Металл: что это такое, его физические свойства, из чего состоит

МЕТА́ЛЛЫ, ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из ато­мов, лег­ко от­даю­щих элек­тро­ны в про­цес­се хи­мич. ре­ак­ций, и об­ла­даю­щие ха­рак­тер­ны­ми свой­ст­ва­ми – вы­со­ки­ми элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­стью, пла­стич­но­стью, по­ло­жи­тель­ным тем­пе­ра­тур­ным ко­эф. элек­трич. со­про­тив­ле­ния, спо­соб­но­стью хо­ро­шо от­ра­жать свет и т. д. К М. от­но­сят­ся как соб­ст­вен­но М. (про­стые ве­ще­ст­ва), так и их спла­вы и ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ния (ин­тер­ме­тал­ли­ды), ко­то­рые от обыч­ных M. от­ли­ча­ют­ся бо­лее слож­ной кри­стал­лич. струк­ту­рой. В ме­тал­лич. со­стоя­нии мо­гут на­хо­дить­ся силь­но ле­ги­ро­ван­ные по­лу­про­вод­ни­ки, а так­же ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из ато­мов не­ме­тал­лов, напр. по­ли­мер­ный кри­сталл $\ce{(SN)}_x$. Ме­тал­лич. свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют так­же не­ко­то­рые хи­мич. со­еди­не­ния (напр., кри­стал­лы ок­си­дов ти­па $\ce{MoO_2, WO_2,}$ халь­ко­ге­ни­дов $\ce{NbSe_2, TaS_2}$), кри­стал­лы, со­дер­жа­щие ор­га­нич. ком­плек­сы (см. Ор­га­ни­че­ские про­вод­ни­ки), мно­го­ком­по­нент­ные ма­те­риа­лы со струк­ту­рой пе­ров­ски­та (напр., $\ce{YBa_2Cu_3O_7}$) или со слои­стой струк­ту­рой (напр., $\ce{Bi_2Sr_2CaCu_2O_8}$), яв­ля­ющие­ся вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ны­ми сверх­про­вод­ни­ка­ми.

В при­ро­де M. су­ще­ст­ву­ют в со­ста­ве хи­мич. со­еди­не­ний – ок­си­дов, суль­фи­дов и др., об­ра­зую­щих ру­ды; $\ce{Au, Ag, Pt, Cu}$ и др. встре­ча­ют­ся так­же в са­мо­род­ном со­стоя­нии.

В обыч­ных ус­ло­ви­ях M. – твёр­дые те­ла, имею­щие кри­стал­лич. строе­ние (в па­ро­об­раз­ном со­стоя­нии – в осн. од­но­атом­ные га­зы). Темп-ры плав­ле­ния M. вы­ше 300 К (кро­ме рту­ти, её темп-ра плав­ле­ния –38,83 °C). Макс. темп-ру плав­ле­ния име­ет вольф­рам (ок. 3420 °C). При плав­ле­нии M. со­хра­ня­ют ме­тал­лич. свой­ст­ва (см. Жид­кие ме­тал­лы). Ис­кус­ст­вен­но соз­да­ны аморф­ные твёр­дые M. (см. Аморф­ные ме­тал­лы, Стек­ло ме­тал­ли­че­ское).

Боль­шин­ст­во про­стых M. кри­стал­ли­зу­ет­ся в объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ку­би­че­ской, гра­не­цен­три­ро­ван­ной ку­би­че­ской и гек­са­го­наль­ной плотноупакован­ной ре­шёт­ках (см. Ме­тал­ли­че­ские кри­стал­лы). Сре­ди др. ре­шё­ток – тет­ра­го­наль­ная с 1–2 ато­ма­ми в эле­мен­тар­ной ячей­ке (напр., In). Лишь не­боль­шое чис­ло M. име­ют бо­лее слож­ное строе­ние, напр. низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная мо­ди­фи­ка­ция Mn, в эле­мен­тар­ной ячей­ке ко­то­ро­го 58 ато­мов. Мн. М. в за­ви­си­мо­сти от темп-ры и дав­ле­ния мо­гут су­ще­ст­во­вать в разл. кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ци­ях. Не­ко­то­рые ве­щест­ва в за­ви­си­мо­сти от кри­стал­лич. струк­ту­ры мо­гут быть M., ди­элек­три­ка­ми, по­лу­про­вод­ни­ка­ми или по­лу­ме­тал­ла­ми, напр. Sn (бе­лое оло­во с тет­ра­го­наль­ной струк­ту­рой – M., се­рое оло­во с ку­бич. струк­ту­рой ал­ма­за – по­лу­про­вод­ник), С (гра­фит – по­лу­ме­талл, ал­маз – ди­элек­трик) (см. По­ли­мор­физм).

М. и спла­вы обыч­но со­сто­ят из боль­шо­го числа мел­ких кри­стал­лов (зё­рен), не­раз­ли­чи­мых не­во­ору­жён­ным гла­зом. Зёр­на мо­гут иметь ок­руг­лую или вы­тя­ну­тую фор­му, быть круп­ны­ми или мел­ки­ми и рас­по­ла­гать­ся от­но­си­тель­но друг дру­га в оп­ре­де­лён­ном по­ряд­ке или слу­чай­но. Фор­ма, раз­мер и вза­им­ное рас­по­ло­же­ние, а так­же ори­ен­ти­ров­ка зё­рен за­ви­сят от ус­ло­вий их об­ра­зо­ва­ния.

Историческая справка

Тер­мин «М.» про­изо­шёл от греч. сло­ва μέταλλον (от μεταλλεύω – вы­ка­пы­вать, до­бы­вать из зем­ли), ко­то­рое пер­во­на­чаль­но оз­на­ча­ло «ко­пи, руд­ни­ки» (в этом зна­че­нии оно встре­ча­ет­ся у Ге­ро­до­та в 5 в. до н. э.). То, что до­бы­ва­лось в руд­ни­ках, Пла­тон на­зы­вал μεταλλεία . В древ­но­сти и в сред­ние ве­ка счи­та­лось, что су­ще­ст­ву­ет толь­ко 7 М.: зо­ло­то, се­реб­ро, же­ле­зо, ртуть, оло­во, медь, сви­нец. По ал­хи­мич. пред­став­ле­ни­ям, М. за­ро­ж­да­лись в зем­ных не­драх под влия­ни­ем «лу­чей» пла­нет и по­сте­пен­но со­вер­шен­ст­во­ва­лись, пре­вра­ща­ясь в зо­ло­то (см. Ал­хи­мия). Ал­хи­ми­ки по­ла­га­ли, что М. – ве­ще­ст­ва слож­ные, со­стоя­щие из «на­ча­ла ме­тал­лич­но­сти» (рту­ти) и «на­ча­ла го­рю­че­сти» (се­ры). В нач. 18 в. по­лу­чи­ла рас­про­стра­не­ние ги­по­те­за, со­глас­но ко­то­рой не­бла­го­род­ные М. со­сто­ят из зо­лы («ока­ли­ны») и «на­ча­ла го­рю­че­сти» – фло­ги­сто­на. М. В. Ло­мо­но­сов на­счи­ты­вал 6 М. ($\ce{Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb}$) и оп­ре­де­лял М. как «свет­лое те­ло, ко­то­рое ко­вать мож­но». В кон. 18 в. А. Ла­ву­а­зье оп­ро­верг ги­по­те­зу фло­ги­сто­на. В ру­ко­во­дстве по хи­мии (1789) он дал спи­сок про­стых ве­ществ, 17 из ко­то­рых от­нёс к М. ($\ce{Sb, Ag, As, Bi, Со, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn}$). По ме­ре раз­ви­тия ме­то­дов хи­мич. ис­сле­до­ва­ния чис­ло из­вест­ных М. воз­рас­та­ло. В 1-й пол. 19 в. бы­ли от­кры­ты спут­ни­ки Pt, по­лу­че­ны пу­тём элек­тро­ли­за не­ко­то­рые ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные М., по­ло­же­но на­ча­ло раз­де­ле­нию ред­ко­зе­мель­ных М., при хи­мич. ана­ли­зе ми­не­ра­лов от­кры­ты не­из­вест­ные ра­нее М. В 1860–63 ме­то­дом спек­траль­но­го ана­ли­за от­кры­ты $\ce{Cs, Rb, Tl, In}$. В кон. 19 – нач. 20 вв. под­твер­ди­лось су­ще­ст­во­ва­ние М., пред­ска­зан­ных Д. И. Мен­де­лее­вым на ос­но­ве его пе­рио­дич. за­ко­на. От­кры­тие ра­дио­ак­тив­но­сти в кон. 19 в. по­влек­ло за со­бой по­ис­ки при­род­ных ра­дио­ак­тив­ных М. На­чи­ная с 1930–1940-х гг. ме­то­дом ядер­ных пре­вра­ще­ний ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­ак­тив­ные М., в ча­ст­но­сти транс­ура­но­вые эле­мен­ты.

