Elemente chimice care formează în stare liberă substanțe simple cu legătură metalică (vezi Legătura chimică). Din cele 110 elemente chimice cunoscute (vezi Tabelul periodic al elementelor chimice), 88 sunt metale și doar 22 sunt nemetale.

Metalele precum aurul, argintul și cuprul sunt cunoscute omului încă din timpuri preistorice. În evul antic și în evul mediu, se credea că există doar 7 metale (aur, argint, cupru, staniu, plumb, fier și mercur). M. V. Lomonosov a definit metalul ca „un corp ușor care poate fi forjat” și a atribuit metalelor aur, argint, cupru, staniu, fier și plumb. A. Lavoisier în „Cursul elementar de chimie” (1789) a menționat deja 17 metale. La începutul secolului al XIX-lea. urmată de descoperirea metalelor de platină, apoi alcaline, alcalino-pământoase și o serie de altele.

Triumful legii periodice a fost descoperirea metalelor prezisă pe baza ei de D. I. Mendeleev - galiu, scandiu și germaniu. La mijlocul secolului XX. cu ajutorul reacțiilor nucleare s-au obținut elemente transuraniu – metale radioactive care nu există în natură.

Metalurgia modernă primește peste 60 de metale și peste 5.000 de aliaje pe baza acestora.

Structura metalelor se bazează pe o rețea cristalină de ioni pozitivi, scufundată într-un gaz dens de electroni mobili. Acești electroni compensează forțele electrice de repulsie dintre ionii pozitivi și, prin urmare, îi leagă în solide.

Acest tip de legătură chimică se numește legătură metalică. A determinat cele mai importante proprietăți fizice ale metalelor: plasticitate, conductivitate electrică, conductivitate termică, luciu metalic.

Plasticitatea este capacitatea metalelor de a-și schimba forma la impact, de a se rostogoli în foi subțiri și de a se întinde în sârmă. În acest caz, atomii și ionii rețelei cristaline sunt deplasați, dar legăturile dintre ei nu sunt rupte, deoarece electronii care formează legătura se mișcă în mod corespunzător. Plasticitatea metalelor scade în seriile Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe. Aurul, de exemplu, poate fi rulat în foi de până la 0,003 mm grosime, care sunt folosite pentru aurire.

Conductivitatea electrică ridicată a metalelor se explică prin prezența electronilor liberi, care, sub influența chiar și a unei mici diferențe de potențial, se deplasează de la polul negativ la cel pozitiv. Pe măsură ce temperatura crește, vibrațiile ionilor și atomilor metalici cresc, ceea ce împiedică mișcarea electronilor și, prin urmare, duce la o scădere a conductibilității electrice. La temperaturi scăzute, mișcarea vibrațională a ionilor și atomilor, dimpotrivă, scade foarte mult, iar conductivitatea electrică crește. Aproape de zero absolut, rezistența electrică a metalelor este practic absentă. Cel mai bun conductor de electricitate este argintul, urmat de cuprul, aurul, aluminiul și fierul. Se modifică și conductibilitatea termică a metalelor, ceea ce este cauzat atât de mobilitatea mare a electronilor liberi, cât și de mișcarea oscilativă a ionilor, datorită căreia temperatura se egalizează rapid în masa metalului. Luciul metalic este, de asemenea, asociat cu prezența electronilor liberi.

Dintre celelalte proprietăți fizice ale metalelor, densitatea, punctul de topire și duritatea sunt de cel mai mare interes practic. Cel mai ușor dintre metale este litiul (densitate 0,53 g/cm3), cel mai greu este osmiul (22,6 g/cm3). Metalele cu o densitate mai mică de 5 g / cm3 se numesc ușoare, restul - grele. Punctele de topire ale metalelor diferă foarte mult: cesiul și galiul pot fi topite cu căldura palmelor, iar punctul de topire al wolframului este de +3410 ° C. În condiții normale, singurul metal lichid este mercurul. În stare de vapori, toate metalele sunt monoatomice, rețeaua lor cristalină este distrusă.

Metalele variază ca duritate. Cele mai dure dintre ele - cromul - taie sticla, iar cele mai moi - potasiu, rubidiu si cesiu - se taie usor cu un cutit. Rezistența, punctul de topire și duritatea depind de rezistența legăturii metalice. Este deosebit de mare pentru metalele grele.

În tehnologie, aliajele pe bază de fier, adică fonta, oțelul și fierul în sine sunt numite metale feroase, toate celelalte metale sunt numite neferoase. Există și alte clasificări ale metalelor (vezi Sistemul periodic al elementelor chimice).

Proprietățile chimice ale metalelor sunt determinate de legătura slabă a electronilor de valență cu nucleul atomic. Atomii le cedează relativ ușor, transformându-se în ioni încărcați pozitiv. Prin urmare, metalele sunt buni agenți reducători. Aceasta este proprietatea lor chimică principală și cea mai comună.

Evident, ca agenți reducători, metalele trebuie să reacționeze cu diverși agenți oxidanți, printre care pot fi substanțe simple (nemetale), acizi, săruri ale metalelor mai puțin active și alte substanțe. Compușii metalici cu oxigen se numesc oxizi, cu halogeni halogenuri, cu sulf - sulfuri, cu azot - nitruri, cu fosfor - fosfuri, cu carbon - boruri, cu hidrogen - hidruri etc. Mulți dintre acești compuși și-au găsit aplicații importante în tehnologie.

Când metalele interacționează cu acizii, agentul de oxidare este ionul de hidrogen H +, care acceptă un electron din atomul de metal:

Mg - 2e - \u003d Mg 2+

_________________

Mg + 2H + = Mg2+ + H2

Metalele care se află în seria potențialelor standard ale electrodului (seria de tensiuni) la stânga hidrogenului deplasează (reduc) hidrogenul din acizi diluați, cum ar fi HCl sau H2SO4, iar metalele din dreapta hidrogenului nu îl deplasează.

Interacțiunea metalelor cu soluțiile apoase de săruri ale metalelor mai puțin active poate fi ilustrată printr-un exemplu:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Сu

În acest caz, electronii sunt detașați de atomii metalului mai activ, zincul, și are loc adăugarea lor de ioni Cu2+ mai puțin activi. Ghidați de o serie de potențiale standard ale electrodului, putem spune că metalul dislocă (restaurează) multe dintre următoarele metale din soluțiile sărurilor lor.

Metalele active (alcaline și alcalino-pământoase) interacționează și cu apa, care în acest caz acționează ca un agent oxidant.

Metalele, hidroxizii, care sunt amfoterici (vezi Amfoteritatea), de regulă, interacționează cu soluții atât de acizi, cât și de alcaline.

Metalele pot forma compuși chimici între ele. Astfel de compuși formează de obicei metale tipice cu metale cu proprietăți metalice slabe, cum ar fi anumiți compuși ai sodiului cu plumb:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

Compușii unor metale cu altele sunt numiți în mod colectiv compuși intermetalici, compuși intermetalici sau metalide.

Proprietățile considerate ale metalelor asociate cu recul electronilor în reacțiile chimice se numesc metalice. Toate elementele chimice le posedă în grade diferite. Proprietățile metalice sunt apreciate prin compararea electronegativității elementelor. Această valoare, exprimată în unități arbitrare, caracterizează capacitatea unui atom dintr-o moleculă de a atrage electroni. Valorile relative ale electronegativității elementelor sunt date în tabel. Cu cât electronegativitatea este mai mică, cu atât sunt mai pronunțate proprietățile metalice ale elementelor.

Știți că majoritatea elementelor chimice sunt clasificate ca metale - 92 din cele 114 elemente cunoscute.

Metalele - acestea sunt elemente chimice, atomii cărora donează electroni ai stratului de electroni exterior (și o parte din pre-exterior), transformându-se în ioni pozitivi.

Această proprietate a atomilor de metal, după cum știți, este determinată de faptul că au raze relativ mari și un număr mic de electroni (în principal de la 1 la 3) pe stratul exterior.

Singurele excepții sunt 6 metale: atomii de germaniu, staniu, plumb de pe stratul exterior au 4 electroni, atomi de antimoniu, bismut -5, atomi de poloniu - 6.

Atomii de metal se caracterizează prin valori scăzute de electronegativitate (de la 0,7 la 1,9) și proprietăți exclusiv reducătoare, adică capacitatea de a dona electroni.

Știți deja că în Tabelul periodic al elementelor chimice al lui D. I. Mendeleev, metalele sunt sub diagonala bor-astatină, și eu sunt deasupra ei în subgrupuri laterale. În perioadele și subgrupele de argilă, există regularități cunoscute de dvs. în schimbarea metalului și, prin urmare, proprietățile reducătoare ale atomilor elementelor.

Elementele chimice situate în apropierea diagonalei bor-astat au proprietăți duble: în unii dintre compușii lor se comportă ca metalele, în altele prezintă proprietățile unui nemetal.

În subgrupele secundare, proprietățile reducătoare ale metalelor scad cel mai adesea odată cu creșterea numărului de serie. Comparați activitatea metalelor din grupa I din subgrupul lateral cunoscut de dvs.: Cu, Ag, Au; Grupul II al unui subgrup secundar - și veți vedea singur.

Substanțele simple formate din elemente chimice - metale și substanțele complexe care conțin metale joacă un rol important în „viața” minerală și organică a Pământului. Este suficient să ne amintim că atomii (niciunul) elementelor metalice sunt o parte integrantă a compușilor care determină metabolismul în corpul oamenilor, al animalelor și al plantelor.

De exemplu, ionii de sodiu reglează conținutul de apă din organism, transmiterea impulsurilor nervoase. Deficiența acestuia duce la dureri de cap, slăbiciune, memorie slabă, pierderea poftei de mâncare, iar excesul său duce la creșterea tensiunii arteriale, hipertensiune arterială și boli de inimă. Nutriționiștii recomandă să nu consumați mai mult de 5 g (1 linguriță) de sare de masă (NaCl) per adult pe zi. Influența metalelor asupra stării animalelor și plantelor poate fi găsită în Tabelul 16.

Substanțe simple - metale
Odată cu dezvoltarea producției de metale (substanțe simple) și aliaje, a fost legată apariția civilizației („Epoca bronzului”, Epoca fierului).

Figura 38 prezintă o diagramă a rețelei cristaline de sodiu metalic. În el, fiecare atom de sodiu este înconjurat de opt alți învecinați. Atomii de sodiu, ca toate metalele, au mulți orbiti de valență liberi și puțini electroni de valență.

