Fizička svojstva metala. Metali i legure koje se koriste u proizvodnji umjetničkih proizvoda

Sastoji se od atoma jednog hemijskog elementa. U periodnom sistemu, metalna svojstva elemenata rastu s desna na lijevo. Svi čisti metali (kao elementi) su jednostavne supstance.

Kristalni silicijum - poluprovodnik

Foto efekat

Postoje fizičke i hemijske svojstva metala. Općenito, svojstva metala su prilično raznolika. Razlikovati metale alkalna, alkalna zemlja, crna, u boji, lantanidi(ili rijetka zemlja - bliska po hemijskim svojstvima zemljinoalkalnoj), aktinidi(većina su radioaktivni elementi), plemenito I platina metali. Osim toga, pojedinačni metali pokazuju i metalna i nemetalna svojstva. Takvi metali su amfoterni (ili, kako kažu, prelazni).

Gotovo svi metali imaju neka zajednička svojstva: metalni sjaj, strukturu kristalne rešetke, sposobnost ispoljavanja svojstava redukcionog agensa u kemijskim reakcijama, dok se oksidiraju. U kemijskim reakcijama ioni otopljenih metala pri interakciji s kiselinama stvaraju soli; u interakciji s vodom (ovisno o aktivnosti metala) formiraju alkalije ili baze.

Zašto metali sijaju?

Čvorovi kristalne rešetke metala sadrže atome. Elektroni koji se kreću oko atoma formiraju "elektronski plin" koji se može slobodno kretati u različitim smjerovima. Ovo svojstvo objašnjava visoku električnu i toplotnu provodljivost metala.

Elektronski plin odbija gotovo sve svjetlosne zrake. Zbog toga metali toliko sjaje i najčešće su sivi ili bijeli. Veze između pojedinačnih slojeva metala su male, što omogućava da se ti slojevi pod opterećenjem kreću u različitim smjerovima (drugim riječima, deformiraju metal). Jedinstveni metal je čisto zlato. Kovanjem se od čistog zlata može napraviti folija debljine 0,002 mm! Takav tanak komad metala je proziran i ima zelenu nijansu kada kroz njega gledate na sunčevu svjetlost.

Elektrofizička svojstva metala izraženo u njegovoj električnoj provodljivosti. Općenito je prihvaćeno da svi metali imaju visoku vrijednost električna provodljivost, odnosno dobro provode struju! Ali to nije tako, a osim toga, sve ovisi o temperaturi na kojoj se mjeri struja. Zamislimo metalnu kristalnu rešetku u kojoj se struja prenosi kretanjem elektrona. Elektroni se kreću od jednog čvora kristalne rešetke do drugog. Jedan elektron "gura" drugi elektron sa mjesta rešetke, koji se nastavlja kretati na drugo mjesto rešetke, itd. To jest, električna provodljivost također ovisi o tome koliko se lako elektroni mogu kretati između mjesta rešetke. Možemo reći da električna provodljivost metala ovisi o kristalnoj strukturi rešetke i gustoći čestica u njoj. Čestice u čvorovima rešetke imaju vibracije, a te su vibracije veće što je temperatura metala viša. Takvo ljuljanje značajno otežava kretanje elektrona u kristalnoj rešetki. Dakle, što je niža temperatura metala, to je veća njegova sposobnost da provodi struju!

Ovo dovodi do koncepta superprovodljivost, koji se javlja u metalu na temperaturi blizu apsolutne nule! Na apsolutnoj nuli (-273 0 C), vibracije čestica u kristalnoj rešetki metala potpuno se prigušuju!

Elektrofizička svojstva metala povezana s prolaskom struje zove se temperaturni koeficijent električnog otpora!

Elektrofizička svojstva metala

Utvrđena je zanimljiva činjenica da, na primjer, kod olova (Pb) i žive (Hg) na temperaturi koja je samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule električni otpor gotovo potpuno nestaje, odnosno nastaje uvjet supravodljivosti.

Srebro (Ag) ima najveću električnu provodljivost, zatim bakar (Cu), zatim zlato (Au) i aluminijum (Al). Visoka električna provodljivost ovih metala povezana je s njihovom upotrebom u elektrotehnici. Ponekad se, kako bi se osigurala hemijska otpornost i antikorozivna svojstva, koristi zlato (pozlaćeni kontakti).

Treba napomenuti da je električna provodljivost metala mnogo veća od električne provodljivosti nemetala. Na primjer, ugljik (C - grafit) ili silicijum (Si) imaju električnu provodljivost 1000 puta manju od, na primjer, žive. Osim toga, nemetali, uglavnom, nisu provodnici električne energije. Ali među nemetalima postoje poluvodiči: germanijum (Ge), kristalni silicijum, kao i neki oksidi, fosfiti (hemijska jedinjenja metala sa fosforom) i sulfidi (hemijska jedinjenja metala i sumpora).

Vjerovatno ste upoznati sa fenomenom - to je svojstvo metala da odustaju od elektrona pod utjecajem temperature ili svjetlosti.

Što se tiče toplinske provodljivosti metala, ona se može procijeniti iz periodnog sistema - raspoređuje se na potpuno isti način kao i elektronegativnost metala. (Metali u gornjem levom uglu imaju najveću elektronegativnost, na primer, elektronegativnost natrijuma Na je -2,76 V). Zauzvrat, toplinska provodljivost metala se objašnjava prisustvom slobodnih elektrona koji prenose toplinsku energiju.

Edelman V. Metali // Quantum. - 1992. - br. 2. - str. 2-9.

Po posebnom dogovoru sa uredništvom i urednicima časopisa "Kvant"

Šta su metali?

„Metal je lako telo koje se može kovati“, napisao je Lomonosov 1763. Pogledajte svoj udžbenik hemije i vidjet ćete da metali imaju karakterističan metalni sjaj („svjetlosno tijelo“) i dobro provode toplinu i električnu struju. Istina, odmah ćete pročitati da postoje elementi koji pokazuju svojstva i metala i nemetala. Drugim riječima, ne postoji jasna linija koja razdvaja jedno od drugog. Hemičar, kojeg prvenstveno zanimaju kemijske reakcije i za kojeg je svaki element svoj poseban svijet, nije baš zbunjen takvom dvosmislenošću. Ali fizika nije zadovoljna ovim. Ako fizika dijeli tijela na metale i nemetale, onda morate razumjeti koja je njihova fundamentalna razlika. Stoga je neophodno definisati šta je metal na način da, kao iu drugim slučajevima u oblasti egzaktnih nauka, zadovolji dva zahteva:

svi metali moraju imati sve atribute koji im se pripisuju bez izuzetka;
drugi objekti ne smiju imati barem jednu od ovih karakteristika.

Naoružani ovim razmatranjima, hajde da vidimo da li svi metali, bez izuzetka, imaju sva svojstva koja im se pripisuju u udžbeniku. Počnimo od „možeš kovati“, odnosno od plastičnosti, modernim riječima. A onda, iz sklada, sjećamo se plastike: nije ih uzalud tako zovu, mnoge od njih karakterizira plastičnost - sposobnost nepovratne promjene oblika bez uništenja. Naravno, bakar, gvožđe i aluminijum se lako kovaju, sa olovom je još lakše; indijum je prilično redak i skup metal - može se drobiti skoro kao vosak (a vosak nije metal!), alkalni metali su još mekše. Ali pokušajte da pogodite obično liveno gvožđe - i poleteće u komade! Pa, onda će metalurzi reći: to je zato što liveno gvožđe nije jednostavna supstanca. Sastoji se od kristala željeza odvojenih slojevima ugljika, odnosno grafita. Duž ovih slojeva lomi se liveno gvožđe. Pa, tako je. Jedini problem je što se krhki grafit, kako se ispostavilo, moderna fizika svrstava u metal! Da, i ne samo grafit: na primjer, među metalima su arsen, antimon i bizmut, ali se mogu kovati s istim uspjehom kao i staklo - razbijaju se u male komadiće!

Uradite ovaj jednostavan eksperiment: razbijte cilindar izgorele lampe, izvadite odatle spiralu od volframa i pokušajte da je odmotate. Od toga neće biti ništa, ona će se raspasti u prah! Ali nekako su uspjeli da ga izvrnu u fabrici? To znači da može biti otprilike ovako - ponekad može biti deformisan, ponekad ne, u zavisnosti od toga šta se desilo sa uzorkom u prošlosti. Pa, očigledno, morat ćemo se odvojiti od ove karakteristike - plastičnosti. Štaviše, svojstven je mnogim nemetalima; Uostalom, to je isto staklo - zagrijte ga i postat će mekano i savitljivo.

Dakle, skratimo formulaciju i idemo dalje.

Sljedeći je "sjaj", ili, znanstveno rečeno, optička svojstva. Ima puno sjajnih predmeta: voda, staklo, uglačano kamenje i ko zna šta još. Dakle, samo "sjaj" nije dovoljan, pa kažu: metale karakteriše metalni sjaj. Pa, ovo je jako dobro: ispostavilo se da je metal metal. Istina, intuitivno osjećamo da uglačani bakar, zlato, srebro i željezo sijaju metalnim sjajem. I zar široko rasprostranjeni mineral pirit ne sija poput metala? O tipičnim poluvodičima germaniju i silicijumu ne treba govoriti, po izgledu ih ne možete razlikovati od metala. S druge strane, ne tako davno naučili su kako da dobiju dobre kristale jedinjenja kao što je molibden dioksid; Ovi kristali su braonkasto-ljubičasti i malo liče na obični metal. Ispada da ovu tvar treba smatrati metalom. Zašto će biti jasno malo dalje.

