Elementos químicos que formam no estado livre substâncias simples com uma ligação metálica (ver Ligação química). Dos 110 elementos químicos conhecidos (ver Tabela Periódica dos Elementos Químicos), 88 são metais e apenas 22 não são metais.

Metais como ouro, prata e cobre são conhecidos pelo homem desde os tempos pré-históricos. Na Idade Antiga e Média, acreditava-se que existiam apenas 7 metais (ouro, prata, cobre, estanho, chumbo, ferro e mercúrio). M. V. Lomonosov definiu o metal como “um corpo leve que pode ser forjado” e atribuiu ouro, prata, cobre, estanho, ferro e chumbo aos metais. A. Lavoisier em seu "Curso Elementar de Química" (1789) já mencionava 17 metais. No início do século XIX. seguido pela descoberta de metais de platina, depois alcalinos, alcalinos terrosos e vários outros.

O triunfo da lei periódica foi a descoberta de metais previstos em sua base por D. I. Mendeleev - gálio, escândio e germânio. Em meados do século XX. com a ajuda de reações nucleares, foram obtidos elementos de transurânio - metais radioativos que não existem na natureza.

A metalurgia moderna recebe mais de 60 metais e mais de 5.000 ligas baseadas neles.

A estrutura dos metais é baseada em uma rede cristalina de íons positivos, imersos em um gás denso de elétrons móveis. Esses elétrons compensam as forças de repulsão elétrica entre os íons positivos e, assim, os ligam em sólidos.

Esse tipo de ligação química é chamada de ligação metálica. Determinou as propriedades físicas mais importantes dos metais: plasticidade, condutividade elétrica, condutividade térmica, brilho metálico.

A plasticidade é a capacidade dos metais de mudar de forma com o impacto, rolar em folhas finas e esticar em arame. Nesse caso, os átomos e íons da rede cristalina são deslocados, mas as ligações entre eles não são quebradas, pois os elétrons que formam a ligação também se movem de acordo. A plasticidade dos metais diminui nas séries Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe. O ouro, por exemplo, pode ser enrolado em folhas de até 0,003 mm de espessura, que são usadas para dourar.

A alta condutividade elétrica dos metais é explicada pela presença de elétrons livres, que, sob a influência de uma pequena diferença de potencial, se movem do pólo negativo para o positivo. À medida que a temperatura aumenta, as vibrações dos íons e átomos metálicos aumentam, o que dificulta o movimento dos elétrons e, portanto, leva a uma diminuição da condutividade elétrica. Em baixas temperaturas, o movimento vibracional de íons e átomos, pelo contrário, diminui muito e a condutividade elétrica aumenta. Perto do zero absoluto, a resistência elétrica dos metais está praticamente ausente. O melhor condutor de eletricidade é a prata, seguida pelo cobre, ouro, alumínio e ferro. A condutividade térmica dos metais também muda, o que é causado tanto pela alta mobilidade dos elétrons livres quanto pelo movimento oscilatório dos íons, devido ao qual a temperatura se equaliza rapidamente na massa do metal. O brilho metálico também está associado à presença de elétrons livres.

Das outras propriedades físicas dos metais, densidade, ponto de fusão e dureza são de maior interesse prático. O mais leve dos metais é o lítio (densidade 0,53 g/cm3), o mais pesado é o ósmio (22,6 g/cm3). Metais com densidade inferior a 5 g / cm3 são chamados de leves, o resto - pesado. Os pontos de fusão dos metais diferem muito: o césio e o gálio podem ser derretidos com o calor das palmas das mãos, e o ponto de fusão do tungstênio é +3410 ° C. Em condições normais, o único metal líquido é o mercúrio. No estado de vapor, todos os metais são monoatômicos, sua rede cristalina é destruída.

Os metais variam em dureza. O mais duro deles - cromo - corta vidro, e os mais macios - potássio, rubídio e césio - são facilmente cortados com uma faca. Força, ponto de fusão e dureza dependem da força da ligação metálica. É especialmente alto para metais pesados.

Na tecnologia, ligas à base de ferro, ou seja, ferro fundido, aço e o próprio ferro são chamados de metais ferrosos, todos os outros metais são chamados de não ferrosos. Existem outras classificações de metais (ver sistema periódico de elementos químicos).

As propriedades químicas dos metais são determinadas pela ligação fraca dos elétrons de valência com o núcleo atômico. Os átomos os entregam com relativa facilidade, transformando-se em íons carregados positivamente. Portanto, os metais são bons agentes redutores. Esta é a sua propriedade química principal e mais comum.

Obviamente, como agentes redutores, os metais devem reagir com vários agentes oxidantes, entre os quais podem existir substâncias simples (não-metais), ácidos, sais de metais menos ativos e algumas outras substâncias. Compostos metálicos com oxigênio são chamados de óxidos, com haletos de halogênio, com enxofre - sulfetos, com nitrogênio - nitretos, com fósforo - fosfetos, com carbono - boretos, com hidrogênio - hidretos, etc. Muitos desses compostos encontraram aplicação importante na tecnologia.

Quando os metais interagem com ácidos, o agente oxidante é o íon hidrogênio H+, que recebe um elétron do átomo do metal:

Mg - 2e - \u003d Mg 2+

_________________

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

Os metais que estão na série de potenciais de eletrodos padrão (séries de voltagens) à esquerda do hidrogênio geralmente deslocam (reduzem) o hidrogênio de ácidos diluídos, como HCl ou H2SO4, e os metais à direita do hidrogênio não o deslocam.

A interação de metais com soluções aquosas de sais de metais menos ativos pode ser ilustrada por um exemplo:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Сu

Nesse caso, os elétrons são separados dos átomos do metal mais ativo, o zinco, e ocorre sua adição por íons Cu2+ menos ativos. Guiados por uma série de potenciais de eletrodos padrão, podemos dizer que o metal desloca (restaura) muitos dos seguintes metais das soluções de seus sais.

Os metais ativos (alcalino e alcalino terroso) também interagem com a água, que neste caso atua como agente oxidante.

Metais, hidróxidos, que são anfotéricos (consulte Anfotericidade), como regra, interagem com soluções de ácidos e álcalis.

Os metais podem formar compostos químicos entre si. Tais compostos geralmente formam metais típicos com metais com propriedades metálicas fracas, como certos compostos de sódio com chumbo:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

Os compostos de alguns metais com outros são chamados coletivamente de compostos intermetálicos, compostos intermetálicos ou metalides.

As propriedades consideradas dos metais associadas ao recuo de elétrons em reações químicas são chamadas de metálicas. Todos os elementos químicos os possuem em graus variados. As propriedades metálicas são julgadas comparando a eletronegatividade dos elementos. Esse valor, expresso em unidades arbitrárias, caracteriza a capacidade de um átomo em uma molécula de atrair elétrons. Os valores relativos da eletronegatividade dos elementos são dados na tabela. Quanto menor a eletronegatividade, mais pronunciadas as propriedades metálicas dos elementos.

Você sabe que a maioria dos elementos químicos são classificados como metais - 92 dos 114 elementos conhecidos.

Metais - estes são elementos químicos, cujos átomos doam elétrons da camada eletrônica externa (e alguns da pré-externa), transformando-se em íons positivos.

Essa propriedade dos átomos de metal, como você sabe, é determinada pelo fato de terem raios relativamente grandes e um pequeno número de elétrons (principalmente de 1 a 3) na camada externa.

As únicas exceções são 6 metais: átomos de germânio, estanho, chumbo na camada externa têm 4 elétrons, átomos de antimônio, bismuto -5, átomos de polônio - 6.

Os átomos de metal são caracterizados por baixos valores de eletronegatividade (de 0,7 a 1,9) e propriedades exclusivamente redutoras, ou seja, a capacidade de doar elétrons.

Você já sabe que na Tabela Periódica dos Elementos Químicos de D. I. Mendeleev, os metais estão abaixo da diagonal boro-astato, eu também estou acima dela nos subgrupos laterais. Nos períodos e subgrupos de argila, existem regularidades conhecidas por vocês na mudança do metal e, portanto, nas propriedades redutoras dos átomos dos elementos.

Os elementos químicos localizados perto da diagonal boro-astat têm propriedades duplas: em alguns de seus compostos eles se comportam como metais, em outros exibem as propriedades de um não metal.

Nos subgrupos secundários, as propriedades redutoras dos metais geralmente diminuem com o aumento do número de série. Compare a atividade dos metais do grupo I do subgrupo lateral conhecido por você: Cu, Ag, Au; II grupo de um subgrupo secundário - e você verá por si mesmo.

Substâncias simples formadas por elementos químicos - metais e substâncias complexas contendo metais desempenham um papel importante na "vida" mineral e orgânica da Terra. Basta lembrar que os átomos (nenhum) dos elementos metálicos são parte integrante dos compostos que determinam o metabolismo no corpo de humanos, animais e plantas.

Por exemplo, os íons de sódio regulam o conteúdo de água no corpo, a transmissão de impulsos nervosos. Sua deficiência leva à dor de cabeça, fraqueza, memória fraca, perda de apetite, e seu excesso leva ao aumento da pressão arterial, hipertensão e doenças cardíacas. Especialistas em nutrição recomendam consumir não mais que 5 g (1 colher de chá) de sal de mesa (NaCl) por adulto por dia. A influência dos metais na condição de animais e plantas pode ser encontrada na Tabela 16.

Substâncias simples - metais
Com o desenvolvimento da produção de metais (substâncias simples) e ligas, conectou-se o surgimento da civilização (“Idade do Bronze”, Idade do Ferro).

A Figura 38 mostra um diagrama da rede cristalina do sódio metálico. Nele, cada átomo de sódio é cercado por oito vizinhos. Os átomos de sódio, como todos os metais, têm muitos orbitais de valência livres e poucos elétrons de valência.

