепидолите KLi1.5Al1.5(F,OH)2. Металлический литий впервые получил Хамфри Дэви в 1825 году.

Своё название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. λίθος - камень). Первоначально назывался «литион», современное название было предложено Берцелиусом.

Литий - серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, твёрже натрия, но мягче свинца. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой.

При комнатной температуре металлический литий имеет кубическую объёмноцентрированную решётку (координационное число 8), которая при холодной обработке переходит в кубическую плотноупакованную решётку, где каждый атом, имеющий двойную кубооктаэдрическую координацию, окружён 12 другими. Ниже 78 К устойчивой кристаллической формой является гексагональная плотноупакованная структура, в которой каждый атом лития имеет 12 ближайших соседей, расположенных в вершинах кубооктаэдра.

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см³, почти в два раза меньше плотности воды).

Маленькие размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только при температуре ниже 380° С и не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием, в то время как другие па́ры щелочных металлов смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

Щелочной металл, неустойчив на воздухе. Литий является наименее активным щелочным металлом, с сухим воздухом (и даже с сухим кислородом) при комнатной температуре практически не реагирует.

Во влажном воздухе медленно окисляется, превращаясь в нитрид Li3N, гидроксид LiOH и карбонат Li2CO3. В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li2O. Есть интересная особенность, что в интервале температур от 100 °С до 300 °С литий покрывается плотной оксидной плёнкой, и в дальнейшем не окисляется.

В 1818 немецкий химик Леопольд Гмелин установил, что литий и его соли окрашивают пламя в карминово-красный цвет, это является качественным признаком для определения лития. Температура возгорания находится около 300 °С. Продукты горения раздражают слизистую оболочку носоглотки.

Спокойно, без взрыва и возгорания, реагирует с водой, образуя LiOH и H2. Реагирует также с этиловым спиртом, образуя алкоголят, с аммиаком и с галогенами (с иодом - только при нагревании).

Литий хранят в петролейном эфире, парафине, газолине и/или минеральном масле в герметически закрытых жестяных коробках. Металлический литий вызывает ожоги при попадании на кожу, слизистые оболочки и в глаза.

В чёрной и цветной металлургии литий используется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Литий иногда применяется для восстановления методами металлотермии редких металлов.

Карбонат лития является важнейшим вспомогательным веществом (добавляется в электролит) при выплавке алюминия и его потребление растет с каждым годом пропорционально объёму мировой добычи алюминия (расход карбоната лития 2,5-3,5 кг на тонну выплавляемого алюминия).

Сплавы лития с серебром и золотом, а также медью являются очень эффективными припоями. Сплавы лития с магнием, скандием, медью, кадмием и алюминием - новые перспективные материалы в авиации и космонавтике. На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре и используемая в военной технике, металлургии, и, в перспективе, в термоядерной энергетике. Огромной прочностью обладает стекло на основе литий-алюминий-силиката, упрочняемого волокнами карбида кремния. Литий очень эффективно упрочняет сплавы свинца и придает им пластичность и стойкость против коррозии.

Соли лития обладают психотропным действием и используются в медицине при профилактике и лечении ряда психических заболеваний. Наиболее распространен в этом качестве карбонат лития. применяется в психиатрии для стабилизации настроения людей, страдающих биполярным расстройством и частыми перепадами настроения. Он эффективен в предотвращении мании депрессии и уменьшает риск суицида.Медики не раз наблюдали, что некоторые соединения лития (в соответствующих дозах, разумеется) оказывают положительное влияние на больных, страдающих маниакальной депрессией. Объясняют этот эффект двояко. С одной стороны, установлено, что литий способен регулировать активность некоторых ферментов, участвующих в переносе из межклеточной жидкости в клетки мозга ионов натрия и калия. С другой стороны, замечено, что ионы лития непосредственно воздействуют на ионный баланс клетки. А от баланса натрия и калия зависит в значительной мере состояние больного: избыток натрия в клетках характерен для депрессивных пациентов, недостаток – для страдающих маниями. Выравнивая натрий калиевый баланс, соли лития оказывают положительное влияние и на тех, и на других.

Натрий

На́трий - элемент главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 11. Обозначается символом Na (лат. Natrium). Простое вещество натрий (CAS-номер: 7440-23-5) - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

В воде натрий ведет себя почти так же, как литий: реакция идёт с бурным выделением водорода, в растворе образуется гидроксид натрия.

Натрий (а точнее, его соединения) использовался с давних времён. Например, сода (натрон), встречающаяся в природе в водах натронных озёр в Египте. Природную соду древние египтяне использовали для бальзамирования, отбеливания холста, при варке пищи, изготовлении красок и глазурей. Плиний Старший пишет, что в дельте Нила соду (в ней была достаточная доля примесей) выделяли из речной воды. Она поступала в продажу в виде крупных кусков, из-за примеси угля окрашенных в серый или даже чёрный цвет.

Натрий впервые был получен английским химиком Хемфри Дэви в 1807 году электролизом твердого NaOH.

Название «натрий» (natrium) происходит от арабского натрун (по-гречески - nitron) и первоначально оно относилось к природной соде. Сам элемент ранее именовался содием (лат. Sodium).

Натрий - серебристо-белый металл, в тонких слоях с фиолетовым оттенком, пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит. Величины электропроводности и теплопроводности натрия достаточно высоки, плотность равна 0,96842 г/см³ (при 19,7° С), температура плавления 97,86° С, температура кипения 883,15° С.

Щелочной металл, на воздухе легко окисляется. Для защиты от кислорода воздуха металлический натрий хранят под слоем керосина. Натрий менее активный чем литий, поэтому с азотом реагирует только при нагревании:

При большом избытке кислодрода образуется пероксид натрия

2Na + O2 = Na2O2

Металлический натрий широко используется в препаративной химии и промышленности как сильный восстановитель, в том числе в металлургии. Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. Его также применяют в выпускных клапанах грузовиков как теплоотвод. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

В сплаве с калием, а также с рубидием и цезием используется в качестве высокоэффективного теплоносителя. В частности, сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % имеет рекордно низкую температуру плавления −78 °C и был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для атомных энергоустановок.

Натрий также используется в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) очень широко применяются в уличном освещении. Они дают ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12-24 тысяч часов. Поэтому газоразрядные лампы типа ДНаТ незаменимы для городского, архитектурного и промышленного освещения. Также существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути).

