Структура и свойства металлов

Структура и свойства металлов

Металлы широко распространены в природе; из 102 известных в настоящее время химических элементов периодической системы Менделеева 79 являются металлами. По химическому составу ме­таллы (и их сплавы) классифицируют на железные (черные) и неже­лезные (цветные). К черным относится железо (и сплавы на его основе), а из цветных в технике наиболее распространены алюми­ний, медь, цинк, олово, хром, марганец, вольфрам, ванадий, магний, титан и др. В последнее время все чаще применяют бериллий, ниобий, цирконий, цезий, германий, кремний, тантал.

Металлы отличаются от других твердых тел — неметаллов (ме­таллоидов) определенным сочетанием химических, физико-механи­ческих, технологических и эксплуатационных свойств. Необходимо отметить, что металлы высокой чистоты по свойствам отличаются от металлов, содержащих даже незначительное количество приме­сей; так, технический хром, является хрупким металлом, но при содержании примесей от 0,01 до 0,0001 % обладает такой же пластич­ностью, как и железо. Потребность новой техники в металлах высо­кой и особой чистоты непрерывно возрастает. Например, в германии, используемом в технике в качестве полупроводникового материала, содержание примесей не должно превышать одного атома на 100 миллионов атомов германия.

Из химических свойств металлов наиболее специфичным являет­ся способность, соединяясь с кислородом и водой, как правило, образовывать основания (щелочи) в отличие от металлоидов, образу­ющих кислоты. Ионизируясь, атомы металлов теряют внешние валентные электроны и приобретают положительный заряд, а атомы металлоидов, наоборот, присоединяют электроны до заполнения внешней орбиты и становятся отрицательно-заряженными. Химиче­ское взаимодействие может осуществляться как между разными по заряду (электроотрицательности) атомами (металл — металлоид), так и между одинаковыми (металлоид — металлоид и металл — металл).

Этим трем типам химического взаимодействия соответствуют три основных типа междуатомных связей: ионная, ковалентная и металлическая. Ионная связь характеризуется взаимодействием различно заряженных ионов, между которыми возникают силы элект­ростатического притяжения (например, в молекуле NaCl). При ковалентной связи между спаренными электронами, принадлежащими нескольким атомам, возникают силы электромагнитного взаимодей­ствия (например, в молекулах Cl2, O2). Металлическая связь обу­словливается особым атомным строением металлов.

По современной теории металлического состояния, начало кото­рой положили работы ученых А. Г. Столетова, Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, металлическое вещество состоит из положительно заряженных ионов или нейтральных ато­мов, расположенных в узлах решетки, и перемещающихся между ними свободных электронов. К таким электронам относятся наиме­нее связанные с ядром внешние валентные электроны. Особенностью атомного строения металлов является наличие у них особого типа междуатомной связи — металлической, характеризующейся тем, что перемещающиеся между ионами свободные электроны принадле­жат не одному какому-либо атому, а «коллективизированы» — связаны со многими атомами. Таким образом, металлическая связь выражается во взаимодействии электростатических сил притяжения между положительно заряженными ионами и коллективизирован­ными электронами и во взаимном отталкивании одноименных частиц (ионов или электронов).

Металлический тип связи определяет отличительные физические свойства металлов, впервые описанные М. В. Ломоносовым: метал­лический блеск, пластичность (способность, не разрушаясь, изме­нять форму и размеры под действием внешней силы), а также откры­тые позже высокие электро- и теплопроводность.

Высокая электропроводность металлов объясняется тем, что электроны в металлах слабо связаны с атомным ядром и легко отде­лимы от него; поэтому даже небольшая разность потенциалов может вызвать в металле перемещение электронов — создать электриче­ский ток.

Характерной особенностью металлов, отличающей их от других веществ, также обладающих электронной проводимостью, является повышение электропроводности с понижением температуры. Тепло­проводность металлов объясняется не только перемещением элект­ронов, но и колебательным движением ионов.

С атомным строением металлов тесно связаны их прочностные свойства. Теоретически мерой прочности кристаллической решетки при разрушении является величина между атомной связи. Измене­ние величины между атомной связи может характеризоваться изменением теплоты сублимации (испарения), между атомного расстоя­ния (атомного диаметра или радиуса), амплитуды колебания ионов, температуры плавления и другими физическими величинами. Однако реальная прочность металлов намного ниже их теоретической проч­ности.

Численные значения физико-механических свойств технических металлов и их марки приводятся в ГОСТах и справочниках.

Обладая высокими физико-механическими и технологическими свойствами, металлы и их сплавы являются основными материалами, применяемыми в технике для изготовления конструкций, деталей машин и инструментов.