Метали

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Метали, клас хімічних елементів з певними хімічними і фізичними властивостями: метали добре проводять електрику і тепло, непрозорі, але можуть відбивати світло; ковкі, що дозволяє надавати виробам з них потрібну форму і розкатувати в плоскі листи; пластичні, що дає можливість витягати тонкий дріт.

Широко використовуються такі типи металів:

дорогоцінні метали: золото, срібло і платина, використовуються переважно в ювелірній промисловості;
важкі метали: залізо, мідь, цинк, олово і свинець, застосовуються в машинобудуванні;
рідкісні важкі метали: нікель, кадмій, хром, вольфрам, молібден, манган, кобальт, ванадій, вісмут, використовуються в сплавах з важкими металами;
легкі метали: алюміній і магній;
лужні метали: калій, натрій і літій
лужноземельні метали: кальцій, барій і стронцій, застосовуються в хімії,

Зміст

1 Будова
2 Властивості
- 2.1 Фізичні властивості
- 2.2 Хімічні властивості
3 Метали в природі
4 Одержання металів з руд
5 Дивись також
6 Література

[ред.] Будова

Всі метали мають кристалічну будову. Розташовані тим або іншим способом, атоми утворюють елементарний осередок просторової кристалічної гратки. Тип решітки залежить від хімічної природи і стану металу.

У заліза, хрому, молібдену, вольфраму і деяких інших металів елементарний осередок є кубом, у якого один атом знаходитися в центрі, а інші по кутах. При температурі заліза вище 910°С відбувається перебудова атомів, збільшення їх числа до 14-ти. В результаті перебудови атоми розташовуються в центрі кожної грані і по кутах куба. Цинк, магній, титан мають елементарний осередок у формі шестигранної призми.

Елементарні осередки кожного даного кристала однаково орієнтовані в просторі, розташовуючись послідовно, вони мають загальні з сусідніми осередками атоми і в цілому утворюють просторову решітку. Проте всі метали з ідентичною кристалічною решіткою мають різні параметри, тобто відстані між сусідніми атомами.

[ред.] Властивості

Область застосування металів визначається їх властивостями. Властивості металів поділяють на:

механічні
технологічні
фізичні
хімічні

До основних механічних властивостей відносяться ударна в'язкість, пластичність, міцність і твердість металу.

До технологічних властивостей відносяться фізична і технологічна зварюваність, ковкість, плавкість, оброблюваність різанням.

До фізичних властивостей металів відносяться колір, питома маса, теплова і електрична провідність, магнітні якості.

Хімічні властивості металів – це стійкість проти корозії, жароміцність.

[ред.] Фізичні властивості

Усі метали (за винятком ртуті) при звичайних умовах являють собою кристалічні речовини. їх атоми розташовані в певному геометричному порядку і утворюють просторову кристалічну решітку. У вузлах кристалічної решітки містяться іони металів. Валентні електрони дуже слабо зв'язані з атомами і можуть легко переміщатися по всьому об'єму металу, переходячи від одних іонів до інших.

Легкою рухливістю валентних електронів пояснюється висока електропровідність і теплопровідність металів. На відміну від розчинів і розплавів при проходженні електричного струму через металічний провідник переносу частинок речовини не відбувається. Метали мають електронну електропровідність. За електропровідністю і теплопровідністю метали розміщуються в тому самому порядку. Найкращими провідниками електричного струму є срібло, мідь, золото і алюміній.

Характерна особливість металів — це їх металічний блиск, тобто здатність добре відбивати світло. Але ця здатність проявляється лише тоді, коли метал утворює суцільну і гладку (поліровану) поверхню. Дуже важливою властивістю більшості металів є їх пластичність, тобто здатність змінювати зовнішню форму при дії сторонньої сили і зберігати набуту форму після припинення впливу зовнішньої дії. На цій здатності основуються різні способи механічної обробки металів: прокатка, ковка, штамповка, волочіння тощо. Однак ця властивість у різних металів виявляється не однаково. Здатність розкатуватись у тоненькі листи і витягуватись у тоненький дріт найкраще виявляється у золота, срібла, міді, алюмінію і олова, трохи гірше в заліза і цинку. Деякі метали зовсім не виявляють пластичності, вони дуже крихкі — це бісмут, манган і особливо стибій (сурма). При ударі вони розпадаються на кусочки.

За густиною метали умовно поділяють на легкі (густина яких менша 5 г/см³) і важкі (густина яких більша 5 г/см³). До найлегших металів належать літій, калій і натрій. Легкі метали — манган, алюміній і титан. Найважчими вважаються ртуть, золото, платина і осмій. За твердістю метали теж дуже відрізняються один від одного. Найтвердішим металом є хром, який царапає скло. За ним іде вольфрам, нікель і ін. До найм'ягших металів належать калій і натрій, які легко ріжуться ножем. Дуже м'яким є також свинець. (Див. таблиця густин речовин; таблиця відносної твердості речовин)

За температурами плавлення метали теж різко відрізняються один від одного. Найнижчу температуру плавлення має ртуть (—39°С), за нею йде цезій (28,5°С), рубідій (38,5°С), калій (62,3°С), а найвищу — вольфрам (3410°С). (Див. таблиця температур плавлення речовин)

За забарвленням метали умовно поділяють на чорні — залізо, манган і їх чисельні сплави (чавун, сталь) і кольорові, до яких відносять усі інші метали. Відповідно до цього і промисловість, яка їх добуває, називають чорною і кольоровою металургією.

