2. Фізичні властивості та застосування металів

Загальні фізичні властивості металів. Наявністю вільних відносно рухливих електронів пояснюються такі загальні властивості металів, як електропровідність, теплопровідність, металічний блиск, пластичність. Відмінності прояву цих властивостей спричинені розмірами структурних частинок металів (атомів та йонів), кількістю усуспільнених електронів, силою притягування між структурними частинками, будовою кристалічних ґраток, атомними масами.

У техніці метали прийнято поділяти на групи за окремими їх фізичними властивостями.

За кольором метали поділяють на чорні (залізо, хром, марганець) і кольорові (усі решта).

За густиною розрізняють легкі (густина менше як 5 г/см3) і важкі метали (густина більше за 5 г/см3). Прикладами легких є лужні й лужноземельні метали, алюміній. До важких належать олово, свинець, ртуть, залізо, осмій та ін.

За температурою плавлення метали бувають легкоплавкі (температура плавлення не вища ніж 350 °С) і тугоплавкі (температура плавлення понад 350 °С). Прикладами легкоплавких є цезій, натрій, калій, олово, свинець, прикладами тугоплавких — залізо, хром, вольфрам.

Агрегатний стан. За звичайних умов метали мають твердий агрегатний стан, і лише один з них — ртуть — рідкий.

Електропровідність металів. З фізики нам відомо, що електричний струм — це спрямований рух заряджених частинок. Такими частинками в металах є електрони.

Чемпіонами з електропровідності серед металів є срібло, мідь і алюміній.

Теплопровідність металів. З природознавства та фізики ви дізналися, що при доторканні рукою до металевого й дерев'яного виробів органи чуття людини сприймають їх температуру по-різному — металевий виріб завжди видаегься набагато холоднішим. Це тому, що метали мають високу теплопровідність й тепло долоні швидко передається до металу, він стає теплішим, а долоня холоднішає. Деревина погано проводить тепло, тому, торкаючись рукою до дерев'яного виробу, ми не відчуваємо холоду, як при доторканні до металевих виробів.

Н айменша теплопровідність у ртуті, найбільша — у срібла, міді, золота, алюмінію.

Металічний блиск. У компактному вигляді (пластинка, згусток з гладенькою поверхнею) металам властивий металічний блиск. Він є наслідком відбиття світла від їх поверхні. Ця фізична властивість найкраще проявляється в срібла. Блиск металів здебільшого сріблястий, хоча в цезію і золота — жовтий, у міді — цегляно-червоний.

У порошкоподібному стані метали втрачають свій блиск, за винятком алюмінію, який і в порошкоподібному ста­ні має чітко виражений металічний блиск.

Метали не пропускають не лише світлові хвилі, а й радіохвилі.

Густина і температура плавлення металів. За цими фізичними характеристиками метали суттєво відрізняються між собою. Так, найлегший метал — літій — має густину 0,53 г/см3, тоді як найважчий — осмій — 22,5 г/см3.

Обчисліть, у скільки разів осмій важчий за літій та чому дорівнює кількість речовини в наважках обох металів масою 57 г кожна.

Найнижча температура плавлення в цезію — усього 28 °С. Найвищу температуру плавлення має вольфрам — 3380 °С.

Пластичність. Достатньо злегка стукнути молотком по скляному виробу, щоб він розкришився на дрібні шматочки. З металевими виробами цього не трапляється. Завдяки металічному зв'язку структурні частинки металу настільки міцно зв'язані між собою, що під ударами (одні меншої, інші — більшої сили) вони лише змінюють форму — деформуються. Шари атомів та йонів зміщуються, але вільні електрони не дають їм відірватися від основної маси металу.

Найбільша пластичність у платини й золота. Золотіння куполів храмів здійснюють золотом завтовшки 0,03 мм. Золото можна витягнути в дріт, невидимий неозброєним оком.

Розглянуті загальні фізичні властивості металів свідчать про те, що на відміну від неметалів, метали проявляють більшу подібність властивостей. Пояснення цьому — металічний зв'язок.

Застосування металів. Серед металів є такі, що вже кілька тисячоліть використовуються людиною, а є й відкриті набагато пізніше.

Завдяки своїм фізичним властивостям метали донині знаходять широке практичне використання. Найбільше видобувають і використовують залізо. Світовий видобуток заліза приблизно у 20 разів перевищує видобуток усіх інших металів разом узятих. Основна галузь застосування цього металу — машинобудування. У літакобудуванні використання заліза обмежується через його густину, що майже втричі більша, аніж в алюмінію. Залізо використовують у вигляді сплавів чавуну й сталі.

Переважна більшість конструкційних матеріалів є сплавами.

Залізо та його сплави мають унікальну здатність притягуватися магнітом. На цій властивості засновано їх використання у вантажо-піднімачах. Недоліком заліза є його здатність до корозії — руйнування під впливом чинників зовнішнього середовища.