Dakle, sjaj kao čisto „metalni“ element nestaje.

Sljedeća na redu je toplinska provodljivost. Možda se ovaj znak može odmah odbaciti - sva tijela, bez izuzetka, provode toplinu. Istina, za metale se kaže da oni U redu provode toplotu. Ali, bojim se, pitanje "šta je dobro, a šta loše?" u ovom slučaju, tata neće odgovoriti.

Da li je bakar dobar provodnik toplote? Pogledajmo tabelu i odmah naiđemo na kontra pitanje: kakav bakar i na kojoj temperaturi? Ako uzmete čisti bakar, na primjer vrstu od koje se prave žice za radio uređaje, i zagrijete ga na crvenu toplinu, odnosno žarite, onda će na sobnoj temperaturi on, pa čak i čisto srebro, provesti toplinu bolje od bilo kojeg drugog metala. Ali savijte takav bakreni uzorak, udarite ga ili stegnite u škripac - i njegova toplinska provodljivost će se znatno pogoršati. Šta se događa ako se komad žarenog bakra počne hladiti? Prvo će se povećati toplotna provodljivost, povećati desetine puta na temperaturi od oko 10 K, a zatim početi brzo da opada i kada dostigne apsolutnu nulu trebalo bi da postane nula (slika 1).

Rice. 1. Ovisnost specifične toplinske provodljivosti o temperaturi za različite tvari. (Toplotna provodljivost je količina topline koja teče između suprotnih strana kocke sa stranicom od 1 cm kada je temperaturna razlika između ovih strana 1 K u 1 s.)

Uzmimo sada još jedan metal - bizmut. Slika za njega je veoma slična onoj koju smo videli za bakar, samo što je maksimalna toplotna provodljivost na 3 K, a na sobnoj temperaturi bizmut slabo provodi toplotu, ne mnogo bolje od kvarcnog kristala. Ali kvarc nije metal! I isti kvarc, kao što se može vidjeti na slici 1, ponekad se ispostavi da nije lošiji od bakra u svojim svojstvima toplinske vodljivosti. Ali topljeni kvarc, tj. kvarcno staklo, slabo provodi toplinu, slično kao nehrđajući čelik.

Kvarc nije izuzetak. Svi kvalitetni kristali ponašaju se na sličan način, samo će brojevi biti malo drugačiji. Dijamant, na primjer, već na sobnoj temperaturi ima bolju toplinsku provodljivost od bakra.

Odbacimo toplotnu provodljivost čistog srca i nećemo požaliti. I ne samo zato što na osnovu toga nije tako lako razlikovati metal od nemetala, već i zato što su, ispostavilo se, specifičnosti toplinske provodljivosti metala (a ima ih) posljedica njegove električna provodljivost - posljednje preostalo svojstvo.

I opet, u formulaciji datoj na početku članka, pojašnjenje nije samo električna provodljivost, već dobro električna provodljivost. Ali kada je riječ o toplinskoj provodljivosti, upozorio nas je epitet "dobar" i, kako se ispostavilo, ne uzalud. Koja je posljednja imovina pod sumnjom? Moramo ga svakako sačuvati, inače ćemo ostati bez metala, a ujedno i bez poluprovodnika, bez izolatora. Ovo je nauka! U većini slučajeva, svaki će školarac bez oklijevanja reći s čime ima posla, ali ako bi kopali dublje, stali su u nedoumici.

I postoji razlog. Uzmimo tabele fizičkih veličina i pogledajmo brojeve. Na primjer, na sobnoj temperaturi otpornost ρ (Ohm cm) bakar ~1,55·10 -6 ; kod bizmuta ρ ~ 10 -4 ; kod grafita ρ ~ 10 -3 ; za čisti silicijum i germanijum ρ ~ 10 2 (ali dodavanjem nečistoća može se dovesti do ~ 10 -3); kod mermera ρ = 10 7 - 10 11 ; pored stakla ρ = 10 10 ; a negdje na kraju liste je ćilibar sa otporom do 1019. A gdje završavaju metali provodnici i počinju dielektrici? A elektrolite još nismo ni spomenuli. Obična morska voda prilično dobro provodi struju. Dakle, treba li ga smatrati metalom?

Da vidimo hoće li nam temperatura pomoći. Ako povećate temperaturu, razlike između supstanci će se početi izravnati: otpor bakra će početi rasti, a otpor stakla, na primjer, će se smanjiti. To znači da moramo pratiti šta se dešava tokom hlađenja. I tu konačno vidimo kvalitativne razlike. Pogledajte sliku 2: na temperaturama tečnog helijuma, blizu apsolutne nule, tvari su podijeljene u dvije grupe. Za neke, otpor ostaje mali, za legure ili ne baš čiste metale ρ gotovo se ne mijenja kada se ohladi; za čiste metale otpor se jako smanjuje. Što je kristal čistiji i savršeniji, to je ova promjena značajnija. Ponekad je c na temperaturi blizu apsolutne nule stotine hiljada puta manji nego na sobnoj temperaturi. Za druge tvari, na primjer poluvodiče, otpor počinje naglo rasti kako temperatura opada, a što je temperatura niža, to je veća. Kad bi bilo moguće doći do apsolutne nule, onda ρ postala bi beskonačno velika. Međutim, dovoljno je da otpor zapravo postane toliko velik da se više ne može mjeriti nikakvim modernim instrumentom.

Dakle, došli smo do odgovora: metali su tvari koje provode struju na bilo kojoj temperaturi.

Rice. 2. Zavisnost otpornosti čistih metala (bakar i platina) i poluprovodnika (čisti germanijum) o temperaturi.

Nasuprot tome, dielektrici prestaju da provode struju kada se ohlade na apsolutnu nulu. Koristeći ovu definiciju, i grafit i molibden dioksid su metali. Gde bi trebalo klasifikovati poluprovodnike? Ako govorimo o čistim, savršenim kristalima, onda su, strogo govoreći, dielektrici. Ali ako sadrže mnogo nečistoća, onda mogu postati metali, tj. ostati provodljivi na najnižim temperaturama.

Šta nam na kraju preostaje? Uspjeli smo da se identifikujemo jedini bitnu osobinu, vodeći se kojom možemo, ako ne u svakodnevnoj praksi, onda barem u principu, uvijek razlikovati metal od nemetala. A pošto je ovaj znak jedini, onda su oba uslova automatski zadovoljena, čije ispunjenje smo tražili na početku članka.

Zašto metali provode struju?

Odavno je zapaženo da neki elementi, kao što su bakar, zlato, srebro, željezo, olovo, kalaj, kako u svom čistom obliku, tako i kada su međusobno legirani, formiraju metale. Drugi, kao što su fosfor, sumpor, hlor, azot, kiseonik, ne samo da nisu sami metali, već se takođe kombinuju sa metalima da bi ih transformisali u dielektrike. Primjer za to je obična sol. NaCl . Stoga se u hemiji pojavila podjela elemenata na metale i nemetale.

Takva klasifikacija, međutim, nije ništa drugo nego konstatacija činjenica, iako na prvi pogled tvrdi da objašnjava svojstva supstanci samo na osnovu strukture atoma. U stvari, pogledajmo periodni sistem. Elementi koji se nalaze u istoj koloni su veoma slični po svojim hemijskim svojstvima. Ali hoće li kristali ili legure napravljene od njih provoditi električnu struju? Gledajući tabelu, nemoguće je odgovoriti na ovo pitanje. Dakle, svi elementi prve grupe su metali, s izuzetkom prvog - vodonika. Ali zakon koji je nekome dozvoljeno da prekrši više nije zakon. Istina, u drugoj grupi situacija je bolja: ovdje su svi elementi poznati metali; a u trećoj grupi opet neuspjeh: bor je poluvodič, a aluminij je lijep metal. Još je gore. Prvi element četvrte grupe je ugljenik; Već smo spomenuli da je grafit, takozvani kristal ugljika, metal. Ali dijamant je i kristal sastavljen od atoma ugljika, ali raspoređen drugačije nego u grafitu - izolator. Silicijum i germanijum su klasični poluprovodnici. Kalaj je naizgled tipičan metal. Međutim... Ako se poznati bijeli sjajni lim drži dugo na temperaturi od -30°C, tada će se njegova kristalna struktura promijeniti i posiviti. A ovaj kalaj - zove se "sivi kalaj" - je poluprovodnik! A olovo je uvijek metal.