[ред.] Хімічні властивості

Характерною особливістю металів є здатність їх атомів віддавати свої валентні електрони і утворювати позитивно заряджені іони. На відміну від неметалів метали негативно заряджених іонів не утворюють. Отже, вільні метали є відновниками. Чим легше даний метал віддає свої валентні електрони, тим він активніший відновник. За хімічною активністю метали можна розподілити на три групи: сильно активні — калій, натрій, барій, кальцій і ін., середньої активності — цинк, залізо, нікель тощо і мало активні — срібло, золото і платина. Сильно активні метали з киснем повітря енергійно взаємодіють вже при звичайній температурі, утворюючи оксиди, наприклад:

2Ca + O₂ = 2CaO

Тому лужні і лужноземельні метали зберігають під шаром гасу, щоб запобігти їх окисненню киснем повітря. Метали середньої активності окиснюються киснем повітря лише з поверхні, вкриваючись тонкою оксидною плівкою, яка запобігає дальшому окисненню металу. Наприклад:

2Zn + O₂ = 2ZnO

Але при високій температурі вони енергійно взаємодіють з киснем і перетворюються в оксиди.

Малоактивні (благородні) метали з киснем безпосередньо не реагують взагалі. Більшість металів може безпосередньо реагувати з сіркою, хлором і майже з усіма неметалами, особливо при високій температурі. З водою сильно активні (лужні і лужноземельні) метали взаємодіють вже при звичайній температурі з виділенням водню і утворенням розчинних гідроксидів (лугів), наприклад:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂ ↑
Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂ ↑

Метали середньої активності, наприклад залізо, реагують з водою (водяною парою) лише при сильному розжаренні:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂ ↑

Мало активні метали з водою не реагують ні при яких умовах. Відношення металів до кислот визначається їх місцем в електрохімічному ряду напруг (ряду активності). Усі метали, що займають місце в ряду напруг лівіше від водню взаємодіють з кислотами з утворенням солі і виділенням водню (з нітратної кислоти водень не виділяється!) Метали, що займають місце в ряду напруг правіше від водню, водню з кислот не витісняють. Але деякі з них можуть реагувати з концентрованою сульфатною кислотою при нагріванні з утворенням солі і виділенням діоксиду сірки SO₂, наприклад:

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O + SO₂ ↑

Що ж стосується нітратної кислоти, то при взаємодії її з усіма металами, незалежно від їх місця в ряду напруг, водень з HNO₃ не виділяється, а утворюються оксиди азоту і сіль металу. Наприклад:

3Zn + 2HNO₃ + 6HNO₃ = 3Zn(NO₃)₂ + 2NO ↑ + 4H₂O
3Ag + HNO₃ + 3HNO₃ = 3AgNO₃ + NO ↑ + 2H₂O

[ред.] Метали в природі

Метали складають понад 80% усіх хімічних елементів. Переважна більшість металів зустрічається в природі у вигляді різних сполук і лише деякі з них — у вільному стані. Це так звані самородні метали (золото і платина), а також інколи срібло, ртуть, мідь і інші метали.

Мінерали і гірські породи, придатні для добування з них металів заводським способом, називаються рудами. Важливішими рудами є оксиди (Fe₂O₃, Fe₃O₄, Al₂O₃ • nH₂O, MnO₂ тощо); сульфіди (ZnS, PbS, Cu₂S, HgS і ін.), солі (NaCl, KCl, MgCl₂ CaCO₃ і т. д.). Малоактивні метали зустрічаються переважно у вигляді оксидів і сульфідів, а активні (лужні і лужноземельні) — виключно у вигляді солей.

[ред.] Одержання металів з руд

В більшості випадків руди містять різні домішки у вигляді піску, глини, вапняку тощо. Ці домішки називають пустою породою. Коли в руді багато пустої породи, тобто коли руда є бідною на корисну речовину, таку руду піддають збагаченню, тобто видаляють з неї частину пустої породи. Різні руди збагачують різними способами.

Для збагачення сульфідних руд звичайно застосовують спосіб флотації (спливання). При цьому способі руду розмелюють у тонкий порошок і заливають у великих чанах водою. До води додають певні органічні речовини (наприклад, соснове масло, вищі жирні кислоти тощо), молекули яких добре адсорбуються частинками сульфідів, і вкривають їх тонкою плівкою, внаслідок чого вони не змочуються водою. Крізь воду продувають повітря, пухирці якого з маслом утворюють піну, а також прилипають до частинок сульфідів, і вони спливають та збираються зверху разом з піною, а змочені водою частинки пустої породи осідають на дно (див. мал. Схема флотаційного апарату). Піну з сульфідами металів зливають з чану і віджимають сульфіди. Так одержують збагачену на корисну речовину руду.

Схема флотаційного апарату

Вільні метали добувають з руд різними способами. З оксидних руд метали одержують відновленням їх при високих температурах. При цьому як відновник частіше всього використовують вугілля (кокс) і монооксид вуглецю СО. Наприклад:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO ↑
Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂ ↑
SnO₂ + C = Sn + CO₂ ↑
2Cu₂O + C = 4Cu + CO₂ ↑

Інколи відновником служать активні метали. Наприклад, при добуванні хрому, берилію, мангану і ін. як відновник застосовують алюміній (алюмінотермія):

Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃
3MnO₂ + 4Al = 3Mn + 2Al₂O₃

У деяких випадках як відновник використовують водень, зокрема при добуванні молібдену, вольфраму, порошкоподібного заліза тощо:

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O
WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

Сульфідні руди спочатку обпалюють, переводячи їх в оксиди металів, які потім відновлюють. Наприклад:

2PbS + 3O₂ = 2PbO + 2SO₂ ↑
PbO + C = Pb + CO ↑

Найактивніші метали — калій, натрій, кальцій і ін. — не можна одержати способом хімічного відновлення їх сполук. Ці метали одержують лише електролізом їх розплавлених солей. Наприклад: