Свойства металлов

mmcis investments

Различают физические и химические свойства металлов. В общем случае, свойства металлов достаточно разнообразны. Различают металлы щелочные, щелочноземельные, чёрные, цветные, лантаноиды (или редкоземельные металлы - близкие по химическим свойствам к щелочноземельным), актиноиды (большинство из них - радиоактивные элементы), благородные и платиновые металлы.
Кроме того, отдельные металлы проявляют как металлические, так и неметаллмические свойства. Такие металлы - амфотерные (или как говорят - переходные).
В свойствах металлов много общего: металлический блеск, строение кристаллической решётки, способность в химических реакциях проявлять свойства восстановителя, при этом окисляясь. В химических реакциях ионы растворённых металлов при взаимодействии с кислотами соли, при взаимодействии с водой (в зависимости от активности металла) образуют щёлочь или основание.

В узлах кристаллической решётки чистые металлы содержат атомы. Электроны, двивжещиеся вокруг атомов, образуют "электронный газ" который свободно может перемещаться в разных направлениях. Это свойство объясняет высокую электропроволдность и теплопроводность чистых металлов.
Электронный газ отражает почти все световые лучи. Вот почему чистые металлы так сильно блестят и чаще всего имеют сенрый или белый цвет. Связи между отделтьными слоями металла невелики, что позволяет перемещать эти слои по днагрузкой в разных направлениях (деформировать металл). Уникальным металлом является чистое золото. С помощью ковки из чистого золота можно сделать фольгу толщиной 0,002 мм! такой нончайший листочек металла полупрозрачен и имеет зелёный оттенок на просвет.

Сплавы чистых металлов

При сплавлении чистых металлов изменяется их строение: узлы кристаллической решётки либо сближаются, либо раздвигаются. При этом появляются дополнительные напряжения, которые создают допролнительные силы между атомами в металле. Именно поэтому сплавы металлов значительно прочнее и твёрже чистых металлов.У сплавов бывают такие магнитные и механические свойства, каких не было у чистых металлов. Например, самые лучшие постоянные магниты делают из сплавов магния, никеля и кобальта, из алюминия, никеля и кобальта или сплава кобальта с редкоземельным металлов самарием.
Чугун - это сплав чистого железа с углеродом, в котором углерода от 2,14% до 4 %. Чугун твёрже железа, но более хрупкий, имеет отличные литейные свойства (намного лучше, чем чистое железо).
Сталь - это тоже сплав желеа с углеролдом, но углерода здесь до 2,14%. Из стали (считается чистое железо) изготвавливают трубы, боты, гвозди, скрепки, инструмент. Имеется большое количество разновидностей сталей, у которых в состав кроме углерода входят другие чистые металлы (легирующие элементы), придающие им различные прочностные свойства.
К самым распространённым цветным сплавам относятся:
бронза - сплав на основе меди с добавкой до 20% олова;
латунь - медный сплав, содержащий от 10 до 50% цинка;
мельхиор - сплав 80% меди и 20% никеля; дюралюминий - сплав на основе алюминия с добавкой 2% магния, 2-5 % меди, 1% марганца и никеля.

Твёрдые растворы. При охлаждении жидких растворов из них могут кристаллизоваться твёрдые растворы. Их природа различна и зависит от компонентов, составляющих твёрдый раствор. При сходстве кристаллических решёток составляющих веществ (например, чистых металлов) они взаиморастворимы друг в друге в твёрдом состоянии (кристаллизация из жидких растворов). Образующиеся твёрдые растворы состоят из кристаллов, в узлах кристаллических решёток которых расположены ионы, атомы, молекулы различных чистых вкществ.
Если размеры и форма кристаллических решёток например, чистых металлов, близки, то эти чистые металлы могут растворяться друг в друге в неограниченных количествах, то есть образуя твёрдые растворы

Виды твёрдых растворов

С помощью Рентгенографического исследования обнаружили, что твёрдые растворы делятся на 2 вида: твёрдые растворы замещения и твёрдые растворы внедрения.
В твёрдых растворах замещения ионы или атомы одного вещества замещают ионы или атомы в кристаллической решётке другого вещества без существенного изменения формы кристалла. существуют так называемые изоморфные твёрдые растворы замещения, то есть состоящие из простых веществ, сходных по параметрам кристаллической решётки и имеющую неограниченную растворимость друг в друге.
Твёрдые растворы внедрения - образуютсЯ, когда атомы или ионы одного вещества внедряютсмя (или располагаются между) атомами или ионами другого вещества.

