Физические, химические, механические и технологические свойства металлов

Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.

Свойства металлов и сплавов

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

1. Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
2. Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
3. Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

1. Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
2. Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
3. Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Классификация веществ. Металлы | Химия 11 класс #20 | Инфоурок

Свойства металлов (стр. 1 из 2)

Свойства металлов.

1.Основные свойства металлов.

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.

К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием.

1. Физические и химические свойства.

Цвет. Металлы непрозрачны, т.е. не пропускают сквозь себя свет, и в этом отраженном свете каждый металл имеет свой особенный оттенок – цвет.

Из технических металлов окрашенными являются только медь (красная) и ее сплавы. Цвет остальных металлов колеблется от серо- стального до серебристо – белого. Тончайшие пленки окислов на поверхности металлических изделий придают им дополнительные окраски.

Удельный вес. Вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах, называется удельным весом.

По величине удельного веса различают легкие металлы и тяжелые металлы. Из технических металлов легчайшим является магний ( удельный вес 1,74), наиболее тяжёлым – вольфрам (удельный вес 19,3). Удельный вес металлов в некоторой степени зависит от способа их производства и обработки.

Плавкость. Способность при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое является важнейшим свойством металлов. При нагревании все металлы переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении расплавленного металла – из жидкого состояния в твердого. Температура плавления технических сплавов имеет не одну определённую температуру плавления, а интервал температур, иногда весьма значительный.

Электропроводность. Электропроводность заключается в переносе электричества свободными электронами. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. При повышении температуры электропроводность металлов падет, и при понижении – возрастает. При приближении к абсолютному нулю (- 2730С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +2320 (олово) до 33700 (вольфрам). Большинство увеличивается (сопротивление, падает почти до нуля).

Электропроводность сплавов всегда ниже электропроводности одного из компонентов, составляющих сплавов.

Магнитные свойства. Явно магнитными (ферромагнитьными) являются только три металла: железо, никель, и кобальт, а также некоторые их сплавы. При нагревании до определённых температур эти металлы также теряют магнитные свойства. Некоторые сплавы железа и при комнатной температуре не являются ферромагнитными. Все прочие металлы разделяются на парамагнитные (притягивают магнитами) и диамагнитные (отталкиваются магнитами).

Теплопроводность. Теплопроводность называется переход тепла в теле от более нагретого места к менее нагретому без видимого перемещения частиц этого тела. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать.

Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается.

Теплоёмкость. Теплоёмкость называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 10.

Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 10.

Удельная теплоёмкость металлов в сравнении с другими веществами невелика, что позволяет относительно легко нагревать их до высоких температур.

Расширяемость при нагревании. Отношение приращения длины тела при его нагревании на 10 к первоначальной его длине называется коэффициентом линейного расширения. Для различных металлов коэффициентом линейного расширения колеблется в широких пределах. Так, например, вольфрам имеет коэффициент линейного расширения 4,0·10-6 , а свинец 29,5 ·10-6.

Коррозионная стойкость. Коррозия есть разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Примером коррозии является ржавление железа.

Высокая сопротивляемость коррозии (коррозионная стойкость) является важным природным свойством некоторых металлов: платины, золота и серебра, которые именно поэтому и получили название благородных. Хорошо сопротивляются коррозии также никель и другие цветные металлы. Черные металлы коррозируют сильнее и быстрее, чем цветные.

2. Механические свойства.

Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.

Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.)

Вязкость называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости.

Пластичность.

Пластичностию называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство, обратное упругости.

В табл. 1 приведены свойства технических металлов.

Свойства технических металлов.

Название металла	Удельный вес(плотность) г\см3	Температура плавления 0С	Твердость по Бринеллю	Предел прочности(временное сопротивление) кг\мм2	Относительное удлинение %	Относительное сужение поперечного сечения %
АлюминийВольфрамЖелезоКобальтМагнийМарганецМедьНикельОловоСвинецХромЦинк	2,719,37,878,91,747,448,848,97,311,347,147,14	6583370153014906511242108314522323271550419	20-3716050125252035605-104-610830-42	8-1111025-337017-20Хрупкий2240-502-41,8Хрупкий11,3-15	40—21-55315Хрупкий60404050Хрупкий5-20	85—68-55—20Хрупкий757074100Хрупкий—

3. Значение свойств металлов.

Механические свойства.

Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, — это достаточная прочность.

Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.

Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать ещё особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Так, например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.

Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью

Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергается ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).

Физические свойства.

В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и особенно магния являются здесь незаменимыми. Удельная прочность( отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых, сплавов выше, чем для мягкой стали.

используется для получения отливок путём заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы(например, свинец) используются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляется в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографических матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров.

Металлы с высокой электропроводностью

(медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Магнитные свойства

металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, мотора, трансформаторы),для приборов связи ( телефонные и телеграфные аппараты) и используются во многих других видах машин и приборов.

Теплопроводность

металлов дает возможность производить их физические свойства. Теплопроводность используется также при производстве пайки и сварки металлов.

Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения

, близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп. Расширение металлов должно применяться во внимание при постройке длинных сооружений, например, мостов. Нужно также учитывать,что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение.

Химические свойства.

Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (колосниковые решётки, детали химических машин и приборов). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислостойкие и жаропрочные стали, а также применяются защитные покрытия.

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Производство стали

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

1. Устойчивость к низким температурам.
2. Электропроводность.
3. Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
4. Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Алюминий. Сплавы алюминия. Алюминиевые рамы для велосипеда.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Двигатель внутреннего сгорания

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

1. Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
2. Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
3. Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
4. Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
5. Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
6. Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

1. Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
2. Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
3. Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

• прочность;
• твердость;
• пластичность;
• вязкость;
• хрупкость;
• устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические и химические свойства твердых металлов

К технологическим свойствам относятся свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием, пр. От этих особенностей зависит возможность осуществления каких-либо операций, так как они влияют на пригодность металла к обработке определенными способами.

Свариваемость позволяет добиваться надежных сварных соединений без трещин и иных дефектов, в том числе на прилегающих к шву участках. В некоторых случаях металл может подходить для сварки одним методом, но давать некачественный результат при смене технологии. Так, элементы из дюралюминия удовлетворительно скрепляются при помощи точечной сварки, чего не скажешь о соединении методом газовой сварки. На чугуне получаются хорошие швы за счет газовой сварки с подогревом и слабые при дуговой.

Жидкотекучесть – это свойство, которое дает возможность заливать горячие металлы и их сплавы в литерную форму.

Ковкость, то есть свойство твердых металлов и сплавов изменять форму под действием давления.

Обрабатываемость резанием позволяет относительно легко работать с металлом острым режущим инструментом: резцом, фрезой, пр. Данное свойство очень важно на таких этапах механической обработки, как резание, фрезерование, пр.

Под химическими свойствами понимают способность металлов вступать в реакцию с другими веществами, в том числе, с кислородом. Если металл быстро реагирует с вредными для него элементами, это приводит к быстрой потере им свойств. Разрушение металлов под действием окружающей среды – это коррозия. Отрицательно сказываться на состоянии материала могут воздух, влага, растворы солей, кислот, щелочей. Для защиты изделий от всех перечисленных факторов используют специальные нержавеющие, кислотостойкие и другие виды сталей.

Реферат на тему: Металлы

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

В природе существует более 100 химических элементов, которые разделены на две группы: металлы и неметаллы (металлоиды). Металлы — это вещества с характерными свойствами: хорошая тепло- и электропроводность, пластичность, особый металлический блеск.

Такие металлы, как золото, серебро и медь известны человеку с доисторических времен. М.В. Ломоносов определил металл как «легкое тело, которое может быть кованым» и классифицировал золото, серебро, медь, олово, железо и свинец как металлы. А. Лавуазье уже упоминал 17 металлов в своем «Первоначальном курсе химии» (1789). В начале XIX века последовало открытие платиновых металлов, а затем щелочей, щелочной земли и ряда других. Триумфом периодического закона стало открытие металлов: галлия, скандия и германия. В середине XX века с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы — -радиоактивные металлы, не присутствующие в ¬природе. Современная металлургия получает более 60 ¬металлов и на их основе более 5000 сплавов.

В промышленности обычно используются сплавы, а не чистые металлы. Металлы делятся на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы — сталь и чугун; ко всем другим цветным металлам относятся медь, алюминий, олово, свинец, цинк, никель, хром и т.д., которые классифицируются как содержащие железо. Черные металлы составляют более 90% всех металлов, используемых в промышленности для производства металлоконструкций (мостов, балок, ферм, колонн, резервуаров), для изготовления различных машин и оборудования, автомобилей, рельсов и др. Цветные металлы в основном используются в качестве добавок для улучшения свойств черных металлов или придания им особых свойств. Чистые металлы используются только в том случае, если материал имеет высокие требования к тепло- и электропроводности, высокую температуру плавления и т.д.

