Kemialliset alkuaineet, jotka muodostavat vapaassa tilassa yksinkertaisia ​​aineita, joissa on metallisidos (katso Kemiallinen sidos). 110 tunnetusta kemiallisesta alkuaineesta (katso kemiallisten alkuaineiden jaksollinen taulukko) 88 on metalleja ja vain 22 ei-metalleja.

Metallit, kuten kulta, hopea ja kupari, ovat olleet ihmiselle tuttuja esihistoriallisista ajoista lähtien. Muinais- ja keskiajalla uskottiin, että metallia oli vain 7 (kulta, hopea, kupari, tina, lyijy, rauta ja elohopea). M. V. Lomonosov määritteli metallin "kevyeksi kappaleeksi, joka voidaan takoa" ja liitti metallien kultaa, hopeaa, kuparia, tinaa, rautaa ja lyijyä. A. Lavoisier mainitsi "Kemian peruskurssissaan" (1789) jo 17 metallia. XIX vuosisadan alussa. sen jälkeen löydettiin platinametallit, sitten alkali, maa-alkali ja monet muut.

Jaksottaisen lain voitto oli D. I. Mendelejevin sen perusteella ennustamien metallien - galliumin, skandiumin ja germaniumin - löytäminen. XX vuosisadan puolivälissä. ydinreaktioiden avulla saatiin transuraanielementtejä - radioaktiivisia metalleja, joita ei ole luonnossa.

Moderni metallurgia vastaanottaa yli 60 metallia ja yli 5000 metalliseosta niiden pohjalta.

Metallien rakenne perustuu positiivisten ionien kidehilaan, joka on upotettu liikkuvien elektronien tiheään kaasuun. Nämä elektronit kompensoivat positiivisten ionien välisiä sähköisiä hylkäysvoimia ja sitovat ne siten kiinteiksi aineiksi.

Tämän tyyppistä kemiallista sidosta kutsutaan metallisidokseksi. Se määritti metallien tärkeimmät fysikaaliset ominaisuudet: plastisuuden, sähkönjohtavuuden, lämmönjohtavuuden, metallisen kiillon.

Plastisuus on metallien kykyä muuttaa muotoaan iskun vaikutuksesta, valssattua ohuiksi levyiksi ja vetää langaksi. Tällöin kidehilan atomit ja ionit siirtyvät, mutta niiden väliset sidokset eivät katkea, koska myös sidoksen muodostavat elektronit liikkuvat vastaavasti. Metallien plastisuus pienenee sarjoissa Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe. Esimerkiksi kulta voidaan rullata jopa 0,003 mm paksuiksi levyiksi, joita käytetään kultaukseen.

Metallien korkea sähkönjohtavuus selittyy vapaiden elektronien läsnäololla, jotka jopa pienen potentiaalieron vaikutuksesta siirtyvät negatiivisesta napasta positiiviseen. Lämpötilan noustessa metalli-ionien ja atomien värähtelyt lisääntyvät, mikä estää elektronien liikkumisen ja johtaa siten sähkönjohtavuuden heikkenemiseen. Alhaisissa lämpötiloissa ionien ja atomien värähtelyliike päinvastoin vähenee suuresti ja sähkönjohtavuus kasvaa. Lähellä absoluuttista nollaa metallien sähkövastus on käytännössä olematon. Paras sähkönjohdin on hopea, jota seuraa kupari, kulta, alumiini ja rauta. Myös metallien lämmönjohtavuus muuttuu, mikä johtuu sekä vapaiden elektronien suuresta liikkuvuudesta että ionien värähtelevästä liikkeestä, jonka seurauksena lämpötila tasaantuu nopeasti metallin massaan. Metallinen kiilto liittyy myös vapaiden elektronien läsnäoloon.

Metallien muista fysikaalisista ominaisuuksista tiheys, sulamispiste ja kovuus ovat käytännön mielenkiintoisimpia. Metalleista kevyin on litium (tiheys 0,53 g/cm3), raskain osmium (22,6 g/cm3). Metalleja, joiden tiheys on alle 5 g / cm3, kutsutaan kevyiksi, loput - raskaaksi. Metallien sulamispisteet vaihtelevat suuresti: cesium ja gallium voidaan sulattaa kämmenten lämmöllä, ja volframin sulamispiste on +3410 °C. Normaaliolosuhteissa ainoa nestemäinen metalli on elohopea. Höyrytilassa kaikki metallit ovat yksiatomisia, niiden kidehila on tuhoutunut.

Metallien kovuus vaihtelee. Kovin niistä - kromi - leikkaa lasia ja pehmein - kalium, rubidium ja cesium - leikataan helposti veitsellä. Lujuus, sulamispiste ja kovuus riippuvat metallisidoksen lujuudesta. Se on erityisen korkea raskasmetalleille.

Tekniikassa rautapohjaisia ​​seoksia eli valurautaa, terästä ja itse rautaa kutsutaan rautamealleiksi, kaikkia muita metalleja kutsutaan ei-rautametalliksi. Metalleilla on muitakin luokituksia (katso kemiallisten alkuaineiden jaksollinen järjestelmä).

Metallien kemialliset ominaisuudet määrää valenssielektronien heikko sidos atomin ytimeen. Atomit luovuttavat ne suhteellisen helposti ja muuttuvat positiivisesti varautuneiksi ioneiksi. Siksi metallit ovat hyviä pelkistäviä aineita. Tämä on heidän tärkein ja yleisin kemiallinen ominaisuus.

On selvää, että metallien on pelkistysaineina reagoitava erilaisten hapettimien kanssa, joiden joukossa voi olla yksinkertaisia ​​aineita (ei-metalleja), happoja, vähemmän aktiivisten metallien suoloja ja joitain muita aineita. Metalliyhdisteitä hapen kanssa kutsutaan oksideiksi, halogeenien kanssa halogenideiksi, rikkisulfideiksi, typen kanssa - nitrideiksi, fosforin kanssa - fosfideiksi, hiiliborideiksi, vetyhydrideiksi jne. Monet näistä yhdisteistä ovat löytäneet tärkeän sovelluksen tekniikassa.

Kun metallit ovat vuorovaikutuksessa happojen kanssa, hapettava aine on vetyioni H +, joka ottaa vastaan ​​elektronin metalliatomista:

Mg - 2e - \u003d Mg 2+

_________________

Mg + 2H+ = Mg2+ + H2

Metallit, jotka seisovat standardielektrodipotentiaalien sarjassa (jännitesarja) vedyn vasemmalla puolella, yleensä syrjäyttävät (pelkistävät) vetyä laimeista hapoista, kuten HCl tai H2SO4, ja vedyn oikealla puolella olevat metallit eivät syrjäytä sitä.

Metallien vuorovaikutusta vähemmän aktiivisten metallien suolojen vesiliuosten kanssa voidaan havainnollistaa esimerkillä:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Сu

Tällöin elektronit irtoavat aktiivisemman metallin, sinkin, atomeista, ja tapahtuu niiden lisäystä vähemmän aktiivisilla Cu2+-ioneilla. Useiden standardien elektrodipotentiaalien ohjaamana voimme sanoa, että metalli syrjäyttää (palauttaa) monia seuraavista metalleista niiden suolojen liuoksista.

Aktiiviset metallit (alkali ja maa-alkali) ovat myös vuorovaikutuksessa veden kanssa, joka tässä tapauksessa toimii hapettavana aineena.

Metallit, hydroksidit, jotka ovat amfoteerisia (katso Amfoteerisuus), ovat yleensä vuorovaikutuksessa sekä happojen että alkalien liuosten kanssa.

Metallit voivat muodostaa kemiallisia yhdisteitä keskenään. Tällaiset yhdisteet muodostavat yleensä tyypillisiä metalleja metallien kanssa, joilla on heikot metalliset ominaisuudet, kuten tietyt natriumyhdisteet lyijyn kanssa:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

Joidenkin metallien yhdisteitä muiden kanssa kutsutaan yhteisesti metallienvälisiksi yhdisteiksi, metallien välisiksi yhdisteiksi tai metalleiksi.

Metallien harkittuja ominaisuuksia, jotka liittyvät elektronien rekyyliin kemiallisissa reaktioissa, kutsutaan metallisiksi. Kaikilla kemiallisilla alkuaineilla on niitä vaihtelevassa määrin. Metallin ominaisuudet arvioidaan vertaamalla elementtien elektronegatiivisuutta. Tämä mielivaltaisina yksiköinä ilmaistu arvo kuvaa molekyylin atomin kykyä vetää puoleensa elektroneja. Alkuaineiden sähkönegatiivisuuden suhteelliset arvot on annettu taulukossa. Mitä pienempi elektronegatiivisuus on, sitä selvempiä elementtien metalliset ominaisuudet ovat.

Tiedät, että suurin osa kemiallisista alkuaineista on luokiteltu metalleiksi – 92 tunnetusta 114 alkuaineesta.

Metallit - nämä ovat kemiallisia alkuaineita, joiden atomit luovuttavat ulomman (ja osan esiulkoisen) elektronikerroksen elektroneja muuttuen positiivisiksi ioneiksi.

Tämä metalliatomien ominaisuus, kuten tiedätte, määräytyy sen perusteella, että niillä on suhteellisen suuret säteet ja pieni määrä elektroneja (pääasiassa 1 - 3) ulkokerroksessa.

Ainoat poikkeukset ovat 6 metallia: germanium-, tina-, lyijy-atomeissa ulkokerroksessa on 4 elektronia, antimoniatomeja, vismutti-5, poloniumatomeja - 6.

Metalliatomeille on ominaista alhaiset elektronegatiivisuusarvot (0,7 - 1,9) ja yksinomaan pelkistävät ominaisuudet, eli kyky luovuttaa elektroneja.

Tiedät jo, että D. I. Mendelejevin kemiallisten elementtien jaksollisessa taulukossa metallit ovat boori-astatiini-diagonaalin alapuolella, minä olen myös sen yläpuolella sivualaryhmissä. Periodeissa ja savialaryhmissä on sinulle tiedossa olevia säännönmukaisuuksia metallin muuttamisessa ja siten alkuaineiden atomien pelkistävissä ominaisuuksissa.

Boori-astaatti-diagonaalin lähellä sijaitsevilla kemiallisilla alkuaineilla on kaksinkertainen ominaisuus: joissakin yhdisteissään ne käyttäytyvät metallien tavoin, toisissa ne osoittavat ei-metallin ominaisuuksia.

Toissijaisissa alaryhmissä metallien pelkistävät ominaisuudet useimmiten heikkenevät sarjanumeron kasvaessa. Vertaa tuntemasi sivualaryhmän I ryhmän metallien aktiivisuutta: Cu, Ag, Au; Toissijaisen alaryhmän II ryhmä - ja näet itse.

Kemiallisten alkuaineiden - metallien - muodostamilla yksinkertaisilla aineilla ja monimutkaisilla metallia sisältävillä aineilla on tärkeä rooli maapallon mineraali- ja orgaanisessa "elämässä". Riittää, kun muistutetaan, että metallialkuaineiden atomit (ei mitään) ovat olennainen osa yhdisteitä, jotka määräävät aineenvaihdunnan ihmisten, eläinten ja kasvien kehossa.

Esimerkiksi natriumionit säätelevät kehon vesipitoisuutta, hermoimpulssien välitystä. Sen puute johtaa päänsärkyyn, heikkouteen, huonoon muistiin, ruokahaluttomuuteen ja sen ylimäärä kohonneeseen verenpaineeseen, kohonneeseen verenpaineeseen ja sydänsairauksiin. Ravitsemusasiantuntijat suosittelevat nauttimaan enintään 5 g (1 tl) ruokasuolaa (NaCl) aikuista kohden päivässä. Metallien vaikutus eläinten ja kasvien tilaan löytyy taulukosta 16.

Yksinkertaiset aineet - metallit
Metallien (yksinkertaisten aineiden) ja metalliseosten tuotannon kehittymiseen liittyi sivilisaation ilmaantuminen ("pronssikausi", rautakausi).