Singurul electron de valență al atomului de sodiu Zs 1 poate ocupa oricare dintre cei nouă orbitali liberi, deoarece aceștia nu diferă mult ca nivel de energie. Când atomii se apropie unul de altul, când se formează o rețea cristalină, orbitalii de valență ai atomilor vecini se suprapun, datorită cărora electronii se deplasează liber de la un orbital la altul, făcând o legătură între toți atomii cristalului de metal.

Acest tip de legătură chimică se numește legătură metalică. O legătură metalică este formată din elemente ai căror atomi de pe stratul exterior au puțini electroni de valență în comparație cu un număr mare de orbitali externi apropiați energetic. Electronii lor de valență sunt slab ținuți în atom. Electronii care realizează conexiunea sunt socializați și se mișcă prin rețeaua cristalină a metalului neutru în ansamblu.

Substanțele cu o legătură metalică sunt caracterizate de rețele cristaline metalice, care sunt de obicei descrise schematic ca o căpușă, așa cum se arată în figură, nodurile sunt cationi și atomi de metal. Electronii partajați atrag electrostatic cationii metalici situati la nodurile rețelei lor cristaline, asigurând stabilitatea și rezistența acesteia (electronii partajați sunt reprezentați ca mici bile negre).
O legătură metalică este o legătură în metale și aliaje între ioni de atomi metalici localizați la nodurile rețelei cristaline, care este realizată de electroni de valență socializați.

Unele metale cristalizează în două sau mai multe forme cristaline. Această proprietate a substanțelor - de a exista în mai multe modificări cristaline - se numește polimorfism. Polimorfismul pentru substanțe simple este cunoscut ca alotropie.

Staniul are două modificări cristaline:
. alfa - stabil sub 13,2 ºС cu densitatea р - 5,74 g/cm3. Aceasta este tablă gri. Are o rețea cristalină ca un diamant (atomic):
. betta - stabil peste 13,2 ºС cu o densitate p - 6,55 g/cm3. Aceasta este tablă albă.

Staniul alb este un metal foarte moale. Când este răcit sub 13,2 ºС, se sfărâmă într-o pulbere gri, deoarece la tranziție | 1 » n volumul său specific crește semnificativ. Acest fenomen se numește ciuma staniului. Desigur, un tip special de legătură chimică și tipul de rețea cristalină a metalelor ar trebui să le determine și să le explice. proprietăți fizice.

Ce sunt ei? Acestea sunt luciul metalic, plasticitatea, conductivitatea electrică ridicată și conductibilitatea termică, o creștere a rezistenței electrice odată cu creșterea temperaturii, precum și proprietăți practic semnificative precum densitatea, punctele de topire și de fierbere, duritatea și proprietățile magnetice.
Să încercăm să explicăm motivele care determină proprietățile fizice de bază ale metalelor. De ce metalele sunt plastice?

Acțiunea mecanică asupra unui cristal cu o rețea cristalină metalică determină deplasarea straturilor de atomi de ioni unul față de celălalt, deoarece electronii se mișcă în întregul cristal, legăturile nu sunt rupte, prin urmare, metalele sunt caracterizate de o plasticitate mai mare.

Un efect similar asupra unei substanțe solide cu legături covalente (rețeaua cristalină atomică) duce la ruperea legăturilor covalente. Ruperea legăturilor din rețeaua ionică duce la respingerea reciprocă a ionilor încărcați similar (Fig. 40). Prin urmare, substanțele cu rețele cristaline atomice și ionice sunt fragile.

Cele mai plastice metale sunt Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Ele sunt ușor trase în sârmă, predispuse la forjare, presare, rulare în foi.De exemplu, folie de aur cu o grosime de 0,008 nm poate fi făcută din aur și un fir de 1 km lungime poate fi tras din 0,5 g din acest metal.

Chiar și mercurul, care, după cum știți, este lichid la temperatura camerei, devine maleabil ca plumbul la temperaturi scăzute în stare solidă. Doar Bi și Mn nu au plasticitate, sunt fragile.

De ce metalele au un luciu caracteristic și sunt, de asemenea, opace?
Electronii care umplu spațiul interatomic reflectă razele de lumină (și nu transmit, ca sticla), iar majoritatea metalelor împrăștie în mod egal toate razele părții vizibile a spectrului. Prin urmare, au o culoare alb-argintiu sau gri. Stronțiul, aurul și cuprul absorb lungimi de undă scurte (aproape de violet) într-o măsură mai mare și reflectă lungimi de undă lungi ale spectrului luminos, prin urmare au culori galben deschis, galben și respectiv cupru.

Deși în practică, știți, metalul nu ni se pare întotdeauna a fi un corp ușor. În primul rând, suprafața sa se poate oxida și își poate pierde strălucirea. Prin urmare, cuprul nativ arată ca o piatră verzuie. Și în al doilea rând, chiar și metalul pur poate să nu strălucească. Foile foarte subțiri de argint și aur au un aspect complet neașteptat - au o culoare verde-albăstruie. Și pulberile fine de metal apar gri închis, chiar și negre.

Argintul, aluminiul, paladiul au cea mai mare reflectivitate. Sunt folosite la fabricarea oglinzilor, inclusiv a spoturilor.
De ce metalele au conductivitate electrică și conductivitate termică ridicate?

Electronii care se mișcă haotic într-un metal, sub influența unei tensiuni electrice aplicate, capătă o mișcare direcționată, adică conduc un curent electric. Odată cu creșterea temperaturii meta-afidelor, amplitudinile de vibrație ale atomilor și ionilor aflați la nodurile rețelei cristaline cresc. Acest lucru face dificilă mișcarea electronilor, iar conductivitatea electrică a metalului scade. La temperaturi scăzute, mișcarea oscilativă, dimpotrivă, scade foarte mult, iar conductivitatea electrică a metalelor crește brusc. Aproape de zero absolut, nu există practic nicio rezistență în metale, iar supraconductivitatea apare în majoritatea metalelor.

Trebuie remarcat faptul că nemetalele cu conductivitate electrică (de exemplu, grafitul), la temperaturi scăzute, dimpotrivă, nu conduc curentul electric din cauza absenței electronilor liberi. Și numai odată cu creșterea temperaturii și distrugerea unor legături covalente, conductivitatea lor electrică începe să crească.

Argintul, cuprul, precum și aurul, aluminiul au cea mai mare conductivitate electrică, manganul, plumbul și mercurul au cea mai scăzută.

Cel mai adesea, cu aceeași regularitate ca și conductibilitatea electrică, conductivitatea termică a metalelor se modifică.

Ele se datorează mobilității ridicate a electronilor liberi, care, ciocnind cu ionii și atomii vibratori, schimbă energie cu aceștia. Prin urmare, există o egalizare a temperaturii în întreaga bucată de metal.

Rezistența mecanică, densitatea, punctul de topire a metalelor sunt foarte diferite. Mai mult, odată cu creșterea numărului de electroni care leagă ioni-atomi și scăderea distanței interatomice în cristale, indicatorii acestor proprietăți cresc.

Deci, metalele alcaline, ai căror atomi au un electron de valență, sunt moi (tăiate cu un cuțit), cu densitate scăzută (litiul este cel mai ușor metal cu p - 0,53 g / cm3) și se topesc la temperaturi scăzute (de exemplu, punctul de topire). de cesiu este de 29 "C) Singurul metal care este lichid în condiții normale - mercurul - are punctul de topire de 38,9 "C.

Calciul, care are doi electroni în nivelul energetic exterior al atomilor, este mult mai dur și se topește la o temperatură mai mare (842 ° C).

Și mai arcuită este rețeaua cristalină formată din atomi de scandiu, care au trei electroni de valență.

Dar cele mai puternice rețele cristaline, densități mari și puncte de topire sunt observate în metalele subgrupurilor secundare ale grupelor V, VI, VII, VIII. Acest lucru se explică prin. că pentru metalele subgrupurilor laterale având electroni de valență nesalvați la subnivelul d, este caracteristică, pe lângă cea metalică, formarea de legături covalente foarte puternice între atomi, realizată de electronii stratului exterior din orbitalii s.

Amintiți-vă că cel mai greu metal este osmiul (o componentă a aliajelor superdure și rezistente la uzură), cel mai refractar metal este wolfram (folosit la fabricarea filamentelor lămpii), cel mai dur metal este cromul Cr (sticlă zgârieturi). Ele fac parte din materialele din care sunt fabricate sculele de tăiat metale, plăcuțele de frână ale mașinilor grele etc.

Metalele diferă în ceea ce privește câmpurile magnetice. Dar acest semn sunt împărțiți în trei grupuri:
. feromagnetice Capabil să fie magnetizat sub influența câmpurilor magnetice chiar slabe (fier - formă alfa, cobalt, nichel, gadoliniu);

Paramagnetic prezintă o slabă capacitate de magnetizare (aluminiu, crom, titan, aproape toate lantanidele);

Diamagnetice nu sunt atrase de magnet, chiar și ușor respinse de acesta (staniu, șuviți, bismut).

Amintiți-vă că, atunci când luăm în considerare structura electronică a metalelor, am subdivizat metalele în metale ale subgrupurilor principale (elementele k și p) și metale ale subgrupurilor secundare.

În inginerie, se obișnuiește să se clasifice metalele în funcție de diferite proprietăți fizice:

a) densitate - lumină (p< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);

b) punctul de topire - fuzibil si refractar.

Există clasificări ale metalelor în funcție de proprietățile chimice.
Metalele cu activitate chimică scăzută sunt numite nobile (argint, aur, platină și analogii săi - osmiu, iridiu, ruteniu, paladiu, rodiu).
În funcție de apropierea proprietăților chimice, alcaline (metale din grupa I din subgrupa principală), alcalino-pământoase (calciu, stronțiu, bariu, radiu), precum și metale cu pământuri rare (scandiu, ytriu, lantan și lantanide, actiniu și actinide) se disting.

Proprietățile chimice generale ale metalelor
Atomii de metal renunță relativ ușor la electronii de valență și trec în non-uri încărcate pozitiv, adică sunt oxidați. Aceasta, după cum știți, este principala proprietate comună atât a atomilor, cât și a substanțelor metalice simple.

Metalele din reacțiile chimice sunt întotdeauna un agent reducător. Capacitatea de reducere a atomilor de substanțe simple - metale, formate din elemente chimice dintr-o perioadă sau dintr-un subgrup principal al sistemului periodic al lui D. I. Mendeleev, se modifică în mod natural.

Activitatea reducătoare a unui metal în reacțiile chimice care au loc în soluții apoase reflectă poziția sa în seria electrochimică a tensiunilor metalice.

