Металлы физические свойства металлов классификация металлов по различным признакам

Общая характеристика металлов

Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп, выделены синим цветом), а справа вверху – элементы-неметаллы (выделены желтым цветом). Элементы, расположенные вблизи диагонали – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером (выделены розовым цветом).

Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к увеличивается радиус атомов (за счет увеличения числа энергетических уровней). Это приводит к уменьшению электроотрицательности (способности притягивать электроны) элементов и усилению восстановительных свойств (способность отдавать электроны другим атомам в химических реакциях).

Типичными металлами являются s-элементы (элементы IА-группы от Li до Fr. элементы ПА-группы от Мg до Rа). Общая электронная формула их атомов ns 1-2 . Для них характерны степени окисления + I и +II соответственно.

Небольшое число электронов (1-2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.

Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами — это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Вг — , Сa 2+ О 2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами — гидроксидов и солей, например Мg 2+ (OН — )2, (Li + )2СO3 2-.

Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а также примыкающие к ним металлы (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0-4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры — соединения Тl III , Рb IV , Вi v ). Подобное химическое поведение характерно и для большинства (d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры — амфотерные элементы Сr и Zn).

Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga2, в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути (II) АlСl3 и НgСl2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе АlСl3 диссоциирует почти полностью, а НgСl2 — в очень малой степени (да и то на ионы НgСl + и Сl — ).

Общие физические свойства металлов

Благодаря наличию свободных электронов («электронного газа») в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:

1) Пластичность — способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.

2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.

3) Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».

4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.

5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.

6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий — литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее 5 г/см3 считаются «легкими металлами».

7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.

Общие химические свойства металлов

Сильные восстановители: Me 0 – nē → Me n +

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

Читайте также:  Как добиться блеска металла

I. Реакции металлов с неметаллами

1) С кислородом:
2Mg + O2 → 2MgO

2) С серой:
Hg + S → HgS

3) С галогенами:
Ni + Cl2 – t° → NiCl2

6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H2 → 2LiH

II. Реакции металлов с кислотами

1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:

2) С кислотами-окислителями:

При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!

III. Взаимодействие металлов с водой

1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:

2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:

3) Неактивные (Au, Ag, Pt) — не реагируют.

IV. Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси — сплавы, в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем — дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) — это широко известные чугун и сталь.

Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой, в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.

Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.

Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией. Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте — металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.

При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+ )

Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg — только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи — «царской водкой».

Коррозия металлов

Нежелательным химическим свойством металлов является их коррозия, т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.

Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО2 и SО2; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н2 (водородная коррозия).

Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь), имеют высокую коррозионную стойкость.

Общие способы получения металлов в промышленности:

электрометаллургия, т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;

пирометаллургия, т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);

Читайте также:  Марка металла с названиями

гидрометаллургия, т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO4 действием цинка, железа или алюминия).

В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры — Аg, Аu, Рt, Нg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных — Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до самых редких — Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.

Источник

Классификация металлов: металлы, их сплавы, характеристики и другое

Содержание:

Металлы – соединения, в которых атомы закономерно расположены в узлах кристаллической решетки. Они имеют ряд особенных свойств:

  • металлический блеск;
  • твердость (исключение – ртуть);
  • проводимость электрического тока и тепла;
  • пластичность.

В химических реакциях металлы играют роль восстановителей, т. е. стремятся отдать свои электроны другим атомам. Металлы не встречаются в чистом виде. Человек, как правило, применяет сплавы – смесь из двух и более металлических компонентов.

Как классифицируются металлы

Классификация по химическим свойствам

  1. Щелочные (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)

Щелочные металлы – активные элементы, на внешнем энергетическом уровне которых располагается по одному электрону. В периодической таблице Д.И. Менделеева они находятся в первой главной «IA» подгруппе. Щелочные металлы реагируют практически со всеми неметаллами. Некоторые химические реакции со щелочными металлами сопровождаются взрывом.