O único elétron de valência do átomo de sódio Zs 1 pode ocupar qualquer um dos nove orbitais livres, pois eles não diferem muito em nível de energia. Quando os átomos se aproximam, quando uma rede cristalina é formada, os orbitais de valência dos átomos vizinhos se sobrepõem, fazendo com que os elétrons se movam livremente de um orbital para outro, fazendo uma conexão entre todos os átomos do cristal metálico.

Esse tipo de ligação química é chamada de ligação metálica. Uma ligação metálica é formada por elementos cujos átomos na camada externa têm poucos elétrons de valência em comparação com um grande número de orbitais externos energeticamente próximos. Seus elétrons de valência são fracamente retidos no átomo. Os elétrons que realizam a conexão são socializados e se movem por toda a rede cristalina do metal neutro como um todo.

Substâncias com uma ligação metálica são caracterizadas por redes cristalinas metálicas, que geralmente são representadas esquematicamente como um carrapato, como mostrado na figura, os nós são cátions e átomos de metal. Os elétrons compartilhados atraem eletrostaticamente cátions metálicos localizados nos nós de sua rede cristalina, garantindo sua estabilidade e força (os elétrons compartilhados são representados como pequenas bolas pretas).
Uma ligação metálica é uma ligação em metais e ligas entre átomos de íons metálicos localizados nos nós da rede cristalina, que é realizada por elétrons de valência socializados.

Alguns metais cristalizam em duas ou mais formas cristalinas. Essa propriedade das substâncias - existir em diversas modificações cristalinas - é chamada de polimorfismo. O polimorfismo para substâncias simples é conhecido como alotropia.

O estanho tem duas modificações cristalinas:
. alfa - estável abaixo de 13,2 ºС com densidade р - 5,74 g/cm3. Este é o estanho cinza. Tem uma rede cristalina como diamante (atômica):
. betta - estável acima de 13,2 ºС com densidade p - 6,55 g/cm3. Este é o estanho branco.

O estanho branco é um metal muito macio. Quando resfriado abaixo de 13,2 ºС, ele se desintegra em um pó cinza, pois na transição | 1 » n seu volume específico aumenta significativamente. Esse fenômeno é chamado de praga do estanho. É claro que um tipo especial de ligação química e o tipo de rede cristalina dos metais devem determiná-los e explicá-los. propriedades físicas.

O que eles são? Estes são brilho metálico, plasticidade, alta condutividade elétrica e condutividade térmica, um aumento na resistência elétrica com o aumento da temperatura, bem como propriedades praticamente significativas como densidade, pontos de fusão e ebulição, dureza e propriedades magnéticas.
Vamos tentar explicar as razões que determinam as propriedades físicas básicas dos metais. Por que os metais são plásticos?

A ação mecânica em um cristal com uma rede cristalina metálica faz com que as camadas de íons-átomos se desloquem uma em relação à outra, uma vez que os elétrons se movem por todo o cristal, as ligações não são quebradas, portanto, os metais são caracterizados por maior plasticidade.

Um efeito semelhante em uma substância sólida com ligações covalentes (rede cristalina atômica) leva à quebra de ligações covalentes. A quebra de ligações na rede iônica leva à repulsão mútua de íons de carga semelhante (Fig. 40). Portanto, substâncias com redes cristalinas atômicas e iônicas são frágeis.

Os metais mais plásticos são Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Eles são facilmente transformados em arame, passíveis de forjamento, prensagem, enrolamento em folhas. Por exemplo, uma folha de ouro de 0,008 nm de espessura pode ser feita de ouro e um fio de 1 km de comprimento pode ser desenhado de 0,5 g desse metal.

Mesmo o mercúrio, que, como você sabe, é líquido à temperatura ambiente, torna-se maleável como o chumbo em baixas temperaturas no estado sólido. Apenas Bi e Mn não possuem plasticidade, são quebradiços.

Por que os metais têm um brilho característico e também são opacos?
Os elétrons que preenchem o espaço interatômico refletem os raios de luz (e não os transmitem, como o vidro), e a maioria dos metais espalha igualmente todos os raios da parte visível do espectro. Portanto, eles têm uma cor branca ou cinza prateada. O estrôncio, o ouro e o cobre absorvem em maior extensão os comprimentos de onda curtos (próximos ao violeta) e refletem os comprimentos de onda longos do espectro de luz, portanto, apresentam as cores amarelo claro, amarelo e cobre, respectivamente.

Embora na prática, você sabe, o metal nem sempre nos pareça um corpo leve. Primeiro, sua superfície pode oxidar e perder o brilho. Portanto, o cobre nativo parece uma pedra esverdeada. E em segundo lugar, mesmo o metal puro pode não brilhar. Folhas muito finas de prata e ouro têm uma aparência completamente inesperada - elas têm uma cor verde-azulada. E pós finos de metal aparecem em cinza escuro, até preto.

Prata, alumínio, paládio têm a maior refletividade. Eles são usados ​​na fabricação de espelhos, incluindo holofotes.
Por que os metais têm alta condutividade elétrica e condutividade térmica?

Elétrons em movimento caótico em um metal sob a influência de uma tensão elétrica aplicada adquirem um movimento direcionado, ou seja, eles conduzem uma corrente elétrica. Com o aumento da temperatura do meta-afídeo, as amplitudes de vibração dos átomos e íons localizados nos nós da rede cristalina aumentam. Isso dificulta o movimento dos elétrons e a condutividade elétrica do metal diminui. Em baixas temperaturas, o movimento oscilatório, pelo contrário, diminui muito e a condutividade elétrica dos metais aumenta acentuadamente. Perto do zero absoluto, praticamente não há resistência nos metais, e a supercondutividade aparece na maioria dos metais.

Deve-se notar que não metais com condutividade elétrica (por exemplo, grafite), em baixas temperaturas, pelo contrário, não conduzem corrente elétrica devido à ausência de elétrons livres. E somente com o aumento da temperatura e a destruição de algumas ligações covalentes, sua condutividade elétrica começa a aumentar.

Prata, cobre, bem como ouro, alumínio têm a maior condutividade elétrica, manganês, chumbo e mercúrio têm a menor.

Na maioria das vezes, com a mesma regularidade da condutividade elétrica, a condutividade térmica dos metais muda.

Eles são devidos à alta mobilidade dos elétrons livres, que, colidindo com íons e átomos vibrantes, trocam energia com eles. Portanto, há uma equalização de temperatura em toda a peça de metal.

A resistência mecânica, densidade, ponto de fusão dos metais são muito diferentes. Além disso, com um aumento no número de elétrons que ligam íons-átomos e uma diminuição na distância interatômica nos cristais, os indicadores dessas propriedades aumentam.

Assim, os metais alcalinos, cujos átomos possuem um elétron de valência, são macios (cortados com uma faca), com baixa densidade (o lítio é o metal mais leve com p - 0,53 g/cm3) e fundem em baixas temperaturas (por exemplo, o ponto de fusão de césio é 29 "C) O único metal que é líquido em condições normais - mercúrio - tem um ponto de fusão de 38,9 "C.

O cálcio, que tem dois elétrons no nível de energia externo dos átomos, é muito mais duro e derrete a uma temperatura mais alta (842º C).

Ainda mais arqueada é a rede cristalina formada por átomos de escândio, que possuem três elétrons de valência.

Mas as redes cristalinas mais fortes, altas densidades e pontos de fusão são observados em metais de subgrupos secundários dos grupos V, VI, VII, VIII. Isso é explicado por. que para metais de subgrupos laterais com elétrons de valência não salvos no subnível d, é característica a formação de ligações covalentes muito fortes entre os átomos, além da metálica, realizada por elétrons da camada externa dos orbitais s.

Lembre-se que o metal mais pesado é o ósmio (componente de ligas superduras e resistentes ao desgaste), o metal mais refratário é o tungstênio (usado para fazer filamentos de lâmpadas), o metal mais duro é o cromo Cr (risca vidro). Eles fazem parte dos materiais dos quais são feitas ferramentas de corte de metal, pastilhas de freio de máquinas pesadas, etc.

Os metais diferem em relação aos campos magnéticos. Mas este sinal eles são divididos em três grupos:
. ferromagnético Capaz de ser magnetizado sob a influência de campos magnéticos mesmo fracos (ferro - forma alfa, cobalto, níquel, gadolínio);

Paramagnéticos exibem uma fraca capacidade de magnetização (alumínio, cromo, titânio, quase todos os lantanídeos);

Os diamagnéticos não são atraídos pelo ímã, nem mesmo levemente repelidos (estanho, encalhado, bismuto).

Lembre-se que ao considerar a estrutura eletrônica dos metais, subdividimos os metais em metais dos subgrupos principais (elementos k e p) e metais dos subgrupos secundários.

Na engenharia, costuma-se classificar os metais de acordo com várias propriedades físicas:

a) densidade - luz (p< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);

b) ponto de fusão - fusível e refratário.

Existem classificações de metais de acordo com propriedades químicas.
Os metais com baixa atividade química são chamados nobres (prata, ouro, platina e seus análogos - ósmio, irídio, rutênio, paládio, ródio).
De acordo com a proximidade das propriedades químicas, álcalis (metais do grupo I do subgrupo principal), alcalinos terrosos (cálcio, estrôncio, bário, rádio), bem como metais de terras raras (escândio, ítrio, lantânio e lantanídeos, actínio e actinídeos) são distinguidos.

Propriedades químicas gerais dos metais
Os átomos de metal cedem elétrons de valência com relativa facilidade e passam para não carregados positivamente, ou seja, são oxidados. Essa, como você sabe, é a principal propriedade comum dos átomos e das substâncias metálicas simples.

Metais em reações químicas são sempre um agente redutor. A capacidade redutora de átomos de substâncias simples - metais, formados por elementos químicos de um período ou um subgrupo principal do sistema periódico de D. I. Mendeleev, muda naturalmente.

