Chemische Elemente, die im freien Zustand einfache Stoffe mit einer metallischen Bindung bilden (siehe Chemische Bindung). Von den 110 bekannten chemischen Elementen (siehe Periodensystem der chemischen Elemente) sind 88 Metalle und nur 22 Nichtmetalle.

Metalle wie Gold, Silber und Kupfer sind den Menschen seit prähistorischen Zeiten bekannt. In der Antike und im Mittelalter glaubte man, dass es nur 7 Metalle (Gold, Silber, Kupfer, Zinn, Blei, Eisen und Quecksilber) gab. M. V. Lomonosov definierte Metall als „einen leichten Körper, der geschmiedet werden kann“ und ordnete Gold, Silber, Kupfer, Zinn, Eisen und Blei Metallen zu. A. Lavoisier erwähnte in seinem "Elementary Course in Chemistry" (1789) bereits 17 Metalle. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts. gefolgt von der Entdeckung von Platinmetallen, dann von Alkali, Erdalkali und einer Reihe anderer.

Der Triumph des periodischen Gesetzes war die Entdeckung von Metallen, die auf seiner Grundlage von D. I. Mendeleev vorhergesagt wurden - Gallium, Scandium und Germanium. In der Mitte des 20. Jahrhunderts. Mit Hilfe von Kernreaktionen wurden Transurane gewonnen - radioaktive Metalle, die in der Natur nicht vorkommen.

Die moderne Metallurgie erhält über 60 Metalle und mehr als 5.000 darauf basierende Legierungen.

Die Struktur von Metallen basiert auf einem Kristallgitter aus positiven Ionen, die in ein dichtes Gas aus beweglichen Elektronen eingetaucht sind. Diese Elektronen kompensieren die elektrischen Abstoßungskräfte zwischen den positiven Ionen und binden sie dadurch an Festkörper.

Diese Art der chemischen Bindung wird als metallische Bindung bezeichnet. Es bestimmt die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Metallen: Plastizität, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, metallischer Glanz.

Plastizität ist die Fähigkeit von Metallen, beim Aufprall ihre Form zu ändern, zu dünnen Blättern zu rollen und sich zu Draht zu dehnen. Dabei werden die Atome und Ionen des Kristallgitters verschoben, aber die Bindungen zwischen ihnen werden nicht gelöst, da sich auch die die Bindung bildenden Elektronen entsprechend bewegen. Die Plastizität von Metallen nimmt in der Reihe Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe ab. Gold beispielsweise lässt sich zu bis zu 0,003 mm dicken Blechen walzen, die zum Vergolden verwendet werden.

Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Metallen erklärt sich durch das Vorhandensein freier Elektronen, die sich schon bei einer geringen Potentialdifferenz vom Minuspol zum Pluspol bewegen. Mit steigender Temperatur nehmen die Schwingungen von Metallionen und Atomen zu, was die Bewegung von Elektronen behindert und dadurch zu einer Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit führt. Bei niedrigen Temperaturen hingegen nimmt die Schwingungsbewegung von Ionen und Atomen stark ab und die elektrische Leitfähigkeit nimmt zu. Nahe dem absoluten Nullpunkt ist der elektrische Widerstand von Metallen praktisch nicht vorhanden. Der beste elektrische Leiter ist Silber, gefolgt von Kupfer, Gold, Aluminium und Eisen. Auch die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ändert sich, was sowohl durch die hohe Beweglichkeit freier Elektronen als auch durch die oszillierende Bewegung von Ionen verursacht wird, wodurch sich die Temperatur in der Masse des Metalls schnell ausgleicht. Metallischer Glanz ist auch mit dem Vorhandensein freier Elektronen verbunden.

Von den anderen physikalischen Eigenschaften von Metallen sind Dichte, Schmelzpunkt und Härte von größtem praktischem Interesse. Das leichteste der Metalle ist Lithium (Dichte 0,53 g/cm3), das schwerste ist Osmium (22,6 g/cm3). Metalle mit einer Dichte von weniger als 5 g / cm3 werden als leicht bezeichnet, der Rest als schwer. Die Schmelzpunkte von Metallen sind sehr unterschiedlich: Cäsium und Gallium können mit der Hitze der Handflächen geschmolzen werden, und der Schmelzpunkt von Wolfram beträgt +3410 ° C. Unter normalen Bedingungen ist das einzige flüssige Metall Quecksilber. Im Dampfzustand sind alle Metalle einatomig, ihr Kristallgitter ist zerstört.

Metalle sind unterschiedlich hart. Das härteste von ihnen - Chrom - schneidet Glas, und das weichste - Kalium, Rubidium und Cäsium - lässt sich leicht mit einem Messer schneiden. Festigkeit, Schmelzpunkt und Härte hängen von der Stärke der metallischen Bindung ab. Bei Schwermetallen ist er besonders hoch.

In der Technik werden Eisenbasislegierungen, also Gusseisen, Stahl und Eisen selbst als Eisenmetalle bezeichnet, alle anderen Metalle als Nichteisenmetalle. Es gibt andere Klassifikationen von Metallen (siehe Periodensystem der chemischen Elemente).

Die chemischen Eigenschaften von Metallen werden durch die schwache Bindung von Valenzelektronen zum Atomkern bestimmt. Atome geben sie relativ leicht ab und verwandeln sich in positiv geladene Ionen. Daher sind Metalle gute Reduktionsmittel. Dies ist ihre wichtigste und häufigste chemische Eigenschaft.

Offensichtlich müssen Metalle als Reduktionsmittel mit verschiedenen Oxidationsmitteln reagieren, unter denen es einfache Substanzen (Nichtmetalle), Säuren, Salze weniger aktiver Metalle und einige andere Substanzen geben kann. Metallverbindungen mit Sauerstoff werden Oxide genannt, mit Halogenen Halogenide, mit Schwefel - Sulfide, mit Stickstoff - Nitride, mit Phosphor - Phosphide, mit Kohlenstoff - Boride, mit Wasserstoff - Hydride usw. Viele dieser Verbindungen haben wichtige Anwendung in der Technologie gefunden.

Wenn Metalle mit Säuren wechselwirken, ist das Oxidationsmittel das Wasserstoffion H +, das ein Elektron vom Metallatom aufnimmt:

Mg - 2e - \u003d Mg 2+

_________________

Mg + 2H + = Mg 2+ + H 2

Metalle, die in der Reihe der Standardelektrodenpotentiale (Spannungsreihen) links von Wasserstoff stehen, verdrängen (reduzieren) normalerweise Wasserstoff aus verdünnten Säuren wie HCl oder H2SO4, und Metalle rechts von Wasserstoff verdrängen ihn nicht.

Die Wechselwirkung von Metallen mit wässrigen Lösungen von Salzen weniger aktiver Metalle lässt sich an einem Beispiel veranschaulichen:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Dabei werden Elektronen von Atomen des aktiveren Metalls Zink abgelöst und durch weniger aktive Cu2+-Ionen angelagert. Geleitet von einer Reihe von Standardelektrodenpotentialen können wir sagen, dass das Metall viele der folgenden Metalle aus den Lösungen ihrer Salze verdrängt (wieder herstellt).

Aktive Metalle (Alkali- und Erdalkalimetalle) interagieren auch mit Wasser, das in diesem Fall als Oxidationsmittel wirkt.

Metalle, Hydroxide, die amphoter sind (siehe Amphoterität), interagieren in der Regel mit Lösungen von Säuren und Laugen.

Metalle können untereinander chemische Verbindungen eingehen. Solche Verbindungen bilden normalerweise typische Metalle mit Metallen mit schwachen metallischen Eigenschaften, wie bestimmte Verbindungen von Natrium mit Blei:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

Die Verbindungen einiger Metalle mit anderen werden kollektiv als intermetallische Verbindungen, intermetallische Verbindungen oder Metallide bezeichnet.

Die betrachteten Eigenschaften von Metallen, die mit dem Rückstoß von Elektronen in chemischen Reaktionen verbunden sind, werden als metallisch bezeichnet. Alle chemischen Elemente besitzen sie in unterschiedlichem Maße. Die metallischen Eigenschaften werden durch Vergleich der Elektronegativität der Elemente beurteilt. Dieser Wert, ausgedrückt in willkürlichen Einheiten, charakterisiert die Fähigkeit eines Atoms in einem Molekül, Elektronen anzuziehen. Die relativen Werte der Elektronegativität der Elemente sind in der Tabelle angegeben. Je niedriger die Elektronegativität, desto ausgeprägter sind die metallischen Eigenschaften der Elemente.

Sie wissen, dass die meisten chemischen Elemente als Metalle klassifiziert werden – 92 der 114 bekannten Elemente.

Metalle - Dies sind chemische Elemente, deren Atome Elektronen der äußeren (und einiger der voräußeren) Elektronenschicht abgeben und sich in positive Ionen verwandeln.

Diese Eigenschaft von Metallatomen wird, wie Sie wissen, dadurch bestimmt, dass sie relativ große Radien und eine kleine Anzahl von Elektronen (hauptsächlich von 1 bis 3) auf der äußeren Schicht haben.

Die einzigen Ausnahmen sind 6 Metalle: Atome von Germanium, Zinn, Blei auf der äußeren Schicht haben 4 Elektronen, Atome von Antimon, Wismut -5, Poloniumatome - 6.

Metallatome zeichnen sich durch niedrige Elektronegativitätswerte (von 0,7 bis 1,9) und ausschließlich reduzierende Eigenschaften aus, dh die Fähigkeit, Elektronen abzugeben.

Sie wissen bereits, dass im Periodensystem der chemischen Elemente von D. I. Mendelejew Metalle unterhalb der Bor-Astat-Diagonale stehen, ich auch darüber in Nebenuntergruppen. In den Perioden und Tonuntergruppen gibt es euch bekannte Regelmäßigkeiten in der Veränderung der metallischen und damit reduzierenden Eigenschaften der Atome der Elemente.

Chemische Elemente, die sich in der Nähe der Bor-Astat-Diagonale befinden, haben zweifache Eigenschaften: In einigen ihrer Verbindungen verhalten sie sich wie Metalle, in anderen weisen sie die Eigenschaften eines Nichtmetalls auf.

In sekundären Untergruppen nehmen die reduzierenden Eigenschaften von Metallen meist mit steigender Seriennummer ab. Vergleichen Sie die Aktivität der Ihnen bekannten Metalle der Gruppe I der Nebengruppe: Cu, Ag, Au; II Gruppe einer sekundären Untergruppe - und Sie werden es selbst sehen.

Einfache Substanzen, die aus chemischen Elementen gebildet werden - Metalle, und komplexe metallhaltige Substanzen spielen eine wichtige Rolle im mineralischen und organischen "Leben" der Erde. Es genügt, daran zu erinnern, dass die Atome (None) von Metallelementen ein integraler Bestandteil der Verbindungen sind, die den Stoffwechsel im Körper von Menschen, Tieren und Pflanzen bestimmen.

Beispielsweise regulieren Natriumionen den Wassergehalt im Körper, die Weiterleitung von Nervenimpulsen. Sein Mangel führt zu Kopfschmerzen, Schwäche, schlechtem Gedächtnis, Appetitlosigkeit und sein Überschuss führt zu erhöhtem Blutdruck, Bluthochdruck und Herzerkrankungen. Ernährungsexperten empfehlen, pro Erwachsenem und Tag nicht mehr als 5 g (1 Teelöffel) Kochsalz (NaCl) zu sich zu nehmen. Der Einfluss von Metallen auf den Zustand von Tieren und Pflanzen ist in Tabelle 16 zu finden.

Einfache Substanzen - Metalle
Mit der Entwicklung der Herstellung von Metallen (einfachen Stoffen) und Legierungen war die Entstehung der Zivilisation („Bronzezeit“, Eisenzeit) verbunden.

Abbildung 38 zeigt ein Diagramm des Kristallgitters von Natriummetall. Darin ist jedes Natriumatom von acht benachbarten umgeben. Natriumatome haben wie alle Metalle viele freie Valenzorbitale und wenige Valenzelektronen.