1. Cu cât metalul se află mai în stânga pe acest rând, cu atât agentul reducător este mai puternic.
2. Fiecare metal este capabil să înlocuiască (restaurează) din sărurile în soluție acele metale care se află după el (în dreapta) într-o serie de tensiuni.
3. Metalele care se află în seria tensiunilor la stânga hidrogenului sunt capabile să-l înlocuiască de acizii în soluție.
4. Metalele, care sunt cei mai puternici agenți reducători (alcaline și alcalino-pământoase), în orice soluție apoasă interacționează în primul rând cu apa.

Activitatea reducătoare a unui metal, determinată din seria electrochimică, nu corespunde întotdeauna cu poziția sa în Tabelul Periodic. Acest lucru se explică prin. Că, atunci când se determină poziția unui metal într-o serie de tensiuni, se ia în considerare nu numai energia de detașare a electronilor de la atomi individuali, ci și energia cheltuită pentru distrugerea rețelei cristaline, precum și energia eliberată în timpul hidratarea ionilor.

Având în vedere prevederile generale care caracterizează proprietățile reducătoare ale metalelor, ne întoarcem la reacții chimice specifice.

Interacțiunea cu substanțe simple nemetalice
1. Cu oxigen, majoritatea metalelor formează oxizi - bazici și amfoteri.

Litiul și metalele alcalino-pământoase reacţionează cu oxigenul atmosferic pentru a forma oxizi bazici.
2. Cu halogeni, metalele formează săruri ale acizilor hidrohalici.

3. Cu hidrogenul, cele mai active metale formează hidruri - săruri ionice, una dintre substanțele comune în care hidrogenul are o stare de oxidare de -1, de exemplu: hidrură de calciu.

4. Metalele formează săruri cu sulf – sulfuri.

5. Metalele reacționează cu azotul ceva mai greu, deoarece legătura chimică din molecula de azot Г^r este foarte puternică și se formează nitruri. La temperaturi obișnuite, doar litiul interacționează cu azotul.
Interacțiunea cu substanțe complexe
1. Cu apă. Metalele alcaline și alcalino-pământoase în condiții normale înlocuiesc hidrogenul din apă și formează baze alcaline solubile.

Alte metale, aflate într-o serie de tensiuni până la hidrogen, pot de asemenea, în anumite condiții, să înlocuiască hidrogenul din apă. Dar aluminiul interacționează violent cu apa doar dacă filmul de oxid este îndepărtat de pe suprafața sa.
Magneziul interacționează cu apa doar la fierbere, iar hidrogenul este de asemenea eliberat. Dacă în apă se adaugă magneziu care arde, arderea continuă, pe măsură ce reacția continuă: hidrogenul arde. Fierul interacționează cu apa numai atunci când este încălzit.
2. Metalele care se află în seria tensiunilor până la hidrogen interacționează cu acizii în soluție. Aceasta produce sare și hidrogen. Dar plumbul (și alte metale), în ciuda poziției sale în seria de tensiune (în stânga hidrogenului), aproape că nu se dizolvă în acid sulfuric diluat, deoarece sulfatul de plumb PbSO rezultat este insolubil și creează o peliculă protectoare pe suprafața metalului. .

3. Cu săruri ale metalelor mai puțin active în soluție. Ca rezultat al unei astfel de reacții, se formează o sare a unui metal mai activ și un metal mai puțin activ este eliberat într-o formă liberă.

4. Cu substante organice. Interacțiunea cu acizii organici este similară cu reacțiile cu acizii minerali. Alcoolii, pe de altă parte, pot prezenta proprietăți acide slabe atunci când interacționează cu metalele alcaline.
Metalele participă la reacții cu haloalcani, care sunt utilizați pentru obținerea de cicloalcani inferiori și pentru sinteze, în care scheletul de carbon al moleculei devine mai complex (reacția A. Wurtz):

5. Metalele ai căror hidroxizi sunt amfoteri interacționează cu alcalii în soluție.
6. Metalele pot forma compuși chimici între ele, care sunt numiți în mod colectiv compuși intermetalici. Cel mai adesea, ele nu arată stările de oxidare ale atomilor, care sunt caracteristice compușilor metalelor cu nemetale.

Compușii intermetalici de obicei nu au o compoziție constantă, legătura chimică din ei este în principal metalică. Formarea acestor compuși este mai tipică pentru metalele subgrupurilor secundare.

Oxizi și hidroxizi de metal
Oxizii formați din metale tipice sunt clasificați ca formatori de sare, de natură bazică a proprietăților.

Oxizii și hidroxizii unor metale sunt amfoteri, adică pot prezenta atât proprietăți bazice, cât și acide, în funcție de substanțele cu care interacționează.

De exemplu:

Multe metale din subgrupe secundare, care au o stare de oxidare variabilă în compuși, pot forma mai mulți oxizi și hidroxizi, a căror natură depinde de starea de oxidare a metalului.

De exemplu, cromul din compuși prezintă trei stări de oxidare: +2, +3, +6, prin urmare formează trei serii de oxizi și hidroxizi, iar odată cu creșterea stării de oxidare, caracterul acid crește și caracterul bazic slăbește.

Coroziunea metalelor
Când metalele interacționează cu substanțele din mediu, pe suprafața lor se formează compuși care au proprietăți complet diferite decât metalele în sine. În sens obișnuit, folosim adesea cuvintele „rugină”, „rugină”, văzând o acoperire maro-roșie pe produsele din fier și aliajele sale. Rugina este o formă comună de coroziune.

Coroziune- acesta este procesul de distrugere spontană a metalelor și aliajelor sub influența mediului extern (din lat. - coroziune).

Cu toate acestea, aproape toate metalele sunt supuse distrugerii, în urma căreia multe dintre proprietățile lor se deteriorează (sau se pierd complet): rezistența, ductilitatea, scăderea luciului, conductivitatea electrică scade, iar frecarea dintre piesele mobile ale mașinii crește, dimensiunile pieselor se modifică, etc.

Coroziunea metalelor poate fi continuă și locală.

Cele mai comune tipuri de coroziune sunt chimice și electrochimice.

I. Coroziunea chimică are loc într-un mediu neconductor. Acest tip de coroziune se manifestă în cazul interacțiunii metalelor cu gaze uscate sau lichide - neelectroliți (benzină, kerosen etc.) La o astfel de distrugere sunt supuse pieselor și componentelor motoarelor, turbinelor cu gaz, lansatoare de rachete. Coroziunea chimică este adesea observată în timpul prelucrării metalelor la temperaturi ridicate.

Majoritatea metalelor sunt oxidate de oxigenul atmosferic, formând pelicule de oxid la suprafață. Dacă acest film este puternic, dens, bine lipit de metal, atunci protejează metalul de distrugerea ulterioară. În fier, este liber, poros, ușor de separat de suprafață și, prin urmare, nu este capabil să protejeze metalul de distrugerea ulterioară.

II. Coroziunea electrochimică are loc într-un mediu conductiv (electrolit) cu apariția unui curent electric în interiorul sistemului. De regulă, metalele și aliajele sunt eterogene și conțin incluziuni de diverse impurități. Când intră în contact cu electroliții, unele părți ale suprafeței încep să joace rolul unui anod (donează electroni), în timp ce altele joacă rolul unui catod (acceptă electroni).

Într-un caz, se va observa degajarea gazelor (Hg). În celălalt - formarea ruginii.

Deci, coroziunea electrochimică este o reacție care are loc în mediile care conduc curentul (spre deosebire de coroziunea chimică). Procesul are loc atunci când două metale intră în contact sau pe suprafața unui metal care conține incluziuni care sunt conductori mai puțin activi (poate fi și un nemetal).

La anod (un metal mai activ), atomii de metal sunt oxidați pentru a forma cationi (dizolvare).

La catod (un conductor mai puțin activ), ionii de hidrogen sau moleculele de oxigen sunt reduse cu formarea de ioni de hidroxid H2 sau OH-.

Cationii de hidrogen și oxigenul dizolvat sunt cei mai importanți agenți oxidanți care provoacă coroziune electrochimică.

Viteza de coroziune este cu atât mai mare, cu atât metalele (metale și impuritățile) diferă în activitatea lor (pentru metale, cu atât sunt situate mai îndepărtate într-o serie de tensiuni). Coroziunea crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii.

Electrolitul poate fi apă de mare, apă de râu, umiditate condensată și, bineînțeles, electroliți cunoscuți - soluții de săruri, acizi, alcalii.

Vă amintiți evident că iarna se folosește sarea tehnică (clorură de sodiu, uneori clorură de calciu etc.) pentru a îndepărta zăpada și gheața de pe trotuare.Soluțiile rezultate se scurg în conductele de canalizare, creând astfel un mediu favorabil coroziunii electrochimice a utilităților subterane.

Metode de protecție împotriva coroziunii
Deja în proiectarea structurilor metalice, fabricarea acestora prevede măsuri de protecție împotriva coroziunii.

1. Slefuirea suprafetelor produsului pentru ca umezeala sa nu ramana pe ele.

2. Utilizarea aliajelor aliate care conțin aditivi speciali: crom, nichel, care la temperaturi ridicate formează un strat de oxid stabil pe suprafața metalului. Oțelurile aliate sunt binecunoscute - oțelurile inoxidabile, din care sunt fabricate articole de uz casnic (furculițe învelite, linguri), piese de mașini și unelte.

3. Aplicarea straturilor de protecție. Luați în considerare tipurile lor.

Nemetalice - uleiuri neoxidante, lacuri speciale, vopsele. Adevărat, sunt de scurtă durată, dar sunt ieftine.

Chimic - filme de suprafață create artificial: oxid, citric, siliciu, polimer etc. De exemplu, toate armele mici Detaliile multor instrumente de precizie sunt lustruite - acesta este procesul de obținere a celui mai subțire peliculă de oxizi de fier pe suprafața unui oțel produs. Pelicula de oxid artificial rezultată este foarte durabilă și oferă produsului o culoare neagră frumoasă și o nuanță albastră. Acoperirile polimerice sunt realizate din polietilenă, clorură de polivinil, rășini poliamidice. Ele sunt aplicate în două moduri: un produs încălzit este plasat într-o pulbere de polimer, care se topește și se sudează pe metal, sau suprafața metalului este tratată cu o soluție de polimer într-un solvent la temperatură joasă, care se evaporă rapid, și filmul de polimer. rămâne pe produs.

Acoperirile metalice sunt acoperiri cu alte metale, pe suprafața cărora se formează filme de protecție stabile sub acțiunea agenților oxidanți.