Ako počnete miješati različite elemente, slika postaje potpuno složenija. Uzmimo, na primjer, i legiramo dva metala indij i antimon - u omjeru jedan prema jedan. Dobićemo poluvodič koji se široko koristi u tehnici InSb . S druge strane, već smo rekli da je molibden dioksid MO 2 at T≈ 0 K provodi struju, tj. MO 2 - metal. (I WO 2 , And Re 2 O 3 i neki drugi oksidi su također metali.) A ako su kristali koji nastaju iz atoma jako komprimirani, onda se ispostavlja da gotovo sve tvari postaju metali, čak i takvi tipični metaloidi kao što je sumpor. Istina, za njega je pritisak prijelaza u metalno stanje vrlo visok - nekoliko stotina hiljada atmosfera (a za vodonik čak i više).

Čini se da razdvajanje elemenata na metale i nemetale nije tako lak zadatak. U svakom slučaju, jasno je da, s obzirom na pojedinačne atome, ne možemo reći da li će supstancija sastavljena od ovih atoma provoditi struju na T≈ 0 K, jer položaj atoma jedan u odnosu na drugi igra veliku ulogu. Stoga, da odgovorimo na pitanje "zašto metali provode struju?" moramo proučiti kako atomi međusobno djeluju kako bi formirali čvrstu supstancu.

Hajde da vidimo kako stvari stoje s najjednostavnijim metalom - litijumom. Serijski broj Li - tri. To znači da je jezgro atoma Li sadrži tri protona i pozitivni naboj jezgra je nadoknađen sa tri elektrona. Dva od njih formiraju ispunjenu s-ljusku najbližu jezgru i snažno su vezana za jezgro. Preostali elektron se nalazi u drugoj s-ljusci. Mogao bi stati još jedan elektron, ali litijum ga nema. Sva ostala dozvoljena energetska stanja su slobodna, a elektroni padaju na njih samo kada je atom pobuđen (na primjer, kada se litijeva para jako zagrije). Dijagram nivoa u atomu litijuma prikazan je na slici 3.

Rice. 3. Dijagram energetskih nivoa atoma litija i njihova transformacija u zone kada se atomi spajaju u kristal. Zauzeta stanja su označena crvenom bojom.

Razmotrimo sada skup atoma litijuma koji se nalaze u ograničenom volumenu. Mogu formirati gas (paru), tečnost ili čvrstu materiju. Na dovoljno niskoj temperaturi, sile međusobnog privlačenja ometaju toplinsko kretanje atoma i formira se kristal. To se sasvim sigurno događa na temperaturi apsolutne nule, kada su sve poznate tvari osim helijuma kristali.

Dakle, iz iskustva je poznato da je čvrsta materija na niskim temperaturama stabilno stanje za litijum. Ali, kao što je poznato, stabilno stanje tvari je uvijek ono u kojem je njena unutrašnja energija manja nego u drugim mogućim agregacijskim stanjima na istoj temperaturi. Ukupno smanjenje energije tokom prijelaza iz jednog stanja u drugo lako je izmjeriti - na kraju krajeva, to je toplina isparavanja ili topljenja.

Sa mikroskopske tačke gledišta, pri niskim temperaturama, unutrašnja energija supstance je, pre svega, zbir energija elektrona atoma koji čine telo. Ali elektroni u atomima zauzimaju strogo određene energetske nivoe. To znači da možemo očekivati promjenu nivoa energije kako se atomi približavaju. U ovom slučaju, distribucija elektrona među nivoima treba da bude takva da je njihova ukupna energija manja od zbira energija elektrona u istom broju atoma izolovanih jedan od drugog.

Šta će se desiti sa nivoima može se razumeti na osnovu analogije kretanja elektrona u atomu sa bilo kojim oscilatornim sistemom, na primer sa klatnom. Neka imamo dva potpuno identična klatna. Sve dok međusobno ne stupaju u interakciju, frekvencija oscilovanja oba klatna je ista. Hajde da sada uvedemo interakciju između njih - spojit ćemo ih, na primjer, mekom oprugom. I odmah će se umjesto jedne frekvencije pojaviti dvije. Pogledajte sliku 4: povezana klatna mogu oscilirati u fazi, ili mogu oscilirati jedno prema drugom. Očigledno je da će u potonjem slučaju njihovo kretanje biti brže, odnosno frekvencija oscilacija takvog sistema veća je od prirodne frekvencije oscilacija jednog klatna. Dakle, spajanje rezultira cijepanjem frekvencije. Ako spojite tri klatna, onda već postoje tri prirodne frekvencije, sistem od četiri povezana klatna ima četiri prirodne frekvencije, i tako u nedogled.

Rice. 4. Oscilacije spregnutih klatna.

Ponašanje bilo kojeg drugog oscilatornog sistema je slično. Zamijenimo li klatna, na primjer, električnim oscilatornim krugovima, tada, kao što radio-amateri dobro znaju, kada se uvede veza između njih, i njihove se prirodne frekvencije dijele. Elektroni u atomu su takođe vrsta vibracionog sistema. Kao i klatno, elektroni imaju masu; postoji Kulonova sila koja ih vraća u ravnotežni položaj; a to određuje kretanje elektrona u atomu, karakterizirano, prema kvantnoj mehanici, svojom prirodnom frekvencijom. Za elektrone, uključivanje interakcije tokom međusobnog pristupa dovodi do činjenice da frekvencije koje su ranije bile iste postaju neznatno različite.

U kvantnoj mehanici postoji direktna veza između energije i frekvencije oscilacija, izražena formulom \(~E = h \nu\), gdje je h= 6,6·10 -34 J·s je Plankova konstanta, i ν - frekvencija oscilovanja. Stoga treba očekivati da kada se dva atoma litijuma približe jedan drugome, svaki od nivoa prikazanih na slici 3 će se podijeliti na dva. Svaki novi energetski nivo odgovarat će vlastitoj elektronskoj ljusci, sada ne zasebnog atoma, već "molekula". Školjke se pune elektronima po istom pravilu kao i za atom - dva elektrona po ljusci. Par ljuski koji proizlazi iz najnižeg nivoa biće potpuno ispunjen elektronima. Zaista, oni mogu primiti četiri elektrona, dok dva atoma litijuma imaju šest. Ostaju dva elektrona, koji će se sada nalaziti na nižem nivou drugog para. Zapazite kakav se kvalitativni skok dogodio: ranije su ova dva elektrona zauzimala dva od četiri stanja sa istom energijom. Sada su imali priliku da biraju, a pozicionirali su se tako da im ukupna energija bude manja. Nije teško zamisliti šta će se dogoditi kada se dodaju dodatni atomi: za tri atoma, svaki početni nivo će se podijeliti na tri (vidi sliku 3). Devet elektrona će biti locirano ovako: šest na donjoj trijadi nivoa koji proizilaze iz nivoa unutrašnje popunjene ljuske atoma najbližeg jezgru; još dva elektrona su na nižem nivou sledeće trijade; preostali elektron je na srednjem nivou iste trijade. Još jedan prostor na ovom nivou ostaje prazan, a gornji nivo je potpuno prazan. Ako uzmete n atoma (\(~n \gg 1\)), tada će se svaki nivo podijeliti na n blisko raspoređeni nivoi, formirajući, kako kažu, traku ili zonu dozvoljenih energetskih vrednosti. U donjem pojasu su zauzeta sva stanja, ali u drugom je zauzeta samo polovina, i to upravo ona čija je energija niža. Sljedeća traka je potpuno prazna.

Udaljenost između susjednih nivoa u zoni je lako procijeniti. Prirodno je pretpostaviti da kada se atomi približavaju jedan drugom, promjena energije elektrona atoma je približno jednaka toplini isparavanja tvari, računato po jednom atomu. Za metale je obično nekoliko elektron volti, a samim tim i ukupna širina pojasa Δ E, određen interakcijom susjednih atoma, mora imati istu skalu, tj. Δ E~ 1 eV ≈ 10 -19 J. Za udaljenost između nivoa dobijamo \(~\delta E \sim \dfrac(\Delta E)(n)\), gdje je n- broj atoma u uzorku. Ovaj broj je izuzetno velik: međuatomska udaljenost je samo nekoliko angstroma, a volumen po atomu je samo ~ 10 -22 cm 3. Ako naš uzorak ima, radi određenosti, zapreminu od 1 cm 3, onda za to n≈ 10 22 . Dakle, numerički ispada δ E≈ 10 -22 Δ E≈ 10 -41 J. Ova vrijednost je toliko mala da uvijek možemo zanemariti kvantizaciju energije unutar zone i pretpostaviti da su bilo koje vrijednosti energije dozvoljene unutar zone.

Dakle, u kristalu su energetski nivoi zamućeni u zone koje imaju širinu koja je uporediva sa rastojanjem između njih. Dozvoljena stanja za elektrone su stanja unutar pojasa, i ovdje elektroni mogu imati gotovo bilo koju energiju (naravno, unutar širine pojasa). Ali vrlo je važno da je broj mjesta u svakoj zoni strogo ograničen i jednak dvostrukom broju atoma koji čine kristal. I ova okolnost, zajedno sa principom minimalne energije, određuje raspodjelu elektrona po zonama. Sada smo svi spremni da konačno shvatimo zašto litijum provodi struju. Pogledajmo ponovo sliku 3. Šta se dogodilo? Dok su atomi bili sami za sebe, svi elektroni su bili u vrlo specifičnim stanjima, striktno identičnim za sve atome. Sada su se atomi ujedinili u kristal. Sami atomi u kristalu ne samo da su identični, već su i smješteni na potpuno isti način u odnosu na svoje susjede (s izuzetkom, naravno, onih koji padaju na površinu kristala). I svi elektroni sada imaju različite energije. To se može dogoditi samo ako elektroni više ne pripadaju pojedinačnim atomima, već je svaki elektron "dijeljen" među svim atomima. Drugim riječima, elektroni se slobodno kreću unutar idealnog kristala, formirajući neku vrstu tekućine koja ispunjava cijeli volumen uzorka. A električna struja je usmjereni tok ove tekućine, sličan vodi koja teče kroz cijevi.