Das einzige Valenzelektron des Natriumatoms Zs 1 kann jedes der neun freien Orbitale besetzen, da sie sich im Energieniveau nicht wesentlich unterscheiden. Wenn sich die Atome einander nähern, wenn ein Kristallgitter gebildet wird, überlappen sich die Valenzorbitale benachbarter Atome, wodurch sich die Elektronen frei von einem Orbital zum anderen bewegen und eine Verbindung zwischen allen Atomen des Metallkristalls herstellen.

Diese Art der chemischen Bindung wird als metallische Bindung bezeichnet. Eine metallische Bindung wird von Elementen gebildet, deren Atome auf der äußeren Schicht wenige Valenzelektronen im Vergleich zu einer großen Anzahl von äußeren energetisch nahen Orbitalen haben. Ihre Valenzelektronen werden schwach im Atom gehalten. Die Elektronen, die die Verbindung ausführen, werden sozialisiert und bewegen sich durch das Kristallgitter des neutralen Metalls als Ganzes.

Stoffe mit metallischer Bindung sind durch metallische Kristallgitter gekennzeichnet, die meist schematisch als Häkchen dargestellt werden, wie in der Abbildung dargestellt, die Knoten sind Kationen und Metallatome. Gemeinsame Elektronen ziehen elektrostatisch Metallkationen an, die sich an den Knoten ihres Kristallgitters befinden, und sorgen so für Stabilität und Festigkeit (gemeinsame Elektronen sind als kleine schwarze Kugeln dargestellt).
Eine metallische Bindung ist eine Bindung in Metallen und Legierungen zwischen Metallatom-Ionen, die sich an den Knoten des Kristallgitters befinden, die durch sozialisierte Valenzelektronen ausgeführt wird.

Einige Metalle kristallisieren in zwei oder mehr kristallinen Formen. Diese Eigenschaft von Stoffen, in mehreren kristallinen Modifikationen zu existieren, nennt man Polymorphie. Polymorphismus für einfache Substanzen ist Ihnen als Allotropie bekannt.

Zinn hat zwei kristalline Modifikationen:
. alpha - stabil unter 13,2 ºС mit einer Dichte von р - 5,74 g/cm3. Das ist graue Dose. Es hat ein Kristallgitter wie Diamant (atomar):
. betta - stabil über 13,2 ºС mit einer Dichte p - 6,55 g/cm3. Das ist weiße Dose.

Weißes Zinn ist ein sehr weiches Metall. Beim Abkühlen unter 13,2 ºС zerbröckelt es zu einem grauen Pulver, da sein spezifisches Volumen am Übergang | 1 » n deutlich zunimmt. Dieses Phänomen wird als Zinnpest bezeichnet. Natürlich sollte eine besondere Art der chemischen Bindung und die Art des Kristallgitters von Metallen diese bestimmen und erklären. physikalische Eigenschaften.

Was sind Sie? Dies sind metallischer Glanz, Plastizität, hohe elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, eine Erhöhung des elektrischen Widerstands bei steigender Temperatur sowie praktisch bedeutsame Eigenschaften wie Dichte, Schmelz- und Siedepunkt, Härte und magnetische Eigenschaften.
Lassen Sie uns versuchen, die Gründe zu erklären, die die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Metallen bestimmen. Warum sind Metalle plastisch?

Die mechanische Einwirkung auf einen Kristall mit einem Metallkristallgitter bewirkt, dass sich die Schichten von Ionenatomen relativ zueinander verschieben, da sich Elektronen durch den Kristall bewegen, Bindungen nicht gebrochen werden und Metalle daher durch eine größere Plastizität gekennzeichnet sind.

Eine ähnliche Wirkung auf einen Festkörper mit kovalenten Bindungen (Atomkristallgitter) führt zum Aufbrechen kovalenter Bindungen. Das Aufbrechen von Bindungen im Ionengitter führt zur gegenseitigen Abstoßung gleich geladener Ionen (Abb. 40). Daher sind Substanzen mit atomaren und ionischen Kristallgittern zerbrechlich.

Die plastischsten Metalle sind Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Sie lassen sich leicht zu Draht ziehen, der sich schmieden, pressen und zu Blechen walzen lässt.Beispielsweise kann aus Gold eine Goldfolie mit einer Dicke von 0,008 nm hergestellt werden,und aus 0,5 g dieses Metalls kann ein 1 km langer Faden gezogen werden.

Auch Quecksilber, das bekanntlich bei Raumtemperatur flüssig ist, wird im festen Zustand bei niedrigen Temperaturen formbar wie Blei. Nur Bi und Mn haben keine Plastizität, sie sind spröde.

Warum haben Metalle einen charakteristischen Glanz und sind zudem undurchsichtig?
Elektronen, die den interatomaren Raum füllen, reflektieren Lichtstrahlen (und lassen nicht wie Glas durch), und die meisten Metalle streuen alle Strahlen des sichtbaren Teils des Spektrums gleichmäßig. Daher haben sie eine silbrig weiße oder graue Farbe. Strontium, Gold und Kupfer absorbieren stärker kurze Wellenlängen (nahe Violett) und reflektieren lange Wellenlängen des Lichtspektrums, daher haben sie hellgelbe, gelbe bzw. kupferfarbene Farben.

Obwohl uns Metall in der Praxis nicht immer wie ein leichter Körper vorkommt. Erstens kann seine Oberfläche oxidieren und seinen Glanz verlieren. Daher sieht natives Kupfer wie ein grünlicher Stein aus. Und zweitens darf auch reines Metall nicht glänzen. Sehr dünne Silber- und Goldbleche haben ein völlig unerwartetes Aussehen - sie haben eine bläulich-grüne Farbe. Und feine Metallpulver erscheinen dunkelgrau, sogar schwarz.

Silber, Aluminium, Palladium haben das höchste Reflexionsvermögen. Sie werden bei der Herstellung von Spiegeln, einschließlich Scheinwerfern, verwendet.
Warum haben Metalle eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit?

Chaotisch bewegte Elektronen in einem Metall nehmen unter dem Einfluss einer angelegten elektrischen Spannung eine gerichtete Bewegung an, d.h. sie leiten einen elektrischen Strom. Mit zunehmender Temperatur der Metablattlaus steigen die Schwingungsamplituden der Atome und Ionen, die sich an den Knoten des Kristallgitters befinden. Dadurch wird die Bewegung von Elektronen erschwert und die elektrische Leitfähigkeit des Metalls nimmt ab. Bei niedrigen Temperaturen hingegen nimmt die Schwingungsbewegung stark ab und die elektrische Leitfähigkeit von Metallen steigt stark an. In der Nähe des absoluten Nullpunkts gibt es praktisch keinen Widerstand in Metallen, und Supraleitung tritt in den meisten Metallen auf.

Es ist zu beachten, dass Nichtmetalle mit elektrischer Leitfähigkeit (z. B. Graphit) bei niedrigen Temperaturen im Gegensatz dazu aufgrund des Fehlens freier Elektronen keinen elektrischen Strom leiten. Und erst mit einem Temperaturanstieg und der Zerstörung einiger kovalenter Bindungen beginnt ihre elektrische Leitfähigkeit zu steigen.

Silber, Kupfer sowie Gold, Aluminium haben die höchste elektrische Leitfähigkeit, Mangan, Blei und Quecksilber die niedrigste.

Meistens ändert sich mit der gleichen Regelmäßigkeit wie die elektrische Leitfähigkeit die Wärmeleitfähigkeit von Metallen.

Sie sind auf die hohe Beweglichkeit freier Elektronen zurückzuführen, die beim Zusammenstoß mit vibrierenden Ionen und Atomen Energie mit ihnen austauschen. Daher findet im gesamten Metallstück ein Temperaturausgleich statt.

Die mechanische Festigkeit, Dichte, Schmelzpunkt von Metallen sind sehr unterschiedlich. Darüber hinaus nehmen mit zunehmender Anzahl von Elektronen, die Ionenatome binden, und einer Abnahme des interatomaren Abstands in Kristallen die Indikatoren für diese Eigenschaften zu.

Alkalimetalle, deren Atome ein Valenzelektron haben, sind also weich (mit einem Messer geschnitten), mit geringer Dichte (Lithium ist das leichteste Metall mit p - 0,53 g / cm3) und schmelzen bei niedrigen Temperaturen (z. B. dem Schmelzpunkt). von Cäsium beträgt 29 "C) Das einzige Metall, das unter normalen Bedingungen flüssig ist - Quecksilber - hat einen Schmelzpunkt von 38,9 "C.

Calcium, das zwei Elektronen auf der äußeren Energieebene von Atomen hat, ist viel härter und schmilzt bei einer höheren Temperatur (842 °C).

Noch stärker gewölbt ist das Kristallgitter aus Scandiumatomen, die über drei Valenzelektronen verfügen.

Die stärksten Kristallgitter, hohen Dichten und Schmelzpunkte werden jedoch bei Metallen der sekundären Nebengruppen der Gruppen V, VI, VII, VIII beobachtet. Dies erklärt sich aus. dass für Metalle von Nebengruppen mit ungespeicherten Valenzelektronen auf der d-Unterebene neben der metallischen auch die Bildung sehr starker kovalenter Bindungen zwischen Atomen charakteristisch ist, die von Elektronen der äußeren Schicht aus s-Orbitalen durchgeführt wird.

Denken Sie daran, dass das schwerste Metall Osmium ist (ein Bestandteil superharter und verschleißfester Legierungen), das feuerfesteste Metall Wolfram (wird zur Herstellung von Lampenfäden verwendet) und das härteste Metall Chrom Cr (zerkratzt Glas). Sie gehören zu den Werkstoffen, aus denen Zerspanungswerkzeuge, Bremsklötze schwerer Maschinen etc. hergestellt werden.

Metalle unterscheiden sich in Bezug auf Magnetfelder. Aber dieses Zeichen Sie sind in drei Gruppen unterteilt:
. ferromagnetisch Kann unter Einfluss auch schwacher Magnetfelder magnetisiert werden (Eisen - Alpha-Form, Kobalt, Nickel, Gadolinium);

Paramagnetische weisen eine schwache Magnetisierungsfähigkeit auf (Aluminium, Chrom, Titan, fast alle Lanthanide);

Diamagnetische werden vom Magneten nicht angezogen, sogar leicht abgestoßen (Zinn, Litze, Wismut).

Denken Sie daran, dass wir bei der Betrachtung der elektronischen Struktur von Metallen Metalle in Metalle der Hauptuntergruppen (k- und p-Elemente) und Metalle der sekundären Nebengruppen unterteilt haben.

In der Technik ist es üblich, Metalle nach verschiedenen physikalischen Eigenschaften zu klassifizieren:

a) Dichte - Licht (S< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);

b) Schmelzpunkt - schmelzbar und feuerfest.

Es gibt Klassifikationen von Metallen nach chemischen Eigenschaften.
Metalle mit geringer chemischer Aktivität werden als edel bezeichnet (Silber, Gold, Platin und seine Analoga - Osmium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Rhodium).
Je nach Nähe der chemischen Eigenschaften Alkali (Metalle der I. Hauptgruppe), Erdalkalien (Kalzium, Strontium, Barium, Radium) sowie Seltenerdmetalle (Scandium, Yttrium, Lanthan und Lanthanide, Actinium und Actinide) Werden unterschieden.

Allgemeine chemische Eigenschaften von Metallen
Metallatome geben relativ leicht Valenzelektronen ab und gehen in positiv geladene Nons über, das heißt, sie werden oxidiert. Dies ist, wie Sie wissen, die wichtigste gemeinsame Eigenschaft von Atomen und einfachen Metallsubstanzen.

Metalle sind bei chemischen Reaktionen immer ein Reduktionsmittel. Die Reduktionsfähigkeit von Atomen einfacher Substanzen - Metalle, die aus chemischen Elementen einer Periode oder einer Hauptuntergruppe des Periodensystems von D. I. Mendeleev bestehen, ändert sich auf natürliche Weise.