Cвойства твёрдых растворов

Свойства твёрдых растворов существенно отличаются от свойств составляющих компонентов. твёрдые растворы являются технически более ценными, чем чистые компоненты. Например, твёрдые растворы чистых металлов обладают большей твёрдостью, меньшей электрической проводимостью, чем сами чистые металлы.
В твёрдых растворах различают растворитель и растворённое вещество: растворителем считается вещество, которое сохраняет свою кристаллическую решётку, причём этого вещества (растволрителя) долэжно быть не менее определённого значения.

Металл медь(Cu) - металл красного цвета, имеет высокую пластичность, то есть способность деформироваться, при этом не ломаясь. Медь – отличный проводник тока. По проводимости она занимает третье место после золота и серебра. Медь отлично проводит тепло. При контакте с горячей поверхностью очень быстро нагревается, поэтому не рекомендуется её использовать для переноса горячих предметов. Чистая медь хорошо окисляется. При длительном пребывании в воде на её поверхности образуется зеленоватый налёт, - это гидроксид меди и карбонат меди (Cu(OH)₂ и CuCO₃ ). Медь на воздухе быстро покрывается тонкой плёнкой тёмного оксида меди CuO, которая предохраняет её от дальнейшего разрушения. Разбавленная серная кислота и медь практически не реагируют, но концентрированная серная кислота и медь легко взаимодействуют друг с другом с образованием голубого раствора медного купороса CuSO₄ (используем для напыления деревьев), ядовитого сернистого газа SO₂ и воды.
Медь непосредственно реагирует с кислородом. При нагревании на воздухе медные изделия чернеют, покрываясь слоем оксида меди (II) CuО. А при температуре свыше 1000 °С образуется другой оксид меди— Cu₂О. Находясь долгое время на воздухе, чистая медь покрывается плёнкой малахита, образующегося по химической реакции
2Cu+О₂+Н₂О+СО₂=(CuОН)₂СО₃. Именно этому веществу обязаны своим цветом бронзовые памятники и старые крыши городов Западной Европы.

Чистое железо

Железо (Fe): Чистое железо - серебристый металл белого цвета, проявляющий амфотерные свойства, т.е. чистое железо может проявлять при химических реакциях как смойства металлов, так и неметаллов. Железо - металл тяжёлый (1 м³ весит 7800 кг), имеет высокую пластичность и прочность (прочнее меди). Чистое железо ( металл с содержанием чистого железа по массе около 99,995%) практически не применяется. Говоря о железе, обычно подразумевают его сплавы с углеродом и другими элементами: до 2,14% углерода – это стали, болем 2,14% – чугуны. При наличии других элементов и изменении их концентрации в железном сплаве (стале) резко меняются физико-механические свойства сплава.