Da bi voda tekla kroz cijev, potrebno je stvoriti razliku tlaka na krajevima cijevi. Tada će, pod utjecajem vanjskih sila, molekuli dobiti smjernu brzinu - voda će teći. Pojava precizno usmerene brzine je ovde veoma važna, jer se sami molekuli kreću haotično ogromnim brzinama – na sobnoj temperaturi prosečna brzina toplotnog kretanja molekula je oko 10 3 m/s. Dakle, dodatna energija koju dobija molekul u toku je mala u poređenju sa energijom toplotnog kretanja.

Dodatna energija koja se mora prenijeti elektronu da bi sudjelovao u općem usmjerenom kretanju elektrona u kristalu (a to je struja) također je mala u usporedbi s vlastitom energijom elektrona. Ovo nije teško provjeriti. Već smo rekli da je energija elektrona po redu veličine 1 eV = 1,6·10 -19 J. Ako se prisjetimo da je za slobodni elektron \(~E = \dfrac(m \upsilon^2)(2)\) i m= 9,1·10 -31 kg, tada je lako pronaći brzinu: υ ~ 10 6 m/s. Pretpostavimo da svi elektroni učestvuju u struji, a u 1 m provodnika ih ima 3 n ~ 10 28 Z (Z- nuklearno punjenje). Zatim u žici s poprečnim presjekom S= 10 -6 m 2 na struju I≈ 10 A (pri višoj struji žica će se otopiti), smjerna brzina elektrona je \(~\upsilon_H = \dfrac(I)(neS) \približno 10^(-2) - 10^(-3) \) gospođa. To znači da je energija elektrona koji učestvuje u struji veća od energije E slobodni elektron za samo 10 -8 E, tj. za 1,6·10 -27 J.

I ovdje smo suočeni sa zadivljujućom činjenicom: ispada da elektroni koji se nalaze u donjem pojasu, koji se obično naziva valentnim pojasom, ne mogu promijeniti svoju energiju za malu količinu. Na kraju krajeva, ako elektron poveća svoju energiju, to znači da se mora pomaknuti na drugi nivo, a svi susjedni nivoi u valentnom pojasu su već zauzeti. U sledećoj zoni ima samo praznih mesta. Ali da bi stigao tamo, elektron mora promijeniti svoju energiju za nekoliko elektron volti odjednom. Ovako elektroni sjede u valentnom pojasu i čekaju kolač na nebu - energetski kvant. A kvanti potrebne energije dolaze iz vidljive ili ultraljubičaste svjetlosti.

Dakle, ima tečnosti, ali ne može da teče. A kada bi litijum imao samo dva elektrona u atomu, odnosno kada bismo izgradili sliku za atome litijuma, onda bismo dobili izolator. Ali čvrsti helijum je zaista izolator, pa si već sada možemo čestitati na nekom uspjehu: još nismo objasnili zašto struja može teći u metalima, ali razumijemo zašto dielektrici, gdje ima puno elektrona i svi su "razmazani" kroz kristal, ne provode struju.

Šta je sa litijumom? Pa, on ima drugu zonu, koja je samo do pola popunjena. Energija koja razdvaja zauzete i nezauzete nivoe unutar ove zone naziva se Fermijeva energija E f. Kao što smo već rekli, energetska razlika između nivoa u zoni je veoma mala. Elektron koji se nalazi u zoni blizu Fermijevog nivoa treba samo malo da poveća svoju energiju - i slobodan je, gde stanja nisu zauzeta. Ništa ne sprječava elektrone iz graničnog pojasa da povećaju svoju energiju pod utjecajem električnog polja i steknu usmjerenu brzinu. Ali ovo je aktuelno! Ali jednako je lako da ovi elektroni izgube svoju usmjerenu brzinu kada se sudaraju s atomima nečistoća (koji su uvijek prisutni) ili s drugim kršenjima idealne strukture kristala. Ovo objašnjava otpor struji.

Čini se jasnim zašto je helijum izolator, a litijum provodnik. Pokušajmo primijeniti naše ideje na sljedeći element - berilij. A onda je došlo do zastoja u paljenju, model nije radio. Berilijum ima četiri elektrona i čini se da bi prva i druga zona trebalo da budu potpuno zauzete, a treća prazna. Ispostavilo se da je izolator, dok je berilijum metal.

Evo u čemu je stvar. Ako je širina zona dovoljno velika, one se mogu preklapati jedna s drugom. Za ovaj fenomen se kaže da se zone preklapaju. Ovo se dešava u berilijumu: minimalna energija elektrona u trećoj zoni je manja od maksimalne u drugoj. Stoga se ispostavlja da je energetski povoljno da elektroni napuste prazan dio druge zone i zauzmu stanja na dnu treće. Ovako ispada metal.

Šta će se dogoditi sa ostalim elementima? Nemoguće je unaprijed reći da li se zone preklapaju ili ne, to zahtijeva glomazne kompjuterske proračune i nije uvijek moguće dobiti pouzdan odgovor. Ali evo što je izvanredno: iz našeg dijagrama slijedi da ako uzmemo elemente s neparnim brojem elektrona, onda uvijek trebamo dobiti metal, osim ako strukturna jedinica u kristalu nije jedan atom. Ali vodonik, na primjer, dušik i fluor, ne žele kristalizirati u takvu rešetku. Oni više vole da se prvo ujedine u parove, a zatim se molekuli koji sadrže paran broj elektrona poredaju u kristal. A zakoni kvantne mehanike ga ne sprečavaju da bude dielektrik.

Dakle, sada znamo šta je metal sa tačke gledišta fizike, i razumeli smo samu suštinu fenomena, razumejući zašto, u principu, postoje izolatori i provodnici. Vidjeli smo da ne postoji jednostavan način da se objasni zašto se određena supstanca ispostavi da je izolator ili metal. To se može učiniti samo ako se naoruža punom snagom aparata moderne kvantne mehanike i kompjuterske tehnologije, ali to je već zadatak stručnjaka.

Stranica 1

Karakterističan metalni sjaj je uzrokovan interakcijom elektromagnetnih svjetlosnih valova sa slobodnim elektronima.

Neprozirnost i karakterističan metalni sjaj metala nastaju zbog strukture energetskih nivoa metala. U ovom slučaju, elektron iz valentnog pojasa, apsorbirajući kvant svjetlosti, prelazi u pojas provodljivosti. Svetlost se ne reflektuje, već apsorbuje. Istovremeno, metale karakteriše sjaj, koji se javlja kao rezultat emisije svetlosti kada se elektroni pobuđeni svetlošću vrate na niže energetske nivoe.

Metali imaju karakterističan metalni sjaj kada se lome, duktilnost (savitljivost), kao i visoku električnu i toplotnu provodljivost.

Metali imaju karakterističan metalni sjaj; osim toga, dobro provode toplinu i električnu energiju.

Metali se odlikuju karakterističnim metalnim sjajem, savitljivošću, duktilnošću, mogu se valjati u limove ili uvlačiti u žicu, te imaju dobru toplinsku i električnu provodljivost. Na sobnoj temperaturi svi metali (osim žive) su u čvrstom stanju.

Radijum ima karakterističan metalni sjaj koji brzo nestaje kada je izložen vazduhu. Moguće je da je u zraku površina radijuma prekrivena filmom radijum nitrida. Metalni radij razlaže vodu da bi se formirao hidroksid i oslobađao vodonik.

Znate da je većina hemijskih elemenata klasifikovana kao metali - 92 od 114 poznatih elemenata.

Metali - to su kemijski elementi, čiji atomi daju elektrone iz vanjskog (a neki i iz predvanjskog) elektronskog sloja, pretvarajući se u pozitivne ione.

Ovo svojstvo atoma metala, kao što znate, određeno je činjenicom da imaju relativno velike radijuse i mali broj elektrona (uglavnom od 1 do 3) u vanjskom sloju.

Jedini izuzetak su 6 metala: atomi germanijuma, kositra i olova na spoljašnjem sloju imaju 4 elektrona, atomi antimona i bizmuta imaju 5, a atomi polonijuma imaju 6.

Atome metala karakteriziraju male vrijednosti elektronegativnosti (od 0,7 do 1,9) i isključivo redukciona svojstva, odnosno sposobnost doniranja elektrona.

Već znate da se u Periodnom sistemu hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva metali nalaze ispod dijagonale bor-astatin, a ja sam takođe iznad nje u sekundarnim podgrupama. U periodima i podgrupama gline, obrasci koji su vam poznati primjenjuju se na promjene u metalnim, a time i redukcijskim svojstvima atoma elemenata.