Металлический натрий применяется в качественном анализе органического вещества. Сплав натрия и исследуемого вещества нейтрализуют этанолом, добавляют несколько миллилитров дистиллированной воды и делят на 3 части, проба Ж. Лассеня (1843), направлена на определение азота, серы и галогенов (проба Бейльштейна)

Хлорид натрия (поваренная соль) - древнейшее применяемое вкусовое и консервирующее средство.

Азид натрия (Na3N) применяется в качестве азотирующего средства в металлургии и при получении азида свинца.

Цианид натрия (NaCN) применяется при гидрометаллургическом способе выщелачивания золота из горных пород, а также при нитроцементации стали и в гальванотехнике (серебрение, золочение).

Хлорат натрия (NaClO3) применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне.

Калий

Ка́лий - элемент главной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 19. Обозначается символом K (лат. Kalium). Простое вещество калий (CAS-номер: 7440-09-7) - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

В природе калий встречается только в соединениях с другими элементами, например в морской воде, а также во многих минералах. Он очень быстро окисляется на воздухе и очень легко вступает в химические реакции, особенно с водой, образуя щелочь. Во многих отношениях химические свойства калия очень близки к натрию, но с точки зрения биологической функции и использования их клетками живых организмов они все же отличаются.

Калий (точнее, его соединения) использовался с давних времён. Так, производство поташа (который применялся как моющее средство) существовало уже в XI веке. Золу, образующуюся при сжигании соломы или древесины, обрабатывали водой, а полученный раствор (щелок) после фильтрования выпаривали. Сухой остаток, помимо карбоната калия, содержал сульфат калия K2SO4, соду и хлорид калия KCl.

В 1807 г. английский химик Дэви электролизом твёрдого едкого кали (KOH) выделил калий и назвал его «потассий» (лат. potassium; это название до сих пор употребительно в английском, французском, испанском, португальском и польском языках). В 1809 году Л. В. Гильберт предложил название «калий» (лат. kalium, от араб. аль-кали - поташ). Это название вошло в немецкий язык, оттуда в большинство языков Северной и Восточной Европы (в том числе русский) и «победило» при выборе символа для этого элемента - K.

Калий - серебристое вещество с характерным блеском на свежеобразованной поверхности. Очень лёгок и легкоплавок. Относительно хорошо растворяется в ртути, образуя амальгамы. Будучи внесённым в пламя горелки калий (а также его соединения) окрашивает пламя в характерный розово-фиолетовый цвет.

Калий, как и другие щелочные металлы, проявляет типичные металлические свойства и очень химически активен, легко отдаёт электроны.

Является сильным восстановителем. Он настолько активно соединяется с кислородом, что образуется не оксид, а супероксид калия KO2 (или K2O4). При нагревании в атмосфере водорода образуется гидрид калия KH. Хорошо взаимодействует со всеми неметаллами, образуя галогениды, сульфиды, нитриды, фосфиды и т. д., а также со сложными веществами, такими, как вода (реакция проходит со взрывом), различные оксиды и соли. В этом случае они восстанавливают другие металлы до свободного состояния.

Калий хранят под слоем керосина.

Жидкий при комнатной температуре сплав калия и натрия используется в качестве теплоносителя в замкнутых системах, например в атомных силовых установках на быстрых нейтронах. Кроме того, широко применяются его жидкие сплавы с рубидием и цезием. Сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % обладает рекордно низкой температурой плавления −78 °C.

Соединения калия - важнейший биогенный элемент и потому применяются в качестве удобрений.

Соли калия широко используются в гальванотехнике, так как, несмотря на относительно высокую стоимость, они часто более растворимы, чем соответствующие соли натрия, и потому обеспечивают интенсивную работу электролитов при повышенной плотности тока.

Калий - важнейший биогенный элемент, особенно в растительном мире. При недостатке калия в почве растения развиваются очень плохо, уменьшается урожай, поэтому около 90 % добываемых солей калия используют в качестве удобрений.

Калий наряду с азотом и фосфором относятся к главным элементам питания растений. Функция калия в растениях, как и других необходимых для них элементов, строго специфична. В растениях калий находится в ионной форме. Калий содержится в основном в цитоплазме и вакуолях клеток. Около 80% калия находится в клеточном соке.

Функции калия весьма разнообразны. Установлено, что он стимулирует нормальное течение фотосинтеза, усиливает отток углеводов от пластинок листа в другие органы, а также синтез сахаров.

Калий усиливает накопление моносахаров в плодовых и овощных культурах, повышает содержание сахаров в корнеплодах, крахмала в картофеле, утолщает стенки клеток соломины злаковых культур и повышает устойчивость хлебов к полеганию, а у льна и конопли улучшает качество волокна.

Способствуя накоплению углеводов в клетках растений, калий увеличивает осмотическое давление клеточного сока и тем самым повышает холодоустойчивость и морозостойкость растений.

Калий поглощается растениями в виде катионов и, очевидно, в такой форме остается в клетках, активизируя важнейшие биохимические процессы в клетках растения, калий повышает их устойчивость к различным заболеваниям, как в течение вегетации, так и в послеуборочный период, значительно улучшает лежкость плодов и овощей.

Недостаток калия вызывает множество нарушений обмена веществ у растений, ослабляется деятельность ряда ферментов, нарушается углеводный и белковый обмен, повышается затраты углеводов на дыхание. В итоге продуктивность растений падает, качество продукции снижается.

Рубидий

Руби́дий - элемент главной подгруппы первой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 37. Обозначается символом Rb (лат. Rubidium). Простое вещество рубидий (CAS-номер: 7440-17-7) - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

В 1861 году немецкие учёные Роберт Вильгельм Бунзен и Густав Роберт Кирхгоф, изучая с помощью спектрального анализа природные алюмосиликаты, обнаружили в них новый элемент, впоследствии названный рубидием по цвету наиболее сильных линий спектра.

Рубидий образует серебристо-белые мягкие кристаллы, имеющие на свежем срезе металлический блеск. Твёрдость по Бринеллю 0,2 Мн/м² (0,02 кгс/мм²). Кристаллическая решетка Рубидия кубическая объёмно-центрированная, а=5,71 Å (при комнатной температуре). Атомный радиус 2,48 Å, радиус иона Rb+ 1,49 Å. Плотность 1,525 г/см³ (0 °C), tпл 38,9 °C, tкип 703 °C. Удельная теплоемкость 335,2 дж/(кг·К) , термический коэффициент линейного расширения 9,0·10-5 град-1 (0-38 °С), модуль упругости 2,4 Гн/м² (240 кгс/мм²), удельное объёмное электрическое сопротивление 11,29·10-6 ом·см (20 °C); рубидий парамагнитен.