Aplicarea cromului pe suprafață - placare cu crom, placare cu nichel - nichel, placare cu zinc - zinc, cositor - cositor, etc. Acoperirea poate servi și ca metal pasiv chimic - aur, argint, cupru.

4. Metode electrochimice de protecţie.

Protector (anodic) - o bucată de metal mai activ (protector) este atașată la structura metalică protejată, care servește ca anod și este distrusă în prezența unui electrolit. Magneziul, aluminiul, zincul sunt folosite ca protector atunci când se protejează corpurile navelor, conductele, cablurile și alte produse elegante;

Catod - structura metalică este conectată la catodul unei surse externe de curent, ceea ce elimină posibilitatea distrugerii anodului acestuia

5. Tratarea specială a electrolitului sau a mediului în care se află structura metalică protejată.

Se ştie că meşterii damaschini pentru detartraj şi
rugina a folosit soluții de acid sulfuric cu adaos de drojdie de bere, făină, amidon. Aceștia aduc și au fost printre primii inhibitori. Ei nu au permis acidului să acționeze asupra metalului armei, ca urmare, s-au dizolvat doar solzii și rugina. Armurierii din Ural foloseau în acest scop supe de murături - soluții de acid sulfuric cu adaos de tărâțe de făină.

Exemple de utilizare a inhibitorilor moderni: în timpul transportului și depozitării, acidul clorhidric este perfect „îmblânzit” de derivații de butilamină. și acid sulfuric - acid azotic; dietilamina volatilă este injectată în diferite recipiente. Rețineți că inhibitorii acționează numai asupra metalului, făcându-l pasiv față de mediu, de exemplu, la o soluție acidă. Peste 5 mii de inhibitori de coroziune sunt cunoscuți științei.

Îndepărtarea oxigenului dizolvat în apă (dezaerare). Acest proces este utilizat la prepararea apei care intră în centralele de cazane.

Metode de obţinere a metalelor
Activitatea chimică semnificativă a metalelor (interacțiunea cu oxigenul atmosferic, alte nemetale, apă, soluții de sare, acizi) duce la faptul că acestea se găsesc în scoarța terestră în principal sub formă de compuși: oxizi, sulfuri, sulfați, cloruri, carbonați etc.
În formă liberă, există metale situate în seria tensiunilor din dreapta hidrogenului, deși mult mai des cuprul și mercurul pot fi găsite în natură sub formă de compuși.

Mineralele și rocile care conțin metale și compușii acestora, din care extracția metalelor pure este posibilă din punct de vedere tehnic și fezabilă din punct de vedere economic, se numesc minereuri.

Obținerea metalelor din minereuri este sarcina metalurgiei.
Metalurgia este și știința metodelor industriale de obținere a metalelor din minereuri. și sectorul industrial.
Orice proces metalurgic este un proces de reducere a ionilor metalici cu ajutorul diverșilor agenți reducători.

Pentru a implementa acest proces, este necesar să se ia în considerare activitatea metalului, să se selecteze un agent reducător, să se ia în considerare fezabilitatea tehnologică, factorii economici și de mediu. În conformitate cu aceasta, există următoarele metode de obținere a metalelor: pirometalurgică. hidrometalurgice, electrometalurgice.

Pirometalurgia- recuperarea metalelor din minereuri la temperaturi ridicate folosind carbon, monoxid de carbon (II). hidrogen, metale - aluminiu, magneziu.

De exemplu, staniul este redus din casiterit, iar cuprul din cuprită prin calcinare cu cărbune (cocs). Minereurile sulfurate sunt prăjite preliminar cu acces la aer, iar apoi oxidul rezultat este redus cu cărbune. Metalele sunt, de asemenea, izolate din minereurile carbonatate prin pomparea cu cărbune, deoarece carbonații se descompun la încălzire, transformându-se în oxizi, iar aceștia din urmă sunt redusi de cărbune.
Hidrometalurgia este reducerea metalelor la ele prin sărurile lor în soluție. Procesul se desfășoară în 2 etape: 1) un compus natural este dizolvat într-un reactiv adecvat pentru a obține o soluție dintr-o sare a acestui metal; 2) din solutia rezultata, acest metal este deplasat de unul mai activ sau restaurat prin electroliza. De exemplu, pentru a obține cupru din minereuri care conțin oxid de cupru, CuO, acesta este tratat cu acid sulfuric diluat.

Cuprul este extras din soluția de sare fie prin electroliză, fie înlocuit din sulfat cu fier. Se obtin astfel argint, zinc, molibden, aur, uraniu.

Electrometalurgie— recuperarea metalelor în procesul de electroliză a soluțiilor sau topiturii compușilor acestora.

Electroliză
Dacă electrozii sunt coborâți în soluția de electrolit sau se topesc și trece un curent electric constant, atunci ionii se vor deplasa într-o direcție: cationi - către catod (electrod încărcat negativ), anioni - către anod (electrod încărcat pozitiv) .

La catod, cationii acceptă electroni și se reduc la anod, anionii donează electroni și sunt oxidați. Acest proces se numește electroliză.
Electroliza este un proces redox care are loc pe electrozi atunci când un curent electric trece printr-o soluție sau o soluție de electrolit.

Cel mai simplu exemplu de astfel de procese este electroliza sărurilor topite. Luați în considerare procesul de electroliză a unei topituri de clorură de sodiu. Procesul de disociere termică are loc în topitură. Sub acțiunea unui curent electric, cationii se deplasează spre catod și primesc electroni de la acesta.
La catod se formează sodiu metalic, iar la anod se formează clor gazos.

Principalul lucru de reținut este că în procesul de electroliză are loc o reacție chimică din cauza energiei electrice, care nu poate continua spontan.

Situația este mai complicată în cazul electrolizei soluțiilor de electroliți.

Într-o soluție de sare, pe lângă ionii metalici și un reziduu acid, există molecule de apă. Prin urmare, atunci când se analizează procesele pe electrozi, este necesar să se ia în considerare participarea acestora la electroliză.

Există următoarele reguli pentru determinarea produșilor de electroliză ai soluțiilor apoase de electroliți.

1. Procesul pe catod nu depinde de materialul catodului pe care este realizat, ci de poziția metalului (cationul electrolit) în seria electrochimică a tensiunilor și dacă:
1.1. Cationul electrolit este situat în seria tensiunilor de la începutul seriei (împreună cu Al inclusiv), apoi procesul de reducere a apei se desfășoară la catod (se eliberează hidrogen). Cationii metalici nu sunt redusi, ei raman in solutie.
1.2. Cationul electrolit este într-o serie de tensiuni între aluminiu și hidrogen, apoi atât moleculele de metal, cât și moleculele de apă sunt reduse la catod.

1.3. Cationul electrolit se află într-o serie de tensiuni după hidrogen, apoi cationii metalici se reduc la catod.
1.4. Soluția conține cationi de diferite metale, apoi cationul metalic descărcat este restaurat, stând într-o serie de tensiuni
Aceste reguli sunt prezentate în Figura 10.

2. Procesul la anod depinde de materialul anodului și de natura anodului (Schema 11).
2.1. Dacă anodul este dizolvat (fier, zinc, cupru, argint și toate metalele care sunt oxidate în timpul electrolizei), atunci metalul anodului este oxidat, indiferent de natura anionului. 2. Dacă anodul nu se dizolvă (se numește inert - grafit, aur, platină), atunci:
a) în timpul electrolizei soluţiilor de săruri ale acizilor anoxici (fluoruri prome), anionul se oxidează la anod;
b) în timpul electrolizei soluțiilor de săruri ale acidului și fluorurilor cu conținut de oxigen la anod are loc procesul de oxidare a apei. Anionii nu sunt oxidați, ei rămân în soluție;

Electroliza topiturii și soluțiilor de substanțe este utilizată pe scară largă în industrie:
1. Pentru obținerea metalelor (aluminiul, magneziul, sodiul, cadmiul se obțin doar prin electroliză).
2. Pentru a obține hidrogen, halogeni, alcaline.
3. Pentru purificarea metalelor - rafinare (purificarea cuprului, nichelului, plumbului se realizează prin metoda electrochimică).
4. Pentru a proteja metalele împotriva coroziunii - aplicarea de acoperiri de protecție sub formă de strat subțire de alt metal care este rezistent la coroziune (crom, nichel, cupru, argint, aur) - galvanizare.

5. Obtinerea de copii metalice, inregistrari - galvanizare.
1. Cum sunt structura metalelor legate de localizarea lor în subgrupele principale și secundare ale Tabelului periodic al elementelor chimice ale lui D. I. Mendeleev?
2. De ce metalele alcaline și alcalino-pământoase au o singură stare de oxidare în compuși: (+1) și respectiv (+2), în timp ce metalele subgrupurilor secundare, de regulă, prezintă stări de oxidare diferite în compuși? 8. Ce stări de oxidare poate prezenta manganul? Ce oxizi și hidroxizi corespund manganului în aceste stări de oxidare? Care este caracterul lor?
4. Comparaţi structura electronică a atomilor elementelor grupei VII: mangan şi clor. Explicați diferența dintre proprietățile lor chimice și prezența unor grade diferite de oxidare a atomilor în ambele elemente.
5. De ce poziția metalelor în seria electrochimică a tensiunilor nu corespunde întotdeauna cu poziția lor în sistemul periodic al lui D. I. Mendeleev?
9. Faceți ecuații pentru reacțiile sodiului și magneziului cu acidul acetic. În ce caz și de ce viteza de reacție va fi mai rapidă?
11. Ce metode de obținere a metalelor cunoașteți? Care este esența tuturor metodelor?
14. Ce este coroziunea? Ce tipuri de coroziune cunoașteți? Care dintre ele este un proces fizic și chimic?
15. Pot fi considerate coroziune următoarele procese: a) oxidarea fierului în timpul sudării electrice, b) interacțiunea zincului cu acidul clorhidric în obținerea acidului gravat pentru lipire? Dați un răspuns motivat.
17. Produsul cu mangan se află în apă și nu intră în contact cu produsul de cupru. Vor rămâne ambele neschimbate?
18. O structură de fier va fi protejată de coroziunea electrochimică în apă dacă pe ea este întărită o placă dintr-un alt metal: a) magneziu, b) plumb, c) nichel?

19. În ce scop suprafața rezervoarelor pentru depozitarea produselor petroliere (benzină, kerosen) este vopsită cu argint - un amestec de pulbere de aluminiu cu unul dintre uleiurile vegetale?

Pagina 2

Fierul, cuprul și aluminiul au un luciu metalic caracteristic.

