- Металлическая связь
- Физические свойства металлов
- Сплавы
- знать понятия «металлическая связь», «электронный газ», «теплопроводность», «металлический блеск», «сплавы», «чугун», «сталь», «бронзы», «латунь», «мельхиоры»
- уметь отличать металлы от неметаллов, характеризовать модели строения атомов типичных металлов
Как внешне выглядят металлы, без труда расскажет любой человек, даже незнакомый с химией: от большинства других веществ их легко отличить по характерному металлическому блеску. В отличие от неметаллов они хорошо проводят электричество и тепло — достаточно вспомнить, чем может закончиться прикосновение к горячей кастрюле или сковороде. Все металлы, кроме ртути, при комнатной температуре находятся в твёрдом состоянии. Все эти свойства металлов связаны с наличием в них особого вида химической связи, которую называют металлической.
Металлическая связь
Металлическая связь — это связь между атомами и положительными ионами в кристалле металла, которую осуществляют обобществлённые валентные электроны («электронный газ»).
Схема 1. Строение кристалла металла
Образование металлической связи можно объяснить тем, что атомы металлов характеризуются:
- небольшим числом валентных электронов при большом числе свободных валентных орбиталей;
- сравнительно большими радиусами атомов;
- низкой энергией ионизации.
Поэтому атомы металлов легко превращаются в положительные ионы как при взаимодействии с атомами неметаллов, так и при образовании металлического кристалла. Освободившиеся электроны свободно перемещаются по всему кристаллу и осуществляют притяжение между ионами.
Металлическая связь определяет и особое кристаллическое строение металлов и сплавов — металлическую кристаллическую решётку, в узлах которой расположены ион-атомы. Для данных веществ характерно немолекулярное строение.
Упражнение 1
1. Выберите электронную конфигурацию атома металла:
1) 1s2,
2) 1s22s22p63s2,
3) 1s22s22p5,
4) 1s22s22p63s23p2.
2. Оцените верность суждений. Металлические свойства обусловлены:
а) сравнительно большими радиусами атомов металлов;
б) большим числом электронов на внешнем энергетическом уровне в атомах металлов.
1) верно только а;
2) верно только б;
3) верны оба суждения;
4) оба суждения неверны.
Физические свойства металлов
Металлическая связь обусловливает важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.
Пластичность — это способность металлов изменять форму при ударе, прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходит смещение атомов и ионов кристаллической решётки, однако связи между ними не разрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образующие связь. Пластичность металлов уменьшается в ряду $Au , Ag , Cu , Sn , Pb , Zn , Fe$. Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной до 0,003 мм, которые используют для золочения.
Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры колебания ионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурах колебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, а электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводник электричества — серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Также изменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов.
Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют плотность, температура плавления и твёрдость. Самый лёгкий из металлов — литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжёлый — осмий (22,6 г/см3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см3 называются лёгкими, остальные — тяжёлыми. Температуры плавления металлов различаются очень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температура плавления вольфрама — +3 410 °С. При обычных условиях единственный жидкий металл — ртуть. В парообразном состоянии все металлы одноатомны, их кристаллическая решётка разрушается.
Металлы различаются по твёрдости. Самый твёрдый из них — хром — режет стекло, а самые мягкие — калий, рубидий и цезий — легко режутся ножом. Прочность, температура плавления и твёрдость зависят от прочности металлической связи и особенностей их кристаллической структуры.
Упражнение 2
1. Наиболее пластичные металлы:
1) $Ag , Au , Cu$; 3) $Pb , Sn , Zn$;
2) $Fe , Cr , Ni$; 4) $Al , Ag , Cr$.
2. Наиболее электропроводные металлы:
1) $Zn , Fe , Cu$; 3) $Ag , Fe , Na$;
2) $Al , Ca , Cr$; 4) $Al , Ag , Cu$.
3. Наименьшую электропроводность имеет:
1) алюминий; 3) медь;
2) золото; 4) свинец.