Ши­ро­кое ис­поль­зо­ва­ние М. при­ве­ло к то­му, что их осн. фи­зич. свой­ст­ва бы­ли изу­че­ны ещё в 19 в. Мик­ро­ско­пич. тео­рия М. на­ча­ла раз­ви­вать­ся в 20 в. В 1900 П. Дру­де пред­ло­жил мо­дель М., в ко­то­рой элек­тро­про­вод­ность осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по­то­ком элек­трон­но­го га­за, за­пол­няю­ще­го про­ме­жут­ки ме­ж­ду ато­ма­ми. Х. Ло­ренц раз­вил идею Дру­де, при­ме­нив к элек­трон­но­му га­зу ки­не­тич. тео­рию га­зов. Од­на­ко по­стро­ен­ная на при­ме­не­нии за­ко­нов клас­сич. ме­ха­ни­ки и ста­ти­сти­ки тео­рия Дру­де – Ло­рен­ца не мог­ла объ­яс­нить не­ко­то­рые экс­пе­рим. фак­ты. В 1927–28 В. Пау­ли и А. Зом­мер­фельд устра­ни­ли ряд не­до­стат­ков тео­рии Дру­де, пред­по­ло­жив, что осн. часть элек­трон­но­го га­за в М. при обыч­ных темп-рах на­хо­дит­ся в вы­ро­ж­ден­ном со­стоя­нии; эти ра­бо­ты лег­ли в ос­но­ву совр. элек­трон­ной тео­рии ме­тал­лов.

В 1929–30 Ф. Блох и Л. Брил­лю­эн рас­смот­ре­ли влия­ние пе­рио­дич. по­ля кри­стал­лич. ре­шёт­ки на элек­трон­ный газ, что при­ве­ло к соз­да­нию зон­ной тео­рии твёр­дых тел. При­ме­не­ние к элек­тро­нам в М. тео­рии об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия (В. Гей­зен­берг, П. Ди­рак, 1928) по­зво­ли­ло по­нять при­ро­ду фер­ро­маг­не­тиз­ма и об­на­ру­жить но­вые маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ные со­стоя­ния М. – ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм (Л. Не­ель, 1932) и фер­ри­маг­не­тизм. В 1911 Х. Ка­мер­линг-Оннес от­крыл яв­ле­ние сверх­про­во­ди­мо­сти. Ис­сле­до­ва­ние взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­нов друг с дру­гом и с ре­шёт­кой по­зво­ли­ло рас­крыть при­ро­ду этого явления (Дж. Бар­дин, Л. Ку­пер, Дж. Шриф­фер, 1956). Изу­че­ние нор­маль­ных, сверх­про­во­дя­щих и маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных М. – три осн. на­прав­ле­ния совр. мик­ро­ско­пич. тео­рии ме­тал­лов.

Сферы применения основных металлов

Рассматривать радиоактивные и редкоземельные металлы не имеет смысла, так как в производстве крепежа они практически не принимают участия, как и в других сферах, не связанных с атомной энергетикой и некоторыми редкими видами промышленности. Нас интересуют основные металлы и сплавы рассмотренные выше.

Сферы их применения очень разнообразны:

• строительство,
• авиастроение,
• машиностроение,
• производство инструментов,
• металлоконструкции,
• станкостроение.

И так далее. Изготовление крепежа можно отнести нескольким категориям, но по сути, это металлоконструкции, называемые в народе Метизы. Для производства метизов используются десятки различных металлов и сплавов, от конструкционной стали и чугуна, до сложных сплавов на основе титана и меди.

Коротко по каждому виду, применяемому для изготовления крепежей

Перед тем как перейти к описанию конкретных видов металлов и сплавов, необходимо определиться, какие основные технические требования предъявляются к продуктам, попадающим под категорию «крепеж». Их несколько:

• прочность учитывается прочность на разрыв и излом.
• Пружинистость. Возможность металла возвращать изначальную форму после сжатия.
• Устойчивость к коррозии и окислению. Актуально для всех видов крепежа.

И многое друге. Теперь поговорим о конкретных металлах и сплавах. Их список выглядит следующим образом:

1. Алюминий и сплавы на его основе,
2. Медь,
3. Латунь,
4. Бронза,
5. Инструментальная сталь,
6. Легированная сталь,
7. Ковкий чугун,
8. Сталь нержавеющая.

Начнем по порядку: первый пункт – это алюминий и сплавы на его основе. Он применяется при изготовлении клепок и различных зажимов. Также в клепках может быть использована медь для повышения качества метиза. Помимо этого из меди изготавливают гайки специального назначения. Они используются, в частности, при судостроении, так как медь при контакте с другими металлами не создает искру.

Латунь и бронза отличаются повышенной, по сравнению с медью, прочностью, поэтому из них изготавливают различные шпонки, элементы анкеров, а также болты, шурупы и винты. Еще одна особенность этих сплавов заключается в отсутствии скипания. То есть при электрическом замыкании, сталь сплавляется, а медь остается цельной и не разрушается.

Из легированной и конструкционной стали изготавливаются барашковые гайки, струбцины и прочие удерживающие элементы. Это обусловлено высокой прочностью этих марок. Нержавеющая сталь, в свою очередь применяется там, где необходима максимальная устойчивость к коррозии. Что касается чугуна, то он чаще всего применяется при производстве запорной арматуры, то есть вентилей и запоров.

Химические свойства и методы получения

В длин­ной фор­ме пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов гра­ни­ца ме­ж­ду эле­мен­та­ми-М. и эле­мен­та­ми-не­ме­тал­ла­ми про­во­дит­ся по диа­го­на­ли от B до At: М. рас­по­ло­же­ны сле­ва от этой ли­нии (к М. от­но­сят­ся ок. 90 из­вест­ных хи­мич. эле­мен­тов, точ­нее – все эле­мен­ты за ис­клю­че­ни­ем $\ce{H, B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te,}$ га­ло­ге­нов и бла­го­род­ных га­зов). По строе­нию ато­ма М. под­раз­де­ля­ют­ся на не­пе­ре­ход­ные и пе­ре­ход­ные; сре­ди не­пе­ре­ход­ных М. вы­де­ля­ют ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные, сре­ди пе­ре­ход­ных – $d$- и $f$-М., а так­же ред­ко­зе­мель­ные, пла­ти­но­вые, транс­ура­но­вые и др. М. (см. в ст. Хи­ми­че­ские эле­мен­ты).

Для ато­мов М. ха­рак­тер­ны бо­лее низ­кие зна­че­ния энер­гии ио­ни­за­ции, чем для ато­мов не­ме­тал­лов. В из­ме­не­нии зна­че­ний энер­гии ио­ни­за­ции ато­мов М. при уве­ли­че­нии их по­ряд­ко­во­го но­ме­ра яв­но вы­ра­же­на пе­рио­дич­ность: в об­щем, при уве­ли­че­нии по­ряд­ко­во­го но­ме­ра в пре­де­лах отд. пе­рио­да энер­гии ио­ни­за­ции М. воз­рас­та­ют, при уве­ли­че­нии по­ряд­ко­во­го но­ме­ра в пре­де­лах отд. груп­пы – убы­ва­ют; от­кло­не­ния от этой тен­ден­ции обу­слов­ле­ны строе­ни­ем элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов (под­роб­нее см. в ст. Пе­рио­ди­че­ская сис­те­ма хи­ми­че­ских эле­мен­тов).

Сла­бой свя­зью ва­лент­ных элек­тро­нов с ядром ато­ма объ­яс­ня­ют­ся мн. свой­ст­ва М., про­яв­ляю­щие­ся в хи­мич. про­цес­сах: об­ра­зо­ва­ние по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных ио­нов (ка­тио­нов), об­ра­зо­ва­ние осно́в­ных ок­си­дов и гид­ро­кси­дов с осно́в­ны­ми свой­ст­ва­ми (ос­но­ва­ний), за­ме­ще­ние во­до­ро­да в ки­сло­тах и т. д. В хи­мич. ре­ак­ци­ях М. вы­сту­па­ют как до­но­ры элек­тро­нов (вос­ста­но­ви­те­ли); в кри­стал­лах хи­мич. со­еди­не­ний с др. эле­мен­та­ми, а так­же в вод­ных рас­тво­рах со­еди­не­ний об­ра­зу­ют в осн. эле­мен­тар­ные ка­тио­ны (в рас­тво­рах – ак­ва­ка­тио­ны). М. мо­гут вхо­дить в со­став слож­ных анио­нов, напр. пер­ман­га­нат-ани­он $\ce{MnO_4^-}$, в т. ч. ком­плекс­ных, напр. аци­до­ком­плекс $\ce{[Fe(CN)_6]^{4–}}$. В слож­ных ио­нах и по­ляр­ных мо­ле­ку­лах ато­мы М. яв­ля­ют­ся цен­тра­ми по­ло­жи­тель­но­го за­ря­да. Спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные эле­мен­тар­ные ио­ны для М. не­ха­рак­тер­на (тем не ме­нее фор­маль­но от­ри­ца­тель­ные сте­пе­ни окис­ле­ния М. встре­ча­ют­ся в це­лом ря­де ком­плекс­ных со­еди­не­ний).

Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ная хи­мич. ре­ак­ция, свой­ст­вен­ная всем М., – окис­ле­ние. Спо­соб­ность М. к окис­ле­нию ме­ня­ет­ся в очень ши­ро­ких пре­де­лах. Мн. М. окис­ля­ют­ся ки­сло­ро­дом воз­ду­ха уже при ком­нат­ной темп-ре, од­на­ко ско­рость и ме­ха­низм ре­ак­ции очень силь­но за­ви­сят от при­ро­ды М. Боль­шин­ст­во М. при взаи­мо­дей­ст­вии с ки­сло­ро­дом об­ра­зу­ют ок­си­ды, ще­лоч­ные (кро­ме $\ce{Li}$) и щё­лоч­но­зе­мель­ные М. – так­же пepоксиды и над­пе­рок­си­ды. Окис­ле­ние при­во­дит к фор­ми­ро­ва­нию на по­верх­но­сти ком­пакт­но­го М. плён­ки ок­си­да. Та­кие плён­ки, как пра­ви­ло, име­ют рых­лую струк­ту­ру, и их об­ра­зо­ва­ние не за­щи­ща­ет М. от даль­ней­ше­го окис­ле­ния. Очень плот­ные плён­ки, пре­до­хра­няю­щие М. от даль­ней­ше­го окис­ле­ния, ха­рак­тер­ны, напр., для $\ce{Al, Ti, Сr,}$ ко­то­рые ус­той­чи­вы на воз­ду­хе, хо­тя и об­ла­да­ют вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­стью. Край­не не­ус­той­чи­вы на воз­ду­хе ще­лоч­ные М. С азо­том ряд М. (напр., $\ce{Li}$) реа­ги­ру­ют при ком­нат­ной темп-ре, дру­гие М. (напр., $\ce{Mg, Zr, Hf, Ti}$) – при на­гре­ва­нии; при этом об­ра­зу­ют­ся нит­ри­ды. Мн. М. ак­тив­но взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­до­ро­дом (об­ра­зу­ют­ся гид­ри­ды), га­ло­ге­на­ми (га­ло­ге­ни­ды), се­рой (суль­фи­ды), фос­фо­ром (фос­фи­ды), др. не­ме­тал­ла­ми. Наи­бо­лее ак­тив­ные М. реа­ги­ру­ют с уг­ле­ро­дом, об­ра­зуя кар­би­ды и аце­ти­ле­ни­ды. В ре­зуль­та­те ме­тал­ли­ро­ва­ния ор­га­нич. мо­ле­кул об­ра­зу­ют­ся ме­тал­ло­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния. При сплав­ле­нии М. друг с дру­гом – твёр­дые рас­тво­ры или ин­тер­ме­тал­ли­ды.

М., имею­щие пе­ре­мен­ную ва­лент­ность (напр., $\ce{Cr, Mn, Fe}$), в со­еди­не­ни­ях, от­ве­чаю­щих низ­шим сте­пе­ням окис­ле­ния ($\ce{Cr^{2+}, Mn^{2+}, Fe^{2+}}$), про­яв­ля­ют вос­ста­но­вит. свой­ст­ва; в выс­ших сте­пе­нях окис­ле­ния те же М. ($\ce{Cr^{6+}, Mn^{7+}, Fe^{3+}}$) об­на­ру­жи­ва­ют окис­лит. свой­ст­ва. Для вод­ных рас­тво­ров и рас­тво­ров элек­тро­ли­тов окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. свой­ст­ва М. вы­ра­жа­ют с по­мо­щью элек­тро­хи­мич. ря­да на­пря­же­ний (см. в ст. Элек­трод­ный по­тен­ци­ал). М., для ко­то­рых стан­дарт­ные элек­трод­ные по­тен­циа­лы мень­ше, чем –0,413 В, окис­ля­ют­ся во­дой с вы­де­ле­ни­ем $\ce{H_2}$ (ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные М. реа­ги­ру­ют с во­дой при ком­нат­ной темп-ре; та­кие М., как $\ce{Zn}$ или $\ce{Fe}$, реа­ги­ру­ют с во­дя­ным па­ром при вы­со­ких тем­пе­ра­ту­рах). С рас­тво­ра­ми ще­ло­чей взаи­мо­дей­ст­ву­ют М., об­ра­зую­щие рас­тво­ри­мые ани­он­ные гид­ро­ксо­ком­плек­сы ($\ce{Be, Zn, Al, Ga, Sn}$). Боль­шин­ст­во М. окис­ля­ют­ся те­ми или ины­ми ки­сло­та­ми. М., стоя­щие в элек­тро­хи­мич. ря­ду на­пря­же­ний до во­до­ро­да, окис­ля­ют­ся ио­на­ми $\ce{H^+}$ и по­это­му рас­тво­ря­ют­ся при дей­ст­вии не­окис­ляю­щих ки­слот ($\ce{HCl}$ или раз­бав­лен­ной $\ce{H_2SO_4}$), но толь­ко ес­ли не об­ра­зу­ют­ся не­рас­тво­ри­мые про­дук­ты; ре­ак­ции спо­соб­ст­ву­ет об­ра­зо­ва­ние ани­он­ных ком­плек­сов. Азот­ная ки­сло­та, да­же раз­бав­лен­ная, окис­ля­ет мно­гие М. При этом, ес­ли ио­ны М. ус­той­чи­вы в низ­ших сте­пе­нях окис­ле­ния, об­ра­зу­ют­ся ка­ти­он­ные ком­плек­сы, ес­ли в выс­ших, как в слу­чае, напр., $\ce{Re}$, – ани­он­ные ($\ce{ReO_4^-}$). Не­ко­то­рые М. реа­ги­ру­ют с раз­бав­лен­ны­ми $\ce{HNO_3}$ и $\ce{H_2SO_4}$ с об­ра­зо­ва­ни­ем ка­ти­он­ных ком­плек­сов и пас­си­ви­ру­ют­ся в кон­цен­три­ров. рас­тво­рах этих ки­слот. Для рас­тво­ре­ния ма­ло­ак­тив­ных М., напр. $\ce{Au}$ или $\ce{Pt}$, ис­поль­зу­ют сме­си, со­дер­жа­щие окис­ли­тель и до­нор ли­ган­дов, не­об­хо­ди­мый для об­ра­зо­ва­ния рас­тво­ри­мых ком­плек­сов (напр., сме­си $\ce{HNO_3}$ с $\ce{HCl}$ или $\ce{HNO_3}$ с $\ce{HF}$).

Важ­ная ха­рак­те­ри­сти­ка М. – их спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать осно́вные ок­си­ды и со­от­вет­ст­вую­щие гид­ро­кси­ды, а так­же со­ли – про­дук­ты за­ме­ще­ния в ки­сло­тах про­то­на на ион М. На при­ме­ре гид­ро­кси­дов М. мож­но про­сле­дить за­ко­но­мер­но­сти из­ме­не­ния свойств со­еди­не­ний в за­ви­си­мо­сти от из­ме­не­ния ме­тал­лич. ха­рак­те­ра эле­мен­та; в ча­ст­но­сти, наи­более ти­пич­ные М. – ще­лоч­ные – об­ра­зу­ют наи­бо­лее силь­ные ос­но­ва­ния (см. в ст. Щё­ло­чи). О взаи­мо­дей­ст­вии М. со сре­дой, ве­ду­щей к их раз­ру­ше­нию, см. в ст. Кор­ро­зия.

Для по­лу­че­ния М. прак­тич. зна­че­ние име­ют неск. осн. ме­то­дов: вос­ста­нов­ле­ние ок­си­дов М. уг­ле­ро­дом или во­до­ро­дом; вос­ста­нов­ле­ние ок­си­дов М. дру­ги­ми М. (ме­тал­ло­тер­мия); вос­ста­нов­ле­ние га­ло­ге­ни­дов или суль­фи­дов М. во­до­ро­дом или ме­тал­ла­ми; тер­мич. раз­ло­же­ние под­хо­дя­щих со­еди­не­ний М. (напр., кар­бо­ни­лов); элек­тро­хи­мич. ме­то­ды. По­сколь­ку дос­ти­же­нию тре­буе­мых экс­плуа­тац. ха­рак­те­ри­стик ме­ша­ет при­сут­ст­вие в М. при­ме­сей, ис­поль­зу­ют­ся разл. ме­то­ды очи­ст­ки М. (зон­ная плав­ка, экс­трак­ци­он­ные ме­то­ды и т. д.).

Под­роб­нее о свой­ст­вах, ме­то­дах по­лу­че­ния и очи­ст­ки М. мож­но уз­нать в стать­ях, по­свя­щён­ных отд. М. или их груп­пам. См. так­же Ме­тал­ло­ве­де­ние, Ме­тал­лур­гия.

Классификация и виды металлов

Есть чистые, однокомпонентные структуры и сплавы. Самым классическим примером можно назвать различные виды стали. Они различаются по ГОСТу в соответствии с добавлением легирующих добавок. Чем больше содержание углерода, тем крепче материал. Также есть общепринятое разграничение, ниже представим подтипы.

Черные

Их добывают из металлической руды. В производстве они занимают 90% от всего сырья. Обычно это чугуны и стали. Для изменения характеристик добавляют большее или меньшее количество углерода и легирующие добавки: медь, кремний, хром, никель. Одним из очень популярных подвидов является нержавейка, которая отличается своим блеском поверхности и уникальными свойствами – легкостью, высокой прочностью и устойчивостью к влажности, температурным перепадам.

Что относится к цветным металлам

Второе название – нежелезные, то есть сплавы не содержат в себе железа, а состоят из более дорогостоящих материалов. Вещества имеют различный цвет, отличаются уникальными качествами:

• долговечность;
• длительное сохранение свойств;
• образование оксидной пленки, которая препятствует коррозии.

Благодаря этому, определенные разновидности можно использовать в медицине, ювелирном деле, химической промышленности, при изготовлении электрических проводов. К цветмету относится алюминий, цинк, олово, свинец, никель, хром, серебро, золото и другие.