Щелочной металл, крайне неустойчив на воздухе (реагирует с воздухом в присутствии следов воды с воспламенением). Образует все виды солей - большей частью легкорастворимые (хлораты и перхлораты малорастворимы). Гидроксид рубидия весьма агрессивное вещество к стеклу и другим конструкционным и контейнерным материалам, а расплавленный разрушает большинство металлов (даже золото и платину).

Применение рубидия многообразно и, несмотря на то, что по ряду своих областей применения он уступает своими важнейшими физическими характеристиками цезию, тем не менее этот редкий щелочной металл играет важную роль в современных технологиях. Можно отметить следующие области применения рубидия: катализ, электронная промышленность, специальная оптика, атомная промышленность, медицина.

Рубидий используется не только в чистом виде, но и в виде ряда сплавов и химических соединений. Важно отметить что рубидий имеет очень хорошую и благоприятную сырьевую базу, но при этом положение с обеспеченностью ресурсами гораздо более благоприятно, нежели в случае с цезием и рубидий способен занять ещё более важную роль, например, в катализе (где с успехом себя зарекомендовал).

Изотоп рубидий-86 широко используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, а так же при стерилизации ряда важных лекарств и пищевых продуктов. Рубидий и его сплавы с цезием - это весьма перспективный теплоноситель и рабочая среда для высокотемпературных турбоагрегатов (в этой связи рубидий и цезий в последние годы приобрели важное значение, и чрезвычайная дороговизна металлов уходит на второй план по отношению к возможностям резко увеличить КПД турбоагрегатов, а значит и снизить расходы топлива и загрязнение окружающей среды). Применяемые наиболее широко в качестве теплоносителей системы на основе рубидия - это тройные сплавы:натрий-калий-рубидий, и натрий-рубидий-цезий.

В катализе рубидий используется как в органическом, так и неорганическом синтезе. Каталитическая активность рубидия используется в основном для переработки нефти на ряд важных продуктов. Ацетат рубидия, например, используется для синтеза метанола и целого ряда высших спиртов из водяного газа, что в свою очередь чрезвычайно актуально в связи с подземной газификацией угля и производстве искусственного жидкого топлива для автомобилей и реактивного топлива. Ряд сплавов рубидия с теллуром обладают более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, чем соединения цезия, и в связи с этим он способен в этом случае составить конкуренцию цезию-133 как материал для фотопреобразователей. В составе специальных смазочных композиций (сплавов), рубидий применяется как высокоэффективная смазка в вакууме (ракетная и космическая техника).

Гидроксид рубидия применяется для приготовления электролита для низкотемпературных ХИТ, а так же в качестве добавки к раствору гидроксида калия для улучшения его работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности электролита. В гидридных топливных элементах находит применение металлический рубидий.

Хлорид рубидия в сплаве с хлоридом меди находит применение для измерения высоких температур (до 400 °C).

Плазма рубидия находит применение для возбуждения лазерного излучения.

Хлорид рубидия применяется в топливных элементах в качестве электролита, то же можно сказать и о гидроксиде рубидия, который очень эффективен как электролит в топливных элементах, использующих прямое окисление угля.

Цезий

Це́зий - элемент главной подгруппы первой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 55. Обозначается символом Cs (лат. Caesium). Простое вещество цезий (CAS-номер: 7440-46-2) - мягкий щелочной металл серебристо-жёлтого цвета. Своё название цезий получил за наличие двух ярких синих линий в эмиссионном спектре (от лат. caesius - небесно-голубой).

Цезий был открыт в 1860 году немецкими учёными Р. В. Бунзеном и Г. Р. Кирхгофом в водах Дюрхгеймского минерального источника в Германии методом оптической спектроскопии, тем самым, став первым элементом, открытым при помощи спектрального анализа. В чистом виде цезий впервые был выделен в 1882 году шведским химиком К. Сеттербергом при электролизе расплава смеси цианида цезия (CsCN) и бария.

Основными цезиевыми минералами являются поллуцит и очень редкий авогадрит (K,Cs). Кроме того, в виде примесей цезий входит в ряд алюмосиликатов: лепидолит, флогопит, биотит, амазонит, петалит, берилл, циннвальдит, лейцит, карналлит. В качестве промышленного сырья используются поллуцит и лепидолит.

При промышленном получении цезий в виде соединений извлекается из минерала поллуцита. Это делается хлоридным или сульфатным вскрытием. Первое включает обработку исходного минерала подогретой соляной кислотой, добавление хлорида сурьмы SbCl3 для осаждения соединения Cs3 и промывку горячей водой или раствором аммиака с образованием хлорида цезия CsCl. При втором - минерал обрабатывается подогретой серной кислотой с образованием алюмоцезиевых квасцов CsAl(SO4)2 · 12H2O.

В России после распада СССР промышленная добыча поллуцита не велась, хотя в Вороньей тундре под Мурманском ещё в советское время были обнаружены колоссальные запасы минерала. К тому времени, когда российская промышленность смогла встать на ноги, выяснилось, что лицензию на разработку этого месторождения купила Канадская компания. В настоящее время переработка и извлечение солей цезия из поллуцита ведется в Новосибирске на ЗАО «Завод редких металлов».

Существует несколько лабораторных методов получения цезия. Он может быть получен:

нагревом в вакууме смеси хромата или дихромата цезия с цирконием;

разложением азида цезия в вакууме;

нагревом смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция.

Все методы являются трудоёмкими. Второй позволяет получить высокочистый металл, однако является взрывоопасным и требует на реализацию несколько суток.

Цезий нашёл применение только в начале XX века, когда была обнаружены его минералы и разработана технология получения в чистом виде. В настоящее время цезий и его соединения используются в электронике, радио-, электро-, рентгенотехнике, химической промышленности, оптике, медицине, ядерной энергетике. В основном применяется стабильный природный цезий-133, и ограниченно - его радиоактивный изотоп цезий-137, выделяемый из суммы осколков деления урана, плутония, тория в реакторах атомных электростанций.

Щёлочноземельные металлы

Щёлочноземельные металлы - химические элементы: кальций Ca, стронций Sr, барий Ba, радий Ra (иногда к щёлочноземельным металлам ошибочно относят также бериллий Be и магний Mg). Названы так потому, что их оксиды - «земли» (по терминологии алхимиков) - сообщают воде щёлочную реакцию. Соли щёлочноземельных металлов, кроме радия, широко распространены в природе в виде минералов.

