Физические свойства металлов. Самые тяжелые металлы в мире

Эдельман В. Металлы //Квант. - 1992. - № 2. - С. 2-9.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Что такое металлы?

«Металлом называется светлое тело, которое ковать можно»,- писал в 1763 году Ломоносов. Загляните в ваш учебник химии и вы увидите, что металлы обладают характерным металлическим блеском («светлое тело»), хорошо проводят тепло и электрический ток. Правда, тут же вы прочтете, что существуют элементы, проявляющие свойства как металлов, так и неметаллов. Другими словами, нет четкой грани, отделяющей одно от другого. Химика, который интересуется, в первую очередь, химическими реакциями и для которого каждый элемент - свой особый мир, такая неоднозначность не очень смущает. А вот физика это не устраивает. Если физика делит тела на металлы и неметаллы, то нужно понять, в чем их принципиальное различие. Поэтому надо так определить, что такое металл, чтобы, как и в других случаях в области точных наук, удовлетворить двум требованиям:

1. все металлы должны обладать всеми без исключения приписываемыми им признаками;
2. иные объекты должны не обладать хотя бы одним из этих признаков.

Вооружившись этими соображениями, посмотрим, все ли металлы без исключения имеют все свойства, приписываемые им учебником. Начнем с «ковать можно», т. е. с пластичности, говоря современным языком. И тут же, по созвучию, мы вспомним пластмассы: ведь не зря они так названы, многим из них свойственна пластичность - способность необратимо изменять форму без разрушения. Конечно, медь, железо, алюминий ковать легко, со свинцом еще проще, индий - довольно редкий и дорогой металл - можно мять почти как воск (а воск ведь - не металл!), щелочные металлы и того мягче. А попробуйте стукнуть по обычному чугуну - и он разлетится на кусочки! Ну, тут металлурги скажут: это потому, что чугун - не простое вещество. Он состоит из кристаллов железа, разделенных прослойками углерода, т. е. графита. Вот по этим-то прослойкам чугун и ломается. Ну что же, все верно. Только вот беда - хрупкий графит, как оказывается, современная физика относит к металлам! Да и не один графит: числятся, например, среди металлов мышьяк, сурьма и висмут, но ковать их можно с таким же успехом, как стекло - разлетаются на мелкие кусочки!

Проделайте такой простой опыт: разбейте баллон сгоревшей лампы, достаньте оттуда вольфрамовую спираль и попробуйте ее раскрутить. Ничего не выйдет, она рассыпется в пыль! Но ведь как-то ее сумели скрутить на заводе? Значит, может быть и такое - то можно деформировать, то нельзя, в зависимости от того, что происходило с образцом в прошлом. Что ж, придется, видимо, с этим признаком - пластичностью - расстаться. Тем более, что он присущ многим неметаллам; ведь то же стекло - нагрей его, и оно станет мягким и податливым.

Итак, укорачиваем формулировку и двигаемся дальше.

На очереди - «блеск», или, говоря научным языком, оптические свойства. Блестящих предметов много: и вода, и стекло, и полированные камни, да мало ли что еще. Так что просто «блеском» не обойтись, вот и говорится: для металлов характерен металлический блеск. Ну, это совсем хорошо: получается, что металл - это металл. Правда, интуитивно мы чувствуем, что металлическим блеском блестят полированные медь, золото, серебро, железо. А широко распространенный минерал пирит - разве не блестит, как металлы? Про типичные полупроводники германий и кремний и говорить не приходится, по внешнему виду их от металлов никак не отличишь. С другой стороны, не так давно научились получать хорошие кристаллы таких соединений, как двуокись молибдена; кристаллы эти коричнево-фиолетовые и на обычный металл мало похожи. Оказывается, это вещество надо считать металлом. Почему - будет ясно чуть дальше.

Так что блеск как чисто «металлический» признак отпадает.

На очереди - теплопроводность. Пожалуй, этот признак можно отбросить сразу - все без исключения тела проводят тепло. Правда, про металлы говорится, что они хорошо проводят тепло. Но, боюсь, на вопрос «что такое хорошо и что такое плохо?» в этом случае ни один папа не ответит.

Хорошо ли проводит тепло медь? Посмотрим в таблицу и сразу же столкнемся со встречным вопросом: а какая медь и при какой температуре? Если взять чистую медь, например ту, из которой делают провода для радиоприборов, и нагреть ее до красного каления, т. е. отжечь, то при комнатной температуре она да еще чистое серебро будут проводить тепло лучше любого другого металла. Но погните такой медный образец, стукните или зажмите в тисках - и его теплопроводность станет заметно хуже. А что произойдет, если кусочек отожженной меди начать охлаждать? Сначала теплопроводность будет расти, увеличится в десятки раз при температуре около 10 К, а потом начнет быстро падать и при достижении абсолютного нуля должна стать нулевой (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость удельной теплопроводности от температуры для различных веществ. (Удельная теплопроводность - это количество теплоты, которое протекает между противоположными гранями кубика со стороной 1 см при разности температур между этими гранями 1 К в 1 с.)

Возьмем теперь другой металл - висмут. Картина для него очень похожа на ту, которую мы видели для меди, только максимум теплопроводности лежит при 3 К, а при комнатной температуре висмут проводит тепло плохо, не многим лучше, чем кристалл кварца. Но кварц-то - не металл! И тот же кварц, как видно из рисунка 1, по своим теплопроводным свойствам иногда оказывается не хуже меди. А плавленный кварц, т. е. кварцевое стекло, проводит тепло плохо, примерно как нержавеющая сталь.

