1. Общие сведения о металлах и сплавах

1.1. Определение и классификация металлов

Металл (нем. мetall; первоисточник: греч. metallon шахта, руда, металл) в развитии человечества сыграл существенную роль. В 1836 г. датчанин Кристиан Юргенсен Томсен составлял путеводитель к археологической выставке одного из музеев Копенгагена. Перед ним витали вопросы: как расположить экспонаты? какой основной признак развития человеческого общества? Томсен дал четкий ответ: уровень развития общества определяется основным рабочим материалом эпохи. В соответствии с этим он и расположил экспонаты по схеме: каменный век – бронзовый век – железный век. После нескольких десятилетий полемики, такое деление стало общепринятым.

Металлы и сплавы на их основе являются в современном обществе основными конструкционными материалами.

Люди с давних времен пытались понять, что такое металл. Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVII в. Михаилом Васильевичем Ломоносовым: «Металл – суть (есть) светлое тело, которое ковать можно. Таких тел находим только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец». Следовательно, существовала твердая уверенность в том, что металлы обладают особыми свойствами, которые объединяют их между собой и выделяют из всего неорганического мира. Характерный блеск («светлое тело») и пластичность («ковать можно») считалось ранее их фундаментальными отличительными признаками. Но металлическим блеском обладают некоторые неметаллы (например, йод), а мелкие порошки металлов кажутся черными. Ртуть при комнатной температуре представляет собой жидкость и ковать ее невозможно. Впрочем сам же М.В. Ломоносов доказал, что ртуть относится к металлам. В 1759 г. он (совместно с петербургским академиком И.А. Брауном) охладил ртуть в смеси из снега и азотной кислоты до перехода в твердое состояние, при котором она стала ковкой, как свинец.

Отмеченные изъяны определения М.В. Ломоносова вызваны были недостатком в его время знаний ни о протекании электрического тока, ни о роли электронов в металле.

К настоящему времени сформировалось более четкое определение металлов – это вещества, обладающие в обычных условиях характерными металлическими свойствами:

– способностью хорошо отражать световые волны (блеск);

– кристалличностью;

– высокими значениями тепло- и электропроводимости;

– отрицательным температурным коэффициентом электрической проводимости.

Не все металлы и не при всех условиях обладают полной совокупностью отмеченных свойств. Из всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева более 78 % относятся к металлам, и подобрать при таком многообразии абсолютно точное определение – задача почти безнадежная. Поэтому на сегодняшний день важнейшим признаком металла является последнее свойство – отрицательный температурный коэффициент электрической проводимости, т. е. понижение электропроводимости с ростом температуры и наоборот.

В общем случае металлы делятся на две большие группы: черные (железо и сплавы на основе железа) и цветные (алюминий, магний, цинк, никель, медь, титан и др.). Помимо черных и цветных металлов и сплавов различают: легкие (магний, бериллий, алюминий, титан), благородные (серебро, золото, платина, палладий, родий, осмий, рутений), редкоземельные (лантаноиды), щелочноземельные (натрий, калий, цинк), тугоплавкие (вольфрам, молибден, тантал, ниобий), легкоплавкие (цинк, ртуть, олово, свинец, висмут, сурьма, галлий, германий), урановые (актиноиды). Часть элементов Периодической системы Д.И. Менделеева (кремний, теллур, селен, германий) являются промежуточными между металлами и неметаллами.