Кальций

Ка́льций - элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 20. Обозначается символом Ca (лат. Calcium). Простое вещество кальций (CAS-номер: 7440-70-2) - мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия ΔH0 перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

Кальций - типичный щелочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Ca2+/Ca0 −2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

Ca + 2Н2О = Ca(ОН)2 + Н2 + Q.

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:

2Са + О2 = 2СаО, Са + Br2 = CaBr2.

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Са + Н2 = СаН2, Ca + 6B = CaB6,

3Ca + N2 = Ca3N2, Са + 2С = СаС2,

3Са + 2Р = Са3Р2 (фосфид кальция), известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;

2Ca + Si = Ca2Si (силицид кальция), известны также силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4 и CaSi2.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (то есть эти реакции - экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2,

Ca3N2 + 3Н2О = 3Са(ОН)2 + 2NH3.

Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl2, бромид CaBr2, иодид CaI2 и нитрат Ca(NO3)2, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF2, карбонат CaCO3, сульфат CaSO4, ортофосфат Ca3(PO4)2, оксалат СаС2О4 и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО3, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО3)2 в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение:

СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2.

В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:

Са(НСО3)2 = СаСО3 + СО2 + Н2О.

Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» - сталактиты и сталагмиты.

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жёсткость воды. Временной ее называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО3. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.

Стронций

Стро́нций - элемент главной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 38. Обозначается символом Sr (лат. Strontium). Простое вещество стронций (CAS-номер: 7440-24-6) - мягкий, ковкий и пластичный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью, на воздухе быстро реагирует с влагой и кислородом, покрываясь жёлтой оксидной плёнкой.

Новый элемент обнаружили в минерале стронцианите, найденном в 1764 году в свинцовом руднике близ шотландской деревни Строншиан, давшей впоследствии название новому элементу. Присутствие в этом минерале оксида нового металла было установлено почти через 30 лет Уильямом Крюйкшенком и Адером Кроуфордом. Выделен в чистом виде сэром Хемфри Дэви в 1808 году.

Стронций - мягкий серебристо-белый металл, обладает ковкостью и пластичностью, легко режется ножом.

Полиморфен - известны три его модификации. До 215оС устойчива кубическая гранецентрированная модификация (α-Sr), между 215 и 605оС - гексагональная (β-Sr), выше 605оС - кубическая объемно-центрированная модификация (γ-Sr).

Температура плавления - 768оС, Температура кипения - 1390оС.

Стронций в своих соединениях всегда проявляет валентность +2. По свойствам стронций близок к кальцию и барию, занимая промежуточное положение между ними.

В электрохимическом ряду напряжений стронций находится среди наиболее активных металлов (его нормальный электродный потенциал равен −2,89 В. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид:

Sr + 2H2O = Sr(OH)2 + H2

Взаимодействует с кислотами, вытесняет тяжелые металлы из их солей. С концентрированными кислотами (H2SO4, HNO3) реагирует слабо.

Металлический стронций быстро окисляется на воздухе, образуя желтоватую плёнку, в которой помимо оксида SrO всегда присутствуют пероксид SrO2 и нитрид Sr3N2. При нагревании на воздухе загорается, порошкообразный стронций на воздухе склонен к самовоспламенению.

Энергично реагирует с неметаллами - серой, фосфором, галогенами. Взаимодействует с водородом (выше 200оС), азотом (выше 400оС). Практически не реагирует с щелочами.

При высоких температурах реагирует с CO2, образуя карбид:

5Sr + 2CO2 = SrC2 + 4SrO

Легкорастворимы соли стронция с анионами Cl-, I-, NO3-. Соли с анионами F-, SO42-, CO32-, PO43- малорастворимы.

Стронций применяется для легирования меди и некоторых ее сплавов, для введения в аккумуляторные свинцовые сплавы, для обессеривания чугуна, меди и сталей.

Барий

Ба́рий - элемент главной подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 56. Обозначается символом Ba (лат. Barium). Простое вещество барий (CAS-номер: 7440-39-3) - мягкий, ковкий щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью.

Барий был открыт в виде оксида BaO в 1774 г. Карлом Шееле. В 1808 году английский химик Гемфри Дэви электролизом влажного гидроксида бария с ртутным катодом получил амальгаму бария; после испарения ртути при нагревании он выделил металлический барий.

Барий - серебристо-белый ковкий металл. При резком ударе раскалывается. Существуют две аллотропные модификации бария: до 375 °C устойчив α-Ba с кубической объемно-центрированной решеткой (параметр а = 0,501 нм), выше устойчив β-Ba.

Твердость по минералогической шкале 1,25; по шкале Мооса 2.

Хранят металлический барий в керосине или под слоем парафина.

Барий - щёлочноземельный металл. Интенсивно окисляется на воздухе, образуя оксид бария BaO и нитрид бария Ba3N2, а при незначительном нагревании воспламеняется. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид бария Ba(ОН)2:

Ba + 2Н2О = Ba(ОН)2 + Н2

Активно взаимодействует с разбавленными кислотами. Многие соли бария нерастворимы или малорастворимы в воде: сульфат бария BaSO4, сульфит бария BaSO3, карбонат бария BaCO3, фосфат бария Ba3(PO4)2. Сульфид бария BaS, в отличие от сульфида кальция CaS, хорошо растворим в воде.

Легко вступает в реакцию с галогенами, образуя галогениды.

При нагревании с водородом образует гидрид бария BaH2, который в свою очередь с гидридом лития LiH дает комплекс Li.

Реагирует при нагревании с аммиаком:

6Ba + 2NH3 = 3BaH2 + Ba3N2

Нитрид бария Ba3N2 при нагревании взаимодействует с CO, образуя цианид:

Ba3N2 + 2CO = Ba(CN)2 + 2BaO

С жидким аммиаком дает темно-синий раствор, из которого можно выделить аммиакат , имеющий золотистый блеск и легко разлагающийся с отщеплением NH3. В присутствии платинового катализатора аммиакат разлагается с образованием амида бария:

Ba(NH2)2 + 4NH3 + Н2

Карбид бария BaC2 может быть получен при нагревании в дуговой печи BaO с углем.

С фосфором образует фосфид Ba3P2.

Барий восстанавливает оксиды, галогениды и сульфиды многих металлов до соответствующего металла.

Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах, а так же добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности к трубопроводам, и в металлургии.

Переходные металлы

Перехо́дные мета́ллы (перехо́дные элеме́нты) - элементы побочных подгрупп Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, в атомах которых появляются электроны на d- и f-орбиталях. В общем виде электронное строение переходных элементов можно представить следующим образом: . На ns-орбитали содержится один или два электрона, остальные валентные электроны находятся на -орбитали. Поскольку число валентных электронов заметно меньше числа орбиталей, то простые вещества, образованные переходными элементами, являются металлами.