Kuva 38 esittää kaavion natriummetallin kidehilasta. Siinä jokaista natriumatomia ympäröi kahdeksan naapuriatomia. Natriumatomeilla, kuten kaikilla metalleilla, on monia vapaita valenssikiertoradoja ja vähän valenssielektroneja.

Natriumatomin Zs 1 ainoa valenssielektroni voi miehittää minkä tahansa yhdeksästä vapaasta orbitaalista, koska ne eivät eroa paljon energiatasoltaan. Kun atomit lähestyvät toisiaan, kidehilan muodostuessa viereisten atomien valenssiradat menevät päällekkäin, minkä vuoksi elektronit liikkuvat vapaasti kiertoradalta toiselle muodostaen yhteyden metallikiteen kaikkien atomien välille.

Tämän tyyppistä kemiallista sidosta kutsutaan metallisidokseksi. Metallisen sidoksen muodostavat elementit, joiden atomeilla ulkokerroksessa on vähän valenssielektroneja verrattuna suureen määrään energeettisesti lähellä olevia ulkoratoja. Niiden valenssielektroni pysyy heikosti atomissa. Yhteyden suorittavat elektronit sosiaalistuvat ja liikkuvat neutraalin metallin kidehilassa kokonaisuudessaan.

Aineille, joilla on metallisidos, on tunnusomaista metalliset kidehilat, jotka on yleensä kuvattu kaavamaisesti tikkuna, kuten kuvassa näkyy, solmut ovat kationeja ja metalliatomeja. Jaetut elektronit vetävät sähköstaattisesti puoleensa metallikationeja, jotka sijaitsevat niiden kidehilan solmukohdissa ja varmistavat sen vakauden ja lujuuden (jaetut elektronit on kuvattu pieninä mustina palloina).
Metallisidos on metallien ja metalliseosten sidos kidehilan solmukohdissa olevien metalliatomi-ionien välillä, jonka toteuttavat sosiaalistuneet valenssielektroni.

Jotkut metallit kiteytyvät kahdessa tai useammassa kiteisessä muodossa. Tätä aineiden ominaisuutta - esiintyä useissa kiteisissä muunnelmissa - kutsutaan polymorfismiksi. Yksinkertaisten aineiden polymorfismi tunnetaan sinulle allotropiaksi.

Tinassa on kaksi kiteistä muunnelmaa:
. alfa - stabiili alle 13,2 ºС tiheydellä р - 5,74 g/cm3. Tämä on harmaata tinaa. Siinä on timantin kaltainen kidehila (atomi):
. betta - vakaa yli 13,2 ºС tiheydellä p - 6,55 g/cm3. Tämä on valkoista tinaa.

Valkoinen tina on erittäin pehmeä metalli. Jäähdytettynä alle 13,2 ºС, se murenee harmaaksi jauheeksi, koska siirtymävaiheessa | 1 » n sen ominaistilavuus kasvaa merkittävästi. Tätä ilmiötä kutsutaan tinaruttoksi. Tietenkin tietyn kemiallisen sidoksen tyypin ja metallien kidehilan tyypin pitäisi määrittää ja selittää ne. fyysiset ominaisuudet.

Mitä ne ovat? Näitä ovat metallikiilto, plastisuus, korkea sähkönjohtavuus ja lämmönjohtavuus, sähkövastuksen kasvu lämpötilan noustessa sekä sellaiset käytännössä merkittävät ominaisuudet kuin tiheys, sulamis- ja kiehumispisteet, kovuus ja magneettiset ominaisuudet.
Yritetään selittää syitä, jotka määräävät metallien fysikaaliset perusominaisuudet. Miksi metallit ovat muovia?

Mekaaninen vaikutus kiteeseen, jossa on metallikidehila, aiheuttaa ioniatomien kerrosten siirtymisen suhteessa toisiinsa, koska elektronit liikkuvat kiteen läpi, sidokset eivät katkea, joten metalleille on ominaista suurempi plastisuus.

Samanlainen vaikutus kovalenttisia sidoksia sisältävään kiinteään aineeseen (atomikidehila) johtaa kovalenttisten sidosten katkeamiseen. Sidosten katkeaminen ionihilassa johtaa samalla tavalla varautuneiden ionien keskinäiseen hylkimiseen (kuva 40). Siksi aineet, joissa on atomi- ja ionikidehilat, ovat hauraita.

Muovisimpia metalleja ovat Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Ne vedetään helposti langaksi, soveltuvat takomiseen, puristamiseen, rullaamiseen levyiksi.Kullasta voidaan valmistaa esimerkiksi 0,008 nm:n paksuinen kultakalvo ja 0,5 g:sta tätä metallia voidaan vetää 1 km pitkä lanka.

Jopa elohopea, joka, kuten tiedätte, on huoneenlämmössä nestemäistä, muuttuu muovautuvaksi kuin lyijy matalissa lämpötiloissa kiinteässä tilassa. Vain Bi:llä ja Mn:lla ei ole plastisuutta, ne ovat hauraita.

Miksi metalleille on ominaista kiilto ja ne ovat myös läpinäkymättömiä?
Atomien välisen tilan täyttävät elektronit heijastavat valonsäteitä (eivät läpäise, kuten lasi), ja useimmat metallit hajottavat yhtä paljon spektrin näkyvän osan säteet. Siksi niillä on hopeanvalkoinen tai harmaa väri. Strontium, kulta ja kupari absorboivat lyhyitä aallonpituuksia (lähellä violettia) enemmän ja heijastavat valospektrin pitkiä aallonpituuksia, joten niillä on vastaavasti vaaleankeltainen, keltainen ja kupariväri.

Vaikka käytännössä metalli ei meistä aina näytä kevyeltä kappaleelta. Ensinnäkin sen pinta voi hapettua ja menettää kiiltonsa. Siksi alkuperäinen kupari näyttää vihertävältä kiveltä. Ja toiseksi, edes puhdas metalli ei välttämättä loista. Erittäin ohuilla hopea- ja kultalevyillä on täysin odottamaton ulkonäkö - niillä on sinivihreä väri. Ja hienot metallijauheet näyttävät tummanharmailta, jopa mustilta.

Hopealla, alumiinilla ja palladiumilla on paras heijastavuus. Niitä käytetään peilien valmistukseen, mukaan lukien kohdevalot.
Miksi metalleilla on korkea sähkönjohtavuus ja lämmönjohtavuus?

Kaoottisesti liikkuvat elektronit metallissa, syötetyn sähköjännitteen vaikutuksesta, saavat suunnatun liikkeen, eli ne johtavat sähkövirtaa. Metakirvojen lämpötilan noustessa kidehilan solmukohdissa olevien atomien ja ionien värähtelyamplitudit kasvavat. Tämä vaikeuttaa elektronien liikkumista ja metallin sähkönjohtavuus heikkenee. Alhaisissa lämpötiloissa värähtelevä liike päinvastoin vähenee suuresti ja metallien sähkönjohtavuus kasvaa jyrkästi. Lähellä absoluuttista nollaa metalleissa ei käytännössä ole vastusta, ja suprajohtavuus esiintyy useimmissa metalleissa.

On huomattava, että ei-metallit, joilla on sähkönjohtavuus (esimerkiksi grafiitti), alhaisissa lämpötiloissa, päinvastoin, eivät johda sähkövirtaa vapaiden elektronien puuttumisen vuoksi. Ja vain lämpötilan noustessa ja joidenkin kovalenttisten sidosten tuhoutuessa niiden sähkönjohtavuus alkaa kasvaa.

Hopealla, kuparilla, samoin kuin kullalla, alumiinilla on korkein sähkönjohtavuus, mangaanilla, lyijyllä ja elohopealla alhaisin.

Useimmiten metallien lämmönjohtavuus muuttuu samalla säännöllisyydellä kuin sähkönjohtavuus.

Ne johtuvat vapaiden elektronien suuresta liikkuvuudesta, jotka törmääessään värähtelevien ionien ja atomien kanssa vaihtavat energiaa niiden kanssa. Siksi lämpötila tasaantuu koko metallikappaleessa.

Metallien mekaaninen lujuus, tiheys ja sulamispiste ovat hyvin erilaisia. Lisäksi ioneja atomeja sitovien elektronien lukumäärän kasvaessa ja kiteissä olevien atomien välisen etäisyyden pienentyessä näiden ominaisuuksien indikaattorit kasvavat.

Joten alkalimetallit, joiden atomeilla on yksi valenssielektroni, ovat pehmeitä (leikattu veitsellä), alhaisella tiheydellä (litium on kevyin metalli, jonka p - 0,53 g / cm3) ja sulavat matalissa lämpötiloissa (esimerkiksi sulamispiste cesiumin on 29 "C) Ainoan normaaliolosuhteissa nestemäisen metallin - elohopean - sulamispiste on 38,9 "C.

Kalsium, jolla on kaksi elektronia atomien ulkoenergiatasolla, on paljon kovempaa ja sulaa korkeammassa lämpötilassa (842ºC).

Vielä kaarevampi on skandiumatomien muodostama kidehila, joissa on kolme valenssielektronia.

Mutta vahvimmat kidehilat, korkeat tiheydet ja sulamispisteet havaitaan ryhmien V, VI, VII, VIII toissijaisten alaryhmien metalleissa. Tämän selittää. että sivualaryhmien metalleille, joissa on tallentamattomia valenssielektroneja d-alatasolla, on ominaista erittäin vahvojen kovalenttisten sidosten muodostuminen atomien välille metallisen lisäksi, jonka suorittavat ulkokerroksen elektronit s-orbitaaleista.

Muista, että raskain metalli on osmium (superkovien ja kulutusta kestävien metalliseosten komponentti), tulenkestävä metalli on volframi (käytetään lampun filamenttien valmistukseen), kovin metalli on kromi Cr (naarmuttaa lasia). Ne ovat osa materiaaleja, joista valmistetaan metallinleikkaustyökalut, raskaiden koneiden jarrupalat jne.

Metallit eroavat toisistaan ​​​​magneettikenttien suhteen. Mutta tämä merkki ne on jaettu kolmeen ryhmään:
. ferromagneettinen Voidaan magnetisoida jopa heikkojen magneettikenttien vaikutuksesta (rauta - alfa muoto, koboltti, nikkeli, gadolinium);

Paramagneettisilla on heikko magnetisoitumiskyky (alumiini, kromi, titaani, melkein kaikki lantanidit);

Diamagneettiset eivät vedä magneettia, edes hieman hylkivät sitä (tina, säikeinen, vismutti).

Muista, että metallien elektroniikkarakennetta tarkasteltaessa jaoimme metallit pääalaryhmien metalleihin (k- ja p-elementit) ja toissijaisten alaryhmien metalleihin.

Tekniikassa on tapana luokitella metallit erilaisten fysikaalisten ominaisuuksien mukaan:

a) tiheys - valo (s< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);

b) sulamispiste - sulava ja tulenkestävä.

Metalleille on olemassa luokituksia kemiallisten ominaisuuksien mukaan.
Metalleja, joilla on alhainen kemiallinen aktiivisuus, kutsutaan jaloiksi (hopea, kulta, platina ja sen analogit - osmium, iridium, rutenium, palladium, rodium).
Kemiallisten ominaisuuksien läheisyyden mukaan alkalit (pääalaryhmän I ryhmän metallit), maa-alkalimetallit (kalsium, strontium, barium, radium) sekä harvinaiset maametallit (skandium, yttrium, lantaani ja lantanidit, aktinium ja aktinidit) erotetaan.

Metallien yleiset kemialliset ominaisuudet
Metalliatomit luovuttavat valenssielektroneja suhteellisen helposti ja siirtyvät positiivisesti varautuneiksi non-osiksi, eli ne hapettuvat. Tämä, kuten tiedätte, on sekä atomien että yksinkertaisten metalliaineiden tärkein yhteinen ominaisuus.

Metallit kemiallisissa reaktioissa ovat aina pelkistäviä aineita. Yksinkertaisten aineiden - metallien - atomien pelkistyskyky, jonka muodostavat D. I. Mendelejevin jaksollisen järjestelmän yhden jakson kemialliset alkuaineet tai yksi pääalaryhmä, muuttuu luonnollisesti.