Алюминий (Al) — лёгкий серебристый металл (tпл=660 °С, tкип=2467 °С) лёгкий по весу (1м³ весит 2700 кг – почти 2,5 раза легче железа), металл белого цвета, высокопластичный, хорошо обрабатываемый (лучше, чем железо), мягкий (легко деформируется рукой), но при этом достаточно прочный. Алюминий отлично проводит тепло и электрический ток. Также как и медь, при контакте с горячими поверхностями алюминийбыстро нагревается и быстро отдаёт тепло. Поэтому, чтобы быстро охладить горячий чай, налейте его в алюминиевую кружку. Из-за своей высокой пластичности и мягкости чистый металл алюминий практически не используется, а обычно используют его сплавы с углеродом, медью, марганцем, оловом, цинком, титаном. Используемые сплавы называют дуралюминами (дуралюмин — 94% Аl, 4% Cu, 0,5% Mg, 0,5% Mn, 0,5% Fe и 0,5% Si). Практически все алюминиевые предметы, которые хранятся у Вас дома - сплавы алюминия. Они довольно стойки к коррозии по причине быстрого окисления на воздухе с образованием тонкой плёнки прочного и малоактивного оскида алюминия Al₂O₃. Поэтому холодная концентрированная азотная и серная кислоты на него не действуют. Сам по себе чистый металл алюминий очень активен. Разбавленная азотная кислота и алюминий легко реагируют с образованием нитрата алюминия Al(NO₃)₃ и выделением окиси азота NO.
Разбавленной серная кислота и алюминий реагируют с бурным выделением водорода (так реагируют большинство металлов с разбавленной серной и соляной кислотами). Чистый металл алюминий хорошо растворяется в растворах щелочей с образованием алюминатов, например в едком натре с образованием алюмината натрия Na[Al(OH)₄] и выделением водорода.
Известным минералом, в состав которого входит алюминий, является корунд Аl₂O₃ (малиновый и кроваво-красный). Оксид алюминия ёще называют глинозёмом. Не менее всем известный минерал бирюза (голубая или яблочно-зелёная) имеет в своём составе алюминий (Al), медь (Cu), а также фосфор (P). Окрас минерала, правда, обусловлен наличием иона меди. Кроме алюминия распространёнными элементами в минералах являются кремний Si (кварц, сердолик, халцедон, агат), натрий Na, магний Mg, калий K, иногда сера и фосфор. Например, химический состав нефрита (минерал белого или зелёного цвета) выражается формулой Ca₂(Mg, Fe)₅(OH)₂(Si₄O₁₁)₂. Алюминий в виде порошка при нагревании легко воспламеняется с образованием его оксида (аналогичным свойством обладает такой же лёгкий и прочный материал титан, но он значительно труднее обрабатывается механически)

Свинец (Pb) - серебристый металл, тяжёлый и легкоплавкий, имеющий синеватый отблеск. Свинец - относится к легкоплавким металлам. Температура плавления чистого свинца невысока —всего 327 °С. Свинец как и олово можно легко расплавить дома. Металл свинец обладает удивительной мягкостью — именно в чистом виде его можно без особых усилий резать ножом. На воздухе свинец тускнеет, покрываясь тонкой плёнкой оксида свинца PbО или основного карбоната свинца Pb₃(ОН)₂(СО₃)₂. При комнатной температуре свинец инертен по отношению к соляной и серной кислотам, так как покрывается защитной плёнкой из нерастворимой соли, зато легко вступает в реакцию с азотной, а на воздухе — даже со слабой уксусной кислотой: 2Pb+4СН₃СООН+О₂=2Pb(СН₃СОО)₂+2Н₂О. Образующийся в результате этой реакции ацетат свинца называют свинцовым сахаром за его сладкий вкус. Однако убеждаться в этом самому не следует: все соединения свинца, в особенности растворимые в воде, крайне ядовиты. Cuльное отравление наступает уже при попадании в организм 0,3 г соединений свинца.

Олово

Олово (Sn) — серебристый металл белого цвета, очень мягкий и пластичный, ковкий. Температура плавления олова (232 °С) - относится к легкоплавким металлам. Отлитая из олова палочка сгибается с характерным хрустом, вызванным трением друг о друга отдельных кристаллов (попробуйте сами, можно использовать олово, которое применяется для пайки). Интересно, что ниже 13,2 °С устойчива другая модификация — серое олово, которое имеет структуру алмаза. Переход белого олова в серое олово начинается уже при температуре 13,2 ⁰ C и при низкой температуре происходит спонтанно, хотя для проведения его в лабораторных условиях требуется ввести небольшую затравку серого олова. Этот переход называют «оловянной чумой»: чистое олово рассыпается в серый порошок, утрачивая металлические свойства. Правда, при сплавлении олова с другими металлами просессы превращения происходят медленнее. Охрупчивание олова - «Оловянная чума» послужила причиной гибели в 1912 г. английской экспедиции под руководством Роберта Скотта, направленной к Южному полюсу: керосин путешественники хранили в сосудах, паянных оловом. Олово реагирует с растворами кислот с образованием солей олова. Сплав Вуда, состоящий из свинца (25%), олова (12,5%), кадмия (12,5%) и висмута (50%), плавится уже в горячей воде, при температуре 69 °С.
Обратный переход из серего олова в белое олово происходит намного быстрее, - достаточно поменстить серое олово в горячую воду на минуту.

Натрий (Na) Металлический натрий - щелочной металл. Металлический натрий, растворяясь в воде образует одну из самых сильных щелочей - едкий натр (или гидроксид натрия). Растворение в воде происходит с бурным выделением тепла и газа (водород). Руками металлический натрий брать не желательно - можно обжечься! Металлический натрий, как другие щелочные металлы, довольно сложно получить в лаборатории, хотя это и можно сделать, например, прокаливая соду с углём:
Na₂CO₃+2С=3СО+2Na.
В промышленности металлический натрий получают электролизом расплава смеси хлоридов натрия и кальция (смесь плавится при более низкой температуре, чем чистый хлорид натрия). Интересно, что первым из расплава выделяется не металлический кальций, а более активный - металлический натрий, так как ион Na+ в расплаве легче, чем ион Са²⁺, принимает электроны. Процесс проводят в стальных электролизёрах при 580 °С. Образующийся жидкий металлический натрий всплывает на поверхность расплава и собирается в специальный приёмник. Ежегодно в мире производится около 200 тыс. тонн металлического натрия, который применяется на атомных электростанциях и в авиадвигателях в качестве теплоносителя, в металлургии — как восстановитель,
Литий (Li). Металлический литий, как и металлический натрий, относится к щелочным металлам. В свободном состоянии металлический литий — серебристо металл белого цвета, мягкий, хотя и жёстче остальных щелочных металлов. Металлический литий, как и металличесвкий натрий, - легкоплавкий металл. Его температура плавления всего tпл=181 °С. Меатллический литий настолько лёгок (плотность лития 0,53 г/см3), что не тонет даже в керосине.
По сравнению с другими щелочными металлами металлический литий обладает рядом особенностей. Так, при сгорании на воздухе он даёт оксид Li₂O, напрямую взаимодействует с азотом, образуя нитрид лития Li₃N, и с углеродом, образуя карбид лития Li₂C₂. Некоторые соли лития (карбонат лития, фторид лития) малорастворимы в воде, а карбонат и гидроксид лития разлагаются при сильном нагреве с образованием оксида лития. Все эти свойства свидетельствуют о том, что химия лития близка химии магния.

Титан (Ti) - серебристый металл белого цвета, тугоплавкий, плавящийся при температуре 1668 °С. Чистый металл титан обладает невероятной пластичностью — из него можно получить тончайшую фольгу. По прочности титан превосходит чистое железо (при вдвое меньшей плотности), а его коррозионная стойкость титана исключительно высока — металлический титан можно хранить в морской воде. Благодаря таким замечательным механическим свойствам титан стал незаменимым конструкционным материалом. Металлический титан составляет основу большинства сплавов, используемых в судостроении, авиационной, космической и ядерной технике.
Поразительна химическая стойкость титана, нередко она более высокая, чем у благородных металлов. На металлический титан, например, не действуют хлорная вода, смесь концентрированных азотной и серной кислот и даже царская водка (золото во всех этих жидкостях растворяется). Объясняется это тем, что уже при обычных условиях на поверхности металлическиго титана образуется прочная защитная плёнка оксида; под действием же окислителей она становится ещё толще и прочнее. Исключительно стоек титан и к коррозии. Если в морскую воду погрузить пластинки из чистого алюминия, монеля (медно-никелевого сплава, который используется для чеканки монет), нержавеющей стали и металличесгого титана толщиной 1 мм, их судьбы окажутся разными. Алюминиевая пластинка уже через несколько дней покроется серыми пятнами (точечная коррозия), а через пять месяцев разрушится. Монелевая — станет тёмно-зелёной из-за взаимодействия меди и никеля с агрессивной морской водой, а примерно год спустя её постигнет судьба алюминиевой. Стальная пластинка продержится года четыре, постепенно покрываясь ржавыми пятнами. Кстати, ракушки и водоросли заметно ускоряют разрушение стали. Титановая же пластинка даже через тысячу лет (!) останется почти невредимой: коррозия проникнет в неё всего на 0,02 мм. В этом отношении титан по стойкости не уступает платине.
Хотя прочная оксидная плёнка надёжно защищает титан от окисления, он довольно легко растворяется в плавиковой и концентрированной соляной кислотах: Ti+6HF=H₂TiF₆+2Н₂; 2Ti+6НСl=2TiCl₃+3H₂
Титан имеет свою «ахиллесову пяту» — он очень «боится» соединений фтора (F). Во фтороводородной (плавиковой) кислоте металлический титан, - обычно стойкий металл, - растворяется чуть ли не так же быстро, как магниевая стружка в соляной кислоте.

