Металлы (от лат. metallum - шахта, рудник) - группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

• 6 элементов в группе щелочных металлов,
• 6 в группе щёлочноземельных металлов,
• 38 в группе переходных металлов,
• 11 в группе лёгких металлов,
• 7 в группе полуметаллов,
• 14 в группе лантаноиды + лантан,
• 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
• вне определённых групп бериллий и магний.

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.

В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия

Характерные свойства металлов

1. Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
2. Хорошая электропроводность
3. Возможность лёгкой механической обработки
4. Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
5. Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
6. Большая теплопроводность
7. В реакциях чаще всего являются восстановителями.

Физические свойства металлов

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

Температуры плавления чистых металлов 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. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.

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.

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

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:

оксид лития

пероксид натрия

надпероксид калия

Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

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

При нагревании:

• 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 взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды - метан.

Использование металлов в повседневной жизни началось на заре развития человечества, и первым металлом являлась медь, поскольку является доступной в природе и легко поддается обработке. Недаром археологи при раскопках находят различные изделия и домашнюю утварь из этого металла. В процессе эволюции люди постепенно учились соединять различные металлы, получая все более прочные сплавы, пригодные для изготовления орудий труда, а позже и оружия. В наше время продолжаются эксперименты, благодаря которым можно выявить самые прочные металлы в мире.

10.

• высокая удельная прочность;
• стойкость к высоким температурам;
• низкая плотность;
• коррозийная стойкость;
• механическая и химическая стойкость.

Титан применяется в военной промышленности, медицине авиации, кораблестроении, и других сферах производства.

9.

Самый известный элемент, который считается одним из самых прочных металлов в мире, и в нормальных условиях представляет собой слабый радиоактивный металл. В природе находится как в свободном состоянии, так и в кислых осадочных породах. Он достаточно тяжел, широко распространен повсеместно и обладает парамагнитными свойствами, гибкостью, ковкостью, и относительной пластичностью. Уран применяется во многих сферах производства.

8.

Известен как самый тугоплавкий металл из всех существующих, и относится к самым прочным металлам в мире. Представляет собой твердый переходный элемент блестящего серебристо-серого цвета. Обладает высокой прочностью, отличной тугоплавкостью, стойкостью к химическим воздействиям. Благодаря своим свойствам поддается ковке, и вытягивается в тонкую нить. Известен в качестве вольфрамовой нити накаливания.

7.

Среди представителей данной группы считается переходным металлом высокой плотности серебристо-белого цвета. В природе встречается в чистом виде, однако встречается в молибденовом и медном сырье. Отличается высокой твердостью и плотностью, и имеет отличную тугоплавкость. Обладает повышенной прочностью, которая не теряется при многократных перепадах температур. Рений относится к дорогим металлам и имеет высокую стоимость. Используется в современной технике и электронике.

6.

Блестящий серебристо-белый металл со слегка голубоватым отливом, относится к платиновой группе и считается одним из самых прочных металлов в мире. Аналогично иридию имеет высокую атомную плотность высокую прочность и твердость. Поскольку осмий относится к платиновым металлам, имеет схожие с иридием свойства: тугоплавкость, твердость, хрупкость, стойкость к механическим воздействиям, а также к влиянию агрессивных сред. Нашел широкое применение в хирургии, электронной микроскопии, химической промышленности, ракетной технике, электронной аппаратуре.

5.

Относится к группе металлов, и представляет собой элемент светло-серого цвета, обладающий относительной твердостью и высокой токсичностью. Благодаря своим уникальным свойствам бериллий применяется в самых различных сферах производства:

• ядерной энергетике;
• аэрокосмической технике;
• металлургии;
• лазерной технике;
• атомной энергетике.

Из-за высокой твердости бериллий используется при производстве легирующих сплавов, огнеупорных материалов.

4.

Следующим в десятке самых прочных металлов в мире является хром – твердый, высокопрочный металл голубовато-белого цвета, стойкий к воздействию щелочей и кислот. В природе встречается в чистом виде и широко применяется в различных отраслях науки, техники и производства. Хром Используется для создания различных сплавов, которые используются при изготовлении медицинского, а также химического технологического оборудования. В соединении с железом образует сплав феррохром, который используется при изготовлении металлорежущих инструментов.

3.

Бронзу в рейтинге заслуживает тантал, поскольку является одним из самых прочных металлов в мире. Он представляет собой серебристый металл с высокой твердостью и атомной плотностью. Благодаря образованию на его поверхности оксидной пленки, имеет свинцовый оттенок.

Отличительными свойствами тантала являются высокая прочность, тугоплавкость, стойкость к коррозии, воздействию агрессивных сред. Металл является достаточно пластичным металлом и легко поддается механической обработке. Сегодня тантал успешно используется:

• в химической промышленности;
• при сооружении ядерных реакторов;
• в металлургическом производстве;
• при создании жаропрочных сплавов.

2.