Медь и ее сплавы являются популярными металлами

Медная руда была обработана человеком одна из первой, потому что она подвергается холодному методу ковки и штамповки. Податливость привела к востребованности повсеместно. Кислород в составе приводит к красному отливу. Но уменьшение валентности в различных соединениях приведет к желтому, зеленому, синему цвету. Привлекательным качеством считается отличная теплопроводность – на втором месте после серебра, поэтому она применяется для проводов. Соединения могут быть:

• твердыми – в сочетании с железом, мышьяком, цинком, фосфором;
• с плохой растворимостью с висмутом, свинцом;
• хрупкими – с серой или кислородом.

К металлам относятся алюминий и сплавы

Al открыт в 1825 году и отличается легкостью и простотой в металлообработке. Производится из бокситов, при этом запасы этой горной породы практически неиссякаемы. Далее элемент соединяют в различных пропорциях с медью, марганцем, магнием, цинком, кремнием. Реже с титаном, литием, бериллием. Особенности в зависимости от добавок:

• хорошая свариваемость;
• устойчивость к коррозии;
• высокая усталостная прочность;
• пластичность.

Его применяют для изготовления ювелирных изделий, столовых приборов, а также для стекловарения, в пищевой и военной промышленности, для создания ракет и для производства водорода и тепла в алюмоэнергетике.

Все о металлах магний, титан и их сплавах

Mg – самое легкое вещество из этой группы. Не обладает прочностью, но есть достоинства, например, пластичность, химическая активность. Благодаря высокой конструкционной способности его добавляют в составы, чтобы увеличивать свариваемость, простоту металлообработки режущим ножом. Необходимо учитывать, что магний очень восприимчив к ржавлению. Титан имеет похожие качества – легкость, пластичность, серебристый цвет. Но антикоррозийная пленка появляется при первом соприкосновении с кислородом. Отличительные особенности – низкая теплопроводность, электропроводность, отсутствие магнитизма. Металл, содержащий титан, – это вещество, используемое для авиационной, химической, судостроительной промышленности.

Антифрикционные сплавы

Характерная особенность этой группы – удобство применения при механических воздействиях. Они практически не создают трения, а также снижают его у других композитов. Очень часто они выступают в качестве твердой смазки для узлов, например, для подшипников. В составе обычно бывает фторопласт, латунь, бронза, железографит и баббит.

Мягкие

Это те, у которых ослаблены металлические связи. По этой причине они имеют более низкую температуру плавления и кипения, просто деформируются. Иногда можно одним нажатием пальца сделать вмятину, ногтем оставить царапину К ним относятся: медь, серебро, золото, бронза, свинец, алюминий, цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Одним из наиболее мягких является ртуть, она находится в природе в жидком состоянии.

Что значит твердый металл

В природе такая руда встречается крайне редко. Порода находится у упавших метеоритов. Один из наиболее популярных – хром. Он тугоплавкий и легко поддается металлообработке. Еще один элемент – вольфрам. Он очень плохо плавится, но при правильной обработке используется в осветительных приборах благодаря устойчивости к теплу и гибкости.

Металлические материалы в энергетике

Мы бы не имели такую развитую электросеть и массу приборов, потребляющих электричество, если бы ряд веществ не отличались наличием свободных электронов, положительных ионов и высокой проводимостью. Провода делают из свинца, меди и алюминия. Отлично бы подошло серебро, но его редкость влияет на стоимость, поэтому редко используется.

Особенности черных вторичных металлов

Это отходы, которые образуются в результате одного из этапа металлообработки – ковки, резки. Это могут быть обрезки или стружки. Они отправляются в сталеплавильные печи, но перед этим должны пройти проверки по ГОСТу. Лом называют чермет, его различают на стальной и чугунный по цене. Его использование очень востребовано вместо обработки руды.

Щелочноземельные сплавы

Это твердые вещества, которые имеют высокую химическую активность. В чистом виде встречаются очень редко, зато применяются в соединениях. Их значение нельзя переоценить с точки зрения анатомии человека и животного. Магний и кальций – необходимые микроэлементы.

Понятие щелочной металл

Они способны растворяться в воде, образуя щелочь. Из-за своей повышенной химической активности (вступление в реакцию происходит с бурным действием, воспламенением, выделением газа, дыма) в природе почти не встречается. Ведь на внешнем уровне всего один электрон, который легко отдается любому веществу. Гидроксиды очень важны в промышленности.

Общая характеристика материалов из d- и f-семейств

Это переходные элементы, которые могут являться как окислителями, так и восстановителями. Свойства зависят от среды, в которой они находятся. Но есть и общие:

• на внешнем уровне много электронов;
• несколько степеней окисления;
• увеличенная валентность;
• прочность;
• тягучесть;
• ковкость.

Из чего состоят побочные подгруппы металлов системы Менделеева

По сути это разновидности предыдущей категории – переходные элементы. Это линейка от скандия до цинка. Они часто выплавляются и обладают фактически такими же характеристиками, как и вышеперечисленные материалы из d- и f-семейств.

Металлическое состояние

M. мож­но пред­ста­вить как ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из по­ло­жит. ио­нов и сво­бод­ных элек­тро­нов (элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти). Элек­тро­ны ком­пен­си­ру­ют си­лы от­тал­ки­ва­ния, дей­ст­вую­щие ме­ж­ду по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ны­ми ио­на­ми, и тем са­мым спо­соб­ст­ву­ют свя­зы­ва­нию их в твёр­дое те­ло или жид­кость (ме­тал­ли­че­ская связь, см. в ст. Хи­ми­че­ская связь). Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти оп­ре­де­ля­ют элек­трич., маг­нит­ные, оп­тич. свой­ст­ва М., а так­же их те­п­ло­про­вод­ность, а при низ­ких темп-pax – те­п­ло­ём­кость. Зна­чи­тель­на роль элек­тро­нов в сжи­мае­мо­сти M. и др. ме­ха­нич. свой­ст­вах; их на­ли­чие де­ла­ет M. пла­стич­ными. Из­ме­не­ние элек­трон­но­го спек­тра ино­гда слу­жит при­чи­ной фа­зо­вых пе­ре­хо­дов в M., при ко­то­рых из­ме­не­ние кри­стал­лич. струк­ту­ры но­сит вто­рич­ный ха­рак­тер (напр., пе­ре­ход из нор­маль­но­го со­стоя­ния M. в сверх­про­во­дя­щее или из па­ра­маг­нит­но­го в фер­ро- или ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное).

Важ­ней­шая ха­рак­те­ри­сти­ка ме­тал­лич. со­стоя­ния – чис­ло элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти $n$ в 1 см3 (или их чис­ло на эле­мен­тар­ную ячей­ку кри­стал­ла ли­бо на 1 атом). Как пра­ви­ло, из всех элек­тро­нов ато­ма кол­лек­ти­ви­зи­ру­ют­ся толь­ко ва­лент­ные. Это да­ёт воз­мож­ность по хи­мич. свой­ствам ато­мов, из ко­то­рых со­сто­ит кри­сталл, и по его гео­мет­рич. струк­ту­ре опре­де­лить $n=Z/V_0$, где $Z$ – чис­ло ва­лент­ных элек­тро­нов, $V_0$ – объ­ём эле­мен­тар­ной ячей­ки.

Mн. свой­ст­ва M. мож­но объ­яс­нить, счи­тая, что элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти – иде­аль­ный вы­ро­ж­ден­ный газ фер­мио­нов, а роль ио­нов сво­дит­ся к соз­да­нию по­тен­ци­аль­ной ямы, в ко­то­рой дви­жут­ся элек­тро­ны (мо­дель Дру­де – Ло­рен­ца – Зом­мер­фель­да; см. Дру­де тео­рия, Зом­мер­фель­да тео­рия). В этой мо­де­ли темп-pa вы­ро­ж­де­ния $T_\text F$ элек­трон­но­го га­за по­ряд­ка 104–105 К, т. е. прак­ти­че­ски при лю­бой темп-ре су­ще­ст­во­ва­ния М. элек­трон­ный газ в нём вы­ро­ж­ден (см. Вы­ро­ж­ден­ный газ).

Бо­лее пол­ное объ­яс­не­ние свойств M. да­ёт зон­ная тео­рия твёр­до­го те­ла, ко­то­рая рас­смат­ри­ва­ет дви­же­ние отд. элек­тро­на в пе­рио­дич. по­ле с по­тен­циа­лом $U{\bf (r)}$, соз­да­вае­мом ио­на­ми кри­стал­лич. ре­шёт­ки и ос­таль­ны­ми элек­тро­на­ми (од­но­элек­трон­ное при­бли­же­ние): $U({\bf r}+a)=U{\bf (r)}$, где ${\bf {r}}$ – про­стран­ст­вен­ная ко­ор­ди­на­та точ­ки, $a$ – пе­ри­од ре­шёт­ки (см. Бло­хов­ские элек­тро­ны).

