§ 61. Физические свойства металлов
Кристаллические решетку металлов сходны с атомными решетками. Но в атомных решетках связи между атомами ковалентные, а в металлах мы встречаемся с новым видом химической связи: металлической связью. Валентные электроны не закреплены в металлах каждый за своим атомом или своей парой атомов (как в ковалентных связях), а могут отщепляться от атомов и свободно блуждать между ними. Такие электроны осуществляют связь между ионами металла, наподобие прослойке воды между сложенными вместе пластинками: она позволяет перемещать пластинки относительно друг друга, но сопротивляется отрыванию одной пластинки от другой. Из такого внутреннего строения металлов проистекают их характерные, общие физические свойства:
- Пластичность. При деформации, т. е. изменении формы куска металла, происходит смещение пластов из ионов относительно друг друга, но разрыва не происходит, так как связывающие их электроны, соответственно переместившись, продолжают осуществлять связь между сместившимися ионами.
- Электропроводность. Она обусловливается свободой перемещения электронов, поскольку они не закреплены каждый за своим атомом, по всему куску металла.
- Высокая теплопроводность. Переносчиками тепловой энергии из одного участка в куске металла в другой являются главным образом те же электроны.
Они же являются причиной общих оптических свойств неметаллов — непрозрачности и металлического блеска.
По металлическому блеску мы узнаем металлы и их сплавы среди других веществ. Металлы блестят потому, что отражают от своей поверхности световые лучи, а не пропускают их, как стекло, и почти не поглощают, как сажа.
Металлы отражают не только видимый свет, но и невидимые радиоволны. Это свойство металлов используется в радиотелескопах, улавливающих радиоизлучения космоса, и в радиолокаторах, обнаруживающих самолеты на расстоянии сотен километров от наблюдателя.
Будучи общими всем металлам, перечисленные свойства проявляются у них в неодинаковой степени. Так, металлический блеск наиболее ярко проявляется у серебра; оно и применяется в производстве зеркал. Смотрясь в зеркало, мы видим свое отражение от тончайшего слоя серебра, нанесенного на заднюю поверхность стеклянной пластинки.
По электропроводности первое место среди всех веществ занимает то же серебро, к нему примыкают медь и алюминий. В электротехнике из-за дороговизны серебра в качестве материала для электропроводки используются медь и алюминий. Без этих металлов невозможно было бы передавать электрическую энергию на расстояния в десятки, сотни километров от вырабатывающей ее электростанции лишь с незначительными потерями в пути.
Электропроводность остальных металлов изменяется в очень широких пределах. Например, у вольфрама она в 340 раз меньше, чем у серебра. Техника нуждается и в таких металлах с умеренной электропроводностью. Они необходимы в электронагревательных устройствах. Нить накала электролампочки нагревается за счет сопротивления, оказываемого ею электрическому току, поэтому для изготовления ее нужен металлический материал с малой электропроводностью. Сейчас нити накала изготовляются главным образом из вольфрама.
Теплопроводность чистых металлов пропорциональна их электропроводности. Поэтому по теплопроводности металлы располагаются в такой же ряд как и по электропроводности: серебро, за ним следуют медь и алюминий, далее прочие металлы.
Основное механическое свойство металлов — пластичность — на практике проявляется в том, что под ударами молота металлы не дробятся на куски, а расплющиваются — они ковки. Первое место среди металлов по ковкости занимает золото. Его можно прокатывать в тончайшие полупрозрачные листы и вытягивать в тончайшую, невидимую глазом проволоку.
Из неспецифических для металлов физических свойств наибольший практический интерес имеют плотность, температура плавления и твердость.