Când studiem solidele care nu au un luciu metalic caracteristic, observăm că conductivitatea lor electrică este foarte scăzută. Acestea includ substanțe pe care le numim ionice - clorură de sodiu, clorură de calciu, nitrat de argint și clorură de argint, precum și cristale moleculare, cum ar fi gheața. Gheața prezentată în fig. 5 - 3, este format din aceleași molecule care există în faza gazoasă, dar ordonate dispuse într-o rețea cristalină. Acești conductori săraci ai curentului electric sunt foarte diferiți de metale în aproape toate proprietățile. Astfel, conductivitatea electrică poate fi folosită pentru a clasifica substanțele, care este una dintre cele mai rezonabile.

Metalele sunt numite substanțe cristaline simple care au un luciu metalic caracteristic, conduc bine căldura și curentul electric, își pot schimba forma sub acțiunea forțelor externe și o rețin după ce sarcina este îndepărtată fără semne de distrugere. Din numărul total de elemente chimice cunoscute în prezent, optzeci de elemente sunt metale. Cele mai comune metale din scoarța terestră sub formă de compuși chimici sunt aluminiul, fierul, magneziul, potasiul, sodiul și calciul. Metalele pure au o utilizare limitată în tehnologie, deoarece sunt extrem de rare în natură, iar producția lor din compuși chimici (minereuri) este asociată cu mari dificultăți.

Ca urmare a coroziunii cu hidrogen, suprafața oțelului își pierde luciul metalic caracteristic și devine tern.

Polimerii sunt pulberi colorate fin dispersate, cu un luciu metalic caracteristic, solubile numai în acid sulfuric concentrat.

Toate elementele d - sunt metale cu un luciu metalic caracteristic. În comparație cu metalele s, rezistența lor este mult mai mare.

Iodul nedizolvat formează o peliculă clar vizibilă cu un luciu metalic caracteristic (plutind pe suprafața soluției) sau se adună la fundul balonului sub formă de particule negre. Deoarece soluția de iod este colorată în roșu intens și aproape opac, trebuie examinată cu mare atenție, ținând balonul de o lampă electrică strălucitoare agățată de tavan. Pentru a face acest lucru, trebuie să stați sub lampă, ținând balonul de gât într-o poziție înclinată între lampă și față și încercați să vedeți în ea o imagine strălucitoare a lămpii. Pe un astfel de fundal, cristalele de iod nedizolvate sunt clar vizibile. Apoi, cristalele ambelor substanțe se vor aduna într-un singur loc și în jurul cristalelor de iod se va crea o zonă de soluție concentrată de KJ, în care iodul se va dizolva rapid.

Toate metalele alcaline sunt substanțe de culoare alb-argintie, cu un luciu metalic caracteristic, conductivitate electrică și termică bună, puncte de topire scăzute și puncte de fierbere relativ scăzute, densitate scăzută și volum mare de atomi. În stare de vapori, moleculele lor sunt monoatomice; ionii sunt incolori.

De aspect cristale violet închis, aproape negre, cu o strălucire metalică caracteristică. Se dizolvă bine în apă. Permanganatul de potasiu este unul dintre agenții oxidanți puternici, care este motivul proprietăților sale de dezinfecție.

In procesul de fabricare a produselor prin prelucrarea artistica a metalelor se folosesc atat metale pretioase cat si nepretioase si aliajele acestora. Prețioase includ metale din grupul de aur, argint, platină și platină: paladiu, ruteniu, iridiu, osmiu și neprețioase - metale feroase - oțel, fontă - și metale neferoase - cupru, alamă, bronz, aluminiu, magneziu, cupronickel , nichel argint, nichel, zinc, plumb, cositor, titan, tantal, niobiu. Cadmiul, mercurul, antimoniul, bismutul, arsenul, cobaltul, cromul, wolframul, molibdenul, manganul, vanadiul se mai folosesc sub formă de aditivi mici pentru a modifica proprietățile aliajelor sau ca acoperiri.

Aluminiu. Acest metal moale, alb argintiu, este ușor rulat, desenat și tăiat. Siliciul, cupru, magneziu, zinc, nichel, mangan, crom sunt adăugate aliajelor de aluminiu pentru a crește rezistența. Aliajele de aluminiu sunt folosite pentru a produce detalii arhitecturale turnate și sculpturi, precum și bijuterii.

Bronz. Este un aliaj de cupru cu zinc, staniu, plumb. Se produc și bronzuri fără cositor. În istoria omenirii, o întreagă epocă se numește Epoca Bronzului, când oamenii, după ce au învățat cum să topească bronzul, au făcut din el obiecte de uz casnic, arme, bancnote (monede) și bijuterii. În prezent, monumentele, sculpturile monumentale, precum și decorațiunile interioare ale teatrelor, muzeelor, palatelor, vestibulelor subterane ale stației de metrou sunt realizate din bronz.

Aur. Din cele mai vechi timpuri și până în zilele noastre, aurul a fost cel mai obișnuit metal pentru realizarea de bijuterii, vesela și decorațiunile interioare. Este utilizat pe scară largă pentru aurirea metalelor feroase și neferoase, precum și pentru pregătirea lipiturilor. Aurul în forma sa cea mai pură este un metal galben frumos. Aliajele de aur pot fi alb, roșu, verde și, de asemenea, vopsite în negru. Aurul este un metal foarte vâscos, ductil și maleabil. Aliajele de aur sunt bine tăiate, șlefuite și lustruite. Aurul nu se oxidează. Se dizolvă numai în acid selenic și aqua regia - un amestec de acizi concentrați: o parte nitric și trei părți clorhidric.

Iridiu. Acest metal arată ca staniul, dar diferă de acesta prin duritate mare și fragilitate. Iridium lustruiește bine, dar este greu de prelucrat. Nu este afectat de alcalii, acizi sau amestecuri ale acestora. Iridiul este folosit în bijuterii.

Alamă. Acesta este un aliaj de cupru și zinc, utilizat pentru fabricarea de veselă și decorațiuni interioare (goaluri), precum și diverse bijuterii, adesea placate cu argint sau aurite. Alama este prelucrata cu succes prin taiere, usor lipit, laminata, stantata, batuta, nichelata, argintita, aurita, oxidata”, in comparatie cu cuprul pur, sunt mai rezistente si mai dure, mult mai ieftine si mai elegante la culoare. Alama cu un conținut scăzut de zinc (de la 3 la 20%), numit tombac, are o culoare galben-roșiatică.

Magneziu. Acest metal este de patru ori mai ușor decât bronzul. Aliajele constând din magneziu, aluminiu, mangan, zinc, precum și cupru și cadmiu, au fost folosite recent pentru fabricarea articolelor de decorațiuni interioare pentru instalațiile industriale.

Cupru. Este un metal moale, excepțional de ductil și vâscos, ușor de prelucrat prin presiune: trefilare, laminare, ștanțare, gofrare. Cuprul este bine măcinat și lustruit, dar își pierde rapid strălucirea; este greu de ascutit, de gaurit, de frezat. Cuprul pur sau roșu este folosit pentru fabricarea de bijuterii din filigran și de articole de decorare interioară - monedă. Cuprul este folosit pentru prepararea lipiturilor (cupru, argint, aur), precum și un aditiv în diferite aliaje.

Nichel. Metal alb, foarte lucios, rezistent chimic, refractar, durabil și ductil; nu apare în forma sa pură în scoarța terestră. Nichelul este utilizat în principal pentru acoperirea decorativă și de protecție a articolelor de aranjare a mesei și a bijuteriilor și a aliajelor pe bază de nichel (cupronickel și nichel-argint), care au suficientă rezistență la coroziune, rezistență, ductilitate și capacitatea de a fi ușor laminate, batate, ștanțate și lustruite. , sunt folosite pentru realizarea articolelor pentru aranjarea mesei și decorațiuni interioare, precum și bijuterii.

Niobiu. Foarte asemănător cu tantalul. Rezistent la acizi: nu este afectat de acizii acva regia, clorhidric, sulfuric, nitric, fosforic, percloric. Niobiul este solubil numai în acid fluorhidric și amestecul acestuia cu acid azotic. Recent, a fost folosit în străinătate pentru fabricarea de bijuterii.

Staniu.În antichitate, monedele erau bătute din tablă și se făceau vase. Acest metal moale și ductil este de culoare mai închisă decât argintul și depășește plumbul ca duritate. În bijuterii, se folosește la prepararea lipiturilor și ca componentă a aliajelor de metale neferoase, iar mai nou, în plus, la fabricarea de bijuterii și articole de decorațiuni interioare.

Osmiu. Este un metal strălucitor, gri-albăstrui, foarte dur și greu. Osmiul nu se dizolvă în acizi și amestecurile acestora. Este folosit în aliaje cu platină.

Paladiu. Acest metal ductil vâscos poate fi ușor forjat și laminat. Culoarea paladiului este mai închisă decât argintul, dar mai deschisă decât platina. Se dizolvă în acid azotic și acva regia. Paladiul este folosit pentru a face bijuterii și este, de asemenea, folosit ca aditiv în aliaje cu aur, argint și platină.

Platină. Platina este folosită pentru realizarea de bijuterii și ca acoperire decorativă. Plasticitate, rezistență, rezistență la uzură, joc de culoare - acestea sunt proprietățile platinei care atrag atât de mult bijutierii. Platina este un metal lucios, alb, foarte maleabil, se dizolva cu mare dificultate chiar si in apa regia la fierbere - un amestec de trei parti de azot si cinci parti de acid clorhidric. În natură, platina apare cu un amestec de paladiu, ruteniu, rodiu, iridiu și osmiu.

Rodiu. Metal destul de dur, dar fragil, care amintește de culoarea aluminiului. Rodiul nu se dizolvă în acizi și amestecurile acestora. Rodiul este folosit pentru acoperirea decorativă a bijuteriilor.

Ruteniu. Un metal care în exterior aproape că nu diferă de platină, dar este mai fragil și mai dur. Este folosit într-un aliaj cu platină.

Conduce. Metal foarte moale și ductil, ușor laminat, ștanțat, presat, turnat bine. Plumbul este cunoscut din cele mai vechi timpuri și a fost utilizat pe scară largă pentru realizarea de sculpturi și detalii decorative ale arhitecturii. În bijuterii, plumbul este folosit pentru a realiza lipituri și ca componentă în aliaje.