Електричний струм передається від джерела струму алюмінієвими або мідними дротами. Хоча алюміній за електропровідністю посідає третє місце після срібла й міді, найбільше електричних дротів виготовляють саме з нього. Пояснюється це, по-перше, поширенням алюмінію в природі, по-друге, він найлегший серед цих металів, по-третє, собівартість його виробництва найнижча.

Алюміній належить до легких металів (густина 2,7 г/ см3). Ця та інші його властивості відіграли визначальну роль у застосуванні алюмінію та його сплавів у ракето-, літако-, авто-й кораблебудуванні. Потрібно зазначити, що понад 60% корпусу літака складається зі сплавів алюмінію з міддю, магнієм, титаном, кремнієм. За ним міцно закріпилася слава крилатого металу.

Мідь становить основу електротехніки. Досить поширеними є сплави міді — бронза (основу становлять мідь та олово), латунь (основу становлять мідь і цинк), мельхіор (основу становлять мідь і нікель). Завдяки цінним механічним властивостям, стійкості до корозії, легкому литву й обробці сплави на основі міді широко використовують у техніці, виготовленні дзвонів для храмів, посуду, художніх та інших виробів. Так, із бронзи виготовлені пам'ятники Богдану Хмельницькому й Тарасу Шевченку в Києві.

Титан міцніший за сталь удвічі й не набагато важчий за алюміній, має високу температуру плавлення та стійкий до корозії. Титанова пластинка може роками перебувати під водою й не піддаватися корозії. Сплави з добавлянням титану легкі, міцні, антикорозійні, тому титан, як і алюміній, незамінний у корабле-, ракето- й літакобудуванні.

Свинець належить до важких й відносно м'яких металів, використовується у виготовленні боєприпасів, свинцевих акумуляторів, підшипників. Свинець здатний поглинати рентгенівські та інші шкідливі промені, тому його використовують у виготовленні засобів захисту від опромінення. Щоб локалізувати небезпечне випромінювання після аварії на Чорнобильській АЕС, на зруйнований реактор та прилеглу територію було скинуто тисячі тонн свинцевовмісних матеріалів.

Тонким шаром цинку покривають поверхні залізних виробів побутового призначення (відра, тази), щоб надійно захистити їх від корозії.

Єдиний рідкий за звичайних умов метал ртуть використовують у ядерних реакторах для відведення тепла, у медичних термометрах.

Олово застосовують у виробництві різних сплавів. Так, виконуючи паяльні роботи, користуються легкоплавким сплавом олова із свинцем, що має назву «припой». Консервні банки зсередини покривають тонким шаром олова.

Тантал має властивість, яка відсутня в будь-якого з металів. Він не взаємодіє з живими тканинами організму людини, є для них нешкідливим. Завдяки цьому в хірургії його використовують для скріплення кісток при переломах, з нього виготовляють хірургічні інструменти.

Виробництво сучасного автомобіля не обходиться без ванадію. Лише 0,1-0,2% ванадію, доданого до сталі, робить її стійкою до тертя. З такого сплаву виготовляють рухомі деталі машин, щоб запобігати їх спрацюванню.

Високу стійкість до корозії сталі надають добавки хрому. Відома вам нержавіюча сталь містить у своєму складі 18% хрому та 8% нікелю. Хром серед металів має найбільшу твердість і високу стійкість до корозії. На цих властивостях засноване хромування поверхонь залізних виробів з метою захисту від корозії і подряпин. Причому товщина хромової плівки становить 0,005 мм. Усі блискучі частини автомобілів покриті такою плівкою.

За золотом здавна закріпилася назва «цар металів». Золото — це не лише блискучий яскраво-жовтий дорогоцінний метал, що широко використовують у ювелірному виробництві. І дотепер паперові гроші й монети, які держави випускають в обіг, тільки тоді мають цінність, якщо підкріплені наявністю в державній казні певної кількості золота. Завдяки хімічній стійкості й пластичності його використовують у хімічній промисловості, техніці. Із 1 г золота можна виготовити до 50 м2 тонесенької золотої плівки.

Без срібла, як і без золота, не обходиться виготовлення ювелірних прикрас. Проте найбільше його використовують у техніці (виготовлення запобіжників, радіодеталей тощо). Тонким шаром срібла часто покривають поверхню дзеркал, ялинкові прикраси.

Значну частину видобутої платини використовують як каталізатор у виробництві високоякісного бензину, нітратної кислоти, в окисненні амоніаку.

Завдяки тугоплавкості вольфраму з нього виготовляють нитки розжарювання електричних ламп.

Опис застосування металів можна було б продовжувати. Проте наведених прикладів цілком достатньо, щоб зрозуміти, що завдяки фізичним властивостям метали широко використовують у госпо дарському комплексі України.