Плотность металла тем меньше, чем меньше его атомный вес и чем больше радиус атома (почему?). Она у металлов изменяется в очень широких пределах — от 0,5 у лития до 22 у осмия. Металлы с плотностью ниже 5 называются легкими металлами. Из конструкционных металлов к легким относятся магний, алюминий и титан; они используются, главным образом, в строительстве транспорта, титан — в самолетах, летающих со сверхзвуковыми скоростями. Трение о воздух при таких скоростях вызывает сильное разогревание обшивки самолета, а прочность металлов при нагреве сильно снижается, прежде чем станет равной нулю, когда металл расплавится. У титана высокая температура плавления и снижения прочности у него в условиях скоростных полетов, в отличие от алюминиевых сплавов, не происходит.
В тех редких случаях, когда от металлического материала требуется возможно большая плотность (дробь, пули), используется свинец, хотя его плотность примерно вдвое меньше, чем у наиболее тяжелых, но дорогих металлов.
Свойства металлов: температура плавления, прочность, твердость — зависят главным образом от прочности металлической связи. Она у разных металлов неодинакова, и особенно велика у тяжелых металлов с достраивающимся предпоследним электронным слоем атома, поэтому такие металлы отличаются высокой тугоплавкостью и высокой твердостью.
Температуры плавления металлов изменяются в очень широких пределах: от -39°С у ртути до 3410°С у вольфрама. Ртуть как единственный жидкий при обычных условиях металл применяется в измерительных приборах, вольфрам — во всех случаях, когда требуется металлический материал, противостоящий особенно высоким температурам, например для нитей накала электролампочек.
В широких пределах изменяется и твердость металлов: щелочные металлы мягки, как воск, а самые твердые из металлов, к которым относятся вольфрам и хром, не поддаются обработке закаленными напильниками.
К числу общих свойств металлов относится их растворимость друг в друге. Такие растворы металлов называются сплавами. Для каждого металлического изделия и каждой металлической детали подбирается или создается «по заказу» такой материал, который наилучшим образом удовлетворяет назначению изделия или детали. Среди чистых металлов такого материала, в котором сочетались бы все заданные свойства, обычно не находится, и тогда мы обращаемся к сплавам.
Так, в электролампочке, кроме вольфрама и цинка — из него изготовлен цоколь,- мы находим два сплава. Припой — легкоплавкий сплав свинца с сурьмой и оловом, из него состоит контакт лампочки и спай патрона с проволочкой, подводящей ток к нити накала, сама же эта проволочка из платинита — сплава железа с никелем, расширяющегося при нагревании одинаково со стеклом, вследствие чего она может впаиваться в стекло и при нагревании в месте спая не трескается (рис. 49).
Рис. 49. В состав электролампочки входит семь металлов
2. Общие физические свойства металлов
- При обычных условиях все металлы (за исключением ртути, её температура плавления — \(–39\) °C) являются твёрдыми веществами.
- Способность металлов отражать падающий на них свет является причиной наличия у них особого металлического блеска.
- Металлы не имеют запаха.
Физические свойства металлов
Положение в таблице Менделеева
Металлы занимают I-II группы и побочные подгруппы III-VIII групп. Металлические свойства, т.е. способность отдавать валентные электроны или окисляться, увеличиваются сверху вниз по мере увеличения количества энергетических уровней. Слева направо металлические свойства ослабевают, поэтому наиболее активные металлы находятся в I-II группах, главных подгруппах. Это щелочные и щелочноземельные металлы.
Определить степень активности металлов можно по электрохимическому ряду напряжений. Металлы, стоящие до водорода, наиболее активны. После водорода стоят слабоактивные металлы, не вступающие в реакцию с большинством веществ.
Рис. 1. Электрохимический ряд напряжений металлов.
Вне зависимости от активности все металлы имеют общее строение. Атомы в простом металле расположены не хаотично, как в аморфных веществах, а упорядоченно – в виде кристаллической решётки. Удерживает атомы в одном положении металлическая связь.
Такой вид связи осуществляется за счёт положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической ячейки (единицы решётки), и отрицательно заряженных свободных электронов, которые образуют так называемый электронный газ. Электроны отделились от атомов, превратив их в ионы, и стали перемещаться в решётке хаотично, скрепляя ионы вместе. Без электронов решётка бы распалась за счёт отторжения одинаково заряженных ионов.