Argint. Acest metal este folosit pe scară largă pentru fabricarea de articole de masă și de decorațiuni interioare, diverse bijuterii, și este folosit și pentru prepararea lipiturilor, ca acoperire decorativă și ligatură în aliaje de aur, platină și paladiu. Argintul are ductilitate și ductilitate mare, este bine tăiat, lustruit, laminat. Este mai dur decât aurul, dar mai moale decât cuprul, se dizolvă numai în acizi azotic și sulfuric fierbinte.

Oţel. Oțelul se obține prin retopirea fontei. În producția de produse de artă, se utilizează oțel inoxidabil și oțel albastru - de culoare închisă (prelucrat special). Oțelul inoxidabil este folosit pentru a face vesela și decorațiuni interioare, iar mai recent, bijuterii, iar oțelul albastru este folosit pentru a face bijuterii. Pentru a da un aspect mai elegant produselor din oțel inoxidabil, acestea sunt aurite sau argintite.

Tantal. Un metal gri cu o nuanță ușor de plumb, al doilea după wolfram în ceea ce privește refractaritatea. Se caracterizează prin plasticitate, rezistență, sudabilitate bună, rezistență la coroziune. Firmele de bijuterii din țările occidentale folosesc tantalul pentru fabricarea anumitor tipuri de bijuterii.

Titan. Acesta este un metal strălucitor, de culoare argintie, ușor de adaptat la diferite tipuri de prelucrare: poate fi găurit, ascuțit, frezat, șlefuit, lipit, lipit. În ceea ce privește rezistența la coroziune, titanul este comparabil cu metalele prețioase. Are rezistență ridicată, densitate scăzută și este destul de ușoară. Recent, o gamă largă de o mare varietate de bijuterii a fost realizată din titan în țări străine.

Zinc. Este un metal alb-cenușiu cu o tentă albăstruie. Primele produse de artă din zinc - sculpturi decorative, basoreliefuri - au apărut în secolul al XVIII-lea. La sfârșitul secolului al XIX-lea, sfeșnicele, aplicele de masă, candelabrele și sculpturile decorative erau realizate din zinc folosind turnare artistică, care erau adesea colorate pentru a arăta ca bronz sau aurite. În bijuterii, zincul este folosit pentru prepararea lipiturilor și, de asemenea, ca unul dintre componentele diferitelor aliaje.

Fontă. Există următoarele tipuri de fontă: turnătorie (gri), conversie (albă) și specială. Pentru fabricarea produselor artistice se folosește numai turnătorie sau fontă cenușie. Fonta cenușie este principalul material pentru turnarea artistică. Din el sunt turnate vaze și sculpturi mici, sicrie și sicrie, scrumiere și sfeșnice, articole de grădinărit și multe alte produse.

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

Prin acord special cu redacția și editorii revistei „Kvant”

Ce sunt metalele?

„Metalul este un corp ușor care poate fi forjat”, scria Lomonosov în 1763. Aruncă o privire la manualul tău de chimie și vei vedea că metalele au un luciu metalic caracteristic („corp luminos”) și sunt buni conductori de căldură și electricitate. Adevărat, chiar acolo vei citi că există elemente care prezintă proprietăți atât ale metalelor, cât și ale nemetalelor. Cu alte cuvinte, nu există o linie clară care să se separe una de alta. Chimistul, care este interesat în primul rând de reacțiile chimice și pentru care fiecare element este propria sa lume specială, nu este foarte stânjenit de o asemenea ambiguitate. Dar fizica nu este satisfăcută. Dacă fizica împarte corpurile în metale și nemetale, atunci trebuie să înțelegeți care este diferența lor fundamentală. Prin urmare, este necesar să se definească ce este un metal în așa fel încât, ca și în alte cazuri din domeniul științelor exacte, să fie îndeplinite două cerințe:

1. toate metalele trebuie să posede toate, fără excepție, atributele care le sunt atribuite;
2. alte obiecte nu ar trebui să aibă cel puțin una dintre aceste caracteristici.

Înarmați cu aceste considerații, să vedem dacă toate metalele, fără excepție, au toate proprietățile care le sunt atribuite de manual. Să începem cu „poți falsifica”, adică cu plasticitatea, în termeni moderni. Și apoi, prin consonanță, ne amintim materialele plastice: la urma urmei, nu degeaba sunt numite așa, multe dintre ele sunt caracterizate de plasticitate - capacitatea de a schimba ireversibil forma fără distrugere. Desigur, cuprul, fierul, aluminiul sunt ușor de forjat, chiar mai ușor cu plumbul, indiul este un metal destul de rar și scump - poate fi zdrobit aproape ca ceara (și ceara nu este un metal!), metalele alcaline sunt și mai moi. Și încercați să loviți de fontă obișnuită - și se va sparge în bucăți! Ei bine, atunci metalurgiștii vor spune: asta pentru că fonta nu este o substanță simplă. Este format din cristale de fier separate prin straturi intermediare de carbon, adică grafit. Pe aceste straturi se rupe fonta. Ei bine, e în regulă. Numai aici este problema - grafitul fragil, după cum se dovedește, fizica modernă se referă la metale! Da, și mai mult de un grafit: de exemplu, arsenicul, antimoniul și bismutul sunt enumerate printre metale, dar pot fi forjate cu același succes ca sticla - se sparg în bucăți mici!

Faceți acest experiment simplu: spargeți balonul unei lămpi arse, scoateți bobina de tungsten de acolo și încercați să o învârți. Nu va ieși nimic din asta, se va prăbuși în praf! Dar cumva au reușit să o răsucească la fabrică? Aceasta înseamnă că poate fi ceva de genul acesta - fie poate fi deformat, fie nu poate, în funcție de ceea ce sa întâmplat cu eșantionul în trecut. Ei bine, este necesar, aparent, să ne despărțim de acest semn - plasticitate. Mai mult, este inerent multor nemetale; la urma urmei, același pahar - încălziți-l și va deveni moale și flexibil.

Așadar, scurtăm formularea și mergem mai departe.

Următorul pe linie este „strălucirea” sau, în termeni științifici, proprietăți optice. Sunt multe obiecte strălucitoare: apă, sticlă, pietre lustruite și nu știi niciodată ce altceva. Deci doar „strălucirea” nu este suficientă, așa că se spune: metalele sunt caracterizate de un luciu metalic. Ei bine, asta este destul de bine: se dovedește că metalul este metal. Adevărat, intuitiv simțim că cuprul lustruit, aurul, argintul și fierul strălucesc cu o strălucire metalică. Și pirita minerală răspândită - nu strălucește ca metalele? Nu este nevoie să vorbim despre semiconductori tipici germaniu și siliciu, în aparență nu se pot distinge de metale. Pe de altă parte, nu cu mult timp în urmă au învățat cum să obțină cristale bune din compuși precum dioxidul de molibden; aceste cristale sunt maro-violet și seamănă puțin cu metalul obișnuit. Se pare că această substanță ar trebui considerată un metal. De ce - va fi clar puțin mai departe.

Așa că strălucirea ca semn pur „metalic” dispare.

Următorul este conductivitatea termică. Poate că acest semn poate fi aruncat imediat - fără excepție, toate corpurile conduc căldura. Adevărat, despre metale se spune că ei bine conduce căldura. Dar, mă tem, la întrebarea „ce este bine și ce este rău?” în acest caz, nici un tată nu va răspunde.

Cuprul conduce bine căldura? Să ne uităm la tabel și să ne întâlnim imediat cu o întrebare contrară: ce fel de cupru și la ce temperatură? Dacă luați cupru pur, de exemplu, din care sunt făcute firele pentru dispozitivele radio și îl încălziți la o căldură roșie, adică îl recoaceți, atunci la temperatura camerei, și chiar argintul pur, va conduce căldura mai bine decât oricare alt metal. Dar îndoiți o astfel de probă de cupru, loviți-o sau prindeți-o într-o menghină - și conductivitatea sa termică se va înrăutăți semnificativ. Și ce se întâmplă dacă o bucată de cupru recoaptă începe să se răcească? În primul rând, conductivitatea termică va crește, crește de zece ori la o temperatură de aproximativ 10 K, apoi va începe să scadă rapid și, la atingerea zero absolut, ar trebui să devină zero (Fig. 1).

Orez. 1. Dependența conductibilității termice de temperatură pentru diferite substanțe. (Conductivitatea termică specifică este cantitatea de căldură care curge între fețele opuse ale unui cub cu o latură de 1 cm la o diferență de temperatură între aceste fețe de 1 K în 1 s.)

Să luăm acum un alt metal - bismut. Imaginea pentru el este foarte asemănătoare cu cea pe care am văzut-o pentru cupru, doar conductivitatea termică maximă se află la 3 K, iar la temperatura camerei bismutul conduce prost căldura, nu mult mai bine decât un cristal de cuarț. Dar cuarțul nu este un metal! Și același cuarț, așa cum se poate observa din figura 1, se dovedește uneori a nu fi mai rău decât cuprul în ceea ce privește proprietățile sale conductoare de căldură. Și cuarțul topit, adică sticla de cuarț, conduce prost căldura, ca oțelul inoxidabil.

Cuarțul nu face excepție. Toate cristalele calitate bună se comportă în mod similar, doar numerele vor fi ușor diferite. Diamantul, de exemplu, deja la temperatura camerei are o conductivitate termică mai bună decât cuprul.

Respingem conductivitatea termică cu inima curată și nu vom regreta. Și nu numai pentru că, pe această bază, nu este atât de ușor să distingem un metal de un nemetal, ci și pentru că, se dovedește, caracteristicile specifice ale conductivității termice a metalelor (și există astfel) sunt o consecință a acestuia. conductivitate electrică - ultima proprietate rămasă.

Și din nou, în formularea dată la începutul articolului, clarificarea nu este doar conductivitatea electrică, ci bun conductivitate electrică. Dar când a fost vorba de conductivitate termică, epitetul „bun” ne-a alertat și, după cum s-a dovedit, nu în zadar. Ce - și ultima proprietate suspectată? Este imperativ să-l salvăm, altfel vom rămâne fără metale deloc și, în același timp, fără semiconductori, fără izolatori. Așa funcționează știința! În cele mai multe cazuri, orice școlar va spune fără ezitare cu ce are de-a face, dar au săpat mai adânc - s-au oprit nedumeriți.

Și există ceva din. Să luăm tabele cu mărimi fizice și să ne uităm la numere. Aici, de exemplu, la temperatura camerei, rezistivitatea ρ (Ohm cm) cupru ~1,55 10 -6; la bismut ρ ~ 10 -4; grafit ρ ~ 10 -3; pentru siliciu pur și germaniu ρ ~ 10 2 (dar prin adăugarea de impurități se poate aduce până la ~ 10 -3); la marmură ρ = 10 7 - 10 11; de pahar ρ = 10 10 ; și undeva la sfârșitul listei - chihlimbar cu o rezistivitate de până la 1019. Și unde se termină metalele conductoare și încep dielectricii? Și nu am menționat încă electroliții. Apa de mare obișnuită conduce bine curentul. Ce - și consideră-l un metal?