A atividade redutora de um metal em reações químicas que ocorrem em soluções aquosas reflete sua posição na série eletroquímica de voltagens do metal.

1. Quanto mais à esquerda o metal estiver nesta linha, mais forte será o agente redutor.
2. Cada metal é capaz de deslocar (restaurar) dos sais em solução aqueles metais que estão depois dele (à direita) em uma série de voltagens.
3. Os metais que estão na série de voltagens à esquerda do hidrogênio são capazes de deslocá-lo dos ácidos em solução.
4. Os metais, que são os agentes redutores mais fortes (alcalinos e alcalinos terrosos), em qualquer solução aquosa interagem principalmente com a água.

A atividade redutora de um metal, determinada a partir da série eletroquímica, nem sempre corresponde à sua posição na Tabela Periódica. Isso é explicado por. Que ao determinar a posição de um metal em uma série de voltagens, não apenas a energia de separação de elétrons de átomos individuais é levada em consideração, mas também a energia gasta na destruição da rede cristalina, bem como a energia liberada durante a hidratação dos íons.

Tendo considerado as disposições gerais que caracterizam as propriedades redutoras dos metais, passamos às reações químicas específicas.

Interação com substâncias não metálicas simples
1. Com o oxigênio, a maioria dos metais forma óxidos - básicos e anfotéricos.

O lítio e os metais alcalino-terrosos reagem com o oxigênio atmosférico para formar óxidos básicos.
2. Com halogênios, os metais formam sais de ácidos hidro-hálicos.

3. Com o hidrogênio, os metais mais ativos formam hidretos - sais iônicos, uma substância comum em que o hidrogênio tem um estado de oxidação de -1, por exemplo: hidreto de cálcio.

4. Os metais formam sais com enxofre - sulfetos.

5. Os metais reagem com o nitrogênio de maneira um pouco mais difícil, pois a ligação química na molécula de nitrogênio r é muito forte e os nitretos são formados. Em temperaturas normais, apenas o lítio interage com o nitrogênio.
Interação com substâncias complexas
1. Com água. Metais alcalinos e alcalino-terrosos em condições normais deslocam o hidrogênio da água e formam bases alcalinas solúveis.

Outros metais, situados em uma série de voltagens até o hidrogênio, também podem, sob certas condições, deslocar o hidrogênio da água. Mas o alumínio interage violentamente com a água somente se o filme de óxido for removido de sua superfície.
O magnésio interage com a água apenas quando fervendo, e o hidrogênio também é liberado. Se o magnésio em chamas for adicionado à água, a combustão continua, à medida que a reação prossegue: o hidrogênio queima. O ferro interage com a água apenas quando aquecido.
2. Metais que estão na série de voltagens até o hidrogênio interagem com ácidos em solução. Isso produz sal e hidrogênio. Mas o chumbo (e alguns outros metais), apesar de sua posição na série de voltagem (à esquerda do hidrogênio), quase não se dissolve em ácido sulfúrico diluído, pois o sulfato de chumbo resultante PbSO é insolúvel e cria uma película protetora na superfície do metal .

3. Com sais de metais menos ativos em solução. Como resultado de tal reação, um sal de um metal mais ativo é formado e um metal menos ativo é liberado na forma livre.

4. Com substâncias orgânicas. A interação com ácidos orgânicos é semelhante às reações com ácidos minerais. Os álcoois, por outro lado, podem exibir propriedades ácidas fracas ao interagir com metais alcalinos.
Os metais participam de reações com haloalcanos, que são usados ​​para obter cicloalcanos inferiores e para sínteses, durante as quais o esqueleto de carbono da molécula se torna mais complexo (reação de A. Wurtz):

5. Metais cujos hidróxidos são anfotéricos interagem com álcalis em solução.
6. Os metais podem formar compostos químicos entre si, que são chamados coletivamente de compostos intermetálicos. Na maioria das vezes, eles não mostram os estados de oxidação dos átomos, que são característicos de compostos de metais com não metais.

Os compostos intermetálicos geralmente não possuem uma composição constante, a ligação química neles é principalmente metálica. A formação destes compostos é mais típica para metais de subgrupos secundários.

Óxidos e hidróxidos metálicos
Os óxidos formados por metais típicos são classificados como formadores de sal, de propriedades básicas.

Os óxidos e hidróxidos de alguns metais são anfotéricos, ou seja, podem apresentar tanto propriedades básicas quanto ácidas, dependendo das substâncias com as quais interagem.

Por exemplo:

Muitos metais de subgrupos secundários, que têm um estado de oxidação variável nos compostos, podem formar vários óxidos e hidróxidos, cuja natureza depende do estado de oxidação do metal.

Por exemplo, o cromo em compostos exibe três estados de oxidação: +2, +3, +6, portanto forma três séries de óxidos e hidróxidos e, com o aumento do estado de oxidação, o caráter ácido aumenta e o caráter básico enfraquece.

Corrosão de metais
Quando os metais interagem com substâncias ambientais, são formados compostos em sua superfície que possuem propriedades completamente diferentes das dos próprios metais. Em uma veia normal, muitas vezes usamos as palavras "ferrugem", "ferrugem", vendo um revestimento marrom-avermelhado em produtos feitos de ferro e suas ligas. A ferrugem é uma forma comum de corrosão.

Corrosão- este é o processo de destruição espontânea de metais e ligas sob a influência do ambiente externo (de lat. - corrosão).

No entanto, quase todos os metais sofrem destruição, como resultado da qual muitas de suas propriedades se deterioram (ou são completamente perdidas): resistência, ductilidade, diminuição do brilho, diminuição da condutividade elétrica e aumento do atrito entre as peças móveis da máquina, as dimensões das peças mudam, etc.

A corrosão de metais pode ser contínua e local.

Os tipos mais comuns de corrosão são a química e a eletroquímica.

I. A corrosão química ocorre em um ambiente não condutor. Este tipo de corrosão se manifesta no caso da interação de metais com gases secos ou líquidos - não eletrólitos (gasolina, querosene, etc.) Partes e componentes de motores, turbinas a gás, lançadores de foguetes são submetidos a essa destruição. A corrosão química é frequentemente observada durante o processamento de metais em altas temperaturas.

A maioria dos metais é oxidada pelo oxigênio atmosférico, formando filmes de óxido na superfície. Se este filme for forte, denso, bem ligado ao metal, ele protege o metal de mais destruição. No ferro, é solto, poroso, facilmente separado da superfície e, portanto, não é capaz de proteger o metal de uma maior destruição.

II. A corrosão eletroquímica ocorre em um meio condutor (eletrólito) com o aparecimento de uma corrente elétrica dentro do sistema. Como regra, metais e ligas são heterogêneos e contêm inclusões de várias impurezas. Quando entram em contato com eletrólitos, algumas partes da superfície passam a desempenhar o papel de ânodo (doar elétrons), enquanto outras desempenham o papel de cátodo (aceitar elétrons).

Em um caso, a evolução do gás (Hg) será observada. No outro - a formação de ferrugem.

Assim, a corrosão eletroquímica é uma reação que ocorre em meios que conduzem corrente (em contraste com a corrosão química). O processo ocorre quando dois metais entram em contato ou na superfície de um metal contendo inclusões que são condutores menos ativos (também pode ser um não metal).

No ânodo (um metal mais ativo), os átomos de metal são oxidados para formar cátions (dissolução).

No cátodo (um condutor menos ativo), íons de hidrogênio ou moléculas de oxigênio são reduzidos com a formação de íons H2 ou OH-hidróxido, respectivamente.

Cátions de hidrogênio e oxigênio dissolvido são os agentes oxidantes mais importantes que causam corrosão eletroquímica.

A taxa de corrosão é tanto maior quanto mais os metais (metal e impurezas) diferem em sua atividade (para metais, mais distantes eles estão localizados em uma série de voltagens). A corrosão aumenta significativamente com o aumento da temperatura.

O eletrólito pode ser água do mar, água do rio, umidade condensada e, claro, eletrólitos conhecidos - soluções de sais, ácidos, álcalis.

Você obviamente se lembra que no inverno, o sal técnico (cloreto de sódio, às vezes cloreto de cálcio, etc.)

Métodos de proteção contra corrosão
Já no projeto de estruturas metálicas, sua fabricação prevê medidas de proteção contra corrosão.

1. Lixar as superfícies do produto para que a umidade não permaneça nelas.

2. O uso de ligas de liga contendo aditivos especiais: cromo, níquel, que em altas temperaturas formam uma camada de óxido estável na superfície do metal. Os aços de liga são bem conhecidos - os aços inoxidáveis, dos quais são feitos os utensílios domésticos (garfos embainhados, colheres), peças de máquinas e ferramentas.

3. Aplicação de revestimentos protetores. Considere seus tipos.

Não metálicos - óleos não oxidantes, vernizes especiais, tintas. É verdade que eles são de curta duração, mas são baratos.

Produtos químicos - filmes de superfície criados artificialmente: óxido, cítrico, silício, polímero, etc. Por exemplo, todas as armas pequenas Os detalhes de muitos instrumentos de precisão são polidos - este é o processo de obtenção do filme mais fino de óxidos de ferro na superfície de um aço produtos. O filme de óxido artificial resultante é muito durável e confere ao produto uma bela cor preta e tonalidade azul. Os revestimentos de polímeros são feitos de polietileno, cloreto de polivinila, resinas de poliamida. Eles são aplicados de duas maneiras: um produto aquecido é colocado em um pó de polímero, que derrete e solda ao metal, ou a superfície do metal é tratada com uma solução de polímero em um solvente de baixa temperatura, que evapora rapidamente, e o filme de polímero permanece no produto.

Revestimentos metálicos são revestimentos com outros metais, em cuja superfície são formados filmes protetores estáveis ​​sob a ação de agentes oxidantes.

