Кристалічна структура металів

Метали за звичайних умов є кристалічними речовинами (лише ртуть – рідина). Кристалічні решітки металів трьох найхарактерніших типів подані на рис.3. В об’ємноцентрованій кубічній решітці (Na, Cr) (рис.3,а) кожний атом металу попадає в центр куба, який утворюють 8 сусідніх атомів.

а) б) в)

Рис.3.Кристалічні решітки металів трьох найхарактерніших типів

Елементарна комірка гранецентрованої кубічної решітки (Al, Ni) (рис.3,б) утворена 14 атомами: 8 розміщені у вершинах куба, 6 – у центрах кожної грані куба. Гексагональна щільноупакована решітка (рис.3,в) характерна для Mg, Co.

Кристалічні решітки металевого типу містять у вузлах позитивно заряджені іони і нейтральні атоми; між ними пересуваються відносно вільні електрони.

Фізичні властивості металів

Той факт, що метали володіють рядом характерних фізичних особливостей пояснюється особливою будовою їхніх кристалічних граток, а саме наявністю в них вільних електронів (“електронного газу”).

За звичайних умов всі метали (крім ртуті) – тверді непрозорі речовини сірого кольору з специфічним металевим блиском, що пов'язано з взаємодією вільних електронів з падаючими на метал квантами світла. Деякі метали (магній, алюміній, свинець і ін.) покриваються на повітрі плівкою оксидів і втрачають блиск. При нагріванні до певної температури метали плавляться, а при подальшому нагріванні переходять в пароподібний стан.

Температури плавлення і кипіння певним чином пов’язані з розташуванням металу в періодичній системі. Розташовані на початку кожного періоду метали мають найнижчу температуру плавлення, але із збільшенням порядкового номеру металу в періоді температура плавлення зростає і досягає максимуму в підгрупі Cr. Далі температура плавлення понижується і досягає мінімуму в підгрупі Zn. Самий легкоплавкий метал – ртуть (t_пл. = –39 ºC, самий тугоплавкий метал – вольфрам (t_пл. = 3390 ºC). Метали з t_пл. вище 1000 ºC вважаються тугоплавкими (мідь, залізо, хром, титан, молібден), нижче – легкоплавкими (ртуть, натрій, магній, алюміній).

Електропровідність пояснюється можливістю спрямувати рух вільних електронів від негативного полюса до позитивного під впливом невеликої різниці потенціалів. Найкращий провідник – срібло; з усіх металів тільки германій є напівпровідником. В ряду Ag, Cu, Al, Fe зменшується. При нагріванні електропровідність зменшується, тому що з підвищенням температури підсилюються коливання атомів і іонів у вузлах кристалічних ґраток, що утрудняє спрямований рух "електронного газу".

Теплопровідність обумовлена високою рухливістю вільних електронів і коливальним рухом атомів, завдяки чому відбувається швидке вирівнювання температури по всій масі металу. Закономірність та ж. Найбільша теплопровідність – у бісмуту і ртуті.

Пластичність – це здатність металу під дією зовнішніх сил змінювати форму, яка зберігається і після припинення зовнішніх сил; саме тому метали можна витягувати в дріт, прокатувати в тонкі листки тощо. Пластичність обумовлена тим, що іони в кристалічній гратці можуть зміщуватися один відносно одного під дією зовнішніх факторів. В ряду – Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe пластичність зменшується.

Густина. Вона тим менша, чим менша атомна маса металу і чим більшим є радіус його атому (найлегший – літій (ρ = 0,53 г/см³); найважчий – осмій (ρ = 22,6 г/см³)). Метали, що мають ρ < 5 г/см³ вважаються "легкими металами". Типові легкі метали – лужні та лужноземельні, алюміній, магній; важкі – цинк, залізо, мідь свинець, ртуть, золото.

Твердість. Найтвердіший метал – хром (ріже скло); найм’якіші – калій, натрій, рубідій і цезій (ріжуться ножем).