Различают три типа кристаллической решётки. Кубическая объемно-центрированная состоит из 9 ионов и характерна хрому, железу, вольфраму. Кубическая гранецентрированная включает 14 ионов и свойственная свинцу, алюминию, серебру. Из 17 ионов состоит гексагональная плотноупакованная решётка цинка, титана, магния.
Рис. 2. Виды кристаллических решёток.
Строение кристаллической решётки определяет основные физические и химические свойства металлов. Металлы блестят, плавятся, проводят тепло и электричество. Промышленность и металлургия нашли применение физическим свойствам металлов в изготовлении деталей, фольги, корпусов машин, зеркал, бытовой и промышленной химии. Особенности металлов и их использование представлены в таблице физических свойств металлов.
Свойства
Особенности
Примеры
Применение
Способность отражать солнечный свет
Наиболее блестящими металлами являются Hg, Ag, Pd
Лёгкие – имеют плотность меньше 5 г/см 3
Na, K, Ba, Mg, Al. Самый лёгкий металл – литий с плотностью 0,533 г/см 3
Изготовление облицовки, деталей самолётов
Тяжёлые – имеют плотность больше 5 г/см 3
Sn, Fe, Zn, Au, Pb, Hg. Самый тяжёлый – осмий с плотностью 22,5 г/см 3
Использование в сплавах
Способность изменять форму без разрушений (можно раскатать в тонкую фольгу)
Наиболее пластичные – Au, Cu, Ag. Хрупкие – Zn, Sn, Bi, Mn
Формовка, сгибание труб, изготовление проволоки
Мягкие – режутся ножом
Изготовление мыла, стекла, удобрений
Твёрдые – сравнимы по твёрдости с алмазом
Самый твёрдый – хром, режет стекло
Изготовление несущих конструкций
Легкоплавкие – температура плавления ниже 1000°С
Hg (38,9°С), Ga (29,78°С), Cs (28,5°С), Zn (419,5°C)
Производство радиотехники, жести
Тугоплавкие – температура плавления выше 1000°С
Cr (1890°С), Mo (2620°С), V (1900°С). Наиболее тугоплавкий – вольфрам (3420°С)
Изготовление ламп накаливания
Способность передавать тепло другим телам
Лучше всего проводят ток и тепло Ag, Cu, Au, Al
Приготовление пищи в металлической посуде
Способность проводить электрический ток за счёт свободных электронов
Передача электричества по проводам
Рис. 3. Примеры применения металлов.
Что мы узнали?
Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.
Свойства металлов (стр. 1 из 2)
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 (- 273 0 С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +232 0 (олово) до 3370 0 (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 1 0 .
Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 1 0 .
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 1 0 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.
Прочность. Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Твердость. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.
Упругость. Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.)
Вязкость. 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\см 3 | Температура плавления 0 С | Твердость по Бринеллю | Предел прочности(временное сопротивление) кг\мм 2 | Относительное удлинение % | Относительное сужение поперечного сечения % |
| Алюминий Вольфрам Железо Кобальт Магний Марганец Медь Никель Олово Свинец Хром Цинк | 2,7 19,3 7,87 8,9 1,74 7,44 8,84 8,9 7,3 11,34 7,14 7,14 | 658 3370 1530 1490 651 1242 1083 1452 232 327 1550 419 | 20-37 160 50 125 25 20 35 60 5-10 4-6 108 30-42 | 8-11 110 25-33 70 17-20 Хрупкий 22 40-50 2-4 1,8 Хрупкий 11,3-15 | 40 — 21-55 3 15 Хрупкий 60 40 40 50 Хрупкий 5-20 | 85 — 68-55 — 20 Хрупкий 75 70 74 100 Хрупкий — |
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.
Плавкость 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.
2 .Физические свойства металлов.
С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего
особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью
сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно
только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу.
Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в
порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный
или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и
электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток
располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники — серебро и медь,
худшие — свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность
падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая
механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются,
вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.
