Metallit ja niiden ominaisuudet. Alkalimetallien saaminen

Metallit ovat yleisin materiaalityyppi, jolla ihminen tyydyttää elintärkeitä tarpeitaan. Nyt ihmiskunta elää metallien aikakaudella ja kaikkien teollisuudenalojen, tieteen, kulttuurin ja ihmiselämän kehitystä ei voida ajatella ilman koneita, mekanismeja, instrumentteja ja muita metallituotteita.

Ihmisen siirtyminen kiven käytöstä (kivikausi) metalliin oli pitkä ja monimutkainen. Se ei syntynyt yhteiskunnan vallankumouksellisen kehityksen harppauksen seurauksena, vaan metallit tulivat vähitellen pitkän ajan kuluessa ihmisen arkeen. Ensimmäinen metalli, joka tuli jokapäiväiseen elämään, oli kupari, joka avasi metallurgian aikakauden ja antoi maailmalle ensimmäisen seoksen - pronssin. Arkeologisten tietojen mukaan ensimmäiset tiedot kuparin sulattamisesta ovat 6500-5700 vuoden ajalta. eKr. Se oli aineellisen kulttuurin perusta tuhansia vuosia, ja kuparikausi siirtyi vähitellen pronssikaudelle.

Metallurgian seuraava vaihe oli raudan käyttö (rautakausi) ja sen alkamisen katsotaan olevan toisella vuosituhannella eKr. Puhtaan raudan ja sen seosten saaminen mahdollisti kuparin, pronssin, kullan ja muiden matalassa lämpötilassa sulavien metallien ja metalliseosten sulattamisesta kertyneen kokemuksen ansiosta. Raudan tuotannon kehitys toimi voimakkaana sysäyksenä tuotantovoimien ja teknisen kehityksen kehitykselle. Muinaisina aikoina ihminen tunsi kahdeksan metallia - kuparia, kultaa, hopeaa, tinaa, lyijyä, rautaa, elohopeaa ja antimonia. XVIII vuosisadan loppuun mennessä. Niiden määrä on noussut 20:een, ja tällä hetkellä valmistetaan ja käytetään noin 80 metallia.

Alkuaineiden runsaus maankuoressa on erilainen - muutamasta prosentista miljoonasosaan. Kymmenen yleisimmän alkuaineen (happi - 47,00; pii - 29,50; alumiini - 8,05; rauta - 4,65, kalsium - 2,96; natrium - 2,50; kalium - 2,50; kalium - 2,50; magnesium - 1,87; magnesium - 1,87; titaani - 1,87; titaani - 0,405,9,9 % vetyä) kokonaispitoisuus on 3 % massasta 9; t ja kaikki muut alkuaineet muodostavat vain 0,37% maan kokonaismassasta. Käsityksen joidenkin tunnettujen metallien esiintyvyydestä maankuoressa antavat niiden clarkin arvot, ts. aritmeettinen keskiarvo maankuoressa, jotka on annettu alla (%):

Luonnossa harvinaisimpia ovat polonium ja aktinium, joiden clarke on noin 10–15 %.

Metallin teknisen merkityksen määrää sen esiintyvyys luonnossa, kansantalouden tarpeet ja sen saantimahdollisuudet. Kaksi viimeistä tekijää määräävät tietyntyyppisten metallien tuotannon laajuuden. Metallituotannossa noin 95 % tuotannosta (noin 800 miljoonaa tonnia) on valurautaa ja terästä, jotka ovat raudan seoksia hiilen ja muiden seostettavien komponenttien kanssa. Tärkeimpien ei-rautametallien vuosituotanto on tasolla (milj. tonnia .): alumiini 23–24; kupari 10–11; nikkeli 0,5–0,7; lyijy 4-5; sinkki 5–6; magnesium 0,2-0,3; tina 0,20–0,25; molybdeeni 0,14–0,15; titaani noin 0,1.

Metallien tuotantoa malmeista ja muista metallipitoisista raaka-aineista suorittaa metallurgia, suurin raskaan teollisuuden ala. Metallurgia on keskeinen lenkki kaivosteollisuudessa ja metallurgisessa tuotannossa, mukaan lukien geologia, kaivostoiminta, rikastus, itse metallurgia, valimotuotanto ja metallin käsittely eri menetelmillä (paine, lämpötila, mekaaniset menetelmät jne.). Metallurgia perustuu kemiallisten tekniikoiden periaatteisiin, koska metallurgisten prosessien toteutuksen aikana jalostetut materiaalit käyvät läpi erilaisia ​​fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia. Siksi metallurgia liittyy läheisesti fysiikkaan, kemiaan ja erityisesti fysikaaliseen kemiaan, joka on teoreettisen ja käytännön metallurgian tieteellinen perusta. Viime vuosina metallurgian yhteys matematiikan ja tietotekniikan välillä on kasvanut.

Venäjän metallurginen teollisuus tuottaa tällä hetkellä 78 elementtiä D.I.:n jaksollisesta taulukosta. Mendeleev, samoin kuin erilaisia ​​lannoitteita, rakennusmateriaaleja, rikkihappoa ja rikkiä, sementtiä ja monia muita tuotteita. Venäjän metallurgia on pitkälle kehittynyt materiaalituotannon ala. Erityisen tärkeitä Venäjän kaivosteollisuuden kehitykselle olivat M.V. Lomonosov, D.I. Mendeleev, sekä tärkeimmät rautametallien tuotannon asiantuntijat P.P. Anosova, D.K. Chernova, N.N. Beketova, I.P. Bardin ja monet muut. A.A. antoi korvaamattoman panoksen kotimaisen ei-rautametallien kehittämiseen. Baikov, NS. Kurnakov, P.P. Fedotjev, V.A. Vanyukov, AI. Belyaev, I F. Khudyakov, AN Volsky ja muut.

Metallit, niiden ominaisuudet ja luokitus

Useimmilla metalleilla on useita ominaisuuksia, jotka ovat yleisluonteisia ja eroavat muiden yksinkertaisten tai monimutkaisten yhdisteiden ominaisuuksista. Tällaisia ​​ominaisuuksia ovat useimpien metallien suhteellisen korkeat sulamispisteet, kyky heijastaa valoa, korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus sekä kyky rullata. Nämä ominaisuudet selittyvät metallien erityisen tyyppisen sidoksen olemassaololla - metallilla.

Metalliatomeilla on jaksollisen järjestelmän sijainnin mukaisesti pieni määrä valenssielektroneja ja paljon tyhjiä kiertoradoja. Lisäksi valenssielektronit ovat melko heikosti sitoutuneita ytimiinsä ja siksi niillä on suuri liikkumisvapaus metallin kidehilassa. Yleiskuva metallitilasta voidaan esittää seuraavassa muodossa. Metallin kidehilan solmuissa on sekä yksittäisiä atomeja että ioneja, joiden välillä elektronit liikkuvat suhteellisen vapaasti, joskus kutsutaan elektronikaasuksi (kuva 1).

Koska valenssielektronit ovat jakautuneet lähes tasaisesti metallikiteessä, on mahdotonta puhua metallisidosten suuntautumisesta. Tämä on niiden tärkeä ero kovalenttisista sidoksista, joilla on tiukka suuntaus avaruudessa. Metallisidos eroaa kovalenttisesta sidoksesta myös lujuudellaan: sen energia on 3–4 kertaa pienempi kuin kovalenttisen sidoksen energia. Liikkuvien elektronien olemassaolo metallikiteessä selittää niiden ominaispiirteet (sähkönjohtavuus, lämmönjohtavuus).