Пе­рио­дич­ность U(r) по­зво­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать ста­цио­нар­ное со­стоя­ние элек­тро­на про­во­ди­мо­сти ква­зи­им­пуль­сом ${\bf p}=ℏ{\bf k}$ ($ℏ$ – по­сто­ян­ная План­ка, ${\bf k}$ – ква­зи­вол­но­вой век­тор), ана­ло­гич­ным им­пуль­су час­ти­цы в сво­бод­ном про­стран­ст­ве. Вол­но­вая функ­ция элек­тро­на в ста­цио­нар­ном со­стоя­нии – ре­ше­ние Шрё­дин­ге­ра урав­не­ния для элек­тро­на, от­ве­чаю­щее собств. зна­че­нию энер­гии элек­тро­на $ℰ_s$. Вол­но­вая функ­ция и собств. зна­че­ние энер­гии (в от­ли­чие от слу­чая сво­бод­но­го элек­тро­на) – пе­рио­дич. функ­ции ква­зи­им­пуль­са. Ин­декс $s$, ну­ме­рую­щий ре­ше­ния урав­не­ния Шрё­дин­ге­ра, на­зы­ва­ют но­ме­ром зо­ны, $ℰ_s({\bf p})$ – за­ко­ном дис­пер­сии элек­тро­нов или элек­трон­ным спек­тром кри­стал­ла, со­от­вет­ст­вую­щим по­лю. В ка­ж­дой раз­ре­шён­ной энер­ге­тич. зо­не со­стоя­ния элек­тро­нов за­пол­ня­ют по­ло­су ме­ж­ду $ℰ_\text{мин}$ и $ℰ_\text{макс}$. Зо­ны мо­гут пе­рекры­вать­ся, но их ин­ди­ви­ду­аль­ность при этом со­хра­ня­ет­ся. С по­мо­щью за­ко­нов дис­пер­сии мож­но рас­счи­тать плот­ность элек­трон­ных со­стоя­ний в энер­ге­тич. зо­не.

Рис. 1. Схема заполнения энергетических зон металла (а), полуметалла (б) и диэлектрика или полупроводника (в). Жирные линии ограничивают заполненные состояния ℰ(p), тонкие – пустые состояния, штрихова…

Зон­ный ха­рак­тер спек­тра и Пау­ли прин­цип по­зво­ля­ют сфор­му­ли­ро­вать прин­ци­пи­аль­ное от­ли­чие M. от ди­элек­три­ка. T. к. в ка­ж­дую зо­ну мо­жет «по­мес­тить­ся» не бо­лее 2$N$ элек­тро­нов ($N$ – чис­ло ато­мов в кри­стал­ле), то в за­ви­си­мо­сти от чис­ла элек­тро­нов, при­хо­дя­щих­ся на 1 атом, и вза­им­но­го рас­по­ло­же­ния зон мо­гут осу­ще­ст­в­лять­ся два слу­чая: ли­бо в осн. со­стоя­нии (при T=0 К) име­ют­ся зо­ны, час­тич­но за­пол­нен­ные элек­тро­на­ми (рис. 1, а, б), ли­бо есть толь­ко це­ли­ком за­пол­нен­ные зо­ны и пус­тые (рис. 1, в). В пер­вом слу­чае кри­сталл яв­ля­ет­ся M. (рис. 1, б со­от­вет­ст­ву­ет по­лу­ме­тал­лу), во вто­ром – ди­элек­три­ком (или по­лу­про­вод­ни­ком).

В M. гра­ни­ца за­пол­не­ния уров­ней элек­тро­на­ми (энер­гия Фер­ми $ℰ_F$) по­па­да­ет в раз­ре­шён­ную зо­ну. Со­от­вет­ст­вую­щая ей изо­энер­ге­тич. по­верх­ность ℰ({\bf p})=ℰ_F (по­верх­ность Фер­ми) от­де­ля­ет об­ласть за­ня­тых элек­тро­на­ми со­стоя­ний от сво­бод­ных в им­пульс­ном про­стран­ст­ве.

Рис. 2. Поверхности Ферми вольфрама (а) и гадолиния (б).

По­верх­но­сти Фер­ми ще­лоч­ных М. ($\ce{Li, Na, K, Pb, Cs}$) – поч­ти иде­аль­ные сфе­ры. Это не оз­на­ча­ет, что элек­тро­ны этих М. не ис­пы­ты­ва­ют влия­ния ио­нов. Их эф­фек­тив­ные мас­сы от­ли­ча­ют­ся от мас­сы сво­бод­но­го элек­тро­на $m_0$, напр. у $\ce{Na}$ $m=1,24m_0$. У всех M., кро­ме пе­ре­чис­лен­ных, по­верх­но­сти Фер­ми име­ют слож­ную фор­му (рис. 2).

Не­ко­то­рые свой­ст­ва M. (гл. обр. в силь­ном маг­нит­ном по­ле) очень чув­ст­ви­тель­ны к фор­ме по­верх­но­сти Фер­ми (см. Де Хаа­за – ван Аль­ве­на эф­фект, Шуб­ни­ко­ва – де Хаа­за эф­фект), что по­зво­ли­ло эк­спе­ри­мен­таль­но оп­ре­де­лить по­верх­ность Фер­ми мн. M. и ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ний.

Ме­то­ды зон­ной тео­рии по­зво­ли­ли оп­ре­де­лить за­ко­ны дис­пер­сии, вы­яс­нить про­ис­хо­ж­де­ние отд. ха­рак­тер­ных де­та­лей элек­трон­но­го спек­тра M. При всей слож­но­сти за­ко­нов дис­пер­сии пред­став­ле­ние об элек­тро­нах M. как лёг­ких (по срав­не­нию с ио­на­ми) за­ря­жен­ных час­ти­цах яв­ля­ет­ся пра­виль­ным на ка­че­ст­вен­ном уров­не и по­зво­ля­ет в рам­ках мо­де­ли Дру­де – Ло­рен­ца – Зом­мер­фель­да оце­нить по­ря­док ве­ли­чин осн. ха­рак­те­ри­стик M. – элек­трон­ной те­п­ло­ём­ко­сти, элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­сти, тол­щи­ны скин-слоя (см. Скин-эф­фект) и т. п. У не­ко­то­рых со­еди­не­ний ($\ce{CeAl_3, CeCu_6, CeCu_2Si_2, UB_{13}}$ и др.) об­на­ру­же­ны не­обыч­ные свой­ст­ва (напр., ги­гант­ская элек­трон­ная те­п­ло­ём­кость), ука­зы­ваю­щие на то, что в них есть элек­тро­ны, об­ла­даю­щие ано­маль­но боль­шой эф­фек­тив­ной мас­сой.

При вы­со­ких дав­ле­ни­ях, ко­гда объ­ём, при­хо­дя­щий­ся на 1 атом, умень­ша­ет­ся, ато­мы те­ря­ют свою ин­диви­ду­аль­ность и лю­бое ве­ще­ст­во пре­вра­ща­ет­ся в силь­но сжа­тую элек­трон­но-ядер­ную плаз­му, т. е. в свое­об­раз­ный M. Ме­тал­ли­за­ция лю­бо­го ве­ще­ст­ва про­ис­хо­дит при плот­но­сти $≫20Z^2$, где $Z$ – атом­ный но­мер ве­ще­ст­ва. При та­ких плот­но­стях боль­шин­ст­во свойств ве­ще­ст­ва оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ро­ж­ден­ным элек­трон­ным га­зом.

Черные металлы

Три главные особенности черных металлов: большая плотность, высокая температура плавления и темная окраска. Так как с черными металлами в чистом виде тяжело работать, в них добавляют легирующие компоненты — примеси для изменения физических и химических свойств основного материала.

Чтобы придать черным металлам форму, их сначала нагревают до высоких температур, а потом прессуют

Черные металлы делятся на 5 подгрупп:

Железные металлы

К ним относятся кобальт, никель и марганец. Они применяются как добавки к железу — чаще всего, из сплавов получают прочную сталь, которая используется в изготовлении различных деталей для крупной техники, ножей и других изделий.

Из стали изготавливаются прочные и красивые ножи причем не только кухонные

Тугоплавкие металлы

К этой подгруппе относятся ниобий, молибден, вольфрам и рений. Их общей чертой является то, что ох температура плавления выше, чем у железа — то есть, составляет более 1539 градусов Цельсия. Из них, как правило, изготавливают детали для техники и нити накаливания для различных лампочек.

Нити накаливания в лампочках, как правило, сделаны из вольфрама

Урановые металлы

В эту группу входят уран, калифорний и другие радиоактивные металлы. Они используются исключительно в отрасли атомной энергетики.

В древние времена уран использовался для изготовления желтой посуды

Редкоземельные металлы

В эту классификацию входят лаптан, празеодим, неодим и другие металлы. Все они серебристо-белого цвета и имеют практически полностью одинаковые химические свойства. Свое название редкоземельные материалы получили потому, что их трудно найти в земной коре. Они используются в атомной энергетике и машиностроении. Например, из редкоземельных металлов можно создавать стекла, которые не пропускают через себя ультрафиолетовые лучи.

Редкоземельный элемент скандий используется в ртутно-газовых лампах

Щелочноземельные металлы

В эту подгруппу входят бериллий, магний, кальций, радий и другие металлы. Все они окрашены природой в серый цвет и при комнатной температуре всегда остаются в твердом состоянии. В чистом виде они практически нигде не применяются, за исключением атомных реакторов.

Щелочноземельный элемент бериллий используют для изготовления рентгеновских трубок, через которые лучи выходят наружу

Это интересно: Роботы из жидкого металла могут появиться уже в ближайшем будущем

Электрические свойства

При ком­нат­ной темп-ре удель­ная элек­трич. про­во­ди­мость $σ$ М. по­ряд­ка 10–8–10–6 Ом–1·м–1; с по­ни­же­ни­ем темп-ры она уве­ли­чи­ва­ет­ся. Ха­рак­тер­ное свой­ст­во M. в нор­маль­ном (не­сверх­про­во­дя­щем) со­стоя­нии – ли­ней­ная за­ви­си­мость ме­ж­ду плот­но­стью то­ка $j$ и на­пря­жён­но­стью $E$ при­ло­жен­но­го элек­трич. по­ля (Ома за­кон): $j=σE$.