Характерные физические свойства металлов находятся в связи с
особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям,
кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных
электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно
себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты
ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны.
Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются
вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с
определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов
они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает
Наличием свободных электронов обусловливается и высокая
теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны
постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому
колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания,
сейчас же передаются соседним ионам, от них — следующим и т.д., и тепловое
состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает
По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы:
легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы —
все остальные. Плотность, а также температуры плавления некоторых металлов
приведены в таблице №1.
Плотность и температура плавления некоторых металлов.
|Название |Атомный вес |Плотность, |Температура |
| | |г/см3 |плавления, C | и8.
|Литий |6,939 |0,534 |179 |
|Калий |39,102 |0,86 |63,6 |
|Натрий |22,9898 |0,97 |97,8 |
|Кальций |40,08 |1,55 |850 |
|Магний |24,305 |1,74 |651 |
|Цезий |132,905 |1,90 |28,5 |
|Алюминий |26,9815 |2,702 |660,1 |
|Барий |137,34 |3,5 |710 |
|Цинк |65,37 |7,14 |419 |
|Хром |51,996 |7,16 |1875 |
|Марганец |54,9380 |7,44 |1244 |
|Олово |118,69 |7,28 |231,9 |
|Железо |55,847 |7,86 |1539 |
|Кадмий |112,40 |8,65 |321 |
|Никель |58,71 |8,90 |1453 |
|Медь |63,546 |8,92 |1083 |
|Висмут |208,980 |9,80 |271,3 |
|Серебро |107,868 |10,5 |960,8 |
|Свинец |207,19 |11,344 |327,3 |
|Ртуть |200,59 |13,546 |-38,87 |
|Вольфрам |183,85 |19,3 |3380 |
|Золото |196,967 |19,3 |1063 |
|Платина |195,09 |21,45 |1769 |
|Осмий |190,2 |22,5 |2700 |
Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны
особым типом химической связи — так называемой металлической связью. Она
определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между
нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными
электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не
отдельных частиц, а их агрегатов.
Химические свойства металлов.
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов
легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно
заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их
ионы всегда заряжены положительно.
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны,
типичные металлы являются энергичными восстановителями.
Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов
далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем
он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими
Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк
начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается
Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2
Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией
окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка
отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым
превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются в
виде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить
кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет.
Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче
отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.
Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые
было подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их
убывающей химической активности в так называемый «вытеснительный ряд». В
настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений.
В таблице №2 представлены значения стандартных электродных
потенциалов некоторых металлов. Символом Me+/Me обозначен металл Me,
погруженный в раствор его соли. Стандартные потенциалы электродов,
выступающих как восстановители по отношению к водороду, имеют знак «-», а
знаком «+» отмечены стандартные потенциалы электродов, являющихся
Стандартные электродные потенциалы металлов.
|Электрод |Е0,В |Электрод |Е0,В |
|Li+/Li |-3,02 |Co2+/Co |-0,28 |
|Rb+/Rb |-2,99 |Ni2+/Ni |-0,25 |
|Ba2+/Ba |-2,90 |Pb2+/Pb |-0,13 |
|Sr2+ /Sr |-2,89 |H+/1/2H2 |0,00 |
|Ca2+/Ca |-2,87 |Sb3+/Sb |+0,20 |
|Na+/Na |-2,71 |Bi3+/Bi |+0,23 |
|La3+/La |-2,37 |Cu2+/Cu |+0,34 |
|Mg2+/Mg |-2,34 |Cu+/Cu |+0,52 |
|Al3+/Al |-1,67 |Ag+/Ag |+0,80 |
|Mn2+/Mn |-1,05 |Pd2+/Pd |+0,83 |
|Zn2+/Zn |-0,76 |Hg2+/Hg |+0,86 |
|Cr3+/Cr |-0,71 |Pt2+/Pt |+1,20 |
|Fe2+/Fe |-0,44 |Au3+/Au |+1,42 |
Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных
электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений
металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni,
Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:
1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его
2. Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) из растворов солей
те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.