Metallisidos voidaan määritellä eräänlaiseksi suuntaamattomaksi kovalenttiseksi kemialliseksi sidokseksi, kun atomeissa on vähän valenssielektroneja, monia vapaita kiertoradoja ja valenssielektroneja on heikosti pidätetty ytimessä.

Metallit ovat siis kemiallisia alkuaineita, joiden kidehilat koostuvat atomeista ja ioneista ja elektronit liikkuvat vapaasti ytimien välisessä tilassa. Atomien väliset sidokset ovat kovalenttisia, ionien ja elektronien väliset metallisia.

Atomit menettävät jatkuvasti elektroneja muuttuen ioneiksi, ja jälkimmäiset hyväksyvät ne muuttuen atomeiksi. Kidehilassa satunnaisesti vaeltavien elektronien määrä, kuten kaasumolekyyleissä, on erilainen eri metalleille, se määrää metallisidoksen osuuden ja alkuaineen metallisuuden mitan.

Kidehilan käsite - "upotettu vapaasti vaeltavien elektronien pilveen" - ilmaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1902, ja sitä on nyt täydennetty ja se on saanut hieman muokatun tulkinnan; kuitenkin, jopa alkuperäisessä yksinkertaistetussa muodossaan se selittää hyvin metallien korkean sähkönjohtavuuden, lämmönjohtavuuden ja lämpöpäästön.

Keskinäiset veto- ja hylkimisvoimat vaikuttavat atomeihin ja ioneihin kidehilan solmuissa. Ionien ja atomien värähtelyamplitudit riippuvat lämpötilasta ja kasvavat sen mukana. Sulamispisteessä värähtelyamplitudit ovat niin suuret, että hila tuhoutuu: atomit ja ionit menettävät pysyvät paikkansa ja siirtyvät satunnaiseen liikkeeseen, mikä on ominaista nestemäiselle olomuodolle. Ionien ja elektronien välistä sidosta kutsutaan metalliksi ja atomien välistä sidosta kovalenttiseksi. Vaeltavien elektronien lukumäärä riippuu tämäntyyppisten kemiallisten sidosten suhteesta. Mitä suurempi tämä luku, sitä selvemmät elementtien metalliset ominaisuudet ovat.

Metallisidoksen lujuus selittää monet metallien fysikaalisista ja mekaanisista ominaisuuksista.

Ulkoiset mekaaniset vaikutukset metalliin aiheuttavat siirtymän kidehilan kerroksissa, mutta ionien ja elektronien välinen sidos ei riko elektronien vapaan liikkuvuuden vuoksi. Tästä syystä metallit ovat vahvoja ja sitkeitä, ne muuttavat muotoaan, mutta eivät menetä lujuutta. Kuparissa ja kullassa on paljon vapaita elektroneja, metallisidos hallitsee kovalenttista sidosta - nämä metallit ovat muovia, taontaa, neulontaa. Antimonissa ja vismutissa on suhteellisen vähän vapaita elektroneja, joten ne ovat hauraita.

Yleisimpien ei-rautametallien fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia on annettu (taulukko 1).

Sähkönjohtavuus, joka johtuu "sosialisoituneiden" elektronien kidehilan liikkeestä, riippuu ilmeisesti niiden liikkumisvapaudesta - atomien oikeasta järjestelystä, niiden lämpövärähtelyjen amplitudista ja taajuudesta. Itse asiassa lämpötilan noustessa hilapaikkojen värähtelyjen amplitudi kasvaa, elektronien sironta kasvaa ja sähkönjohtavuus pienenee; se kasvaa taas jäähtyessä. Lähellä absoluuttista nollaa joidenkin metallien ja metalliseosten sähkövastus pienenee katoavan pieneksi. Erittäin alhaisten lämpötilojen tarve estää edelleen tämän arvokkaan ja mielenkiintoisen ilmiön käytännön hyödyntämisen. Suprajohtavuus miinus 253 °C:ssa, joka löydettiin 1900-luvun puolivälissä niobiumin, alumiinin ja germaniumin seoksesta, on harvinainen ilmiö. Toinen tällainen "korkean lämpötilan" suprajohde on niobiumin ja galliumin seos.

Muiden alkuaineiden pientenkin epäpuhtauksien läsnäolo heikentää sähkönjohtavuutta: häiritsevät järjestystä hilassa, ne sirottavat elektroneja. Elektroneja sirottavat myös atomit, jotka ovat siirtyneet ulkoisen mekaanisen vaikutuksen seurauksena - muodonmuutos takomalla, valssaamalla tai muulla vastaavalla käsittelyllä.

Lämmönjohtavuus muuttuu lähes aina lämpötilan mukaan, kuten sähkönjohtavuus - sähköä johtavat metallit johtavat hyvin lämpöä, ja ne, joilla on suhteellisen korkea sähkövastus, ovat huonompia. Lämmönjohtavuus liittyy sekä atomien värähtelyihin hilassa että vapaiden elektronien liikkeisiin. Jälkimmäinen näyttää olevan vallitseva.

Mekaaniset ominaisuudet - vetolujuus, puristus, taivutus, kovuus ja plastisuus selittyvät metallisidoksen lisäksi myös metallien kiderakenteen ominaisuuksilla, joissa on useimmiten tiiviisti pakatut avaruudelliset hilat, joilla on korkea koordinaattiluku. Niistä tyypillisimpiä on esitetty (kuva 2), joka tulee ymmärtää vain kaaviona atomikeskusten sijoittelusta. Todellisuudessa tavanomaisesti palloina esitetyt atomit ovat tiiviisti pakattuina ja ne vievät vain 70 % tilavuudesta (katso kuva 2d, 1).

Monet metallit ovat keskenään liukoisia nestemäisessä tai kiinteässä tilassa tai muodostavat keskenään kemiallisia metallien välisiä yhdisteitä, minkä seurauksena syntyy muita kiteisiä järjestelmiä ja ominaisuudet muuttuvat laajasti. Puhumme metalliseoksista, jotka antavat mahdollisuuden saada uusia arvokkaita materiaaleja, joilla on erityisominaisuudet. Käytössä on jo tuhansia binäärisiä, kolmikomponenttisia ja monimutkaisempia seoksia, joita saadaan paitsi sekoittamalla nestemäisiä metalleja, myös sintraamalla jauheita tai liuottamalla mitä tahansa elementtiä kiinteän metallin (seoksen) pintakerroksessa.

Kyky elastiseen ja plastiseen muodonmuutokseen, korkea sähkö- ja lämmönjohtavuus ja jotkut muut ominaisuudet muodostavat joukon ominaisuuksia, jotka eivät ole luontaisia ​​muille kiinteille aineille - puulle, kivelle, muoville. Tämä selittää metallien ja metalliseosten kiistattoman tunnustamisen modernin teknologian tärkeimmiksi materiaaleiksi.

M. V. Lomonosov määritteli metallit "...kevyiksi kappaleiksi, joita voidaan takoa". Nykyään sen lisäksi, että tätä täydennetään korkean sähkön ja lämmönjohtavuuden merkeillä, on huomattava, että monet ominaisuudet riippuvat puhtaudesta ja mekaanisesta käsittelystä. Sama metalli voi olla sekä muokattavaa että hauras. Todellisissa kiteissä on aina erilaisia ​​vikoja, joiden vuoksi mekaaniset ja muut fysikaaliset ominaisuudet eivät johdu pelkästään metallisidoksen ja kidehilan ominaisuuksista.