Hemijski elementi koji se nalaze u blizini dijagonale bor-astatin imaju dvostruka svojstva: u nekim od svojih spojeva ponašaju se kao metali, u drugima pokazuju svojstva nemetala.

U sekundarnim podgrupama redukciona svojstva metala najčešće opadaju s povećanjem atomskog broja. Uporedite aktivnost metala I grupe vama poznate sekundarne podgrupe: Cu, Ag, Au; Grupa II sekundarne podgrupe - i uvjerićete se sami.

Jednostavne supstance formirane od hemijskih elemenata - metala, i složene supstance koje sadrže metal igraju vitalnu ulogu u mineralnom i organskom "životu" Zemlje. Dovoljno je zapamtiti da su atomi (nikakvi) metalnih elemenata sastavni dio spojeva koji određuju metabolizam u tijelu ljudi, životinja i biljaka.

Na primjer, joni natrijuma regulišu sadržaj vode u tijelu i prijenos nervnih impulsa. Njegov nedostatak dovodi do glavobolje, slabosti, lošeg pamćenja, gubitka apetita, a višak dovodi do povišenog krvnog pritiska, hipertenzije i srčanih bolesti. Stručnjaci za ishranu preporučuju ne više od 5 g (1 čajna žličica) kuhinjske soli (NaCl) po odrasloj osobi dnevno. Utjecaj metala na stanje životinja i biljaka može se naći u tabeli 16.

Jednostavne supstance - metali
Razvoj proizvodnje metala (jednostavnih supstanci) i legura povezan je sa nastankom civilizacije („Bronzano doba“, Gvozdeno doba).

Slika 38 prikazuje dijagram kristalne rešetke metalnog natrijuma. U njemu je svaki atom natrijuma okružen sa osam susjednih atoma. Atomi natrija, kao i svi metali, imaju mnogo praznih valentnih orbitala i malo valentnih elektrona.

Jedini valentni elektron atoma natrijuma 3s 1 može zauzeti bilo koju od devet slobodnih orbitala, jer se ne razlikuju mnogo u energetskom nivou. Kada se atomi približavaju jedan drugome, kada se formira kristalna rešetka, valentne orbitale susjednih atoma se preklapaju, zbog čega se elektroni slobodno kreću s jedne orbitale na drugu, uspostavljajući veze između svih atoma metalnog kristala.

Ova vrsta hemijske veze naziva se metalna. Metalnu vezu formiraju elementi čiji atomi u vanjskom sloju imaju malo valentnih elektrona u usporedbi s velikim brojem vanjskih orbitala koje su energetski bliske. Njihovi valentni elektroni se slabo drže u atomu. Elektroni koji provode komunikaciju su socijalizirani i kreću se kroz kristalnu rešetku općenito neutralnog metala.

Supstance s metalnom vezom karakteriziraju metalne kristalne rešetke, koje su obično shematski predstavljene tikovinom, kao što je prikazano na slici; čvorovi sadrže katione i atome metala. Socijalizirani elektroni elektrostatički privlače metalne katione smještene na mjestima njihove kristalne rešetke, osiguravajući njenu stabilnost i snagu (socijalizirani elektroni su prikazani kao male crne kuglice).
Metalna veza je veza u metalima i legurama između atoma metala koji se nalaze na čvorovima kristalne rešetke, a koju provode zajednički valentni elektroni.

Neki metali kristaliziraju u dva ili više kristalnih oblika. Ovo svojstvo tvari - da postoji u nekoliko kristalnih modifikacija - naziva se polimorfizam. Polimorfizam za jednostavne supstance vam je poznat kao alotropija.

Kalaj ima dvije kristalne modifikacije:
. alfa - stabilno ispod 13,2 ºS sa gustinom p - 5,74 g/cm3. Ovo je sivi lim. Ima kristalnu rešetku tipa dijamanta (atomsku):
. betta - stabilan iznad 13,2 ºS sa gustinom p - 6,55 g/cm3. Ovo je bijeli lim.

Bijeli kalaj je vrlo mekan metal. Kada se ohladi ispod 13,2 ºS, raspada se u sivi prah, jer se tokom prelaza |1 » n njegov specifični volumen značajno povećava. Ova pojava se zove limena kuga. Naravno, posebna vrsta hemijske veze i tip kristalne rešetke metala moraju ih odrediti i objasniti fizička svojstva.

Šta su oni? To su metalni sjaj, plastičnost, visoka električna i toplotna provodljivost, povećanje električnog otpora sa porastom temperature, kao i takva praktično značajna svojstva kao što su gustina, tačke topljenja i ključanja, tvrdoća i magnetna svojstva.
Pokušajmo objasniti razloge koji određuju osnovna fizička svojstva metala. Zašto su metali duktilni?

Mehanički učinak na kristal s metalnom kristalnom rešetkom uzrokuje pomicanje slojeva ionskih atoma jedan u odnosu na drugi, budući da se elektroni kreću kroz kristal, ne dolazi do prekida veze, pa se metali odlikuju većom plastičnošću.

Sličan efekat na čvrstu materiju sa kovalentnim vezama (atomska kristalna rešetka) dovodi do pucanja kovalentnih veza. Prekidanje veza u ionskoj rešetki dovodi do međusobnog odbijanja slično naelektrisanih jona (slika 40). Stoga su tvari s atomskim i ionskim kristalnim rešetkama krhke.

Najduktilniji metali su Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Lako se uvlače u žicu, mogu se kovati, presovati ili valjati u limove.Na primer, od zlata se može napraviti zlatna folija debljine 0,008 nm, a od 0,5 g ovog metala izvući konac dužine 1 km. .

Čak je i živa, kao što znate, tečna na sobnoj temperaturi, ali na niskim temperaturama postaje savitljiva u čvrstom stanju, poput olova. Samo Bi i Mn nemaju plastičnost, oni su krti.

Zašto metali imaju karakterističan sjaj, a takođe su i neprozirni?
Elektroni koji ispunjavaju međuatomski prostor reflektiraju svjetlosne zrake (umjesto da ih prenose poput stakla), a većina metala podjednako raspršuje sve zrake vidljivog dijela spektra. Stoga su srebrno bijele ili sive boje. Stroncijum, zlato i bakar u većoj meri apsorbuju kratke talasne dužine (blizu ljubičaste) i reflektuju duge talasne dužine svetlosnog spektra, te stoga imaju svetlo žutu, žutu i bakarnu boju.

Iako u praksi, znate, metal nam ne izgleda uvijek kao lagano tijelo. Prvo, njegova površina može oksidirati i izgubiti sjaj. Stoga se prirodni bakar pojavljuje kao zelenkasti kamen. I drugo, čak ni čisti metal možda neće sjajiti. Vrlo tanki listovi srebra i zlata imaju potpuno neočekivani izgled - imaju plavkasto-zelenu boju. A fini metalni prahovi izgledaju tamno sivi, čak i crni.

Srebro, aluminijum i paladijum imaju najveću refleksivnost. Koriste se u proizvodnji ogledala, uključujući reflektore.
Zašto metali imaju visoku električnu provodljivost i provode toplotu?

Elektroni koji se haotično kreću u metalu pod uticajem primenjenog električnog napona dobijaju usmereno kretanje, odnosno provode električnu struju. Kako temperatura lisne uši raste, amplitude vibracija atoma i iona smještenih na čvorovima kristalne rešetke rastu. To otežava kretanje elektrona, a električna provodljivost metala opada. Na niskim temperaturama, oscilatorno kretanje se, naprotiv, znatno smanjuje, a električna provodljivost metala naglo raste. Blizu apsolutne nule, metali praktično nemaju otpor; većina metala pokazuje supravodljivost.

Treba napomenuti da nemetali koji imaju električnu provodljivost (na primjer, grafit), na niskim temperaturama, naprotiv, ne provode električnu struju zbog nedostatka slobodnih elektrona. I tek s povećanjem temperature i uništavanjem nekih kovalentnih veza njihova električna provodljivost počinje rasti.

Najveću električnu provodljivost imaju srebro, bakar, kao i zlato i aluminijum, a najmanju mangan, olovo i živa.

Najčešće se toplinska provodljivost metala mijenja po istom obrascu kao i električna provodljivost.

Nastaju zbog velike pokretljivosti slobodnih elektrona, koji, sudarajući se s vibrirajućim ionima i atomima, razmjenjuju energiju s njima. Zbog toga se temperatura izjednačava u cijelom komadu metala.

Mehanička čvrstoća, gustina i tačka topljenja metala su veoma različite. Štoviše, s povećanjem broja elektrona koji povezuju ion-atome i smanjenjem međuatomske udaljenosti u kristalima, pokazatelji ovih svojstava se povećavaju.

Dakle, alkalni metali, čiji atomi imaju jedan valentni elektron, su meki (rezani nožem), male gustine (litijum je najlakši metal sa p - 0,53 g/cm3) i tope se na niskim temperaturama (npr. tačka topljenja cezijuma je 29 "C) Jedini metal koji je tečan u normalnim uslovima je živa, čija tačka topljenja je 38,9 "C.

Kalcijum, koji ima dva elektrona na vanjskom energetskom nivou svojih atoma, mnogo je tvrđi i topi se na višoj temperaturi (842ºC).

