Металлы

 
 

Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

      Некоторые металлы кристаллизируются в  двух или более кристаллических  формах. Это свойство веществ –  существовать в нескольких кристаллических  модификациях – называют полиморфизмом. Полиморфизм для простых веществ  известен под названием аллотропия.

      Олово имеет две кристаллические модификации:

• α – устойчива ниже 13,2°С (ρ = 5,75 г/см³). Это серое олово. Оно имеет кристаллическую решетку типа алмаза (атомную);
• β – устойчива выше 13,2°С (ρ = 6,55 г/см³). Это белое олово.

     Белое олово – серебристо-белый очень  мягкий металл. При охлаждении ниже 13,2°С он рассыпается в серый порошок, так как при переходе из β в  α значительно увеличивается  его удельный объем. Это явление  получило название оловянной чумы.

      Металлы по-разному взаимодействуют с  магнитным полем. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний, выделяются своей способностью намагничиваться  и долго сохранять состояние  намагниченности. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и  щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо  намагничиваются и не сохраняют  это состояние вне магнитного поля – это парамагнетики. Металлы, выталкиваемые магнитным полем  – диамагнетики (медь, серебро, золото, висмут).

3. Химические свойства металлов 

     Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.

     Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.

     Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.

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

Реакции с простыми веществами

• С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

4Li + O₂ = 2Li₂O оксид лития 
2Na + O₂ = Na₂O₂ пероксид натрия 
K + O₂ = KO₂ надпероксид калия 
Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом: 
Na₂O₂ + 2Na = 2Na₂O 
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании: 
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ 
2Hg + O₂ = 2HgO 
2Cu + O₂ = 2CuO

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

6Li + N₂ = 2Li₃N 
При нагревании: 
2Al + N₂ = 2AlN 
3Ca + N₂ = Ca₃N₂

• С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:

Железо  взаимодействует с серой при  нагревании, образуя сульфид: 
Fe + S = FeS

• С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

2Na + H₂ = 2NaH 
Mg + H₂ = MgH₂

• С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.

2Na + 2C = Na₂C₂ 
Na₂C₂ + 2H₂O = 2NaOH + C₂H₂ 
2Na + H₂ = 2NaH 

4. Понятие о сплавах 

     Характерной особенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергают плавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяется природой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости от температуры. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, не прибегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак, сплавы - это продукты химического взаимодействия металлов.

     Кристаллическая структура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуя друг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют:

     а) химические соединения, называемые интерметаллидами;

     б) твердые растворы;

     в) механическую смесь кристаллов компонентов.

     Тот или иной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействия разнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергий взаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.

     Однако некоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которая характерна для сталей. Помимо углерода, на свойства стали, влияют добавки серы и фосфора, увеличивающие ее хрупкость.

     Из  цветных сплавов отметим бронзу, латунь, мельхиор и дюралюминий.

     Бронза – сплав на основе меди с добавкой (до 20%) олова. Бронза хорошо отливается, поэтому используется в машиностроении, где из неё изготавливают подшипники, поршневые кольца, клапаны, арматуру и т. д. Используется также для художественного литья.

     Латунь – также медный сплав, содержащий от 10 до 50% цинка. Применяется в моторостроении.

     Мельхиор – сплав, содержащий около 80% меди и 20% никеля, похож по внешнему виду на серебро. Используется для изготовления сравнительно недорогих столовых приборов и художественных изделий.

     Дюралюминий (дюраль, дуралюмин) – сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец и никель. Имеет хорошие механические свойства, применяется в самолётостроение и машиностроение.

     Окружающие  нас металлические предметы редко  состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большинстве же других случаев  люди имеют дело со сплавами. Так, различные  виды железа и стали, содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают  решающее влияние на механическое и  термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специальную  маркировку, т.к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

     Для изготовления сплавов применяют  различные металлы. Самое большое  значение среди всех сплавов имеют, стали различных составов. Простые  конструкционные стали, состоят  из железа относительно высокой чистоты  с небольшими (0,07—0,5%) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10% других металлов, из них примерно 3% составляет углерод, а остальные — кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали, получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.

     Никель  наряду с хромом является важнейшим  компонентом многих сплавов. Он придает  сталям высокую химическую стойкость  и механическую прочность. Так, известная  нержавеющая сталь содержит в  среднем 18% хрома и 8% никеля. Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников  требуются сплавы, которые устойчивы  при температурах выше 1000 °С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей. Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким содержанием никеля. Большую группу составляют медно-никелевые сплавы.

     Сплав меди, известный с древнейших времен, - бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа и кремния.

     Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Температура плавления мельхиора составляет 1170 °С. Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер - содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов - их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Латунь "60" содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.

     По  следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

     Промышленные  медно-никелевые сплавы условно  можно разделить на две группы: конструкционные (или коррозионностойкие) и электротехнические (термоэлектродные сплавы и сплавы сопротивления).

     К конструкционным сплавам относятся, куниаль, мельхиор, нейзильбер и др. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим компонентом которых является никель. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем. Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Куниалями называются сплавы тройной системы Cu-Ni-Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu-Ni-Al эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900 -1000 ^оС, а затем подвергают старению при 500-600 ^оС. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl. Мельхиор, нейзильбер, куниали отличаются высокими механическими и коррозионными свойствами, применяются для изготовления теплообменных аппаратов в морском судостроении (конденсаторные трубы и термостаты), медицинского инструмента, деталей точной механики и химической промышленности, деталей приборов в электротехнике, радиотехнике и для изготовления посуды. Мельхиор марки МН19 и нейзильбер марки МНЦ15-20 используются как резистивные сплавы.

     К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления - манганин (МНМц3-12) и константан (МНМц40-1б5) и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель (МНМц43-0,5).

     Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура  плавления 95 °С.

     Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия (кадмий лучше всего получить в  гальванической мастерской). Температура  плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий  кофе. Раньше это демонстрировали  в качестве шутливого опыта. Перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!