A aplicação de cromo na superfície - cromagem, níquel - niquelagem, zinco - zincagem, estanho - estanhagem, etc. O revestimento também pode servir como um metal quimicamente passivo - ouro, prata, cobre.

4. Métodos eletroquímicos de proteção.

Protetor (anódico) - um pedaço de metal mais ativo (protetor) é anexado à estrutura metálica protegida, que serve como ânodo e é destruído na presença de um eletrólito. Magnésio, alumínio, zinco são usados ​​como protetores ao proteger cascos de navios, tubulações, cabos e outros produtos elegantes;

Cátodo - a estrutura metálica é conectada ao cátodo de uma fonte de corrente externa, o que elimina a possibilidade de sua destruição do ânodo

5. Tratamento especial do eletrólito ou do ambiente em que se encontra a estrutura metálica protegida.

Sabe-se que os artesãos de Damasco para descalcificação e
ferrugem usadas soluções de ácido sulfúrico com a adição de levedura de cerveja, farinha, amido. Estes trazem e estiveram entre os primeiros inibidores. Eles não permitiram que o ácido atuasse no metal da arma, como resultado, apenas escamas e ferrugem foram dissolvidas. Os armeiros dos Urais usavam sopas de decapagem para esse fim - soluções de ácido sulfúrico com a adição de farelo de farinha.

Exemplos do uso de inibidores modernos: durante o transporte e armazenamento, o ácido clorídrico é perfeitamente "domesticado" pelos derivados de butilamina. e ácido sulfúrico - ácido nítrico; a dietilamina volátil é injetada em vários recipientes. Observe que os inibidores atuam apenas sobre o metal, tornando-o passivo em relação ao meio, por exemplo, a uma solução ácida. Mais de 5 mil inibidores de corrosão são conhecidos pela ciência.

Remoção de oxigênio dissolvido em água (desaeração). Este processo é utilizado na preparação da água que entra nas caldeiras.

Métodos para obter metais
A atividade química significativa dos metais (interação com oxigênio atmosférico, outros não metais, água, soluções salinas, ácidos) leva ao fato de serem encontrados na crosta terrestre principalmente na forma de compostos: óxidos, sulfetos, sulfatos, cloretos, carbonatos, etc
Na forma livre, existem metais localizados na série de voltagens à direita do hidrogênio, embora muito mais frequentemente o cobre e o mercúrio possam ser encontrados na natureza na forma de compostos.

Minerais e rochas contendo metais e seus compostos, dos quais a extração de metais puros é tecnicamente possível e economicamente viável, são chamados de minérios.

A obtenção de metais a partir de minérios é tarefa da metalurgia.
A metalurgia também é a ciência dos métodos industriais para a obtenção de metais a partir de minérios. e setor industrial.
Qualquer processo metalúrgico é um processo de redução de íons metálicos com a ajuda de vários agentes redutores.

Para implementar este processo, é necessário levar em consideração a atividade do metal, selecionar um agente redutor, considerar a viabilidade tecnológica, fatores econômicos e ambientais. De acordo com isso, existem os seguintes métodos para obtenção de metais: pirometalúrgico. hidrometalúrgica, eletrometalúrgica.

Pirometalurgia- recuperação de metais de minérios a altas temperaturas usando carbono, monóxido de carbono (II). hidrogênio, metais - alumínio, magnésio.

Por exemplo, o estanho é reduzido da cassiterita e o cobre da cuprita por calcinação com carvão (coque). Minérios de sulfeto são torrados preliminarmente com acesso de ar e, em seguida, o óxido resultante é reduzido com carvão. Os metais também são isolados dos minérios carbonáticos bombeando a com carvão, pois os carbonatos se decompõem quando aquecidos, transformando-se em óxidos, e estes últimos são reduzidos pelo carvão.
Hidrometalurgiaé a redução de metais a eles por seus sais em solução. O processo ocorre em 2 etapas: 1) um composto natural é dissolvido em um reagente adequado para obter uma solução de um sal desse metal; 2) da solução resultante, este metal é deslocado por um mais ativo ou restaurado por eletrólise. Por exemplo, para obter cobre de minérios contendo óxido de cobre, CuO, ele é tratado com ácido sulfúrico diluído.

O cobre é extraído da solução salina por eletrólise ou deslocado do sulfato com ferro. Prata, zinco, molibdênio, ouro, urânio são obtidos dessa maneira.

Eletrometalurgia— recuperação de metais no processo de eletrólise de soluções ou fusão de seus compostos.

Eletrólise
Se os eletrodos forem abaixados na solução eletrolítica ou fundidos e uma corrente elétrica direta passar, os íons se moverão em uma direção: cátions - para o cátodo (eletrodo carregado negativamente), ânions - para o ânodo (eletrodo carregado positivamente) .

No cátodo, os cátions aceitam elétrons e são reduzidos no ânodo, os ânions doam elétrons e são oxidados. Esse processo é chamado de eletrólise.
A eletrólise é um processo redox que ocorre em eletrodos quando uma corrente elétrica passa por uma solução ou solução eletrolítica.

O exemplo mais simples de tais processos é a eletrólise de sais fundidos. Considere o processo de eletrólise de uma fusão de cloreto de sódio. O processo de dissociação térmica ocorre no fundido. Sob a ação de uma corrente elétrica, os cátions se movem em direção ao cátodo e recebem elétrons dele.
O sódio metálico é formado no cátodo e o gás cloro é formado no ânodo.

A principal coisa a lembrar é que no processo de eletrólise, uma reação química é realizada devido à energia elétrica, que não pode ocorrer espontaneamente.

A situação é mais complicada no caso da eletrólise de soluções eletrolíticas.

Em uma solução salina, além de íons metálicos e um resíduo ácido, existem moléculas de água. Portanto, ao considerar processos em eletrodos, é necessário levar em conta sua participação na eletrólise.

As seguintes regras existem para determinar os produtos de eletrólise de soluções aquosas de eletrólitos.

1. O processo no cátodo não depende do material do cátodo em que é feito, mas da posição do metal (catião eletrolítico) na série eletroquímica de voltagens, e se:
1.1. O cátion eletrolítico está localizado na série de voltagens no início da série (junto com Al inclusive), então o processo de redução de água está acontecendo no cátodo (liberação de hidrogênio). Os cátions metálicos não são reduzidos, eles permanecem em solução.
1.2. O cátion eletrolítico está em uma série de voltagens entre o alumínio e o hidrogênio, então tanto as nonas metálicas quanto as moléculas de água são reduzidas no cátodo.

1.3. O cátion eletrolítico está em uma série de voltagens após o hidrogênio, então os cátions metálicos são reduzidos no cátodo.
1.4. A solução contém cátions de diferentes metais, então o cátion metálico baixado é restaurado, permanecendo em uma série de voltagens
Essas regras são mostradas na Figura 10.

2. O processo no ânodo depende do material do ânodo e da natureza do ânodo (Esquema 11).
2.1. Se o ânodo for dissolvido (ferro, zinco, cobre, prata e todos os metais que são oxidados durante a eletrólise), o ânodo metálico é oxidado, independentemente da natureza do ânion. 2. Se o ânodo não se dissolver (é chamado de inerte - grafite, ouro, platina), então:
a) durante a eletrólise de soluções de sais de ácidos anóxicos (prome fluoretos), o ânion é oxidado no ânodo;
b) durante a eletrólise de soluções de sais de ácido contendo oxigênio e fluoretos no ânodo, ocorre o processo de oxidação da água. Os ânions não são oxidados, permanecem em solução;

A eletrólise de fundidos e soluções de substâncias é amplamente utilizada na indústria:
1. Para obter metais (alumínio, magnésio, sódio, cádmio são obtidos apenas por eletrólise).
2. Para obter hidrogênio, halogênios, álcalis.
3. Para a purificação de metais - refino (purificação de cobre, níquel, chumbo é realizada pelo método eletroquímico).
4. Para proteger os metais da corrosão - aplicação de revestimentos protetores na forma de uma fina camada de outro metal resistente à corrosão (cromo, níquel, cobre, prata, ouro) - galvanoplastia.

5. Obtenção de cópias metálicas, registros - galvanoplastia.
1. Como a estrutura dos metais está relacionada à sua localização nos subgrupos principal e secundário da Tabela Periódica dos Elementos Químicos de D. I. Mendeleev?
2. Por que os metais alcalinos e alcalino-terrosos têm um único estado de oxidação nos compostos: (+1) e (+2), respectivamente, enquanto os metais dos subgrupos secundários, via de regra, apresentam diferentes estados de oxidação nos compostos? 8. Que estados de oxidação o manganês pode apresentar? Que óxidos e hidróxidos correspondem ao manganês nestes estados de oxidação? Qual é o caráter deles?
4. Compare a estrutura eletrônica dos átomos dos elementos do grupo VII: manganês e cloro. Explique a diferença em suas propriedades químicas e a presença de diferentes graus de oxidação dos átomos em ambos os elementos.
5. Por que a posição dos metais na série eletroquímica de tensões nem sempre corresponde à sua posição no sistema periódico de D. I. Mendeleev?
9. Faça equações para as reações de sódio e magnésio com ácido acético. Em qual caso e por que a taxa de reação será mais rápida?
11. Que métodos de obtenção de metais você conhece? Qual é a essência de todos os métodos?
14. O que é corrosão? Que tipos de corrosão você conhece? Qual deles é um processo físico e químico?
15. Podem ser considerados como corrosão os seguintes processos: a) oxidação do ferro durante a soldagem elétrica, b) interação do zinco com o ácido clorídrico na obtenção do ácido cauterizado para soldagem? Dê uma resposta fundamentada.
17. O produto de manganês está na água e não entra em contato com o produto de cobre. Ambos permanecerão inalterados?
18. Uma estrutura de ferro será protegida da corrosão eletroquímica em água se uma placa de outro metal for reforçada sobre ela: a) magnésio, b) chumbo, c) níquel?