Поэтому актуальность этой темы не вызывает сомнений.

Целью данной работы является исследование и характеристика металлов и их физико-химических свойств.

Работа состоит из введения, двух глав, заявления и списка использованных источников. Общая длина работы составляет 15 страниц.

Металлы

Металлы (название происходит от лат. metalum — рудник) — вещества, которые, в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Эти характерные свойства металла обусловлены наличием в его кристаллической решетке свободно перемещающихся электронов. Из 107 химических элементов, известных в настоящее время, 85 относятся к металлам. Последние очень распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в глубинах суши, в водах рек, озер, морей и океанов, в составе тел животных и растений и даже в атмосфере. Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий.

Если включить тот или иной элемент в категорию металлов, то имеется в виду наличие определенных характерных свойств: металлический блеск, хорошая электропроводность, возможность легкой обработки (пластичность), высокая плотность, высокая температура плавления, высокая теплопроводность, способность к образованию сплавов.

Неметаллы не обладают вышеуказанными свойствами и резко отличаются по внешнему виду от металлов.

Классификация всех химических элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева по металлам и неметаллам является условной. Если периодическая таблица проходит по диагонали через бор и астат, то основные подгруппы справа от диагонали — неметаллические, а основные подгруппы слева от диагонали — боковые подгруппы, а восьмая группа (за исключением инертных газов) — металлы. А элементами, находящимися рядом с разделительной линией, являются так называемые металлоиды, т.е. вещества с промежуточными свойствами (металлы и неметаллы). В том числе: бор B, кремний Si, германий Ge, мышьяк A, сурьма Sb, теллур Te, полоний Ro.

В соответствии с местом, занимаемым в периодической таблице, проводится различие между переходными металлами (элементы боковых подгрупп) и непереходными металлами (элементы основных подгрупп). Металлы основных подгрупп характеризуются тем, что их атомы последовательно заполняются на электронном s- и p-уровне. В атомах металлов боковых подгрупп находится завершение d- и f-подгрупп.

Химические свойства

Химически все металлы характеризуются относительной легкостью отдачи валентных электронов и способностью образовывать положительно заряженные ионы. Следовательно, металлы в свободном состоянии являются восстановителями.

Восстановимость различных металлов варьируется и определяется их положением в электрохимическом ряду металла: Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au.

Металлы расположены в порядке их восстановительных свойств и повышения окислительных свойств их ионов. Эта последовательность характеризует химическую активность металлов только в окислительно-восстановительных реакциях, происходящих в водной среде.

Соотношение металлов к атмосферному кислороду. Наиболее активные металлы (литий, натрий, калий, цезий, барий, кальций) очень легко реагируют с атмосферным кислородом в холодную погоду. Менее активные металлы (алюминий, хром, марганец и т.д.) во время окисления на воздухе покрываются плотным оксидным слоем, который защищает их от дальнейшего взаимодействия с кислородом. При высоких температурах эти металлы горят, а иридий, золото не вступает в непосредственную реакцию с кислородом.

Отношение металлов к воде. Металл в виде простого вещества является восстановителем, и его восстановительные свойства выражены сильнее, чем ниже стандартный потенциал металла (Eo).

Для восстановления молекул воды в нейтральной среде (концентрация ионов водорода при 25о С соответствует 10-7 моль/л) необходимо применять потенциал -0.414 В (рассчитанный по уравнению Нернста). Следовательно, металлы с большим отрицательным потенциалом, чем -0,414 В, теоретически должны вытеснять водород из воды. Щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) и щелочно-земельные металлы (кальций, стронций, барий) — единственные металлы, которые при нормальной температуре легко реагируют с водой, так как их оксидные слои и продукты взаимодействия — гидроксиды — растворимы в воде. Они не защищают металл от его действия. Роль окислителя в этих реакциях берет на себя вода, о чем свидетельствует выделение водорода.

Менее активные металлы — магний, алюминий, цинк, железо — труднее окисляются. Более или менее высокие температуры необходимы для разложения их воды. Отсутствие видимого взаимодействия других активных металлов с водой при нормальной температуре обусловлено, главным образом, нерастворимостью природных оксидных слоев или образующихся продуктов. Это связано с наличием на поверхности алюминия очень плотного, тонкого слоя химически инертного оксида, который ни при каких условиях не взаимодействует с водой.