Вторую строчку рейтинга самых прочных металлов в мире занимает рутений – серебристый металл, принадлежащий к платиновой группе. Его особенностью является наличие в составе мышечной ткани живых организмов. Ценными свойствами рутения являются высокая прочность, твердость, тугоплавкость, химическая стойкость, способность образовывать комплексные соединения. Рутений считается катализатором многих химических реакций, выступает в роли материала для изготовления электродов, контактов, острых наконечников.

1.

Рейтинг самых прочных металлов в мире возглавляет именно иридий – серебристо-белый, твердый и тугоплавкий металл, который относится к платиновой группе. В природе высокопрочный элемент встречается крайне редко, и часто входит в соединение с осмием. Из-за своей природной твердости он плохо поддается механической обработке и обладает высокой стойкостью к воздействию химический веществ. Иридий с большим трудом реагирует на воздействие галогенов и перекиси натрия.

Этот металл играет важную роль в повседневной жизни. Его добавляют к титану, хрому и вольфраму для улучшения стойкости к кислым средам, применяют при изготовлении канцелярских принадлежностей, используют в ювелирном деле для создания ювелирных изделий. Стоимость иридия остается высокой из-за ограниченного присутствия в природе.

Пластичность - это мера способности металла выдерживать растягивающее напряжение - любую силу, которая вытягивает два конца материала друг от друга. Игра перетягивания каната служит хорошим примером прочности на растяжение, применяемой к веревке. Пластичность - пластическая деформация, возникающая в результате таких деформаций. Термин «пластичный» буквально означает, что металлическое вещество способно растягиваться в тонкую проволоку и оно не становится слабее или не становится хрупким в процессе.

Металлы с высокой или низкой пластичностью

Металлы с высокой пластичностью, такие как медь, могут быть втянуты в длинные тонкие провода без разрушения. Медь исторически служила отличным проводником электричества, но этот металл может вести практически все. Металлы с низкой пластичностью, такие как висмут, вместо этого разрываются, когда они подвергаются растягивающему напряжению.

Прочность и способность к сгибанию

В отличие от этого, ковкость - это мера способности металла выдерживать сжатие, такое как удар, прокатка или прессование. Хотя эти два понятия могут показаться похожими на поверхности, металлы, которые являются пластичными, не обязательно податливы. Общим примером различий между этими двумя свойствами является свинец, который обладает высокой податливостью, но не очень пластичным из-за его кристаллической структуры. Кристаллическая структура металлов диктует, как они будут деформироваться под стрессом.

Атомные частицы, которые матирующие металлы могут деформироваться под напряжением, либо скользят друг над другом, либо растягиваются друг от друга.

Кристаллическая структура более пластичных металлов позволяет атомам металла растягиваться дальше, процесс, называемый «двойникованием». Более пластичные металлы - это те, которые более легко близки, и они также более легко деформируются в других направлениях.

Влияние температуры

Пластичность в металлах также связана с температурой.

Когда металлы нагреваются, они обычно становятся менее хрупкими, что приводит к пластической деформации. Другими словами, большинство металлов становятся более пластичными, когда их нагревают, и их легче втягивать в провода без разрушения. Свидетельство является исключением из этого правила, поскольку оно становится более хрупким, поскольку оно нагревается.

Каковы самые ковкие металлы?

Пока трудно сравнивать пластичность между металлами, золото и платина считаются самыми пластичными. Говорят, что золото можно втянуть в провода так прекрасно, что одна унция металла может достигать до пятидесяти миль.

Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности образцы и оборудование не требуются. Показатели (характеристики) пластичности – относительные удлинение (дельта) и сужение
(кси).

Относительным удлинением называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращение расчетной длины образца после разрыва
, к его первоначальной расчетной длине, мм, выраженное в процентах:

%, (2)

где – длина образца после разрыва, мм.

Относительным сужением
называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшение площади поперечного сечения образца после разрыва
, к первоначальной площади его поперечного сечения мм 2 , выраженное в процентах:

%, (3)

где – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .

Твердость металлов

Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.

Твердость металла определяют прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапанием, упругой отдачей, магнитным.

При прямых методах в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы (шарик, конус, пирамида) из закаленной стали, алмаза или твердого сплава. После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, который и характеризует твердость.

Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметра 10 мм (рисунок 2). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой диаметру отпечатка d соответствует определенное число твердости НВ.

Диаметр шарика D и нагрузку P устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытуемого металла. Например, для стали и чугуна нагрузка Р = 3000 кг; D = 10 мм. Твердость технически чистого железа по Бринеллю равна 80 – 90 единиц.

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу

Рисунок 2 - Схема испытания твердости

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ 450, так как шарик может деформироваться и в результате получится искаженный результат. Этот метод используется в основном для измерения твердости заготовок и полуфабрикатов из неупрочненного металла.

Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Индентором служит стальной закаленный шарик диаметра 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120º для твердых и сверхтвердых (более HRC 70) металлов (рисунок 2, б).

Шарик и конус вдавливаются в металл под действием двух нагрузок – предварительной и основной. Общая нагрузка равна их сумме. Предварительная нагрузка принимается одинаковой для всех металлов (10 кг). Перед началом испытания большая стрелка твердомера выставляется на «0» шкалы индикатора, и затем включается основная нагрузка – большая стрелка перемещается по шкале индикатора и показывает значение твердости.