3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный
потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода,
способны вытеснять его из растворов кислот.
Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение
металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре.
Кроме того, нужно иметь ввиду, что высокая электрохимическая активность
металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например,
ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом
отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с
исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению
Вопрос 8 § 34-38 Химия 9 класс Рудзитис, Фельдман Каковы общие физические свойства металлов?
Помогите ответить
Каковы общие физические свойства металлов? Поясните эти свойства, основываясь на представлениях о металлической связи.
Для металлов наиболее характерны следующие
свойства: металлический блеск, твердость, пластич-
ность, ковкость и хорошая проводимость тепла и
электричества. Наличие в металлической кристал-
лической решетке свободно перемещающихся элек-
тронов объясняет высокую электропроводность и
теплопроводность, а также способность поддавать-
ся механической обработке, этим же объясняется
и характерный металлический блеск. Все металлы
(кроме ртути и, условно, франция) при нормальных
условиях находятся в твердом состоянии, однако
обладают различной твердостью.
Металл, все о металле, свойства металлов
| Металл (название происходит от лат. metallum — шахта) — один из классов элементов, которые, в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Металлами являются большинство химических элементов (примерно 80 %). Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий. | |
| Металлы — суть светлые тела, которые ковать можно. (Михаил Васильевич Ломоносов) | |
| Некоторые металлы | |
| Щелочные металлы: Литий, Натрий, Калий | |
| Щелочноземельные металлы: Бериллий, Магний, Кальций | |
| Переходные металлы: Железо, Платина | |
| Другие металлы: Алюминий, Свинец, Медь, Цинк | |
| Металлургия — совокупность связанных между собой отраслей и стадий производственного процесса от добычи сырья до выпуска готовой продукции — черных и цветных металлов и их сплавов. К черным металлам относят железо, марганец и хром. Все остальные — цветные. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно делят на тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и легкие (алюминий, титан, магний). | |
| Большая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические вещества. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды черных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Исключением можно назвать около 16 элементов: т. н. благородные металлы (золото, серебро и др.), и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей. Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах (играя при этом важную роль). | |
| Характерные свойства металлов | |
| | |
| Физические свойства металла | |
| Все металлы (кроме ртути) тверды при нормальных условиях. Температуры плавления лежат в диапазоне от 39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В зависимости от их плотности, металлы делят на легкие (плотность 0,53 ч 5 г/смі) и тяжелые (5 ч 22,5 г/смі). Металлы тонут | |
| Механические свойства металла | |
| Это способность металлов подвергаться различным способам механической обработки. | |
| Микроскопическое строение металла | |
| Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решетке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решетки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твердость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.). Из-за легкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий. Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твердых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешенные зоны, причем зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для ее полного заполнения. Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, т. е. течет электрический ток. Общая характеристика металловЕсли 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 металловБлагодаря 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 металловСильные восстановители: Me 0 – nē → Me n + Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах. I. Реакции металлов с неметаллами1) С кислородом: 2) С серой: 3) С галогенами: 6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы): II. Реакции металлов с кислотами1) 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 водой1) 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 металловНежелательным 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); • 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. Физические свойства металлов
