Свойства металлов - общие химические и физические свойства

Все вещества в природе делятся на твёрдые, жидкие и газообразные. Русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев, создавший периодическую систему элементов, разделил их на металлы и неметаллы и поместил в таблицу. Очень важно знать характеристики всех элементов и их особенности — свойства металлов, подразделяемые по своей природе происхождения на химические, физические механические и технологические.

Физические и химические качества

Каждый так или иначе в жизни сталкивался с химией в быту и химическими реакциями. Это взаимодействие определённого вещества с другим, в результате которого появляется третье. Простейший пример — растворение поваренной соли в воде. Способность металлов реагировать с другими веществами и отношение к воздействиям активных сред — это и есть химические свойства. К ним относятся окисляемость и коррозионная стойкость. Металлы реагируют с кислородом, образуя плёнку, это свойство называется окисляемость. Кристаллическая решётка металлов выглядит таким образом, что они имеют на внешнем уровне один, два или три электрона, которые отдают, проявляя восстановительные свойства.

При перемещении в таблице Менделеева слева направо увеличивается число электронов на внешнем уровне, при этом происходит усиление окислительных свойств. Также все металлы подвержены коррозии. Способность противостоять коррозии — это и есть коррозионная стойкость. К физическим свойствам относятся:

1. Плавление.
2. Плотность.
3. Теплопроводность.
4. Тепловое расширение.
5. Электропроводность.

Количество вещества, содержащееся в единице объёма материала, называется плотностью или удельным весом.

Чем меньше удельный вес, тем легче материал.

Лёгкими считаются алюминий, олово, магний, титан. Тяжёлыми являются более 40 существующих в природе элементов. Это хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут.

Способность металла переходить из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением. Все материалы имеют разные температуры плавления. Некоторые сплавы — тугоплавкие, другие тягучие и легко превращаются в жидкую массу под действием высоких температур. Теплопроводность характеризует скорость проведения тепла при нагревании. Проводя сравнение с другими материалами, можно заметить, что металлы имеют хорошую теплопроводность. В отличие от диэлектриков металлические сплавы проводят электрический ток, но некоторые из них делают это лучше, некоторые почему-то хуже. Такая способность называется электропроводностью или токопроводимостью и зависит от строения кристаллической решётки. Хорошо проводят ток серебро, медь, золото, алюминий и железо. Эти металлы довольно широко распространены в приборостроении и электротехнической промышленности.

Возможность увеличения объёма при нагревании называется тепловым расширением.

К механическим свойствам металлов относятся твёрдость, прочность, упругость, вязкость и пластичность.

Подробное описание механических свойств

При соприкосновении двух тел образуется микровмятины, но более твёрдый материал способен противостоять ударам в большей степени. Сопротивляемость металлической поверхности к проникновению в неё другого твёрдого тела называется твёрдостью.

Помимо твёрдости, важной характеристикой является прочность. Это способность оказывать сопротивление разрушению под действием каких-либо других внешних сил. При быстром возрастании нагрузки при ударе очень важна вязкость материала — это способность сопротивляться ударным нагрузкам. Металл обладает таким свойством, как упругость. Эта характеристика позволяет вернуть первоначальную форму и размер после того, как действующая сила будет устранена. Следующие понятие — пластичность. Под этим термином понимают способность металла менять форму под внешним воздействием и возвращаться в изначальное состояние, после того как это воздействие будет снято.

Эксплуатационные характеристики

В производственном процессе очень важна технологичность. Это способность подвергаться различным видам обработки с целью создания различных изделий. Технологические свойства:

• ковкость;
• текучий;
• свариваемость;
• прокаливаемость;
• обработка резанием.

Под воздействием внешних сил металл может изменять форму как в нагретом, так и в холодном состоянии. Это способность называется ковкостью. Это свойство было обнаружено человеком ещё в древности. В отличие от камня, который при сильных ударах крошится и рассыпается, металлические заготовки хорошо поддаются обработке. Им можно придать определённую форму, используя молот и наковальню. Это обусловлено строением кристаллической решётки.