Pistevirheitä – täyttämättömiä hilakohtia, tyhjiä paikkoja (katso kuva 2) sekä epäpuhtausatomien täyttämiä paikkoja – ilmaantuu sulatteen kiteytymisen aikana. Lineaariset ja litteät viat - dislokaatioita saadaan myös kiteytymisen aikana tai mekaanisen käsittelyn seurauksena epätäydellisten atomikerrosten tai niiden keskinäisen siirtymän ja joskus limityksen muodossa.

Vikojen kokonaismäärä 1 cm 2 metalli- tai seosalaa kohti on usein yli 10 6 . Pistevirheet heikentävät pääasiassa sähkön- ja lämmönjohtavuutta, kun taas toiset heikentävät myös mekaanisia ominaisuuksia.

Tavalliset metallit ja seokset ovat monikiteisiä, ne koostuvat satunnaisesti suuntautuneista raeaggregaateista. jokaisessa rakeessa alkuainekiteillä on sama suuntaus, kun taas viereisissä rakeissa niillä on eri suuntaus, joskus suurissa kulmissa (kuva 3). Epäpuhtaudet kerääntyvät raerajoille ja muodostuu kaasutyhjiöitä. Fyysisten ominaisuuksien alentamisen lisäksi korroosionkestävyys heikkenee.

Mahdollisuus siirtää kidekerroksia dislokaatiosuuntiin tai rikkoa niitä raerajoilla heikentää lujuutta. Lujuus kasvaa jossain määrin hehkutuksen - kuumennuksen ja hitaan jäähdytyksen jälkeen, kun diffuusion seurauksena dislokaatiot osittain eliminoituvat ja rakeet hienonevat.

Työstö aiheuttaa joskus jäykkyyttä, joka liittyy dislokaatioiden sotkeutumiseen. Toinen syy merkittävään kovettumiseen, johon liittyy sitkeyden heikkeneminen ja haurauden esiintyminen, liittyy vieraiden liukenemattomien faasien, esimerkiksi rautakarbidin F 3 C:n esiintymiseen teräksessä tai oksidien ja nitridien titaanissa, volframissa, molybdeenissä, ilmaantumiseen tai lisäämiseen. Näiden yhdisteiden rakeet estävät metallikerrosten keskinäisen siirtymisen. Metallien puhdistaminen epäpuhtauksista yleensä parantaa merkittävästi sitkeyttä ja helpottaa prosessointia.

Nestemäiset metallit eroavat kiinteistä metalleista suhteellisen pienellä atomien ja ionien välisellä sidoksella, mutta elektronien liikkumisvapaus säilyy myös tässä, joten ne ovat myös sähköä ja lämpöä johtavia.

Samalla metallilla eri lämpötiloissa voi olla erilaisia ​​kidehiloja. Siirtyminen järjestelmästä toiseen muuttaa solmujen välistä etäisyyttä ja niiden sijaintia, tämä siirtymä vaikuttaa merkittävästi polymorfisten modifikaatioiden ominaisuuksiin. Esimerkiksi tina, joka tunnetaan tavallisissa lämpötiloissa muovina kiiltävänä tetragonaalisen järjestelmän metallina, jonka tiheys on 7,29 g / cm 3 (β - modifikaatio), alle 13,2 ° C:n lämpötiloissa ja erityisesti nopealla alijäähdytyksellä, muuttuu harmaaksi jauheeksi, joka kiteytyy kuutiojärjestelmässä, jonka tiheys on 5,85 α / cm. Samanlaiset muunnokset ovat ominaisia ​​monille muille elementeille.

Metallien kemiallista aktiivisuutta voidaan luonnehtia sijainnilla sähkökemiallisessa jännitteiden sarjassa, jossa metallit sijoittuvat normaalien sähkökemiallisten tai elektrodipotentiaalien kasvujärjestykseen. Mitä suurempi normaalin elektrodipotentiaalin algebrallinen arvo on, sitä pienempi on metallin pelkistyskyky ja kemiallinen aktiivisuus. Jännitteiden sarjassa jokainen metalli pystyy syrjäyttämään sen oikealla puolella olevat metallit vesiliuoksista ja suolasulaista.

Metallit, joilla on negatiivinen sähkökemiallinen potentiaali, ovat helposti hapettuneet, joten niitä esiintyy luonnossa vain kemiallisten yhdisteiden muodossa: oksideja, halogenideja sekä sulfideja, silikaatteja ja muita suoloja. Kun potentiaali kasvaa ja siten kemiallinen aktiivisuus vähenee, metallien vapaa tila muuttuu yhä vakaammaksi. Esimerkiksi kuparia, hopeaa ja elohopeaa ei esiinny luonnossa vain suoloina, vaan myös vapaana, kun taas kulta ja platina ovat pääasiassa vapaassa tilassa. Elektrodipotentiaalien ja joidenkin metallien ominaisuuksien välinen suhde on esitetty (taulukko 2).

Luonnehdittaessa metalleja kemiallisiksi alkuaineiksi, on huomattava, että D. I. Mendelejevin jaksollinen järjestelmä ei erota niitä selvästi metalloideista ja ei-metalleista. Tämä on luonnollista: jokainen elementti on metallisten ja metalloidisten ominaisuuksien dielektrinen yksikkö, jonka ristiriitaisuutta ei poisteta ydinvarauksen ja elektronikuorten määrän kasvaessa.

Vety, jalokaasut, halogeenit, ryhmän VI alkuaineet - happi, rikki, seleeni, telluuri ja polonium sekä boori, hiili, typpi, pii ja fosfori tunnistetaan helposti ilmeisiksi epämetalleiksi. Ne kaikki eivät anna metalleille ominaisia ​​emäksisiä oksideja ja hydroksideja. Kuitenkin muiden alkuaineiden joukossa joissakin on amfoteerisia hydroksideja. Erityisesti sellaisissa näennäisesti ilmeisissä metalleissa, kuten sinkissä ja alumiinissa, oksideilla on sekä happamia että emäksisiä ominaisuuksia.

Metallien kidehilat yleisessä tapauksessa käsiteltiin edellä, ja useimmille kemiallisille alkuaineille ne on tavanomaisesti esitetty taulukossa. 4. Kuitenkaan kiderakenteiden ero ei myöskään anna aihetta jakaa meitä kiinnostavia elementtejä. Elohopea ja vismutti, joita tavallisesti pidetään metalleina, kiteytyvät rombisessa järjestelmässä, mikä on epätavallista useimmille muille metalleille, kun taas indium ja tina kiteytyvät tetragonaalisessa järjestelmässä.

Selkein ehdollinen raja metallien ja metalloidien välille voidaan vetää vertaamalla sähkönjohtavuutta tai sen käänteistä sähkövastusta. Ilmeisen metallin - nikkelin - sähköinen resistiivisyys on 6,8∙10-6 (Ohm∙cm) ja hiilimetalloidilla vain grafiitin muunnelmassa on 1375∙10-6 (Ohm∙cm) ).

Tässä ominaisuudessa 80 elementtiä tulisi liittää metalleihin ja 23 ei-metalleihin ja metalloideihin.

Lisäksi metallurgian alueen rajoittaminen alkuaineisiin, jotka muodostavat maankuoren, franciumia, teknetiumia, prometiumia sekä aktinideja, alkaen americiumista, tulisi sulkea pois kahdeksastakymmenestä, ja metallien lopullinen lukumäärä olisi määritettävä 68:ksi (taulukko 3).