Кварц - не исключение. Все кристаллы хорошего качества ведут себя подобным образом, только числа будут немного различными. У алмаза, например, уже при комнатной температуре теплопроводность лучше, чем у меди.

Отбрасываем с чистым сердцем теплопроводность и жалеть об этом не будем. И не только потому, что по этому признаку металл от неметалла не так уж легко отличить, но и потому, что, оказывается, специфические черты в теплопроводности металлов (а такие есть) являются следствием его электропроводности - последнего оставшегося свойства.

И опять в формулировке, приведенной в начале статьи, уточнение - не просто электропроводность, а хорошая электропроводность. А ведь когда речь шла о теплопроводности, эпитет «хорошая» нас насторожил и, как оказалось, не напрасно. Что же - и последнее свойство под подозрением? Надо обязательно его спасать, а то мы останемся вообще без металлов, а заодно без полупроводников, без изоляторов. Вот это наука получается! Любой школьник в большинстве случаев не задумываясь скажет, с чем он имеет дело, а копнули поглубже - остановились в недоумении.

И есть от чего. Возьмем таблицы физических величин и посмотрим на числа. Вот, к примеру, при комнатной температуре удельное сопротивление ρ (Ом·см) меди ~1,55·10 -6 ; у висмута ρ ~ 10 -4 ; у графита ρ ~ 10 -3 ; у чистых кремния и германия ρ ~ 10 2 (но, добавляя примеси, его можно довести до ~10 -3); у мрамора ρ = 10 7 - 10 11 ; у стекла ρ = 10 10 ; а где-то в конце списка - янтарь с удельным сопротивлением до 1019. И где же тут кончаются металлы-проводники и начинаются диэлектрики? А мы еще не упомянули про электролиты. Обычная морская вода неплохо проводит ток. Что же - и ее считать металлом?

Посмотрим, не поможет ли нам температура. Если повышать температуру, то различия между веществами начнут сглаживаться: у меди сопротивление начнет расти, у стекла, например, уменьшаться. Значит, надо проследить за тем, что произойдет при охлаждении. И вот тут мы наконец увидим качественные различия. Посмотрите на рисунок 2: при температурах жидкого гелия, вблизи абсолютного нуля, вещества разделились на две группы. У одних сопротивление остается небольшим, у сплавов или у не очень чистых металлов ρ почти не изменяется при охлаждении, у чистых металлов сопротивление сильно уменьшается. Чем чище и совершеннее кристалл, тем значительнее это изменение. Иногда ц при температуре, близкой к абсолютному нулю, меньше, чем при комнатной, в сотни тысяч раз. У других веществ, например у полупроводников, с понижением температуры сопротивление начинает стремительно возрастать, и чем ниже температура, тем оно больше. Бели бы можно было добраться до абсолютного нуля, то ρ стало бы бесконечно большим. Впрочем, достаточно и того, что сопротивление реально становится столь большим, что никаким современным прибором его уже не измеришь.

Итак, мы добрались до ответа: металлы - это такие вещества, которые проводят электричество при любой температуре.

Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления чистых металлов (меди и платины) и полупроводника (чистого германия) от температуры.

В противоположность этому диэлектрики перестают проводить ток, если их охладить до абсолютного нуля. Если пользоваться таким определением, то и графит, и двуокись молибдена оказываются металлами. А куда же отнести полупроводники? Если речь идет о чистых, совершенных кристаллах, то они, строго говоря, диэлектрики. Но если в них содержится много примесей, то они могут стать металлами, т. е. сохранять проводимость при самых низких температурах.

Что же у нас осталось в конце концов? Нам удалось выявить единственный существенный признак, руководствуясь которым мы можем, если не в повседневной практике, то хотя бы в принципе, всегда отличить металл от неметалла. А раз этот признак единственный, то оказываются автоматически удовлетворенными оба условия, выполнения которых мы потребовали в начале статьи.

Почему металлы проводят ток?

Уже давно было замечено, что одни элементы, такие как медь, золото, серебро, железо, свинец, олово, и в чистом виде, и при сплавлении друг с другом образуют металлы. Другие, например фосфор, сера, хлор, азот, кислород, не только сами металлами не являются, но и соединяясь с металлами превращают их в диэлектрики. Пример тому - обыкновенная соль NaCl . Поэтому в химии появилось деление элементов на металлы и неметаллы.

Такая классификация, однако, не более чем констатация фактов, хотя на первый взгляд она претендует на то, чтобы объяснить свойства веществ исходя только из строения атомов. В самом деле, посмотрим на таблицу Менделеева. Элементы, расположенные в одном столбце, очень похожи по своим химическим свойствам. А вот будут ли изготовленные из них кристаллы или сплавы проводить электрический ток? Глядя на таблицу, ответить на этот вопрос нельзя. Так, все элементы первой группы - металлы, за исключением первого - водорода. Но ведь закон, который кому-то разрешено нарушать,- уже не закон. Правда, во второй группе дело обстоит лучше: здесь все элементы - привычные металлы; а в третьей группе опять сбой: бор - полупроводник, а алюминий - прекрасный металл. Дальше еще хуже. Первый элемент четвертой группы - углерод; мы уже упоминали, что графит, так называют кристалл углерода,- это металл. А вот алмаз - тоже кристалл, составленный из атомов углерода, но расположенных иначе, чем в графите,- изолятор. Кремний и германий - классические полупроводники. Олово - казалось бы, типичный металл. Однако... Если всем знакомое белое блестящее олово долго подержать при температуре -30 °С, то его кристаллическая структура изменится, а внешне оно посереет. И это олово - его так и называют «серое олово» - полупроводник! А свинец всегда металл.