Металл цинк (Zn) - серебристый металл белого цвета (tпл=420 °С, tкип=906 °С), хрупкий при комнатной температуре. При хранении на воздухе он приобретает лёгкий голубоватый оттенок, покрываясь тонкой плёнкой оксида цинка ZnO или основного карбоната 2ZnCO₃•Zn(OH)₂, предохраняющей его от дальнейшего окисления.
Цинком покрывают кровельное железо. Обратите внимание на проржавевшую решётку, которая не была оцинкована. Даже если цинковое покрытие будет повреждено, железо всё равно не начнёт ржаветь до тех пор, пока не прокорродирует весь металл цинк.Основная масса цинка идёт на покрытие желе за для защиты его от ржавчины. Из оцинкованного железа изготовляют кровельные листы, водосточные трубы, вёдра и многие другие изделия. Латуни — медно-цинковые сплавы (содержат от 4 до 50% Zn) — гораздо прочнее и дешевле меди, более устойчивы к окислению.
Оксид цинка ZnO (tпл=1975 °С) используется как наполнитель для придания прозрачной пластмассе белого цвета, а в смеси с олифой — в качестве белой краски (цинковые белила). Белый порошок сульфида цинка ZnS, в котором часть атомов Zn замещена на Cd, a S на Se, под действием потока электронов излучает видимый свет — тонкий слой этого вещества наносят на экраны телевизоров, рентгеновские трубки.
В организме взрослого человека содержится около 2,3 г цинка, который входит в состав более 40 ферментов, регулирующих углеводный и энергетический обмен в клетках.

Цинк активнее железа, поэтому при контакте отдаёт ему некоторое количество электронов, и поверхность железа заряжается отрицательно. Электроны, которые переходят на кислород с поверхности железа, первоначально принадлежали цинку. Так цинк, разрушаясь сам, защищает железо. Сроавнить джругие металлы по способности восстанавливать и восстанавливаться можно ознакомившись с рядом напряжений металлов.

Химическая реакция, основанная на способности цинка вытеснять ртуть из её соединений, основано действие ртутно-цинкового гальванического элемента. В нём протекает следующий процесс: Zn+HgO=Hg+ZnO. Ртутно-цинковые элементы не имеют равных по надёжности, стабильности напряжения и количеству «запасённого» электричества в единице массы. Они идеальны для использования в полевых условиях. Однако ртуть составляет больше половины их массы. После того как батарейки выработают свой ресурс, возникает проблема их утилизации. Если просто выбрасывать такие элементы на свалку, воздух в её окрестностях будет отравлен. Поэтому в мире ширится кампания против использования ртутно-цинковых элементов. В частности, в открытую продажу они уже давно не поступают. А на батарейках, которые продаются в магазинах, можно прочесть: «Mercury 0%» или «Mercury free», что означает «ртути нет».

Сплавы на основе цинка обладают хорошими литейными качествами. Из них, например, легко отлить гайку с уже готовой резьбой. (Для стали такая возможность пока остаётся несбыточной мечтой.) Поэтому такие сплавы активно используют для отливки изделий с очень тонким рельефом поверхности, например типографских шрифтов.

Железо

Свинец

Олово

Натрий