Raaka-aineiden käytön monimutkaisuuden toiveen sekä metalliseosten, usein metalloideja sisältävän laajan tuotannon, yhteydessä on kehittynyt perinteitä, joiden mukaan metallurgisista raaka-aineista uutettava pii, germanium ja joskus myös seleeni ja telluuri luokitellaan joskus väärin metalleiksi. Tämän ohella kemianteollisuus vastaanottaa tyypillisen metallin, natriumin; tämä osoittaa kemian ja metallurgian välisen läheisen yhteyden. Aikaisemmin metallurgia erottui kemiallisesta tekniikasta korkean lämpötilan sulatteiden vallitsevalla käytöllä, nyt tämä ominaisuus katoaa yhä enemmän: tulipyrometallurgian myötä kasvaa myös hydrometallurgian merkitys, joka uuttaa metalleja malmeista liuottamalla reagenssien vesiliuoksilla, mitä seuraa pelkistys elektrolyysillä tai sementoinnilla.

Sorptiota, uuttamista, saostusta, yhteissaostusta ja muita kemiallisen käsittelyn menetelmiä käytetään välivaiheina liuenneiden aineiden erottamisessa ja konsentroinnissa.

Metallien teollisella luokittelulla, joka on perinteisesti perustettu maassamme intensiivisimmän teollistumisen aikana, ei ole selkeää tieteellistä perustaa, mutta sitä käytetään laajasti teknisessä kirjallisuudessa ja jokapäiväisessä elämässä. Sen ensimmäinen perusta, joka on hyväksytty joissakin muissa maissa, on jyrkkä ero raudan ja muiden metallien tuotannon mittakaavassa. Metallurgisten tuotteiden kokonaismassasta rautaseokset muodostavat noin 93%. Siksi on olemassa "rautametalleja" (rauta ja sen seokset - valurauta ja teräs) ja muita "ei-rautaisia".

Maassamme ehdollisesti hyväksytyt rauta- ja ei-rautametallien nimet vastaavat tätä. Ei-rautametallit puolestaan ​​on jaettu joidenkin yhteisten ominaisuuksien mukaan useisiin ryhmiin ja alaryhmiin, jotka on mainittu taulukoissa 3 ja 4.

Yllä olevassa luokituksessa ei ole edes ryhmien nimien periaatetta. Joten viime vuosisadan lopulla alumiinia pidettiin harvinaisena metallina, ja nyt se on tuotannon ja kulutuksen osalta ensimmäinen ei-rautametallien joukossa. Titaania koskevaa ongelmaa ei ole lopullisesti ratkaistu, koska jotkut metallurgit pitävät sitä tulenkestävien harvinaisten metallien, kun taas toisten kevyiden metallien ansiota. Siksi eri metallurgit, pitäen kiinni eri näkökulmista, määrittävät yksittäiset metallit eri ryhmiin.

Metallit (latinalaisesta metallumista - kaivos, kaivos) - ryhmä elementtejä yksinkertaisten aineiden muodossa, joilla on tyypillisiä metallisia ominaisuuksia, kuten korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus, positiivinen lämpötilavastuskerroin, korkea sitkeys ja metallinen kiilto.

Tällä hetkellä löydetyistä 118 kemiallisesta alkuaineesta (joista kaikkia ei ole virallisesti tunnustettu) metalleja ovat:

• 6 alkuainetta alkalimetalliryhmässä,
• 6 maa-alkalimetallien ryhmässä,
• 38 siirtymämetalliryhmässä,
• 11 kevytmetallien ryhmässä,
• 7 puolimetallien ryhmässä,
• 14 ryhmässä lantanidit + lantaani,
• 14 aktinidien ryhmässä (fysikaalisia ominaisuuksia ei ole tutkittu kaikille alkuaineille) + aktinium,
• tiettyjen beryllium- ja magnesiumryhmien ulkopuolella.

Siten 96 alkuainetta kaikista löydetyistä voi kuulua metalleihin.

Astrofysiikassa termillä "metalli" voi olla eri merkitys ja se tarkoittaa kaikkia heliumia raskaampia kemiallisia alkuaineita.

Metallien tyypilliset ominaisuudet

1. Metallinen kiilto (ominaista paitsi metalleille: myös ei-metalleilla, jodilla ja hiilellä grafiitin muodossa)
2. Hyvä sähkönjohtavuus
3. Mahdollisuus kevyeen koneistukseen
4. Suuri tiheys (yleensä metallit ovat raskaampia kuin ei-metallit)
5. Korkea sulamispiste (poikkeukset: elohopea, gallium ja alkalimetallit)
6. Suuri lämmönjohtavuus
7. Reaktioissa ne ovat useimmiten pelkistäviä aineita.

Metallien fysikaaliset ominaisuudet

Kaikki metallit (paitsi elohopea ja ehdollisesti Ranska) ovat kiinteässä tilassa normaaleissa olosuhteissa, mutta niillä on erilainen kovuus. Alla on joidenkin metallien kovuus Mohsin asteikolla.

Sulamispisteet puhtaat metallit vaihtelevat -39 °C:sta (elohopea) 3410 °C:seen (volframi). Useimpien metallien sulamispiste (emäksiä lukuun ottamatta) on korkea, mutta jotkin "normaalit" metallit, kuten tina ja lyijy, voidaan sulattaa perinteisellä sähkö- tai kaasuliesillä.

Riippuen tiheys, metallit jaetaan kevyisiin (tiheys 0,53 ÷ 5 g / cm³) ja raskaisiin (5 ÷ 22,5 g / cm³). Kevyin metalli on litium (tiheys 0,53 g/cm³). Tällä hetkellä on mahdotonta nimetä raskainta metallia, koska osmiumin ja iridiumin - kahden raskaimman metallin - tiheydet ovat lähes yhtä suuret (noin 22,6 g / cm³ - täsmälleen kaksi kertaa lyijyn tiheys), ja on erittäin vaikeaa laskea niiden tarkkaa tiheyttä: tätä varten sinun on puhdistettava metallit kokonaan, koska kaikki epäpuhtaudet vähentävät niiden tiheyttä.

Useimmat metallit muovi, eli metallilankaa voidaan taivuttaa, eikä se katkea. Tämä johtuu metalliatomien kerrosten siirtymisestä rikkomatta niiden välistä sidosta. Muovisimpia ovat kultaa, hopeaa ja kuparia. Kultasta voidaan valmistaa 0,003 mm:n paksuista kalvoa, jota käytetään tuotteiden kultaamiseen. Kaikki metallit eivät kuitenkaan ole muovia. Sinkki- tai tinalanka murenee taivutettaessa; mangaani ja vismutti eivät taivu ollenkaan muodonmuutoksen aikana, vaan rikkoutuvat välittömästi. Plastisuus riippuu myös metallin puhtaudesta; Siten erittäin puhdas kromi on erittäin sitkeää, mutta pientenkin epäpuhtauksien saastuttamana siitä tulee hauras ja kovempi. Jotkut metallit, kuten kulta, hopea, lyijy, alumiini ja osmium, voivat kasvaa yhdessä, mutta tämä voi kestää vuosikymmeniä.

Kaikki metallit ovat hyviä johtaa sähkövirtaa; tämä johtuu siitä, että niiden kidehiloissa on liikkuvia elektroneja, jotka liikkuvat sähkökentän vaikutuksesta. Hopealla, kuparilla ja alumiinilla on korkein sähkönjohtavuus; tästä syystä kahta viimeistä metallia käytetään useimmiten lankojen materiaalina. Natriumilla on myös erittäin korkea sähkönjohtavuus, koelaitteistoissa tunnetaan yrityksiä käyttää natriumjohtimia ohutseinäisten ruostumattomien teräsputkien muodossa, jotka on täytetty natriumilla. Natriumin alhaisen ominaispainon ja yhtäläisen vastuksen vuoksi natrium "langat" ovat paljon kevyempiä kuin kupari ja jopa hieman kevyempiä kuin alumiini.