Если начинать смешивать разные элементы, то картина совсем усложнится. Возьмем, например, и сплавим два металла индий и сурьму - в пропорции один к одному. Получим широко применяемый в технике полупроводник InSb . С другой стороны, мы уже говорили, что двуокись молибдена МoО 2 при Т ≈ 0 К проводит ток, т. е. МoО 2 - металл. (И WО 2 , и Re 2 О 3 и некоторые другие оксиды - тоже металлы.) А если получающиеся из атомов кристаллы сильно сжать, сдавить, то, оказывается, чуть ли не все вещества становятся металлами, даже такие типичные металлоиды, как сера. Правда, для нее давление перехода в металлическое состояние очень велико - несколько сотен тысяч атмосфер (а для водорода еще больше).

Похоже, что разделить элементы на металлы и неметаллы - не такая уж простая задача. Во всяком случае, ясно, что, рассматривая отдельные атомы, мы не можем сказать, будет ли вещество, составленное из этих атомов, проводить ток при Т ≈ 0 К, потому что огромную роль играет то, как расположены атомы друг относительно друга. Поэтому для ответа на вопрос «почему металлы проводят ток?» надо изучать, как атомы взаимодействуют между собой, образуя твердое тело.

Посмотрим, как обстоит дело с простейшим из металлов - литием. Порядковый номер Li - три. Это означает, что ядро атома Li содержит три протона и положительный заряд ядра компенсируют три электрона. Два из них образуют заполненную s-оболочку, ближайшую к ядру, и сильно связаны с ядром. Оставшийся электронрасположен на второй s-оболочке. На ней мог бы поместиться еще один электрон, но его у лития нет. Все остальные разрешенные состояния энергии свободны, и электроны на них попадают только при возбуждении атома (например, при сильном нагреве паров лития). Схема уровней в атоме лития показана на рисунке 3.

Рис. 3. Схема уровней энергии атома лития и их трансформации в зоны при объединении атомов в кристалл. Красным цветом обозначены занятые состояния.

Рассмотрим теперь множество атомов лития, находящихся в ограниченном объеме. Они могут образовывать газ (пар), жидкость или твердое тело. При достаточно низкой температуре силы взаимного притяжения препятствуют тепловому движению атомов, образуется кристалл. Это наверняка происходит при абсолютном нуле температуры, когда все известные вещества, кроме гелия,- кристаллы.

Итак, из опыта известно, что при низких температурах твердое тело - устойчивое состояние для лития. Но, как известно, устойчивым всегда является такое состояние вещества, в котором его внутренняя энергия меньше, чем в других возможных агрегатных состояниях при той же температуре. Суммарное уменьшение энергии при переходе из одного состояния в другое легко измерить - ведь это и есть теплота испарения или плавления.

С микроскопической точки зрения при низких температурах внутренняя энергия вещества есть, в первую очередь, сумма энергий электронов атомов, составляющих тело. Но электроны в атомах занимают строго определенные уровни энергии. Значит, мы можем ожидать, что при сближении атомов изменятся уровни энергии. При этом распределение электронов по уровням должно оказаться таким, чтобы их суммарная энергия была меньше, чем сумма энергий электронов в таком же количестве изолированных друг от друга атомов.

Что произойдёт с уровнями, можно понять исходя из аналогии движения электрона в атоме с любой колебательной системой, например с маятником. Пусть у нас есть два совершенно одинаковых маятника. Пока они не взаимодействуют друг с другом, частота колебаний обоих маятников одна и та же. Введем теперь взаимодействие между ними - свяжем их, например, мягкой пружинкой. И сразу же вместо одной частоты появятся две. Посмотрите на рисунок 4: связанные маятники могут колебаться синфазно, а могут навстречу друг другу. Очевидно, в последнем случае их движение будет более быстрым, т. е. частота колебаний такой системы выше собственной частоты колебаний одного маятника. Таким образом, связь приводит к расщеплению частот. Если связать три маятника, то станет уже три собственных частоты, у системы из четырех связанных маятников четыре собственные частоты и так далее до бесконечности.

Рис. 4. Колебания связанных маятников.

Поведение любой другой колебательной системы подобно. Если мы заменим маятники, например, на электрические колебательные контуры, то, как хорошо знают радиолюбители, при введении связи между ними их собственные частоты также расщепляются. Электроны в атоме - это тоже своеобразная колебательная система. Как и маятник, электроны имеют массу, есть сила Кулона, возвращающая их к положению равновесия; и этим определяется движение электронов в атоме, характеризуемое, согласно квантовой механике, собственной частотой. Для электронов включение взаимодействия при взаимном сближении приводит к тому, что частоты, бывшие до того одинаковыми, становятся немного разными.

