Чем обусловлены физические свойства металлов

§ 9. Физические свойства металлов

Из курса химии 9 класса вы уже имеете представление о природе химической связи, существующей в кристаллах металлов, — металлической связи. Напомним, что в узлах металлических кристаллических решёток располагаются атомы и положительные ионы металлов, связанные посредством обобществлённых внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их, обеспечивая устойчивость металлической решётки.

Металлическая связь обусловливает все важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск и другие свойства, характерные для этого класса простых веществ.

Пластичность — это свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия.

Способность расплющиваться от удара или вытягиваться в проволоку под действием силы составляет важнейшее механическое свойство металлов. Оно лежит в основе такой уважаемой большинством народов мира профессии, как профессия кузнеца. Недаром покровителем кузнечного дела у разных народов был бог огня: у греков — Гефест, у римлян — Вулкан, у славян — Сварог.

Пластичность металлов обусловлена способностью одних слоёв атом-ионов в кристаллах под внешним воздействием легко смещаться (как бы скользить) по отношению к другим слоям без разрыва связей между ними (рис. 26). Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Например, из золота можно изготовить «золотую фольгу» толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий (рис. 27).

Высокая электропроводность большинства металлов обусловлена присутствием в их кристаллических решётках подвижных электронов, которые направленно перемещаются под действием электрического поля (рис. 28).

При нагревании колебательные движения ионов в кристалле усиливаются, что затрудняет направленное движение электронов и ведёт к снижению электрической проводимости. При охлаждении электропроводность металлов увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Наибольшую электропроводность имеют серебро и медь, наименьшую — марганец, свинец, ртуть и вольфрам.

Такое свойство, как теплопроводность металлов, также связано с высокой подвижностью свободных электронов: сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами, электроны обмениваются с ними энергией. С повышением температуры колебания ионов при посредстве электронов передаются другим ионам, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается.

Для гладкой поверхности металлов характерен металлический блеск — результат отражения световых лучей. В порошкообразном состоянии большинство металлов теряет блеск, приобретая чёрную или серую окраску, и только алюминий и магний сохраняют блеск в порошке. Из алюминия, серебра и палладия, обладающих наиболее высокой отражательной способностью, изготовляют зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах.

Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления.

Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет.

Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления.

Для всех металлов (кроме ртути) при обычных условиях характерно твёрдое агрегатное состояние. Однако твёрдость их различна. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (VIB группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. Так, хром по твёрдости приближается к алмазу. Самые мягкие — металлы главной подгруппы I группы (IA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева — щелочные металлы. Например, натрий и калий легко режутся ножом.

По плотности металлы делят на лёгкие (плотность меньше 5 г/см 3 ) и тяжёлые (плотность больше 5 г/см 3 ). К лёгким относят щелочные, щёлочноземельные металлы и алюминий. Из переходных металлов сюда включают скандий, иттрий и титан. Эти металлы, благодаря лёгкости и тугоплавкости, всё шире применяют в различных областях техники.

Самый лёгкий металл — это литий (р = 0,53 г/см 3 ). Самый тяжёлый — осмий (р = 22,6 г/см 3 ).

Лёгкие металлы обычно легкоплавки, галлий может плавиться уже на ладони руки, а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшей температурой плавления, которая равна 3380 °С, обладает вольфрам. Это свойство вольфрама используют для изготовления ламп накаливания (рис. 29, 2). Кроме него в конструкцию лампы входят ещё семь металлов.

В Российской Федерации в настоящее время, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы, например галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа (рис. 29, 2) — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома или иода).

Люминесцентные (рис. 29, 3) — это хорошо знакомые вам лампы дневного света, имеющие один существенный недостаток — они содержат ртуть, а потому нуждаются в соблюдении особых правил утилизации на специальных пунктах приёма. Светодиодные лампы (рис. 29, 4) — самые экономичные и самые долговечные (срок работы до 100 тыс. ч), но пока и самые дорогие из ламп.

В технике, как вы уже знаете, металлы делят на чёрные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные, более подробно о них будет рассказано в следующем параграфе) (рис. 30). Золото, серебро, платину и некоторые другие металлы относят к драгоценным металлам (рис. 31). 1

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.

2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и слово-сочетаниям следующего параграфа.

1. Назовите самый легкоплавкий металл.