При вдавливании стального шарика нагрузка составляет 100 кг, отсчет твердости производится по внутренней (красной) шкале индикатора, твердость обозначают НRВ. При вдавливании алмазного конуса твердость определяется по показанию стрелки по внешней (черной) шкале индикатора. Для твердых металлов основная нагрузка составляет 150 кг. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC.

Для очень твердых, а также тонких материалов нагрузка принимается равной 60 кг. Обозначение твердости – НRА.

Метод определения твердости по Роквеллу позволяет испытывать мягкие и твердые металлы, при этом отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому этим методом можно измерять твердость и готовых деталей. Поверхность для испытания должна быть шлифованной. Измерения выполняются быстро (в течение 30 – 60 с), не требуется никаких вычислений, так как значение твердости снимается по шкале индикатора твердомера.

Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50 или 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют диагональ отпечатка (рисунок 3).

Рисунок 3- Схема испытания твердости по Виккерсу

Зная нагрузку на пирамиду и диагональ отпечатка, по таблицам определяют твердость металла НV.

Метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроциментации и т. п.).Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, однако при большой нагрузке результат получается точнее.

Самый Хрупкий металл. Сурьма - блестящий серебристо-белый металл, обладающий грубопластинчатым кристаллическим изломом или зернистым, смотря по быстроте застывания из расплавленного состояния.

Золото – один из самых тяжелых и красивых известных металлов, на нашей планете. Плотность чистого золота равна - 19, 3 г/cм 3. Шар из чистого золота диаметром всего лишь 46 мм имеет массу 1 кг, Если плотно заполнить золотыми слитками комнату площадью 20 м 2 и высотой 3 м, их масса составит 1150 тонн – вес тяжело груженного железнодорожного состава.

Золото- это самый пластичный металл, его легко расплющить, превратить в тончайшие пластинки и листы. Из него можно изготовить фольгу толщиной меньше 0, 001 мм. При сильном истончении оно становится прозрачным и на просвет имеет зеленоватый оттенок.

ЛИТИЙ - Li, химический элемент с атомным номером 3, атомная масса 6, 941. Химический символ Li читается так же, как и название самого элемента.

В периодической системе Д. И. Менделеева литий расположен во втором периоде, группе IA и принадлежит к числу щелочных металлов.

Физические и химические свойства: из металлов литий самый легкий, его плотность 0, 534 г/см 3. Температура плавления 180, 5°C, температура кипения 1326°C. При температурах от – 193°C до температуры плавления устойчива кубическая объемно центрированная модификация лития с параметром элементарной ячейки а = 0, 350 нм.

Осмий добывают на американских и российских рудниках. Богата его месторождение и ЮАР. Довольно часто металл находят в железных метеоритах. Для специалистов представляет интерес осмий-187, который экспортируется только из Казахстана. С его помощью определяют возраст метеоритов. Стоит отметить, что всего один грамм изотопа стоит 10 тысяч долларов

А вот осмий открыли на год позже, чем иридий. Этот твердый металл нашли в химическом составе осадка платины, которая была растворена в царской водке. И название «осмий» получилось из древнегреческого слова «запах» . Металл не подвержен механическому воздействию. При этом, один литр осмия в разы тяжелее, чем десять литров воды.

Ртуть Hg, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 80, атомная масса 200, 59; серебристо-белый тяжелый металл, жидкий при комнатной температуре. В природе Ртуть представлена семью стабильными изотопами

Вольфра м - химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом W. При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристосерый переходный металл. Вольфрам - самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент - углерод. При стандартных условиях химически стоек.

Хром - элемент побочной подгруппы 6 -й группы 4 го периода периодическо й системы химических элементов Д. И. Менде леева с атомным номером 24. Обозначается символом Cr. Простое вещество хром - твёрдый металл голубо вато-белого цвета. Хром иногда относят к чёрным металлам.

Ка лий - элемент главной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 19. Обозначается символом K. Простое вещество калий (- мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

Серебро - элемент 11 группы (по устаревшей классификации - побочной подгруппы первой группы), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 47. Обозначается символом Ag. Простое вещество серебро - ковкий, пластичный благородный мета ллсеребристобелого цвета. Кристаллическая решётка - гранецентрированная кубическая. Температура плавления - 962 °C, плотность - 10, 5 г/см³.

Натрий. Без соли, говорят, что без воли! Но не стоит забывать, что суточная норма соли – 1 грамм. Многие века пищевая соль считалась одним из символов жизни, была священной. У наших предков издавна существовал обычай: встречай гостя “хлебом солью”. Но иногда соль и “проклятие божье”, т. к. соль в избытке подавляет развитие жизни. Известно много мрачных легенд об озёрах и местностях, где вода и земля пересыщены солью.

Алюминий Al – один из “лидеров” среди всех химических элементов Земли. Алюминия в земной коре почти 8%; его опережают по распространенности только кислород и кремний. Однако получить этот металл удалось сравнительно недавно, меньше двухсот лет назад. С тех пор он стал чрезвычайно широко применяемым металлом – в электротехнике, строительстве, авиации.