Metallin pelkistävä aktiivisuus vesiliuoksissa tapahtuvissa kemiallisissa reaktioissa heijastaa sen asemaa metallin jännitteiden sähkökemiallisessa sarjassa.

1. Mitä kauempana vasemmalla metalli on tässä rivissä, sitä vahvempi pelkistysaine se on.
2. Jokainen metalli pystyy syrjäyttämään (palauttamaan) liuoksessa olevista suoloista ne metallit, jotka ovat sen jälkeen (oikealla) jännitesarjassa.
3. Metallit, jotka ovat jännitesarjassa vedyn vasemmalla puolella, pystyvät syrjäyttämään sen liuoksessa olevista hapoista.
4. Metallit, jotka ovat vahvimpia pelkistäviä aineita (alkali ja maa-alkali), ovat kaikissa vesiliuoksissa vuorovaikutuksessa ensisijaisesti veden kanssa.

Metallin sähkökemiallisesta sarjasta määritetty pelkistävä aktiivisuus ei aina vastaa sen asemaa jaksollisessa taulukossa. Tämän selittää. Että määritettäessä metallin paikkaa jännitesarjassa ei oteta huomioon vain elektronien irtautumisenergiaa yksittäisistä atomeista, vaan myös kidehilan tuhoutumiseen kuluva energia sekä sen aikana vapautuva energia. ionien hydraatio.

Otettuaan huomioon yleiset säännökset, jotka kuvaavat metallien pelkistäviä ominaisuuksia, siirrymme erityisiin kemiallisiin reaktioihin.

Vuorovaikutus yksinkertaisten ei-metallisten aineiden kanssa
1. Hapen kanssa useimmat metallit muodostavat oksideja - emäksisiä ja amfoteerisia.

Litium ja maa-alkalimetallit reagoivat ilmakehän hapen kanssa muodostaen emäksisiä oksideja.
2. Halogeenien kanssa metallit muodostavat halogeenivetyhappojen suoloja.

3. Vedyn kanssa aktiivisimmat metallit muodostavat hydridejä - ionisia suoloja, yksi yleinen aine, jossa vedyn hapetusaste on -1, esimerkiksi: kalsiumhydridi.

4. Metallit muodostavat suoloja rikin - sulfidien kanssa.

5. Metallit reagoivat typen kanssa hieman vaikeammin, koska kemiallinen sidos typpimolekyylissä Г^r on erittäin vahva ja muodostuu nitridejä. Tavallisissa lämpötiloissa vain litium on vuorovaikutuksessa typen kanssa.
Vuorovaikutus monimutkaisten aineiden kanssa
1. Veden kanssa. Alkali- ja maa-alkalimetallit syrjäyttävät normaaliolosuhteissa vedyn vedestä ja muodostavat liukoisia alkaliemäksiä.

Muutkin metallit, jotka seisovat jännitesarjassa vetyyn asti, voivat tietyissä olosuhteissa syrjäyttää vetyä vedestä. Mutta alumiini on kiivaasti vuorovaikutuksessa veden kanssa vain, jos oksidikalvo poistetaan sen pinnalta.
Magnesium on vuorovaikutuksessa veden kanssa vain kiehuessaan, ja myös vetyä vapautuu. Jos palavaa magnesiumia lisätään veteen, palaminen jatkuu reaktion edetessä: vety palaa. Rauta on vuorovaikutuksessa veden kanssa vain kuumennettaessa.
2. Metallit, jotka ovat jännitteiden sarjassa veteen asti, ovat vuorovaikutuksessa liuoksessa olevien happojen kanssa. Tämä tuottaa suolaa ja vetyä. Mutta lyijy (ja jotkut muut metallit), huolimatta sen sijainnista jännitesarjassa (vedyn vasemmalla puolella), ei melkein liukene laimeaan rikkihappoon, koska tuloksena oleva lyijysulfaatti PbSO on liukenematon ja muodostaa suojakalvon metallin pinnalle .

3. Vähemmän aktiivisten metallien suolat liuoksessa. Tällaisen reaktion seurauksena muodostuu aktiivisemman metallin suola ja vähemmän aktiivinen metalli vapautuu vapaassa muodossa.

4. Orgaanisilla aineilla. Vuorovaikutus orgaanisten happojen kanssa on samanlainen kuin reaktio mineraalihappojen kanssa. Alkoholit voivat toisaalta osoittaa heikkoja happamia ominaisuuksia, kun ne ovat vuorovaikutuksessa alkalimetallien kanssa.
Metallit osallistuvat reaktioihin halogeenialkaanien kanssa, joita käytetään alempien sykloalkaanien saamiseksi ja synteeseihin, joiden aikana molekyylin hiilirunko monimutkaistuu (A. Wurtzin reaktio):

5. Metallit, joiden hydroksidit ovat amfoteerisia, vuorovaikuttavat liuoksessa olevien alkalien kanssa.
6. Metallit voivat muodostaa keskenään kemiallisia yhdisteitä, joita kutsutaan yhteisesti metallienvälisiksi yhdisteiksi. Ne eivät useimmiten näytä atomien hapetustiloja, jotka ovat ominaisia ​​metallien ja ei-metallien yhdisteille.

Metallienvälisillä yhdisteillä ei yleensä ole jatkuvaa koostumusta, niiden kemiallinen sidos on pääosin metallista. Näiden yhdisteiden muodostuminen on tyypillisempää toissijaisten alaryhmien metalleille.

Metallioksidit ja -hydroksidit
Tyypillisten metallien muodostamat oksidit luokitellaan suolaa muodostaviksi, ominaisuuksiltaan emäksisiksi.

Joidenkin metallien oksidit ja hydroksidit ovat amfoteerisia, eli niillä voi olla sekä emäksisiä että happamia ominaisuuksia riippuen aineista, joiden kanssa ne ovat vuorovaikutuksessa.

Esimerkiksi:

Monet toissijaisten alaryhmien metallit, joilla on vaihteleva hapetusaste yhdisteissä, voivat muodostaa useita oksideja ja hydroksideja, joiden luonne riippuu metallin hapetusasteesta.

Esimerkiksi kromilla on yhdisteissä kolme hapetusastetta: +2, +3, +6, joten se muodostaa kolme sarjaa oksideja ja hydroksideja, ja hapetustilan kasvaessa happamuus lisääntyy ja emäksinen luonne heikkenee.

Metallien korroosio
Kun metallit ovat vuorovaikutuksessa ympäristön aineiden kanssa, niiden pinnalle muodostuu yhdisteitä, joilla on täysin erilaiset ominaisuudet kuin metallilla itsellään. Normaalisti käytämme usein sanoja "ruoste", "ruoste" nähdessämme ruskeanpunaisen pinnoitteen raudasta ja sen seoksista valmistetuissa tuotteissa. Ruostuminen on yleinen korroosion muoto.

Korroosio- tämä on metallien ja metalliseosten spontaani tuhoutuminen ulkoisen ympäristön vaikutuksesta (lat. - korroosio).

Kuitenkin lähes kaikki metallit tuhoutuvat, minkä seurauksena monet niiden ominaisuuksista heikkenevät (tai menetetään kokonaan): lujuus, sitkeys, kiilto heikkenee, sähkönjohtavuus heikkenee ja kitka liikkuvien koneenosien välillä kasvaa, osien mitat muuttuvat, jne.

Metallien korroosio voi olla jatkuvaa ja paikallista.

Yleisimmät korroosiotyypit ovat kemiallinen ja sähkökemiallinen.

I. Kemiallista korroosiota tapahtuu sähköä johtamattomassa ympäristössä. Tämän tyyppinen korroosio ilmenee metallien vuorovaikutuksessa kuivien kaasujen tai nesteiden - ei-elektrolyyttien (bensiini, kerosiini jne.) kanssa. Moottoreiden, kaasuturbiinien ja raketinheittimien osat ja komponentit joutuvat tällaiselle tuholle. Kemiallista korroosiota havaitaan usein metallien käsittelyn aikana korkeissa lämpötiloissa.

Suurin osa metalleista hapettuu ilmakehän hapen vaikutuksesta, jolloin pintaan muodostuu oksidikalvoja. Jos tämä kalvo on vahva, tiheä, hyvin kiinnittynyt metalliin, se suojaa metallia myöhemmältä tuhoutumiselta. Raudassa se on löysää, huokoista, erottuu helposti pinnasta eikä siksi pysty suojaamaan metallia myöhemmältä tuhoutumiselta.

II. Sähkökemiallista korroosiota tapahtuu johtavassa väliaineessa (elektrolyytissä), jolloin järjestelmän sisällä näkyy sähkövirta. Yleensä metallit ja seokset ovat heterogeenisiä ja sisältävät erilaisia ​​epäpuhtauksia. Kun ne joutuvat kosketuksiin elektrolyyttien kanssa, jotkin pinnan osat alkavat toimia anodina (luovuttaa elektroneja), kun taas toiset toimivat katodina (vastaavat elektroneja).

Yhdessä tapauksessa havaitaan kaasun kehittymistä (Hg). Toisessa - ruosteen muodostuminen.

Joten sähkökemiallinen korroosio on reaktio, joka tapahtuu väliaineissa, jotka johtavat virtaa (toisin kuin kemiallinen korroosio). Prosessi tapahtuu, kun kaksi metallia joutuvat kosketuksiin metallin pinnalla tai metallin pinnalla, joka sisältää sulkeumia, jotka ovat vähemmän aktiivisia johtimia (se voi olla myös ei-metalli).

Anodilla (aktiivisempi metalli) metalliatomit hapetetaan muodostaen kationeja (liukeneminen).

Katodilla (vähemmän aktiivinen johdin) vetyionit tai happimolekyylit pelkistyvät muodostaen vastaavasti H2- tai OH-hydroksidi-ioneja.

Vetykationit ja liuennut happi ovat tärkeimmät sähkökemiallista korroosiota aiheuttavat hapettavat aineet.

Korroosionopeus on sitä suurempi, mitä enemmän metallit (metalli ja epäpuhtaudet) eroavat toisistaan ​​aktiivisuudeltaan (metallien osalta, mitä kauempana toisistaan ​​ne sijaitsevat jännitesarjassa). Korroosio lisääntyy merkittävästi lämpötilan noustessa.

Elektrolyytti voi olla merivettä, jokivettä, kondensoitunutta kosteutta ja tietysti hyvin tunnettuja elektrolyyttejä - suolojen, happojen, alkalien liuoksia.

Ilmeisesti muistat, että talvella jalkakäytäviltä lumen ja jään poistamiseen käytetään teknistä suolaa (natriumkloridia, joskus kalsiumkloridia tms.) Tuloksena olevat liuokset valuvat viemäriputkiin luoden näin suotuisan ympäristön maanalaisten laitosten sähkökemialliseen korroosioon.

Korroosiosuojausmenetelmät
Jo metallirakenteiden suunnittelussa niiden valmistuksessa säädetään toimenpiteistä korroosiolta suojaamiseksi.

1. Hio tuotteen pinnat niin, ettei niihin pääse kosteutta.

2. Erikoislisäaineita sisältävien seostettujen metalliseosten käyttö: kromi, nikkeli, jotka muodostavat korkeissa lämpötiloissa vakaan oksidikerroksen metallipinnalle. Seosteräkset ovat tunnettuja - ruostumattomia teräksiä, joista valmistetaan taloustavaroita (vaipalliset haarukat, lusikat), koneenosat ja työkalut.

3. Suojapinnoitteiden levitys. Harkitse niiden tyyppejä.

Ei-metalliset - hapettamattomat öljyt, erikoislakat, maalit. Totta, ne ovat lyhytikäisiä, mutta ne ovat halpoja.

Kemialliset - keinotekoisesti luodut pintakalvot: oksidi, sitruuna, silisidi, polymeeri jne. Esimerkiksi kaikki pienaseet Monien tarkkuusinstrumenttien yksityiskohdat kiillotetaan - tämä on prosessi, jolla saadaan ohuin rautaoksidikalvo teräksen pinnalle tuote. Syntynyt keinotekoinen oksidikalvo on erittäin kestävä ja antaa tuotteelle kauniin mustan värin ja sinisen sävyn. Polymeeripinnoitteet valmistetaan polyeteenistä, polyvinyylikloridista ja polyamidihartseista. Niitä levitetään kahdella tavalla: kuumennettu tuote asetetaan polymeerijauheeseen, joka sulaa ja hitsautuu metalliin, tai metallipinta käsitellään polymeeriliuoksella matalalämpötilaisessa liuottimessa, joka haihtuu nopeasti, ja polymeerikalvo. jää tuotteeseen.