Сплавы
Сплавы — это системы, которые состоят из двух или более компонентов, среди которых есть металл, обладающие характерными для металлов свойствами. Получают их кристаллизацией расплавов, а также методом спекания (порошковая металлургия) и другими методами.
Сплавы могут представлять собой смеси (кристаллически неоднородные), химические соединения (кристаллически однородные) или твёрдые растворы.
В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием чёрные металлы; остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы.
Чугун — сплав железа с углеродом (обычно больше $2\%$), который содержит примеси $Si , Mn , P \text{ и } S$ (нелегированный чугун).
Легированный чугун может содержать дополнительно легирующие элементы ($Cr , Ni , Mo , Cu , Al$, более $2\%$ $Mn$, более $4\%$ $Si$) для целенаправленного изменения свойств и улучшения характеристик материала. Широко применяется в машиностроении.
Сталь — сплав железа с углеродом (менее $2\%$) с примесями марганца, кремния, серы, фосфора. Обычная углеродная сталь содержит $C — 0,05 - 1,5 \% $, $Mn — 0,1 - 1 \% $, $Si\ \text{до}\ 0,4 \% $, $S\ \text{до}\ 0,08 \%$, $P\ \text{до}\ 0,1 \% .$
При большем содержании примесей или при добавке других специальных примесей сталь называется легированной. Легирующие элементы: $Cr , Ni , Mn , Cu , W , Mo , V , C , Ti , Nb , Al , Zr , Ta .$Легированные стали имеют особые механические и химические свойства. Из них изготавливают детали машин, инструменты, резцы, штампы и т. д. Нержавеющие стали, которые содержат до $12 \%$ хрома, стойкие против коррозии в атмосфере, в кислотах, щелочах, растворах солей. Добавление в сталь хрома, кремния и алюминия делает её жаропрочной, а насыщение поверхностного слоя стали азотом (азотирование) резко увеличивает износостойкость стальных изделий. Сталь изготовляют из чугуна путём частичного удаления из него углерода окислением; этот способ получил наибольшее распространение в современной металлургии. Второй способ получения заключается в восстановлении железа из железняка и введении в него необходимого количества углерода и других примесей.
Бронзы — сплавы на основе меди, обычно с оловом, имеют высокие значения механических свойств. Подшипниковая бронза содержит $89,5 \%\ Cu, 10 \%\ Sn , 0,5 \%\ Pb ;$ бронза для шестерён содержит $90 \%\ Cu \ \ \text{и} \ \ 10 \%\ Sn .$ Бронзы применяются для изготовления деталей машин, художественных изделий и др.
Латунь — сплав меди с цинком $( 60 - 90 \%\ Cu \ \text{и}\ 40 - 10 \%\ Zn ) .$Легирующими компонентами являются $Al , Si , Pb , Mn , Sn , Fe$ и др. Латунь имеет высокие значения механических свойств и хорошо противостоит коррозии в атмосферных условиях. Латунь применяют для изготовления разных металлических деталей, в строительстве морских судов, самолётов, приборов, химической аппаратуры.
Мельхиоры — сплавы меди (основа $18 - 30 \%\ Cu$) главным образом с $Ni\ ( 5 - 30 \% ) ,$ с добавками $Fe , Mn .$ Стойкие к коррозии. Применяют для изготовления монет, деталей точной механики, медицинских инструментов, столовой посуды и других изделий.
Упражнение 3
1. Металл — составная часть тугоплавких сплавов:
1) никель; 3) медь;
2) вольфрам; 4) алюминий.
2. Материал, из которого изготовлен «Медный всадник»:
1) медь; 3) чугун;
2) бронза; 4) сталь.
Контрольные вопросы
- Какие сплавы относятся к чёрным, а какие — к цветным?
- Сравните металлическую связь с ионной.
- Что такое легирующие элементы?
Упражнение 1
1) 2
2) 1
Упражнение 2
1) 1
2) 4
3) 4
Упражнение 3
1) 2
2) 2
