Основные классификационные свойства металлов

Упругость — способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших это изменение. Примером упругого тела может служить стальная пружина, которая после прекращения сил воздействия восстанавливает свою прежнюю форму.

Пластичность — способность материала изменять свою форму под воздействием сил не разрушаясь и не восстанавливать прежней формы после прекращения действия сил. Примером пластичного металла может служить свинец. Это качество по своей сущности противоположно упругости.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.

Вязкость — способность материала выдерживать механические воздействия (удары) не разрушаясь. Очень вязка, например, малоуглеродистая сталь, употребляемая для неответственных деталей.

Хрупкость — качество, противоположное вязкости, способность тела легко разрушаться при механических воздействиях (ударах). Примером хрупкого металла является чугун.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света — это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий — из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

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

 

 

 

Основные физические свойства некоторых чистых элементарных металлов
Металл	Хим.  символ	Атомный  номер	Плотн.  г/(см^3)	Тплав.  °С	Уд. теплоемк.  Дж/(кг*°К)	Уд. теплопр.  Вт/(м*°К)	Тепл. коэф лин.  расш. (10^6)/°К	Число  Бринеля	Уд. сопрот. мкОм*м	Магнитные свойства
Алюминий	Al	13	2,70	660	923	218,0	21,0	25	0,026	Парамагне тик
Вольфрам	W	74	19,30	3400	142	167,0	4,4	262	0,055	Парамагне тик
Железо	Fe	26	7,87	1540	453	73,3	10,7	50	0,097	Ферромагне тик
Золото	Au	79	19,30	1063	134	312,0	14,0	18	0,0225	Диамагнетик
Иридий	Ir	77	22,40	2410	130	146,0	6,5	170	0,054	Парамагне тик
Кадмий	Cd	48	8,65	320,9	231	92,8	29,0	21	0,074	Диамагнетик
Кобальт	Co	27	8,85	1500	445	69,5	13,5	102	0,064	Ферромагне тик
Медь	Cu	29	8,92	1083	386	406,0	16,6	35	0,017	Диамагнетик
Молибден	Mo	42	10,20	2620	272	150,0	5,3	153	0,05	Парамагне тик
Никель	Ni	28	8,96	1453	440	75,5	13,2	68	0,068	Ферромагне тик
Олово	Sn	50	7,29	231,9	226	63,1	23,0	5,2	0,113	Парамагне тик
Палладий	Pd	46	12,02	1552	243	70,7	9,5	46	0,108	Парамагне тик
Платина	Pt	78	21,45	1773	134	71,1	9,5	40	0,098	Парамагне тик
Родий	Rh	45	12,48	1970	247	88,0	8,5	102	0,043	Парамагне тик
Ртуть	Hg	80	13,50	- 39	138	7,9	182,0	-	0,958	Диамагнетик
Свинец	Pb	82	11,34	327	130	35,0	28,3	3,9	0,19	Диамагнетик
Серебро	Ag	47	10,49	960,5	235	453,0	18,6	25	0,015	Диамагнетик
Титан	Ti	22	4,52	1670	550	21,9	8,1	73	0,47	Парамагне тик
Хром	Cr	24	7,19	1900	462	88,6	6,2	114	0,13	Антиферро магн.
Цинк	Zn	30	7,14	419,5	336	113,0	30,0	42	0,059	Диамагнетик

 

 

3. Химические свойства металлов

 

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

Строение атомов металлов определяет не только характерные физические свойства простых веществ – металлов, но и общие их химические свойства.

При большом многообразии все химические реакции металлов относятся к окислительно-восстановительным и могут быть только двух типов: соединения и замещения. Металлы способны при химических реакциях отдавать электроны, то есть быть восстановителями, проявлять в образовавшихся соединениях только положительную степень окисления.

В общем виде это можно  выразить схемой:

Ме⁰ – ne → Me⁺ⁿ,

где Ме – металл – простое вещество,

а    Ме⁰⁺ⁿ – металл химический элемент в соединении.