Metalliset pinnoitteet ovat muiden metallien kanssa tehtyjä pinnoitteita, joiden pinnalle muodostuu stabiileja suojakalvoja hapettavien aineiden vaikutuksesta.

Kromin levitys pintaan - kromaus, nikkeli - nikkelipinnoitus, sinkki - sinkkipinnoitus, tinaus - tinaus jne. Pinnoite voi toimia myös kemiallisesti passiivisena metallina - kulta, hopea, kupari.

4. Sähkökemialliset suojausmenetelmät.

Suojaava (anodinen) - suojattuun metallirakenteeseen on kiinnitetty pala aktiivisempaa metallia (suoja), joka toimii anodina ja tuhoutuu elektrolyytin läsnä ollessa. Magnesiumia, alumiinia, sinkkiä käytetään suojana suojattaessa laivojen runkoja, putkia, kaapeleita ja muita tyylikkäitä tuotteita;

Katodi - metallirakenne on kytketty ulkoisen virtalähteen katodiin, mikä eliminoi sen anodin tuhoutumisen mahdollisuuden

5. Elektrolyytin tai ympäristön, jossa suojattu metallirakenne sijaitsee, erikoiskäsittely.

Tiedetään, että Damaskoksen käsityöläiset kalkinpoistoon ja
ruosteessa käytettiin rikkihappoliuoksia, joihin on lisätty panimohiivaa, jauhoja, tärkkelystä. Nämä toivat ja olivat ensimmäisten estäjien joukossa. He eivät antaneet hapon vaikuttaa asemetalliin, minkä seurauksena vain hilsettä ja ruostetta liukenivat. Ural-asesepät käyttivät tähän tarkoitukseen peittauskeittoja - rikkihappoliuoksia, joihin oli lisätty jauholeseitä.

Esimerkkejä nykyaikaisten inhibiittoreiden käytöstä: kuljetuksen ja varastoinnin aikana kloorivetyhappo "kesyttää" täydellisesti butyyliamiinijohdannaisilla. ja rikkihappo - typpihappo; haihtuvaa dietyyliamiinia ruiskutetaan erilaisiin astioihin. Huomaa, että inhibiittorit vaikuttavat vain metalliin, mikä tekee siitä passiivisen väliaineen, esimerkiksi happoliuoksen, suhteen. Tieteen tiedossa on yli 5 tuhatta korroosionestoainetta.

Veteen liuenneen hapen poisto (ilmanpoisto). Tätä prosessia käytetään kattilalaitoksiin tulevan veden valmistukseen.

Menetelmät metallien saamiseksi
Metallien merkittävä kemiallinen aktiivisuus (vuorovaikutus ilmakehän hapen, muiden epämetallien, veden, suolaliuosten, happojen kanssa) johtaa siihen, että niitä esiintyy maankuoressa pääasiassa yhdisteiden muodossa: oksideja, sulfideja, sulfaatteja, klorideja, karbonaatit jne.
Vapaassa muodossa vedyn oikealla puolella olevassa jännitesarjassa on metalleja, vaikka paljon useammin kuparia ja elohopeaa löytyy luonnosta yhdisteiden muodossa.

Metalleja ja niiden yhdisteitä sisältäviä mineraaleja ja kiviä, joista puhtaiden metallien erottaminen on teknisesti mahdollista ja taloudellisesti mahdollista, kutsutaan malmeiksi.

Metallien saaminen malmeista on metallurgian tehtävä.
Metallurgia on myös tiedettä teollisista menetelmistä metallien saamiseksi malmeista. ja teollisuussektorilla.
Mikä tahansa metallurginen prosessi on metalli-ionien pelkistysprosessi erilaisten pelkistysaineiden avulla.

Tämän prosessin toteuttamiseksi on otettava huomioon metallin aktiivisuus, valittava pelkistävä aine, otettava huomioon tekninen toteutettavuus, taloudelliset ja ympäristötekijät. Tämän mukaisesti metallien saamiseksi on olemassa seuraavat menetelmät: pyrometallurginen. hydrometallurginen, sähkömetallurginen.

Pyrometallurgia- metallien talteenotto malmeista korkeissa lämpötiloissa käyttämällä hiiltä, ​​hiilimonoksidia (II). vety, metallit - alumiini, magnesium.

Esimerkiksi tina pelkistetään kasiteriitista ja kupari kupriitista kalsinoimalla hiilellä (koksi). Sulfidimalmit paahdetaan alustavasti ilmalla, minkä jälkeen muodostuva oksidi pelkistetään hiilellä. Metalleja eristetään myös karbonaattimalmeista pumppaamalla hiilen kanssa, koska karbonaatit hajoavat kuumennettaessa oksideiksi, jotka pelkistyvät hiilen vaikutuksesta.
Hydrometallurgia on metallien pelkistymistä niihin niiden suolojen vaikutuksesta liuoksessa. Prosessi tapahtuu kahdessa vaiheessa: 1) luonnollinen yhdiste liuotetaan sopivaan reagenssiin tämän metallin suolan liuoksen saamiseksi; 2) tuloksena olevasta liuoksesta tämä metalli syrjäytetään aktiivisemmalla tai palautetaan elektrolyysillä. Esimerkiksi kuparin saamiseksi malmeista, jotka sisältävät kuparioksidia, CuO, sitä käsitellään laimealla rikkihapolla.

Kupari uutetaan suolaliuoksesta joko elektrolyysillä tai syrjäytetään sulfaatista raudalla. Tällä tavalla saadaan hopeaa, sinkkiä, molybdeeniä, kultaa, uraania.

Elektrometallurgia— metallien talteenotto niiden yhdisteiden liuosten tai sulatteiden elektrolyysiprosessissa.

Elektrolyysi
Jos elektrodit lasketaan elektrolyyttiliuokseen tai sulaan ja läpi johdetaan vakio sähkövirta, ionit liikkuvat suuntaan: kationit - katodille (negatiivisesti varautunut elektrodi), anionit - anodille (positiivisesti varautunut elektrodi) .

Katodilla kationit hyväksyvät elektroneja ja pelkistyvät anodilla, anionit luovuttavat elektroneja ja hapettuvat. Tätä prosessia kutsutaan elektrolyysiksi.
Elektrolyysi on redox-prosessi, joka tapahtuu elektrodeissa, kun sähkövirta kulkee elektrolyyttiliuoksen tai -liuoksen läpi.

Yksinkertaisin esimerkki tällaisista prosesseista on sulien suolojen elektrolyysi. Harkitse natriumkloridisulan elektrolyysiprosessia. Lämpödissosiaatioprosessi tapahtuu sulassa. Sähkövirran vaikutuksesta kationit liikkuvat kohti katodia ja vastaanottavat siitä elektroneja.
Katodilla muodostuu natriummetallia ja anodilla kloorikaasua.

Tärkeintä on muistaa, että elektrolyysiprosessissa tapahtuu sähköenergian vuoksi kemiallinen reaktio, joka ei voi jatkua spontaanisti.

Tilanne on monimutkaisempi elektrolyyttiliuosten elektrolyysin tapauksessa.

Suolaliuoksessa on metalli-ionien ja happaman jäännöksen lisäksi vesimolekyylejä. Siksi, kun harkitaan elektrodien prosesseja, on tarpeen ottaa huomioon niiden osallistuminen elektrolyysiin.

Seuraavat säännöt ovat olemassa elektrolyyttien vesiliuosten elektrolyysituotteiden määrittämiseksi.

1. Katodin prosessi ei riipu katodin materiaalista, jolle se on valmistettu, vaan metallin (elektrolyyttikationin) sijainnista sähkökemiallisessa jännitesarjassa, ja jos:
1.1. Elektrolyyttikationi sijaitsee jännitesarjassa sarjan alussa (Al inclusiven kanssa), sitten katodilla tapahtuu veden pelkistysprosessi (vetyä vapautuu). Metallikationit eivät pelkisty, ne jäävät liuokseen.
1.2. Elektrolyyttikationi on sarjassa alumiinin ja vedyn välistä jännitettä, jolloin katodilla pelkistetään sekä metallien nooneja että vesimolekyylit.

1.3. Elektrolyyttikationi on sarjassa jännitettä vedyn jälkeen, sitten metallikationit pelkistyvät katodissa.
1.4 Liuos sisältää eri metallien kationeja, jonka jälkeen ladattu metallikationi palautetaan, seisoen sarjassa jännitteitä
Nämä säännöt näkyvät kuvassa 10.

2. Anodin prosessi riippuu anodin materiaalista ja anodin luonteesta (kaavio 11).
2.1. Jos anodi on liuennut (rauta, sinkki, kupari, hopea ja kaikki metallit, jotka hapettavat elektrolyysin aikana), anodimetalli hapettuu riippumatta anionin luonteesta. 2. Jos anodi ei liukene (se kutsutaan inertiksi - grafiitti, kulta, platina), niin:
a) hapettomien happojen suolojen (promefluoridien) liuosten elektrolyysin aikana anioni hapetetaan anodilla;
b) happea sisältävän hapon ja fluoridien suolojen liuosten elektrolyysin aikana anodilla tapahtuu veden hapetusprosessi. Anionit eivät hapetu, ne pysyvät liuoksessa;

Aineiden sulatteiden ja liuosten elektrolyysiä käytetään laajalti teollisuudessa:
1. Metallien saamiseksi (alumiinia, magnesiumia, natriumia, kadmiumia saadaan vain elektrolyysillä).
2. Vedyn, halogeenien, alkalien saamiseksi.
3. Metallien puhdistamiseen - jalostus (kuparin, nikkelin, lyijyn puhdistus suoritetaan sähkökemiallisella menetelmällä).
4. Metallien suojaaminen korroosiolta - suojapinnoitteiden levittäminen ohuen kerroksen muodossa toista korroosiota kestävää metallia (kromi, nikkeli, kupari, hopea, kulta) - galvanointi.

5. Metallikopioiden, levyjen hankkiminen - galvanointi.
1. Miten metallien rakenne liittyy niiden sijaintiin D. I. Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän pää- ja toissijaisissa alaryhmissä?
2. Miksi alkali- ja maa-alkalimetallilla on yksi hapetusaste yhdisteissä: (+1) ja (+2), vastaavasti, kun taas toissijaisten alaryhmien metalleilla on yleensä erilaiset hapetusasteet yhdisteissä? 8. Mitä hapetustiloja mangaanilla voi olla? Mitkä oksidit ja hydroksidit vastaavat mangaania näissä hapetustiloissa? Mikä on heidän luonteensa?
4. Vertaa ryhmän VII alkuaineiden atomien elektronirakennetta: mangaani ja kloori. Selitä niiden kemiallisten ominaisuuksien ero ja atomien eri hapettumisasteet molemmissa alkuaineissa.
5. Miksi metallien sijainti sähkökemiallisessa jännitesarjassa ei aina vastaa niiden asemaa D. I. Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä?
9. Tee yhtälöt natriumin ja magnesiumin reaktioista etikkahapon kanssa. Missä tapauksessa ja miksi reaktionopeus on nopeampi?
11. Mitä menetelmiä metallien saamiseksi tiedät? Mikä on kaikkien menetelmien ydin?
14. Mitä korroosio on? Millaisia ​​korroosiotyyppejä tiedät? Kumpi on fysikaalinen ja kemiallinen prosessi?
15. Voidaanko seuraavia prosesseja pitää korroosiona: a) raudan hapettuminen sähköhitsauksen aikana, b) sinkin vuorovaikutus suolahapon kanssa syövytetyn hapon saamiseksi juotettaviksi? Anna perusteltu vastaus.
17. Mangaanituote on vedessä eikä joudu kosketuksiin kuparituotteen kanssa. Pysyvätkö molemmat ennallaan?
18. Suojautuuko rautarakenne sähkökemialliselta korroosiolta vedessä, jos siihen vahvistetaan toista metallia oleva levy: a) magnesium, b) lyijy, c) nikkeli?