Общая характеристика переходных элементов

Все переходные элементы имеют следующие общие свойства:

Небольшие значения электроотрицательности.

Переменные степени окисления. Почти для всех d-элементов, в атомах которых на внешнем ns-подуровне находятся 2 валентных электрона, известна степень окисления +2.

Начиная с d-элементов III группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, элементы в низшей степени окисления образуют соединения, которые проявляют основные свойства, в высшей - кислотные, в промежуточной - амфотерные

Железо

Желе́зо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8%), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2% углерода) и чугун (более 2% углерода), а так же нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре - 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Железо - типичный металл, в свободном состоянии - серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности - углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» - группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K - точка Кюри для железа)

в температурном интервале 769-917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика

в температурном интервале 917-1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой

выше 1394 °C устойчив δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой

Металловедение не выделяет β-Fe, как отдельную фазу, и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ≈ 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком - происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

От абсолютного нуля до 910 ºC устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в α-железе называется ферритом.

От 910 до 1400 ºC устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

От 910 до 1539 ºC устойчива δ-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решеткой. Твёрдый раствор углерода в δ-железе (так же, как и в α-железе) называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов.

В области высоких давлений (свыше 104 МПа, 100 тыс. атм.) возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α- γ переходам кристаллической решетки происходит термообработка стали. Без этого явления железо, как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения - около 3200 °C.

Железо - один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

Железо является основным компонентом сталей и чугунов - важнейших конструкционных материалов.

Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов - например, никелевых.

Магнитная окись железа (магнетит) - важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.

Ультрадисперсный порошок магнетита используется в черно-белых лазерных принтерах в качестве тонера.

Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствовуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.

Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.

Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.

Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Медь

Медь - элемент побочной подгруппы первой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь (CAS-номер: 7440-50-8) - это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной пленки). C давних пор широко применяется человеком.

Медь - золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра). Имеет два стабильных изотопа - 63Cu и 65Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, 64Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.

Плотность - 8,94*10³ кг/м³

Удельная теплоёмкость при 20 °C - 390 Дж/кг*К

Удельное электрическое сопротивление при 20-100 °С - 1,78·10−8 Ом·м

Температура плавления - 1083 °C

Температура кипения - 2600 °C

Существует ряд сплавов меди: латунь - сплав меди с цинком, бронза - сплав меди с оловом, мельхиор - сплав меди и никеля, и некоторые другие.

Цинк

Цинк - элемент побочной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (лат. Zinkum). Простое вещество цинк (CAS-номер: 7440-66-6) при нормальных условиях - хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).

В чистом виде - довольно пластичный серебристо-белый металл. Обладает гексагональной решеткой с параметрами а = 0,26649 нм, с = 0,49468 нм. При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). При 100-150°C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка.

Типичный амфотерный металл. Стандартный электродный потенциал −0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа.

На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO:

2Zn + O2 = 2ZnO.

Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:

ZnO + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + H2O

так и щелочами:

ZnO + 2NaOH = Na2ZnO2 + Н2О,

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2,

Zn + H2SO4(разб.) = ZnSO4 + H2

и растворами щелочей:

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 + H2,

образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO4.

При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal2. С фосфором цинк образует фосфиды Zn3P2 и ZnP2. С серой и ее аналогами - селеном и теллуром - различные халькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe2 и ZnTe.

С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует. Нитрид Zn3N2 получают реакцией цинка с аммиаком при 550-600°C.

В водных растворах ионы цинка Zn2+ образуют аквакомплексы 2+ и 2+.

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация - для мостов, емкостей, металлоконструкций). Также используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,85 В, 150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм³, малое сопротивление и колоссальные разрядные токи, ртутно-цинковый элемент (ЭДС 1,35 В, 135 Вт·ч/кг, 550-650 Вт·ч/дм³), диоксисульфатно-ртутный элемент, йодатно-цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент (ЭДС 0,7-1,6 Вольт, 84-127 Вт·ч/кг, 410-570 Вт·ч/дм³), хром-цинковый элемент, цинк-хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,82 Вольт, 95-118 Вт·ч/кг, 230-295 Вт·ч/дм³), свинцово-цинковый элемент, цинк-хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др). Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, в последние годы интенсивно разрабатываются на основе системы цинк-воздух - аккумуляторы для компьютеров (ноутбуки) и в этой области достигнут значительный успех (большие, чем у литиевых батарей, ёмкость и ресурс, меньшая в 3 раза стоимость), так же эта система очень перспективна для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор - 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух - 220-300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км). Входит в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления. Цинк - важный компонент латуни. Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски - цинковых белил.

Хлорид цинка - важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры.

Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка - широко применяемые полупроводники.

Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.

Ртуть

Ртуть - элемент побочной подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 80. Обозначается символом Hg (лат. Hydrargyrum). Простое вещество ртуть (CAS-номер: 7439-97-6) - переходный металл, при комнатной температуре представляет собой тяжёлую серебристо-белую заметно летучую жидкость, пары которой чрезвычайно ядовиты. Ртуть - один из двух химических элементов (и единственный металл), простые вещества которых при нормальных условиях находятся в жидком агрегатном состоянии (второй элемент - бром). В природе находится как в самородном виде, так и образует ряд минералов. Чаще всего ртуть получают путём восстановления из её наиболее распространённого минерала - киновари. Применяется для изготовления измерительных приборов, вакуумных насосов, источников света и в других областях науки и техники.

Ртуть - единственный металл, жидкий при комнатной температуре. Обладает свойствами диамагнетика. Образует со многими металлами жидкие сплавы - амальгамы. Не амальгамируются лишь железо, марганец и никель.

Ртуть - малоактивный металл.

При нагревании до 300 °C ртуть вступает в реакцию с кислородом: 2Hg + O2 → 2HgO Образуется оксид ртути(II) красного цвета. Эта реакция обратима: при нагревании выше 340 °C оксид разлагается до простых веществ. Реакция разложения оксида ртути исторически является одним из первых способов получения кислорода.

При нагревании ртути с серой образуется сульфид ртути(II).

Ртуть не растворяется в растворах кислот, не обладающих окислительными свойствами, но растворяется в царской водке и азотной кислоте, образуя соли двухвалентной ртути. При растворении избытка ртути в азотной кислоте на холоде образуется нитрат Hg2(NO3)2.