Наиболее характерными являются следующие физические свойства металлов:
Для всех видов металлов характерна кристаллическая металлическая решетка. В ее узлах располагаются положительно заряженные ионы, между которыми свободно перемещаются электроны. Наличие электронов и объясняет высокую теплопроводность и электропроводность, а также возможность поддаваться механической обработке. Стоит рассмотреть более подробно общие физические свойства металлов. Основные физические свойства металловТемпература плавления чистых металлов находится в диапазоне от -39 до 3410°C. У большинства металлов температура плавления очень высока, исключения составляют щелочные металлы. Однако существуют и такие виды металлов, которые можно легко расплавить на обычной газовой плите. К таким металлам относятся, например, свинец или олово. В зависимости от плотности, все металлы делятся на тяжёлые (5/22,5 г/см 3 ) и лёгкие (0,53/5 г/см 3 ). Самый легкий из таких металлов — литий (0.53 г/см 3 ). Практически все металлы обладают хорошей пластичностью. Происходит это из-за смещения слоёв атомов без разрыва между ними связи. Самые пластичные металлы — золото, серебро и медь. Пластичность также зависит и от чистоты металла. Очень чистым металлом считается хром, однако даже при небольшом загрязнении он становится более твердым и хрупким. Характеристика физических свойств металлов включает в себя и такое понятие, как теплопроводность. Она напрямую зависит от подвижности свободных электронов. Так, самым лучшим проводником электричества и тепла является серебро, следом за ним идет натрий. Он находит большое применение в клапанах автомобильных двигателей. Физические свойства щелочных металловК этому виду металлов относятся: Все эти металлы очень пластичные и мягкие. Наибольшую твердость имеет литий, что касается остальных металлов, то они легко режутся ножом и даже могут быть раскатаны в фольгу. Все щелочные металлы в кристаллическом состоянии имеют объемоцентрированную кристаллическую решетку, обладающую металлическим типом химической связи. Это обуславливает высокую электро- и теплопроводность данного вида металлов. Щелочные металлы имеют крайне небольшую плотность. Так самый легкий из них – литий. Его плотность составляет 0,53 г/см 3 . Эти металлы обладают достаточно низкими температурами кипения и плавления. С увеличением порядкового номера металла, его температура плавления понижается. Все щелочные металлы крайне активны. По этой причине хранить их следует в запаянных ампулах, под слоем керосина или вазелинового масла. Все это физические свойства металлов. Химия также играет немаловажную роль в металловедение. Химические свойства металловВ химическом отношении металлы характеризуются легкостью отдачи валентных электронов, а также способностью образовывать положительно заряженные ионы. Таким образом, все металлы являются восстановителями в свободном состоянии. Их восстановительная способность неодинакова. Она определяется за счет положения в электрохимическом ряду напряжения металлов. Все металлы размещаются в порядке убывания относительно их восстановительных свойств, а также усиления окислительных свойств ионов. Такой ряд характеризует химическую активность металла исключительно в окислительно-восстановительных реакциях, которые протекают в водной среде. Так, характерными химическими свойствами для металлов являются их восстановление и взаимодействие с водой. Восстановление неметалловРазличные реакции с кислородом воздуха и галогенами протекают при разных скоростях и при различных температурах. Например, щелочные металлы легче всего окисляются кислородом воздуха, а также взаимодействуют с простыми веществами. Что касается меди и железа, то они взаимодействуют с простыми веществами при нагревании, а платиновые металлы и золото вообще не окисляются. Многие металлы могут образовывать на поверхности оксидную пленку, она защищает их от последующего окисления: Взаимодействие с водойС водой способны взаимодействовать щелочные металлы. Данный процесс происходит при обычных условиях с выделением водорода и образованием гидроксидов: |
- http://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/klassy-neorganicheskikh-veshchestv-14371/metally-15154/re-a5531b87-3eac-40ca-a3ae-f4f5a1d95caa
- http://obrazovaka.ru/himiya/fizicheskie-svoystva-metallov-primenenie-tablica-9-klass.html
- http://mirznanii.com/a/194714/svoystva-metallov
- http://studfiles.net/preview/1866005/
- http://class.rambler.ru/temy-himiya/vopros-8-34-38-himiya-9-klass-rudzitis-feldman-kakovy-obschie-fizicheskie-svoystva-metallov-7625.htm
- http://acrossteel.ru/sprav_steel_10.html
- http://himege.ru/obshhaya-xarakteristika-metallov/
- http://elhow.ru/ucheba/himija/svojstva-vecshestv/fizicheskie-svojstva-metallov