  1. Щелочноземельные(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)

Щелочноземельные металлы – элементы, которые на внешнем уровне содержат два электрона. Они располагаются во второй главной «IIA» подгруппе. Щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, реагируют с кислородом, водородом, другими неметаллами, оксидами, кислотами, солями.

  1. Переходные (Сu, Zn, Cr, Mn и др.)

Переходные металлы – элементы побочных групп, атомы которых содержат электроны на d- и f-орбиталях. В соединениях они проявляют положительную степень окисления. В соединениях атомы используют валентные s- и p, так и d-электроны. Исходя из этого, d-элементы обладают переменной валентностью. По этой причине они могут образовывать комплексные соединения.

Для переходных металлов характерна небольшая электроотрицательность и переменная степень окисления. Они представляют собой твердые вещества с высокими температурами плавления и кипения.

Классификация по физическим свойствам

  1. Тугоплавкие (Мо, W)

Тугоплавкие металлы – класс химических элементов, обладающих высокой температурой плавления и устойчивостью к изнашиванию. Они обладают температурой плавления выше 2000 °C. Тугоплавкие металлы редко вступают в реакции.

  1. Цветные(Cu, Zn, Ni, Sn и др.)

Все цветные металлы и их сплавы делятся на две группы – тяжелые и легкие. Тяжелые металлы (Pb, Cu, Hg, Co и др.) – соединения, плотность которых 5 г/cm3 и выше. Их соли загрязняют окружающую среду и негативно влияют на животных и человека. Легкие металлы (Al, Sn и др.) – металлы, которые расположены в р-блоке периодической таблицы. Их плотность меньше 5 г/cm3. Цветные металлы устойчивы к коррозии и агрессивным средам.

  1. Черные

Черные металлы – железо и его сплавы. По некоторым классификациям к ним также относятся марганец, ванадий, хром. Главные продукты черной металлургии – сталь и чугун. Черные металлы составляют более 90 % всего объема используемых в экономике металлов. Основным элементом, придающим сплавам железа разнообразные свойства, является углерод.

  1. Благородные (Au, Ag и металлы платиновой группы)

Благородные металлы — металлы, которые не подвергаются коррозии и окислению. Они не реагируют с соляной кислотой. Благородные металлы часто называют драгоценными.

Различные классификации позволяют эффективно использовать металлы и применять их во многих отраслях.

Источник

Свойства и классификация металлов

Металы – вещества характеризующиеся пластичностью, электропроводностью, теплопроводностью, способностью отражать электромагнитные волны

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.

Классификация металлов:

1)черные металлы это железо и сплавы на его основе – стали чугуны.

2)Цветные: легкоплавкие, тугоплавкие, благородные, щелочноземельные, редкоземельные, радиоактивные.

3)Кристалическое строение металлов. Типы кристаллических решёток.

Кристаллическое строение металловусловно можно представить как упорядоченное расположение атомов в пространстве. Каждый из атомов имеет определенное количество соседей, расположенных на одинаковых расстояниях от него. Представить объемное строение металлов позволяет пространственная кристаллическая решётка, формируемая многократным воспроизведением плоской кристаллической решётки параллельно самой себе. Для удобства кристаллическое строение обычно изображают, показывая кружками только центры тяжести атомов и соединения их прямыми линиями которые символизируют межатомные связи.

Типы кристаллических решёток:

1) объемно-центрированная кубическая (ОЦК) – атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Nа, V, Nb, Feα, К, Сг, W и другие металлы;

2) гранецентрированная кубическая (ГЦК) – атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Рв, А1, Ni, Аg, Аu, Сu, Со, Fe и другие металлы;

Читайте также:  Особенности художественной обработки металлов

3) гексагональная плотно упакованная (ГПУ) — четырнадцать атомов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три – в средней плоскости призмы; такую решетку имеют Мg, Ti, Rе, Zn, Hf, Ве, Са и другие металлы.

б) – ячейка объемно-центрированная кубическая (ОЦК); в) – ячейка гранецентрированная (ГЦК); г) – ячейка гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Вопрос 4. Реальное строение кристаллов. Дефекты кристалической решетки.