Из элементов IIБ группы именно у ртути появляется возможность разрушения очень устойчивой 6d10 - электронной оболочки, что приводит к возможности существования соединений ртути (+4). Так, кроме малорастворимого Hg2F2 и разлагающегося водой HgF2 существует и HgF4, получаемый при взаимодействии атомов ртути и смеси неона и фтора при температуре 4К.

Ртуть применяется в изготовлении термометров, парами ртути наполняются ртутно-кварцевые и люминесцентные лампы. Ртутные контакты служат датчиками положения. Кроме того, металлическая ртуть применяется для получения целого ряда важнейших сплавов.

Ранее различные амальгамы металлов, особенно амальгамы золота и серебра, широко использовались в ювелирном деле, в производстве зеркал и зубных пломб. В технике ртуть широко применялась для барометров и манометров. Соединения ртути использовались как антисептик (сулема), слабительное (каломель), в шляпном производстве и т.д., но в связи с её высокой токсичностью к концу XX века были практически вытеснены из этих сфер (замена амальгамирования на напыление и электроосаждение металлов, полимерные пломбы в стоматологии).

Сплав ртути с таллием используется для низкотемпературных термометров.

Металлическая ртуть служит катодом для электролитического получения ряда активных металлов, хлора и щелочей, в некоторых химических источниках тока (например, ртутно-цинковых - тип РЦ), в эталонных источниках напряжения (Вестона элемент). Ртутно-цинковый элемент (эдс 1,35 Вольт) обладает очень высокой энергией по объёму и массе (130 Вт/час/кг, 550 Вт/час/дм).

Ртуть используется для переработки вторичного алюминия и добычи золота (см. амальгамная металлургия).

Ртуть также иногда применяется в качестве рабочего тела в тяжелонагруженных гидродинамических подшипниках.

Ртуть используется в качестве балласта в подводных лодках и регулирования крена и дифферента некоторых аппаратов. Перспективно использование ртути в сплавах с цезием в качестве высокоэффективного рабочего тела в ионных двигателях.

Ртуть входит в состав некоторых биоцидных красок для предотвращения обрастания корпуса судов в морской воде.

Ртуть-203 (T1/2 = 53 сек) используется в радиофармакологии.

Также используются и соли ртути:

Иодид ртути используется как полупроводниковый детектор радиоактивного излучения.

Фульминат ртути («Гремучая ртуть») издавна применяется в качестве инициирующего ВВ (Детонаторы).

Бромид ртути применяется при термохимическом разложении воды на водород и кислород (атомно-водородная энергетика).

Некоторые соединения ртути применяются как лекарства (например, мертиолят для консервации вакцин), но в основном из-за токсичности ртуть была вытеснена из медицины (сулема, оксицианид ртути - антисептики, каломель - слабительное и др.) в середине-конце XX века.

Алюминий

Алюми́ний - элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) - лёгкий, немагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

По некоторым биологическим исследованиям поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера, но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался.

Металл серебристо-белого цвета, легкий, плотность 2,7 г/см³, температура плавления у технического 658 °C, у алюминия высокой чистоты 660 °C, температура кипения 2500 °C, временное сопротивление литого 10-12 кг/мм², деформируемого 18-25 кг/мм2,сплавов 38-42 кг/мм².

Твердость по Бринеллю 24-32 кгс/мм², высокая пластичность: у технического 35 %, у чистого 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.

Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами.

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако, при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

с кислородом:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

с галогенами:

2Al + 3Br2 = 2AlBr3

с другими неметаллами реагирует при нагревании:

с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al2S3

с азотом, образуя нитрид алюминия:

с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al + 3С = Al4С3

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4

Со сложными веществами:

с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2

2(NaOH H2O) + 2Al = 2NaAlO2 + 3H2

Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2

При нагревании растворяется в кислотах - окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

2Al + 6H2SO4(конц) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Al + 6HNO3(конц) = Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe

2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве - лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала - малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 2 раза дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является прочная оксидная плёнка, затрудняющая спаивание.

Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.

В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.

Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.

Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Другие металлы

Свинец

Свине́ц - элемент главной подгруппы четвёртой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 82. Обозначается символом Pb (лат. Plumbum). Простое вещество свинец (CAS-номер: 7439-92-1) - ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серого цвета.

Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К), при температуре 0 °C. Металл мягкий, легко режется ножом. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет.

Температура плавления: 327,4 °C

Температура кипения: 1740 °C

Нитрат свинца применяется для производства мощных смесевых взрывчатых веществ. Азид свинца применяется как наиболее широкоупотребляемый детонатор (инициирующее взрывчатое вещество). Перхлорат свинца используется для приготовления тяжелой жидкости (плотность 2,6 г/см³), используемой во флотационном обогащении руд, он иногда применяется в мощных смесевых взрывчатых веществах как окислитель. Фторид свинца самостоятельно, а так же совместно с фторидом висмута, меди, серебра применяется в качестве катодного материала в химических источниках тока. Висмутат свинца, сульфид свинца PbS, иодид свинца применяются в качестве катодного материала в литиевых аккумуляторных батареях. Хлорид свинца PbCl2 в качестве катодного материала в резервных источниках тока. Теллурид свинца PbTe широко применяется в качестве термоэлектрического материала (термо-э.д.с 350 мкВ/К), самый широкоприменяемый материал в производстве термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодильников. Двуокись свинца PbO2 широко применяется не только в свинцовом аккумуляторе, но так же на её основе производятся многие резервные химические источники тока, например - свинцово-хлорный элемент, свинцово-плавиковый элемент и др.

Свинцовые белила, основной карбонат Pb(OH)2 PbCO3, плотный белый порошок, - получается из свинца на воздухе под действием углекислого газа и уксусной кислоты. Использование свинцовых белил в качестве красящего пигмента теперь не так распространено, как ранее, из-за их разложения под действием сероводорода H2S. Свинцовые белила применяют также для производства шпатлевки, в технологии цемента и свинцовокарбонатной бумаги.

Арсенат и арсенит свинца применяют в технологии инсектицидов для уничтожения насекомых - вредителей сельского хозяйства (непарного шелкопряда и хлопкового долгоносика). Борат свинца Pb(BO2)2·H2O, нерастворимый белый порошок, используют для сушки картин и лаков, а вместе с другими металлами - в качестве покрытий стекла и фарфора. Хлорид свинца PbCl2, белый кристаллический порошок, растворим в горячей воде, растворах других хлоридов и особенно хлорида аммония NH4Cl. Его применяют для приготовления мазей при обработке опухолей.