Металлы способны отдавать свои валентные электроны атомам неметаллов, ионам водорода, ионам других металлов, а поэтому будут реагировать с неметаллами – простыми веществами, водой, кислотами, солями. Однако восстановительная способность металлов различна. Состав продуктов реакции металлов с различными веществами зависит и от окислительной способности веществ и условий, при которых протекает реакция.

При высоких температурах большинство металлов сгорает в  кислороде:

2Mg + O₂ = 2MgO

Не окисляются в этих условиях только золото, серебро, платина и  некоторые другие металлы.

С галогенами многие металлы  реагируют без нагревания. Например, порошок алюминия при смешивании с бромом загорается:

2Al + 3Br₂ = 2AlBr₃

При взаимодействии металлов с водой в некоторых случаях образуются гидроксиды. Очень активно при обычных условиях взаимодействуют с водой щелочные металлы, а также кальций, стронций, барий. Схема этой реакции в общем виде выглядит так:

Ме + HOH → Me(OH)_n + H₂↑

Другие металлы реагируют  с водой при нагревании: магний при её кипении, железо в парах  воды при красном кипении. В этих случаях получаются оксиды металлов.

Если металл реагирует  с кислотой, то он входит в состав образующейся соли. Когда металл взаимодействует с растворами кислоты, он может окисляться ионами водорода, имеющимися в этом растворе. Сокращённое ионное уравнение в общем виде можно записать так:

Me + nH⁺ → Meⁿ⁺ + H₂↑

Более сильными окислительными свойствами, чем ионы водорода, обладают анионы таких кислородосодержащих  кислот, как например, концентрированная серная и азотная. Поэтому с этими кислотами реагируют те металлы, которые не способны окисляться ионами водорода, например, медь и серебро.

При взаимодействии металлов с солями происходит реакция замещения: электроны от атомов замещающего – более активного металла переходят к ионам замещаемого – менее активного металла. То сеть происходит замещение металла металлом в солях. Данные реакции не обратимы: если металл А вытесняет металл В из раствора солей, то металл В не будет вытеснять металл А из раствора солей.

В порядке убывания химической активности, проявляемой в реакциях вытеснения металлов друг друга из водных растворов их солей, металлы  располагаются в электрохимическом ряду напряжений (активности) металлов:

Li → Rb → K → Ba → Sr → Ca → Na→ Mg → Al → Mn → Zn → Cr → Fe → Cd→ Co → Ni → Sn → Pb → H → Sb → Bi → Cu → Hg → Ag → Pd → Pt → Au

Металлы, расположенные в  этом ряду левее, более активны и способны вытеснять следующие за ними металлы из растворов солей.

В электрохимический ряд  напряжений металлов включён водород, как единственный неметалл, разделяющий с металлами общее свойство — образовывать положительно заряженные ионы. Поэтому водород замещает некоторые металлы в их солях и сам может замещаться многими металлами в кислотах, например:

Zn + 2 HCl = ZnCl₂ + H₂↑ + Q

Металлы, стоящие в электрохимическом  ряду напряжений до водорода, вытесняют его из растворов многих кислот (соляной, серной и др.), а все следующие за ним, например, медь не вытесняют.

 

3.1 Реакции с простыми веществами

 

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

оксид лития

пероксид натрия

надпероксид калия

Чтобы получить из пероксида  оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Со средними и малоактивными  металлами реакция происходит при  нагревании:

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

При нагревании:

С серой реагируют все  металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует  с серой при нагревании, образуя сульфид:

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

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

 

3.2. Взаимодействие кислот с металлами

 

С кислотами металлы реагируют  по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом  ряду активности металлов до водорода

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Взаимодействие серной кислоты H₂SO₄ с металлами

Окисляющие кислоты могут  взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Очень разбавленная кислота  реагирует с металлом по классической схеме:

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Реакции для азотной кислоты (HNO₃)

Продукты взаимодействия железа с HNO₃ разной концентрации

При взаимодействии с активными  металлами вариантов реакций  ещё больше:

4. Механические  свойства металлов

 

Когда на металлический образец  действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и  конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла. Интенсивность силы, действующей  на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.