Să vedem dacă ne ajută temperatura. Dacă creșteți temperatura, atunci diferențele dintre substanțe vor începe să se netezească: pentru cupru, rezistența va începe să crească, pentru sticlă, de exemplu, să scadă. Deci, este necesar să urmăriți ce se întâmplă în timpul răcirii. Și aici vedem în sfârșit diferențe calitative. Priviți figura 2: la temperaturile heliului lichid, aproape de zero absolut, substanțele se împart în două grupuri. Pentru unii, rezistenta ramane mica, pentru aliaje sau pentru metale nu foarte pure ρ aproape nu se modifică la răcire, la metalele pure rezistența scade foarte mult. Cu cât cristalul este mai pur și mai perfect, cu atât este mai mare această schimbare. Uneori, u la o temperatură apropiată de zero absolut este de sute de mii de ori mai mică decât la temperatura camerei. În alte substanțe, precum semiconductori, pe măsură ce temperatura scade, rezistența începe să crească rapid, iar cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât este mai mare. Dacă ar fi posibil să ajungem la zero absolut, atunci ρ ar deveni infinit de mare. Cu toate acestea, este suficient ca rezistența să devină de fapt atât de mare încât să nu mai poată fi măsurată cu niciun instrument modern.

Așadar, am ajuns la răspuns: metalele sunt substanțe care conduc electricitatea la orice temperatură.

Orez. 2. Dependența rezistenței specifice a metalelor pure (cupru și platină) și a unui semiconductor (germaniu pur) de temperatură.

În schimb, dielectricii încetează să conducă curentul atunci când sunt răciți la zero absolut. Folosind această definiție, atât grafitul, cât și dioxidul de molibden sunt metale. Dar unde să pun semiconductori? În cazul în care un vorbim despre cristale pure, perfecte, atunci ele sunt, strict vorbind, dielectrice. Dar dacă conțin multe impurități, atunci pot deveni metale, adică își păstrează conductivitatea la cele mai scăzute temperaturi.

Ce ne mai rămâne până la urmă? Am reușit să ne identificăm singurul un semn esențial, ghidat după care putem, dacă nu în practica de zi cu zi, atunci cel puțin în principiu, să distingem întotdeauna un metal de un nemetal. Și întrucât acest semn este singurul, atunci ambele condiții sunt îndeplinite automat, a căror îndeplinire am cerut-o la începutul articolului.

De ce metalele conduc curentul?

S-a remarcat de mult timp că unele elemente, cum ar fi cuprul, aurul, argintul, fierul, plumbul, staniul, atât în ​​formă pură, cât și atunci când sunt topite între ele, formează metale. Altele, cum ar fi fosforul, sulful, clorul, azotul, oxigenul, nu numai că nu sunt metale în sine, dar atunci când sunt combinate cu metale, le transformă în dielectrici. Un exemplu în acest sens este sarea comună. NaCl . Prin urmare, în chimie a apărut împărțirea elementelor în metale și nemetale.

O astfel de clasificare, însă, nu este altceva decât o declarație de fapte, deși la prima vedere pretinde că explică proprietățile substanțelor bazate doar pe structura atomilor. De fapt, să ne uităm la tabelul periodic. Elementele situate în aceeași coloană sunt foarte asemănătoare în proprietățile lor chimice. Dar cristalele sau aliajele făcute din ele vor conduce curentul electric? Privind la tabel, este imposibil să răspunzi la această întrebare. Deci, toate elementele primului grup sunt metale, cu excepția primului - hidrogenul. Dar o lege pe care cineva are voie să o încalce nu mai este o lege. Adevărat, lucrurile stau mai bine în al doilea grup: aici toate elementele sunt metale familiare; iar în a treia grupă există din nou un eșec: borul este un semiconductor, iar aluminiul este un metal minunat. Mai departe și mai rău. Primul element al celui de-al patrulea grup este carbonul; am menționat deja că grafitul, așa-numitul cristal de carbon, este un metal. Dar diamantul este, de asemenea, un cristal compus din atomi de carbon, dar dispus diferit decât în ​​grafit - un izolator. Siliciul și germaniul sunt semiconductori clasici. Tin - s-ar părea, un metal tipic. Cu toate acestea... Dacă staniul alb strălucitor familiar este ținut pentru o lungă perioadă de timp la o temperatură de -30 ° C, atunci structura sa de cristal se va schimba și în exterior se va transforma în gri. Și această tablă - ei o numesc „staniu gri” - este un semiconductor! Și plumbul este întotdeauna un metal.

Dacă începeți să amestecați diferite elemente, atunci imaginea va deveni complet complicată. Luați, de exemplu, și fuzionați două metale indiu și antimoniu - într-un raport de unu la unu. Obținem un semiconductor utilizat pe scară largă în tehnologie InSb . Pe de altă parte, am spus deja că dioxidul de molibden MoO 2 la T≈ 0 K conduce curentul, adică MoO 2 - metal. (ȘI WO 2 , și Re 2 O 3 iar alți oxizi sunt, de asemenea, metale.) Și dacă cristalele rezultate din atomi sunt puternic comprimate, stoarse, atunci se dovedește că aproape toate substanțele devin metale, chiar și metaloizi tipici precum sulful. Adevărat, pentru aceasta presiunea de tranziție la starea metalică este foarte mare - câteva sute de mii de atmosfere (și chiar mai mult pentru hidrogen).

Se pare că separarea elementelor în metale și nemetale nu este o sarcină atât de ușoară. În orice caz, este clar că, luând în considerare atomii individuali, nu putem spune dacă o substanță compusă din acești atomi va conduce curentul la T≈ 0 K, deoarece modul în care atomii sunt localizați unul față de celălalt joacă un rol uriaș. Prin urmare, pentru a răspunde la întrebarea „de ce metalele conduc curentul?” este necesar să se studieze modul în care atomii interacționează între ei, formând un corp solid.

Să vedem cum stau lucrurile cu cel mai simplu dintre metale - litiu. Număr de serie Li - Trei. Aceasta înseamnă că nucleul unui atom Li conține trei protoni și sarcina pozitivă a nucleului compensează trei electroni. Două dintre ele formează un s-shell umplut cel mai aproape de nucleu și sunt puternic legate de nucleu. Electronul rămas este situat pe a doua înveliș S. Ar putea încăpea încă un electron, dar litiul nu îl are. Toate celelalte stări de energie permise sunt libere, iar electronii intră în ele numai atunci când atomul este excitat (de exemplu, când vaporii de litiu sunt puternic încălziți). Schema nivelurilor în atomul de litiu este prezentată în Figura 3.

Orez. 3. Schema nivelurilor de energie ale atomului de litiu și transformarea lor în zone când atomii se combină într-un cristal. Stările ocupate sunt marcate cu roșu.

Luați în considerare acum setul de atomi de litiu situat într-un volum limitat. Pot forma un gaz (abur), lichid sau solid. La o temperatură suficient de scăzută, forțele de atracție reciprocă împiedică mișcarea termică a atomilor și se formează un cristal. Acest lucru se întâmplă cu siguranță la temperatura zero absolută, când toate substanțele cunoscute, cu excepția heliului, sunt cristale.

Deci, se știe din experiență că la temperaturi scăzute un solid este o stare stabilă pentru litiu. Dar, după cum se știe, o astfel de stare a materiei este întotdeauna stabilă, în care energia sa internă este mai mică decât în ​​alte stări posibile de agregare la aceeași temperatură. Scăderea totală a energiei în timpul tranziției de la o stare la alta este ușor de măsurat - la urma urmei, aceasta este căldura de evaporare sau de topire.

Din punct de vedere microscopic, la temperaturi scăzute, energia internă a unei substanțe este, în primul rând, suma energiilor electronilor atomilor care alcătuiesc corpul. Dar electronii din atomi ocupă niveluri de energie strict definite. Aceasta înseamnă că ne putem aștepta ca atunci când atomii se apropie unul de celălalt, nivelurile de energie se vor schimba. În acest caz, distribuția electronilor pe niveluri ar trebui să fie astfel încât energia lor totală să fie mai mică decât suma energiilor electronilor din același număr de atomi izolați unul de celălalt.

Ce se va întâmpla cu nivelurile poate fi înțeles pe baza analogiei mișcării unui electron într-un atom cu orice sistem oscilator, de exemplu, cu un pendul. Să presupunem că avem două pendule complet identice. Atâta timp cât nu interacționează între ele, frecvența de oscilație a ambelor penduluri este aceeași. Să introducem acum interacțiunea dintre ele - le vom conecta, de exemplu, cu un arc moale. Și imediat, în loc de o frecvență, vor apărea două. Uitați-vă la Figura 4: pendulele cuplate pot oscila în fază sau pot oscila unul spre celălalt. Evident, în acest din urmă caz, mișcarea lor va fi mai rapidă, adică frecvența oscilațiilor unui astfel de sistem este mai mare decât frecvența naturală a oscilațiilor unui pendul. Astfel, cuplarea duce la divizarea frecvenței. Dacă conectați trei pendule, atunci vor exista deja trei frecvențe naturale, un sistem de patru pendule conectate are patru frecvențe naturale și așa mai departe la infinit.

Orez. 4. Oscilațiile pendulelor cuplate.

Comportamentul oricărui alt sistem oscilator este similar. Dacă înlocuim pendulele, de exemplu, cu circuite electrice oscilante, atunci, așa cum știu bine radioamatorii, atunci când se introduce o conexiune între ele, frecvențele lor naturale sunt și ele împărțite. Electronii dintr-un atom sunt, de asemenea, un fel de sistem oscilator. Ca un pendul, electronii au masă, există o forță Coulomb care îi readuce în poziția lor de echilibru; iar aceasta determină mișcarea electronilor din atom, care, conform mecanicii cuantice, se caracterizează prin frecvența proprie. Pentru electroni, includerea interacțiunii în timpul abordării reciproce duce la faptul că frecvențele care erau anterior aceleași devin ușor diferite.

