Физико-химические представления о металлах

Трудно переоценить значение металлов в нашей жизни. Машины и механизмы, посуда и железнодорожные мосты, украшения и строительные конструкции - все это металлы.

По многим оценкам металл относят к фундаментам цивилизации. Обеспеченность металлом в значительной мере определяет уровень жизни людей, уровень развития науки и техники. Уникальный комплекс свойств металлических материалов - высокая прочность, пластичность, электропроводность, жаропрочность и др. обеспечивает очень широкое применение их в промышленно-экономическом комплексе, во всех отраслях науки и техники. По данным ООН все другие вместе взятые неорганические материалы пока смогли заменить лишь 6% металла.

Сейчас ежегодно добывается и используется в деятельности человека в мире многие миллионы тонн различных металлов:

Fe около 300 млн.т; Cu около 4 млн.т; Al около 5 млн.т; Zn, Pb около 2 млн.т; Mg более 100 тыс.т; Ni, Sn около 200 тыс.т; Ti около 20 тыс.т; Mg, Bi, Cd, Co, Ag от 1000 до 10 000 т; Au около 1000 т; Pt около 10 т; Mn свыше 1 млн.т; Cr не менее 200 тыс.т.

Что же такое металл? Как его отличить от неметаллов? Какие свойства являются характерными для металла?

Первое научное определение металла дано великим русским ученым М.В. Ломоносовым: "Металл - это светлое тело, которое ковать можно". В этом определении заложен глубокий физический смысл, вытекающий из особенностей атомного строения.

В настоящее время металлами называют вещества, обладающие высокой электропроводностью и отрицательным термическим коэффициентом электропроводности.

Атомы любого вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, распределяющихся по энергетическим уровням: 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, (3d, 4s²), 4p⁶, (4d¹⁰, 5s²), 5p⁶, (5d¹⁰, 4f¹⁴), 6s², (6d¹⁰,5f¹⁴), 7s².

Заполнение электронных уровней происходит в указанной последовательности. Для металлов характерным является наличие незаполненных уровней, наряду с полностью заполненными электронными уровнями. Электроны незаполненных уровней являются такими электронами, которые и образуют "электронный газ", обеспечивающий создание металлической связи.

Сущность металлической связи атомов металлов в твердом или жидком состоянии в следующем. Атомы металлов легко расстаются со своими валентными электронами, наиболее удаленными от ядра, образуя положительные ионы и поле свободных электронов. Ионы, освободившиеся от валентных электронов, располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку металла. Таким образом, кристалл типичного металла можно рассматривать как коллектив положительных ионов, находящихся в среде свободных электронов.

Взаимодействие между положительными ионами и отрицательными коллективизированными электронами является основным фактором, определяющим металлическую связь. Ионы сохраняют постоянное положение и образуют пространственную решетку металла. Электроны, оторвавшиеся от атомов, свободно перемещаются между ионами. Считается, что электроны, оторвавшиеся от одних атомов, после некоторого перемещения вновь присоединяются к ионам, образуя нейтральные атомы, а затем вновь отрываются и т.д. Таким образом, в каждый момент времени определенная часть электронов может находиться в свободном состоянии.

Каждый из типов уровней, а именно уровни s имеют сферическую ориентацию, уровень p - гантелевидную, уровни d и f - эллипсоидальную. На внешней орбитали металлов обычно имеется 1 или 2 электрона.

Переход электронов в коллективизированное состояние с внешней электронной орбитали приводит либо к сохранению формы внешней орбитали (если переходит в коллективизированное состояние 1 электрон), либо к оголению новой (нижней) орбитали. Это явление лежит в основе полиморфизма (аллотропического превращения) металлов, например, железа, марганца, кобальта, урана и других полиморфных металлов. Если после перехода электронов в коллективизированное состояние внешняя электронная оболочка - сферическая, то атомы упаковываются наиболее плотно, образуя одну из плотноупакованных решеток. Образование несферических орбиталей на поверхности атома приводит к формированию менее плотно упакованных решеток - обычно объемно-центрованных.

Чем больше оторвавшихся (коллективизированных) электронов, тем больше электропроводность металла. Коллективизированные электроны движутся в самых различных направлениях и поэтому в нейтральном кристаллическом металле нет направленного потока и результирующею переноса электричества. Но как только между двумя точками кристалла извне создается разность потенциалов, коллективизированные электроны металла устремляются в определенном направлении или другими словами в металле появляется электрический ток. Чем менее связаны коллективизированные электроны, и чем больше их количество, тем выше электропроводность металла. У элементов с малым количеством коллективизированных электронов наблюдается пониженная электропроводность и пластичность. Так как объем электрона ничтожно мал по сравнению с пространством, занятым кристаллической решеткой, коллективизированные электроны могут быть сравнены с атомами или молекулами газа и к ним до некоторой степени могут быть применены законы газового состояния. В связи с этим совокупность коллективизированных электронов называют электронным газом.

Электронный газ играет роль матрицы, связывающей положительные ионы прочной связью в своих положениях в кристаллической решетке. При этом электронные силы притяжения между электронами ионами уравновешивает силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ионами.

Высокая пластичность металлов, отмеченная М.В. Ломоносовым, также обусловлена наличием коллективизированных электронов электронного газа. Например: в ионных соединениях солеобразного типа, обладающих высокой хрупкостью, взаимодействие атомов осуществляется за счет притяжения положительно и отрицательно заряженных ионов (рисунок 1.3).

При воздействии на кристалл соли напряжений, вызывающих перемещение иона на долю междуатомного расстояния, происходит следующее: положительный ион, ранее находящийся в непосредственной близости с отрицательными ионами, и притягивавшийся к нему, приближается к другому положительному иону и отталкивается от него. В результате возникают силы отталкивания между атомами, приводящие к хрупкому сколу кристалла.

Поскольку в металлическом кристалле связь между ионами обеспечивается за счет перемещающихся частиц (электронов), не связанных с конкретным атомом, смещение ионов на расстояния, соизмеримые с межатомными, не вызывает появления сил отталкивания.

Рисунок 1.3. Схема строения ионного кристалла и его поведение при сдвиге ионов друг относительно друга

При смещении слоя ионов перемещаются и электроны, поддерживая связь всего коллектива частиц, т.е. металлическому состоянию свойственна возможность смещения атомов из своего положения под действием силы извне без сколов, т.е. налицо явление пластичности.

Таким образом, в связи с наличием металлической связи в кристаллах металлов, им свойственны следующие особенности физических свойств по сравнению с неметаллами:

более высокая электропроводность (на несколько порядков);

падение электропроводности с повышением температуры (у неметаллов с повышением температуры электропроводность растет);

наличие у некоторых металлов явления сверхпроводимости при температурах вблизи абсолютного нуля;

более высокая по сравнению с неметаллами теплопроводность. Отличие в теплопроводности металлов и неметаллов значительно меньше, чем отличие в электропроводности. Например, теплопроводность серы всего в 3 раза меньше теплопроводности висмута и только на полтора порядка меньше теплопроводности железа;

наличие пластичности металлов.