19. Mihin tarkoitukseen öljytuotteiden (bensiini, kerosiini) varastointisäiliöiden pinta on maalattu hopealla - alumiinijauheen ja jonkin kasviöljyn seoksella?

Sivu 2

Raudalla, kuparilla ja alumiinilla on ominainen metallinen kiilto.

Tutkittaessa kiinteitä aineita, joilla ei ole ominaista metallista kiiltoa, huomaamme, että niiden sähkönjohtavuus on erittäin alhainen. Näitä ovat aineet, joita kutsumme ionisiksi - natriumkloridiksi, kalsiumkloridiksi, hopeanitraatiksi ja hopeakloridiksi, sekä molekyylikiteitä, kuten jäätä. Kuvassa näkyvä jää. 5 - 3, koostuu samoista molekyyleistä, jotka ovat kaasufaasissa, mutta järjestettyinä kidehilaan. Nämä huonot sähkövirran johtimet ovat hyvin erilaisia ​​kuin metallit lähes kaikissa ominaisuuksissa. Sähkönjohtavuutta voidaan siis käyttää aineiden luokittelussa, mikä on yksi järkevimmistä.

Metalleja kutsutaan yksinkertaisiksi kiteisiksi aineiksi, joilla on tyypillinen metallikiilto, jotka johtavat hyvin lämpöä ja sähkövirtaa, pystyvät muuttamaan muotoaan ulkoisten voimien vaikutuksesta ja säilyttämään sen kuorman poistamisen jälkeen ilman tuhoutumismerkkejä. Tällä hetkellä tunnetuista kemiallisista alkuaineista kahdeksankymmentä alkuainetta on metalleja. Yleisimmät metallit maankuoressa kemiallisten yhdisteiden muodossa ovat alumiini, rauta, magnesium, kalium, natrium ja kalsium. Puhtaiden metallien käyttö tekniikassa on rajallista, koska ne ovat luonnossa erittäin harvinaisia ​​ja niiden tuotanto kemiallisista yhdisteistä (malmeista) liittyy suuriin vaikeuksiin.

Vetykorroosion seurauksena teräspinta menettää tyypillisen metallisen kiillon ja himmenee.

Polymeerit ovat hienojakoisia värillisiä jauheita, joilla on tyypillinen metallikiilto ja jotka liukenevat vain väkevään rikkihappoon.

Kaikki d - elementit ovat metalleja, joilla on tyypillinen metallikiilto. S-metalleihin verrattuna niiden lujuus on paljon suurempi.

Liukenematon jodi muodostaa selvästi näkyvän kalvon, jolla on tyypillinen metallikiilto (kelluu liuoksen pinnalla) tai kerääntyy pullon pohjalle mustina hiukkasina. Koska jodiliuos on väriltään voimakkaan punaista ja lähes läpinäkymätöntä, se on tutkittava erittäin huolellisesti pitäen pulloa kattoon roikkuvaa kirkasta sähkölamppua vasten. Tätä varten sinun on seisottava lampun alla pitäen pulloa kurkusta kaltevassa asennossa lampun ja kasvojen välissä ja yritettävä nähdä siinä kirkas kuva lampusta. Tällaista taustaa vasten liukenemattomat jodikiteet ovat selvästi näkyvissä. Silloin molempien aineiden kiteet kerääntyvät yhteen paikkaan ja jodikiteiden ympärille muodostuu väkevän KJ-liuoksen vyöhyke, johon jodi liukenee nopeasti.

Kaikki alkalimetallit ovat väriltään hopeanvalkoisia aineita, joilla on tyypillinen metallikiilto, hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus, alhaiset sulamispisteet ja suhteellisen alhaiset kiehumispisteet, pieni tiheys ja suuri atomitilavuus. Höyrytilassa niiden molekyylit ovat yksiatomisia; ionit ovat värittömiä.

Tekijä: ulkomuoto tumman purppuraisia, lähes mustia kiteitä, joilla on tyypillinen metallinen kiilto. Se liukenee hyvin veteen. Kaliumpermanganaatti on yksi vahvimmista hapettimista, mikä johtuu sen desinfiointiominaisuuksista.

Taiteellisen metallinkäsittelyn tuotteiden valmistuksessa käytetään sekä jalo- että ei-jalometalleja ja niiden seoksia. Arvokkaita ovat kulta, hopea, platina ja platinaryhmän metallit: palladium, rutenium, iridium, osmium ja ei-jalometallit - rautametallit - teräs, valurauta - ja ei-rautametallit - kupari, messinki, pronssi, alumiini, magnesium, kupronikkeli , nikkelihopea, nikkeli, sinkki, lyijy, tina, titaani, tantaali, niobium. Kadmiumia, elohopeaa, antimonia, vismuttia, arseenia, kobolttia, kromia, volframia, molybdeeniä, mangaania, vanadiinia käytetään myös pieninä lisäaineina metalliseosten ominaisuuksien muuttamiseksi tai pinnoitteina.

Alumiini. Tämä pehmeä, hopeanvalkoinen metalli on helppo rullata, vetää ja leikata. Piitä, kuparia, magnesiumia, sinkkiä, nikkeliä, mangaania, kromia lisätään alumiiniseoksiin lujuuden lisäämiseksi. Alumiinilejeeringeistä valmistetaan arkkitehtonisia yksityiskohtia ja veistoksia sekä koruja.

Pronssi. Se on kuparin seos sinkin, tinan ja lyijyn kanssa. Tinattomia pronssia valmistetaan myös. Ihmiskunnan historiassa kokonaista aikakautta kutsutaan pronssikaudeksi, jolloin ihmiset, opittuaan sulattamaan pronssia, tekivät siitä taloustavaroita, aseita, seteleitä (kolikoita) ja koruja. Tällä hetkellä muistomerkit, monumentaaliset veistokset sekä teattereiden, museoiden, palatsien ja metroaseman maanalaisten aulojen sisustus on valmistettu pronssista.

Kulta. Muinaisista ajoista nykypäivään kulta on ollut yleisin metalli korujen, astioiden ja sisustuksen valmistuksessa. Sitä käytetään laajalti rauta- ja ei-rautametallien kultaamiseen sekä juotteiden valmistukseen. Kulta puhtaimmassa muodossaan on kaunista keltaista metallia. Kultaseokset voivat olla valkoisia, punaisia, vihreitä ja myös maalattuja mustaksi. Kulta on erittäin viskoosi, sitkeä ja muokattava metalli. Kultaseokset ovat hyvin leikattuja, hiottuja ja kiillotettuja. Kulta ei hapetu. Se liukenee vain seleenihappoon ja aqua regiaan - väkevien happojen seokseen: yksi osa typpihappoa ja kolme osaa suolahappoa.

Iridium. Tämä metalli näyttää tinalta, mutta eroaa siitä korkean kovuuden ja haurauden suhteen. Iridium kiillottaa hyvin, mutta on vaikea työstää. Emäkset, hapot tai niiden seokset eivät vaikuta siihen. Iridiumia käytetään koruissa.

Messinki. Tämä on kuparin ja sinkin seos, jota käytetään astioiden valmistukseen ja sisustukseen (chasing) sekä erilaisiin koruihin, usein hopeoituja tai kullattuja. Messinki prosessoidaan onnistuneesti leikkaamalla, juotetaan helposti, rullataan, meistetään, lyödään, niklataan, hopeataan, kullataan, hapetetaan", puhtaaseen kupariin verrattuna ne ovat vahvempia ja kovempia, paljon halvempia ja väriltään tyylikkäämpiä. alhainen sinkkipitoisuus (3 - 20 %), jota kutsutaan tombaksiksi, on väriltään punertavan keltainen.

Magnesium. Tämä metalli on neljä kertaa kevyempi kuin pronssi. Seoksia, jotka koostuvat magnesiumista, alumiinista, mangaanista, sinkistä sekä kuparista ja kadmiumista, on viime aikoina käytetty teollisuustilojen sisustustarvikkeiden valmistukseen.

Kupari. Se on pehmeä, poikkeuksellisen sitkeä ja viskoosi metalli, joka soveltuu helposti painekäsittelyyn: vetämiseen, valssaukseen, leimaamiseen, kohokuviointiin. Kupari on hyvin hiottu ja kiillotettu, mutta menettää nopeasti kiiltonsa; sitä on vaikea teroittaa, porata, jyrsiä. Puhdasta tai punaista kuparia käytetään filigraanikorujen ja sisustusesineiden valmistukseen - kolikoiden. Kuparia käytetään juotteiden (kupari, hopea, kulta) valmistukseen sekä lisäaineena erilaisissa seoksissa.

Nikkeli. Valkoinen, erittäin kiiltävä metalli, kemiallisesti kestävä, tulenkestävä, kestävä ja sitkeä; ei esiinny puhtaassa muodossaan maankuoressa. Nikkeliä käytetään pääasiassa kattaustarvikkeiden ja korujen koriste- ja suojapinnoitteisiin sekä nikkelipohjaisiin metalliseoksiin (kupronikkeli ja nikkelihopea), joilla on riittävä korroosionkestävyys, lujuus, sitkeys ja kyky helposti rullata, lyödä, meistaa ja kiillotettu Niistä valmistetaan kattaus- ja sisustusesineitä sekä koruja.

Niobium. Hyvin samanlainen kuin tantaali. Kestää happoja: Aqua regia-, suola-, rikki-, typpi-, fosfori-, perkloorihappo ei vaikuta siihen. Niobium liukenee vain fluorivetyhappoon ja sen seokseen typpihapon kanssa. Viime aikoina sitä on käytetty ulkomailla korujen valmistukseen.

Tina. Muinaisina aikoina tinasta lyötiin kolikoita ja tehtiin astioita. Tämä pehmeä ja sitkeä metalli on väriltään tummempi kuin hopea ja ylittää lyijyn kovuuden. Koruissa sitä käytetään juotteiden valmistuksessa ja ei-rautametalliseosten komponenttina sekä viime aikoina lisäksi korujen ja sisustustavaroiden valmistukseen.

Osmium. Se on kiiltävä, siniharmaa metalli, erittäin kova ja raskas. Osmium ei liukene happoihin ja niiden seoksiin. Sitä käytetään seoksissa, joissa on platinaa.

Palladium. Tämä viskoosi sitkeä metalli voidaan helposti takoa ja valssata. Palladiumin väri on tummempi kuin hopea, mutta vaaleampi kuin platina. Se liukenee typpihappoon ja aqua regiaan. Palladiumia käytetään korujen valmistukseen, ja sitä käytetään myös lisäaineena kullan, hopean ja platinan seoksissa.

Platina. Platinaa käytetään korujen valmistukseen ja koristepinnoitteena. Plastisuus, lujuus, kulutuskestävyys, värien leikki – nämä ovat platinan ominaisuuksia, jotka houkuttelevat jalokivikauppiaita niin paljon. Platina on kiiltävä, valkoinen metalli, erittäin muokattava, liukenee erittäin vaikeasti jopa kiehuvaan aqua regiaan - seokseksi, jossa on kolme osaa typpihappoa ja viisi osaa suolahappoa. Luonnossa platinaa esiintyy palladiumin, ruteenin, rodiumin, iridiumin ja osmiumin seoksena.

Rodium. Riittävän kova, mutta hauras metalli, väriltään alumiinia muistuttava. Rodium ei liukene happoihin ja niiden seoksiin. Rodiumia käytetään korujen koristemaalaukseen.

ruteeni. Metalli, joka ulkoisesti melkein ei eroa platinasta, mutta on hauraampaa ja kovempaa. Sitä käytetään seoksessa, jossa on platinaa.

Johtaa. Erittäin pehmeä ja sitkeä metalli, helposti valssattu, meistetty, puristettu, hyvin valettu. Lyijy on tunnettu muinaisista ajoista lähtien ja sitä käytettiin laajalti veistosten ja arkkitehtuurin koristeellisten yksityiskohtien valmistukseen. Koruissa lyijyä käytetään juotteiden valmistukseen ja seosten komponenttina.