Однако некоторые активные металлы (Mg, Mn, Ti, Zn, Cr, Fe) при нагревании могут взаимодействовать с водой. Но и реакция взаимодействия этих металлов при нагреве отличается. Это зависит от активности металла и растворимости его оксидов и гидроксидов. Например, магний и марганец при нагревании активно реагируют с водой, а титан реагирует только с кипящей водой, а затем медленно. Цинк реагирует только с перегретым паром, в то время как хром и утюг реагируют паром только при температуре красного кальция.

Поэтому для растворения металла в воде требуется три условия:

1. чтобы естественный слой оксида металла мог раствориться в воде;
2. чтобы удержать эо-металл ниже 0,414 В;
3. чтобы продукт взаимодействия металл-вода растворялся в воде.

Соотношение металлов и кислых растворов. Тип взаимодействия металлов с кислотами зависит от активности окисленного металла, типа и концентрации кислоты. Роль окислителя могут играть ионы кислоты или основной элемент, образующий кислоту, насыщенную кислотой. В первом случае кислоты (соляная кислота, разбавленная серная кислота, уксусная кислота и некоторые другие) растворяют почти все металлы с отрицательными значениями стандартного электродного потенциала (алюминий, железо, цинк, никель и т.д.). Металлы с положительными значениями ЭО окисляются кислотными остатками азотной кислоты и концентрированной серной кислоты. Почти все металлы с потенциалом электродов ниже, чем у водорода, т.е. менее 0, также реагируют на эти кислоты. Во всех случаях продуктами взаимодействия металлов с азотной и концентрированной серной кислотами являются соль, продукт кислотного восстановления и вода.

При соответствующих условиях (тип металла и кислоты, их температура) металлы практически не растворяются в кислотах в результате пассивации. В целом, термин «пассивность» металлов используется для характеристики такого состояния металлов, когда они теряют способность протекать некоторые присущие им реакции в нормальных состояниях. Пассивация связана с образованием на поверхности металла плотных, почти нерастворимых пленок оксидов, солей или других соединений. В связи с образованием на поверхности алюминия оксидных пленок хром, железо, кобальт и никель не взаимодействуют с концентрированными (и особенно дымчатыми) азотной и серной кислотами на холоде. Нерастворимые соли обычно образуются при взаимодействии металлов с не сильными кислотами, такими как H3PO4, H2CO3, HF. Пассивация металлов широко используется в промышленности. Например, алюминий используется в качестве строительного материала в производстве концентрированной азотной кислоты, нержавеющая сталь в производстве серной кислоты, свинец в производстве разбавленной серной кислоты, хром добавляется в сплавы для придания им кислотности.

Соотношение металлов и щелочных растворов.

Для растворения металла в водных щелочных растворах требуется три условия:

1. чтобы растворить естественный слой оксида металла в щелочах;
2. что потенциал процесса окисления металла меньше -0,826 В;
3. что продукт взаимодействия металла с водой, т.е. гидроксид металла, обладает амфотерными свойствами.

В щелочной среде металлы, образующие амфотерные гидроксиды, оксиды, солевые гидроксиды.

Соотношение металлов и солевых растворов. Каждый металл в серии стандартных электродных потенциалов вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из их солевых растворов. Однако могут быть случаи, когда менее активные металлы в водной среде взаимодействуют с солями, образованными активными металлами. Например, реакция между железом и хлоридом цинка обусловлена гидролизом соли в водном растворе и дальнейшим взаимодействием металла с продуктами гидролиза (HCl).

Физические свойства

Наиболее характерными свойствами металлов являются: металлический блеск, твердость, пластичность, пластичность и хорошая тепло- и электропроводность. Очень важным свойством металлов является их относительно легкая механическая деформация. Металлы — это пластмассы, они хорошо кованые, втягиваются в проволоку, прокатываются в плиты и т.д. Эти типичные свойства металлов обусловлены их электронной структурой.

Все металлы характеризуются металлической кристаллической решеткой: В его узлах находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны. Последнее объясняет высокую электро- и теплопроводность и возможность обработки.

Тепловая и электрическая проводимость уменьшается в серии металлов: Ag Sz AS AL Mg Zn FE RB Hg.

Все металлы разделены на две основные группы.

Черные металлы. Они имеют темно-серый цвет, высокую плотность, высокую температуру плавления и относительно высокую твердость. Типичными представителями черных металлов являются чугун и его сплавы — сталь и чугун.