Но­си­те­ли то­ка в M. – элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти с энер­ги­ей, близ­кой к $ℰ_F$. При­чи­на элек­трич. со­про­тив­ле­ния – рас­сея­ние элек­тро­нов на лю­бых на­ру­ше­ни­ях пе­рио­дич­но­сти кри­стал­лич. ре­шёт­ки: те­п­ло­вых ко­ле­ба­ни­ях ио­нов (фо­но­нах), са­мих элек­тро­нах, а так­же разл. де­фек­тах – при­мес­ных ато­мах, ва­кан­си­ях, дис­ло­ка­ци­ях, гра­ни­цах кри­стал­лов и об­раз­ца (см. Рас­сея­ние но­си­те­лей за­ря­да). Ме­рой рас­сея­ния слу­жит дли­на сво­бод­но­го про­бе­га $l$ – ср. рас­стоя­ние ме­ж­ду дву­мя по­сле­до­ва­тель­ны­ми столк­но­ве­ния­ми элек­тро­нов с де­фек­та­ми:$$σ=nel/p_\text{F},$$ где $n$ – кон­цен­тра­ция элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти (по­ряд­ка 1022–1023 см–3), $e$ – за­ряд элек­тро­на, $p_\text{F}=2π\hbar (3n/8π)^{1/3}$ – т. н. гра­нич­ный фер­ми­ев­ский им­пульс. При $T$=300 К дли­на сво­бод­но­го про­бе­га l по­ряд­ка 10–6 см; с по­ни­же­ни­ем $T$ дли­на про­бе­га рас­тёт, дос­ти­гая (для вы­со­ко­каче­ст­вен­ных мо­но­кри­стал­лич. об­раз­цов) 0,1–1 см. Со­от­вет­ст­вен­но воз­рас­та­ет элек­трич. про­во­ди­мость $σ$ и умень­ша­ет­ся удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние $ρ=σ^{–1}$. От­но­ше­ние про­во­ди­мо­сти при $T$=4,2 К к про­во­ди­мо­сти при $T$=300 К ха­рак­те­ри­зу­ет со­вер­шен­ст­во и хи­мич. чис­то­ту ме­тал­лов.

Со­про­тив­ле­ние спла­вов зна­чи­тель­но вы­ше со­про­тив­ле­ния чис­тых M. При­чи­на это­го в на­ру­ше­нии иде­аль­но­сти кри­стал­лич. ре­шёт­ки (разл. ато­мы в уз­лах ре­шёт­ки) и на­ли­чии де­фек­тов. В ве­ще­ст­вах с боль­шим $ρ$ воз­ни­ка­ет ло­ка­ли­за­ция элек­трон­ных со­стоя­ний – про­во­ди­мость ис­че­за­ет (см. Ан­дер­со­нов­ская ло­ка­ли­за­ция).

При плав­ле­нии М. под­виж­ные элек­тро­ны в нём со­хра­ня­ют­ся, по­это­му со­хра­ня­ет­ся и боль­шая элек­трич. про­во­ди­мость, хо­тя раз­ру­ше­ние даль­не­го по­ряд­ка при­во­дит к скач­ко­об­раз­но­му рос­ту со­про­тив­ле­ния $ρ$. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ют $\ce{Sb, Ga, Bi,}$ элек­трич. со­про­тив­ле­ние ко­то­рых при плав­ле­нии умень­ша­ет­ся.

При $T→0$ К у боль­шин­ст­ва M. про­ис­хо­дит ис­чез­но­ве­ние элек­трич. со­про­тив­ле­ния – они пе­ре­хо­дят в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние.

Список

К металлам с изначальной хрупкостью относятся природные и технологичные материалы.

Природные вещества:

• Щелочноземельные – бериллий.
• Легкоплавкие – олово, висмут.
• Тяжелые элементы – цинк, марганец, хром, сурьма, кобальт.

  

В списке присутствуют уникумы:

• Вольфрам. Самый прочный на растяжение среди металлов.
• Осмий. Твердый хрупкий платиноид голубовато-серебристого цвета, второй по плотности среди простых веществ, тугоплавкий.
• Германий. Мягкий хрупкий белый металл.

Самый хрупкий металл – сурьма. Ее легко сделать порошком вручную.

Материалы, полученные в результате технологических процессов: бронза, белый чугун, сталь с высоким содержанием углерода.

Тепловые свойства

Те­п­ло­ём­кость М. обу­слов­ле­на ион­ным ос­то­вом (ре­шё­точ­ная те­п­ло­ём­кость $C_\text p$) и элек­трон­ным га­зом (элек­трон­ная те­п­ло­ём­кость $C_\text э$). Хо­тя кон­цен­тра­ция элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти в М. ве­ли­ка и не за­ви­сит от темп-ры, $C_\text э$ на­блю­да­ет­ся у боль­шин­ст­ва М. толь­ко при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах (по­ряд­ка не­сколь­ких $\text K$), т. к. элек­трон­ный газ в М. вы­ро­ж­ден. При умень­шении темп-ры $C_\text p$ убы­ва­ет про­пор­цио­наль­но $T^3$, а $C_\text э$ – про­пор­цио­наль­но $T$. Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти вно­сят ли­ней­ный по $T$ вклад и в ко­эф. те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния ме­тал­лов.

Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти при­ни­ма­ют уча­стие не толь­ко в пе­ре­но­се элек­трич. за­ря­да, но и в пе­ре­но­се те­п­ло­ты. Вслед­ст­вие боль­шой под­виж­но­сти элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти те­п­ло­про­вод­ность M. ве­ли­ка. Удель­ная элек­тро­про­вод­ность и элек­трон­ная часть те­п­ло­про­вод­но­сти M. свя­за­ны со­от­но­ше­ни­ем, на­зы­вае­мым Ви­де­ма­на – Фран­ца за­ко­ном. Те­п­ло­про­вод­ность спла­вов ни­же те­п­ло­про­вод­но­сти чис­тых ме­тал­лов.

При на­ли­чии гра­ди­ен­та темп-ры в M. воз­ни­ка­ет элек­трич. ток или раз­ность по­тен­циа­лов (тер­мо­эдс). Из-за вы­ро­ж­де­ния элек­трон­но­го га­за ко­эф­фи­ци­ен­ты, опи­сы­ваю­щие тер­мо­эдс и др. тер­мо­элек­трич. эф­фек­ты, ма­лы, од­на­ко их ис­сле­до­ва­ние по­зво­ля­ет об­на­ру­жить ув­ле­че­ние элек­тро­нов те­п­ло­вы­ми фо­но­на­ми. Взаи­мо­дей­ст­вие воз­бу­ж­дён­ных в M. аку­стич. волн с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию элек­трич. то­ка ли­бо раз­но­сти по­тен­циа­лов, про­пор­цио­наль­ной ин­тен­сив­но­сти по­то­ка фо­но­нов (см. Аку­сто­элек­три­че­ский эф­фект).

Физические свойства

В условиях комнатной температуры и без применения давления все вещества обладают твердым состоянием. Но есть галлий, он уже при 30 градусах тепла начинает деформироваться, тает в руках. Можно отметить характеристики:

• Высокая пластичность. Хрупкие только марганец, олово и цинк.
• Могут быть легкие и тяжелые. Сравни алюминий с осмием.
• Температура плавления очень большая. Есть и исключения, например, ртуть, именно по этой причине ее используют в классических термометрах.
• Цвет – серый, серебристый, голубоватый. Редкими являются цветные изделия, например, желтые или красные.
• Увеличенная проводимость тепла и электричества, особенно у меди, поэтому имеют популярность медные провода.

Магнитные свойства

Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти об­ла­да­ют как па­ра­маг­нит­ны­ми (из-за на­ли­чия у ка­ж­до­го элек­тро­на соб­ст­вен­но­го маг­нит­но­го мо­мен­та), так и диа­маг­нит­ны­ми (свя­зан­ны­ми с кван­то­ва­ни­ем дви­же­ния элек­тро­нов в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной маг­нит­но­му по­лю) свой­ст­ва­ми (см. Па­ра­маг­не­тизм, Диа­маг­не­тизм). В маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость M. вно­сят вклад и ио­ны: у не­пе­ре­ход­ных M. ио­ны диа­маг­нит­ны, у пе­ре­ход­ных, как пра­ви­ло, па­ра­маг­нит­ны. Из-за вы­ро­ж­де­ния элек­трон­но­го га­за па­ра­маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость $χ$ элек­трон­но­го га­за сла­бо за­ви­сит от $T$ (см. Пау­ли па­ра­маг­не­тизм). При низ­ких темп-рах и в силь­ных маг­нит­ных по­лях на­пря­жён­но­стью $H$ па­ра­маг­нит­ная вос­при­имчи­вость $χ$ ме­тал­лич. мо­но­кри­стал­лов ос­цил­ли­ру­ет как функ­ция $1/H$ (эф­фект де Хаа­за – ван Аль­ве­на).