2. Какие физические свойства металлов используют в технике?

3. Фотоэффект, т. е. свойство металлов испускать электроны под действием лучей света, характерен для щелочных металлов, например для цезия. Почему? Где это свойство находит применение?

4. Какие физические свойства вольфрама лежат в основе его применения в лампах накаливания?

Источник

Физические свойства металлов: твердость, плотность и др.

Физические свойства металлов.

Металлы имею такие физические свойства, как твердость, температуру плавления, плотность, пластичность, электропроводность, теплопроводность и цвет.

Твёрдость:

Все металлы, кроме ртути и, условно, франция, при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.

Таблица твёрдости металлов по шкале Мооса:

Температура плавления:

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −38,83 °C (ртуть) до 3422 °C (вольфрам).

Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от температуры плавления металлы делятся на: легкоплавкие (до 600 °C); среднеплавкие (от 600 до 1600 °C); тугоплавкие (выше 1600 °C).

Таблица температуры плавления легкоплавких металлов и сплавов:

Таблица температуры плавления среднеплавких металлов и сплавов:

Таблица температуры плавления тугоплавких металлов и сплавов:

Плотность:

В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность от 0,53 до 5 г/см³) и тяжёлые (от 5 до 22,6 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.

Пластичность:

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.

Электропроводность:

Все металлы хорошо проводят электрический ток, 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 и 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.

Теплопроводность:

Теплопроводность металлов 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.

Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.

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

Металлы подразделяются на цветные и черные.

Чёрные металлы – железо и сплавы на его основе (стали, ферросплавы, чугуны). К чёрным металлам также зачастую относят марганец и, иногда, – хром и ванадий.

Цветные металлы — это особый класс нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых нет железа. Металлы называются цветными, потому что каждый из них имеет определенный окрас. К цветным металлам относятся медь, молибден, свинец, цинк, олово, никель, кадмий, кобальт, алюминий, титан, магний, висмут, вольфрам, ртуть, золото, платину, серебро, палладий, родий, рутений, осмий, иридий.

Источник

Свойства металлов — общие химические и физические свойства

Физические и химические качества

Каждый так или иначе в жизни сталкивался с химией в быту и химическими реакциями. Это взаимодействие определённого вещества с другим, в результате которого появляется третье. Простейший пример — растворение поваренной соли в воде. Способность металлов реагировать с другими веществами и отношение к воздействиям активных сред — это и есть химические свойства. К ним относятся окисляемость и коррозионная стойкость. Металлы реагируют с кислородом, образуя плёнку, это свойство называется окисляемость. Кристаллическая решётка металлов выглядит таким образом, что они имеют на внешнем уровне один, два или три электрона, которые отдают, проявляя восстановительные свойства.

При перемещении в таблице Менделеева слева направо увеличивается число электронов на внешнем уровне, при этом происходит усиление окислительных свойств. Также все металлы подвержены коррозии. Способность противостоять коррозии — это и есть коррозионная стойкость. К физическим свойствам относятся:

Количество вещества, содержащееся в единице объёма материала, называется плотностью или удельным весом.

Чем меньше удельный вес, тем легче материал.

Лёгкими считаются алюминий, олово, магний, титан. Тяжёлыми являются более 40 существующих в природе элементов. Это хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут.

Способность металла переходить из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением. Все материалы имеют разные температуры плавления. Некоторые сплавы — тугоплавкие, другие тягучие и легко превращаются в жидкую массу под действием высоких температур. Теплопроводность характеризует скорость проведения тепла при нагревании. Проводя сравнение с другими материалами, можно заметить, что металлы имеют хорошую теплопроводность. В отличие от диэлектриков металлические сплавы проводят электрический ток, но некоторые из них делают это лучше, некоторые почему-то хуже. Такая способность называется электропроводностью или токопроводимостью и зависит от строения кристаллической решётки. Хорошо проводят ток серебро, медь, золото, алюминий и железо. Эти металлы довольно широко распространены в приборостроении и электротехнической промышленности.

Возможность увеличения объёма при нагревании называется тепловым расширением.

К механическим свойствам металлов относятся твёрдость, прочность, упругость, вязкость и пластичность.

Подробное описание механических свойств

При соприкосновении двух тел образуется микровмятины, но более твёрдый материал способен противостоять ударам в большей степени. Сопротивляемость металлической поверхности к проникновению в неё другого твёрдого тела называется твёрдостью.