Metallien korkea lämmönjohtavuus riippuu myös vapaiden elektronien liikkuvuudesta. Siksi lämmönjohtavuussarja on samanlainen kuin sähkönjohtavuussarja ja paras lämmönjohdin, kuten sähkö, on hopea. Natriumia käytetään myös hyvänä lämmönjohtimena; On laajalti tunnettua esimerkiksi natriumin käyttö autojen moottoreiden venttiileissä niiden jäähdytyksen parantamiseksi.

Väri useimmat metallit ovat suunnilleen samoja - vaaleanharmaita sinertävällä sävyllä. Kulta, kupari ja cesium ovat vastaavasti keltaisia, punaisia ​​ja vaaleankeltaisia.

Metallien kemialliset ominaisuudet

Ulkoisella elektronitasolla useimmissa metalleissa on pieni määrä elektroneja (1-3), joten useimmissa reaktioissa ne toimivat pelkistysaineina (eli ne "luovat pois" elektroninsa)

Reaktiot yksinkertaisten aineiden kanssa

• Kaikki metallit reagoivat hapen kanssa paitsi kulta ja platina. Reaktio hopean kanssa tapahtuu korkeissa lämpötiloissa, mutta hopea(II)oksidia ei käytännössä muodostu, koska se on termisesti epästabiilia. Metallista riippuen ulostulo voi olla oksideja, peroksideja, superoksideja:

litiumoksidi

natriumperoksidi

kalium superoksidi

Oksidin saamiseksi peroksidista peroksidi pelkistetään metallilla:

Keski- ja matala-aktiivisten metallien kanssa reaktio tapahtuu kuumennettaessa:

• Vain aktiivisimmat metallit reagoivat typen kanssa, vain litium reagoi huoneenlämpötilassa muodostaen nitridejä:

Lämmitettynä:

• Kaikki metallit reagoivat rikin kanssa paitsi kulta ja platina:

Rauta reagoi rikin kanssa kuumennettaessa muodostaen sulfidia:

• Vain aktiivisimmat metallit reagoivat vedyn kanssa, eli ryhmien IA ja IIA metallit, paitsi Be. Reaktiot suoritetaan kuumennettaessa ja muodostuu hydridejä. Reaktioissa metalli toimii pelkistimenä, vedyn hapetusaste on −1:

• Vain aktiivisimmat metallit reagoivat hiilen kanssa. Tässä tapauksessa muodostuu asetylenidejä tai metanideja. Asetylidit, kun ne ovat vuorovaikutuksessa veden kanssa, antavat asetyleenia, metanidit - metaania.

Metallit ovat elementtejä, jotka muodostavat ympäröivän luonnon. Niin kauan kuin maapallo on olemassa, on olemassa monia metalleja.

Maankuori sisältää seuraavia metalleja:

• alumiini - 8,2%,
• rauta - 4,1%,
• kalsium - 4,1 %
• natrium - 2,3%,
• magnesium - 2,3%,
• kalium - 2,1%,
• titaani - 0,56 % jne.

Tällä hetkellä tieteellä on tietoa 118 kemiallisesta alkuaineesta. Tämän luettelon alkuaineista 85 on metalleja.

Metallien kemialliset ominaisuudet

Ymmärtääksemme, mistä metallien kemialliset ominaisuudet riippuvat, käännytään arvovaltaiseen lähteeseen - alkuaineiden jaksollisen järjestelmän taulukkoon, ns. jaksollinen järjestelmä. Piirretään diagonaali (voit henkisesti) kahden pisteen välille: aloitetaan Be (beryllium) ja päättyy At (astatiini). Tämä jako on tietysti mielivaltainen, mutta sen avulla voit silti yhdistää kemiallisia alkuaineita niiden ominaisuuksien mukaisesti. Vasemmalla diagonaalin alla olevat elementit ovat metalleja. Mitä vasemmalla diagonaaliin nähden elementin sijainti on, sitä selvempiä sen metalliset ominaisuudet ovat:

• kiderakenne - tiheä,
• lämmönjohtavuus - korkea,
• sähkönjohtavuus laskee lämpötilan noustessa,
• ionisaatioasteen taso - alhainen (elektronit erottuvat vapaasti)
• kyky muodostaa yhdisteitä (seoksia),
• liukoisuus (liuottaa vahvoihin happoihin ja emäksiin),
• hapettuvuus (oksidien muodostuminen).

Yllä olevat metallien ominaisuudet riippuvat kidehilassa vapaasti liikkuvien elektronien läsnäolosta. Lähellä diagonaalia tai suoraan sen läpikulkupaikalla sijaitsevilla elementeillä on kaksoismerkkejä kuulumisesta, ts. niillä on metallien ja ei-metallien ominaisuuksia.

Metalliatomien säteet ovat suhteellisen suuret. Ulkoiset elektronit, joita kutsutaan valenssiksi, poistuvat merkittävästi ytimestä ja ovat sen seurauksena heikosti sitoutuneita siihen. Siksi metalliatomit luovuttavat helposti valenssielektroneja ja muodostavat positiivisesti varautuneita ioneja (kationeja). Tämä ominaisuus on metallien tärkein kemiallinen ominaisuus. Ulkoisella energiatasolla selkeimmät metalliset ominaisuudet omaavien alkuaineiden atomeissa on yhdestä kolmeen elektronia. Kemialliset alkuaineet, joilla on tyypillisesti korostuneita metallien merkkejä, muodostavat vain positiivisesti varautuneita ioneja, ne eivät ollenkaan pysty kiinnittämään elektroneja.

M. V. Beketovin siirtymäsarja

Metallin aktiivisuus ja sen vuorovaikutuksen reaktionopeus muiden aineiden kanssa riippuu atomin kyvyn "erottua elektroneista" arvosta. Kyky ilmaistaan ​​eri tavalla eri metalleissa. Korkean suorituskyvyn omaavat elementit ovat aktiivisia pelkistäviä aineita. Mitä suurempi metalliatomin massa on, sitä suurempi on sen pelkistyskyky. Tehokkaimpia pelkistäviä aineita ovat alkalimetallit K, Ca, Na. Jos metalliatomit eivät pysty luovuttamaan elektroneja, tällaista elementtiä pidetään hapettavana aineena, esimerkiksi: cesium aurid voi hapettaa muita metalleja. Tässä suhteessa alkalimetalliyhdisteet ovat aktiivisimpia.

Venäläinen tiedemies M. V. Beketov oli ensimmäinen, joka tutki ilmiötä, jossa jotkut metallit siirtyvät niiden muodostamista yhdisteistä muiden metallien toimesta. Hänen laatimaansa metalliluetteloa, jossa ne sijaitsevat normaalipotentiaalien kasvuasteen mukaisesti, kutsuttiin "sähkökemialliseksi jännitteiden sarjaksi" (Beketovin siirtymäsarja).

Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au

Mitä oikeammalle metalli sijaitsee tässä rivissä, sitä heikommat sen pelkistävät ominaisuudet ja sitä voimakkaammat sen ionien hapettavat ominaisuudet.