19. Para que finalidade a superfície dos tanques de armazenamento de derivados de petróleo (gasolina, querosene) é pintada com prata - mistura de pó de alumínio com um dos óleos vegetais?

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Ferro, cobre e alumínio têm um brilho metálico característico.

Ao estudarmos sólidos que não possuem brilho metálico característico, notamos que sua condutividade elétrica é muito baixa. Estes incluem substâncias que chamamos de iônicas - cloreto de sódio, cloreto de cálcio, nitrato de prata e cloreto de prata, além de cristais moleculares, como gelo. O gelo mostrado na Fig. 5 - 3, consiste nas mesmas moléculas que existem na fase gasosa, mas ordenadas dispostas em uma rede cristalina. Esses maus condutores de corrente elétrica são muito diferentes dos metais em quase todas as propriedades. Assim, a condutividade elétrica pode ser usada para classificar substâncias, que é uma das mais razoáveis.

Os metais são chamados de substâncias cristalinas simples que possuem um brilho metálico característico, conduzem bem o calor e a corrente elétrica, são capazes de mudar sua forma sob a ação de forças externas e retê-la após a remoção da carga sem nenhum sinal de destruição. Do número total de elementos químicos atualmente conhecidos, oitenta elementos são metais. Os metais mais comuns na crosta terrestre na forma de compostos químicos são alumínio, ferro, magnésio, potássio, sódio e cálcio. Os metais puros são de uso tecnológico limitado, pois são extremamente raros na natureza, e sua produção a partir de compostos químicos (minérios) está associada a grandes dificuldades.

Como resultado da corrosão por hidrogênio, a superfície do aço perde seu brilho metálico característico e torna-se fosca.

Polímeros são pós coloridos finamente dispersos com um brilho metálico característico, solúveis apenas em ácido sulfúrico concentrado.

Todos os elementos d são metais com um brilho metálico característico. Comparado aos s-metais, sua força é muito maior.

O iodo não dissolvido forma um filme claramente visível com um brilho metálico característico (flutuando na superfície da solução) ou se acumula no fundo do frasco na forma de partículas pretas. Como a solução de iodo é vermelha intensa e quase opaca, deve ser examinada com muito cuidado, encostando o frasco em uma lâmpada elétrica brilhante pendurada no teto. Para fazer isso, você precisa ficar sob a lâmpada, segurando o frasco pela garganta em uma posição inclinada entre a lâmpada e o rosto, e tentar ver nele uma imagem brilhante da lâmpada. Nesse contexto, cristais de iodo não dissolvidos são claramente visíveis. Em seguida, os cristais de ambas as substâncias se reunirão em um só lugar e uma zona de solução concentrada de KJ se formará ao redor dos cristais de iodo, nos quais o iodo se dissolverá rapidamente.

Todos os metais alcalinos são substâncias de cor branco-prateada, com brilho metálico característico, boa condutividade elétrica e térmica, pontos de fusão baixos e pontos de ebulição relativamente baixos, baixa densidade e grande volume de átomos. No estado de vapor, suas moléculas são monoatômicas; íons são incolores.

De aparência cristais roxos escuros, quase pretos com um brilho metálico característico. Dissolve-se bem em água. O permanganato de potássio é um dos fortes agentes oxidantes, razão pela qual possui propriedades desinfetantes.

No processo de fabricação de produtos por processamento artístico de metais, são utilizados metais preciosos e não preciosos e suas ligas. Os preciosos incluem ouro, prata, platina e metais do grupo da platina: paládio, rutênio, irídio, ósmio e não preciosos - metais ferrosos - aço, ferro fundido - e metais não ferrosos - cobre, latão, bronze, alumínio, magnésio, cuproníquel , níquel prata, níquel, zinco, chumbo, estanho, titânio, tântalo, nióbio. Cádmio, mercúrio, antimônio, bismuto, arsênio, cobalto, cromo, tungstênio, molibdênio, manganês, vanádio também são usados ​​na forma de pequenos aditivos para alterar as propriedades das ligas ou como revestimentos.

Alumínio. Este metal branco prateado macio é facilmente enrolado, desenhado e cortado. Silício, cobre, magnésio, zinco, níquel, manganês, cromo são adicionados às ligas de alumínio para aumentar a resistência. As ligas de alumínio são usadas para produzir detalhes arquitetônicos fundidos e esculturas, bem como joias.

Bronze.É uma liga de cobre com zinco, estanho, chumbo. Bronzes sem estanho também são produzidos. Na história da humanidade, toda uma era é chamada de Idade do Bronze, quando as pessoas, tendo aprendido a fundir o bronze, fabricavam utensílios domésticos, armas, notas (moedas) e jóias. Atualmente, monumentos, esculturas monumentais, bem como decoração de interiores de teatros, museus, palácios, saguões subterrâneos da estação de metrô são feitos de bronze.

Ouro. Desde os tempos antigos até os dias atuais, o ouro tem sido o metal mais comum para fazer joias, utensílios de mesa e decoração de interiores. É amplamente utilizado para dourar metais ferrosos e não ferrosos, bem como para a preparação de soldas. O ouro em sua forma mais pura é um belo metal amarelo. As ligas de ouro podem ser brancas, vermelhas, verdes e também pintadas de preto. O ouro é um metal muito dúctil, dúctil e maleável. As ligas de ouro são bem cortadas, retificadas e polidas. O ouro não oxida. Dissolve-se apenas em ácido selênico e água régia - uma mistura de ácidos concentrados: uma parte nítrico e três partes clorídrico.

Irídio. Este metal parece estanho, mas difere dele em alta dureza e fragilidade. O irídio dá um bom polimento, mas é difícil de usinar. Não é afetado por álcalis, ácidos ou suas misturas. O irídio é usado em joias.

Latão. Trata-se de uma liga de cobre e zinco, utilizada para a fabricação de louças e decoração de interiores (chasing), além de diversas joias, muitas vezes folheadas a prata ou a ouro. O latão é processado com sucesso por corte, facilmente soldado, laminado, estampado, cunhado, niquelado, prateado, dourado, oxidado", comparado ao cobre puro, são mais fortes e duros, muito mais baratos e mais elegantes na cor. um baixo teor de zinco (de 3 a 20%), chamado tombac, tem uma cor amarelo-avermelhada.

Magnésio. Este metal é quatro vezes mais leve que o bronze. Ligas compostas por magnésio, alumínio, manganês, zinco, além de cobre e cádmio, têm sido usadas recentemente para fabricar itens de decoração de interiores para instalações industriais.

Cobre.É um metal macio, excepcionalmente dúctil e viscoso, facilmente passível de processamento sob pressão: trefilação, laminação, estampagem, estampagem. O cobre é bem moído e polido, mas perde rapidamente o brilho; é difícil afiar, furar, fresar. O cobre puro ou vermelho é usado para a fabricação de joias de filigrana e itens de decoração de interiores - cunhagem. O cobre é usado para a preparação de soldas (cobre, prata, ouro), além de aditivo em várias ligas.

Níquel. Metal branco, de alto brilho, resistente quimicamente, refratário, durável e dúctil; não ocorre em sua forma pura na crosta terrestre. O níquel é usado principalmente para revestimento decorativo e protetor de itens de mesa e joias e ligas à base de níquel (cuproníquel e prata de níquel), que possuem resistência à corrosão, força, ductilidade suficientes e a capacidade de ser facilmente laminada, cunhada, estampada e polida , são usados ​​para fazer itens de mesa e decoração de interiores, além de joias.

Nióbio. Muito semelhante ao tântalo. Resistente aos ácidos: não é afetado pelos ácidos aqua régia, clorídrico, sulfúrico, nítrico, fosfórico, perclórico. O nióbio é solúvel apenas em ácido fluorídrico e sua mistura com ácido nítrico. Recentemente, tem sido utilizado no exterior para a fabricação de joias.

Lata. Nos tempos antigos, as moedas eram cunhadas de estanho e os vasos eram feitos. Este metal macio e dúctil é de cor mais escura que a prata e supera o chumbo em dureza. Na joalheria, é utilizado na preparação de soldas e como componente de ligas de metais não ferrosos e, mais recentemente, além disso, na fabricação de artigos de joalheria e decoração de interiores.

Ósmio.É um metal brilhante, cinza-azulado, muito duro e pesado. O ósmio não se dissolve em ácidos e suas misturas. É usado em ligas com platina.

Paládio. Este metal dúctil viscoso pode ser facilmente forjado e laminado. A cor do paládio é mais escura que a prata, mas mais clara que a platina. Dissolve-se em ácido nítrico e água régia. O paládio é usado para fazer joias e também é usado como aditivo em ligas com ouro, prata e platina.

Platina. A platina é usada para fazer joias e como revestimento decorativo. Plasticidade, força, resistência ao desgaste, jogo de cores - estas são as propriedades da platina que tanto atraem os joalheiros. A platina é um metal brilhante, branco, muito maleável, dissolve-se com grande dificuldade mesmo em água régia fervente - uma mistura de três partes de ácido nítrico e cinco partes de ácido clorídrico. Na natureza, a platina ocorre com uma mistura de paládio, rutênio, ródio, irídio e ósmio.

Ródio. Duro o suficiente, mas metal quebradiço, que lembra o alumínio na cor. O ródio não se dissolve em ácidos e suas misturas. O ródio é usado para revestimento decorativo de joias.

Rutênio. Um metal que externamente quase não difere da platina, mas é mais frágil e mais duro. É usado em uma liga com platina.

Conduzir. Metal muito macio e dúctil, facilmente rolado, estampado, prensado, bem fundido. O chumbo é conhecido desde a antiguidade e foi amplamente utilizado para fazer esculturas e detalhes decorativos da arquitetura. Na joalheria, o chumbo é usado para fazer soldas e como componente de ligas.