Die Reduktionsaktivität eines Metalls bei chemischen Reaktionen, die in wässrigen Lösungen stattfinden, spiegelt seine Position in der elektrochemischen Reihe von Metallspannungen wider.

1. Je weiter links das Metall in dieser Reihe steht, desto stärker ist das Reduktionsmittel.
2. Jedes Metall ist in der Lage, aus Salzen in Lösung die Metalle zu verdrängen (wieder herzustellen), die in einer Reihe von Spannungen nach ihm (rechts) sind.
3. Metalle, die in der Spannungsreihe links von Wasserstoff liegen, können ihn aus gelösten Säuren verdrängen.
4. Metalle, die die stärksten Reduktionsmittel (Alkali- und Erdalkalimetalle) sind, interagieren in wässrigen Lösungen hauptsächlich mit Wasser.

Die aus der elektrochemischen Spannungsreihe bestimmte Reduktionsaktivität eines Metalls entspricht nicht immer seiner Position im Periodensystem. Dies erklärt sich aus. Dass bei der Bestimmung der Position eines Metalls in einer Reihe von Spannungen nicht nur die Energie der Ablösung von Elektronen von einzelnen Atomen berücksichtigt wird, sondern auch die Energie, die für die Zerstörung des Kristallgitters aufgewendet wird, sowie die dabei freigesetzte Energie die Hydratation von Ionen.

Nachdem wir die allgemeinen Bestimmungen betrachtet haben, die die reduzierenden Eigenschaften von Metallen charakterisieren, wenden wir uns speziellen chemischen Reaktionen zu.

Wechselwirkung mit einfachen nichtmetallischen Stoffen
1. Mit Sauerstoff bilden die meisten Metalle Oxide – basische und amphotere.

Lithium und Erdalkalimetalle reagieren mit Luftsauerstoff zu basischen Oxiden.
2. Metalle bilden mit Halogenen Salze von Halogenwasserstoffsäuren.

3. Mit Wasserstoff bilden die aktivsten Metalle Hydride - ionische Salze, eine gemeinsame Substanz, in der Wasserstoff eine Oxidationsstufe von -1 hat, zum Beispiel: Calciumhydrid.

4. Metalle bilden Salze mit Schwefel - Sulfiden.

5. Metalle reagieren mit Stickstoff etwas schwieriger, da die chemische Bindung im Stickstoffmolekül Г^r sehr stark ist und Nitride entstehen. Bei normalen Temperaturen interagiert nur Lithium mit Stickstoff.
Interaktion mit komplexen Substanzen
1. Mit Wasser. Alkali- und Erdalkalimetalle verdrängen unter normalen Bedingungen Wasserstoff aus Wasser und bilden lösliche Alkalibasen.

Auch andere Metalle, die in einer Spannungsreihe bis zu Wasserstoff stehen, können unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff aus Wasser verdrängen. Aber Aluminium interagiert nur dann heftig mit Wasser, wenn der Oxidfilm von seiner Oberfläche entfernt wird.
Magnesium interagiert nur beim Kochen mit Wasser, und es wird auch Wasserstoff freigesetzt. Wird dem Wasser brennendes Magnesium zugesetzt, so setzt sich die Verbrennung mit fortschreitender Reaktion fort: Wasserstoff brennt. Eisen interagiert nur mit Wasser, wenn es erhitzt wird.
2. Metalle, die in der Spannungsreihe bis zu Wasserstoff liegen, interagieren mit Säuren in Lösung. Dabei entstehen Salz und Wasserstoff. Blei (und einige andere Metalle) löst sich jedoch trotz seiner Position in der Spannungsreihe (links von Wasserstoff) in verdünnter Schwefelsäure fast nicht auf, da das entstehende Bleisulfat PbSO unlöslich ist und einen Schutzfilm auf der Metalloberfläche bildet .

3. Mit Salzen weniger aktiver Metalle in Lösung. Als Ergebnis einer solchen Reaktion wird ein Salz eines aktiveren Metalls gebildet und ein weniger aktives Metall in freier Form freigesetzt.

4. Mit organischen Stoffen. Die Wechselwirkung mit organischen Säuren ähnelt Reaktionen mit Mineralsäuren. Alkohole hingegen können bei Wechselwirkung mit Alkalimetallen schwach saure Eigenschaften aufweisen.
Metalle nehmen an Reaktionen mit Halogenalkanen teil, die zur Gewinnung niederer Cycloalkane und für Synthesen verwendet werden, bei denen das Kohlenstoffgerüst des Moleküls komplexer wird (A. Wurtz-Reaktion):

5. Metalle, deren Hydroxide amphoter sind, interagieren mit Alkalien in Lösung.
6. Metalle können untereinander chemische Verbindungen bilden, die zusammen als intermetallische Verbindungen bezeichnet werden. Sie zeigen meistens nicht die Oxidationsstufen von Atomen, die für Verbindungen von Metallen mit Nichtmetallen charakteristisch sind.

Intermetallische Verbindungen haben normalerweise keine konstante Zusammensetzung, die chemische Bindung in ihnen ist hauptsächlich metallisch. Die Bildung dieser Verbindungen ist eher typisch für Metalle sekundärer Nebengruppen.

Metalloxide und -hydroxide
Oxide, die von typischen Metallen gebildet werden, werden als salzbildende, basische Eigenschaften klassifiziert.

Die Oxide und Hydroxide einiger Metalle sind amphoter, das heißt, sie können sowohl basische als auch saure Eigenschaften aufweisen, abhängig von den Substanzen, mit denen sie interagieren.

Zum Beispiel:

Viele Metalle sekundärer Nebengruppen, die in Verbindungen eine variable Oxidationsstufe aufweisen, können mehrere Oxide und Hydroxide bilden, deren Beschaffenheit von der Oxidationsstufe des Metalls abhängt.

Beispielsweise weist Chrom in Verbindungen drei Oxidationsstufen auf: +2, +3, +6, daher bildet es drei Reihen von Oxiden und Hydroxiden, und mit zunehmender Oxidationsstufe nimmt der Säurecharakter zu und der basische Charakter ab.

Korrosion von Metallen
Bei der Wechselwirkung von Metallen mit Umweltstoffen entstehen an ihrer Oberfläche Verbindungen, die völlig andere Eigenschaften haben als die Metalle selbst. Im Normalfall verwenden wir oft die Worte "Rost", "Rosten", wenn wir eine braun-rote Beschichtung auf Produkten aus Eisen und seinen Legierungen sehen. Rosten ist eine häufige Form der Korrosion.

Korrosion- Dies ist der Prozess der spontanen Zerstörung von Metallen und Legierungen unter dem Einfluss der äußeren Umgebung (von lat. - Korrosion).

Fast alle Metalle werden jedoch zerstört, wodurch viele ihrer Eigenschaften nachlassen (oder ganz verloren gehen): Festigkeit, Duktilität, Glanz nehmen ab, die elektrische Leitfähigkeit nimmt ab, und die Reibung zwischen beweglichen Maschinenteilen nimmt zu, die Abmessungen von Teilen ändern sich, usw.

Korrosion von Metallen kann kontinuierlich und lokal sein.

Die häufigsten Korrosionsarten sind chemische und elektrochemische.

I. Chemische Korrosion tritt in einer nichtleitenden Umgebung auf. Diese Art von Korrosion manifestiert sich bei der Wechselwirkung von Metallen mit trockenen Gasen oder Flüssigkeiten - Nichtelektrolyten (Benzin, Kerosin usw.) Teile und Komponenten von Motoren, Gasturbinen, Raketenwerfern werden einer solchen Zerstörung ausgesetzt. Chemische Korrosion wird häufig bei der Verarbeitung von Metallen bei hohen Temperaturen beobachtet.

Die meisten Metalle werden durch Luftsauerstoff oxidiert und bilden Oxidfilme auf der Oberfläche. Wenn dieser Film stark, dicht und gut mit dem Metall verbunden ist, dann schützt er das Metall vor weiterer Zerstörung. Bei Eisen ist es locker, porös, lässt sich leicht von der Oberfläche lösen und ist daher nicht in der Lage, das Metall vor weiterer Zerstörung zu schützen.

II. Elektrochemische Korrosion tritt in einem leitfähigen Medium (Elektrolyt) auf, wenn ein elektrischer Strom innerhalb des Systems auftritt. Metalle und Legierungen sind in der Regel heterogen und enthalten Einschlüsse verschiedener Verunreinigungen. Wenn sie mit Elektrolyten in Kontakt kommen, beginnen einige Teile der Oberfläche die Rolle einer Anode zu spielen (geben Elektronen ab), während andere die Rolle einer Kathode spielen (nehmen Elektronen auf).

In einem Fall wird eine Gasentwicklung (Hg) beobachtet. In der anderen - die Bildung von Rost.

Elektrochemische Korrosion ist also eine Reaktion, die in stromleitenden Medien auftritt (im Gegensatz zur chemischen Korrosion). Der Prozess tritt auf, wenn zwei Metalle in Kontakt kommen oder auf der Oberfläche eines Metalls, das Einschlüsse enthält, die weniger aktive Leiter sind (es kann auch ein Nichtmetall sein).

An der Anode (einem aktiveren Metall) werden Metallatome zu Kationen oxidiert (Auflösung).

An der Kathode (einem weniger aktiven Leiter) werden Wasserstoffionen oder Sauerstoffmoleküle unter Bildung von H2- bzw. OH-Hydroxidionen reduziert.

Wasserstoffkationen und gelöster Sauerstoff sind die wichtigsten Oxidationsmittel, die elektrochemische Korrosion verursachen.

Die Korrosionsrate ist umso größer, je mehr sich die Metalle (Metall und Verunreinigungen) in ihrer Aktivität unterscheiden (bei Metallen, je weiter sie in einer Spannungsreihe voneinander entfernt liegen). Die Korrosion nimmt mit steigender Temperatur deutlich zu.

Der Elektrolyt kann Meerwasser, Flusswasser, kondensierte Feuchtigkeit und natürlich bekannte Elektrolyte sein - Lösungen von Salzen, Säuren, Laugen.

Sie erinnern sich sicher, dass im Winter technisches Salz (Natriumchlorid, manchmal Calciumchlorid usw.) verwendet wird, um Schnee und Eis von Gehwegen zu entfernen.Die resultierenden Lösungen fließen in Abwasserleitungen und schaffen so ein günstiges Umfeld für elektrochemische Korrosion von unterirdischen Versorgungsleitungen.

Korrosionsschutzverfahren
Bereits bei der Konstruktion von Metallkonstruktionen sieht deren Herstellung Maßnahmen zum Schutz vor Korrosion vor.

1. Schleifen der Oberflächen des Produkts, damit keine Feuchtigkeit darauf zurückbleibt.

2. Die Verwendung von legierten Legierungen mit speziellen Zusätzen: Chrom, Nickel, die bei hohen Temperaturen eine stabile Oxidschicht auf der Metalloberfläche bilden. Legierte Stähle sind bekannt - rostfreie Stähle, aus denen Haushaltsgegenstände (ummantelte Gabeln, Löffel), Maschinenteile und Werkzeuge hergestellt werden.

3. Aufbringen von Schutzbeschichtungen. Betrachten Sie ihre Typen.

Nichtmetallisch - nicht oxidierende Öle, Speziallacke, Farben. Sie sind zwar kurzlebig, aber billig.