Кристаллы металлов имеют небольшие размеры, разветвлены, поэтому металлические изделия состоят из большого числа кристаллов. Металлические изделия имеют поликристаллическое строение, при относительно быстром охлаждении, значительном переохлаждении. При очень медленном охлаждении можно получить крупный кристалл – монокристалл, который получают для полупроводниковой промышленности, научных исследований.

Характер кристаллического строения определяет свойства металлов. Замечено, что с уменьшением зерна, прочность увеличивается и наоборот.

Выявленная в процессе эксплуатации и испытаний прочности металлов (фактическая прочность), на 2 – 3 порядка ниже их теоретической прочности, которой обладают бездефектные металлы. Это объясняется наличием в реальном металле концентратов напряжений металлургического характера (неметаллические включения, ликвация, микротрещины, мелкие газовые пузыри, рыхлоты и т.п.) и дефектов кристаллической решетки (дислокации, вакансии, атомные внедрения элементов)

Локальные несовершенства (дефекты) в строении кристаллов присущи всем металлам. Эти нарушения идеальной структуры твердых тел оказывают существенное влияние на их физические, химические, технологические и эксплуатационные свойства. Без использования представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изучить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др.
Дефекты кристаллического строения удобно классифицировать по их геометрической форме и размерам:
1) точечные (нульмерные) малы во всех трех измерениях, их размеры не больше нескольких атомных диаметров — это вакансии, межузельные атомы, примесные атомы;
2) линейные (одномерные) малы в двух направлениях, а в третьем направлении они соизмеримы с длиной кристалла — это дислокации, цепочки вакансий и межузельных атомов;
3) поверхностные (двумерные) малы только в одном направлении и имеют плоскую форму — это границы зерен, блоков и двойников, границы доменов;
4) объемные (трехмерные) имеют во всех трех измерениях относительно большие размеры — это поры, трещины;
Точечные дефекты — это вакансии, т. е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют в результате их перехода на поверхность кристалла, или атомы, внедрившиеся в межузлие решетки.

Полиморфные превращения

Полиморфное превращение – это, фазовое превращение,состоящее в перестройке кристаллической решетки из одной полиморфной модификации в другую (болеестабильную) при изменении температуры, давления или концентации (Смотри Полиморфизм).Полиморфное превращение происходит постепенным зарождением центров и роста кристаллов новой фазыаналогично кристаллизации из жидкого состояния. Однако склонность к переохлаждению при полиморфномпревращении в твердом состоянии больше, чем при кристаллизации расплава, из-за упругого сопротивленияисходной фазы образованных кристаллов новой фазы и меньшей диффузионной подвижности атомов вкристаллах. Возникающие упругие напряжения при полиморфном превращении могут влиять на развитиепревращения (особенно при мартенситном превращении). На практике при нагреве и охлаждении сконечной скоростью полиморфное превращение в металлах происходит при разных температураx. Причемперегрев относительной критической точки обычно меньше переохлаждается. Разность температурполиморфного превращения при нагреве и охлаждении наывается гистерезисом полиморфногопревращения, тем больше, чем ниже температура равновесия высокотемпературной и низкотемпературноймодификаций. При полиморфном превращении происходит поглощение тепла (энергии) при нагреве ивыделении тепла, если полиморфное превращение происходит при охлаждении.

Классификация сталей

Классификация сталей производится:

  • по химическому составу;
  • по структурному составу;
  • по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей);
  • по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице;
  • по назначению.

Химический состав
По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

  • малоуглеродистые — менее 0,3% С;
  • среднеуглеродистые — 0,3. 0,7% С;
  • высокоуглеродистые — более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Сr, Ni, Мо, Wo, V, Аl, В, Тl и др.), а также Mn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

  • низколегированные — менее 2,5%;
  • среднелегированные — 2,5. 10%;
  • высоколегированные — более 10%.

Структурный состав
Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

  • в отожженном состоянии — доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
  • в нормализованном состоянии — перлитный, мартенситный и аутенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному — с более высоким и к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов.

По качеству, то есть по способу производства и содё примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы
Классификация сталей по качеству

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector