Металлы: свойства, классификация, применение¶
Металлы — это класс химических элементов и образуемых ими простых веществ, обладающих характерным металлическим блеском, высокой теплопроводностью, электропроводностью и пластичностью. В периодической таблице Д. И. Менделеева металлы составляют подавляющее большинство: из 118 известных элементов к ним относятся около 90, включая щелочные, щёлочноземельные, переходные, лантаноиды и актиноиды. Граница между металлами и неметаллами размыта: элементы, расположенные у этой границы (кремний, германий, мышьяк, селен, теллур), называют полуметаллами (металлоидами).
¶Свойства металлов
Металлы характеризуются набором физических свойств, обусловленных особенностями химической связи в их кристаллических решётках.
¶Физические свойства
- Электропроводность. Металлы — одни из лучших проводников электрического тока. Наиболее высокой проводимостью обладают серебро, медь и золото. Перенос заряда осуществляется свободными электронами (электронной газовой моделью).
- Теплопроводность. Обеспечивается совместным действием свободных электронов и колебаний кристаллической решётки. Лучшие проводники тепла — серебро, медь, золото.
- Валентный электронный газ. Связь в металлах описывается моделью «катионы в море электронов»: внешние электроны отрываются от атомов и принадлежат кристаллу в целом.
- Пластичность. Сдвиг атомных плоскостей не разрушает связь, поэтому металлы можно деформировать, ковать, прокатывать в листы и вытягивать в проволоку.
- Металлический блеск. Обусловлен сильным отражением света свободными электронами.
- Высокая температура плавления. У большинства металлов она высокая (вольфрам — 3422 °C, самый тугоплавкий из них), однако ртуть при комнатной температуре — жидкость (плавится при −38,8 °C), а цезий плавится при 28,5 °C.
- Кристаллические решётки. Металлы образуют кубические решётки: объёмноцентрированную (железо, вольфрам), гранецентрированную (медь, алюминий) или гексагональную плотную упаковку (магний, цинк).
¶Химические свойства
Металлы характеризуются низкой электроотрицательностью и склонностью к отдаче электронов, то есть к окислению. Их восстановительные свойства усиливаются вниз по группе и влево по периоду. Щелочные металлы (литий, натрий, калий) реагируют с водой с образованием щелочей и водорода, щёлочноземельные (кальций, стронций, барий) — медленнее. Металлы, стоящие в ряду активности левее водорода, вытесняют его из разбавленных кислот. На воздухе многие металлы покрываются оксидной плёнкой: алюминий и цинк — прочную защитную, железо — рыхлую ржавчину (коррозия).
¶Классификация
Металлы делятся на несколько групп по химическим и физическим свойствам.
| Группа | Примеры | Особенности |
|---|---|---|
| Щелочные | Li, Na, K, Rb, Cs | Мягкие, активные, хранятся под слоем керосина |
| Щёлочноземельные | Ca, Sr, Ba | Реагируют с водой, образуют прочные оксиды |
| Переходные | Fe, Cu, Zn, Ti, W | Разнообразие валентностей, окраска соединений |
| Лантаноиды | La, Ce, Nd | Сходство свойств, применяются в оптике и электронике |
| Актиноиды | U, Th, Pu | Радиоактивность, ядерная энергетика |
| Тяжёлые (постпереходные) | Pb, Sn, Hg | Низкие температуры плавления, слабая прочность |
По физическим свойствам различают также легкие металлы (плотность менее 4,5 г/см³ — алюминий, магний, титан) и тяжёлые (свинец, вольфрам, осмий — самый плотный элемент, 22,59 г/см³).
¶Происхождение и получение
Большинство металлов в природе находится в связанном состоянии — в рудах (оксидах, сульфидах, силикатах). Исключения — «самородные» металлы: золото, платина, медь, встречающиеся в виде самородков. Металлы извлекают из руд пирометаллургическим (плавка в печях), гидрометаллургическим (вымачивание кислотами и щелочами) и электрохимическим (электролиз) способами. Алюминий получают электролизом расплава глинозёма, разработанным в 1886 году одновременно Ч. М. Холлом и П. Эру.
¶Применение
Металлы — основа большинства технологий. Сталь (сплав железа с углеродом) и чугун применяются в строительстве, машиностроении и судостроении. Алюминий и его сплавы используются в авиации и ракетостроении благодаря низкой плотности. Медь и её сплавы (латунь, бронза) — в электротехнике. Тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал) применяются в лампах накаливания, ракетных двигателях и электронике. Благородные металлы (золото, серебро, платина) используются в ювелирном деле, электронике и каталитических системах. Редкоземельные металлы (неодим, диспрозий) необходимы для производства постоянных магнитов и элементов «зелёной» энергетики. Щелочные металлы применяются в натриевых лампах и теплообменниках ядерных реакторов.
¶Экология и переработка
Добыча и переработка металлов связаны с существенными энергозатратами и экологическими последствиями. Переработка металлов (вторичная металлургия) позволяет экономить до 90 % энергии по сравнению с получением из руды. Алюминий и сталь перерабатываются многократно без потери свойств.
¶Интересные факты
- Натрий и калий в чистом виде настолько активны, что реагируют с влажным воздухом и могут воспламениться.
- Золото настолько пластично, что из одного грамма можно вытянуть проволоку длиной около 3 км.
- Титан по прочности сопоставим со сталью, но легче её почти вдвое.
Источники: Большая российская энциклопедия (статья «Металлы»); Химическая энциклопедия; В. А. Рабинович, З. А. Рабинович «Курс неорганической химии»; Д. И. Менделеев «Основы химии».