Hopea. Tätä metallia käytetään erittäin laajalti astioiden ja sisustustuotteiden, erilaisten korujen valmistukseen, ja sitä käytetään myös juotteiden valmistukseen, koristepinnoitteena ja ligatuurina kullassa, platinassa ja palladiumseoksissa. Hopealla on korkea sitkeys ja sitkeys, se on hyvin leikattu, kiillotettu, valssattu. Se on kovempaa kuin kulta, mutta pehmeämpi kuin kupari, se liukenee vain typpi- ja kuumaan rikkihappoon.

Teräs. Teräs saadaan sulattamalla harkkorautaa uudelleen. Taidetuotteiden valmistuksessa käytetään ruostumatonta terästä ja sinistettyä terästä - väriltään tummaa (erityisesti käsitelty). Ruostumattomasta teräksestä valmistetaan astioita ja sisustusesineitä ja viime aikoina myös koruja, sinistystä teräksestä koruja. Jotta ruostumattomasta teräksestä valmistetut tuotteet näyttäisivät tyylikkäämmiltä, ​​ne on kullattu tai hopeoitu.

Tantaali. Harmaa metalli, jossa on hieman lyijynsävyinen, tulenkestävyydeltään toinen volframin jälkeen. Sille on ominaista plastisuus, lujuus, hyvä hitsattavuus, korroosionkestävyys. Länsimaiden koruyritykset käyttävät tantaalia tietyntyyppisten korujen valmistukseen.

Titaani. Tämä on kiiltävä, hopeanvärinen metalli, joka soveltuu helposti erilaisiin työstöihin: sitä voidaan porata, teroittaa, jyrsiä, hioa, juottaa, liimata. Korroosionkestävyyden suhteen titaani on verrattavissa jalometalleihin. Sillä on suuri lujuus, pieni tiheys ja se on melko kevyt. Viime aikoina ulkomailla on valmistettu laaja valikoima erilaisia ​​koruja titaanista.

Sinkki. Se on harmahtavan valkoista metallia, jossa on sinertävä sävy. Ensimmäiset sinkistä valmistetut taidetuotteet - koristeveistokset, bareljeefit - ilmestyivät 1700-luvulla. 1800-luvun lopulla sinkistä valmistettiin taiteellisen valun avulla kynttilänjalkoja, pöytävalaisimia, kyntteliköitä ja koristeveistoksia, jotka usein sävytettiin pronssisiksi tai kullatuiksi. Koruissa sinkkiä käytetään juotteiden valmistukseen ja myös yhtenä komponenttina eri metalliseoksissa.

Valurauta. Valurautatyyppejä on seuraavat: valimo (harmaa), muunnos (valkoinen) ja erikois. Taiteellisten tuotteiden valmistukseen käytetään vain valimoa tai harmaata valurautaa. Harmaa valurauta on taiteellisen valun päämateriaali. Siitä valetaan maljakoita ja pieniä veistoksia, arkkuja ja arkkuja, tuhkakuppeja ja kynttilänjalkoja, maisemapuutarhatuotteita ja monia muita tuotteita.

Edelman V. Metallit // Kvant. - 1992. - Nro 2. - S. 2-9.

Erikoissopimuksella Kvant-lehden toimituskunnan ja toimittajien kanssa

Mitä ovat metallit?

"Metalli on kevyt kappale, jota voidaan takoa", Lomonosov kirjoitti vuonna 1763. Vilkaise kemian oppikirjaasi ja huomaa, että metalleille on ominaista metallinen kiilto ("kirkas runko"), ne johtavat hyvin lämpöä ja sähkövirtaa. Totta, siellä luet, että on elementtejä, joilla on sekä metallien että ei-metallien ominaisuuksia. Toisin sanoen, ei ole selkeää rajaa, joka erottaa toisistaan. Kemisti, joka on ensisijaisesti kiinnostunut kemiallisista reaktioista ja jolle jokainen alkuaine on oma erityinen maailmansa, ei ole kovinkaan hämmentynyt tällaisesta epäselvyydestä. Mutta fysiikka ei ole tyytyväinen. Jos fysiikka jakaa kappaleet metalleihin ja ei-metalleihin, sinun on ymmärrettävä, mikä niiden perustavanlaatuinen ero on. Siksi on tarpeen määritellä, mikä metalli on siten, että, kuten muissa tapauksissa täsmällisten tieteiden alalla, kaksi vaatimusta täyttyvät:

1. kaikilla metalleilla on poikkeuksetta oltava kaikki niille osoitetut ominaisuudet;
2. muissa objekteissa ei pitäisi olla vähintään yhtä näistä ominaisuuksista.

Näillä huomioilla katsotaan, onko kaikilla metalleilla poikkeuksetta kaikki ne ominaisuudet, jotka niille oppikirja antaa. Aloitetaan "sinä osaat takoa", eli plastisuudesta, nykyaikaisesti. Ja sitten konsonanssilla muistutamme muovit: loppujen lopuksi ei ole turhaa, että niitä kutsutaan niin, monille niistä on ominaista plastisuus - kyky muuttaa muotoaan peruuttamattomasti ilman tuhoa. Tietysti kupari, rauta, alumiini on helppo takoa, lyijyllä vielä helpompaa, indium on melko harvinainen ja kallis metalli - se voidaan murskata melkein kuin vaha (ja vaha ei ole metalli!), alkalimetallit ovat vielä pehmeämpiä. Ja yritä lyödä tavallista valurautaa - ja se hajoaa palasiksi! No, sitten metallurgit sanovat: tämä johtuu siitä, että valurauta ei ole yksinkertainen aine. Se koostuu rautakiteistä, jotka on erotettu toisistaan ​​hiilen, eli grafiitin, välikerroksilla. Juuri näissä kerroksissa valurauta rikkoutuu. No ei se mitään. Vain tässä on ongelma - hauras grafiitti, kuten käy ilmi, moderni fysiikka viittaa metalleihin! Kyllä, ja enemmän kuin yksi grafiitti: esimerkiksi arseeni, antimoni ja vismutti on lueteltu metallien joukossa, mutta niitä voidaan takoa samalla menestyksellä kuin lasia - ne hajoavat pieniksi paloiksi!

Tee tämä yksinkertainen kokeilu: riko palaneen lampun ilmapallo, poista volframikela siitä ja yritä pyörittää sitä. Siitä ei tule mitään, se murenee pölyksi! Mutta jotenkin he onnistuivat vääntämään sen tehtaalla? Tämä tarkoittaa, että se voi olla jotain sellaista - joko se voi muuttua tai ei, riippuen siitä, mitä näytteelle on tapahtunut aiemmin. No, ilmeisesti on välttämätöntä erota tästä merkistä - plastisuudesta. Lisäksi se on luontainen monille ei-metalleille; loppujen lopuksi sama lasi - lämmitä sitä, ja siitä tulee pehmeä ja taipuisa.

Joten lyhennämme sanamuotoa ja siirrymme eteenpäin.

Seuraavaksi vuorossa on "kirkkaus" tai tieteellisesti sanottuna optiset ominaisuudet. Siellä on monia kiiltäviä esineitä: vettä, lasia, kiillotettuja kiviä, eikä koskaan tiedä mitä muuta. Pelkkä "kirkkaus" ei siis riitä, joten he sanovat: metalleille on ominaista metallinen kiilto. No, tämä on melko hyvä: osoittautuu, että metalli on metallia. Totta, intuitiivisesti tunnemme kiillotetun kuparin, kullan, hopean ja raudan kiiltävän metallista kiiltoa. Ja laajalle levinnyt mineraalipyriitti – eikö se loista kuin metallit? Tyypillisistä puolijohteista germaniumista ja piistä ei tarvitse puhua, ulkonäöltään niitä ei voi erottaa metalleista. Toisaalta ei niin kauan sitten he oppivat saamaan hyviä kiteitä sellaisista yhdisteistä kuin molybdeenidioksidi; nämä kiteet ovat ruskean violetteja ja muistuttavat vähän tavallista metallia. Osoittautuu, että tätä ainetta tulisi pitää metallina. Miksi - se selviää hieman myöhemmin.

Joten kiilto puhtaasti "metallisena" merkkinä katoaa.

Seuraavaksi tulee lämmönjohtavuus. Ehkä tämä merkki voidaan hylätä välittömästi - poikkeuksetta kaikki kehot johtavat lämpöä. Totta, metalleista sanotaan, että ne hyvin johtaa lämpöä. Mutta pelkään, että kysymykseen "mikä on hyvää ja mikä pahaa?" tässä tapauksessa isä ei vastaa.

Johtaako kupari lämpöä hyvin? Katsotaan taulukkoa ja törmätään heti vastakysymykseen: millaista kuparia ja missä lämpötilassa? Jos otat esimerkiksi puhdasta kuparia, josta valmistetaan radiolaitteiden johdot, ja lämmität sen punaiseksi, eli hehkutat sen, niin huoneenlämmössä se ja jopa puhdas hopea johtaa lämpöä paremmin kuin mikään muu. muuta metallia. Mutta taivuta tällainen kuparinäyte, lyö tai purista se ruuvipuristimeen - ja sen lämmönjohtavuus huononee huomattavasti. Ja mitä tapahtuu, jos pala hehkutettua kuparia alkaa jäähtyä? Ensin lämmönjohtavuus kasvaa, kymmenkertaistuu noin 10 K lämpötilassa ja sitten alkaa laskea nopeasti ja absoluuttisen nollan saavuttaessa sen pitäisi muuttua nollaan (kuva 1).

Riisi. 1. Lämmönjohtavuuden riippuvuus lämpötilasta eri aineille. (Ominaislämmönjohtavuus on lämpömäärä, joka virtaa kuution vastakkaisten pintojen välillä, jonka sivu on 1 cm, kun näiden pintojen välinen lämpötilaero on 1 K 1 sekunnissa.)

Otetaan nyt toinen metalli - vismutti. Kuva hänelle on hyvin samanlainen kuin se, jonka näimme kuparista, vain suurin lämmönjohtavuus on 3 K, ja huoneenlämpötilassa vismutti johtaa lämpöä huonosti, ei paljon paremmin kuin kvartsikide. Mutta kvartsi ei ole metallia! Ja sama kvartsi, kuten kuvasta 1 voidaan nähdä, ei toisinaan ole huonompi kuin kupari lämpöä johtavien ominaisuuksiensa suhteen. Ja sulatettu kvartsi eli kvartsilasi johtaa huonosti lämpöä, kuten ruostumaton teräs.

Kvartsi ei ole poikkeus. Kaikki kristallit hyvä laatu käyttäytyvät samalla tavalla, vain numerot ovat hieman erilaisia. Esimerkiksi timantilla on jo huoneenlämmössä parempi lämmönjohtavuus kuin kuparilla.

Hylkäämme lämmönjohtavuuden puhtaalla sydämellä, emmekä tule katumaan sitä. Eikä vain siksi, että tällä perusteella metallia ei ole niin helppoa erottaa ei-metallista, vaan myös siksi, että metallien lämmönjohtavuuden erityispiirteet (ja sellaisia ​​on) ovat seurausta metallin lämmönjohtavuudesta. sähkönjohtavuus - viimeinen jäljellä oleva ominaisuus.

Ja jälleen, artikkelin alussa annetussa sanamuodossa selvennys ei ole vain sähkönjohtavuus, vaan hyvä sähkönjohtavuus. Mutta mitä tulee lämmönjohtavuuteen, epiteetti "hyvä" varoitti meitä, eikä, kuten kävi ilmi, turhaan. Mikä - ja viimeinen epäilty omaisuus? On välttämätöntä säästää se, muuten jäämme ilman metalleja ollenkaan ja samalla ilman puolijohteita, ilman eristeitä. Näin tiede toimii! Useimmissa tapauksissa jokainen koululainen sanoo epäröimättä, minkä kanssa hän on tekemisissä, mutta he kaivasivat syvemmälle - he pysähtyivät hämmentyneenä.