Все пе­ре­ход­ные М. с не­до­стро­ен­ны­ми $d$- или $f$-элек­трон­ны­ми обо­лоч­ка­ми – па­ра­маг­не­ти­ки. Не­ко­то­рые M. при по­ни­же­нии темп-ры пе­ре­хо­дят в маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ное со­стоя­ние: фер­ро­маг­нит­ное (напр., $\ce{Fe, Co, Ni, Gd}$), ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное (напр., $\ce{Ce, Mn}$) или в со­стоя­ние с ге­ли­кои­даль­ной маг­нит­ной атом­ной струк­ту­рой (напр., $\ce{Cr}$). При этом элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти иг­ра­ют су­ще­ст­вен­ную роль в фор­ми­ро­ва­нии маг­нит­ных струк­тур (см. Фер­ро­маг­не­тизм, Ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм). Боль­шин­ст­во не­пе­ре­ход­ных М. ос­та­ют­ся па­ра­маг­не­ти­ка­ми или диа­маг­не­ти­ка­ми вплоть до $T$=0 К. Маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние су­ще­ст­вен­но влия­ет на все др. свой­ст­ва М., в ча­ст­но­сти на элек­трич. свой­ст­ва – в элек­трич. со­про­тив­ле­ние вно­сит вклад рас­сея­ние элек­тро­нов на спи­но­вых вол­нах.

Пе­ре­ход M. в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние со­про­во­ж­да­ет­ся из­ме­не­ни­ем его маг­нит­ных свойств: в сверх­про­во­дя­щем со­стоя­нии в сла­бых по­лях M. про­яв­ля­ет се­бя как диа­маг­не­тик, в ко­то­ром маг­нит­ное по­ле рав­но ну­лю из-за эк­ра­ни­ро­ва­ния внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля не­за­ту­хаю­щи­ми вих­ре­вы­ми то­ка­ми (см. Мей­сне­ра эф­фект). В сверх­про­вод­ни­ках 1-го ро­да ($\ce{Sn, Pb, In}$ и др.) это вы­пол­ня­ет­ся вплоть до по­лей, раз­ру­шаю­щих сверх­про­во­ди­мость. В сверх­про­вод­ни­ках 2-го ро­да ($\ce{Nb_3Sn, NbTi}$ и др.) маг­нит­ное по­ле в ши­ро­ком диа­па­зо­не на­пря­жён­но­стей $H$, не раз­ру­шая сверх­про­во­ди­мость, про­ни­ка­ет в объ­ём М. в ви­де вих­рей, что ос­лаб­ля­ет диа­маг­не­тизм.

Магний, титан и их сплавы

Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.

Гальваномагнитные и термомагнитные явления

Ес­ли ме­тал­лич. об­ра­зец, по ко­то­ро­му те­чёт элек­трич. ток, по­мес­тить в по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, то в нём воз­ни­ка­ют яв­ле­ния, обу­слов­лен­ные ис­крив­ле­ни­ем тра­ек­то­рий элек­тро­нов в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной ${\bf H}$, что при­во­дит к из­ме­не­нию ки­не­тич. ко­эф­фи­ци­ен­тов (ко­эф. элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­сти, тер­мо­элек­трич. ко­эф. и др.) и к ря­ду но­вых яв­ле­ний: Хол­ла эф­фек­ту, маг­ни­то­со­про­тив­ле­нию и др. На за­ви­си­мость ки­не­тич. ко­эф­фи­ци­ен­тов от ${\bf H}$ влия­ют осо­бен­но­сти элек­трон­но­го энер­ге­тич. спек­тра M., в ча­ст­но­сти то­по­ло­гия по­верх­но­сти Фер­ми (см. Галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния, Тер­мо­галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния). Да­же не слиш­ком силь­ное маг­нит­ное по­ле при низ­ких темп-pax (по­ряд­ка 1 К) мо­жет из­ме­нить ки­не­тич. свой­ст­ва M., напр. в де­сят­ки ты­сяч раз уве­ли­чить по­пе­реч­ное (от­но­си­тель­но на­прав­ле­ния ${\bf H}$) со­про­тив­ле­ние (у $\ce{Bi}$) или прак­ти­че­ски пол­но­стью «вы­клю­чить» по­пе­реч­ную элек­трон­ную те­п­ло­про­вод­ность ме­тал­ла.

Виды сплавов

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошкипростых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным). Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава.

В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды) и кристаллиты простых веществ.

Эмиссия электронов

При на­гре­ва­нии M. до вы­со­ких тем­пе­ра­тур на­блю­да­ет­ся эмис­сия («ис­па­ре­ние») элек­тро­нов с по­верх­но­сти M. (см. Тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия). Чис­ло элек­тро­нов, вы­ле­таю­щих из M. в еди­ни­цу вре­ме­ни, про­пор­цио­наль­но ехр$(–W/kT)$, где $W$ – ра­бо­та вы­хо­да элек­тро­на из M., $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на. Ве­ли­чи­на $W$ у разл. M. (и да­же на раз­ных кри­стал­лич. гра­нях од­но­го M.) раз­лич­на и со­став­ля­ет 2–5 эВ; $W$ за­ви­сит от со­стоя­ния по­верх­но­сти. Раз­ли­чия в $W$ обу­слов­ли­ва­ют кон­такт­ную раз­ность по­тен­циа­лов ме­ж­ду разл. М. Эмис­сия элек­тро­нов с по­верх­но­сти M. про­ис­хо­дит так­же в силь­ных элек­трич. по­лях (на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка 107 В/см) в ре­зуль­та­те тун­нель­но­го про­хо­ж­де­ния элек­тро­нов че­рез сни­жен­ный по­лем по­тен­ци­аль­ный барь­ер (см. Ав­то­элек­трон­ная эмис­сия). Тун­не­ли­ро­ва­ние эле­кт­ро­нов че­рез ма­лый (мень­ше 1 нм) за­зор ле­жит в ос­но­ве ска­ни­рую­щей тун­нель­ной мик­ро­ско­пии.

Эмис­сия элек­тро­нов воз­ни­ка­ет так­же под дей­ст­ви­ем элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния ви­ди­мо­го и УФ-диа­па­зо­нов – фо­то­элек­трон­ная эмис­сия, при бом­бар­ди­ров­ке по­верх­но­сти М. элек­тро­на­ми – вто­рич­ная элек­трон­ная эмис­сия, или ио­на­ми – ион­но-элек­трон­ная эмис­сия, при взаи­мо­дей­ст­вии по­верх­но­сти М. с плаз­мой – взрыв­ная элек­трон­ная эмис­сия.

Виды сплавов

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошкипростых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным). Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава.

В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды) и кристаллиты простых веществ.

Mеталлы в электромагнитных полях

Пе­ре­мен­ный элек­трич. ток час­то­ты $ω$ те­чёт по по­верх­но­сти М., про­ни­кая в не­го на глу­би­ну скин-слоя тол­щи­ной $δ=c\sqrt{2πσω}$, где $c$ – ско­рость све­та (см. Вы­со­ко­час­тот­ная про­во­ди­мость); напр., для $\ce{Cu}$ $δ≈$ 6·10–6 м при $ω=$ 6·10–8 Гц. При па­де­нии элек­тро­маг­нит­ной вол­ны на по­верх­ность M. часть элек­тро­маг­нит­ной энер­гии по­гло­ща­ет­ся в скин-слое, а др. часть пе­ре­из­лу­ча­ет­ся элек­тро­на­ми и от­ра­жа­ет­ся от по­верх­но­сти M. Коэф. от­ра­же­ния (для $\ce{Cu}≈$ 2·10–5).

При па­де­нии на М., по­ме­щён­ный в силь­ное по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, элек­тро­маг­нит­ных волн, час­то­та ко­то­рых рав­на или крат­на цик­ло­трон­ной час­то­те элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти, в М. на­блю­да­ют­ся ре­зо­нанс­ные яв­ле­ния (см. Цик­ло­трон­ный ре­зо­нанс). В не­ко­то­рых M. (напр., ще­лоч­ных) мож­но на­блю­дать элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс на элек­тро­нах про­во­ди­мо­сти и спи­но­вые вол­ны.

M., по­ме­щён­ный в дос­та­точ­но силь­ное маг­нит­ное по­ле при низ­кой темп-ре, об­ла­да­ет мн. свой­ст­ва­ми, ха­рак­тер­ны­ми для плаз­мы: в нём мо­гут рас­про­стра­нять­ся раз­но­об­раз­ные сла­бо­за­ту­хаю­щие вол­ны (ге­ли­ко­ны, маг­ни­то­плаз­мен­ные вол­ны, до­п­ле­ро­ны и др.) (см. Плаз­ма твёр­дых тел).

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.

Оптические свойства

Для элек­тро­маг­нит­ных волн оп­тич. диа­па­зо­на M., как пра­ви­ло, не­про­зрач­ны. Ха­рак­тер­ный блеск – след­ст­вие прак­ти­че­ски пол­но­го от­ра­же­ния све­та по­верх­но­стью M. При взаи­мо­дей­ст­вии све­та с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти M. важ­ную роль иг­ра­ет внутр. фо­то­эф­фект, т. е. вы­ну­ж­ден­ные (за счёт по­гло­ще­ния фо­то­нов) пе­ре­хо­ды элек­тро­нов из од­ной энер­ге­тич. зо­ны в дру­гую. Как пра­ви­ло, имен­но внутр. фо­то­эф­фект оп­ре­де­ля­ет ко­эф. по­гло­ще­ния из­лу­че­ния ви­ди­мо­го и УФ-диа­па­зо­нов и из­ме­не­ние про­во­ди­мо­сти M. под воз­дей­ст­ви­ем све­та (см. Фо­то­про­во­ди­мость). Чем вы­ше частота излучения, тем мень­шую роль иг­ра­ют элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти во взаи­мо­дей­ст­вии излучения с M.: в УФ- и рент­ге­нов­ском диа­па­зо­нах оп­тич. свой­ст­ва M. ма­ло от­ли­ча­ют­ся от свойств ди­элек­три­ков.

