Чем обусловлены различия в физических свойствах металлов

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

Характеристика физических и химических свойств металлов

Занимая в таблице Менделеева I-II группы, а также побочные подгруппы III-VIII групп, атомы металлов способны отдавать валентные электроны, тем самым окисляться. По группе сверху вниз число электронных слоев увеличивается, радиус атомов растет, как и способность отдавать электроны (металлические свойства атомов). В периодах слева направо радиус атомов уменьшается, металлические свойства снижаются. Поэтому самыми активными металлами в периодах являются металлы I-II групп.

Физические и химические свойства металлов

Своими физическими, как и химическими, свойствами металлы обязаны строению кристаллической решетки. Она состоит из положительно заряженных ионов, которые постоянно колеблются вокруг определенного положения равновесия. Кроме того, имеются свободные электроны, которые перемещаются по всему объему. Именно благодаря им, для металлов характерны следующие свойства: металлический блеск, ковкость, пластичность, тепло- и электропроводность.

Из металлов изготавливают детали и инструменты, корпуса машин, зеркала, бытовую и промышленную химию.

Такое широкое применение на практике металлы нашли благодаря своим особым свойствам:

Подробное описание механических свойств

Механические свойства металлов не определяются расчетным путем. Для них существуют специальные экспериментальные процедуры, в ходе которых проверяется степень деформации, характер прочности, способность к пластичности и т.д.

К основным механическим свойствам относят:

Размер следа, возникшего при давлении, позволяет установить твердость исследуемого состава.

Важно обратить внимание на то, что понятие «прочность» не является синонимом «твердости». Не редки варианты, когда твердые предметы являются хрупкими.

К механическим свойствам металлов, например, железа, практики относят также такие характеристики, как наличие надежности, долговечности, практичности, живучести.

Эксплуатационные характеристики

Кроме общих физических свойств, металлы обладают такой особенностью, как эксплуатационные характеристики. Под этим понятием понимается показатель, демонстрирующий надежность, долговечность и практичность детали, конструкции, изготовленной из металла либо его сплава. Такой показатель формируется на основании обобщения результатов технических испытаний, разнопрофильных замеров.

К такой категории показателей относят жаропрочность, хладостойкость, стойкость к коррозии, антифрикционные характеристики, циклическая вязкость и т.п.

Под «износостойкостью» понимают способность материала, из которого изготовлены различные конструкции, противостоять абразивному износу, в т.ч. при наличии процессов трения поверхностей деталей (инструментов) при работе.

Группа металлов с циклической вязкостью способны выдерживать знакопеременные динамические давления. При этом они не разрушаются. Детали, изготовленные из таких металлов, — идеальный вариант для изготовления рессор автомобилей, пружин различных вариаций. Детали, изготовленные из металлов с циклической вязкостью, способны функционировать в неблагоприятных условиях длительные отрезки времени.

Определение понятия «Демпфирование» гласит, что металл способен гасить колебания, рассеивать их, а также противостоять направленным нагрузкам. К таким материалам относят серые литейные чугуны. Они годны для изготовления станин станков, кронштейнов и т.п.

Одной из общих эксплуатационных характеристик является жаропрочность. Краткое описание сводится к способности материалов выдерживать серьезные механические нагрузки, особенно при высоких температурах. Показатель жаропрочности определяется тугоплавкостью химических веществ. Для современных двигателей такая характеристика очень важна. В ходе самого процесса происходит ослабление химических связей, поэтому снижаются упругость, вязкость, твердость. В результате этого деталь постепенно приходит в негодность. Если в не жаропрочные углеродистые стали добавить в определенных количествах алюминий (магний, титан), они повысят жаропрочность до 600оС. Если же в состав материала вводить никель (кобальт), он будет устойчив вплоть до 1000оС.

Жаростойкость характеризует способность металла не подвергаться коррозии. Насколько велика жаростойкость, можно определить по глубине коррозии. Высокой устойчивостью обладают легированные стали, чугуны, сплавы с хромом, никелем, вольфрамом, ванадием. Эти элементы проявляют жаростойкость при 800-1000оС и выше.

Хладностойкость показывает, насколько материал может сохранить вязкость при отрицательных температурах.

Антифрикционность является свойством, показывающим, насколько материал способен снизить трение между соприкасающимися поверхностями в механизмах и деталях. Антифрикционные материалы используют для изготовления подшипников для различных механизмов.

Прирабатываемость — возможность конструкций, изготовленных из определенных материалов, «подстраиваться» в рабочем процессе, например, увеличивать площадь соприкосновения, уменьшать температуру поверхности или давление на нее.

Таблица, примеры

Физические свойства металлов изучались давно и серьезно. Сегодня существуют различные таблицы, содержащие обобщенные данные о химических свойствах, механических и эксплуатационных характеристиках. Например, в электрохимическом ряду напряжения металлов они расположены в порядке уменьшения своей восстановительной способности.

Прочие свойства металлов отражены в таблице.

ρ 5000 кг/м3 – тяжелые металлы: Zn, Fe, Ni, Cr, Pb, Ag, Au, Os

Самый легкий металл — литий:

самый тяжелый — осмий:

Твердость некоторых металлов по шкале Мооса:

Самые мягкие металлы: K, Rb, Cs, Na

самый твердый металл — Cr (режет стекло)

Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe

В ряду наблюдается уменьшение пластичности

Из пластичного золота можно изготовить фольгу толщиной

Тпл > 1000°С – тугоплавкие металлы: Au, Cu, Ni, Fe, Pt, Ta, Nb, Mo, W;

Существуют таблицы, которые связывают общие физические свойства и электронное строение их атомов, а также положение в таблице Д.И.Менделеева.

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