Тема 14: химия металлов и электротехнические материалы Металлическое состояние вещества
Как известно из практики, в качестве конструкционных и электротехнических материалов в народном хозяйстве применяются металлы, ихсплавы,полимеры и изготовленные на их основе пластмассы. Поскольку металлические материалы используется очень широко, необходимо рассмотреть физические и химические свойства металлов.
Из известных в настоящее время 114 элементов 4/5 относятся к металлам, остальные – к неметаллам. Но такое деление условно.
Оказывается, что одно и тоже вещество может иметь металлические и неметаллические свойства. Например, олово белое имеет металлические свойства, а олово серое – имеет неметаллические свойства. Потому под словами металл и неметалл следует понимать не вещество, а состояние (металлическое и неметаллическое). Для металлического состояния характерны следующие физические свойства (существенно отличные отнеметаллических):
1) блеск и непрозрачность;
2) электро- и теплопроводность;
3) пластичность (способность прокатываться, вытягиваться в проволоку);
4) термоэлектронная эмиссия (способность испускать электроны при нагревании).
Металлы при обычной температуре находятся в твердом состоянии (кроме Hg), а для истинно твердого состояния характерно кристаллическое строение. В узлах кристаллических решеток металлов расположены атомы металла, находящиеся в равновесии с положительно заряженными ионами металла и свободными электронами.
где m – общее число атомов металла, k – количество ионов металла.
Металлическое состояние характеризуется особым типом связи – металлической. Она образуется между атомами металлов за счет перекрывания наружных электронных орбиталей. От ковалентной неполярной связи она отличается тем, что в кристаллах металлического типа электроны не закреплены за атомами, а переходят в так называемое состояние проводимости, т.е. электроны наружных орбиталей принадлежат всем атомам данного кристалла. Особенности кристаллических решеток металлического типа обусловливают характерные физические и химические свойства металлов.
Тема 14: химия металлов и электротехнические материалы Физические свойства металлов
Из физических свойств металлов следует отметить: высокую электро- и теплопроводность, металлический блеск, твердость, непрозрачность, ковкость, способность к пластической деформации, термоэлектронной эмиссии, фотоэффекту и т.п.
Все характерные свойства металлов обусловлены типом химической связи (металлической) и строением кристаллической решетки. Так, высокие значения электро- и теплопроводности указывают на значительную подвижность электронов в пространственной металлической структуре, что характерно для данного типа химической связи. Максимальную электрическую проводимость имеют серебро, медь, золото и алюминий.
Температуры кипения и плавления металлов изменяются периодически: в начале периода периодической системы химических элементов находятся низкоплавкие металлы, а по мере увеличения порядкового номера элемента температура плавления растет. В общем виде это можно записать:tпл.(S-элем.) < tпл.(p-элем.) < tпл.(d-элем.), но встречаются и исключения. Металлы, температура плавления которых превышает температуру плавления хрома (1890º С), условно относят к тугоплавким. Самый тугоплавкий металл – вольфрам (tпл. = 3377º С), а самый легкоплавкий – ртуть (tпл. = -33,6º С)
Из механических свойств следует отметить: плотность, пластичность, твердость.
Плотность металлов выражается массой единицы объема и колеблется в очень широких пределах: от 0,53 у лития до 22,6 г/см3 у осмия. По значению плотности все металлы в технике делят на легкие (щелочные, щелочноземельные металлы, алюминий, бериллий, скандий, титан, иттрий), у которых плотность меньше 5 г/см3, и тяжелые – плотность у них больше 5 г/см3 (все остальные). Легче воды три металла: литий, натрий, калий.
Пластичность определяется способностью металла, не разрушаясь деформироваться так, что деформация остается и после окончания действия нагрузки. Пластичность металлов имеет большое практическое значение. Благодаря этому свойству металлы поддаются ковке, прокатке, вытягиванию в проволоку (волочению), штамповке. Смещение заполненных атомами металла плоскостей в кристалле в определенных пределах не приводит к разрушению металлической связи. Хрупкими определенное время считались титан, вольфрам, хром, молибден, тантал, висмут, цирконий. Очищенные от примесей эти металлы – высокопластичные материалы, которые можно ковать, прессовать, прокатывать.
Твердость – это сопротивление проникновению в металл другого твердого тела. Твердость является ценным свойством металлов, используемых в качестве конструкционных и инструментальных материалов. Она изменяется в широких пределах: наиболее твердыми являются металлы подгруппы хрома, наименее твердые – щелочные металлы (режутся ножом).
К физическим свойствам относятся также:
Непрозрачность металлов также обусловлена присутствием в кристаллической решетке (а также и в расплаве) свободных электронов. Подвижные электроны в металле гасят световые колебания, превращая их энергию в теплоту или, в определенных условиях, используя ее для высвобождения электронов с поверхности металла (фотоэлектрический эффект).
Металлический блеск объясняется тем, что металлы отражают большую долю падающего на них света. Интенсивность блеска определяется долей поглощаемого света. Наиболее ярко блестят палладий и серебро. Большинство металлов почти полностью отражает свет всех длин волн спектра, в связи с чем они имеют белый или серый цвет. И только некоторые металлы (медь, золото, цезий) поглощают зеленый или голубой цвет сильнее, чем цвет других длин волн. В связи с этим они окрашены в желтый или даже красный цвет.