Metallien luokitus Mendelejevin mukaan

Jaksollisen taulukon mukaisesti erotetaan seuraavat metallityypit (alaryhmät):

• alkalinen - Li (litium), Na (natrium), K (kalium), Rb (rubidium), Cs (cesium), Fr (fransium);
• maa-alkali - Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (kalsium), Sr (strontium), Ba (barium), Ra (radium);
• valo - AL (alumiini), In (indium), Cd (kadmium), Zn (sinkki);
• siirtymäkausi;
• puolimetallit

Metallien tekninen sovellus

Metallit, jotka ovat löytäneet enemmän tai vähemmän laajan teknisen sovelluksen, jaetaan perinteisesti kolmeen ryhmään: mustat, ei-rautametallit ja jalometallit.

TO rautametallit sisältää rauta ja sen seokset: teräs, valurauta ja ferroseokset.

On sanottava, että rauta on yleisin metalli luonnossa. Sen kemiallinen kaava on Fe (ferrum). Raudalla on ollut valtava rooli ihmisen evoluutiossa. Ihminen sai uusia työvälineitä oppimalla sulattamaan rautaa. Nykyaikaisessa teollisuudessa käytetään laajalti rautaseoksia, jotka saadaan lisäämällä hiiltä tai muita metalleja rautaan.

Rautaa sisältämättömät metallit - Nämä ovat melkein kaikkia metalleja lukuun ottamatta rautaa, sen seoksia ja jalometalleja. Fysikaalisten ominaisuuksiensa mukaan ei-rautametallit luokitellaan seuraavasti:

· raskas metallit: kupari, nikkeli, lyijy, sinkki, tina;

· keuhkoihin metallit: alumiini, titaani, magnesium, beryllium, kalsium, strontium, natrium, kalium, barium, litium, rubidium, cesium;

· pieni metallit: vismutti, kadmium, antimoni, elohopea, koboltti, arseeni;

· tulenkestävä metallit: volframi, molybdeeni, vanadiini, zirkonium, niobium, tantaali, mangaani, kromi;

· harvinainen metallit: gallium, germanium, indium, zirkonium;

jalometallit : kulta, hopea, platina, rodium, palladium, rutenium, osmium.

On sanottava, että ihmiset tutustuivat kultaan paljon aikaisemmin kuin rautaan. Tästä metallista valmistettuja kultakoruja valmistettiin muinaisessa Egyptissä. Nykyään kultaa käytetään myös mikroelektroniikassa ja muilla teollisuudenaloilla.

Hopeaa, kuten kultaa, käytetään koruteollisuudessa, mikroelektroniikassa ja lääketeollisuudessa.

Metallit ovat kulkeneet ihmisen mukana läpi ihmiskunnan historian. Ei ole teollisuutta, jolla ei käytetä metalleja. On mahdotonta kuvitella nykyaikaista elämää ilman metalleja ja niiden yhdisteitä.

Varhaisesta lapsuudesta lähtien olemme kohdanneet lauseen, että tällainen ja sellainen esine on valmistettu metallista. Mikä on metalli?

Metallit ovat tietty ryhmä kemiallisia alkuaineita (sekä niiden seoksia), joilla on koko ryhmälle yhteisiä ominaisuuksia, kuten lisääntynyt lujuus, hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus, muokattavuus, sitkeys ja metallinen kiilto.

Lähes 80 % tunnetuista kemiallisista alkuaineista kuuluu metalleihin (96/118).

Metallien fysikaaliset ominaisuudet

Kaikki metallit, paitsi elohopea, ovat kiinteässä tilassa normaaleissa olosuhteissa. Kovuudella mitattuna pehmein metalli on cesium (0,2 pistettä 10-pisteen Mohsin asteikolla). Vaikein on volframi. Sen kovuus on 6 pistettä. Raudan kovuus on 4 pistettä.

Metallien sulamispisteet (siirtymä nestemäiseen tilaan) vaihtelevat: -39º elohopealla 3410º volframille. Kaikilla alkalimetalleilla on alhaiset sulamispisteet, ja tavallisista tinalla ja lyijyllä. Ne voidaan sulattaa jopa kotona kaasupolttimella. Useimmat metallit sulatetaan erityisissä uuneissa korkeissa lämpötiloissa.

Koska metallien kidehiloissa on vapaita liikkuvia elektroneja, ne kaikki johtavat sähköä ja lämpöä erittäin hyvin. Parhaat metallien sähkönjohtimet ovat hopea, kupari ja alumiini. Ei ole sattumaa, että sähköjohdot on valmistettu kahdesta viimeisestä metallista.

Metallien erinomaisen lämmönjohtavuuden kanssa kohtaamme usein myös jokapäiväisessä elämässä. Veden keittämistä varten kaadamme sen metallipannuun ja laitamme sen liedelle. Kiuas lämmittää metallia ja metalli siirtää lähes kaiken lämpöenergian veteen.

Metallien kemialliset ominaisuudet

Kemiallisten reaktioiden aikana kaikki metallit luopuvat helposti elektroneistaan ​​ja toimivat pelkistysaineina.

Melkein kaikki metallit hapettuvat hapen vaikutuksesta. Alkalimetallit (litium, kalsium) ovat vuorovaikutuksessa hapen kanssa normaaleissa olosuhteissa. Muiden metallien hapettumiseen hapella tarvitaan korotettua lämpötilaa. Jos esimerkiksi kuumennat kuparilankaa tulen päällä, kupari on vuorovaikutuksessa ilman hapen kanssa ja peittyy mustalla kalvolla (kuparioksidi):

• 2Сu +O2 → 2CuO

Kulta ja platina eivät reagoi hapen kanssa.

Muista hapettimista kloori ja rikki reagoivat metallien kanssa. Jos sekoitamme rautalastuja ja rikkijauhetta ja kuumennamme seosta, niin silmiemme edessä saamme rautasulfidin:

• Fe+S → FeS

Eri metallien pelkistysaktiivisuus on erilainen. Toimintansa mukaan metallit jakautuvat seuraavasti:

• Li - K - Ba - Sr - Ca - Na - Mg - Al - Mn - Zn - Cr - Fe - Ca - Co - Ni - Sn - Pb - (H2) - Cu - Hg - Ag - Pt - Au.

Mitä kauempana vasemmalla tässä rivissä metalli on, sitä aktiivisempi se on. Edellinen elementti voi siirtää metallin oikealle. Esimerkiksi, jos pala rautaa asetetaan koeputkeen kuparisulfaattiliuoksella, se peitetään ruskealla pinnoitteella (kuparikalvo):

• Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

Vedyn (H2) vasemmalla puolella olevat metallit voivat syrjäyttää sen suolahaposta. Jos pala sinkkiä upotetaan suolahappoon, vetyä alkaa vapautua:

• HCl + Zn → ZnCl2 + H2

Alkalimetallit reagoivat helposti veden kanssa. Jos pala natriumia asetetaan säiliöön, jossa on vettä, vety alkaa kehittyä aktiivisesti ja alkaa muodostua:

• 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

Metallien käyttö

Hyödyllisten ominaisuuksiensa ansiosta metallit ovat lujasti tulleet ihmisten elämään. Ihminen käyttää metallien lujuutta tehden niistä rakennusten runkoja (pienistä paviljongeista suuriin pilvenpiirtäjiin), koneen rungoiksi (autot, vaunut, laivat, työstökoneet) sekä erilaisten työkalujen työosiksi.