Prata. Este metal é muito utilizado para a fabricação de louças e artigos de decoração de interiores, joias diversas, e também é utilizado para a preparação de soldas, como revestimento decorativo e ligadura em ligas de ouro, platina e paládio. A prata tem alta plasticidade e maleabilidade, é bem lapidada, polida, laminada. É mais duro que o ouro, mas mais macio que o cobre, dissolve-se apenas em ácidos nítrico e sulfúrico quente.

Aço. O aço é obtido por refusão do ferro-gusa. Na produção de produtos de arte, são utilizados aço inoxidável e aço azulado - de cor escura (especialmente processados). O aço inoxidável é usado para fazer louças e decorações de interiores e, mais recentemente, joias; o aço azulado é usado para fazer joias. Para dar aos produtos de aço inoxidável uma aparência mais elegante, eles são dourados ou prateados.

Tântalo. Um metal cinza com um leve tom de chumbo, perdendo apenas para o tungstênio em termos de refratariedade. Caracteriza-se pela plasticidade, resistência, boa soldabilidade, resistência à corrosão. As empresas de joalheria nos países ocidentais usam tântalo para a fabricação de certos tipos de joias.

Titânio. Este é um metal brilhante, prateado, facilmente passível de vários tipos de processamento: pode ser perfurado, afiado, fresado, retificado, soldado, colado. Em termos de resistência à corrosão, o titânio é comparável aos metais preciosos. Tem alta resistência, baixa densidade e é bastante leve. Recentemente, uma ampla gama de uma grande variedade de jóias foi feita de titânio em países estrangeiros.

Zinco.É um metal branco acinzentado com um tom azulado. Os primeiros produtos de arte feitos de zinco - esculturas decorativas, baixos-relevos - surgiram no século XVIII. No final do século 19, castiçais, arandelas de mesa, candelabros e esculturas decorativas eram feitas de zinco usando fundição artística, que muitas vezes eram tingidas para parecerem bronze ou douradas. Na joalheria, o zinco é utilizado para a preparação de soldas e também como um dos componentes em diversas ligas.

Ferro fundido. Existem os seguintes tipos de ferro fundido: fundição (cinza), conversão (branco) e especial. Para a fabricação de produtos artísticos, apenas fundição ou ferro fundido cinzento são usados. O ferro fundido cinzento é o principal material para fundição artística. Dele são moldados vasos e pequenas esculturas, caixões e caixões, cinzeiros e castiçais, artigos de paisagismo e muitos outros produtos.

Edelman V. Metais // Kvant. - 1992. - No. 2. - S. 2-9.

Por acordo especial com o conselho editorial e os editores da revista "Kvant"

O que são metais?

“O metal é um corpo leve que pode ser forjado”, escreveu Lomonosov em 1763. Dê uma olhada no seu livro de química e você verá que os metais têm um brilho metálico característico (“corpo brilhante”) e são bons condutores de calor e eletricidade. É verdade que aí você vai ler que existem elementos que exibem as propriedades de metais e não metais. Em outras palavras, não há uma linha clara separando um do outro. O químico, que se interessa principalmente por reações químicas e para quem cada elemento é seu próprio mundo especial, não fica muito constrangido com essa ambiguidade. Mas a física não está satisfeita. Se a física divide os corpos em metais e não metais, então você precisa entender qual é a diferença fundamental entre eles. Portanto, é necessário definir o que é um metal de tal forma que, como em outros casos no campo das ciências exatas, dois requisitos sejam atendidos:

1. todos os metais devem possuir todos, sem exceção, os atributos que lhes são atribuídos;
2. outros objetos não devem ter pelo menos um desses recursos.

De posse dessas considerações, vejamos se todos os metais, sem exceção, possuem todas as propriedades que lhes são atribuídas pelo livro didático. Vamos começar com "você pode forjar", ou seja, com plasticidade, em termos modernos. E então, por consonância, lembramos os plásticos: afinal, não é à toa que eles são assim chamados, muitos deles são caracterizados pela plasticidade - a capacidade de mudar irreversivelmente de forma sem destruição. Claro, é fácil forjar cobre, ferro, alumínio, ainda mais fácil com chumbo, o índio é um metal bastante raro e caro - pode ser esmagado quase como cera (e a cera não é um metal!), os metais alcalinos são ainda mais macios . E tente acertar em ferro fundido comum - e ele se quebrará em pedaços! Bem, então os metalúrgicos dirão: isso é porque o ferro fundido não é uma substância simples. Consiste em cristais de ferro separados por camadas intermediárias de carbono, ou seja, grafite. É nessas camadas que o ferro fundido se quebra. Bem, tudo bem. Só aqui está o problema - grafite frágil, como se vê, a física moderna se refere aos metais! Sim, e mais de um grafite: por exemplo, arsênico, antimônio e bismuto estão listados entre os metais, mas podem ser forjados com o mesmo sucesso que o vidro - eles se quebram em pequenos pedaços!

Faça este experimento simples: quebre o balão de uma lâmpada queimada, retire a bobina de tungstênio de lá e tente girá-la. Nada virá disso, ele se desfará em pó! Mas de alguma forma eles conseguiram torcer na fábrica? Isso significa que pode ser algo assim - pode ser deformado ou não, dependendo do que aconteceu com a amostra no passado. Bem, é necessário, aparentemente, separar-se deste signo - plasticidade. Além disso, é inerente a muitos não-metais; afinal, o mesmo vidro - aqueça-o e ficará macio e flexível.

Então, encurtamos o texto e seguimos em frente.

O próximo na linha é “brilho”, ou, em termos científicos, propriedades ópticas. Há muitos objetos brilhantes: água, vidro, pedras polidas e você nunca sabe o que mais. Então apenas “brilho” não é suficiente, então eles dizem: os metais são caracterizados por um brilho metálico. Bem, isso é muito bom: acontece que metal é metal. É verdade que intuitivamente sentimos que o cobre polido, o ouro, a prata e o ferro brilham com um brilho metálico. E a difundida pirita mineral - não brilha como metais? Não há necessidade de falar sobre germânio e silício semicondutores típicos, na aparência eles não podem ser distinguidos dos metais. Por outro lado, não faz muito tempo, eles aprenderam a obter bons cristais de compostos como o dióxido de molibdênio; esses cristais são castanho-violeta e têm pouca semelhança com o metal comum. Acontece que esta substância deve ser considerada um metal. Por que - ficará claro um pouco mais.

Assim, o brilho como signo puramente "metálico" desaparece.

Em seguida é a condutividade térmica. Talvez este sinal possa ser descartado imediatamente - sem exceção, todos os corpos conduzem calor. É verdade que se diz dos metais que eles Nós vamos conduzir calor. Mas, receio, à pergunta "o que é bom e o que é ruim?" neste caso, nenhum pai responderá.

O cobre conduz bem o calor? Vamos olhar para a mesa e imediatamente nos deparamos com uma pergunta contrária: que tipo de cobre e a que temperatura? Se você pegar cobre puro, por exemplo, aquele de que são feitos os fios para dispositivos de rádio, e aquecê-lo a um calor vermelho, isto é, recozi-lo, então à temperatura ambiente, e mesmo prata pura, conduzirá o calor melhor do que qualquer outro. outro metal. Mas dobre essa amostra de cobre, bata-a ou prenda-a em um torno - e sua condutividade térmica se tornará visivelmente pior. E o que acontece se um pedaço de cobre recozido começar a esfriar? Primeiro, a condutividade térmica aumentará, aumentará dez vezes a uma temperatura de cerca de 10 K, e então começará a cair rapidamente e, ao atingir o zero absoluto, deverá se tornar zero (Fig. 1).

Arroz. 1. Dependência da condutividade térmica da temperatura para várias substâncias. (A condutividade térmica específica é a quantidade de calor que flui entre as faces opostas de um cubo com um lado de 1 cm a uma diferença de temperatura entre essas faces de 1 K em 1 s.)

Vamos agora pegar outro metal - bismuto. A imagem para ele é muito semelhante à que vimos para o cobre, apenas a condutividade térmica máxima é de 3 K e, à temperatura ambiente, o bismuto conduz mal o calor, não muito melhor que um cristal de quartzo. Mas o quartzo não é um metal! E o mesmo quartzo, como pode ser visto na Figura 1, às vezes não é pior que o cobre em termos de suas propriedades de condução de calor. E o quartzo fundido, ou seja, o vidro de quartzo, conduz mal o calor, como o aço inoxidável.

O quartzo não é exceção. Todos os cristais boa qualidade se comportam de forma semelhante, apenas os números serão ligeiramente diferentes. O diamante, por exemplo, já em temperatura ambiente tem melhor condutividade térmica que o cobre.

Rejeitamos a condutividade térmica com o coração puro e não nos arrependeremos. E não apenas porque com base nisso não é tão fácil distinguir um metal de um não metal, mas também porque, ao que parece, as características específicas da condutividade térmica dos metais (e existem) são uma consequência de sua condutividade elétrica - a última propriedade restante.

E novamente, na redação dada no início do artigo, o esclarecimento não é apenas condutividade elétrica, mas Boa condutividade elétrica. Mas quando se trata de condutividade térmica, o epíteto “bom” nos alertou e, como se viu, não foi em vão. O que - e a última propriedade sob suspeita? É imperativo salvá-lo, caso contrário, ficaremos sem metais e, ao mesmo tempo, sem semicondutores, sem isoladores. É assim que a ciência funciona! Na maioria dos casos, qualquer aluno dirá sem hesitação com o que está lidando, mas cavaram mais fundo - pararam desnorteados.