Chemisch - künstlich erzeugte Oberflächenfilme: Oxid, Zitronensäure, Silizid, Polymer usw. Zum Beispiel alle Handfeuerwaffen Die Details vieler Präzisionsinstrumente werden poliert - dies ist der Prozess, um den dünnsten Film aus Eisenoxiden auf der Oberfläche eines Stahls zu erhalten Produkt. Der resultierende künstliche Oxidfilm ist sehr haltbar und verleiht dem Produkt eine schöne schwarze Farbe und blaue Tönung. Polymerbeschichtungen werden aus Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyamidharzen hergestellt. Sie werden auf zwei Arten aufgetragen: Ein erhitztes Produkt wird in ein Polymerpulver gegeben, das schmilzt und mit dem Metall verschweißt, oder die Metalloberfläche wird mit einer Polymerlösung in einem Niedrigtemperaturlösungsmittel, das schnell verdunstet, und dem Polymerfilm behandelt verbleibt auf dem Produkt.

Metallische Überzüge sind Überzüge mit anderen Metallen, auf deren Oberfläche sich unter Einwirkung von Oxidationsmitteln stabile Schutzfilme bilden.

Das Aufbringen von Chrom auf die Oberfläche – Verchromen, Vernickeln – Vernickeln, Verzinken – Verzinken, Verzinnen – Verzinnen usw. Die Beschichtung kann auch als chemisch passives Metall dienen – Gold, Silber, Kupfer.

4. Elektrochemische Schutzverfahren.

Schützend (anodisch) - An der geschützten Metallstruktur ist ein Stück aktiveres Metall (Protektor) angebracht, das als Anode dient und in Gegenwart eines Elektrolyten zerstört wird. Magnesium, Aluminium, Zink werden als Schutz beim Schutz von Schiffsrümpfen, Pipelines, Kabeln und anderen stilvollen Produkten verwendet;

Kathode - Die Metallstruktur ist mit der Kathode einer externen Stromquelle verbunden, wodurch die Möglichkeit einer Zerstörung der Anode ausgeschlossen wird

5. Sonderbehandlung des Elektrolyten oder der Umgebung, in der sich die geschützte Metallstruktur befindet.

Es ist bekannt, dass Damaskus-Handwerker zum Entkalken u
rost gebrauchte Lösungen von Schwefelsäure unter Zusatz von Bierhefe, Mehl, Stärke. Diese bringen und gehörten zu den ersten Inhibitoren. Sie ließen die Säure nicht auf das Waffenmetall einwirken, dadurch wurden nur Zunder und Rost gelöst. Uralbüchsenmacher verwendeten zu diesem Zweck Beizsuppen - Lösungen von Schwefelsäure mit Zusatz von Mehlkleie.

Beispiele für den Einsatz moderner Inhibitoren: Bei Transport und Lagerung wird Salzsäure durch Butylamin-Derivate perfekt „gebändigt“. und Schwefelsäure - Salpetersäure; flüchtiges Diethylamin wird in verschiedene Behälter eingespritzt. Beachten Sie, dass Inhibitoren nur auf das Metall einwirken und es gegenüber dem Medium, beispielsweise einer Säurelösung, passiv machen. Der Wissenschaft sind mehr als 5.000 Korrosionsinhibitoren bekannt.

Entfernung von im Wasser gelöstem Sauerstoff (Entgasung). Dieses Verfahren wird bei der Aufbereitung von Wasser verwendet, das in Kesselanlagen eintritt.

Methoden zur Gewinnung von Metallen
Eine erhebliche chemische Aktivität von Metallen (Wechselwirkung mit Luftsauerstoff, anderen Nichtmetallen, Wasser, Salzlösungen, Säuren) führt dazu, dass sie in der Erdkruste hauptsächlich in Form von Verbindungen vorkommen: Oxide, Sulfide, Sulfate, Chloride, Karbonate usw.
In freier Form gibt es Metalle, die sich in der Spannungsreihe rechts von Wasserstoff befinden, obwohl Kupfer und Quecksilber viel häufiger in der Natur in Form von Verbindungen vorkommen.

Als Erze werden Mineralien und Gesteine ​​bezeichnet, die Metalle und deren Verbindungen enthalten, aus denen die Gewinnung reiner Metalle technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist.

Metalle aus Erzen zu gewinnen, ist Aufgabe der Metallurgie.
Metallurgie ist auch die Wissenschaft von industriellen Methoden zur Gewinnung von Metallen aus Erzen. und Industriebereich.
Jeder metallurgische Prozess ist ein Prozess der Reduktion von Metallionen mit Hilfe verschiedener Reduktionsmittel.

Um dieses Verfahren zu implementieren, müssen die Aktivität des Metalls berücksichtigt, ein Reduktionsmittel ausgewählt, die technologische Machbarkeit sowie wirtschaftliche und ökologische Faktoren berücksichtigt werden. Dementsprechend gibt es folgende Methoden zur Gewinnung von Metallen: pyrometallurgisch. hydrometallurgisch, elektrometallurgisch.

Pyrometallurgie- Rückgewinnung von Metallen aus Erzen bei hohen Temperaturen unter Verwendung von Kohlenstoff, Kohlenmonoxid (II). Wasserstoff, Metalle - Aluminium, Magnesium.

Beispielsweise wird Zinn aus Kassiterit und Kupfer aus Cuprit durch Calcinieren mit Kohle (Koks) reduziert. Sulfiderze werden vorläufig unter Luftzutritt geröstet, und dann wird das resultierende Oxid mit Kohle reduziert. Metalle werden auch aus Karbonaterzen durch Abpumpen mit Kohle isoliert, da sich Karbonate beim Erhitzen in Oxide zersetzen und diese durch Kohle reduziert werden.
Hydrometallurgie ist die Reduktion von Metallen zu ihnen durch ihre Salze in Lösung. Das Verfahren findet in 2 Stufen statt: 1) eine natürliche Verbindung wird in einem geeigneten Reagenz gelöst, um eine Lösung eines Salzes dieses Metalls zu erhalten; 2) Aus der resultierenden Lösung wird dieses Metall durch ein aktiveres ersetzt oder durch Elektrolyse wiederhergestellt. Um beispielsweise Kupfer aus Erzen zu gewinnen, die Kupferoxid, CuO, enthalten, wird es mit verdünnter Schwefelsäure behandelt.

Kupfer wird entweder durch Elektrolyse aus der Salzlösung extrahiert oder mit Eisen aus dem Sulfat verdrängt. Auf diese Weise werden Silber, Zink, Molybdän, Gold, Uran gewonnen.

Elektrometallurgie— Rückgewinnung von Metallen bei der Elektrolyse von Lösungen oder Schmelzen ihrer Verbindungen.

Elektrolyse
Wenn die Elektroden in die Elektrolytlösung oder Schmelze abgesenkt und ein konstanter elektrischer Strom durchgeleitet wird, bewegen sich die Ionen in eine Richtung: Kationen - zur Kathode (negativ geladene Elektrode), Anionen - zur Anode (positiv geladene Elektrode) .

An der Kathode nehmen Kationen Elektronen auf und werden an der Anode reduziert, Anionen geben Elektronen ab und werden oxidiert. Dieser Vorgang wird als Elektrolyse bezeichnet.
Die Elektrolyse ist ein Redoxprozess, der an Elektroden auftritt, wenn ein elektrischer Strom durch eine Elektrolytlösung oder -lösung fließt.

Das einfachste Beispiel für solche Prozesse ist die Elektrolyse von Salzschmelzen. Betrachten Sie den Prozess der Elektrolyse einer Natriumchloridschmelze. In der Schmelze findet der Prozess der thermischen Spaltung statt. Unter Einwirkung eines elektrischen Stroms bewegen sich Kationen zur Kathode und erhalten von dieser Elektronen.
An der Kathode wird Natriummetall gebildet, und an der Anode wird Chlorgas gebildet.

Die Hauptsache, an die man sich erinnern sollte, ist, dass bei der Elektrolyse eine chemische Reaktion aufgrund elektrischer Energie durchgeführt wird, die nicht spontan ablaufen kann.

Komplizierter ist die Situation bei der Elektrolyse von Elektrolytlösungen.

In einer Salzlösung befinden sich neben Metallionen und einem sauren Rest Wassermoleküle. Daher muss bei der Betrachtung von Prozessen an Elektroden deren Beteiligung an der Elektrolyse berücksichtigt werden.

Für die Bestimmung der Elektrolyseprodukte wässriger Lösungen von Elektrolyten gelten folgende Regeln.

1. Der Prozess an der Kathode hängt nicht vom Material der Kathode ab, auf der sie hergestellt wird, sondern von der Position des Metalls (Elektrolytkation) in der elektrochemischen Spannungsreihe, und wenn:
1.1. Das Elektrolytkation befindet sich in der Spannungsreihe am Anfang der Reihe (zusammen mit Al einschließlich), dann findet an der Kathode der Prozess der Wasserreduktion statt (Wasserstoff wird freigesetzt). Metallkationen werden nicht reduziert, sie bleiben in Lösung.
1.2. Das Elektrolytkation befindet sich in einer Reihe von Spannungen zwischen Aluminium und Wasserstoff, dann werden sowohl Metallnone als auch Wassermoleküle an der Kathode reduziert.

1.3. Das Elektrolytkation befindet sich in einer Reihe von Spannungen nach Wasserstoff, dann werden Metallkationen an der Kathode reduziert.
1.4. Die Lösung enthält Kationen verschiedener Metalle, dann wird das heruntergeladene Metallkation wiederhergestellt und steht in einer Reihe von Spannungen
Diese Regeln sind in Abbildung 10 dargestellt.

2. Der Prozess an der Anode hängt vom Material der Anode und von der Beschaffenheit der Anode ab (Schema 11).
2.1. Wenn die Anode aufgelöst wird (Eisen, Zink, Kupfer, Silber und alle Metalle, die bei der Elektrolyse oxidiert werden), wird das Anodenmetall unabhängig von der Art des Anions oxidiert. 2. Wenn sich die Anode nicht auflöst (sie wird als inert bezeichnet - Graphit, Gold, Platin), dann:
a) bei der Elektrolyse von Lösungen von Salzen anoxischer Säuren (Promefluoride) wird das Anion an der Anode oxidiert;
b) Während der Elektrolyse von Lösungen von Salzen sauerstoffhaltiger Säure und Fluoriden an der Anode findet der Prozess der Wasseroxidation statt. Anionen werden nicht oxidiert, sie bleiben in Lösung;

Die Elektrolyse von Schmelzen und Stofflösungen ist in der Industrie weit verbreitet:
1. Zur Gewinnung von Metallen (Aluminium, Magnesium, Natrium, Cadmium werden nur durch Elektrolyse gewonnen).
2. Zur Gewinnung von Wasserstoff, Halogenen, Alkalien.
3. Zur Reinigung von Metallen - Raffination (Reinigung von Kupfer, Nickel, Blei erfolgt nach dem elektrochemischen Verfahren).
4. Zum Schutz von Metallen vor Korrosion - Auftragen von Schutzbeschichtungen in Form einer dünnen Schicht eines anderen korrosionsbeständigen Metalls (Chrom, Nickel, Kupfer, Silber, Gold) - Galvanisieren.

5. Beschaffung von Metallkopien, Aufzeichnungen - Galvanik.
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19. Zu welchem ​​Zweck wird die Oberfläche von Tanks zur Lagerung von Erdölprodukten (Benzin, Kerosin) mit Silber gestrichen - einer Mischung aus Aluminiumpulver mit einem der Pflanzenöle?

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Eisen, Kupfer und Aluminium haben einen charakteristischen metallischen Glanz.

Bei der Untersuchung von Festkörpern, die keinen charakteristischen metallischen Glanz aufweisen, stellen wir fest, dass ihre elektrische Leitfähigkeit sehr gering ist. Dazu gehören Substanzen, die wir als ionisch bezeichnen – Natriumchlorid, Calciumchlorid, Silbernitrat und Silberchlorid, sowie Molekülkristalle wie Eis. Das Eis in Abb. 5 - 3, besteht aus den gleichen Molekülen, die in der Gasphase existieren, aber geordnet in einem Kristallgitter angeordnet. Diese schlechten elektrischen Stromleiter unterscheiden sich in fast allen Eigenschaften stark von Metallen. Somit kann die elektrische Leitfähigkeit zur Klassifizierung von Stoffen verwendet werden, was eine der sinnvollsten ist.