Kristalna rešetka formirana od atoma skandijuma, koji imaju tri valentna elektrona, je još više zakrivljena.

Ali najjače kristalne rešetke, visoke gustine i temperature topljenja uočene su u metalima sekundarnih podgrupa V, VI, VII, VIII. Ovo se objašnjava ovim. da metale bočnih podgrupa koje imaju nesačuvane valentne elektrone na d-podnivou karakterizira stvaranje vrlo jakih kovalentnih veza između atoma, pored metalne, koje vrše elektroni vanjskog sloja sa s-orbitala.

Zapamtite da je najteži metal osmijum (komponenta supertvrdih legura otpornih na habanje), najvatrostalniji metal je volfram (koristi se za pravljenje niti za žarulje sa žarnom niti), najteži metal je hrom Cr (grebe staklo). Oni su dio materijala od kojih se izrađuju metalorezni alati, kočione pločice teških mašina itd.

Metali se razlikuju po svom odgovoru na magnetna polja. Ali prema ovoj osobini dijele se u tri grupe:
. feromagnetski Može se magnetizirati pod utjecajem čak i slabih magnetnih polja (gvožđe - alfa oblik, kobalt, nikl, gadolinijum);

Paramagnetski materijali pokazuju slabu sposobnost magnetizacije (aluminij, hrom, titan, skoro svi lantanidi);

Dijamagnetne ne privlače magnet, a čak se i malo odbijaju od njega (kalaj, nasukani, bizmut).

Podsjetimo da smo prilikom razmatranja elektronske strukture metala podijelili metale na metale glavnih podgrupa (k- i p-elementi) i metale sekundarnih podgrupa.

U tehnologiji je uobičajeno klasificirati metale prema različitim fizičkim svojstvima:

a) gustina - svetlost (str< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);

b) tačka topljenja - nisko topljivo i vatrostalno.

Postoje klasifikacije metala na osnovu njihovih hemijskih svojstava.
Metali sa niskom hemijskom aktivnošću nazivaju se plemenitim (srebro, zlato, platina i njegovi analozi - osmijum, iridijum, rutenijum, paladijum, rodijum).
Na osnovu sličnosti hemijskih svojstava dijele se na alkalne (metali I grupe glavne podgrupe), zemnoalkalne metale (kalcij, stroncij, barij, radij), kao i rijetke zemne metale (skandij, itrij, lantan i lantanidi , aktinijum i aktinidi).

Opća hemijska svojstva metala
Atomi metala relativno lako odustaju od valentnih elektrona i postaju pozitivno nabijeni nononi, odnosno oksidiraju se. Ovo je, kao što znate, glavno zajedničko svojstvo i atoma i jednostavnih supstanci - metala.

Metali su uvek redukcioni agensi u hemijskim reakcijama. Redukciona sposobnost atoma jednostavnih supstanci - metala formiranih od hemijskih elemenata jednog perioda ili jedne glavne podgrupe Periodnog sistema D. I. Mendeljejeva menja se prirodno.

Redukciona aktivnost metala u hemijskim reakcijama koje se dešavaju u vodenim rastvorima odražava se njegovim položajem u elektrohemijskom naponskom nizu metala.

1. Što se metal dalje nalazi u ovom redu, to je moćnije sredstvo za redukciju.
2. Svaki metal je sposoban da istisne (reducira) iz soli u rastvoru one metale koji se nalaze iza njega (desno) u nizu napona.
3. Metali koji se nalaze u nizu napona lijevo od vodonika su sposobni da ga istisnu iz kiselina u rastvoru.
4. Metali koji su najjači redukcioni agensi (alkalni i zemnoalkalni) prvenstveno reaguju sa vodom u bilo kojoj vodenoj otopini.

Redukciona aktivnost metala, određena elektrohemijskim nizom, ne odgovara uvek njegovoj poziciji u periodnom sistemu. Ovo se objašnjava ovim. Da se pri određivanju položaja metala u nizu naprezanja uzima u obzir ne samo energija apstrakcije elektrona od pojedinačnih atoma, već i energija utrošena na destrukciju kristalne rešetke, kao i energija koja se oslobađa tokom hidratacija jona.

Nakon što smo ispitali opšte odredbe koje karakterišu redukciona svojstva metala, pređimo na specifične hemijske reakcije.

Interakcija sa jednostavnim nemetalnim supstancama
1. Sa kiseonikom većina metala formira okside – bazične i amfoterne.

Litijum i zemnoalkalni metali reaguju sa atmosferskim kiseonikom i formiraju bazične okside.
2. Metali formiraju soli halogenovodoničnih kiselina sa halogenima.

3. Sa vodonikom najaktivniji metali formiraju hidride - jonske soli u kojima vodonik ima oksidaciono stanje -1, na primjer: kalcijum hidrid.

4. Metali formiraju soli sa sumporom - sulfide.

5. Metali nešto teže reaguju sa azotom, jer je hemijska veza u molekulu azota R^r veoma jaka i nastaju nitridi. Na uobičajenim temperaturama samo litijum reaguje sa azotom.
Interakcija sa složenim supstancama
1. Vodom. U normalnim uslovima, alkalni i zemnoalkalni metali istiskuju vodonik iz vode i formiraju rastvorljive alkalne baze.

Drugi metali koji se nalaze u naponskom nizu prije vodonika također mogu, pod određenim uvjetima, istisnuti vodonik iz vode. Ali aluminij burno reagira s vodom samo ako se oksidni film ukloni s njegove površine.
Magnezijum reaguje sa vodom samo kada prokuva, pri čemu se oslobađa i vodonik. Ako se u vodu doda goreći magnezijum, izgaranje se nastavlja kako se odvija reakcija: vodonik sagorijeva. Gvožđe stupa u interakciju sa vodom samo kada je vruća.
2. Metali u naponskom nizu do vodonika stupaju u interakciju sa kiselinama u rastvoru. Ovo proizvodi sol i vodonik. Ali olovo (i neki drugi metali), uprkos svom položaju u nizu napona (lijevo od vodika), gotovo je netopivo u razrijeđenoj sumpornoj kiselini, budući da je rezultirajući olovni sulfat PbSO nerastvorljiv i stvara zaštitni film na površini metala.

3. Sa solima manje aktivnih metala u rastvoru. Kao rezultat ove reakcije nastaje sol aktivnijeg metala, a manje aktivni metal se oslobađa u slobodnom obliku.

4. Sa organskim supstancama. Interakcija s organskim kiselinama slična je reakcijama s mineralnim kiselinama. Alkoholi mogu pokazati slaba kisela svojstva u interakciji sa alkalnim metalima.
Metali učestvuju u reakcijama sa haloalkanima, koji se koriste za dobijanje nižih cikloalkana i za sinteze tokom kojih ugljenični kostur molekule postaje složeniji (A. Wurtz reakcija):

5. Metali čiji su hidroksidi amfoterni stupaju u interakciju sa alkalijama u rastvoru.
6. Metali mogu međusobno formirati hemijska jedinjenja, koja se zajednički nazivaju intermetalna jedinjenja. Oni najčešće ne pokazuju oksidaciona stanja atoma koja su karakteristična za spojeve metala sa nemetalima.

Intermetalna jedinjenja obično nemaju stalan sastav, hemijska veza u njima je uglavnom metalna. Formiranje ovih jedinjenja je tipičnije za metale sekundarnih podgrupa.

Metalni oksidi i hidroksidi
Oksidi formirani od tipičnih metala klasifikuju se kao soli koji stvaraju soli, bazične prirode svojih svojstava.

Oksidi i hidroksidi nekih metala su amfoterni, odnosno mogu pokazivati i bazična i kisela svojstva ovisno o tvarima s kojima su u interakciji.

Na primjer:

Mnogi metali sekundarnih podgrupa, koji imaju promjenjivo oksidacijsko stanje u svojim spojevima, mogu formirati nekoliko oksida i hidroksida, čija priroda ovisi o oksidacijskom stanju metala.

Na primjer, hrom u jedinjenjima pokazuje tri oksidaciona stanja: +2, +3, +6, stoga formira tri serije oksida i hidroksida, a sa povećanjem stepena oksidacije kiseli karakter se povećava, a bazični karakter slabi.

Korozija metala
Kada metali stupaju u interakciju sa tvarima iz okoliša, na njihovoj površini nastaju spojevi koji imaju potpuno drugačija svojstva od samih metala. U običnim venama često koristimo riječi "rđa", "rđanje", uočavajući smeđe-crveni premaz na proizvodima od željeza i njegovih legura. Rđanje je čest slučaj korozije.

Korozija je proces spontanog razaranja metala i legura pod uticajem spoljašnje sredine (od latinskog - korozija).

Međutim, gotovo svi metali su podložni razaranju, a kao rezultat toga, mnoga njihova svojstva se pogoršavaju (ili se potpuno gube): čvrstoća, duktilnost, smanjenje sjaja, električna provodljivost se smanjuje, a trenje između pokretnih dijelova stroja se povećava, dimenzije dijelova promjena itd.

Korozija metala može biti kontinuirana ili lokalna.

Najčešći tipovi korozije su hemijska i elektrohemijska.