В квантовой механике имеется прямая связь между энергией и частотой колебаний, выражаемая формулой \(~E = h \nu\), где h = 6,6·10 -34 Дж·с - постоянная Планка, а ν - частота колебаний. Поэтому надо ожидать, что при сближении двух атомов лития каждый из уровней, показанных на рисунке 3, расщепится на два. Каждому новому уровню энергии будет соответствовать своя электронная оболочка теперь уже не отдельного атома, а «молекулы». Оболочки заполняются электронами по тому же правилу, что и у атома,- по два электрона на оболочку. Та пара оболочек, которая получилась из самого нижнего уровня, будет полностью заполнена электронами. Действительно, на них можно разместить четыре электрона, а их у двух атомов лития - шесть. Остаются два электрона, которые теперь расположатся на нижнем из уровней второй пары. Заметьте, какой произошел качественный скачок: раньше эти два электрона занимали два из четырех состояний, имеющих одинаковую энергию. Теперь у них появилась возможность выбирать, и они расположились так, чтобы их суммарная энергия была поменьше. Нетрудно сообразить, что произойдет при добавлении следующих атомов: для трех атомов каждый исходный уровень расщепится на три (см. рис. 3). Девять электронов расположатся так: шесть на нижней триаде уровней, возникших из уровня ближайшей к ядру внутренней заполненной оболочки атома; еще два электрона - на нижнем уровне следующей триады; оставшийся электрон - на среднем уровне той же триады. Еще одно место на этом уровне остается свободным, а верхний уровень полностью пуст. Если взять n атомов (\(~n \gg 1\)), то каждый уровень расщепится на n тесно расположенных уровней, образующих, как говорят, полосу или зону разрешенных значений энергии. В нижней полосе все состояния заняты, а во второй - только половина, и именно те, энергия которых ниже. Следующая полоса - полностью пустая.

Расстояние между соседними уровнями в зоне легко оценить. Естественно считать, что при сближении атомов изменение энергии электронов атома примерно равно теплоте испарения вещества, пересчитанной на один атом. Она составляет для металлов обычно несколько электронвольт, а значит, и полная ширина зон ΔE , определяемая взаимодействием соседних атомов, должна иметь тот же масштаб, т. е. ΔE ~ 1 эВ ≈ 10 -19 Дж. Для расстояния между уровнями получим \(~\delta E \sim \dfrac{\Delta E}{n}\), где n - число атомов в образце. Это число чрезвычайно велико: межатомное расстояние составляет всего несколько ангстремов, и объем, приходящийся на один атом, оказывается всего ~ 10 -22 см 3 . Если наш образец имеет, для определенности, объем 1 см 3 , то для него n ≈ 10 22 . Поэтому численно оказывается δE ≈ 10 -22 · ΔE ≈ 10 -41 Дж. Эта величина столь мала, что всегда можно пренебречь квантованием энергии внутри зоны и считать, что в пределах зоны разрешены любые значения энергии.

Итак, в кристалле уровни энергии размываются в зоны, имеющие ширину, сравнимую с расстоянием между ними. Разрешенными для электронов являются состояния внутри зоны, и здесь электроны могут иметь практически любую энергию (разумеется, в пределах ширины зоны). Но очень важно, что число мест в каждой зоне строго ограничено и равно удвоенному числу атомов, составляющих кристалл. И это обстоятельство, совместно с принципом минимума энергии, определяет распределение электронов по зонам. Теперь у нас все готово, чтобы наконец понять, почему литий проводит ток. Взглянем опять на рисунок 3. Что же получилось? Пока атомы были сами по себе, все электроны находились во вполне определенных состояниях, строго одинаковых для всех атомов. Теперь атомы объединились в кристалл. Сами атомы в кристалле не только одинаковы, но и совершенно одинаково расположены относительно соседей (за исключением, конечно, тех, которые попали на поверхность кристалла). А все электроны имеют теперь разные энергии. Это может быть только в том случае, если электроны больше не принадлежат отдельным атомам, а каждый электрон «поделили» между собой все атомы. Другими словами, электроны свободно передвигаются внутри идеального кристалла, образуя как бы жидкость, которая заполняет весь объем образца. И электрический ток - это направленный поток этой жидкости, аналогичный текущей по трубам воде.

Чтобы заставить воду течь по трубе, надо создать разность давлений у концов трубы. Тогда под действием внешних сил молекулы приобретут направленную скорость - вода потечет. Очень важно здесь появление именно направленной скорости, ведь сами по себе молекулы хаотически движутся с громадными скоростями - при комнатной температуре средняя скорость теплового движения молекулы порядка 10 3 м/с. Так что дополнительная энергия, приобретаемая молекулой в потоке, мала по сравнению с энергией теплового движения.

Дополнительная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он участвовал в общем направленном движении электронов в кристалле (а это и есть ток), также мала по сравнению с собственной энергией электрона. В этом нетрудно убедиться. Мы уже говорили, что энергия электрона по порядку величины равна 1 эВ = 1,6·10 -19 Дж. Если вспомнить, что для свободного электрона \(~E = \dfrac{m \upsilon^2}{2}\) и m = 9,1·10 -31 кг, то легко найти скорость: υ ~ 10 6 м/с. Предположим, что все электроны участвуют в токе, а их в 1 м 3 проводника n ~ 10 28 Z (Z - заряд ядра). Тогда в проводе с поперечным сечением S = 10 -6 м 2 при токе I ≈ 10 А (при большем токе провод расплавится) направленная скорость электронов равна \(~\upsilon_H = \dfrac{I}{neS} \approx 10^{-2} - 10^{-3}\) м/с. Значит, энергия электрона, участвующего в токе, больше энергии Е свободного электрона всего на 10 -8 Е , т. е. на 1,6·10 -27 Дж.

И тут мы сталкиваемся с удивительным фактом: оказывается,электроны, которые расположены в нижней зоне, называемой обычно валентной, не могут изменить свою энергию на малую величину. Ведь если какой-то электрон увеличит свою энергию, то это значит, что он должен перейти на другой уровень, а все соседние уровни в валентной зоне уже заняты. Свободные места есть только в следующей зоне. Но чтобы туда попасть, электрон должен изменить свою энергию сразу на несколько электрон-вольт. Вот так и сидят электроны в валентной зоне и ждут журавля в небе - энергичного кванта. А кванты нужной энергии бывают у видимого или ультрафиолетового света.