Metalle werden als einfache kristalline Substanzen bezeichnet, die einen charakteristischen metallischen Glanz haben, Wärme und elektrischen Strom gut leiten, ihre Form unter Einwirkung äußerer Kräfte ändern und nach Entfernung der Belastung ohne Anzeichen von Zerstörung beibehalten können. Von der Gesamtzahl der derzeit bekannten chemischen Elemente sind achtzig Elemente Metalle. Die in der Erdkruste am häufigsten vorkommenden Metalle in Form chemischer Verbindungen sind Aluminium, Eisen, Magnesium, Kalium, Natrium und Calcium. Reine Metalle sind in der Technik nur bedingt nutzbar, da sie in der Natur äußerst selten sind und ihre Gewinnung aus chemischen Verbindungen (Erzen) mit großen Schwierigkeiten verbunden ist.

Durch die Wasserstoffkorrosion verliert die Stahloberfläche ihren charakteristischen metallischen Glanz und wird stumpf.

Polymere sind fein dispergierte farbige Pulver mit einem charakteristischen metallischen Glanz, die nur in konzentrierter Schwefelsäure löslich sind.

Alle d-Elemente sind Metalle mit einem charakteristischen metallischen Glanz. Im Vergleich zu S-Metallen ist ihre Festigkeit viel höher.

Ungelöstes Jod bildet einen deutlich sichtbaren Film mit charakteristischem metallischem Glanz (schwimmt auf der Oberfläche der Lösung) oder sammelt sich am Boden des Kolbens in Form von schwarzen Partikeln. Da die Jodlösung intensiv rot gefärbt und fast undurchsichtig ist, muss sie sehr genau untersucht werden, indem die Flasche gegen eine helle elektrische Lampe gehalten wird, die an der Decke hängt. Dazu müssen Sie unter der Lampe stehen, den Kolben am Hals in einer geneigten Position zwischen der Lampe und dem Gesicht halten und versuchen, darin ein helles Bild der Lampe zu sehen. Vor einem solchen Hintergrund sind ungelöste Jodkristalle deutlich sichtbar. Dann sammeln sich die Kristalle beider Substanzen an einer Stelle und um die Jodkristalle herum bildet sich eine Zone konzentrierter KJ-Lösung, in der sich Jod schnell auflöst.

Alle Alkalimetalle sind Substanzen von silbrig-weißer Farbe, mit einem charakteristischen metallischen Glanz, guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, niedrigen Schmelzpunkten und relativ niedrigen Siedepunkten, geringer Dichte und großem Atomvolumen. Im Dampfzustand sind ihre Moleküle einatomig; Ionen sind farblos.

Durch Aussehen dunkelviolette, fast schwarze Kristalle mit einem charakteristischen metallischen Glanz. Es löst sich gut in Wasser auf. Kaliumpermanganat gehört zu den starken Oxidationsmitteln, was der Grund für seine desinfizierenden Eigenschaften ist.

Bei der Herstellung von Produkten durch künstlerische Metallverarbeitung werden sowohl Edel- als auch Nichtedelmetalle und deren Legierungen verwendet. Zu den Edelmetallen gehören Gold, Silber, Platin und Metalle der Platingruppe: Palladium, Ruthenium, Iridium, Osmium und Nichtedelmetalle – Eisenmetalle – Stahl, Gusseisen – und Nichteisenmetalle – Kupfer, Messing, Bronze, Aluminium, Magnesium, Kupfernickel , Neusilber, Nickel, Zink, Blei, Zinn, Titan, Tantal, Niob. Cadmium, Quecksilber, Antimon, Wismut, Arsen, Kobalt, Chrom, Wolfram, Molybdän, Mangan, Vanadium werden auch in Form kleiner Zusätze zur Veränderung der Eigenschaften von Legierungen oder als Beschichtungen verwendet.

Aluminium. Dieses weiche, silberweiße Metall lässt sich leicht rollen, ziehen und schneiden. Silizium, Kupfer, Magnesium, Zink, Nickel, Mangan, Chrom werden Aluminiumlegierungen zugesetzt, um die Festigkeit zu erhöhen. Aluminiumlegierungen werden verwendet, um gegossene architektonische Details und Skulpturen sowie Schmuck herzustellen.

Bronze. Es ist eine Legierung aus Kupfer mit Zink, Zinn, Blei. Es werden auch zinnlose Bronzen hergestellt. In der Geschichte der Menschheit wird eine ganze Ära als Bronzezeit bezeichnet, in der Menschen, die gelernt hatten, Bronze zu schmelzen, Haushaltsgegenstände, Waffen, Banknoten (Münzen) und Schmuck daraus herstellten. Derzeit werden Denkmäler, monumentale Skulpturen sowie die Innenausstattung von Theatern, Museen, Palästen und unterirdischen Lobbys der U-Bahnstation aus Bronze hergestellt.

Gold. Von der Antike bis zur Gegenwart war Gold das am häufigsten verwendete Metall für die Herstellung von Schmuck, Geschirr und Innendekoration. Es wird häufig zum Vergolden von Eisen- und Nichteisenmetallen sowie zur Herstellung von Loten verwendet. Gold in seiner reinsten Form ist ein wunderschönes gelbes Metall. Goldlegierungen können weiß, rot, grün und auch schwarz lackiert sein. Gold ist ein sehr zähflüssiges, duktiles und formbares Metall. Goldlegierungen sind gut geschnitten, geschliffen und poliert. Gold oxidiert nicht. Es löst sich nur in Selensäure und Königswasser auf - einer Mischung konzentrierter Säuren: ein Teil Salpetersäure und drei Teile Salzsäure.

Iridium. Dieses Metall sieht aus wie Zinn, unterscheidet sich davon aber durch hohe Härte und Sprödigkeit. Iridium lässt sich gut polieren, ist aber schwer zu bearbeiten. Es wird nicht durch Laugen, Säuren oder Mischungen davon angegriffen. Iridium wird in Schmuck verwendet.

Messing. Dies ist eine Legierung aus Kupfer und Zink, die zur Herstellung von Geschirr und Innendekoration (Ziehen) sowie verschiedenen Schmuckstücken verwendet wird, oft versilbert oder vergoldet. Messing wird erfolgreich durch Schneiden verarbeitet, leicht gelötet, gewalzt, gestanzt, geprägt, vernickelt, versilbert, vergoldet, oxidiert", im Vergleich zu reinem Kupfer sind sie stärker und härter, viel billiger und eleganter in der Farbe. Messing mit ein niedriger Zinkgehalt (von 3 bis 20%), Tombak genannt, hat eine rötlich-gelbe Farbe.

Magnesium. Dieses Metall ist viermal leichter als Bronze. Legierungen aus Magnesium, Aluminium, Mangan, Zink sowie Kupfer und Cadmium werden neuerdings zur Herstellung von Innendekorationsgegenständen für Industrieanlagen verwendet.

Kupfer. Es ist ein weiches, außergewöhnlich dehnbares und viskoses Metall, das leicht der Druckverarbeitung zugänglich ist: Ziehen, Walzen, Stanzen, Prägen. Kupfer lässt sich gut schleifen und polieren, verliert aber schnell seinen Glanz; es ist schwierig zu schärfen, zu bohren, zu fräsen. Reines oder rotes Kupfer wird für die Herstellung von filigranen Schmuckstücken und Innendekorationsgegenständen verwendet - Münzen. Kupfer wird zur Herstellung von Loten (Kupfer, Silber, Gold) sowie als Zusatzstoff in verschiedenen Legierungen verwendet.

Nickel. Weißes, hochglänzendes Metall, chemisch beständig, feuerfest, langlebig und duktil; kommt in reiner Form nicht in der Erdkruste vor. Nickel wird hauptsächlich für die dekorative und schützende Beschichtung von gedeckten Gegenständen und Schmuck verwendet, sowie für Legierungen auf Nickelbasis (Kupfernickel und Neusilber), die eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Duktilität und die Fähigkeit haben, leicht gewalzt, geprägt, gestanzt und poliert zu werden , werden zur Herstellung von Gegenständen für Tischdekoration und Innendekoration sowie für Schmuck verwendet.

Niob. Tantal sehr ähnlich. Beständig gegen Säuren: Es wird nicht von Königswasser, Salz-, Schwefel-, Salpeter-, Phosphor- und Perchlorsäure angegriffen. Niob ist nur in Flusssäure und deren Mischung mit Salpetersäure löslich. Vor kurzem wurde es im Ausland zur Herstellung von Schmuck verwendet.

Zinn. In der Antike wurden aus Zinn Münzen geprägt und Gefäße hergestellt. Dieses weiche und duktile Metall hat eine dunklere Farbe als Silber und übertrifft Blei in der Härte. Im Schmuckbereich wird es zur Herstellung von Loten und als Bestandteil von Buntmetalllegierungen verwendet, neuerdings auch zur Herstellung von Schmuck und Innenausstattungsgegenständen.

Osmium. Es ist ein glänzendes, blaugraues Metall, sehr hart und schwer. Osmium löst sich nicht in Säuren und deren Mischungen. Es wird in Legierungen mit Platin verwendet.

Palladium. Dieses zähflüssige duktile Metall lässt sich leicht schmieden und walzen. Die Farbe von Palladium ist dunkler als Silber, aber heller als Platin. Es löst sich in Salpetersäure und Königswasser auf. Palladium wird zur Herstellung von Schmuck verwendet und wird auch als Zusatz in Legierungen mit Gold, Silber und Platin verwendet.

Platin. Platin wird zur Herstellung von Schmuck und als dekorative Beschichtung verwendet. Plastizität, Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Farbspiel – das sind die Eigenschaften von Platin, die Juweliere so anziehen. Platin ist ein glänzendes, weißes Metall, sehr formbar, löst sich selbst in kochendem Königswasser - einer Mischung aus drei Teilen Salpetersäure und fünf Teilen Salzsäure - nur sehr schwer auf. In der Natur kommt Platin mit einer Beimischung von Palladium, Ruthenium, Rhodium, Iridium und Osmium vor.

Rhodium. Hart genug, aber sprödes Metall, das farblich an Aluminium erinnert. Rhodium löst sich nicht in Säuren und deren Mischungen. Rhodium wird zur dekorativen Beschichtung von Schmuck verwendet.

Ruthenium. Ein Metall, das sich äußerlich fast nicht von Platin unterscheidet, aber zerbrechlicher und härter ist. Es wird in einer Legierung mit Platin verwendet.

Führen. Sehr weiches und duktiles Metall, leicht zu walzen, zu stanzen, zu pressen, gut zu gießen. Blei ist seit der Antike bekannt und wurde häufig zur Herstellung von Skulpturen und dekorativen Details der Architektur verwendet. In Schmuck wird Blei zur Herstellung von Loten und als Bestandteil von Legierungen verwendet.

Silber. Dieses Metall wird sehr häufig zur Herstellung von Geschirr und Innendekorationsartikeln, verschiedenen Schmuckstücken und auch zur Herstellung von Loten, als dekorative Beschichtung und Ligatur in Gold-, Platin- und Palladiumlegierungen verwendet. Silber hat eine hohe Duktilität und Duktilität, es ist gut geschnitten, poliert, gewalzt. Es ist härter als Gold, aber weicher als Kupfer, es löst sich nur in Salpeter- und heißer Schwefelsäure auf.

Stahl. Stahl wird durch Umschmelzen von Roheisen gewonnen. Bei der Herstellung von Kunstprodukten werden Edelstahl und brünierter Stahl verwendet - dunkle Farbe (speziell verarbeitet). Edelstahl wird zur Herstellung von Geschirr und Innendekoration und neuerdings auch Schmuck verwendet, gebläuter Stahl wird zur Herstellung von Schmuck verwendet. Um Edelstahlprodukten ein edleres Aussehen zu verleihen, werden sie vergoldet oder versilbert.