На черные металлы в промышленности приходится более 90% по весу всего металла, используемого для различных целей. Применяются для производства металлоконструкций (мостов, балок, ферм, колонн, резервуаров), для изготовления различных машин и оборудования, вагонов, рельсов и др. Причиной такого широкого использования черных металлов является их относительная дешевизна и высокая прочность.

Цветные металлы. Они имеют характерную окраску: красный, желтый, белый; имеют высокую пластичность, низкую твердость, довольно низкую температуру плавления. Типичным представителем цветных металлов является медь.

Цветные металлы в основном используются в качестве добавок (присадок) для улучшения свойств черных металлов или придания им особых свойств (например, для производства нержавеющих сталей, для производства твердых режущих сплавов и т.д.).

Таким образом, термин «металлы» относится ко всей группе металлических материалов — чистым металлам и сплавам.

Чистые металлы используются только в том случае, если материал имеет высокие требования к тепло- и электропроводности, высокую температуру плавления и т.д. Например, провода, кабели, обмотки электрических машин почти всегда изготавливаются из меди, так как медь является лучшей проводящей средой для всех металлов, кроме серебра. Чистый вольфрам, как наиболее термостойкий металл, используется для производства нитей для ламп накаливания.

Металлы обладают магнитными свойствами. Таким образом, переходные металлы с незавершенными f- и d-электронными облаками являются парамагнитными. Некоторые из них при определенных температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние.

Наряду с черными и цветными металлами существует также группа драгоценных металлов: серебро, золото, платина, рутений и некоторые другие. Названия «благородные» эти металлы получили из-за их высокой химической стойкости (они практически не окисляются на воздухе даже при повышенных температурах и не разрушаются под действием растворов кислот и щелочей на них) и красивого внешнего вида в изделиях, в том числе в ювелирных изделиях. Кроме того, золото, серебро и платина имеют высокую пластичность (можно прокатывать листы толщиной до 0,0001 мм, благодаря чему драгоценные металлы точно передают и поддерживают заданную форму), а металлы платиновой группы — тугоплавкие металлы.

В отличие от химической стойкости, все эти металлы встречаются в природе почти исключительно в чистом — натурном — виде и, в отличие от других металлов, практически не подвергаются химическим реакциям и не образуют соединений с другими элементами, менее восприимчивыми к коррозии.

Металлы делятся по плотности: легкие (плотность не более 5 г/см). Легкие металлы включают в себя: литий, натрий, калий, магний, кальций, цезий, алюминий, барий. Самый легкий металл — литий 1л, плотность 0,534 г/см3. Тяжелый (плотность выше 5 г/см3). Тяжелые металлы включают цинк, медь, железо, олово, свинец, серебро, золото, ртуть и другие. Самым тяжелым металлом является осмий с плотностью 22,5 г/см3.

Металлы отличаются по твердости:

1. Мягкий: даже порезанный ножом (натрий, калий, индий);
2. Твердость: металлы сравниваются по твердости с алмазом с твердостью 10. Хром — самый твердый металл, он режет стекло.

В зависимости от температуры плавления металлы условно делятся на

Легко плавится (температура плавления до 1539°C).

Плавимые металлы включают ртуть — температура плавления -38.9°С; галлий — температура плавления 29.78°С; цезий — температура плавления 28.5°С; другие металлы.

Огнеупорный (температура плавления выше 1539 C).

К огнеупорным металлам относятся: хром — температура плавления 1890 °C; молибден — температура плавления 2620 °C; ванадий — температура плавления 1900 °C; тантал — температура плавления 3015 °C; и многие другие металлы.

Самый жаропрочный металл вольфрама — температура плавления 3420 °С.

Микроскопическая структура

Характерные свойства металлов можно понять исходя из их внутренней структуры. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Результирующая разница потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (так называемых электронов проводимости) в кристаллической решетке. Сочетание этих электронов часто называют электронным газом. В дополнение к электронам, фононы (колебания решетки) способствуют теплопроводности. Пластичность обусловлена небольшим энергетическим барьером для движения дислокаций и смещением кристаллографических плоскостей. Твердость может быть объяснена большим количеством структурных дефектов (межузловые атомы, вакансии и т.д.).

