Строение металлов
Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом. Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки. Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа эти расстояния 28,4 нм (α=Fe) и 36,3 нм (γ = Fe). Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства. Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью. Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку. Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ-Fe, δ-Fe. Практическое значение имеют α -Fe и γ -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для β-Fe характерно отсутствие магнитных свойств. Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты при нагревании.
Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях. Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными атомами. В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл. Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен – 0,001...0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами.
Группы металлов.
В настоящее время известно 105 химических элементов, большинство из
них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в
виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов,
составе тел животных, растений и даже в атмосфере.
По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые
это различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, -
писал он, - тела твердые, ковкие блестящие».
Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду
наличие у него определенного комплекса свойств:
1. Плотная кристаллическая структура.
2. Характерный металлический блеск.
3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.
4. Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.
5. Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко
отдавать электроны.
6. Ковкость и тягучесть.
7. Способность к образованию сплавов.
Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно
разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы -
железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими
сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые
легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель,
вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в
легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования
получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной
прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих -
коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием
внешней среды.
Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили
такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-
красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото
-желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав
меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит -
сплав олова с сурьмой и медью и др.
Это деление на черные
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
электрический ток.
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
одинаковую температуру.
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.
Таблица №1
Плотность и температура плавления некоторых металлов.
|Название |Атомный вес |Плотность, |Температура |
| | |г/см3 |плавления, C | и8.
|Легкие металлы.| | | |
|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 |
|Тяжелые металлы| | | |
|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
веществами.
Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк
начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается
уравнением:
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
окислителями.
Таблица №2
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 |
|K+/K |-2,92 |Sn2+/Sn |-0,14 |
|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 |
|Cd2+/Cd |-0,40 | | |
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
восстановительная способность.
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
с ионами других щелочных металлов.