Tantal. Ein graues Metall mit leicht bleihaltigem Farbton, das in Bezug auf die Feuerfestigkeit nur von Wolfram übertroffen wird. Es zeichnet sich durch Plastizität, Festigkeit, gute Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit aus. Schmuckfirmen in westlichen Ländern verwenden Tantal für die Herstellung bestimmter Arten von Schmuck.

Titan. Dies ist ein glänzendes, silberfarbenes Metall, das sich leicht für verschiedene Arten der Bearbeitung eignet: Es kann gebohrt, geschärft, gefräst, geschliffen, gelötet, geklebt werden. Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit ist Titan mit Edelmetallen vergleichbar. Es hat eine hohe Festigkeit, geringe Dichte und ist ziemlich leicht. In letzter Zeit wurde im Ausland eine große Auswahl an Schmuckstücken aus Titan hergestellt.

Zink. Es ist ein grau-weißes Metall mit einem bläulichen Farbton. Die ersten Kunstprodukte aus Zink - dekorative Skulpturen, Basreliefs - erschienen im 18. Jahrhundert. Ende des 19. Jahrhunderts wurden im Kunstguss aus Zink Leuchter, Tischleuchter, Kandelaber und dekorative Skulpturen hergestellt, die oft wie Bronze getönt oder vergoldet wurden. In Schmuck wird Zink zur Herstellung von Loten und auch als eine der Komponenten in verschiedenen Legierungen verwendet.

Gusseisen. Es gibt folgende Arten von Gusseisen: Gießerei (grau), Umwandlung (weiß) und Spezial. Für die Herstellung künstlerischer Produkte wird ausschließlich Gießerei- oder Grauguss verwendet. Grauguss ist das Hauptmaterial für Kunstguss. Daraus werden Vasen und Kleinskulpturen, Schatullen und Schatullen, Aschenbecher und Leuchter, Landschaftsgärtnerartikel und viele andere Produkte gegossen.

Edelman V. Metalle // Kvant. - 1992. - Nr. 2. - S. 2-9.

Nach besonderer Vereinbarung mit der Redaktion und den Herausgebern der Zeitschrift "Kvant"

Was sind Metalle?

„Metall ist ein leichter Körper, der geschmiedet werden kann“, schrieb Lomonossow 1763. Werfen Sie einen Blick in Ihr Chemie-Lehrbuch und Sie werden sehen, dass Metalle einen charakteristischen metallischen Glanz haben („heller Körper“), Wärme und elektrischen Strom gut leiten. Richtig, genau dort werden Sie lesen, dass es Elemente gibt, die die Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen aufweisen. Mit anderen Worten, es gibt keine klare Linie, die sie voneinander trennt. Einem Chemiker, der sich in erster Linie für chemische Reaktionen interessiert und für den jedes Element eine eigene Welt ist, ist eine solche Zweideutigkeit nicht sehr peinlich. Aber die Physik ist nicht zufrieden. Wenn die Physik Körper in Metalle und Nichtmetalle einteilt, müssen Sie verstehen, worin der grundlegende Unterschied besteht. Daher ist es notwendig, ein Metall so zu definieren, dass, wie in anderen Fällen im Bereich der exakten Wissenschaften, zwei Anforderungen erfüllt sind:

1. alle Metalle müssen ausnahmslos alle ihnen zugeschriebenen Eigenschaften besitzen;
2. andere Objekte sollten nicht mindestens eines dieser Merkmale aufweisen.

Bewaffnet mit diesen Überlegungen wollen wir sehen, ob alle Metalle ausnahmslos alle Eigenschaften haben, die ihnen das Lehrbuch zuschreibt. Beginnen wir mit „Sie können schmieden“, also mit Plastizität, modern ausgedrückt. Und dann erinnern wir uns im Einklang an Kunststoffe: Schließlich werden sie nicht umsonst so genannt, viele von ihnen zeichnen sich durch Plastizität aus - die Fähigkeit, ihre Form ohne Zerstörung irreversibel zu ändern. Natürlich lässt sich Kupfer, Eisen, Aluminium leicht schmieden, noch einfacher mit Blei, Indium ist ein eher seltenes und teures Metall – es lässt sich fast wie Wachs zerkleinern (und Wachs ist kein Metall!), Alkalimetalle sind noch weicher . Und versuchen Sie, auf gewöhnliches Gusseisen zu schlagen - und es wird in Stücke zerbrechen! Nun, dann werden Metallurgen sagen: Das liegt daran, dass Gusseisen kein einfacher Stoff ist. Es besteht aus Eisenkristallen, die durch Zwischenschichten aus Kohlenstoff, also Graphit, getrennt sind. An diesen Schichten bricht Gusseisen. Nun, das ist in Ordnung. Nur hier ist das Problem - spröder Graphit, wie sich herausstellt, bezieht sich die moderne Physik auf Metalle! Ja, und mehr als ein Graphit: Arsen, Antimon und Wismut werden beispielsweise unter den Metallen aufgeführt, lassen sich aber genauso gut schmieden wie Glas – sie zerspringen in kleine Stücke!

Machen Sie dieses einfache Experiment: Zerbrechen Sie den Ballon einer durchgebrannten Lampe, entfernen Sie die Wolframspule von dort und versuchen Sie, sie abzuwickeln. Es wird nichts daraus, es wird zu Staub zerfallen! Aber irgendwie haben sie es geschafft, es in der Fabrik zu verdrehen? Das bedeutet, dass es so etwas sein kann – entweder es kann verformt werden oder nicht, je nachdem, was mit der Probe in der Vergangenheit passiert ist. Nun, es ist anscheinend notwendig, sich von diesem Zeichen zu trennen - der Plastizität. Darüber hinaus ist es vielen Nichtmetallen inhärent; Immerhin das gleiche Glas - erhitzen Sie es, und es wird weich und biegsam.

Also kürzen wir den Wortlaut und fahren fort.

Als nächstes kommt „Brillanz“ oder, wissenschaftlich gesprochen, optische Eigenschaften. Es gibt viele glänzende Objekte: Wasser, Glas, polierte Steine ​​und man weiß nie was noch. Nur „Glanz“ ist also nicht genug, sagt man: Metalle zeichnen sich durch einen metallischen Glanz aus. Nun, das ist ziemlich gut: Es stellt sich heraus, dass Metall Metall ist. Natürlich spüren wir intuitiv, dass poliertes Kupfer, Gold, Silber und Eisen metallisch glänzen. Und das weit verbreitete Mineral Pyrit – glänzt es nicht wie Metalle? Über die typischen Halbleiter Germanium und Silizium muss nicht gesprochen werden, sie sind äußerlich nicht von Metallen zu unterscheiden. Andererseits lernten sie vor nicht allzu langer Zeit, wie man gute Kristalle von Verbindungen wie Molybdändioxid erhält; Diese Kristalle sind braun-violett und haben wenig Ähnlichkeit mit gewöhnlichem Metall. Es stellt sich heraus, dass diese Substanz als Metall betrachtet werden sollte. Warum - es wird ein wenig weiter klar sein.

Der Glanz als rein „metallisches“ Zeichen verschwindet also.

Als nächstes kommt die Wärmeleitfähigkeit. Vielleicht kann man dieses Zeichen gleich verwerfen – ausnahmslos alle Körper leiten Wärme. Es wird zwar über Metalle gesagt, dass sie Gut Wärme leiten. Aber ich fürchte, auf die Frage "Was ist gut und was ist schlecht?" In diesem Fall wird kein Vater antworten.

Leitet Kupfer gut Wärme? Schauen wir uns die Tabelle an und stoßen sofort auf eine Gegenfrage: Welche Art von Kupfer und bei welcher Temperatur? Wenn Sie zum Beispiel reines Kupfer nehmen, aus dem Drähte für Funkgeräte hergestellt werden, und es auf Rotglut erhitzen, dh glühen, dann leitet es bei Raumtemperatur und sogar reines Silber die Wärme besser als jedes andere anderes Metall. Aber biegen Sie eine solche Kupferprobe, schlagen Sie darauf oder spannen Sie sie in einen Schraubstock - und ihre Wärmeleitfähigkeit wird merklich schlechter. Und was passiert, wenn ein Stück geglühtes Kupfer beginnt abzukühlen? Zunächst steigt die Wärmeleitfähigkeit an, steigt bei einer Temperatur von etwa 10 K um das Zehnfache an, beginnt dann schnell zu fallen und sollte beim Erreichen des absoluten Nullpunkts Null werden (Abb. 1).

Reis. 1. Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Temperatur für verschiedene Stoffe. (Spezifische Wärmeleitfähigkeit ist die Wärmemenge, die zwischen gegenüberliegenden Seiten eines Würfels mit einer Seitenlänge von 1 cm bei einer Temperaturdifferenz zwischen diesen Seiten von 1 K in 1 s fließt.)

Nehmen wir nun ein anderes Metall - Wismut. Bei ihm sieht das Bild ganz ähnlich aus wie bei Kupfer, nur liegt die maximale Wärmeleitfähigkeit bei 3 K, und Wismut leitet Wärme bei Raumtemperatur schlecht, nicht viel besser als ein Quarzkristall. Aber Quarz ist kein Metall! Und derselbe Quarz, wie aus Abbildung 1 ersichtlich, stellt sich manchmal als nicht schlechter als Kupfer heraus, was seine Wärmeleiteigenschaften betrifft. Und Quarzglas, also Quarzglas, leitet Wärme schlecht, wie Edelstahl.

Quarz ist keine Ausnahme. Alles Kristalle gute Qualität verhalten sich ähnlich, nur die Zahlen unterscheiden sich geringfügig. Diamant beispielsweise hat bereits bei Raumtemperatur eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer.

Wärmeleitfähigkeit lehnen wir reinen Herzens ab und werden es nicht bereuen. Und das nicht nur, weil es auf dieser Grundlage nicht so einfach ist, ein Metall von einem Nichtmetall zu unterscheiden, sondern auch, weil sich herausstellt, dass die spezifischen Eigenschaften in der Wärmeleitfähigkeit von Metallen (und es gibt solche) eine Folge davon sind elektrische Leitfähigkeit - die letzte verbleibende Eigenschaft.

Und noch einmal, in der Formulierung am Anfang des Artikels ist die Klarstellung nicht nur elektrische Leitfähigkeit, sondern gut elektrische Leitfähigkeit. Aber wenn es um die Wärmeleitfähigkeit ging, hat uns der Beiname „gut“ aufgeschreckt, und wie sich herausstellte, nicht umsonst. Was - und die letzte verdächtigte Immobilie? Es muss unbedingt gerettet werden, sonst bleiben wir überhaupt ohne Metalle und gleichzeitig ohne Halbleiter, ohne Isolatoren. So funktioniert Wissenschaft! In den meisten Fällen wird jedes Schulkind ohne zu zögern sagen, womit er es zu tun hat, aber sie haben tiefer gegraben - sie haben verwirrt innegehalten.

Und es gibt etwas von. Nehmen wir Tabellen mit physikalischen Größen und sehen uns die Zahlen an. Hier beispielsweise bei Raumtemperatur der spezifische Widerstand ρ (Ohm cm) Kupfer ~1,55 10 -6 ; bei Wismut ρ ~ 10 -4 ; Graphit ρ ~ 10 -3 ; für reines Silizium und Germanium ρ ~ 10 2 (kann aber durch Zugabe von Verunreinigungen auf ~ 10 -3 gebracht werden); am Marmor ρ = 10 7 - 10 11; durch das Glas ρ = 10 10 ; und irgendwo am Ende der Liste - Bernstein mit einem spezifischen Widerstand von bis zu 1019. Und wo enden die Leitermetalle und beginnen die Dielektrika? Und Elektrolyte haben wir noch nicht erwähnt. Gewöhnliches Meerwasser leitet die Strömung gut. Was - und es als Metall betrachten?