Благодаря небольшой отдаче электронов возможно окисление металла, что может привести к коррозии и дальнейшему ухудшению свойств. Способность металлов к окислению можно узнать из стандартного диапазона активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в сочетании с другими элементами (сплав, важнейшим элементом которого является сталь), их сплавов и использования различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов следует использовать квантовую механику. Во всех твердых телах с достаточной симметрией энергетические уровни электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешенные зоны, а зону, образованную валентными электронами, называют валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах очень широка и не все валентные электроны достаточны для ее полного заполнения.

Главной характеристикой такой частично заполненной зоны является то, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается реконструкция валентных электронов, т.е. протекающего электрического тока.

Такая же высокая подвижность электронов приводит к высокой теплопроводности и способности отражать электромагнитное излучение (что придает металлам характерный блеск).

Применение металлов

Строительные материалы. Металлы и их сплавы являются одним из важнейших строительных материалов современной цивилизации. Это в основном определяется их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, изменяя рецептуру сплавов, можно изменять их свойства в очень широком диапазоне.

Электрические материалы. Металлы используются как хорошие электрические проводники (медь, алюминий), так и как материалы с повышенным сопротивлением для резисторов и электрических нагревательных элементов (нихром и т.д.).

Инструментальные материалы. Металлы и их сплавы часто используются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твердые сплавы. В качестве инструментальных материалов используются также алмаз, нитрид бора и керамика.

Нахождение металлов в природе

Металлы с низкой химической активностью (Cu, Ag, Au, Pt, Hg) встречаются в виде свободных включений в породах. Большинство металлов встречается в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические вещества. Для того, чтобы извлечь чистые металлы и использовать их дальше, необходимо отделить и очистить их от руд. При необходимости выполнять сплавы и другую обработку металлов. Это исследуется наукой металлургии, которая различает руды черных металлов (на основе железа) и цветных металлов (в них нет железа, всего около 70 элементов). Исключение составляют около 16 элементов: так называемые драгоценные металлы (золото, серебро и т.д.) и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей.

Они также присутствуют в небольших количествах в морской воде (1,05% — 0,12%), растениях и живых организмах (которые играют важную роль).

Таким образом, содержание некоторых металлов в земной коре следующее: алюминий — 8,2%, железо — 4,1%, кальций — 4,1%, натрий — 2,3%, магний — 2,3%, калий — 2,1%, титан — 0,56%.

Металлы встречаются в природе:

• в своем первоначальном состоянии: серебро, золото, платина, медь, иногда ртуть.
• в виде оксидов: магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3 и др.
• в виде смешанных оксидов: Каолин АІ2О3 — 2SiO2 — 2H2O, алунит (Na,K)2O — АІО3 — 2SiO2 и др.
• различных солей:
• Сульфиды: PbS галенит, NgS киноварь,
• Хлориды: сильвинит KS1, NaCl-галогенит, сильвинит KSl-NaCl, карналлит KSl — MgSl2 — 6H2O,
• Сульфаты: барит Vaso4, ангидрид Ca8O4
• Фосфат: апатит Ca3(RO4)2,
• Карбонаты: мел, мрамор SASO3, магнезит MgSO3.

Большая часть алюминия сконцентрирована в алюмосиликатах, из которых наиболее распространены полевые шпаты. Их важнейшими представителями являются ортоклазовые минералы K [AlSi3O10], альбит Na [AlSi3O10] и анорит Ca [Al2Si2O10]. Очень распространены минералы слюдяной группы, например, мусковит Kal2[AlSi3O10][OH]2 и нефелин (Na, K)2[Al2Si2O8] (используются для производства оксида алюминия, содовых изделий и цемента). Среди других минералов наиболее часто используются бокситы Al2O3*nH2O и криолит Na3AlF6. Общим продуктом разрушения пород является каолин, который состоит в основном из глинистого минерала каолинита Al2O3*2SiO2*2H2O.

Большая часть кальция встречается в природе в виде месторождений известняка и мела, состоящих в основном из кальцитового минерала CaCO3 и мрамора. Среди других пород наиболее распространены доломит CaCO3*MgCO3, ангидрит CaSO4 и гипс CaSO4*2H2O, флюорит CaF2 и апатит 3Ca3(PO4)2*Ca(F, Cl)2. Кальций в значительных количествах содержится в различных силикатах, таких как CfO*3MgO*4SiO2 (асбест) и алюмосиликатах.