Итак, жидкость есть, а течь она не может. И если бы у лития было всего два электрона в атоме, т. е. если бы мы строили картинку для атомов лития, то получили бы мы изолятор. Но твердый гелий - действительно изолятор, так что мы можем уже поздравить себя с некоторым успехом: мы еще не объяснили, почему в металлах может течь ток, зато поняли, почему диэлектрики, где электронов полным-полно и все они «размазаны» по всему кристаллу, не проводят ток.

А что же литий? Да ведь у него есть вторая зона, которая заполнена только наполовину. Энергию, разделяющую занятые и свободные уровни внутри этой зоны, называют энергией Ферми E ф. Как мы уже говорили, разность энергий между уровнями в зоне очень невелика. Электрону, который расположен в зоне возле уровня Ферми, достаточно чуть-чуть увеличить свою энергию - и он на свободе, там, где состояния не заняты. Электронам из приграничной полосы ничто не мешает увеличить энергию под действием электрического поля и приобрести направленную скорость. А ведь это и есть ток! Но так же легко этим электронам и потерять направленную скорость, столкнувшись с атомами-примесями (которые всегда есть) или с другими нарушениями идеальной структуры кристалла. Этим объясняется сопротивление току.

Кажется, ясно, почему гелий - изолятор, а литий - проводник. Попробуем-ка наши представления применить к следующему элементу - бериллию. И тут - осечка, модель не сработала. У бериллия - четыре электрона, и, казалось бы, должны быть полностью заняты первая и вторая зоны, а третья обязана быть пустой. Получается изолятор, в то время как бериллий - металл.

Дело вот в чем. Если ширина зон достаточно велика, то они могут налезть друг на друга. Про такое явление говорят, что зоны перекрываются. У бериллия так и происходит: минимальная энергия электронов в третьей зоне меньше, чем максимальная во второй. Поэтому электронам оказывается энергетически выгодно оставить пустой часть второй зоны и занять состояния внизу третьей. Вот и получается металл.

А что будет с другими элементами? Перекрываются зоны или нет, заранее сказать нельзя, для этого нужны громоздкие расчеты на ЭВМ, и то не всегда можно получить достоверный ответ. Но вот что примечательно: из нашей схемы следует, что если брать элементы с нечетным числом электронов, то всегда должен получаться металл, если только структурной единицей в кристалле является отдельный атом. А вот водород, например, азот и фтор не желают кристаллизоваться в такую решетку. Они предпочитают сначала объединиться попарно, а уже молекулы, содержащие по четному числу электронов, выстраиваются в кристалл. И законы квантовой механики не мешают ему быть диэлектриком.

Итак, мы теперь знаем, что такое металл с точки зрения физики, и разобрались в самой сути явления, поняв, почему в принципе существуют изоляторы и проводники. Мы увидели, что нельзя предложить простой способ объяснения, почему какое-то конкретное вещество оказалось диэлектриком или металлом. Сделать это можно, лишь вооружившись всей мощью аппарата современной квантовой механики и вычислительной техники, но это уже задача специалистов.

Химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью (см. Химическая связь). Из 110 известных химических элементов (см. Периодическая система химических элементов) 88 - металлы и только 22 - неметаллы.

Такие металлы, как золото, серебро и медь, известны человеку с доисторических времен. В древние и средние века считали, что существует только 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть). М. В. Ломоносов определял металл как «светлое тело, которое ковать можно» и относил к металлам золото, серебро, медь, олово, железо и свинец. А. Лавуазье в «Начальном курсе химии» (1789) упоминал уже 17 металлов. В начале XIX в. последовало открытие платиновых металлов, затем щелочных, щелочноземельных и ряда других.

Триумфом периодического закона было открытие металлов, предсказанных на его основе Д. И. Менделеевым,- галлия, скандия и германия. В середине XX в. с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы - не существующие в природе радиоактивные металлы.

Современная металлургия получает свыше 60 металлов и на их основе более 5000 сплавов.

В основе структуры металлов лежит кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов. Эти электроны компенсируют силы электрического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их в твердые тела.

Такой тип химической связи называют металлической связью. Она обусловила важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.

Пластичность - это способность металлов изменять форму при ударе, прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходит смещение атомов и ионов кристаллической решетки, однако связи между ними не разрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образующие связь. Пластичность металлов уменьшается в ряду Au, Ag, Си, Sn, Pb, Zn, Fe. Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной до 0,003 мм, которые используют для золочения.

Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры колебания ионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурах колебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, и электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводник электричества - серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Также изменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов.

Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют плотность, температура плавления и твердость. Самый легкий из металлов - литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый - осмий (22,6 г/см3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см3 называются легкими, остальные - тяжелыми. Температуры плавления металлов различаются очень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температура плавления вольфрама +3410° С. При обычных условиях единственный жидкий металл - ртуть. В парообразном состоянии все металлы одноатомны, их кристаллическая решетка разрушается.

Металлы различаются по твердости. Самый твердый из них - хром - режет стекло, а самые мягкие - калий, рубидий и цезий - легко режутся ножом. Прочность, температура плавления и твердость зависят от прочности металлической связи. Она особенно велика у тяжелых металлов.