E há algo de. Vamos pegar tabelas de quantidades físicas e olhar para os números. Aqui, por exemplo, à temperatura ambiente, a resistividade ρ (Ohm cm) cobre ~1,55 10 -6 ; em bismuto ρ ~ 10 -4 ; grafite ρ ~ 10 -3 ; para silício puro e germânio ρ ~ 10 2 (mas adicionando impurezas, pode ser aumentado para ~ 10 -3); no mármore ρ = 10 7 - 10 11; pelo vidro ρ = 10 10 ; e em algum lugar no final da lista - âmbar com resistividade de até 1019. E onde terminam os metais condutores e começam os dielétricos? E ainda não mencionamos eletrólitos. A água do mar comum conduz bem a corrente. O que - e considerá-lo um metal?

Vamos ver se a temperatura nos ajuda. Se você aumentar a temperatura, as diferenças entre as substâncias começarão a suavizar: para o cobre, a resistência começará a aumentar, para o vidro, por exemplo, diminuir. Portanto, é necessário acompanhar o que acontece durante o resfriamento. E aqui finalmente vemos diferenças qualitativas. Veja a Figura 2: em temperaturas de hélio líquido, próximas do zero absoluto, as substâncias se dividem em dois grupos. Para alguns, a resistência permanece pequena, para ligas ou para metais não muito puros ρ quase não muda com o resfriamento, em metais puros a resistência diminui muito. Quanto mais puro e perfeito o cristal, maior essa mudança. Às vezes, u a uma temperatura próxima ao zero absoluto é centenas de milhares de vezes menor do que à temperatura ambiente. Em outras substâncias, como semicondutores, à medida que a temperatura diminui, a resistência começa a aumentar rapidamente, e quanto menor a temperatura, maior ela é. Se fosse possível chegar ao zero absoluto, então ρ se tornaria infinitamente grande. No entanto, basta que a resistência realmente se torne tão grande que não possa mais ser medida por nenhum instrumento moderno.

Então, chegamos à resposta: metais são substâncias que conduzem eletricidade em qualquer temperatura.

Arroz. 2. Dependência da resistência específica de metais puros (cobre e platina) e de um semicondutor (germânio puro) da temperatura.

Em contraste, os dielétricos deixam de conduzir corrente quando são resfriados até o zero absoluto. Usando esta definição, tanto a grafite quanto o dióxido de molibdênio são metais. Mas onde colocar semicondutores? Se um nós estamos falando sobre cristais puros e perfeitos, então eles são, estritamente falando, dielétricos. Mas se eles contiverem muitas impurezas, podem se tornar metais, ou seja, reter a condutividade nas temperaturas mais baixas.

O que nos resta no final? Conseguimos identificar o único um signo essencial, guiado pelo qual podemos, se não na prática cotidiana, pelo menos em princípio, sempre distinguir um metal de um não metal. E como este sinal é o único, ambas as condições são automaticamente satisfeitas, cujo cumprimento exigimos no início do artigo.

Por que os metais conduzem corrente?

Há muito se notou que alguns elementos, como cobre, ouro, prata, ferro, chumbo, estanho, tanto na forma pura quanto quando fundidos entre si, formam metais. Outros, como fósforo, enxofre, cloro, nitrogênio, oxigênio, não só não são metais, mas quando combinados com metais, eles os transformam em dielétricos. Um exemplo disso é o sal comum. NaCl . Portanto, na química, surgiu a divisão dos elementos em metais e não metais.

Tal classificação, no entanto, nada mais é do que uma constatação de fatos, embora à primeira vista pretenda explicar as propriedades das substâncias com base apenas na estrutura dos átomos. Na verdade, vamos olhar para a tabela periódica. Elementos localizados na mesma coluna são muito semelhantes em suas propriedades químicas. Mas os cristais ou ligas feitos a partir deles conduzirão corrente elétrica? Olhando para a tabela, é impossível responder a esta pergunta. Assim, todos os elementos do primeiro grupo são metais, com exceção do primeiro - hidrogênio. Mas uma lei que alguém pode quebrar não é mais uma lei. É verdade que as coisas são melhores no segundo grupo: aqui todos os elementos são metais familiares; e no terceiro grupo há novamente uma falha: o boro é um semicondutor e o alumínio é um metal maravilhoso. Mais ainda pior. O primeiro elemento do quarto grupo é o carbono; já mencionamos que o grafite, o chamado cristal de carbono, é um metal. Mas o diamante também é um cristal composto de átomos de carbono, mas dispostos de maneira diferente do grafite - um isolante. Silício e germânio são semicondutores clássicos. Estanho - ao que parece, um metal típico. No entanto... Se a conhecida lata branca brilhante for mantida por um longo tempo a uma temperatura de -30 ° C, sua estrutura cristalina mudará e, externamente, ficará cinza. E esta lata - eles chamam de "lata cinza" - é um semicondutor! E o chumbo é sempre um metal.

Se você começar a misturar elementos diferentes, a imagem ficará completamente complicada. Tomemos, por exemplo, e fundamos dois metais índio e antimônio - na proporção de um para um. Obtemos um semicondutor amplamente utilizado em tecnologia InSb . Por outro lado, já dissemos que o dióxido de molibdênio MoO 2 no T≈ 0 K conduz corrente, ou seja, MoO 2 - metais. (E WO 2 , e Re 2 O 3 e alguns outros óxidos também são metais.) E se os cristais resultantes dos átomos são fortemente comprimidos, espremidos, acontece que quase todas as substâncias se tornam metais, mesmo metalóides típicos como o enxofre. É verdade que a pressão de transição para o estado metálico é muito alta - várias centenas de milhares de atmosferas (e ainda mais para o hidrogênio).

Parece que separar elementos em metais e não metais não é uma tarefa tão fácil. De qualquer forma, é claro que, considerando átomos individuais, não podemos dizer se uma substância composta por esses átomos conduzirá corrente em T≈ 0 K, porque a maneira como os átomos estão localizados em relação uns aos outros desempenha um papel enorme. Portanto, para responder à pergunta "por que os metais conduzem a corrente?" é necessário estudar como os átomos interagem entre si, formando um corpo sólido.

Vamos ver como as coisas ficam com o mais simples dos metais - o lítio. Número de série Li - três. Isso significa que o núcleo de um átomo Li contém três prótons e a carga positiva do núcleo compensa três elétrons. Dois deles formam uma camada s preenchida mais próxima do núcleo e estão fortemente ligados ao núcleo. O elétron restante está localizado na segunda camada s. Poderia caber mais um elétron, mas o lítio não o tem. Todos os outros estados de energia permitidos são livres e os elétrons entram neles apenas quando o átomo está excitado (por exemplo, quando o vapor de lítio é fortemente aquecido). O esquema de níveis no átomo de lítio é mostrado na Figura 3.

Arroz. 3. Esquema dos níveis de energia do átomo de lítio e sua transformação em zonas quando os átomos se combinam em um cristal. Os estados ocupados são marcados em vermelho.

Considere agora o conjunto de átomos de lítio localizados em um volume limitado. Eles podem formar um gás (vapor), líquido ou sólido. A uma temperatura suficientemente baixa, as forças de atração mútua impedem o movimento térmico dos átomos e um cristal é formado. Isso certamente ocorre na temperatura zero absoluto, quando todas as substâncias conhecidas, exceto o hélio, são cristais.

Assim, sabe-se por experiência que em baixas temperaturas um sólido é um estado estável para o lítio. Mas, como se sabe, tal estado da matéria é sempre estável, em que sua energia interna é menor do que em outros possíveis estados de agregação à mesma temperatura. A diminuição total de energia durante a transição de um estado para outro é fácil de medir - afinal, este é o calor de evaporação ou fusão.

Do ponto de vista microscópico, em baixas temperaturas, a energia interna de uma substância é, antes de tudo, a soma das energias dos elétrons dos átomos que compõem o corpo. Mas os elétrons nos átomos ocupam níveis de energia estritamente definidos. Isso significa que podemos esperar que, quando os átomos se aproximarem, os níveis de energia mudarão. Nesse caso, a distribuição dos elétrons sobre os níveis deve ser tal que sua energia total seja menor que a soma das energias dos elétrons no mesmo número de átomos isolados uns dos outros.

O que acontecerá com os níveis pode ser entendido com base na analogia do movimento de um elétron em um átomo com qualquer sistema oscilatório, por exemplo, com um pêndulo. Suponha que temos dois pêndulos completamente idênticos. Desde que não interajam entre si, a frequência de oscilação de ambos os pêndulos é a mesma. Vamos agora apresentar a interação entre eles - vamos conectá-los, por exemplo, com uma mola macia. E imediatamente, em vez de uma frequência, duas aparecerão. Observe a Figura 4: os pêndulos acoplados podem oscilar em fase ou podem oscilar entre si. Obviamente, neste último caso, seu movimento será mais rápido, ou seja, a frequência de oscilações de tal sistema é maior que a frequência natural de oscilações de um pêndulo. Assim, o acoplamento leva à divisão de frequência. Se você conectar três pêndulos, então já haverá três frequências naturais, um sistema de quatro pêndulos conectados tem quatro frequências naturais, e assim por diante, ad infinitum.

Arroz. 4. Oscilações de pêndulos acoplados.

O comportamento de qualquer outro sistema oscilatório é semelhante. Se substituirmos os pêndulos, por exemplo, por circuitos elétricos oscilatórios, então, como bem sabem os radioamadores, quando se estabelece uma conexão entre eles, suas frequências naturais também se dividem. Os elétrons em um átomo também são um tipo de sistema oscilatório. Como um pêndulo, os elétrons têm massa, há uma força de Coulomb que os devolve à sua posição de equilíbrio; e isso determina o movimento dos elétrons no átomo, que, de acordo com a mecânica quântica, é caracterizado por sua própria frequência. Para os elétrons, a inclusão da interação durante a aproximação mútua leva ao fato de que as frequências que antes eram as mesmas se tornam ligeiramente diferentes.

