Загальні властивості металів

1. Кристалічна будова металів.*
2. Сплави. *

1. Метали мають ряд загальних властивостей. Причиною однакових фізичних і хімічних властивостей металів є подібність будови їхніх атомів і природи кристалічних решіток металів. До загальних фізичних властивостей металів належать: висока електропровідність, висока теплопровідність, пластичність, металічний блиск, непрозорість.

Пластичність – здатність деформуватися при звичайній і підвищеній температурі, не руйнуючись. Пластичність металів пояснюється специфічними властивостями металічного зв’язку. При механічному впливі на тверде тіло окремі шари його кристалічної решітки зміщуються відносно один одного. У кристалах з атомною структурою це призводить до розривання ковалентних зв’язків між атомами, що належать різним шарам, і кристал руйнується. У кристалах з йонною структурою при взаємному зміщенні шарів неминуче створюється таке положення, при якому поряд виявляються однойменно заряджені йони. При цьому виникають сили електростатичного відштовхування і кристал також руйнується. При зміщенні окремих шарів кристалічної решітки металу відбувається лише деякий перерозподіл електронного газу, що зв’язує атоми металу один з одним, але хімічні зв’язки не розриваються – метал деформується, не руйнуючись. Завдяки цій властивості метали можна кувати, прокатувати, витягувати в дріт, штампувати.

Металічний блиск зумовлюється здатністю металів добре відбивати світло.

Висока тепло- і електропровідність металів зумовлені можливістю вільного переміщення електронів зони провідності.

З погляду хімії всі метали порівняно легко віддають валентні електрони і, як наслідок цього, здатні утворювати позитивно заряджені йони і виявляти у своїх сполуках тільки позитивну окислюваність. Металів у різних сполуках завжди мають позитивний ступінь окиснення. У зв’язку з цим метали у вільному стані є відновниками. Відновна здатність різних металів неоднакова. Для реакцій у водних розчинах вона визначається положенням металу в ряду напруг і концентрацією його йонів у розчині.

2. Кристалічну будову металів вивчають різними методами. Їх можна розділити на дві групи. До першої належать методи вивчення внутрішньої будови кристалів. До другої – методи вивчення їхніх зовнішніх форм.

Внутрішню будову кристалів вивчають, головним чином, за допомогою рентгеноструктурного аналізу. За його даними для всіх металів установлено типи і параметри кристалічних граток.

Кристалічні гратки металів можуть бути різних типів. Однак для більшості металів характерні три типи граток:

· об’ємноцентрована кубічна (Li, Na, K, V, Cr, Fe(при температурах до 912ºС і від 1394ºС до плавлення), Pb, W)

· гранецентрована кубічна (Al, Fe(від 912ºС до 1394ºС), Ca, Ni, Cu, Ag, Au)

· гексагональна (Be, Mg, Cd, Ti, Co, Zn)

а) об’ємноцентрована кубічна

б) гранецентрована кубічна

в) гексагональна

Розміри, форму і взаємне розміщення кристалів у металах вивчають металографічними методами. Найповнішу оцінку структури металу з цього погляду дає мікроскопічний аналіз його шліфу. З досліджуваного металу вирізають зразок і його площину шліфують, полірують і протравлюють спеціальним розчином (травником). В результаті травлення виявляється структура зразка, яку розглядають або фотографують за допомогою металографічного мікроскопа.

Кристали металів звичайно мають невеликі розміри. Тому будь-який металевий виріб складається з великої кількості кристалів. Така структура називається полікристалічною. При кристалізації металу з розплавленого стану кристали, що ростуть, заважають один одному набувати правильної форми. Тому кристали полікристалічного тіла мають неправильну форму і на відміну від правильно огранованих кристалів називаються кристалітами, або зернами. Зерна розрізняються між собою просторовою орієнтацією їхніх кристалічних решіток.

Схема різної орієнтації кристалічних решіток у полікристалічному тілі

При травленні шліфу межі зерен роз’їдаються більше; вони стають поглибленими. Світло, падаючи на них, розсіюється, і в полі зору мікроскопа межі зерен здаються темними, а самі зерна – світлими.

Внутрішня структура зерна металу не є точно правильною. Металам властиві дефекти структури.

3. Сплав – суміш якого-небудь металу з одним або кількома іншими елементами.

У рідкому стані більшість металів розчиняються один в одному і утворюють однорідний рідкий сплав. У процесі кристалізації з розплавленого стану різні метали поводять себе по-різному, що зумовлює існування таких трьох типів сплавів:

1) У твердому стані метали, що сплавляються, не розчиняються один в одному і хімічно не взаємодіють один з одним. За цих умов сплав є хімічною сумішшю і складається з кристалітів одного і другого компонентів, які чітко видно на мікрошліфі.

2) Метали, які сплавляються, взаємодіють один з одним, утворюючи хімічну сполуку.

3) У процесі кристалізації з розплаву розчинність металів один в одному зберігається. Утворюються однорідні кристали. У цьому випадку тверда фаза називається твердим розчином. При цьому для одних металів взаємна розчинність їх у твердому стані не обмежена, інші ж розчиняються один в одному лише до певних концентрацій.

Контрольні запитання:

1. Охарактеризуйте загальні фізичні властивості металів.
2. Методи вивчення кристалічної структури металів.
3. Що називається сплавом? Типи сплавів.
4. Масова частка натрію в його інтерметалічній сполуці з оловом дорівнює 20,5%. Визначте формулу інтерметалічної сполуки.
5. Зразок сплаву заліза з вуглецем масою 7,27 г розчинили в сульфатній кислоті. Об’єм утвореного водню склав 2,8 л за н.у. Який сплав заліза був взятий? Визначте масову частку карбону в сплаві.

Література:

1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. – Л.: Химия, 1979. – Гл. ХVІ, §§ 190-191, 194, с. 530-538, 543 -553.
2. Хомченко Г.П. Химия. – М.: Высшая школа, 1981. – Ч. ІІ, Гл. 12, §§ 94-97, с. 108-110.