I. Hemijska korozija se javlja u neprovodnoj sredini. Ova vrsta korozije nastaje kada metali stupaju u interakciju sa suhim gasovima ili tečnostima - neelektrolitima (benzin, kerozin itd.) Takvom uništavanju su podložni delovi i komponente motora, gasnih turbina i raketnih bacača. Hemijska korozija se često uočava tokom obrade metala na visokim temperaturama.

Većina metala se oksidira atmosferskim kisikom, stvarajući oksidne filmove na površini. Ako je ovaj film jak, gust i dobro vezan za metal, onda štiti metal od daljeg uništavanja. U željezu je labav, porozan, lako se odvaja od površine i stoga nije u stanju zaštititi metal od daljnjeg uništavanja.

II. Elektrohemijska korozija se javlja u provodljivom mediju (u elektrolitu) sa pojavom električne struje unutar sistema. Metali i legure su po pravilu heterogeni i sadrže inkluzije različitih nečistoća. Kada dođu u kontakt sa elektrolitima, neka područja površine počinju da deluju kao anoda (doniraju elektrone), dok druga deluju kao katoda (prime elektrone).

U jednom slučaju će se posmatrati evolucija gasa (NG). U drugom slučaju dolazi do stvaranja rđe.

Dakle, elektrohemijska korozija je reakcija koja se javlja u sredinama koje provode struju (za razliku od hemijske korozije). Proces se događa kada dva metala dođu u kontakt ili na površini metala koji sadrži inkluzije koje su manje aktivni provodnici (može biti i nemetal).

Na anodi (aktivniji metal) dolazi do oksidacije atoma metala sa stvaranjem kationa (otapanje).

Na katodi (manje aktivnom provodniku), vodikovi ioni ili molekuli kisika se reduciraju kako bi formirali H2 ili OH-hidroksidne ione, respektivno.

Kationi vodika i otopljeni kisik najvažniji su oksidacijski agensi koji uzrokuju elektrohemijsku koroziju.

Brzina korozije je veća što se metali (metal i nečistoće) više razlikuju po svojoj aktivnosti (kod metala, što su udaljeniji jedan od drugog u seriji napona). Korozija se značajno povećava s povećanjem temperature.

Elektrolit može biti morska voda, riječna voda, kondenzirana vlaga i, naravno, dobro poznati elektroliti - otopine soli, kiselina, alkalija.

Očigledno se sjećate da se zimi za uklanjanje snijega i leda sa trotoara koristi industrijska sol (natrijum-hlorid, ponekad i kalcijum-hlorid, itd.) Nastala otopina se slijeva u kanalizacione cjevovode stvarajući tako povoljno okruženje za elektrohemijsku koroziju podzemnih komunikacija.

Metode zaštite od korozije
Već pri projektovanju metalnih konstrukcija i njihovoj izradi predviđene su mjere zaštite od korozije.

1. Brušenje površina proizvoda kako na njima ne bi ostala vlaga.

2. Upotreba legiranih legura koje sadrže posebne aditive: hrom, nikl, koji na visokim temperaturama formiraju stabilan oksidni sloj na površini metala. Poznati legirani čelici su nerđajući čelici od kojih se izrađuju predmeti za domaćinstvo (makaze, viljuške, kašike), delovi mašina i alati.

3. Nanošenje zaštitnih premaza. Razmotrimo njihove vrste.

Nemetalni - neoksidirajuća ulja, specijalni lakovi, boje. Istina, kratkog su vijeka, ali su jeftini.

Hemijski - umjetno stvoreni površinski filmovi: oksid, citrat, silicid, polimer itd. Na primjer, svo malo oružje. Dijelovi mnogih preciznih instrumenata podvrgavaju se plavljenju - to je proces dobijanja najtanjeg filma željeznih oksida na površini čeličnog proizvoda. Rezultirajući film od umjetnog oksida je vrlo izdržljiv i daje proizvodu prekrasnu crnu boju i plavu nijansu. Polimerni premazi se izrađuju od polietilena, polivinil hlorida i poliamidnih smola. Primjenjuju se na dva načina: zagrijani proizvod se stavlja u polimerni prah, koji se topi i zavari za metal, ili se površina metala tretira otopinom polimera u rastvaraču niske temperature, koji brzo isparava, a polimer film ostaje na proizvodu.

Metalni premazi su premazi drugim metalima, na čijoj se površini pod utjecajem oksidirajućih sredstava formiraju stabilni zaštitni filmovi.

Nanošenje hroma na podlogu - hromiranje, niklovanje - niklovanje, cink - pocinkovanje, kalaj - kalajisanje itd. Premaz može biti i hemijski pasivni metal - zlato, srebro, bakar.

4. Metode elektrohemijske zaštite.

Zaštitni (anodni) - komad aktivnijeg metala (protektor) pričvršćen je na zaštićenu metalnu konstrukciju, koji služi kao anoda i uništava se u prisustvu elektrolita. Magnezijum, aluminijum i cink se koriste kao zaštitnici za zaštitu brodskih trupa, cjevovoda, kablova i drugih modernih proizvoda;

Katoda - metalna konstrukcija je spojena na katodu vanjskog izvora struje, što eliminira mogućnost njenog anodnog uništenja

5. Poseban tretman elektrolita ili okoline u kojoj se nalazi zaštićena metalna konstrukcija.

Poznato je da su majstori iz Damaska za uklanjanje kamenca i
Za borbu protiv rđe koristili su otopine sumporne kiseline s dodatkom pivskog kvasca, brašna i škroba. Oni donose i bili su jedan od prvih inhibitora. Nisu dozvolili kiselini da djeluje na metal oružja; kao rezultat toga, samo su kamenac i rđa otopljeni. U te svrhe, uralski oružari koristili su juhe za kiseljenje - otopine sumporne kiseline s dodatkom mekinja brašna.

Primeri upotrebe savremenih inhibitora: hlorovodonična kiselina tokom transporta i skladištenja savršeno je „ukroćena“ derivatima butilamina. i sumporna kiselina - azotna kiselina; hlapljivi dietilamin se ubrizgava u razne posude. Imajte na umu da inhibitori djeluju samo na metal, čineći ga pasivnim u odnosu na okolinu, na primjer, na kiseli rastvor. Nauka poznaje više od 5 hiljada inhibitora korozije.

Uklanjanje kiseonika rastvorenog u vodi (odzračivanje). Ovaj proces se koristi u pripremi vode koja ulazi u kotlovska postrojenja.

Metode dobijanja metala
Značajna hemijska aktivnost metala (interakcija sa atmosferskim kiseonikom, drugim nemetalima, vodom, rastvorima soli, kiselinama) dovodi do toga da se u zemljinoj kori nalaze uglavnom u obliku jedinjenja: oksida, sulfida, sulfata, hlorida. , karbonati itd.
Metali koji se nalaze u naponskom nizu desno od vodonika nalaze se u slobodnom obliku, iako se mnogo češće bakar i živa mogu naći u prirodi u obliku spojeva.

Minerali i stijene koje sadrže metale i njihove spojeve, iz kojih je izolacija čistih metala tehnički moguća i ekonomski izvodljiva, nazivaju se rudama.

Dobivanje metala iz ruda je zadatak metalurgije.
Metalurgija je takođe nauka o industrijskim metodama za dobijanje metala iz ruda. i industrijski sektor.
Svaki metalurški proces je proces redukcije metalnih jona upotrebom različitih redukcionih sredstava.

Za realizaciju ovog procesa potrebno je uzeti u obzir aktivnost metala, odabrati redukciono sredstvo, razmotriti tehnološku izvodljivost, ekonomske i ekološke faktore. U skladu s tim, postoje sljedeće metode za dobijanje metala: pirometalurški. hidrometalurški, elektrometalurški.

Pirometalurgija- redukcija metala iz ruda na visokim temperaturama uz pomoć ugljika, ugljičnog oksida (II). vodonik, metali - aluminijum, magnezijum.

Na primjer, kositar se dobija iz kasiterita, a bakar iz kuprita kalcinacijom sa ugljem (koksom). Sulfidne rude se prvo prže u prisustvu zraka, a zatim se nastali oksid reducira ugljem. Metali se također izoliraju iz karbonatnih ruda pumpanjem uglja, jer se karbonati zagrijavanjem razlažu, pretvarajući se u okside, a potonji se reduciraju ugljenom.
Hidrometalurgija- Ovo je redukcija metala sa njihovim solima u rastvoru. Proces se odvija u 2 faze: 1) prirodno jedinjenje se rastvara u odgovarajućem reagensu da bi se dobio rastvor soli ovog metala; 2) iz nastalog rastvora ovaj metal se istiskuje aktivnijim ili redukuje elektrolizom. Na primjer, da bi se dobio bakar iz rude koja sadrži bakrov oksid CuO, ona se tretira razrijeđenom sumpornom kiselinom.

Curenje bakra se ekstrahuje iz rastvora soli ili elektrolizom ili se istiskuje iz sulfata gvožđem. Na taj način se dobijaju srebro, cink, molibden, zlato i uranijum.

Elektrometalurgija— redukcija metala u procesu elektrolize rastvora ili talina njihovih jedinjenja.

