Физические свойства металлов

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Все простые вещества можно разделить на металлы и неметаллы изза существенного различия их свойств (табл. 11.1).

Таблица 11.1

Некоторые характерные свойства металлов и неметаллов

Большинство элементов являются металлами. К ним относятся все s -элементы, кроме водорода и гелия, все d- и f – элементы и часть р – элементов (Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi, Po). Металлическими свойствами обладают и многочисленные сплавы указанных элементов. Если условно провести границу от Li к At, то всё, что находится слева от этой линии – металлы, а справа - неметаллы (р – элементы).

Граница между металлами и неметаллами размыта, между ними находятся полуметаллы (B, Si, Ge, As, Sb, Te, At). Полуметаллы обладают свойствами как металлов, так и неметаллов. Например, серый мышьяк имеет металлический блеск и электрическую проводимость, но хрупок, а желтый мышьяк имеет чисто неметаллические свойства.

Металлы – простые вещества, обладающие рядом ценных для человека специфических свойств (так называемых металлических свойств).

Для металлов в конденсированном состоянии характерна кристаллическая решётка с металлической связью. Для описания металлической связи часто используют модель «свободного электрона» (см. раздел 3.9). Согласно этой модели, в узлах кристаллической решётки металла находятся положительные ионы металла, «погружённые» в электронный газ из нелокализованных валентных электронов атомов, участвующих в образовании кристалла. Устойчивость кристалла обеспечивается силами притяжения между положительными ионами и электронным газом. Именно металлической связью объясняются физические свойства металлов.

Для всех металлов (кроме ртути) характерно твердое агрегатное состояние. Твердость их различна и обусловливается прочностью пространственной кристаллической решетки. Наиболее твердые – простые вещества d-элементов VI группы, наименее твердые – простые вещества щелочных металлов. Твердость металлов определяет возможность использования их в качестве конструкционных и инструментальных материалов.

Для металлических тел с гладкой поверхностью характерен металлический блеск – результат отражения световых лучей. Металлический блеск обусловлен отражением световых лучей от электронного газа, который несколько выходит за границу положительно заряженных ионов. Интенсивность блеска зависит от доли поглощаемого веществом света; чем меньше света поглощает металл, тем ярче его блеск. Серебро и палладий, отличающиеся наиболее интенсивным блеском, используют для изготовления зеркал. В мелкодисперсном состоянии многие металлы (железо, платина и др.) теряют блеск, приобретают черную или серую окраску.

Наличие электронов, которые могут свободно перемещаться по объему кристалла, обеспечивает высокую электрическую проводимость и теплопроводность. Лучшими проводниками электричества являются серебро, медь, золото и алюминий, худшими – свинец и ртуть. Металлы обладают высокой теплопроводностью. Наибольшая теплопроводность - у металлов с наилучшей электрической проводимостью.

Ионы металлов в кристалле могут скользить относительно друг друга. Этим объясняется ковкость (способность к расплющиванию – можно ковать листы) и пластичность (способность вытягиваться в проволоку и ленту). Наиболее пластичны золото, серебро и медь; из 1 г золота удается получить проволоку длиной в 3км, изготовить «золотую фольгу» толщиной 0,0001 мм.

В технике металлы подразделяют на чёрные, цветные, редкоземельные и драгоценные. К черным относят железо и его сплавы, к драгоценным – золото, серебро, платину и иридий, к редкоземельным – скандий, иттрий, рений, осмий, лантаноиды совместно с лантаном. Остальные металлы, включая магний, алюминий, медь и их сплавы, относят к цветным. Кроме того, различают металлы щелочные (литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций) и щелочно-земельные (кальций, стронций, барий, радий).

Впромышленности металлы подразделяют на лёгкие (< 5 г/см³) и тяжёлые (> 5 г/см³). Осмий – самый тяжёлый металл (= 22,5 г/см³). По температуре плавления различают лёгкоплавкие (< 1000 ^оС) и тугоплавкие (> 1500 ^оС); самые тугоплавкий металл – вольфрам (t_пл=3400 ^оС).