В технике сплавы на основе железа, т. е. чугун, сталь, а гакже само железо называют черными металлами, все остальные металлы называются цветными. Существуют и другие классификации металлов (см. Периодическая система химических элементов).

Химические свойства металлов определяются слабой связью валентных электронов с ядром атома. Атомы сравнительно легко отдают их, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. В этом их главное и наиболее общее химическое свойство.

Очевидно, как восстановители металлы должны вступать в реакции с различными окислителями, среди которых могут быть простые вещества (неметаллы), кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. Соединения металлов с кислородом называются оксидами, с галогенами галогенидами, с серой - сульфидами, с азотом -нитридами, с фосфором - фосфидами, с углеродом - боридами, с водородом - гидридами и т. д. Многие из этих соединений нашли важное применение в технике.

При взаимодействии металлов с кислотами окислителем является ион водорода Н + , который принимает электрон от атома металла:

Mg - 2e - = Mg 2+

_________________

Mg + 2H + = Mg 2+ + H 2

Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (ряду напряжений) левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород из разбавленных кислот типа НСl или H2SO4, а металлы, стоящие правее водорода, его не вытесняют.

Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активных металлов можно иллюстрировать примером:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Сu

В этом случае происходит отрыв электронов от атомов более активного металла - цинка и присоединение их ионами менее активного Си2+. Руководствуясь рядом стандартных электродных потенциалов, можно сказать, что металл вытесняет (восстанавливает) из растворов их солей многие следующие за ним металлы.

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) взаимодействуют и с водой, которая в этом случае выступает в роли окислителя.

Металлы, гидроксиды, которые амфотерны (см. Амфотерность), как правило, взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей.

Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Такие соединения обычно образуют типичные металлы с металлами, обладающими слабыми металлическими свойствами, например определенные соединения натрия со свинцом:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, интерметаллических соединений, или металлидов.

Рассмотренные свойства металлов, связанные с отдачей электронов в химических реакциях, называют металлическими. В различной степени ими обладают все химические элементы. О металлических свойствах судят, сопоставляя электроотрицательности элементов. Эта величина, выраженная в условных единицах, характеризует способность атома в молекуле притягивать электроны. Относительные значения электро-отрицательностей элементов приведены в таблице. Чем меньше электроотрицательность, тем сильнее выражены металлические свойства элементов.

В процессе изготовления изделий методом художественной обработки металла используют как драгоценные, так и недрагоценные металлы и их сплавы. К драгоценным относятся золото, серебро, платина и металлы платиновой группы: палладий, рутений, иридий, осмий, а к недрагоценным - черные металлы - сталь, чугун - и цветные металлы - медь, латунь, бронза, алюминий, магний, мельхиор, нейзильбер, никель, цинк, свинец, олово, титан, тантал, ниобий. Используют также в виде небольших добавок для изменения свойства сплавов или в качестве покрытий кадмий, ртуть, сурьму, висмут, мышьяк, кобальт, хром, вольфрам, молибден, марганец, ванадий.

Алюминий. Этот мягкий серебристо-белый металл легко прокатывается, тянется и режется. Для повышения прочности в сплавы алюминия добавляют кремний, медь, магний, цинк, никель, марганец, хром. Из алюминиевых сплавов изготовляют литые архитектурные детали и скульптуры, а также ювелирные украшения.

Бронза. Это сплав меди с цинком, оловом, свинцом. Выпускают также и безоловянистые бронзы. В истории человечества целая эпоха носит название бронзового века, когда люди, научившись выплавлять бронзу, изготовляли из нее предметы быта, оружие, денежные знаки (монеты), украшения. В настоящее время из бронзы изготовляют памятники, монументальные скульптуры, а также предметы внутреннего убранства театров, музеев, дворцов, подземных вестибюлей станции метро.

Золото. С глубокой древности и до наших дней золото является самым распространенным металлом для изготовления ювелирных изделий, предметов сервировки стола и украшения интерьера. Широко применяют его в целях золочения черных и цветных металлов, а также для приготовления припоев. Золото в чистом виде - это металл красивого желтого цвета. Сплавы золота могут быть белого, красного, зеленого цветов, а также окрашенными в черный цвет. Золото - очень вязкий, пластичный и ковкий металл. Сплавы золота хорошо режутся, шлифуются и полируются. Золото не подвержено окислению. Оно растворяется только в селеновой кислоте и царской водке - смеси концентрированных кислот: одной части азотной и трех частей соляной.

Иридий. Этот металл внешне напоминает олово, но отличается от него высокой твердостью и хрупкостью. Иридий хорошо полируется, но трудно поддается обработке резанием. На него не действуют ни щелочи, ни кислоты, ни их смеси. Применяют иридий в ювелирном деле.

Латунь. Это сплав меди с цинком, применяемый для изготовления предметов сервировки стола и украшения интерьера (чеканок), а также различных ювелирных изделий, нередко посеребренных или позолоченных. Латуни успешно обрабатываются резанием, легко паяются, прокатываются, штампуются, чеканятся, никелируются, серебрятся, золотятся, оксидируются", по сравнению с чистой медью они более прочны и тверды, значительно дешевле и наряднее по цвету. Латунь с малым содержанием цинка (от 3 до 20%), называемая томпаком, имеет красновато-желтый цвет.

Магний. Этот металл в четыре раза легче бронзы. Сплавы, состоящие из магния, алюминия, марганца, цинка, а также меди и кадмия, применяют в последнее время для изготовления предметов украшения интерьера промышленных объектов.