Магний в природе часто встречается в виде магнезита MgCO3 и доломита, силиката Mg2SiO4 (оливин), кайнита KCl*MgSO4*3H2O и карналлита KCl*MgCl2*6H2O. Природными соединениями щелочных металлов являются NaCl*KCl-Сильвинит, NaCl-Галогенит и Na2SO4*10H2O-Мирабилит.

Железо — самый распространенный металл в мире после алюминия. Это компонент многочисленных минералов, которые образуют скопления железных руд: Гематит Fe2O3, магнетит Fe3O4, гидрогеетит HFeO2*nH2O, сидерит FeCO3 и другие.

Время от времени встречается и местное железо метеоритного или земного происхождения.

Многие металлы часто сопровождают наиболее важные природные минералы: скандий является компонентом олова, вольфрама и кадмия в качестве примеси в цинковых рудах, ниобия и тантала в оловянных рудах. Железные руды всегда сопровождаются марганцем, никелем, кобальтом, молибденом, титаном, германием, ванадием.

Заключение

Наконец, все химические элементы разделены на металлы и неметаллы, а также различают группу драгоценных металлов: серебро, золото, платина, рутений и другие.

Металлы в природе очень многочисленны и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, в воде рек, озер, морей и океанов, в составе тел животных и растений и даже в атмосфере. Самым распространенным металлом в мире является алюминий, за которым следует железо.

Металлы обладают определенными характерными свойствами: металлический блеск; хорошая электропроводность; возможность легкой обработки (пластичность); высокая плотность; высокая температура плавления; высокая теплопроводность; способность к образованию сплавов — это объясняется общей структурой их кристаллических решеток.

Химические свойства металлов определяются слабой связью валентных электронов с ядром атома. Атомы относительно легко выделяют их и превращаются в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. Это их самое важное и наиболее распространенное химическое свойство.

Атомы металлов имеют больший радиус, чем неметаллы, так что атомы металлов могут легче отдавать валентные электроны. И поэтому они обладают способностью образовывать положительные ионы и показывают только положительную степень окисления в соединениях.

Поскольку атомы металлов легко выделяют валентные электроны, они являются восстановителями в свободном состоянии. Очевидно, что металлы как восстановители металлов должны вступать в реакцию с различными окислителями, к которым могут относиться простые вещества (неметаллы¬), кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. -Соединения металлов с кислородом называют оксидами, с галогенами — галогенидами, с серой — сульфидами, с азотом — нитридами, с фосфором — фосфидами, с углеродом — боридами, с водородом — гидридами и др. Д.

Список литературы

1. Эрочин Дж.М. Хими. Учебник / Дж.М. Эрочин. — М.: Издатель: Академия, 2003. — – 384 с.
2. Иванова Р.Г. Химия: Учебник для 10 класса общеобразовательных школ. — 5 изд. / Р.Г. Иванова, А.А. Каверина — М.: Просвещение, 2002. — 174 с.
3. Коровин Н.В. Общая химия / Н.В. Коровин. — М.: Издательский дом: Высшая школа, 2004. — 322 с.
4. Реутов О.А. Органическая химия. В 4-х частях / О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин — М.: Высшая школа, 2002. — 728 с.
5. Савинкина М. А. Химия. Десятый класс. Учебник / М.А. Савинкина. — М.: Издатель: АСТ, 2003. — — 128 с.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Какие бывают виды металлов и сплавов? в закладки

Металлы окружают нас повсюду: их них сделаны автомобили, каркасы домов, бытовая техника, смартфоны и многие другие изобретения человечества. Но много ли мы о них знаем? Первое, что нужно знать о металлах — это то, что они делятся на черные и цветные. Из этих разновидностей металлы разделяются еще на несколько больших групп, в зависимости от их свойств. Давайте сразу же перейдем к конкретике. В этом материале мы вкратце разберемся, по каким признакам металлы разделяются по разным группам и в каких отраслях они применяются

Характеристика металлов

Металлы — это группа из более 90 простых веществ из периодической таблицы Менделеева. В природе они редко обнаруживаются в чистом виде, поэтому их чаще всего добывают из руды. Так называют вид полезных ископаемых, которые представляют собой соединение нескольких химических компонентов, вроде минералов и тех же самых металлов. Металлам характерны несколько свойств, по которым их разделяют по группам:

• твердость — сопротивление к проникновению в материал другого, более твердого тела;
• прочность — стойкость к разрушению под воздействием внешней нагрузки;
• упругость — изменение формы материала под воздействием внешних сил и восстановление ее после того, как эти силы перестают на нее воздействовать;
• пластичность — изменение формы материала под внешним воздействием и сохранение ее после устранения этого воздействия;
• износостойкость — сохранение хорошего внешнего вида и физических свойств материала после сильного трения;
• вязкость — способность материала вытягиваться под воздействием внешних сил;
• усталость — свойство материала выдерживать многократные нагрузки;
• жароустойчивость — сопротивление окислительным процессам при нагревании до высоких температур.