Jos D.I. Mendelejevin elementtien jaksollisessa taulukossa piirrämme diagonaalin berylliumista astatiiniin, niin vasemmassa alakulmassa diagonaalia pitkin on metallielementtejä (ne sisältävät myös toissijaisten alaryhmien elementtejä, korostettu sinisellä) ja oikeassa yläkulmassa - ei-metalliset elementit (korostettu keltaisella). Lähellä diagonaalia sijaitsevilla elementeillä - puolimetallilla tai metalloidilla (B, Si, Ge, Sb jne.) on kaksoismerkki (korostettu vaaleanpunaisella).

Kuten kuvasta voidaan nähdä, suurin osa alkuaineista on metalleja.

Kemiallisen luonteensa vuoksi metallit ovat kemiallisia alkuaineita, joiden atomit luovuttavat elektroneja ulommalta tai esiulkoiselta energiatasolta muodostaen siten positiivisesti varautuneita ioneja.

Lähes kaikilla metalleilla on suhteellisen suuret säteet ja pieni määrä elektroneja (1-3) ulkoisella energiatasolla. Metalleille on ominaista alhaiset elektronegatiivisuusarvot ja pelkistävät ominaisuudet.

Tyypillisimmät metallit sijaitsevat jaksojen alussa (toisesta alkaen), kauempana vasemmalta oikealle metalliset ominaisuudet heikkenevät. Ryhmässä ylhäältä alas metalliset ominaisuudet paranevat, koska atomien säde kasvaa (johtuen energiatasojen määrän kasvusta). Tämä johtaa alkuaineiden elektronegatiivisuuden (kyky houkutella elektroneja) vähenemiseen ja pelkistysominaisuuksien lisääntymiseen (kyky luovuttaa elektroneja muille atomeille kemiallisissa reaktioissa).

tyypillinen metallit ovat s-alkuaineita (IA-ryhmän alkuaineita Li:stä Fr:ään. PA-ryhmän alkuaineita Mg:stä Ra:han). Niiden atomien yleinen elektroninen kaava on ns 1-2. Niille on ominaista hapetusasteet + I ja + II, vastaavasti.

Pieni määrä elektroneja (1-2) tyypillisten metalliatomien ulkoenergiatasolla viittaa siihen, että nämä elektronit katoavat helposti ja niillä on voimakkaita pelkistäviä ominaisuuksia, jotka heijastavat alhaisia ​​elektronegatiivisuusarvoja. Tämä tarkoittaa rajoitettuja kemiallisia ominaisuuksia ja menetelmiä tyypillisten metallien saamiseksi.

Tyypillisille metalleille tyypillinen piirre on niiden atomien taipumus muodostaa kationeja ja ionisia kemiallisia sidoksia ei-metalliatomien kanssa. Tyypillisten metallien yhdisteet epämetallien kanssa ovat ionikiteitä "ei-metallin metallikationi-anioni", esimerkiksi K + Br -, Ca 2+ O 2-. Tyypillisiä metallikationeja on myös yhdisteissä, joissa on kompleksisia anioneja - hydroksideja ja suoloja, esimerkiksi Mg 2+ (OH -) 2, (Li +) 2CO 3 2-.

A-ryhmän metallit, jotka muodostavat amfoteerisen diagonaalin Be-Al-Ge-Sb-Po jaksollisessa taulukossa, samoin kuin niiden vieressä olevat metallit (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) eivät osoita tyypillisiä metallisia ominaisuuksia. Niiden atomien yleinen elektroninen kaava ns 2 np 0-4 tarkoittaa suurempaa hapetustilojen vaihtelua, suurempaa kykyä säilyttää omia elektronejaan, niiden pelkistyskyvyn asteittaista vähenemistä ja hapetuskyvyn ilmaantumista, erityisesti korkeissa hapetustiloissa (tyypillisiä esimerkkejä ovat yhdisteet Tl III, Pb IV, Bi v). Samanlainen kemiallinen käyttäytyminen on tyypillistä myös useimmille (d-alkuaineille, eli jaksollisen järjestelmän B-ryhmien alkuaineille (tyypillisiä esimerkkejä ovat amfoteeriset alkuaineet Cr ja Zn).

Tämä kaksinaisuuden (amfoteeristen) ominaisuuksien, sekä metallisten (emäksisten) että ei-metallisten, ilmentymä johtuu kemiallisen sidoksen luonteesta. Kiinteässä tilassa epätyypillisten metallien ja ei-metallien yhdisteet sisältävät pääasiassa kovalenttisia sidoksia (mutta vähemmän vahvoja kuin ei-metallien väliset sidokset). Liuoksessa nämä sidokset katkeavat helposti ja yhdisteet hajoavat ioneiksi (täysin tai osittain). Esimerkiksi galliummetalli koostuu Ga 2 -molekyyleistä, kiinteässä tilassa alumiini- ja elohopea(II)kloridit AlCl 3 ja HgCl 2 sisältävät vahvasti kovalenttisia sidoksia, mutta liuoksessa AlCl 3 dissosioituu lähes kokonaan ja HgCl 2 - hyvin pienessä määrin (ja sittenkin HgCl + ja Cl - ioneiksi).

Metallien yleiset fysikaaliset ominaisuudet

Koska kidehilassa on vapaita elektroneja ("elektronikaasua"), kaikilla metalleilla on seuraavat tyypilliset yleiset ominaisuudet:

1) Muovi- kyky muuttaa muotoa helposti, venyttää langaksi, rullata ohuiksi levyiksi.

2) metallinhohde ja opasiteetti. Tämä johtuu vapaiden elektronien vuorovaikutuksesta metalliin osuvan valon kanssa.

3) Sähkönjohtavuus. Se selittyy vapaiden elektronien suunnatulla liikkeellä negatiivisesta positiiviseen napaan pienen potentiaalieron vaikutuksesta. Kuumennettaessa sähkönjohtavuus laskee, koska. lämpötilan noustessa atomien ja ionien värähtelyt kidehilan solmuissa lisääntyvät, mikä vaikeuttaa "elektronikaasun" suunnattua liikettä.

4) Lämmönjohtokyky. Se johtuu vapaiden elektronien suuresta liikkuvuudesta, jonka vuoksi metallin massa tasoittaa lämpötilan nopeasti. Korkein lämmönjohtavuus on vismutilla ja elohopealla.

5) Kovuus. Vaikein on kromi (leikkaa lasia); pehmeimmät - alkalimetallit - kalium, natrium, rubidium ja cesium - leikataan veitsellä.

6) Tiheys. Se on mitä pienempi, sitä pienempi on metallin atomimassa ja sitä suurempi atomin säde. Kevyin on litium (ρ=0,53 g/cm3); raskain on osmium (ρ=22,6 g/cm3). Metalleja, joiden tiheys on alle 5 g/cm3, pidetään "kevytmetallina".

7) Sulamis- ja kiehumispisteet. Sulavin metalli on elohopea (sp. = -39°C), tulenkestävä metalli on volframi (t°m = 3390°C). Metallit, joiden t°pl. yli 1000°C pidetään tulenkestävänä, alle - alhainen sulamispiste.

Metallien yleiset kemialliset ominaisuudet

Vahvat pelkistimet: Me 0 – nē → Me n +

Useat jännitykset luonnehtivat metallien vertailevaa aktiivisuutta redox-reaktioissa vesiliuoksissa.

