Основы материаловедения
3.1. Металлы. Классификация, потребительские свойства
и область применения
Разделение существующих в природе элементов на металлы и неметаллы и открытие новых металлов шло в течение последних двух столетий. Так, в XVIII веке М.В. Ломоносов писал: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно». И таких веществ-металлов ему известно было 6: золото, серебро, свинец, олово, медь и железо. Со временем, по мере углубления знаний в области химии и физики понятие металлов становится более четким, количество элементов, которые считают металлами, непрерывно увеличивается.
Если в длинном или полудлинном варианте системы элементов Менделеева провести прямую линию от бора до астата (табл. 3.1), то можно считать, что неметаллы расположены на этой линии и справа от нее, а металлы - слева. Как видно, большая часть элементов является металлами: 90 из 107.
В настоящее время под металлами понимают простые вещества, имеющие в обычных условиях кристаллическое строение, с характерным «металлическим» блеском в изломе образца, обладающие повышенными механическими свойствами (пластичностью и прочностью), высокими тепло- и электропроводностью, активно участвующие в химических реакциях с неметаллами.
Следует, однако, отметить, что абсолютно строгого разделения элементов на металлы и неметаллы не существует. Металлический блеск присущ только компактным металлическим образцам. Мельчайшие порошки металлов часто имеют черный цвет. В то же время куски неметалла кремния имеют металлический блеск. Некоторые металлы (Be, Cr, W) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании. Многие элементы по одним свойствам можно отнести к металлам, по другим - к неметаллам. Особенно много такого рода «нарушений» наблюдается вблизи границы, приведенной в табл. 3.1.
Ответить более определенно на вопрос, «что же такое металлы и почему они обладают теми или иными свойствами», позволяет анализ атомно-кристаллической структуры.
Таблица 3.1
3.1.1. Классификация металлов
Принята следующая (хотя и не очень последовательная и логичная) классификация металлов.
Все металлы делят на две группы: черные и цветные.
К группе черных металлов относят железо и его сплавы, а также марганец, ванадий, хром.
Все остальные металлы составляют группу цветных.
В свою очередь цветные металлы подразделяются на следующие подгруппы:
а) тяжелые цветные металлы: медь, никель, свинец, олово, цинк, кадмий, кобальт, мышьяк, сурьма;
б) легкие цветные металлы: алюминий, магний, натрий, а также бериллий, литий, барий, кальций, стронций, калий;
в) благородные металлы: золото, серебро, платина, осьмий, иридий, родий, рутений, палладий;
г) редкие металлы:
тугоплавкие: титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, рений;
рассеянные: галлий, таллий, германий, селен, теллур, индий, рубидий, цезий;
редкоземельные: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды (14 элементов от церия до лютеция);
радиоактивные: радий, актиний, актиноиды (торий, протактиний, уран и заурановые элементы), полоний.
Следует иметь в виду, что редкие металлы не обязательно (как иногда ошибочно представляют) содержатся в земной коре в малых количествах. Как видно из табл.3.2, содержание, например, титана, циркония, лития в земной коре больше, чем цинка, олова, свинца. Металлы этой подгруппы получили название «редкие» главным образом потому, что они рассеяны в большом количестве других пород. Отсюда невелика концентрация этих металлов в рудах, а месторождения руд редких металлов имеют небольшие размеры (запасы).
Таблица 3.2