Медь. Это мягкий, исключительно пластичный и вязкий металл, легко поддающийся обработке давлением: волочению, прокатке, штамповке, чеканке. Медь хорошо шлифуется и полируется, но быстро теряет блеск; ее затруднительно точить, сверлить, фрезеровать. Чистую или красную медь применяют для изготовления ювелирных филигранных изделий и предметов украшения интерьера - чеканок. Используют медь для приготовления припоев (медных, серебряных, золотых), а также в качестве добавки в различные сплавы.

Никель. Белого цвета, с сильным блеском металл, химически стойкий, тугоплавкий, прочный и пластичный; в чистом виде в земной коре не встречается. Применяют никель в основном для декоративно-защитного покрытия предметов сервировки стола и ювелирных украшений, а сплавы на основе никеля (мельхиор и нейзильбер), обладающие достаточной коррозионной стойкостью, прочностью, пластичностью и способностью легко прокатываться, чеканиться, штамповаться и полироваться, используют для изготовления предметов сервировки стола и украшения интерьера, а также ювелирных изделий.

Ниобий. Очень схож с танталом. Устойчив к воздействию кислот: на него не действуют царская водка, соляная, серная, азотная, фосфорная, хлорная кислоты. Ниобий растворяется только в плавиковой кислоте и ее смеси с азотной кислотой. В последнее время его стали применять за рубежом для изготовления ювелирных украшений.

Олово. В древности из олова чеканили монеты и изготовляли сосуды. Этот мягкий и вязкий металл по цвету темнее серебра, а по твердости превосходит свинец. В ювелирном деле его используют при приготовлении припоев и как компонент сплавов цветных металлов, а в последнее время, кроме того, для изготовления ювелирных изделий и предметов украшения интерьера.

Осмий. Это блестящий, синевато-серый металл, очень твердый и тяжелый. Осмий не растворяется в кислотах и их смесях. Применяют его в сплавах с платиной.

Палладий. Этот вязкий пластичный металл легко поддается ковке, прокатке. По цвету палладий темнее серебра, но светлее платины. Растворяется он в азотной кислоте и царской водке. Применяют палладий для изготовления ювелирных украшений, а также используют как добавки в сплавах с золотом, серебром, платиной.

Платина. Применяют платину для изготовления ювелирных украшений и в качестве декоративного покрытия. Пластичность, прочность, износостойкость, игра цвета - вот свойства платины, которые так привлекают ювелиров. Платина - это блестящий, белого цвета металл, очень ковкий, с большим трудом растворяется даже в кипящей царской водке - смеси трех частей азотной и пяти частей соляной кислот. В природе платина встречается с примесью палладия, рутения, родия, иридия, осмия.

Родий. Достаточно твердый, но хрупкий металл, по цвету напоминающий алюминий. Родий не растворяется в кислотах и их смесях. Используют родий для декоративного покрытия ювелирных изделий.

Рутений. Металл, внешне почти не отличающийся от платины, но более хрупкий и твердый. Применяют его в сплаве с платиной.

Свинец. Очень мягкий и вязкий металл, легко прокатывается, штампуется, прессуется, хорошо отливается. Свинец известен издревле и широко применялся для изготовления скульптур и декоративных деталей архитектуры. В ювелирном деле свинец используют для приготовления припоев и как компонент в сплавах.

Серебро. Этот металл очень широко применяют для изготовления предметов сервировки стола и украшения интерьера, различных ювелирных изделий, а также используют для приготовления припоев, в качестве декоративного покрытия и лигатуры в золотых, платиновых и палладиевых сплавах. Серебро обладает высокой пластичностью и ковкостью, хорошо режется, полируется, прокатывается. Оно тверже золота, но мягче меди, растворяется лишь в кислотах азотной и горячей серной.

Сталь. Сталь получают путем переплавки передельного (белого) чугуна. При производстве художественных изделий применяют сталь нержавеющую и вороненую - темного цвета (специально обработанную). Из нержавеющей стали изготовляют предметы сервировки стола и украшения интерьера, а в последнее время и ювелирные изделия, из вороненой стали - ювелирные украшения. Для придания изделиям из нержавеющей стали более нарядного вида их золотят или серебрят.

Тантал. Металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком, второй после вольфрама по тугоплавкости. Ему свойственны пластичность, прочность, хорошая свариваемость, коррозионная стойкость. Ювелирные фирмы западных стран применяют тантал для изготовления отдельных видов ювелирных украшений.

Титан. Это блестящий, серебристого цвета металл, легко поддающийся различным видам обработки: его можно сверлить, точить, фрезеровать, шлифовать, паять, клеить. По коррозионной стойкости титан сравним с драгоценными металлами. Он обладает высокой прочностью, имеет низкую плотность, является достаточно легким. В последнее время в зарубежных странах из титана изготовляют широкий ассортимент самых разнообразных ювелирных украшений.

Цинк. Это металл серовато-белого цвета с синеватым оттенком. Первые художественные изделия из цинка - декоративные скульптуры, барельефы - появились в XVIII веке. В конце XIX века из цинка методом художественного литья изготовляли подсвечники, настольные бра, канделябры, декоративные скульптуры, которые нередко тонировали под бронзу или золотили. В ювелирном деле цинк применяют для приготовления припоев, а также как один из компонентов в различных сплавах.

Чугун. Существуют следующие виды чугуна: литейный (серый), передельный (белый) и специальный. Для изготовления художественных изделий используют только литейный или серый чугун. Серый чугун - основной материал для художественного литья. Из него отливают вазы и скульптуры малых форм, ларцы и шкатулки, пепельницы и подсвечники, предметы садово-паркового назначения и многие другие изделия.

