Общие физические свойства металлов

С глубокой древности были известны медь, золото, серебро, железо, олово, свинец и ртуть («семь металлов создал свет — по числу семи планет»). Эти простые вещества или находятся в природе в свободном состоянии (золото, серебро), или получаются из богатых руд при сравнительно низких температурах. Все они обладают такими общими свойствами, как специфический «металлический блеск», пластичность, ковкость, хорошая теплопроводность. Все металлы, за исключением ртути, проявляют значительную твердость. По этим признакам они и были выделены в особую группу — металлы.

Позже было установлено, что металлы в природе существуют не только в свободном состоянии, но и в составе разнообразных химических веществ. Из природных образований химическими методами были выделены более 80 новых металлов. В форме простых веществ металлы существуют в виде кристаллических тел, являются хорошими восстановителями и образуют основные оксиды. Металлы ни в каких соединениях не проявляют отрицательных степеней окисления!

Современная цивилизация использует практически все 90 металлов, входящих в периодическую таблицу. С учетом того факта, что современные технологии вводят в оборот еще и чистые изотопы, общее число «первооснов» для создания конструкционных материалов превышает несколько сотен. Если же учитывать сплавы, то число металлических конструкционных материалов исчисляется многими тысячами наименований. Металлические материалы обычно подразделяют на две большие группы: железо и сплавы железа с углеродом (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными.

В группе цветных металлов выделяется несколько семейств, среди которых особую роль играют редкие и рассеянные металлы. В эту группу входит около 50 химических элементов, находящихся в природе в относительно малых количествах (тысячные доли процента от массы земной коры) и, как правило, не образующих собственных минералов. Это их свойство и обусловливает название «рассеянные». Добыча таких металлов — очень сложная технологическая задача. Но технологии XXI в. требуют вовлечения все больших количеств лития, вольфрама, молибдена и других членов этого семейства в инженерную практику. Химия и металлургия в настоящее время успешно справляются с этой задачей.

Но, несмотря на резкое расширение ассортимента используемых металлов, в целом «железный век» все еще продолжается — железо остается основным конструкционным материалом и сегодня. Мировое промышленное производство железа в виде стали в 2011 г. достигло рекордного уровня 1 млрд 527 млн т. Из этого количества железа можно было бы сковать обруч на экватор Земли, и получилась бы стальная магистраль длиной 40 000 км, шириной 30 м и толщиной 15 см! Или соединить Землю с Луной стальной колонной диаметром 77 см!

Большое разнообразие сплавов отражает потребности современных технологий в различных по эксплуатационным свойствам металлических конструкционных материалах.

Из положения металлов в периодической таблице следует, что металлы могут иметь все известные конфигурации заполнения электронов внешнего энергетического уровня: 5-,/?-, с1- и /-элементы. Граница металлы — неметаллы в периодической таблице весьма размыта. Одни считают, что граница проходит по диагонали «водород — алюминий — германий — сурьма — полоний» или по линии «бор — кремний — мышьяк — теллур — астат». Часть исследователей определяют ее, но нолю р-элеменгов и считают, что граница проходит по линии «углерод — фосфор — селен». Каждая из предложенных диагоналей имеет свои характерные признаки «металличности» и «неметалличности».

Физические свойства металлов обусловлены тем, что их атомы связаны металлической связью. «Рыхлость» внешних электронных оболочек металлов при построении кристаллической решетки приводит к тому, что электронные слои в достаточной степени перекрываются. Эта особенность перекрывания электронных облаков данного атома металла со всеми соседями обусловливает такие физические свойства металлов: высокие электрои теплопроводность, металлический блеск (как правило, в компактном состоянии), преимущественно серый цвет (исключения — Си, Аи и некоторые другие), пластичность и ковкость, способность испускать электроны под воздействием внешнего источника энергии.

В зависимости от тина поступающей энергии различают следующие типы эмиссии электронов:

• • термоэлектронную — под действием нагрева;
• • фотоэлектронную — под действием электромагнитного излучения видимого и близких к нему участков спектра;
• • экзоэлектронную — при механическом воздействии на металл в вакууме;
• • вторичную электронную — под воздействием первичного пучка электронов;
• • автоэлектронную — под действием внешнего электростатического поля напряженностью 10⁶—10⁷ В/см.

Эмиссионные свойства металлов зависят от величины работы выхода <�р_э — энергии, необходимой для «извлечения» электрона из металла при данном типе воздействия. На явлении электронной эмиссии основана работа многих радиотехнических и электронных устройств (радиолампы, фотоэлементы, иглы сканирующих туннельных микроскопов и т. п.).

Это же свойство порождает и явление контактной разности потенциалов. Оно используется для измерения температуры с помощью термопар — спаянных металлов с разной работой выхода. Измерение основано на том, что термоЭДС, возникающая в месте спая, должна практически линейно зависеть от температуры. В качестве рабочих материалов термопар, отвечающих этому требованию, используют спаи платины с платино-родиевым сплавом, хромеля (сплав никеля с хромом) с алюмелем (сплав никеля с алюминием, марганцем и кремнием) и ряд других.

Работа выхода всегда меньше энергии ионизации. Это видно из табл. 5.1.

Таблица 5.1

Энергия ионизации и работа выхода электронов для некоторых металлов.

Отличить металл от неметалла можно по изменению электрического сопротивления с температурой. С повышением температуры у металлов сопротивление растет, а у полупроводников и неметаллов — падает. Металлы имеют только три типа кристаллической решетки (см. гл. 3): гранецентрированная кубическая (ГЦК), объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетки. Свойства металлов, связанные с их механической прочностью и деформациями, изучаются в курсах физики и материаловедения.