Две поверхности из металлических сплавов при нагревании можно прочно соединять друг с другом, такая способность называется свариваемостью.

Важная характеристика расплавленного металла называется текучестью. Она характеризует способность материала растекаться по заготовленной форме. Каждый металл может подвергаться закалке на определённую глубину. Это свойство называется прокаливаемость. К основным операциям на производстве для получения заготовок относится обработка режущими инструментами. Подверженность к обработке резанием — ещё одно свойство металлических соединений.

Металлы-рекордсмены

Учёные давно определили, какие материалы и сплавы являются рекордсменами по различным параметрам. Самый твёрдый металл на планете — хром. Этот голубовато-белый материал с характерным блеском был открыт в 1766 году под Екатеринбургом. Минерал назывался «сибирский красный свинец». За ним следуют вольфрам, титан, осмий, иридий. Последний встречается очень редко. Сплавы, содержащие хром в сочетании с никелем, хромом, ванадием, железом, широко используются в промышленности.

Наиболее мягкими минералами считаются алюминий, серебро и медь. Они нашли широкое применение в различных областях, например, в электроаппаратостроении, из-за своих характеристик, так как легко поддаются обработке. Следует перечислить и другие мягкие металлы: это калий, натрий, рубидий, цезий. А какой самый пластичный металл? Все рекорды бьёт золото. На втором месте в этом списке стоит свинец. Кроме пластичности, золото обладает хорошей тягучестью и ковкостью и является лидером в списке тягучих металлов. В чистом виде оно имеет ярко-жёлтый цвет, обладает высокой теплопроводностью, влагоустойчивостью и не окисляется при нормальной температуре. Плёнка из окиси образуется только при нагревании до 100 °C. Золотые слитки ярко блестят. За счёт своих удобных для обработки физических свойств получили широкое применение для ювелирных украшений.

Ещё один уникальный химический элемент — ртуть. В природе не бывает её твёрдого состояния, так как температура плавления ртути составляет -38 °C, испарение происходит при комнатной температуре, равной 18 °C, а кипение происходит уже при 356 °C. Магнитные свойства отсутствуют: обычным магнитом ртуть не собрать. Химически она неактивна, взаимодействует с солями и неметаллами. С водой, кислотами и щелочами ртуть не взаимодействует. Область применения:

• в медицине (термометры);
• в научных целях (барометры, вакуумные насосы, манометры);
• электрохимическое производство (ртутные выпрямители электрического тока) и др.

Самым тугоплавким был признан вольфрам с температурой плавления +3420 °C. В электрических лампочках нити накаливания изготовлены именно из него. А самый тугоплавкий сплав состоит из карбидов гафния и тантала. В промышленности металлы в основном применяются в виде сплавов и делятся на чёрные и цветные. Первая группа включает в себя сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на сталь и чугун. В цветной металлургии широкое применение получили:

• медь;
• алюминий;
• олово;
• свинец;
• цинк;
• магний;
• вольфрам;
• титан и др.

В процессе развития химии люди научились делать более прочные сплавы. При помощи современных технологий можно создать ещё более прочные конструктивы на основе общих сравнительных характеристик.

Очень важный параметр при этом — удельная прочность. Для её расчёта берётся образец металла для проведения испытаний на установке. Уменьшается толщина и площадь поперечного сечения, одновременно увеличивается длина. В какой-то момент образец начинает растягиваться только в одном месте, образуя шейку, и происходит разрыв в этой области. Хрупкие материалы, например, сталь твёрдых сплавов и чугун, растягиваются меньше без образования шейки. Специальный прибор вымеряет силу, далее вычисляется предел прочности, для этого максимальную нагрузку до разрыва надо делить на площадь сечения до удлинения. Высокопрочными считаются титан, вольфрам, бериллий, уран, хром и некоторые другие.