I. Metallien reaktiot epämetallien kanssa

1) Hapen kanssa:
2Mg + O2 → 2MgO

2) Rikin kanssa:
Hg + S → HgS

3) Halogeeneilla:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2

4) Typen kanssa:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3N 2

5) Fosforilla:
3Ca + 2P – t° → Ca 3P 2

6) Vedyn kanssa (vain alkali- ja maa-alkalimetallit reagoivat):
2Li + H2 → 2LiH

Ca + H2 → CaH2

II. Metallien reaktiot happojen kanssa

1) Metallit, jotka ovat sähkökemiallisessa jännitesarjassa H asti, pelkistävät hapettamattomat hapot vedyksi:

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2

2Al+6HCl → 2AlCl3+3H2

6Na + 2H3PO4 → 2Na3PO4 + 3H2

2) Hapettavien happojen kanssa:

Minkä tahansa pitoisuuden typpihapon ja väkevän rikkihapon vuorovaikutuksessa metallien kanssa vetyä ei koskaan vapaudu!

Zn + 2H 2SO 4 (K) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

4Zn + 5H2SO4(K) → 4ZnSO4 + H2S + 4H2O

3Zn + 4H 2SO 4(K) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2O

2H 2SO 4 (c) + Cu → Cu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

10HNO3 + 4Mg → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

4HNO 3 (c) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

III. Metallien vuorovaikutus veden kanssa

1) Aktiiviset (alkali- ja maa-alkalimetallit) muodostavat liukoisen emäksen (alkali) ja vedyn:

2Na + 2H20 → 2NaOH + H2

Ca+ 2H 2O → Ca(OH)2 + H2

2) Keskiaktiiviset metallit hapetetaan vedessä, kun ne kuumennetaan oksidiksi:

Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2

3) Ei aktiivinen (Au, Ag, Pt) - älä reagoi.

IV. Vähemmän aktiivisten metallien syrjäytyminen aktiivisemmilla metalleilla niiden suoloista:

Cu + HgCl 2 → Hg + CuCl 2

Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4

Teollisuudessa ei usein käytetä puhtaita metalleja, vaan niiden seoksia - metalliseokset jossa yhden metallin hyödyllisiä ominaisuuksia täydentävät toisen metallin hyödylliset ominaisuudet. Joten kuparilla on alhainen kovuus ja siitä on vähän hyötyä koneenosien valmistuksessa, kun taas kuparin ja sinkin seokset ( messinki) ovat jo melko kovia ja niitä käytetään laajalti koneenrakennuksessa. Alumiinilla on korkea sitkeys ja riittävä keveys (pieni tiheys), mutta se on liian pehmeää. Sen perusteella valmistetaan seos magnesiumin, kuparin ja mangaanin kanssa - duralumiini (duralumiini), joka menettämättä alumiinin hyödyllisiä ominaisuuksia saa korkean kovuuden ja soveltuu lentokoneteollisuuteen. Raudan ja hiilen seokset (ja muiden metallien lisäykset) tunnetaan laajalti valurauta Ja teräs.

Metallit vapaassa muodossa ovat pelkistäviä aineita. Joidenkin metallien reaktiivisuus on kuitenkin alhainen, koska ne on peitetty pintaoksidikalvo, kestää vaihtelevasti kemiallisten reagenssien, kuten veden, happojen ja emästen liuoksia, toimintaa.

Esimerkiksi lyijy peitetään aina oksidikalvolla, sen siirtyminen liuokseen vaatii paitsi altistamista reagenssille (esimerkiksi laimealle typpihapolle), myös lämmittämistä. Alumiinin oksidikalvo estää sen reaktion veden kanssa, mutta tuhoutuu happojen ja alkalien vaikutuksesta. Löysä oksidikalvo (ruoste), joka muodostuu raudan pinnalle kosteassa ilmassa, ei häiritse raudan hapettumista edelleen.

Vaikutuksen alaisena keskitetty happoja muodostuu metalleihin kestävää oksidikalvo. Tätä ilmiötä kutsutaan passivointi. Siis keskittyneesti rikkihappo passivoituneet (ja sitten eivät reagoi hapon kanssa), kuten Be, Bi, Co, Fe, Mg ja Nb, ja väkevässä typpihapossa - metallit Al, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th ja U.

Vuorovaikutuksessa hapettimien kanssa happamissa liuoksissa useimmat metallit muuttuvat kationeiksi, joiden varauksen määrää tietyn alkuaineen stabiili hapetusaste yhdisteissä (Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ ja Fe 3+)

Metallien pelkistävä aktiivisuus happamassa liuoksessa välittyy sarjan jännitysten kautta. Useimmat metallit muunnetaan kloorivety- ja laimeiden rikkihappojen liuokseksi, mutta Cu, Ag ja Hg - vain rikkihappo (väkevä) ja typpihappo ja Pt ja Au - "aqua regia".

Metallien korroosio

Metallien ei-toivottu kemiallinen ominaisuus on niiden aktiivinen tuhoutuminen (hapettuminen) joutuessaan kosketuksiin veden kanssa ja siihen liuenneen hapen vaikutuksesta (happikorroosio). Esimerkiksi rautatuotteiden korroosio vedessä on laajalti tunnettu, jonka seurauksena muodostuu ruostetta ja tuotteet murenevat jauheeksi.

Metallien korroosio etenee vedessä myös liuenneiden CO 2- ja SO 2 -kaasujen läsnäolon vuoksi; syntyy hapan ympäristö, ja aktiiviset metallit syrjäyttävät H + -kationit vety H 2 ( vetykorroosio).

Kahden erilaisen metallin välinen kosketuskohta voi olla erityisen syövyttävä ( kosketuskorroosio). Yhden metallin, kuten Fe, ja toisen metallin, kuten Sn tai Cu, väliin laitettu veteen, syntyy galvaaninen pari. Elektronien virtaus kulkee aktiivisemmasta metallista, joka on jännitesarjassa vasemmalla (Re), vähemmän aktiiviselle metallille (Sn, Cu), ja aktiivisempi metalli tuhoutuu (syövyttää).

Tästä johtuen tölkkien tinattu pinta (tinattu rauta) ruostuu kosteassa tilassa säilytettynä ja huolimattomasti käsiteltäessä (rauta romahtaa nopeasti jo pienen naarmun ilmaantumisen jälkeen, jolloin rauta joutuu kosketuksiin kosteuden kanssa). Päinvastoin, rautakuhan galvanoitu pinta ei ruostu pitkään, koska vaikka naarmuja olisikin, se ei syövy rauta, vaan sinkki (aktiivisempi metalli kuin rauta).

Tietyn metallin korroosionkestävyys paranee, kun se päällystetään aktiivisemmalla metallilla tai kun ne sulatetaan; esimerkiksi raudan pinnoitus kromilla tai raudan seoksen valmistaminen kromin kanssa eliminoi raudan korroosion. Kromattu rauta ja teräs, joka sisältää kromia ( ruostumaton teräs) niillä on korkea korroosionkestävyys.

sähkömetallurgia ts. metallien saaminen sulatteiden (aktiivisimpien metallien) tai suolaliuosten elektrolyysillä;

pyrometallurgia ts. metallien talteenotto malmeista korkeassa lämpötilassa (esimerkiksi raudan tuotanto masuuniprosessissa);

hydrometallurgia eli metallien eristäminen niiden suolojen liuoksista aktiivisemmilla metalleilla (esimerkiksi kuparin valmistus CuS04-liuoksesta sinkin, raudan tai alumiinin vaikutuksesta).

Luonnossa esiintyy joskus luonnollisia metalleja (tyypillisiä esimerkkejä ovat Ag, Au, Pt, Hg), mutta useammin metallit ovat yhdisteiden muodossa ( metallimalmit). Maankuoressa esiintyvyyden mukaan metallit ovat erilaisia: yleisimmistä - Al, Na, Ca, Fe, Mg, K, Ti) harvinaisimpiin - Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.