Хромат свинца PbCrO4 известен как хромовый желтый краситель, является важным пигментом для приготовления красок, для окраски фарфора и тканей. В промышленности хромат применяют в основном в производстве желтых пигментов. Нитрат свинца Pb(NO3)2 - белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Это вяжущее ограниченного применения. В промышленности его используют в спичечном производстве, крашении и набивке текстиля, окраске рогов и гравировке. Сульфат свинца Pb(SO4)2, нерастворимый в воде белый порошок, применяют как пигмент в аккумуляторах, литографии, в технологии набивных тканей.

Сульфид свинца PbS, чёрный нерастворимый в воде порошок, используют при обжиге глиняной посуды и для обнаружения ионов свинца.

Поскольку свинец хорошо поглощает γ-излучение, он используется для радиационной защиты в рентгеновских установках и в ядерных реакторах. Кроме того, свинец рассматривается в качестве теплоносителя в проектах перспективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

Значительное применение находят сплавы свинца. Пьютер (сплав олова со свинцом), содержащий 85-90 % Sn и 15-10 % Pb, формуется, недорог и используется в производстве домашней утвари. Припой, содержащий 67 % Pb и 33 % Sn, применяют в электротехнике. Сплавы свинца с сурьмой используют в производстве пуль и типографского шрифта, а сплавы свинца, сурьмы и олова - для фигурного литья и подшипников. Сплавы свинца с сурьмой обычно применяют для оболочек кабелей и пластин электрических аккумуляторов. Соединения свинца используются в производстве красителей, красок, инсектицидов, стеклянных изделий и как добавки к бензину в виде тетраэтилсвинца (C2H5)4Pb (умеренно летучая жидкость, пары к-рой в малых концентрациях имеют сладковатый фруктовый запах, в больших-неприятный запах; Тпл = 130 °C, Ткип = 80°С/13 мм рт.ст.; плотн. 1,650 г/см³; nD2v = 1,5198; не раств. в воде, смешивается с орг. растворителями; высокотоксичен, легко проникает через кожу; ПДК = 0,005 мг/м³; ЛД50 = 12,7 мг/кг (крысы, перорально)) для повышения октанового числа.

Олово

О́лово - элемент главной подгруппы четвёртой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 50. Обозначается символом Sn (лат. Stannum). При нормальных условиях простое вещество олово - пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета. Олово образует несколько аллотропных модификаций: ниже 13,2 °С устойчиво α-олово (серое олово) с кубической решёткой типа алмаза, выше 13,2 °С устойчиво β-олово (белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой.

Олово используется в основном как безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в чистом виде или в сплавах с другими металлами. Главные промышленные применения олова - в белой жести (лужёное железо) для изготовления тары пищевых продуктов, в припоях для электроники, в домовых трубопроводах, в подшипниковых сплавах и в покрытиях из олова и его сплавов. Важнейший сплав олова - бронза (с медью). Другой известный сплав - пьютер - используется для изготовления посуды. В последнее время возрождается интерес к использованию металла, поскольку он наиболее «экологичен» среди тяжёлых цветных металлов. Используется для создания сверхпроводящих проводов на основе интерметаллического соединения Nb3Sn.

Цены на металлическое олово в 2006 году составили в среднем 12-18 долл/кг, двуокись олова высокой чистоты около 25 долл/кг, монокристаллическое олово особой чистоты около 210 долл/кг.

Интерметаллические соединения олова и циркония обладают высокими температурами плавления (до 2000 °C) и стойкостью к окислению при нагревании на воздухе и имеют ряд областей применения.

Олово является важнейшим легирующим компонентом при получении конструкционных сплавов титана.

Двуокись олова - очень эффективный абразивный материал, применяемый при «доводке» поверхности оптического стекла.

Смесь солей олова - «жёлтая композиция» - ранее использовалась как краситель для шерсти.

Олово применяется также в химических источниках тока в качестве анодного материала, например: марганцево-оловянный элемент, окисно-ртутно-оловянный элемент. Перспективно использование олова в свинцово-оловянном аккумуляторе; так, например, при равном напряжении со свинцовым аккумулятором свинцово-оловянный аккумулятор обладает в 2,5 раза большей емкостью и в 5 раз большей энергоплотностью на единицу объёма, внутреннее сопротивление его значительно ниже.

Металлическое олово не токсично, что позволяет применять его в пищевой промышленности. Вредные примеси, содержащиеся в олове в обычных условиях хранения и применения, в том числе в расплаве при температуре до 600 ºС, не выделяются в воздух рабочей зоны в объёмах, превышающих предельно допустимую концентрацию в соответствии с ГОСТ. Длительное (в течение 15-20 лет) воздействие пыли олова оказывает фиброгенное воздействие на лёгкие и может вызвать заболевание работающих пневмокониозом.

Применение металлов

Конструкционные материалы

Металлы и их сплавы - одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Электротехнические материалы

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.).

Инструментальные материалы

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика.

Металлургия

Металлу́ргия или металлурги́я - область материаловедения, изучающая физическое и химическое поведение металлов, интерметаллидов и сплавов. К металлургии относится и практическое применение имеющихся знаний о металлах - от добычи сырья до выпуска готовой продукции.

Изучение строения и физико-химических свойств металлических и оксидных расплавов и твердых растворов, разработка теории конденсированного состояния вещества;

Изучение термодинамики, кинетики и механизма металлургических реакций;

Разработка научных и технико-экономических основ комплексного использования полиметаллического минерального сырья и техногенных отходов с решением экологических проблем;

Разработка теории основ пирометаллургических, электротермических, гидрометаллургических и газофазных процессов производства металлов, сплавов, металлических порошков и композиционных материалов и покрытий.

К чёрным металлам относят железо, марганец, хром, ванадий. Все остальные - цветные. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно делят на тяжёлые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и лёгкие (алюминий, титан, магний).

По основному технологическому процессу подразделяется на пирометаллургию (плавка) и гидрометаллургию (извлечение металлов в химических растворах). Разновидностью пирометаллургии является плазменная металлургия.

Плазменная металлургия - извлечение из руд, выплавка и обработка металлов и сплавов под воздействием плазмы.

Переработка руд (окислов и др.) осуществляется путём их термического разложения в плазме. Для предотвращения обратных реакций применяют восстановитель (углерод, водород, метан и др.), либо резкое охлаждение потока плазмы, нарушающее термодинамическое равновесие.