Помимо твёрдости, важной характеристикой является прочность. Это способность оказывать сопротивление разрушению под действием каких-либо других внешних сил. При быстром возрастании нагрузки при ударе очень важна вязкость материала — это способность сопротивляться ударным нагрузкам. Металл обладает таким свойством, как упругость. Эта характеристика позволяет вернуть первоначальную форму и размер после того, как действующая сила будет устранена. Следующие понятие — пластичность. Под этим термином понимают способность металла менять форму под внешним воздействием и возвращаться в изначальное состояние, после того как это воздействие будет снято.

Эксплуатационные характеристики

В производственном процессе очень важна технологичность. Это способность подвергаться различным видам обработки с целью создания различных изделий. Технологические свойства:

Под воздействием внешних сил металл может изменять форму как в нагретом, так и в холодном состоянии. Это способность называется ковкостью. Это свойство было обнаружено человеком ещё в древности. В отличие от камня, который при сильных ударах крошится и рассыпается, металлические заготовки хорошо поддаются обработке. Им можно придать определённую форму, используя молот и наковальню. Это обусловлено строением кристаллической решётки.

Две поверхности из металлических сплавов при нагревании можно прочно соединять друг с другом, такая способность называется свариваемостью.

Важная характеристика расплавленного металла называется текучестью. Она характеризует способность материала растекаться по заготовленной форме. Каждый металл может подвергаться закалке на определённую глубину. Это свойство называется прокаливаемость. К основным операциям на производстве для получения заготовок относится обработка режущими инструментами. Подверженность к обработке резанием — ещё одно свойство металлических соединений.

Металлы-рекордсмены

Учёные давно определили, какие материалы и сплавы являются рекордсменами по различным параметрам. Самый твёрдый металл на планете — хром. Этот голубовато-белый материал с характерным блеском был открыт в 1766 году под Екатеринбургом. Минерал назывался «сибирский красный свинец». За ним следуют вольфрам, титан, осмий, иридий. Последний встречается очень редко. Сплавы, содержащие хром в сочетании с никелем, хромом, ванадием, железом, широко используются в промышленности.

Наиболее мягкими минералами считаются алюминий, серебро и медь. Они нашли широкое применение в различных областях, например, в электроаппаратостроении, из-за своих характеристик, так как легко поддаются обработке. Следует перечислить и другие мягкие металлы: это калий, натрий, рубидий, цезий. А какой самый пластичный металл? Все рекорды бьёт золото. На втором месте в этом списке стоит свинец. Кроме пластичности, золото обладает хорошей тягучестью и ковкостью и является лидером в списке тягучих металлов. В чистом виде оно имеет ярко-жёлтый цвет, обладает высокой теплопроводностью, влагоустойчивостью и не окисляется при нормальной температуре. Плёнка из окиси образуется только при нагревании до 100 °C. Золотые слитки ярко блестят. За счёт своих удобных для обработки физических свойств получили широкое применение для ювелирных украшений.

Самым тугоплавким был признан вольфрам с температурой плавления +3420 °C. В электрических лампочках нити накаливания изготовлены именно из него. А самый тугоплавкий сплав состоит из карбидов гафния и тантала. В промышленности металлы в основном применяются в виде сплавов и делятся на чёрные и цветные. Первая группа включает в себя сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на сталь и чугун. В цветной металлургии широкое применение получили:

В процессе развития химии люди научились делать более прочные сплавы. При помощи современных технологий можно создать ещё более прочные конструктивы на основе общих сравнительных характеристик.

Очень важный параметр при этом — удельная прочность. Для её расчёта берётся образец металла для проведения испытаний на установке. Уменьшается толщина и площадь поперечного сечения, одновременно увеличивается длина. В какой-то момент образец начинает растягиваться только в одном месте, образуя шейку, и происходит разрыв в этой области. Хрупкие материалы, например, сталь твёрдых сплавов и чугун, растягиваются меньше без образования шейки. Специальный прибор вымеряет силу, далее вычисляется предел прочности, для этого максимальную нагрузку до разрыва надо делить на площадь сечения до удлинения. Высокопрочными считаются титан, вольфрам, бериллий, уран, хром и некоторые другие.

Источник