Ja sieltä on jotain. Otetaan fysikaalisten määrien taulukoita ja katsotaan lukuja. Tässä esimerkiksi huoneenlämmössä ominaisvastus ρ (Ohm cm) kupari ~ 1,55 10 -6; vismutissa ρ ~ 10-4; grafiitti ρ ~ 10-3; puhtaalle piille ja germaniumille ρ ~ 10 2 (mutta lisäämällä epäpuhtauksia se voidaan nostaa ~ 10 -3:een); marmorilla ρ = 107 - 1011; lasin ääressä ρ = 10 10; ja jossain luettelon lopussa - keltainen, jonka ominaisvastus on jopa 1019. Ja missä johtavat metallit päättyvät ja dielektrikot alkavat? Emmekä ole vielä maininneet elektrolyyttejä. Tavallinen merivesi johtaa virtaa hyvin. Mitä - ja pitää sitä metallina?

Katsotaan auttaako lämpötila meitä. Jos nostat lämpötilaa, aineiden väliset erot alkavat tasoittaa: kuparilla vastus alkaa kasvaa, esimerkiksi lasin vastus pienenee. Joten on tarpeen seurata, mitä jäähdytyksen aikana tapahtuu. Ja tässä näemme vihdoin laadullisia eroja. Katso kuvaa 2: Nestemäisen heliumin lämpötiloissa, lähellä absoluuttista nollaa, aineet jakautuvat kahteen ryhmään. Joillekin vastus jää pieneksi, seoksille tai ei kovin puhtaille metalleille ρ lähes ei muutu jäähtyessään, puhtaissa metalleissa vastus pienenee huomattavasti. Mitä puhtaampi ja täydellisempi kristalli, sitä suurempi tämä muutos. Joskus u lämpötilassa, joka on lähellä absoluuttista nollaa, on satoja tuhansia kertoja pienempi kuin huoneenlämpötilassa. Muissa aineissa, kuten puolijohteissa, lämpötilan laskeessa resistanssi alkaa kasvaa nopeasti, ja mitä alhaisempi lämpötila, sitä suurempi se on. Jos olisi mahdollista päästä absoluuttiseen nollaan, niin ρ muuttuisi äärettömän suureksi. Riittää kuitenkin, että resistanssista tulee niin suuri, ettei sitä voi enää mitata millään nykyaikaisella laitteella.

Joten, saimme vastauksen: metallit ovat aineita, jotka johtavat sähköä missä tahansa lämpötilassa.

Riisi. 2. Puhtaiden metallien (kupari ja platina) ja puolijohteen (puhdas germanium) ominaisresistanssin riippuvuus lämpötilasta.

Sitä vastoin eristeet lakkaavat johtamasta virtaa, kun ne jäähtyvät absoluuttiseen nollaan. Tätä määritelmää käyttäen sekä grafiitti että molybdeenidioksidi ovat metalleja. Mutta mihin puolijohteet laitetaan? Jos me puhumme Puhtaista, täydellisistä kiteistä, ne ovat tarkasti ottaen dielektrisiä aineita. Mutta jos ne sisältävät paljon epäpuhtauksia, niistä voi tulla metalleja, eli ne voivat säilyttää johtavuuden alhaisissa lämpötiloissa.

Mitä meillä loppujen lopuksi jää? Onnistuimme tunnistamaan ainoa olennainen merkki, jonka ohjaamana voimme, jos ei jokapäiväisessä käytännössä, niin ainakin periaatteessa aina erottaa metallin epämetallista. Ja koska tämä merkki on ainoa, molemmat ehdot täyttyvät automaattisesti, joiden täyttymistä vaatimme artikkelin alussa.

Miksi metallit johtavat virtaa?

Jo pitkään on havaittu, että jotkin alkuaineet, kuten kupari, kulta, hopea, rauta, lyijy, tina, sekä puhtaassa muodossa että toisiinsa sulatettuina, muodostavat metalleja. Muut, kuten fosfori, rikki, kloori, typpi, happi, eivät vain ole itse metalleja, vaan ne muuttavat ne metallien kanssa yhdistetyinä dielektreiksi. Esimerkki tästä on tavallinen suola. NaCl . Siksi kemiassa elementtien jako metalleihin ja ei-metalleihin ilmestyi.

Tällainen luokittelu ei kuitenkaan ole muuta kuin toteamus, vaikka se ensi silmäyksellä väittääkin selittävän aineiden ominaisuuksia pelkästään atomien rakenteen perusteella. Itse asiassa, katsotaanpa jaksollista taulukkoa. Samassa sarakkeessa sijaitsevat elementit ovat kemiallisilta ominaisuuksiltaan hyvin samanlaisia. Mutta johtavatko kiteet tai niistä tehdyt seokset sähkövirtaa? Taulukosta katsottuna on mahdotonta vastata tähän kysymykseen. Joten kaikki ensimmäisen ryhmän elementit ovat metalleja, ensimmäistä lukuun ottamatta - vetyä. Mutta laki, jota joku saa rikkoa, ei ole enää laki. Totta, asiat ovat paremmin toisessa ryhmässä: täällä kaikki alkuaineet ovat tuttuja metalleja; ja kolmannessa ryhmässä on jälleen vika: boori on puolijohde ja alumiini on upea metalli. Vielä pahempaa. Neljännen ryhmän ensimmäinen alkuaine on hiili; olemme jo maininneet, että grafiitti, niin kutsuttu hiilikide, on metalli. Mutta timantti on myös kide, joka koostuu hiiliatomeista, mutta on järjestetty eri tavalla kuin grafiitissa - eriste. Pii ja germanium ovat klassisia puolijohteita. Tina - näyttää olevan tyypillinen metalli. Kuitenkin... Jos tuttua valkoista kiiltävää tinaa pidetään pitkään -30 °C:n lämpötilassa, sen kiderakenne muuttuu ja ulkoapäin se harmaantuu. Ja tämä tina - he kutsuvat sitä "harmaaksi tinaksi" - on puolijohde! Ja lyijy on aina metallia.

Jos alat sekoittaa erilaisia ​​​​elementtejä, kuvasta tulee täysin monimutkainen. Otetaan esimerkiksi ja sulatetaan kaksi metallia indium ja antimoni - suhteessa yksi yhteen. Saamme puolijohteen, jota käytetään laajasti tekniikassa InSb . Toisaalta olemme jo sanoneet, että molybdeenidioksidi MoO 2 klo T≈ 0 K johtaa virtaa, ts. MoO 2 - metallia. (JA WO 2 , ja Re 2 O 3 ja jotkin muut oksidit ovat myös metalleja.) Ja jos atomeista syntyvät kiteet puristetaan voimakkaasti, niin käy ilmi, että melkein kaikista aineista tulee metalleja, jopa sellaisista tyypillisistä metalloideista kuin rikki. Totta, sille siirtymispaine metalliseen tilaan on erittäin korkea - useita satoja tuhansia ilmakehyksiä (ja vielä enemmän vedylle).

Näyttää siltä, ​​että elementtien erottaminen metalleiksi ja ei-metalleiksi ei ole niin helppoa. Joka tapauksessa on selvää, että yksittäiset atomit huomioon ottaen emme voi sanoa, johtaako näistä atomeista koostuva aine virtaa T≈ 0 K, koska sillä, miten atomit sijaitsevat suhteessa toisiinsa, on valtava rooli. Siksi vastata kysymykseen "miksi metallit johtavat virtaa?" on tarpeen tutkia kuinka atomit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa muodostaen kiinteän kappaleen.

Katsotaan kuinka asiat ovat yksinkertaisimman metallin - litiumin - kanssa. Sarjanumero Li -kolme. Tämä tarkoittaa, että atomin ydin Li sisältää kolme protonia ja ytimen positiivinen varaus kompensoi kolme elektronia. Kaksi niistä muodostaa täytetyn s-kuoren lähinnä ydintä ja ovat vahvasti sitoutuneita ytimeen. Jäljelle jäävä elektroni sijaitsee toisessa s-kuoressa. Siihen mahtuisi vielä yksi elektroni, mutta litiumissa sitä ei ole. Kaikki muut sallitut energiatilat ovat vapaita, ja elektronit pääsevät niihin vain, kun atomi on virittynyt (esimerkiksi kun litiumhöyryä kuumennetaan voimakkaasti). Litiumatomin tasokaavio on esitetty kuvassa 3.

Riisi. 3. Kaavio litiumatomin energiatasoista ja niiden muuttumisesta vyöhykkeiksi, kun atomit yhdistyvät kiteeksi. Varatut tilat on merkitty punaisella.

Tarkastellaan nyt rajoitetussa tilavuudessa sijaitsevia litiumatomien joukkoa. Ne voivat muodostaa kaasua (höyryä), nestettä tai kiinteää ainetta. Riittävän alhaisessa lämpötilassa keskinäiset vetovoimat estävät atomien lämpöliikkeen ja muodostuu kide. Tämä tapahtuu varmasti absoluuttisessa nollalämpötilassa, kun kaikki tunnetut aineet heliumia lukuun ottamatta ovat kiteitä.

Kokemuksesta siis tiedetään, että matalissa lämpötiloissa kiinteä aine on litiumin stabiili tila. Mutta kuten tiedetään, sellainen aineen tila on aina stabiili, jossa sen sisäinen energia on pienempi kuin muissa mahdollisissa aggregaatiotiloissa samassa lämpötilassa. Energian kokonaisväheneminen tilasta toiseen siirtymisen aikana on helppo mitata - loppujen lopuksi tämä on haihtumis- tai sulamislämpö.

Mikroskooppisesta näkökulmasta alhaisissa lämpötiloissa aineen sisäinen energia on ennen kaikkea kehon muodostavien atomien elektronien energioiden summa. Mutta atomeissa olevat elektronit miehittävät tiukasti määritellyt energiatasot. Tämä tarkoittaa, että voimme odottaa, että kun atomit lähestyvät toisiaan, energiatasot muuttuvat. Tässä tapauksessa elektronien jakautumisen tasoilla tulisi olla sellainen, että niiden kokonaisenergia on pienempi kuin elektronien energioiden summa samassa määrässä toisistaan ​​eristettyjä atomeja.

Mitä tasoille tapahtuu, voidaan ymmärtää vertaamalla elektronin liikettä atomissa minkä tahansa värähtelyjärjestelmän kanssa, esimerkiksi heilurin kanssa. Oletetaan, että meillä on kaksi täysin identtistä heiluria. Niin kauan kuin ne eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, molempien heilurien värähtelytaajuus on sama. Esittelemme nyt niiden välisen vuorovaikutuksen - yhdistämme ne esimerkiksi pehmeällä jousella. Ja heti yhden taajuuden sijaan ilmestyy kaksi. Katso kuvaa 4: kytketyt heilurit voivat värähdellä vaiheessa tai ne voivat värähdellä toisiaan kohti. Ilmeisesti jälkimmäisessä tapauksessa niiden liike on nopeampaa, eli tällaisen järjestelmän värähtelytaajuus on suurempi kuin yhden heilurin värähtelyjen luonnollinen taajuus. Siten kytkentä johtaa taajuuden jakaantumiseen. Jos yhdistät kolme heiluria, luonnollisia taajuuksia on jo kolme, neljän yhdistetyn heilurin järjestelmässä on neljä luonnollista taajuutta ja niin edelleen loputtomiin.

Riisi. 4. Kytkettyjen heilurien värähtelyt.

Minkä tahansa muun värähtelyjärjestelmän käyttäytyminen on samanlaista. Jos korvaamme esimerkiksi heilurit sähköisillä värähtelypiireillä, niin radioamatöörit tietävät hyvin, että kun niiden välille luodaan yhteys, myös niiden luonnolliset taajuudet jaetaan. Atomissa olevat elektronit ovat myös eräänlainen värähtelyjärjestelmä. Kuten heiluri, elektroneilla on massa, on Coulombin voima, joka palauttaa ne tasapainoasentoonsa; ja tämä määrää elektronien liikkeen atomissa, jolle kvanttimekaniikan mukaan on tunnusomaista oma taajuus. Elektronien osalta vuorovaikutuksen sisällyttäminen keskinäisen lähestymisen aikana johtaa siihen, että aiemmin samat taajuudet muuttuvat hieman erilaisiksi.