Na mecânica quântica, existe uma relação direta entre energia e frequência de oscilação, expressa pela fórmula \(~E = h \nu\), onde h\u003d 6,6 10 -34 J s - constante de Planck e ν - frequência de oscilação. Portanto, deve-se esperar que quando dois átomos de lítio se aproximarem de cada um dos níveis mostrados na Figura 3, ele se divida em dois. Cada novo nível de energia corresponderá à sua própria camada eletrônica, agora não de um único átomo, mas de uma “molécula”. As camadas são preenchidas com elétrons de acordo com a mesma regra de um átomo - dois elétrons por camada. Esse par de conchas, que saiu do nível mais baixo, será completamente preenchido com elétrons. De fato, quatro elétrons podem ser colocados neles, e dois átomos de lítio têm seis deles. Restam dois elétrons, que agora estarão localizados no nível inferior do segundo par. Observe o salto qualitativo que ocorreu: anteriormente, esses dois elétrons ocupavam dois dos quatro estados que tinham a mesma energia. Agora eles têm a oportunidade de escolher, e se posicionaram de modo que sua energia total fosse menor. Não é difícil imaginar o que acontecerá quando os seguintes átomos forem adicionados: para três átomos, cada nível inicial se dividirá em três (veja a Fig. 3). Nove elétrons estarão localizados da seguinte forma: seis na tríade inferior de níveis que surgiram do nível da camada interna preenchida do átomo mais próximo do núcleo; mais dois elétrons - no nível mais baixo da próxima tríade; o elétron restante está no nível médio da mesma tríade. Mais um lugar neste nível permanece livre, e o nível superior está completamente vazio. Se você pegar nátomos (\(~n \gg 1\)), então cada nível se divide em n níveis muito próximos formando, como se costuma dizer, uma banda ou zona de valores de energia permitidos. Na faixa inferior, todos os estados estão ocupados, e no segundo - apenas metade, e precisamente aqueles cuja energia é menor. A próxima pista está completamente vazia.

A distância entre níveis adjacentes na zona é fácil de estimar. É natural supor que quando os átomos se aproximam, a mudança na energia dos elétrons do átomo é aproximadamente igual ao calor de vaporização da substância, recalculado por um átomo. Geralmente são vários elétron-volts para metais e, portanto, a largura de banda total Δ E, determinado pela interação de átomos vizinhos, deve ter a mesma escala, ou seja, Δ E~ 1 eV ≈ 10 -19 J. Para a distância entre os níveis obtemos \(~\delta E \sim \dfrac(\Delta E)(n)\), onde né o número de átomos na amostra. Esse número é extremamente grande: a distância interatômica é de apenas alguns angstroms e o volume por átomo é de apenas ~ 10 -22 cm 3 . Se nossa amostra tem, por definição, um volume de 1 cm 3, então para ela n≈ 10 22 . Portanto, numericamente resulta que δ E≈ 10 -22 Δ E≈ 10 -41 J. Este valor é tão pequeno que sempre se pode desprezar a quantização de energia dentro da zona e assumir que quaisquer valores de energia são permitidos dentro da zona.

Assim, em um cristal, os níveis de energia são espalhados em zonas com uma largura comparável à distância entre eles. Permitidos para os elétrons são estados dentro da banda, e aqui os elétrons podem ter quase qualquer energia (claro, dentro da largura da banda). Mas é muito importante que o número de lugares em cada zona seja estritamente limitado e igual ao dobro do número de átomos que compõem o cristal. E esta circunstância, juntamente com o princípio da energia mínima, determina a distribuição de elétrons nas zonas. Agora estamos prontos para finalmente entender por que o lítio conduz a corrente. Vejamos novamente a Figura 3. O que aconteceu? Enquanto os átomos estavam sozinhos, todos os elétrons estavam em estados bem definidos, estritamente os mesmos para todos os átomos. Agora os átomos se combinaram em um cristal. Os próprios átomos em um cristal não são apenas os mesmos, mas também exatamente os mesmos localizados em relação a seus vizinhos (com exceção, é claro, daqueles que atingem a superfície do cristal). E todos os elétrons agora têm energias diferentes. Isso só pode ser o caso se os elétrons não pertencerem mais a átomos individuais, mas cada elétron tiver sido "dividido" entre todos os átomos. Em outras palavras, os elétrons se movem livremente dentro de um cristal ideal, formando, por assim dizer, um líquido que preenche todo o volume da amostra. E a corrente elétrica é um fluxo direcionado desse líquido, semelhante à água que flui pelos canos.

Para forçar a água a fluir através de um tubo, uma diferença de pressão deve ser criada nas extremidades do tubo. Então, sob a ação de forças externas, as moléculas adquirirão uma velocidade direcionada - a água fluirá. O aparecimento de uma velocidade direcionada é muito importante aqui, porque as próprias moléculas se movem caoticamente em velocidades tremendas - à temperatura ambiente, a velocidade média do movimento térmico de uma molécula é de cerca de 10 3 m/s. Assim, a energia adicional adquirida pela molécula no fluxo é pequena em comparação com a energia do movimento térmico.

A energia adicional que deve ser transmitida a um elétron para que ele participe do movimento geral dirigido dos elétrons em um cristal (e esta é a corrente) também é pequena em comparação com a energia própria do elétron. Isso é fácil de verificar. Já dissemos que a energia de um elétron é igual em ordem de grandeza a 1 eV = 1,6 10 -19 J. Se nos lembrarmos que para um elétron livre \(~E = \dfrac(m \upsilon^2)(2 )\) e m\u003d 9,1 10 -31 kg, então é fácil encontrar a velocidade: υ ~ 10 6 m/s. Suponha que todos os elétrons participem da corrente e estejam a 1 m 3 do condutor n ~ 10 28 Z (Zé a carga nuclear). Em seguida, em um fio com uma seção transversal S\u003d 10 -6 m 2 na corrente EU≈ 10 A (com uma corrente mais alta o fio derreterá) a velocidade direcional dos elétrons é \(~\upsilon_H = \dfrac(I)(neS) \approx 10^(-2) - 10^(-3)\ ) EM. Isso significa que a energia do elétron que participa da corrente é maior que a energia E elétron livre por apenas 10 -8 E, ou seja, por 1,6 10-27 J.

E aqui nos deparamos com um fato surpreendente: acontece que os elétrons localizados na banda inferior, geralmente chamada de banda de valência, não podem alterar sua energia em uma pequena quantidade. Afinal, se algum elétron aumenta sua energia, isso significa que ele deve passar para outro nível, e todos os níveis vizinhos da banda de valência já estão ocupados. Só há vagas na próxima zona. Mas para chegar lá, o elétron deve mudar sua energia em vários elétron-volts de uma só vez. É assim que os elétrons ficam na banda de valência e esperam a torta no céu - um quantum energético. E os quanta da energia necessária estão na luz visível ou ultravioleta.

Então, há líquido, mas não pode fluir. E se o lítio tivesse apenas dois elétrons em um átomo, ou seja, se construíssemos uma imagem para os átomos de lítio, obteríamos um isolante. Mas o hélio sólido é de fato um isolante, então já podemos nos parabenizar por algum sucesso: ainda não explicamos por que a corrente pode fluir nos metais, mas entendemos por que os dielétricos, onde há muitos elétrons e todos eles são “manchados” em todo o cristal, não conduzem corrente.

Mas e o lítio? Ora, ele tem uma segunda zona, que está apenas pela metade. A energia que separa os níveis ocupado e livre dentro desta banda é chamada de energia de Fermi E f. Como já dissemos, a diferença de energia entre os níveis da banda é muito pequena. Basta que um elétron localizado na zona próxima ao nível de Fermi aumente ligeiramente sua energia - e é livre, onde os estados não estão ocupados. Nada impede que os elétrons da faixa limite aumentem sua energia sob a ação de um campo elétrico e adquiram uma velocidade direcionada. Mas esta é a corrente! Mas é igualmente fácil para esses elétrons perderem sua velocidade direcional quando colidem com átomos de impureza (que estão sempre lá) ou com outras violações da estrutura cristalina ideal. Isso explica a resistência atual.

Parece claro porque o hélio é um isolante e o lítio é um condutor. Vamos tentar aplicar nossas idéias ao próximo elemento - berílio. E aqui - uma falha de ignição, o modelo não funcionou. O berílio tem quatro elétrons, e parece que a primeira e a segunda zonas devem estar completamente ocupadas e a terceira deve estar vazia. Acontece um isolante, enquanto o berílio é um metal.

O ponto é este. Se a largura das zonas for grande o suficiente, elas podem se sobrepor. Sobre esse fenômeno, eles dizem que as zonas se sobrepõem. Isso é exatamente o que acontece no berílio: a energia mínima dos elétrons na terceira zona é menor que a energia máxima na segunda. Portanto, acaba sendo energeticamente favorável que os elétrons deixem a parte vazia da segunda banda e ocupem estados na parte inferior da terceira. É aí que entra o metal.

O que acontecerá com os outros elementos? Se as zonas se sobrepõem ou não, é impossível dizer com antecedência, isso requer cálculos de computador complicados e nem sempre é possível obter uma resposta confiável. Mas eis o que é notável: segue-se do nosso esquema que, se pegarmos elementos com um número ímpar de elétrons, um metal sempre deve ser obtido, se apenas um único átomo for a unidade estrutural do cristal. Mas o hidrogênio, por exemplo, nitrogênio e flúor, não quer cristalizar em tal rede. Eles preferem se unir primeiro em pares, e já as moléculas contendo um número par de elétrons se alinham em um cristal. E as leis da mecânica quântica não o impedem de ser um dielétrico.

Então, agora sabemos o que é um metal do ponto de vista da física e descobrimos a própria essência do fenômeno, entendendo por que isoladores e condutores existem em princípio. Vimos que não há uma maneira fácil de explicar por que uma determinada substância é um isolante ou um metal. Isso só pode ser feito armado com todo o poder do aparato da moderna mecânica quântica e da tecnologia computacional, mas isso já é tarefa dos especialistas.