Elektroliza
Ako se elektrode spuste u otopinu ili rastop elektrolita i prođe stalna električna struja, ioni će se kretati u smjeru: kationi - prema katodi (negativno nabijena elektroda), anioni - prema anodi (pozitivno nabijena elektroda).

Na katodi kationi prihvataju elektrone i reduciraju se, a na anodi anjoni daju elektrone i oksidiraju. Ovaj proces se naziva elektroliza.
Elektroliza je redoks proces koji se događa na elektrodama kada električna struja prođe kroz otopinu ili otopinu elektrolita.

Najjednostavniji primjer takvih procesa je elektroliza rastopljenih soli. Razmotrimo proces elektrolize rastopljenog natrijum hlorida. Talina prolazi kroz proces termičke disocijacije. Pod uticajem električne struje kationi se kreću do katode i prihvataju elektrone sa nje.
Metalni natrijum se formira na katodi, a gasni hlor nastaje na anodi.

Glavna stvar koju morate zapamtiti: u procesu elektrolize, kemijska reakcija se provodi pomoću električne energije, koja se ne može dogoditi spontano.

Situacija je složenija u slučaju elektrolize otopina elektrolita.

U otopini soli, osim iona metala i kiselog ostatka, nalaze se i molekuli vode. Stoga je prilikom razmatranja procesa na elektrodama potrebno uzeti u obzir njihovo učešće u elektrolizi.

Za određivanje produkata elektrolize vodenih otopina elektrolita postoje sljedeća pravila.

1. Proces na katodi ne zavisi od materijala katode na kojoj je napravljena, već od položaja metala (kationa elektrolita) u elektrohemijskom nizu napona, i ako:
1.1. Kation elektrolita se nalazi u naponskom nizu na početku serije (duž Al uključujući), zatim na katodi dolazi do procesa redukcije vode (oslobađa se vodonik). Kationi metala se ne reduciraju, ostaju u otopini.
1.2. Kation elektrolita je u naponskom opsegu između aluminijuma i vodonika, tada se na katodi istovremeno redukuju i molekuli metala i vode.

1.3. Kation elektrolita je u naponskoj seriji nakon vodonika, a zatim se metalni kationi reduciraju na katodi.
1.4. Otopina sadrži katione različitih metala, tada se kation metala koji stoji u naponskom nizu smanjuje
Ova pravila su prikazana u dijagramu 10.

2. Proces na anodi zavisi od materijala anode i prirode anode (Shema 11).
2.1. Ako se anoda otopi (gvožđe, cink, bakar, srebro i svi metali koji se oksidiraju tokom elektrolize), tada se metal anode oksidira, uprkos prirodi anjona. 2. Ako se anoda ne otopi (naziva se inertna - grafit, zlato, platina), tada:
a) prilikom elektrolize rastvora soli kiselina bez kiseonika (prome fluorida) na anodi se javlja proces anjonske oksidacije;
b) prilikom elektrolize rastvora soli i fluorida koji sadrže kiseonik, na anodi se javlja proces oksidacije vode. Anioni ne oksidiraju, ostaju u otopini;

Elektroliza talina i rastvora supstanci ima široku primenu u industriji:
1. Za dobijanje metala (aluminijum, magnezijum, natrijum, kadmijum se dobijaju samo elektrolizom).
2. Za proizvodnju vodonika, halogena, alkalija.
3. Za prečišćavanje metala - rafiniranje (prečišćavanje bakra, nikla, olova se vrši elektrohemijskom metodom).
4. Za zaštitu metala od korozije - nanošenje zaštitnih premaza u vidu tankog sloja drugog metala koji je otporan na koroziju (hrom, nikl, bakar, srebro, zlato) - galvanizacija.

5. Pribavljanje metalnih kopija i zapisa - galvanizacija.
1. Kako je struktura metala povezana sa njihovom lokacijom u glavnim i sekundarnim podgrupama Periodnog sistema hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva?
2. Zašto alkalni i zemnoalkalni metali imaju jedno oksidaciono stanje u jedinjenjima: (+1) i (+2), respektivno, i zašto metali sekundarnih podgrupa, po pravilu, pokazuju različita oksidaciona stanja u jedinjenjima? 8. Koja oksidaciona stanja mangan može pokazati? Koji oksidi i hidroksidi odgovaraju manganu u ovim oksidacionim stanjima? Kakav je njihov karakter?
4. Uporedite elektronsku strukturu atoma elemenata VII grupe: mangana i hlora. Objasniti razliku u njihovim hemijskim svojstvima i prisustvo različitih stepena oksidacije atoma u oba elementa.
5. Zašto položaj metala u elektrohemijskom nizu napona ne odgovara uvek njihovom položaju u periodnom sistemu D. I. Mendeljejeva?
9. Zapišite jednačine za reakcije natrijuma i magnezija sa sirćetnom kiselinom. U kom slučaju i zašto će brzina reakcije biti veća?
11. Koje metode dobijanja metala poznajete? Šta je suština svih metoda?
14. Šta je korozija? Koje vrste korozije poznajete? Koji je fizičko-hemijski proces?
15. Da li se korozijom mogu smatrati sledeći procesi: a) oksidacija gvožđa tokom elektro zavarivanja, b) interakcija cinka sa hlorovodoničnom kiselinom pri proizvodnji kisele kiseline za lemljenje? Dajte obrazložen odgovor.
17. Proizvod od mangana je u vodi iu kontaktu sa bakrenim proizvodom. Hoće li oba ostati nepromijenjena?
18. Da li će gvozdena konstrukcija biti zaštićena od elektrohemijske korozije u vodi ako je na nju pričvršćena ploča drugog metala: a) magnezijuma, b) olova, c) nikla?

19. Za koju svrhu se površina rezervoara za skladištenje naftnih derivata (benzin, kerozin) farba srebrom – mješavinom aluminijumskog praha sa nekim od biljnih ulja?

Stranica 2

Gvožđe, bakar i aluminijum imaju karakterističan metalni sjaj.

Prilikom proučavanja čvrstih tijela koja nemaju karakterističan metalni sjaj, primjećujemo da je njihova električna provodljivost vrlo niska. To uključuje supstance koje nazivamo jonskim - natrijum hlorid, kalcijum hlorid, srebrni nitrat i srebro hlorid, kao i molekularne kristale poput leda. Led prikazan na sl. 5 - 3, sastoji se od istih molekula koji postoje u gasnoj fazi, ali se poredak nalazi u kristalnoj rešetki. Ovi loši provodnici električne struje se po gotovo svim svojstvima veoma razlikuju od metala. Dakle, električna provodljivost se može koristiti za klasifikaciju supstanci, što je jedna od najopravdanijih.

Metali su jednostavne kristalne tvari koje imaju karakterističan metalni sjaj, dobro provode toplinu i električnu struju, te su u stanju mijenjati svoj oblik pod utjecajem vanjskih sila i održavati ga nakon uklanjanja opterećenja bez ikakvih znakova uništenja. Od ukupnog broja trenutno poznatih hemijskih elemenata, osamdeset elemenata je klasifikovano kao metali. Najčešći metali u zemljinoj kori u obliku hemijskih jedinjenja su aluminijum, gvožđe, magnezijum, kalijum, natrijum i kalcijum. Čisti metali imaju ograničenu upotrebu u tehnologiji, budući da su u prirodi izuzetno rijetki, a njihovo dobivanje iz kemijskih spojeva (ruda) povezano je s velikim poteškoćama.

Kao rezultat vodikove korozije, površina čelika gubi svoj karakterističan metalni sjaj i postaje dosadna.

Polimeri su fino dispergovani obojeni prahovi sa karakterističnim metalnim sjajem, rastvorljivi samo u koncentrovanoj sumpornoj kiselini.

Svi d-elementi su metali sa karakterističnim metalnim sjajem. U poređenju sa s-metalima, njihova čvrstoća je mnogo veća.

Neotopljeni jod stvara jasno vidljiv film s karakterističnim metalnim sjajem (pluta na površini otopine) ili se skuplja na dnu tikvice u obliku crnih čestica. Budući da je rastvor joda obojen intenzivno crvenom bojom i skoro da nije proziran, mora se vrlo pažljivo ispitati, držeći bocu na jakoj električnoj lampi koja visi na plafonu. Da biste to učinili, morate stajati ispod lampe, držeći bocu za vrat u nagnutom položaju između lampe i vašeg lica, i pokušati vidjeti svijetlu sliku lampe u njoj. Na takvoj pozadini jasno su vidljivi neotopljeni kristali joda. Tada će se kristali obe supstance okupiti na jednom mestu i oko kristala joda će se stvoriti zona koncentrisanog rastvora KJ u kojoj će se jod brzo rastvoriti.

Svi alkalni metali su supstance srebrno-bele boje, karakterističnog metalnog sjaja, dobre električne i toplotne provodljivosti, niske tačke topljenja i relativno niske tačke ključanja, male gustine i velike zapremine atoma. U stanju pare, njihovi molekuli su jednoatomni; joni su bezbojni.

Po izgledu su tamnoljubičasti, gotovo crni kristali s karakterističnim metalnim sjajem. Dobro se otapa u vodi. Kalijum permanganat je jedno od jakih oksidacionih sredstava, što određuje njegova dezinfekciona svojstva.