Kvanttimekaniikassa energian ja värähtelytaajuuden välillä on suora yhteys, joka ilmaistaan ​​kaavalla \(~E = h \nu\), jossa h\u003d 6,6 10 -34 J s - Planckin vakio ja ν - värähtelytaajuus. Siksi on odotettavissa, että kun kaksi litiumatomia lähestyy kutakin kuvassa 3 esitettyä tasoa, se jakautuu kahdeksi. Jokainen uusi energiataso vastaa sen omaa elektronikuorta, ei nyt yhdestä atomista, vaan "molekyylistä". Kuoret täytetään elektroneilla saman säännön mukaan kuin atomi - kaksi elektronia kuorta kohden. Se kuoripari, joka osoittautui alimmalta tasolta, on täysin täynnä elektroneja. Itse asiassa niihin voidaan sijoittaa neljä elektronia, ja kahdella litiumatomilla on niitä kuusi. Jäljelle jää kaksi elektronia, jotka sijaitsevat nyt toisen parin alemmalla tasolla. Huomaa tapahtunut laadullinen harppaus: aiemmin nämä kaksi elektronia miehittivät kaksi neljästä tilasta, joilla oli sama energia. Nyt heillä on mahdollisuus valita, ja he asettuivat niin, että heidän kokonaisenergiansa oli pienempi. Ei ole vaikea kuvitella, mitä tapahtuu, kun seuraavat atomit lisätään: kolmelle atomille kukin alkutaso jakautuu kolmeen (ks. kuva 3). Yhdeksän elektronia sijoittuu seuraavasti: kuusi niiden tasojen alemmassa kolmiossa, jotka ovat nousseet ydintä lähimpänä olevan atomin täytetyn sisäisen kuoren tasolta; kaksi muuta elektronia - seuraavan triadin alemmalla tasolla; jäljellä oleva elektroni on saman triadin keskitasolla. Vielä yksi paikka tällä tasolla on vapaana, ja ylempi taso on täysin tyhjä. Jos otat n atomit (\(~n \gg 1\)), sitten jokainen taso jakautuu n lähekkäin sijaitsevat tasot muodostaen, kuten sanotaan, sallittujen energia-arvojen vyöhykkeen tai vyöhykkeen. Alemmalla kaistalla kaikki tilat ovat miehitettyinä, ja toisessa - vain puolet, ja juuri ne, joiden energia on pienempi. Seuraava kaista on täysin tyhjä.

Vierekkäisten tasojen välinen etäisyys vyöhykkeellä on helppo arvioida. On luonnollista olettaa, että kun atomit lähestyvät toisiaan, atomin elektronien energian muutos on suunnilleen yhtä suuri kuin aineen haihtumislämpö laskettuna uudelleen yhtä atomia kohti. Metalleilla se on yleensä useita elektronvoltteja ja siten kokonaiskaistanleveys Δ E vierekkäisten atomien vuorovaikutuksen määräämänä, on oltava sama mittakaava, eli Δ E~ 1 eV ≈ 10 -19 J. Tasojen väliselle etäisyydelle saadaan \(~\delta E \sim \dfrac(\Delta E)(n)\), missä n on atomien lukumäärä näytteessä. Tämä luku on erittäin suuri: atomien välinen etäisyys on vain muutama angströmi ja tilavuus atomia kohti on vain ~ 10 -22 cm 3 . Jos näytteemme tilavuus on tarkkuuden vuoksi 1 cm 3, niin sille n≈ 10 22 . Siksi numeerisesti se osoittautuu δ E≈ 10 -22 Δ E≈ 10 -41 J. Tämä arvo on niin pieni, että energian kvantisointi vyöhykkeen sisällä voidaan aina jättää huomiotta ja olettaa, että kaikki energiaarvot ovat sallittuja vyöhykkeen sisällä.

Joten kiteessä energiatasot levitetään vyöhykkeisiin, joiden leveys on verrattavissa niiden väliseen etäisyyteen. Elektroneille sallitaan tilat kaistan sisällä, ja tässä elektroneilla voi olla melkein mikä tahansa energia (tietysti kaistanleveyden sisällä). Mutta on erittäin tärkeää, että paikkojen lukumäärä kullakin vyöhykkeellä on tiukasti rajoitettu ja yhtä suuri kuin kaksi kertaa kiteen muodostavien atomien lukumäärä. Ja tämä seikka yhdessä vähimmäisenergian periaatteen kanssa määrittää elektronien jakautumisen vyöhykkeiden yli. Nyt olemme kaikki valmiita ymmärtämään, miksi litium johtaa virtaa. Katsotaanpa uudelleen kuvaa 3. Mitä tapahtui? Kun atomit olivat omillaan, kaikki elektronit olivat tarkasti määritellyissä tiloissa, tiukasti samat kaikille atomeille. Nyt atomit ovat yhdistyneet kiteeksi. Itse kiteen atomit eivät ole vain samoja, vaan myös täsmälleen samat naapureihinsa nähden (lukuun ottamatta tietysti niitä, jotka osuvat kiteen pintaan). Ja kaikilla elektroneilla on nyt eri energiat. Näin voi olla vain, jos elektronit eivät enää kuulu yksittäisiin atomeihin, vaan jokainen elektroni on "jaettu" kaikkien atomien kesken. Toisin sanoen elektronit liikkuvat vapaasti ihanteellisen kiteen sisällä muodostaen ikään kuin nesteen, joka täyttää koko näytteen tilavuuden. Ja sähkövirta on tämän nesteen suunnattu virtaus, samanlainen kuin putkien läpi virtaava vesi.

Veden pakottamiseksi virtaamaan putken läpi, putken päihin on luotava paine-ero. Sitten ulkoisten voimien vaikutuksesta molekyylit saavat suunnatun nopeuden - vesi virtaa. Suunnatun nopeuden esiintyminen on tässä erittäin tärkeää, koska molekyylit itse liikkuvat kaoottisesti valtavilla nopeuksilla - huoneenlämpötilassa molekyylin lämpöliikkeen keskinopeus on noin 10 3 m/s. Joten molekyylin virtauksessa hankkima lisäenergia on pieni verrattuna lämpöliikkeen energiaan.

Lisäenergia, joka on välitettävä elektronille, jotta se osallistuisi elektronien yleiseen suunnattuun liikkeeseen kiteessä (ja tämä on virta), on myös pieni verrattuna elektronin omaan energiaan. Tämä on helppo tarkistaa. Olemme jo sanoneet, että elektronin energia on suuruusluokkaa 1 eV = 1,6 10 -19 J. Jos muistamme, että vapaalle elektronille \(~E = \dfrac(m \upsilon^2)(2) )\) ja m\u003d 9,1 10 -31 kg, niin nopeus on helppo löytää: υ ~ 10 6 m/s. Oletetaan, että kaikki elektronit osallistuvat virtaan ja ne ovat 1 m 3 johtimessa n ~ 10 28 Z (Z on ydinvaraus). Sitten langassa, jolla on poikkileikkaus S\u003d 10 -6 m 2 virralla minä≈ 10 A (suuremmalla virralla lanka sulaa) elektronien suuntanopeus on \(~\upsilon_H = \dfrac(I)(neS) \noin 10^(-2) - 10^(-3)\ ) neiti. Tämä tarkoittaa, että virtaan osallistuvan elektronin energia on suurempi kuin energia E vapaa elektroni vain 10 -8 E, eli 1,6 10 -27 J.

Ja tässä kohtaamme yllättävän tosiasian: käy ilmi, että alemmalla kaistalla, jota yleensä kutsutaan valenssikaistaksi, sijaitsevat elektronit eivät voi muuttaa energiaansa pienellä määrällä. Loppujen lopuksi, jos jokin elektroni lisää energiaansa, se tarkoittaa, että sen on siirryttävä toiselle tasolle, ja kaikki valenssikaistan viereiset tasot ovat jo varattu. Vapaita paikkoja on vain seuraavalla alueella. Mutta päästäkseen sinne, elektronin on muutettava energiaansa useilla elektronivolteilla kerralla. Näin elektronit istuvat valenssikaistalla ja odottavat piirakkaa taivaalla - energinen kvantti. Ja tarvittavan energian kvantit ovat näkyvässä tai ultraviolettivalossa.

Joten nestettä on, mutta se ei voi virrata. Ja jos litiumilla olisi vain kaksi elektronia atomissa, eli jos rakentaisimme kuvan litiumatomeille, saisimme eristeen. Mutta kiinteä helium on todellakin eriste, joten voimme jo onnitella itseämme onnistumisesta: emme ole vielä selittäneet, miksi virta voi virrata metalleissa, mutta ymmärrämme miksi dielektrit, joissa on paljon elektroneja ja ne kaikki ovat "tahroituneita". älä johda virtaa koko kiteen läpi.

Mutta entä litium? Hänellä on toinen vyöhyke, joka on vain puoliksi täytetty. Energiaa, joka erottaa miehitetyn ja vapaan tason tällä kaistalla, kutsutaan Fermi-energiaksi E f. Kuten olemme jo sanoneet, energiaero kaistan tasojen välillä on hyvin pieni. Riittää, että Fermi-tason vyöhykkeellä sijaitseva elektroni lisää hieman energiaansa - ja se on vapaa, jossa tilat eivät ole miehitetty. Mikään ei estä rajakaistalta tulevia elektroneja lisäämästä energiaansa sähkökentän vaikutuksesta ja saavuttamasta suunnattua nopeutta. Mutta tämä on nykyinen! Mutta näiden elektronien on yhtä helppoa menettää suuntanopeus, kun ne törmäävät epäpuhtausatomeihin (jotka ovat aina olemassa) tai muihin ihanteellisen kiderakenteen rikkomuksiin. Tämä selittää virran vastuksen.

Näyttää selvältä, miksi helium on eriste ja litium johdin. Yritetään soveltaa ideoitamme seuraavaan elementtiin - berylliumiin. Ja tässä - sytytyskatkos, malli ei toiminut. Berylliumissa on neljä elektronia, ja näyttää siltä, ​​​​että ensimmäisen ja toisen vyöhykkeen tulisi olla täysin varattu ja kolmannen tulisi olla tyhjä. Se osoittautuu eristeeksi, kun taas beryllium on metalli.

Pointti on tämä. Jos vyöhykkeiden leveys on riittävän suuri, ne voivat mennä päällekkäin. Tällaisesta ilmiöstä he sanovat, että vyöhykkeet menevät päällekkäin. Juuri näin tapahtuu berylliumissa: kolmannen vyöhykkeen elektronien minimienergia on pienempi kuin toisen alueen maksimienergia. Siksi on energeettisesti suotuisaa, että elektronit poistuvat toisen kaistan tyhjästä osasta ja miehittävät tilat kolmannen alaosassa. Tässä metalli tulee sisään.

Mitä muille elementeille tapahtuu? Ovatko vyöhykkeet päällekkäisiä vai eivät, sitä on mahdotonta sanoa etukäteen, tämä vaatii hankalia tietokonelaskelmia, eikä aina ole mahdollista saada luotettavaa vastausta. Mutta tässä on huomionarvoista: kaaviostamme seuraa, että jos otamme alkuaineita, joissa on pariton määrä elektroneja, niin metalli pitäisi aina saada, jos vain yksi atomi on kiteen rakenneyksikkö. Mutta vety, esimerkiksi typpi ja fluori, eivät halua kiteytyä sellaiseksi hilaksi. Ne yhdistävät mieluummin ensin pareittain, ja jo parillisen määrän elektroneja sisältävät molekyylit asettuvat kiteeksi. Ja kvanttimekaniikan lait eivät estä häntä olemasta dielektrinen.

Joten tiedämme nyt, mikä metalli on fysiikan näkökulmasta, ja selvitimme ilmiön olemuksen ymmärtämällä, miksi eristimet ja johtimet ovat periaatteessa olemassa. Olemme nähneet, että ei ole helppoa tapaa selittää, miksi tietty aine on eriste tai metalli. Tämä voidaan tehdä vain aseistettuna modernin kvanttimekaniikan ja tietokonetekniikan laitteilla, mutta tämä on jo asiantuntijoiden tehtävä.