Mal sehen, ob uns die Temperatur hilft. Wenn Sie die Temperatur erhöhen, beginnen sich die Unterschiede zwischen den Substanzen auszugleichen: Bei Kupfer beginnt der Widerstand zu steigen, bei Glas beispielsweise abzunehmen. Es ist also notwendig zu verfolgen, was während des Abkühlens passiert. Und hier sehen wir endlich qualitative Unterschiede. Schauen Sie sich Abbildung 2 an: Bei Temperaturen von flüssigem Helium nahe dem absoluten Nullpunkt spalten sich Substanzen in zwei Gruppen auf. Bei einigen bleibt der Widerstand klein, bei Legierungen oder bei nicht sehr reinen Metallen ρ ändert sich beim Abkühlen fast nicht, bei reinen Metallen nimmt der Widerstand stark ab. Je reiner und vollkommener der Kristall ist, desto größer ist diese Veränderung. Manchmal ist u bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt hunderttausendmal kleiner als bei Raumtemperatur. Bei anderen Substanzen wie Halbleitern beginnt der Widerstand mit sinkender Temperatur schnell anzusteigen, und je niedriger die Temperatur, desto größer ist er. Wenn es möglich wäre, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, dann ρ unendlich groß werden würde. Allerdings reicht es aus, dass der Widerstand tatsächlich so groß wird, dass er von keinem modernen Instrument mehr gemessen werden kann.

Wir sind also zur Antwort gekommen: Metalle sind Substanzen, die bei jeder Temperatur Strom leiten.

Reis. 2. Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes reiner Metalle (Kupfer und Platin) und eines Halbleiters (reines Germanium) von der Temperatur.

Im Gegensatz dazu hören Dielektrika auf, Strom zu leiten, wenn sie auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Unter Verwendung dieser Definition sind sowohl Graphit als auch Molybdändioxid Metalle. Aber wohin mit Halbleitern? Wenn ein wir redenüber reine, perfekte Kristalle, dann handelt es sich streng genommen um Dielektrika. Wenn sie jedoch viele Verunreinigungen enthalten, können sie zu Metallen werden, d. H. Bei den niedrigsten Temperaturen leitfähig bleiben.

Was bleibt uns am Ende? Wir konnten uns identifizieren der Einzige ein wesentliches Zeichen, an dem wir, wenn auch nicht in der alltäglichen Praxis, so doch zumindest im Prinzip immer ein Metall von einem Nichtmetall unterscheiden können. Und da dieses Zeichen das einzige ist, sind automatisch beide Bedingungen erfüllt, deren Erfüllung wir am Anfang des Artikels gefordert haben.

Warum leiten Metalle Strom?

Es ist seit langem bekannt, dass einige Elemente wie Kupfer, Gold, Silber, Eisen, Blei, Zinn sowohl in reiner Form als auch miteinander verschmolzen Metalle bilden. Andere, wie Phosphor, Schwefel, Chlor, Stickstoff, Sauerstoff, sind nicht nur selbst keine Metalle, sondern verwandeln sie in Kombination mit Metallen in Dielektrika. Ein Beispiel hierfür ist Kochsalz. NaCl . Daher erschien in der Chemie die Unterteilung der Elemente in Metalle und Nichtmetalle.

Eine solche Klassifikation ist jedoch nichts anderes als eine Tatsachenbehauptung, obwohl sie auf den ersten Blick den Anspruch erhebt, die Eigenschaften von Stoffen nur anhand der Struktur von Atomen zu erklären. Schauen wir uns doch einmal das Periodensystem an. Elemente, die sich in derselben Spalte befinden, sind in ihren chemischen Eigenschaften sehr ähnlich. Aber werden Kristalle oder daraus hergestellte Legierungen elektrischen Strom leiten? Wenn man sich die Tabelle ansieht, ist es unmöglich, diese Frage zu beantworten. Alle Elemente der ersten Gruppe sind also Metalle, mit Ausnahme des ersten Wasserstoffs. Aber ein Gesetz, das jemand brechen darf, ist kein Gesetz mehr. In der zweiten Gruppe ist es freilich besser: hier sind alle Elemente bekannte Metalle; und in der dritten Gruppe gibt es wieder einen Fehler: Bor ist ein Halbleiter, und Aluminium ist ein wunderbares Metall. Weiter noch schlimmer. Das erste Element der vierten Gruppe ist Kohlenstoff; Wir haben bereits erwähnt, dass Graphit, der sogenannte Kohlenstoffkristall, ein Metall ist. Aber auch Diamant ist ein Kristall, der aus Kohlenstoffatomen besteht, aber anders angeordnet ist als Graphit – ein Isolator. Silizium und Germanium sind klassische Halbleiter. Zinn - so scheint es, ein typisches Metall. Jedoch... Wenn die bekannte weiße glänzende Dose längere Zeit bei einer Temperatur von -30 ° C gehalten wird, ändert sich ihre Kristallstruktur und sie wird äußerlich grau. Und dieses Zinn – sie nennen es „graues Zinn“ – ist ein Halbleiter! Und Blei ist immer ein Metall.

Wenn Sie anfangen, verschiedene Elemente zu mischen, wird das Bild völlig kompliziert. Nehmen wir zum Beispiel zwei Metalle Indium und Antimon und verschmelzen sie – im Verhältnis eins zu eins. Wir bekommen einen Halbleiter, der in der Technologie weit verbreitet ist InSb . Andererseits haben wir bereits gesagt, dass Molybdändioxid MoO 2 bei T≈ 0 K leitet Strom, d.h. MoO 2 - Metall. (UND WO 2 , und Re 2 O 3 und einige andere Oxide sind auch Metalle.) Und wenn die aus Atomen resultierenden Kristalle stark komprimiert, gequetscht werden, stellt sich heraus, dass fast alle Substanzen zu Metallen werden, sogar so typische Halbmetalle wie Schwefel. Dafür ist der Übergangsdruck in den metallischen Zustand zwar sehr hoch - mehrere hunderttausend Atmosphären (und noch mehr für Wasserstoff).

Es scheint, dass die Trennung von Elementen in Metalle und Nichtmetalle keine so einfache Aufgabe ist. Jedenfalls ist klar, dass wir bei Betrachtung einzelner Atome nicht sagen können, ob ein Stoff, der aus diesen Atomen zusammengesetzt ist, Strom leiten wird T≈ 0 K, weil die Lage der Atome zueinander eine große Rolle spielt. Zur Beantwortung der Frage "Warum leiten Metalle Strom?" Es ist notwendig zu untersuchen, wie Atome miteinander interagieren und einen festen Körper bilden.

Mal sehen, wie es um das einfachste aller Metalle steht – Lithium. Ordnungsnummer Li - drei. Dies bedeutet, dass der Kern eines Atoms Li enthält drei Protonen und die positive Ladung des Kerns kompensiert drei Elektronen. Zwei von ihnen bilden eine gefüllte S-Schale, die dem Kern am nächsten liegt, und sind stark an den Kern gebunden. Das verbleibende Elektron befindet sich auf der zweiten s-Schale. Es könnte ein weiteres Elektron passen, aber Lithium hat es nicht. Alle anderen erlaubten Energiezustände sind frei, und Elektronen treten nur dann in sie ein, wenn das Atom angeregt wird (z. B. wenn Lithiumdampf stark erhitzt wird). Das Schema der Niveaus im Lithiumatom ist in Abbildung 3 dargestellt.

Reis. 3. Schema der Energieniveaus des Lithiumatoms und ihre Umwandlung in Zonen, wenn sich Atome zu einem Kristall verbinden. Beschäftigte Zustände sind rot markiert.

Betrachten Sie nun den Satz von Lithiumatomen, die sich in einem begrenzten Volumen befinden. Sie können ein Gas (Dampf), eine Flüssigkeit oder einen Feststoff bilden. Bei einer ausreichend niedrigen Temperatur verhindern die Kräfte der gegenseitigen Anziehung die thermische Bewegung der Atome und es bildet sich ein Kristall. Dies geschieht sicherlich bei absoluter Nulltemperatur, wenn alle bekannten Substanzen, außer Helium, Kristalle sind.

Aus Erfahrung ist also bekannt, dass bei niedrigen Temperaturen ein fester Zustand für Lithium ein stabiler Zustand ist. Aber bekanntlich ist immer ein solcher Materiezustand stabil, in dem ihre innere Energie geringer ist als in anderen möglichen Aggregatzuständen bei gleicher Temperatur. Die gesamte Energieabnahme beim Übergang von einem Zustand in einen anderen ist einfach zu messen – schließlich handelt es sich dabei um die Verdampfungs- bzw. Schmelzwärme.

Aus mikroskopischer Sicht ist die innere Energie einer Substanz bei niedrigen Temperaturen zunächst die Summe der Energien der Elektronen der Atome, aus denen der Körper besteht. Aber Elektronen in Atomen besetzen genau definierte Energieniveaus. Das bedeutet, dass wir erwarten können, dass sich die Energieniveaus ändern, wenn sich die Atome einander nähern. In diesem Fall sollte die Verteilung der Elektronen auf die Ebenen so ausfallen, dass ihre Gesamtenergie kleiner ist als die Summe der Energien der Elektronen in der gleichen Anzahl voneinander isolierter Atome.

Was mit den Niveaus passiert, kann anhand der Analogie der Bewegung eines Elektrons in einem Atom mit einem beliebigen Schwingungssystem verstanden werden, beispielsweise mit einem Pendel. Angenommen, wir haben zwei völlig identische Pendel. Solange sie nicht miteinander wechselwirken, ist die Schwingungsfrequenz beider Pendel gleich. Lassen Sie uns nun das Zusammenspiel zwischen ihnen vorstellen - wir werden sie zum Beispiel mit einer weichen Feder verbinden. Und sofort erscheinen statt einer Frequenz zwei. Schauen Sie sich Abbildung 4 an: Gekoppelte Pendel können in Phase schwingen oder gegeneinander schwingen. Offensichtlich wird im letzteren Fall ihre Bewegung schneller sein, d.h. die Schwingungsfrequenz eines solchen Systems ist höher als die natürliche Schwingungsfrequenz eines Pendels. Somit führt die Kopplung zu einer Frequenzaufspaltung. Wenn Sie drei Pendel verbinden, dann gibt es bereits drei Eigenfrequenzen, ein System aus vier verbundenen Pendeln hat vier Eigenfrequenzen und so weiter bis ins Unendliche.

Reis. 4. Schwingungen gekoppelter Pendel.

Das Verhalten jedes anderen schwingungsfähigen Systems ist ähnlich. Wenn wir zum Beispiel Pendel durch elektrische Schwingkreise ersetzen, dann werden, wie Funkamateure wissen, auch deren Eigenfrequenzen aufgespalten, wenn man eine Verbindung herstellt. Auch Elektronen in einem Atom sind eine Art schwingungsfähiges System. Wie ein Pendel haben Elektronen eine Masse, es gibt eine Coulomb-Kraft, die sie in ihre Gleichgewichtsposition zurückbringt; und dies bestimmt die Bewegung der Elektronen im Atom, die nach der Quantenmechanik durch eine eigene Frequenz gekennzeichnet ist. Bei Elektronen führt der Einbezug der Wechselwirkung bei gegenseitiger Annäherung dazu, dass die vorher gleichen Frequenzen leicht unterschiedlich werden.