Плазменная металлургия позволяет производить прямое восстановление металла из руды, значительно ускорять металлургические процессы, получить чистые материалы, снизить расход топлива (восстановителя). Недостатком плазменной металлургии является высокое потребление электроэнергии, используемой для генерации плазмы.

История

Первые свидетельства того, что человек занимался металлургией, относятся к 5-6 тысячелетиям до н. э. и были найдены в Майданпеке, Плочнике и других местах в Сербии (в том числе медный топор 5500 лет до н. э., относящийся к культуре Винча), Болгарии (5000 лет до н. э.), Палмеле (Португалия), Испании, Стоунхендже (Великобритания). Однако, как это нередко случается со столь давними явлениями, возраст не всегда может быть точно определён.

В культуре ранних времён присутствуют серебро, медь, олово и метеоритное железо, позволявшие вести ограниченную металлообработку. Так, высоко ценились «Небесные кинжалы» - египетское оружие, созданное из метеоритного железа 3000 лет до н. э. Но, научившись добывать медь и олова из горной породы и получать сплав, названный бронзой, люди в 3500 годы до н. э. вступили в Бронзовый век.

Получение железа из руды и выплавка металла было гораздо сложнее. Считается, что технология была изобретена хеттами примерно в 1200 году до н. э., что стало началом Железного века. Секрет добычи и изготовления железа стал ключевым фактором могущества филистимлян.

Следы развития чёрной металлургии можно отследить во многих прошлых культурах и цивилизациях. Сюда входят древние и средневековые королевства и империи Среднего Востока и Ближнего Востока, древний Египет и Анатолия (Турция), Карфаген, греки и римляне античной и средневековой Европы, Китай, Индия, Япония и т. д. Нужно заметить, что многие методы, устройства и технологии металлургии первоначально были придуманы в Древнем Китае, а потом и европейцы освоили это ремесло (изобретя доменные печи, чугун, сталь, гидромолоты и т. п.). Тем не менее, последние исследования свидетельствуют о том, что технологии римлян были гораздо более продвинутыми, чем предполагалось ранее, особенно в области горной добычи и ковки.

Добывающая металлургия

Добывающая металлургия заключается в извлечении ценных металлов из руды и переплавке извлечённого сырья в чистый металл. Для того, чтобы превратить оксид или сульфид металла в чистый металл, руда должна быть отделена физическим, химическим или электролитическим способом.

Металлурги работают с тремя основными составляющими: сырьём, концентратом (ценный оксид или сульфид металла) и отходами. После добычи большие куски руды измельчаются до такой степени, когда каждая частица является либо ценным концентратом либо отходом.

Горные работы не обязательны, если руда и окружающая среда позволяют провести выщелачивание. Таким путём можно растворить минерал и получить обогащённый минералом раствор.

Зачастую руда содержит несколько ценных металлов. В таком случае отходы одного процесса могут быть использованы в качестве сырья для другого процесса.

Сплав

Сплав - макроскопически однородная смесь двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов. Основной или единственной фазой сплава, как правило, является твёрдый раствор легирующих элементов в металле, являющемся основой сплава.

Сплавы имеют металлические свойства, например: металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность. Иногда компонентами сплава могут быть не только химические элементы, но и химические соединения, обладающие металлическими свойствами. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана. Макроскопические свойства сплавов всегда отличаются от свойств их компонентов, а макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения примесных фаз в металлической матрице.

Сплавы обычно получают с помощью смешивания компонентов в расплавленном состоянии с последующим охлаждением. При высоких температурах плавления компонентов, сплавы производятся смешиванием порошков металлов с последующим спеканием (так получаются, например, многие вольфрамовые сплавы).

Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В состав многих сплавов могут вводиться и неметаллы, такие как углерод, кремний, бор и др. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

Источники

Свойства 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.

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.

Признаки металлов

Различают следующие основные механические свойства:

Твердость - определяет возможность одного материала противодействовать проникновению другого, более твердого.
Усталость - количество, а также время циклических воздействий, которое может выдержать материал без изменения целостности.
Прочность. Заключается в следующем: если приложить динамическую, статическую или знакопеременную нагрузку, то это не приведет к изменению формы, строения и размеров, нарушению внутренней и наружной целостности металла.
Пластичность - это способность удерживать целостность и полученную форму при деформации.
Упругость - это деформация без нарушения целостности под воздействием определенных сил, а также после избавления от нагрузки возможность к возращению первоначальной формы.
Стойкость к трещинам - под влиянием внешних сил в материале они не образуются, а также сохраняется наружная целостность.
Износостойкость - способность сохранять наружную и внутреннюю целостность при продолжительном трении.
Вязкость - сохранение целостности при увеличивающихся физических воздействиях.
Жаростойкость - противостояние изменению размера, формы и разрушению при воздействии высоких температур.

Классификация металлов

К металлам относятся материалы, обладающие совокупностью механических, технологических, эксплуатационных, физических и химических характерных свойств:

механические подтверждают способность к сопротивлению деформации и разрушению;
технологические свидетельствуют о способности к разному виду обработки;
эксплуатационные отражают характер изменения при эксплуатации;
химические показывают взаимодействие с различными веществами;
физические указывают на то, как ведет себя материал в разных полях - тепловом, электромагнитном, гравитационном.

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.

Черные металлы

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:

Цветные металлы

Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:

Легкие - магний, стронций, цезий, кальций. В природе встречаются только в прочных соединениях. Применяются для получения легких сплавов разного назначения.
Благородные. Примеры металлов: платина, золото, серебро. Они обладают повышенной устойчивостью к коррозии.
Легкоплавкие - кадмий, ртуть, олово, цинк. Имеют невысокую температуру плавления, участвуют в производстве разных сплавов.

Низкая прочность цветных металлов не позволяет их использовать в чистом виде, поэтому в промышленности их применяют в виде сплавов.

Медь и сплавы с медью

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.

Алюминий и сплавы

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, титан и их сплавы

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.

Антифрикционные сплавы

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:

баббит. Его изготовляют на основе свинца и олова. Используют в производстве вкладышей для подшипников, которые работают на больших скоростях и при ударных нагрузках;
алюминиевые сплавы;
бронза;
металлокерамические материалы;
чугун.

Мягкие металлы

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.

Твердые металлы

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 энергетике

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:

свинец - за большую устойчивость к коррозии;
медь - за высокую электропроводность, легкость в обработке, стойкость к коррозии и достаточную механическую прочность;
алюминий - за небольшой вес, устойчивость к вибрациям, прочность и температуру плавления.

Категории черных вторичных металлов

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.