Особенностями строения металлов определяются их характерные физические свойства.

Пластичность. При деформации (изменении формы куска металла) ионы лишь смещаются относительно друг друга, но разрыва не происходит, так как связывающие их электроны, соответственно переместившись, продолжают осуществлять связь между сместившимися ионами. На практике пластичность проявляется в том, что под ударами молота металлы не дробятся на куски, а расплющиваются – они ковки. Самый пластичный металл – золото: его можно вытягивать в тонкие золотые нити, невидимые человеческому глазу или раскатывать в тончайшие полупрозрачные листы.

Электрическая проводимость объясняется способностью электронов легко перемещаться по всему куску металла.

Высокая теплопроводность также обусловлена движением электронов, так как именно они передают теплоту в разные участки куска металла, благодаря электронам металлы обладают характерными оптическими свойствами непрозрачности и металлического блеска. Металлы блестят потому, что отражают от своей поверхности световые лучи, а не пропускают их, как стекло, и не поглощают их как сажа.

Различные свойства проявляются в металлах в неодинаковой степени. Самой лучшей проводимостью обладает серебро, второе место по электронной проводимости занимает медь, далее следует алюминий. С помощью этих металлов можно передавать электрическую энергию на большие расстояния. Но в электротехнике в качестве материала для проводки используются алюминий и медь, так они значительно дешевле серебра.

В таком же порядке металлы располагаются и по теплопроводности: серебро, медь, алюминий.

Из более важных свойств металла стоит обратить внимание на плотность, твёрдость, прочность и температуру плавления. Плотность металла тем больше, чем больше его относительная атомная масса и чем меньше радиус атома и наоборот. Например, у лития – 534 кг/м 3 , а у осмия – 22500 кг/м 3 . Металлы с плотностью ниже 5000 кг/м 3 называют лёгкими: магний, алюминий, титан. Металлы с большой плотностью: свинец, осмий.

Такие свойства металлов, как прочность, твёрдость и температура плавления зависят от прочности металлической связи. Особенно сильна эта связь у тяжёлых металлов с достраивающимся предпоследним электронным слоем атома: тантала, вольфрама и др. Эти металлы и отличаются высокой твёрдостью и низкой плавкостью.

Температура плавления металлов изменяется от 39˚ С (ртуть) до 3410˚ С (вольфрам). Ртуть является единственным жидким металлом.

Твёрдость металлов изменяется в широких пределах: щелочные металлы достаточны мягкие, а саамы твёрдые металлы не поддаются обработке напильником.

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Подавляющее большинство простых веществ – это металлы. Физические свойства металлов – это непрозрачность, специфический "металлический" блеск, высокие тепло- и электропроводность, а также пластичность. Именно благодаря этим свойствам металлы сыграли решающую роль в истории человечества.

Какова причина того, что металлы имеют такие свойства и почему они так отличаются от неметаллов? Периодический закон и теория строения атома объяснили структуру и свойства металлов. Оказалось, что металлические свойства элементов обусловленные электронным строением их атомов.

Металлы на внешних электронных оболочках имеют 1–4 электрона. Эти электроны подвижные, так как слабо притягиваются ядром. Через это металлы легко отдают все или часть внешних электронов, вследствие чего возникают положительно заряженные ионы – катионы. Чем легче металлы теряют свои электроны, тем они активнее и тем сильнее выражены их металлические свойства.

В атомах неметаллов на внешних электронных оболочках много электронов 4–8, за исключением водорода (1) и бора (3). Эти электроны сильно притягиваются ядром и поэтому оторвать их от атома очень тяжело. Но атомы неметаллов могут присоединять избыточные электроны и превращаться в отрицательно заряженные ионы – анионы.

Все металлы, за исключением жидкой , при обычных условиях твердые и имеют кристаллическую структуру. Свойства металлов тесно связаны со строением их . В узлах кристаллической решетки размещены атомы и ионы (катионы), причем количество ионов и электронов в кристаллах разные металлы имеют неодинаковое. Внешние электроны, поскольку они подвижны и слабо притягиваются ядрами, образовывают так называемый "электронный газ", который "блуждает" между ионами в кристалле. "Электронный газ" принадлежит не отдельным ионам, а кристаллу в целом. Именно благодаря наличию в кристаллической решетке металлов таких подвижных электронов можно объяснить их высокие электро- и теплопроводность. "Электронный газ" хорошо отражает свет (поэтому металлы непрозрачны и имеют характерный блеск), а также короткие радиоволны. Последнее свойство металлов положено в основу радиолокации.

Металлы можно ковать и их способность к вытягиванию поясняется скольжением (перемещением) одних пластов ионов относительно других.

Как уже отмечалось, чем легче металлы отдают свои валентные электроны, тем они активнее и, поэтому, легче вступают в химические реакции. Более активные металлы вытесняют менее активные с их соединений. Кроме того, многие металлы вытесняют водород с некоторых кислот, а также из воды. Исходя из этого, все металлы можно расположить в так называемый ряд активностей, или электрохимический ряд напряжений.

Платиновые металлы, золото и серебро издавна называют благородными. Они химически довольно инертные, и поэтому не реагируют ни с водой, ни с многими кислотами. Как и благородные металлы ведут себя титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал, молибден, вольфрам и рений, которые также химически пассивные. Они жароустойчивые и имеют замечательные механические свойства. Именно поэтому эти металлы и их сплавы играют огромную роль в современной авиации, ракетостроении и ядерной энергетике.