In der Quantenmechanik besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Energie und Schwingungsfrequenz, ausgedrückt durch die Formel \(~E = h \nu\), wobei h\u003d 6,6 10 -34 J s - Plancksche Konstante und ν - Oszillationsfrequenz. Daher sollte erwartet werden, dass, wenn sich zwei Lithiumatome jedem der in Abbildung 3 gezeigten Niveaus nähern, es in zwei Teile geteilt wird. Jedes neue Energieniveau wird einer eigenen Elektronenhülle entsprechen, jetzt nicht mehr einem einzelnen Atom, sondern einem „Molekül“. Schalen werden nach der gleichen Regel wie bei einem Atom mit Elektronen gefüllt - zwei Elektronen pro Schale. Das Schalenpaar, das sich aus der untersten Ebene herausstellt, wird vollständig mit Elektronen gefüllt sein. In der Tat können vier Elektronen darauf platziert werden, und zwei Lithiumatome haben sechs davon. Es bleiben zwei Elektronen übrig, die sich nun auf der unteren Ebene des zweiten Paares befinden werden. Beachten Sie den qualitativen Sprung, der stattgefunden hat: Zuvor besetzten diese beiden Elektronen zwei der vier Zustände, die dieselbe Energie hatten. Jetzt haben sie die Möglichkeit zu wählen, und sie haben sich so positioniert, dass ihre Gesamtenergie kleiner war. Es ist nicht schwer vorstellbar, was passiert, wenn die folgenden Atome hinzugefügt werden: Bei drei Atomen wird jede Anfangsebene in drei aufgespalten (siehe Abb. 3). Neun Elektronen werden wie folgt angeordnet sein: sechs auf der unteren Triade von Ebenen, die aus der Ebene der inneren gefüllten Hülle des Atoms entstanden sind, das dem Kern am nächsten ist; zwei weitere Elektronen - auf der unteren Ebene der nächsten Triade; das verbleibende Elektron befindet sich auf der mittleren Ebene derselben Triade. Auf dieser Ebene bleibt noch ein Platz frei, die obere Ebene ist komplett leer. Wenn du nimmst n Atome (\(~n \gg 1\)), dann teilt sich jede Ebene in n eng beabstandete Ebenen, die, wie man sagt, ein Band oder eine Zone zulässiger Energiewerte bilden. Im unteren Band sind alle Zustände besetzt, im zweiten nur die Hälfte und genau die, deren Energie niedriger ist. Die nächste Spur ist komplett leer.

Der Abstand zwischen benachbarten Ebenen in der Zone ist leicht abzuschätzen. Es ist natürlich anzunehmen, dass, wenn sich die Atome einander nähern, die Energieänderung der Elektronen des Atoms ungefähr gleich der Verdampfungswärme der Substanz ist, umgerechnet pro Atom. Sie beträgt bei Metallen üblicherweise mehrere Elektronenvolt und damit die Gesamtbandbreite Δ E, bestimmt durch die Wechselwirkung benachbarter Atome, müssen dieselbe Skala haben, d. h. Δ E~ 1 eV ≈ 10 -19 J. Für den Abstand zwischen den Ebenen erhalten wir \(~\delta E \sim \dfrac(\Delta E)(n)\), wobei n ist die Anzahl der Atome in der Probe. Diese Zahl ist extrem groß: Der Abstand zwischen den Atomen beträgt nur wenige Angström und das Volumen pro Atom nur ~ 10 -22 cm 3 . Wenn unsere Probe zur Sicherheit ein Volumen von 1 cm 3 hat, dann dafür n≈ 10 22 . Daher ergibt sich numerisch δ E≈ 10 -22 Δ E≈ 10 -41 J. Dieser Wert ist so klein, dass man die Energiequantisierung innerhalb der Zone immer vernachlässigen und davon ausgehen kann, dass innerhalb der Zone beliebige Energiewerte erlaubt sind.

In einem Kristall werden also die Energieniveaus in Zonen verschmiert, deren Breite mit dem Abstand zwischen ihnen vergleichbar ist. Für Elektronen sind Zustände innerhalb des Bandes erlaubt, und hier können die Elektronen fast jede Energie haben (natürlich innerhalb der Bandbreite). Aber es ist sehr wichtig, dass die Anzahl der Plätze in jeder Zone streng begrenzt ist und der doppelten Anzahl von Atomen entspricht, aus denen der Kristall besteht. Und dieser Umstand bestimmt zusammen mit dem Prinzip der minimalen Energie die Verteilung der Elektronen über die Zonen. Jetzt sind wir bereit, endlich zu verstehen, warum Lithium Strom leitet. Sehen wir uns noch einmal Abbildung 3 an. Was ist passiert? Während die Atome für sich allein waren, befanden sich alle Elektronen in wohldefinierten Zuständen, die für alle Atome genau gleich waren. Jetzt haben sich die Atome zu einem Kristall verbunden. Die Atome selbst in einem Kristall sind nicht nur gleich, sondern auch relativ zu ihren Nachbarn (mit Ausnahme natürlich derjenigen, die auf die Oberfläche des Kristalls treffen) genau gleich angeordnet. Und alle Elektronen haben jetzt unterschiedliche Energien. Dies kann nur dann der Fall sein, wenn die Elektronen nicht mehr zu einzelnen Atomen gehören, sondern jedes Elektron auf alle Atome „aufgeteilt“ wurde. Mit anderen Worten, Elektronen bewegen sich frei in einem idealen Kristall und bilden sozusagen eine Flüssigkeit, die das gesamte Volumen der Probe ausfüllt. Und elektrischer Strom ist ein gerichteter Fluss dieser Flüssigkeit, ähnlich wie Wasser, das durch Rohre fließt.

Um Wasser zum Fließen durch ein Rohr zu zwingen, muss an den Enden des Rohrs ein Druckunterschied erzeugt werden. Dann erhalten die Moleküle unter Einwirkung äußerer Kräfte eine gerichtete Geschwindigkeit - Wasser fließt. Das Auftreten einer gerichteten Geschwindigkeit ist hier sehr wichtig, weil sich die Moleküle selbst mit enormen Geschwindigkeiten chaotisch bewegen - bei Raumtemperatur beträgt die mittlere Geschwindigkeit der thermischen Bewegung eines Moleküls etwa 10 3 m/s. Die zusätzliche Energie, die das Molekül in der Strömung aufnimmt, ist also klein im Vergleich zur Energie der thermischen Bewegung.

Die zusätzliche Energie, die einem Elektron zugeführt werden muss, damit es an der allgemeinen gerichteten Bewegung von Elektronen in einem Kristall teilnimmt (und das ist der Strom), ist auch klein im Vergleich zur Eigenenergie des Elektrons. Dies ist leicht zu überprüfen. Wir haben bereits gesagt, dass die Energie eines Elektrons größenordnungsmäßig gleich 1 eV = 1,6 · 10 -19 J ist. Wenn wir uns daran erinnern, dass für ein freies Elektron \(~E = \dfrac(m \upsilon^2)(2 )\) und m\u003d 9,1 10 -31 kg, dann ist es einfach, die Geschwindigkeit zu finden: υ ~ 10 6 m/s. Angenommen, alle Elektronen nehmen am Strom teil und befinden sich in 1 m 3 des Leiters n ~ 10 28 Z (Z ist die Kernladung). Dann in einem Draht mit einem Querschnitt S\u003d 10 -6 m 2 bei Strom ich≈ 10 A (bei höherem Strom schmilzt der Draht) ist die Richtungsgeschwindigkeit der Elektronen \(~\upsilon_H = \dfrac(I)(neS) \approx 10^(-2) - 10^(-3)\ ) Frau. Das heißt, die Energie des am Strom beteiligten Elektrons ist größer als die Energie E freies Elektron nur um 10 -8 E, also um 1,6 10 -27 J.

Und hier sind wir mit einer überraschenden Tatsache konfrontiert: Es stellt sich heraus, dass Elektronen, die sich im unteren Band befinden, das normalerweise als Valenzband bezeichnet wird, ihre Energie nicht um einen kleinen Betrag ändern können. Denn wenn ein Elektron seine Energie erhöht, bedeutet dies, dass es auf eine andere Ebene wechseln muss und alle benachbarten Ebenen im Valenzband bereits besetzt sind. Es gibt nur freie Stellen in der nächsten Zone. Aber um dorthin zu gelangen, muss das Elektron seine Energie auf einmal um mehrere Elektronenvolt ändern. So sitzen Elektronen im Valenzband und warten auf den Kuchen am Himmel – ein energetisches Quant. Und die Quanten der benötigten Energie liegen im sichtbaren oder ultravioletten Licht.

Es gibt also Flüssigkeit, aber sie kann nicht fließen. Und wenn Lithium nur zwei Elektronen in einem Atom hätte, das heißt, wenn wir ein Bild für Lithiumatome bauen würden, dann würden wir einen Isolator bekommen. Aber festes Helium ist in der Tat ein Isolator, daher können wir uns schon zu einigen Erfolgen beglückwünschen: Wir haben noch nicht erklärt, warum in Metallen Strom fließen kann, aber wir verstehen, warum Dielektrika, wo viele Elektronen sind und sie alle „verschmiert“ sind. Im gesamten Kristall leiten Sie keinen Strom.

Aber was ist mit Lithium? Warum, er hat eine zweite Zone, die nur halb gefüllt ist. Die Energie, die die besetzten und freien Ebenen innerhalb dieses Bandes trennt, wird als Fermi-Energie bezeichnet E f. Wie wir bereits gesagt haben, ist der Energieunterschied zwischen den Ebenen im Band sehr gering. Es reicht aus, dass ein Elektron, das sich in der Zone nahe dem Fermi-Niveau befindet, seine Energie leicht erhöht - und es ist frei, wo die Zustände nicht besetzt sind. Nichts hindert die Elektronen des Grenzstreifens daran, ihre Energie unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes zu erhöhen und eine gerichtete Geschwindigkeit anzunehmen. Aber das ist der Strom! Aber genauso leicht können diese Elektronen ihre Richtungsgeschwindigkeit verlieren, wenn sie mit Fremdatomen (die immer da sind) oder mit anderen Verletzungen der idealen Kristallstruktur kollidieren. Dies erklärt den Stromwiderstand.

Es scheint klar, warum Helium ein Isolator und Lithium ein Leiter ist. Versuchen wir, unsere Ideen auf das nächste Element anzuwenden – Beryllium. Und hier - eine Fehlzündung, das Modell hat nicht funktioniert. Beryllium hat vier Elektronen, und es scheint, dass die erste und zweite Zone vollständig besetzt und die dritte leer sein sollte. Es stellt sich als Isolator heraus, während Beryllium ein Metall ist.

Der Punkt ist folgender. Wenn die Breite der Zonen groß genug ist, können sie sich überlappen. Über ein solches Phänomen sagen sie, dass sich die Zonen überlappen. Genau das passiert bei Beryllium: Die minimale Energie der Elektronen in der dritten Zone ist kleiner als die maximale Energie in der zweiten. Daher erweist es sich für Elektronen als energetisch günstig, den leeren Teil des zweiten Bandes zu verlassen und Zustände am unteren Ende des dritten Bandes zu besetzen. Hier kommt das Metall ins Spiel.

Was passiert mit den anderen Elementen? Ob sich die Zonen überschneiden oder nicht, lässt sich im Voraus nicht sagen, dies erfordert umständliche Computerberechnungen, und es ist nicht immer möglich, eine verlässliche Antwort zu erhalten. Aber hier ist das Bemerkenswerte: Aus unserem Schema folgt, dass, wenn wir Elemente mit einer ungeraden Anzahl von Elektronen nehmen, immer dann ein Metall erhalten werden sollte, wenn nur ein einzelnes Atom eine strukturelle Einheit in einem Kristall ist. Aber Wasserstoff, beispielsweise Stickstoff und Fluor, wollen nicht in ein solches Gitter kristallisieren. Am liebsten vereinigen sie sich zunächst paarweise, und schon reihen sich die Moleküle mit einer geraden Anzahl von Elektronen in einem Kristall aneinander. Und die Gesetze der Quantenmechanik hindern ihn nicht daran, ein Dielektrikum zu sein.

Wir wissen jetzt also, was ein Metall aus physikalischer Sicht ist, und haben das Wesen des Phänomens herausgefunden, indem wir verstehen, warum es im Prinzip Isolatoren und Leiter gibt. Wir haben gesehen, dass es keine einfache Möglichkeit gibt zu erklären, warum eine bestimmte Substanz ein Isolator oder ein Metall ist. Dies kann nur mit der ganzen Kraft der Apparate der modernen Quantenmechanik und Computertechnologie bewerkstelligt werden, aber dies ist bereits die Aufgabe von Spezialisten.