În mecanica cuantică, există o relație directă între energie și frecvența de oscilație, exprimată prin formula \(~E = h \nu\), unde h\u003d 6,6 10 -34 J s - constanta lui Planck și ν - frecventa de oscilatie. Prin urmare, ar trebui de așteptat ca atunci când doi atomi de litiu se apropie de fiecare dintre nivelurile prezentate în Figura 3, acesta se va împărți în doi. Fiecare nou nivel de energie va corespunde propriei sale învelișuri de electroni, acum nu a unui singur atom, ci a unei „molecule”. Învelișurile sunt umplute cu electroni în conformitate cu aceeași regulă ca pentru un atom - doi electroni pe înveliș. Acea pereche de cochilii, care a ieșit de la cel mai de jos nivel, va fi complet umplută cu electroni. Într-adevăr, patru electroni pot fi plasați pe ei, iar doi atomi de litiu au șase dintre ei. Rămân doi electroni, care vor fi acum localizați la nivelul inferior al celei de-a doua perechi. Observați saltul calitativ care a avut loc: anterior, acești doi electroni ocupau două dintre cele patru stări care aveau aceeași energie. Acum au ocazia să aleagă și s-au poziționat astfel încât energia lor totală să fie mai mică. Nu este greu de imaginat ce se va întâmpla atunci când următorii atomi sunt adăugați: pentru trei atomi, fiecare nivel inițial se va împărți în trei (vezi Fig. 3). Nouă electroni vor fi localizați după cum urmează: șase pe triada inferioară a nivelurilor care au apărut de la nivelul învelișului interior plin al atomului cel mai apropiat de nucleu; încă doi electroni - la nivelul inferior al următoarei triade; electronul rămas se află la nivelul mijlociu al aceleiași triade. Încă un loc la acest nivel rămâne liber, iar nivelul superior este complet gol. Dacă iei n atomi (\(~n \gg 1\)), apoi fiecare nivel se împarte în n niveluri strâns distanțate formând, după cum se spune, o bandă sau zonă de valori energetice admise. În banda inferioară, toate statele sunt ocupate, iar în a doua - doar jumătate și tocmai cele a căror energie este mai mică. Următoarea bandă este complet goală.

Distanța dintre nivelurile adiacente din zonă este ușor de estimat. Este firesc să presupunem că atunci când atomii se apropie unul de altul, modificarea energiei electronilor atomului este aproximativ egală cu căldura de vaporizare a substanței, recalculată la un atom. Este de obicei câțiva electronvolți pentru metale și, prin urmare, lățimea totală a benzii Δ E, determinată de interacțiunea atomilor vecini, trebuie să aibă aceeași scară, adică Δ E~ 1 eV ≈ 10 -19 J. Pentru distanța dintre niveluri obținem \(~\delta E \sim \dfrac(\Delta E)(n)\), unde n este numărul de atomi din probă. Acest număr este extrem de mare: distanța interatomică este de doar câțiva angstromi, iar volumul per atom este de numai ~ 10 -22 cm 3 . Dacă proba noastră are, pentru certitudine, un volum de 1 cm 3, atunci pentru el n≈ 10 22 . Prin urmare, numeric rezultă δ E≈ 10 -22 Δ E≈ 10 -41 J. Această valoare este atât de mică încât se poate neglija întotdeauna cuantizarea energiei în interiorul zonei și să presupunem că orice valoare a energiei este permisă în zonă.

Deci, într-un cristal, nivelurile de energie sunt întinse în zone cu o lățime comparabilă cu distanța dintre ele. Pentru electroni sunt permise stări în interiorul benzii, iar aici electronii pot avea aproape orice energie (desigur, în lățimea benzii). Dar este foarte important ca numărul de locuri din fiecare zonă să fie strict limitat și egal cu dublul numărului de atomi care alcătuiesc cristalul. Și această împrejurare, împreună cu principiul energiei minime, determină distribuția electronilor pe zone. Acum suntem gata să înțelegem în sfârșit de ce litiul conduce curentul. Să ne uităm din nou la Figura 3. Ce sa întâmplat? În timp ce atomii erau pe cont propriu, toți electronii erau în stări bine definite, strict aceleași pentru toți atomii. Acum atomii s-au combinat într-un cristal. Atomii înșiși dintr-un cristal nu sunt doar aceiași, ci și exact aceiași localizați față de vecinii lor (cu excepția, desigur, a celor care lovesc suprafața cristalului). Și toți electronii au acum energii diferite. Acesta poate fi cazul numai dacă electronii nu mai aparțin atomilor individuali și fiecare electron a fost „împărțit” între toți atomii. Cu alte cuvinte, electronii se mișcă liber în interiorul unui cristal ideal, formând, parcă, un lichid care umple întregul volum al probei. Și curentul electric este un flux direcționat al acestui lichid, similar cu apa care curge prin țevi.

Pentru a forța apa să curgă printr-o țeavă, trebuie creată o diferență de presiune la capetele țevii. Apoi, sub acțiunea forțelor externe, moleculele vor dobândi o viteză direcționată - apa va curge. Apariția unei viteze direcționate este foarte importantă aici, deoarece moleculele înseși se mișcă haotic cu viteze extraordinare - la temperatura camerei, viteza medie a mișcării termice a unei molecule este de aproximativ 10 3 m/s. Deci energia suplimentară dobândită de molecula din flux este mică în comparație cu energia mișcării termice.

Energia suplimentară care trebuie transmisă unui electron pentru ca acesta să participe la mișcarea generală direcționată a electronilor dintr-un cristal (și acesta este curentul) este, de asemenea, mică în comparație cu energia proprie a electronului. Acest lucru este ușor de verificat. Am spus deja că energia unui electron este egală în ordinea mărimii cu 1 eV = 1,6 10 -19 J. Dacă ne amintim că pentru un electron liber \(~E = \dfrac(m \upsilon^2)(2) )\) și m\u003d 9,1 10 -31 kg, atunci este ușor să găsiți viteza: υ ~ 10 6 m/s. Să presupunem că toți electronii participă la curent și se află la 1 m 3 din conductor n ~ 10 28 Z (Z este sarcina nucleară). Apoi într-un fir cu o secțiune transversală S\u003d 10 -6 m 2 la curent eu≈ 10 A (la un curent mai mare firul se va topi) viteza direcțională a electronilor este \(~\upsilon_H = \dfrac(I)(neS) \aproximativ 10^(-2) - 10^(-3)\ ) Domnișoară. Aceasta înseamnă că energia electronului care participă la curent este mai mare decât energia E electron liber cu doar 10 -8 E, adică cu 1,6 10 -27 J.

Și aici ne confruntăm cu un fapt surprinzător: se dovedește că electronii care se află în banda inferioară, numită de obicei banda de valență, nu își pot schimba energia cu o cantitate mică. La urma urmei, dacă un electron își mărește energia, aceasta înseamnă că trebuie să treacă la un alt nivel și toate nivelurile învecinate din banda de valență sunt deja ocupate. Sunt locuri libere doar în zona următoare. Dar pentru a ajunge acolo, electronul trebuie să-și schimbe energia cu câțiva electroni volți deodată. Acesta este modul în care electronii stau în banda de valență și așteaptă plăcinta pe cer - un cuantum energetic. Iar cuantele energiei necesare sunt în lumină vizibilă sau ultravioletă.

Deci, există lichid, dar nu poate curge. Și dacă litiul ar avea doar doi electroni într-un atom, adică dacă am construi o imagine pentru atomii de litiu, atunci am obține un izolator. Dar heliul solid este într-adevăr un izolator, așa că putem deja să ne felicităm pentru un anumit succes: nu am explicat încă de ce poate curge curentul în metale, dar înțelegem de ce dielectricii, unde există o mulțime de electroni și toți sunt „untați” în întregul cristal, nu conduc curentul.

Dar ce zici de litiu? De ce, are o a doua zonă, care este doar pe jumătate umplută. Energia care separă nivelurile ocupate și cele libere din această bandă se numește energia Fermi E f. După cum am spus deja, diferența de energie între nivelurile din bandă este foarte mică. Este suficient ca un electron situat în zona de lângă nivelul Fermi să-și crească ușor energia - și este liber, acolo unde stările nu sunt ocupate. Nimic nu-i împiedică pe electronii din banda de limită să-și crească energia sub acțiunea unui câmp electric și să dobândească o viteză direcționată. Dar acesta este curentul! Dar este la fel de ușor pentru acești electroni să-și piardă viteza direcțională atunci când se ciocnesc cu atomii de impurități (care sunt întotdeauna acolo) sau cu alte încălcări ale structurii cristaline ideale. Aceasta explică rezistența curentă.

Pare clar de ce heliul este un izolator și litiul este un conductor. Să încercăm să aplicăm ideile noastre la următorul element - beriliu. Și aici - o rată de aprindere, modelul nu a funcționat. Beriliul are patru electroni și s-ar părea că prima și a doua zonă ar trebui să fie complet ocupate, iar a treia ar trebui să fie goală. Se dovedește un izolator, în timp ce beriliul este un metal.

Ideea este aceasta. Dacă lățimea zonelor este suficient de mare, atunci acestea se pot suprapune. Despre un astfel de fenomen se spune că zonele se suprapun. Este exact ceea ce se întâmplă în beriliu: energia minimă a electronilor din a treia zonă este mai mică decât energia maximă din a doua. Prin urmare, se dovedește a fi favorabil din punct de vedere energetic ca electronii să părăsească partea goală a celei de-a doua benzi și să ocupe stări în partea de jos a celei de-a treia. Aici intervine metalul.

Ce se va întâmpla cu celelalte elemente? Indiferent dacă zonele se suprapun sau nu, este imposibil de spus în prealabil, acest lucru necesită calcule greoaie pe computer și nu este întotdeauna posibil să obțineți un răspuns de încredere. Dar iată ce este remarcabil: din schema noastră rezultă că dacă luăm elemente cu un număr impar de electroni, atunci ar trebui să se obțină întotdeauna un metal, dacă doar un singur atom este o unitate structurală într-un cristal. Dar hidrogenul, de exemplu, azotul și fluorul, nu doresc să se cristalizeze într-o astfel de rețea. Ei preferă să se unească mai întâi în perechi și deja moleculele care conțin un număr par de electroni se aliniază într-un cristal. Iar legile mecanicii cuantice nu-l împiedică să fie dielectric.

Deci, acum știm ce este un metal din punctul de vedere al fizicii și ne-am dat seama de esența fenomenului, înțelegând de ce există în principiu izolatorii și conductorii. Am văzut că nu există o modalitate ușoară de a explica de ce o anumită substanță este un izolator sau un metal. Acest lucru poate fi făcut numai înarmați cu toată puterea aparatului de mecanică cuantică modernă și tehnologie computerizată, dar aceasta este deja sarcina specialiștilor.