От­ра­же­ние плос­ко­по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та от по­верх­но­сти M. со­про­во­ж­да­ет­ся по­во­ро­том плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции и по­яв­ле­ни­ем эл­лип­тич. по­ля­ри­за­ции. Это яв­ле­ние ис­поль­зу­ет­ся для тех­нич. це­лей и для оп­ре­де­ле­ния оп­тич. кон­стант M. См. так­же Ме­тал­ло­оп­ти­ка.

Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

Сплавы, используемые в промышленности

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

· стали

· чугуны

· дюралюминий

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

· бронзы

· латуни

Для заливки подшипников:

· баббит

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

· манганин

· нихром

Для изготовления режущих инструментов:

· победит

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

Мета?ллы (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.

Механические свойства

Для М. ха­рак­тер­но со­че­та­ние вы­со­ких пла­стич­но­сти и вяз­ко­сти со зна­чи­тель­ны­ми проч­но­стью, твёр­до­стью и уп­ру­го­стью. Со­от­но­ше­ние этих свойств мож­но ре­гу­ли­ро­вать с по­мо­щью ме­ха­нич. и тер­мич. об­ра­бот­ки М., а в спла­вах – из­ме­не­ни­ем кон­цен­тра­ции ком­по­нен­тов. Уп­ру­гая де­фор­ма­ция М. и их спла­вов на­хо­дит­ся в пре­де­лах 0,01–1%, пла­сти­че­ская – мно­го боль­ше и при ком­нат­ной темп-ре мо­жет дос­ти­гать 10–100%.

Со­про­тив­ле­ние изо­троп­но­го по­ли­кри­стал­лич. M. воз­дей­ст­вию внеш­них ме­ха­нич. сил опи­сы­ва­ют в за­ви­си­мо­сти от ти­па де­фор­ма­ции (рас­тя­же­ние, сдвиг, объ­ём­ное сжа­тие) разл. мо­ду­ля­ми уп­ру­го­сти (мо­ду­ля­ми Юн­га $E$, сдви­га $G$ и объ­ёмно­го сжа­тия $K$ со­от­вет­ст­вен­но), ме­ж­ду ко­то­ры­ми су­ще­ст­ву­ет ли­ней­ная связь че­рез ко­эф. Пу­ас­со­на $ν$: $E=3K(1-2ν)$; $E=G[2(1+ν)]$. Для боль­шин­ст­ва М. $ν$ на­хо­дит­ся в пре­де­лах 0,22-0,46. Мо­ду­ли уп­ру­го­сти М. оп­ре­де­ля­ют­ся меж­атом­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми. В мо­но­кри­стал­ле мо­ду­ли уп­ру­го­сти за­ви­сят от на­прав­ле­ния, по­это­му они об­ра­зу­ют тен­зор. Ве­ли­чи­на мо­ду­ля сдви­га $G$ М. ле­жит в пре­де­лах от 0,39 ГПа ($\ce{Cs}$) до 224 ГПа ($\ce{Os}$), у же­ле­за $G=$ 84,1 ГПа. При уве­ли­че­нии темп-ры мо­ду­ли уп­ру­го­сти мо­но­тон­но убы­ва­ют; из­ме­не­ние мо­ду­ля уп­ру­го­сти в ин­тер­ва­ле от 0 К до темп-ры плав­ле­ния со­став­ля­ет ок. 50% от ис­ход­но­го зна­че­ния. В об­лас­ти уп­ру­го­го по­ве­де­ния в M. воз­мож­но про­яв­ле­ние внутр. тре­ния.

Пла­стич. де­фор­ма­ция M. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся от­но­сит. сдви­гом (сколь­же­ни­ем) па­рал­лель­ных атом­ных плос­ко­стей. Тео­ре­ти­че­ски со­про­тив­ле­ние M. пла­стич. де­фор­ма­ции и раз­ру­ше­нию со­став­ля­ет 10–1$G$ (од­но­вре­мен­ный раз­рыв всех свя­зей в плос­ко­сти сколь­же­ния). Экс­пе­ри­мен­таль­но пла­стич. де­фор­ма­ция и раз­ру­ше­ние на­блю­да­ют­ся при на­пря­же­ни­ях 10–4–10–2$G$. Это раз­ли­чие обу­слов­ле­но су­ще­ст­во­ва­ни­ем но­си­те­лей пла­стич. де­фор­ма­ции – дис­ло­ка­ций – ли­ний, вдоль ко­то­рых про­ис­хо­дит раз­рыв свя­зей. Дви­же­ние дис­ло­ка­ций вдоль оп­ре­де­лён­ных плос­ко­стей в кри­стал­ле обес­пе­чи­ва­ет сдвиг од­ной час­ти кри­стал­ла от­но­си­тель­но дру­гой. Проч­ность и пла­стич­ность M. обу­слов­ле­ны дви­же­ни­ем и взаи­мо­дей­стви­ем дис­ло­ка­ций ме­ж­ду со­бой и с др. де­фек­та­ми, при­ме­ся­ми и их ско­п­ле­ния­ми, гра­ни­ца­ми раз­де­ла фаз, вклю­че­ния­ми др. фаз.

Ме­ха­нич. ха­рак­те­ри­сти­ки M. мож­но из­ме­нять в ши­ро­ких пре­де­лах тер­мич. и ме­ха­нич. об­ра­бот­кой, а так­же вве­де­ни­ем при­ме­сей (ле­ги­ро­ва­ни­ем). Напр., пре­дел проч­но­сти $\ce{Fe}$ (тех­нич. чис­то­ты) 0,35 ГПа, то­гда как вы­со­ко­проч­ные ле­ги­ро­ван­ные ста­ли (спла­вы $\ce{Fe}$ с др. М. и с $\ce{C}$) име­ют пре­дел проч­но­сти от 1,5 до 4,5 ГПа.

Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

Сплавы, используемые в промышленности

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

· стали

· чугуны

· дюралюминий

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

· бронзы

· латуни

Для заливки подшипников:

· баббит

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

· манганин

· нихром

Для изготовления режущих инструментов:

· победит

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

Мета?ллы (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.

Применение металлов

В тех­ни­ке в осн. при­ме­ня­ют спла­вы М. Так, напр., из-за ма­лой проч­но­сти чис­тые M. не­при­год­ны в ка­че­ст­ве ма­те­риа­лов для из­го­тов­ле­ния кон­ст­рук­ций, но мн. спла­вы M. об­ла­дают од­но­вре­мен­но вы­со­кой ме­ха­нич. проч­но­стью и вы­со­кой пла­стич­но­стью и на­хо­дят ши­ро­кое при­ме­не­ние в ка­че­ст­ве кон­ст­рук­ци­он­ных ма­те­риа­лов. M. с низ­ким уров­нем внутр. тре­ния, сла­бо рас­сеи­ваю­щие энер­гию ко­ле­ба­ний, ис­поль­зу­ют при из­го­тов­ле­нии аку­стич. ре­зо­на­то­ров муз. ин­ст­ру­мен­тов. М. и их спла­вы ис­поль­зу­ют: в элек­тро­тех­ни­ке как в ка­че­ст­ве про­вод­ни­ков элек­трич. то­ка (медь, алю­ми­ний), так и в ка­че­ст­ве ма­те­риа­лов для ре­зи­сто­ров и элек­тро­на­гре­ват. эле­мен­тов (ни­хром и т. п.); в ин­ст­ру­мен­таль­ной тех­ни­ке для из­го­тов­ле­ния ра­бо­чей час­ти ин­ст­ру­мен­тов (в осн. это ин­ст­ру­мен­таль­ные ста­ли и твёр­дые спла­вы).

Цветные металлы

Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:

• Легкие – магний, стронций, цезий, кальций. В природе встречаются только в прочных соединениях. Применяются для получения легких сплавов разного назначения.
• Благородные. Примеры металлов: платина, золото, серебро. Они обладают повышенной устойчивостью к коррозии.
• Легкоплавкие – кадмий, ртуть, олово, цинк. Имеют невысокую температуру плавления, участвуют в производстве разных сплавов.

Особенности обработки

Материалы, наделенные хрупкостью, разрушаются при попытке их удлинить даже на пару процентов.

Поэтому их обработка специфична:

1. Перед работой материал подогревают, чтобы нейтрализовать хладноломкость.
2. Исключено воздействие давлением. Например, чугун (нагретый либо холодный) после такой операции сохранит форму, но внутренне разрушится.
3. Болванки из хрупких сплавов (чугунные, бронзовые) рубят от края к центру.

Неоднозначно воздействие закалки. В отличие от подогрева, при такой обработке кратно увеличивается прочность стали, других материалов, но в ущерб пластичности. То есть порог хрупкости понижается.

Хрупкие металлы легче разрушить растяжением, чем сжатием.