Недавно ученые создали улучшенный алюминиевый сплав 6063, который уничтожает бактерии. Считается, что из него можно будет изготавливать ручки дверей больниц и других общественных мест.

Черные металлы

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

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

Черные металлы делятся на 5 подгрупп:

Железные металлы

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

Из стали изготавливаются прочные и красивые ножи причем не только кухонные

Тугоплавкие металлы

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

Нити накаливания в лампочках, как правило, сделаны из вольфрама

Урановые металлы

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

В древние времена уран использовался для изготовления желтой посуды

Редкоземельные металлы

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

Редкоземельный элемент скандий используется в ртутно-газовых лампах

Щелочноземельные металлы

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

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

Цветные металлы

Цветные металлы стоят дороже черных, потому что более востребованы в мире. Они нужны при изготовлении автомобилей, строительстве домов и в области высоких технологий — именно они являются основными материалами при изготовлении смартфонов и другой электроники. В сфере строительства они нужны для изготовления всевозможных арматур, балок, уголков и так далее.

Железо и его сплавы относятся к черным металлам, а все остальное — это цветные металлы

Цветные металлы принято разделять на три группы:

Тяжелые металлы

Самыми яркими представителями этой категории цветных металлов считаются медь, латунь и бронза. Наибольшим спросом среди них пользуется медь, потому что она — отличный проводник электрического тока и широко применяется в электронике. Из латуни изготавливают различные проволоки, подшипники и другие металлические элементы. Из бронзы нередко делают памятники, потому что она не боится дождя, снега и механических повреждений.

Несколько лет назад ученые выяснили, что медь способна предотвратить распространение вирусов

Легкие металлы

Самые популярные легкие металлы, это алюминий, магний и титан. Их довольно легко расплавить, а также они легче черных металлов. Благодаря устойчивости к коррозии, высокой пластичности и небольшой массе, алюминий активно используется в строительстве самолетов и автомобилей. Магний широко применяется в изготовлении корпусов для различной техники, начиная с фотоаппаратов и заканчивая двигателями. Титан отличается высокой прочностью и небольшой массой, поэтому применяется при изготовлении космических ракет.

В воздухе алюминий мгновенно покрывается пленкой, которая защищает ее от возникновения ржавчины

Благородные металлы

К благородным металлам относятся золото, серебро и платина. Из-за сложности добычи и своей красоты, они считаются самыми дорогими разновидностями металлов. Их стоимость постоянно меняется и их можно купить в банках, тем самым вложив в них свои деньги. Также благородные металлы широко используются в ювелирном деле. Из них изготавливаются кольца, браслеты и прочие украшения.

Про алюминий можно почитать в материале про самые ценные металлы в мире

Виды сплавов

Сплавами называют материалы, которые состоят из двух и более металлических компонентов. Как правило, сплавы состоят из основы, в которую входят несколько металлов, и так называемых легирующих элементов — они необходимы, чтобы придать сплаву мягкость, эластичность и другие свойства. Чаще всего в промышленности применяются смеси с использованием железа и алюминия, но вообще существует более 5 тысяч разновидностей сплавов.

В большинстве своем металлы, с которыми мы взаимодействуем — это сплавы

Сплавы делятся на два вида: литые и порошковые. Литые сплавы получаются путем смешивания расплавленных компонентов. А порошковый метод получения сплавов подразумевает прессование порошков нескольких металлов и их последующее спекания при высоких температурах.

Из металлических сплавов сегодня изготавливается практически все, вплоть до скамеек

По назначению сплавы делятся на конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей автомобилей. Из инструментальных сплавов, как можно понять из названия, изготавливают инструменты — например, различные молотки и ножи. А специальные сплавы используются для изготовления деталей специального назначения — например, для предотвращения трения.

Источник https://seventools.ru/metally/tablica-prochnosti-metallov-i-splavov.html

Источник https://lfirmal.com/referat-na-temu-metally/

Источник https://nauka.boltai.com/topics/kakie-byvayut-vidy-metallov-i-splavov-2/