Мета́ллы ( от — «шахта, рудник»Словарь иностранных слов. — М.: «Русский язык», 1989. — 624 с. ISBN 5-200-00408-8) — группа химических элементов, обладающих в виде простых веществ при нормальных условиях характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и характерный металлический блеск.
Происхождение слова Слово «металл» было заимствовано в русский из немецкого языка. Оно отмечается в «Травнике» Николая Любчанина, написанном в 1534 году: «…злато и серебро всех металей одолеваетъ». Окончательно слово было усвоено в Петровскую эпоху. Первоначально оно имело общее значение «минерал, руда, металл»; разграничение этих понятий произошло в эпоху М. В. Ломоносова.
Немецкое слово metall было заимствовано из латинского языка, где metallum — «рудник, металл». Латинское слово, в свою очередь, пришло из греческого языка (μεταλλον — «рудник, копь»)Этимологический словарь русского языка. Вып. 10: М / Под общей редакцией А. Ф. Журавлёва и Н. М. Шанского. — М.: Изд-во МГУ, 2007. — 400 с. ISBN 978-5-211-05375-5.
Классификация Из 118 химических элементов, открытых на 2019 год, к металлам часто относят (единого общепринятого химического определения нет, например, полуметаллы и полупроводники не всегда относят к металлам):
6 элементов в группе щелочных металлов: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr; 6 в группе щёлочноземельных металлов: Ca, Sr, Ba, Ra; а также Mg и Be; 38 в группе переходных металлов: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn;Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd;Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg;Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn; 7 в группе лёгких металлов: Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi; 7 в группе полуметалловСтрого говоря из-за амфотерности химических свойств полуметаллы (металлоиды) представляют собой обособленную группу, не относясь ни к металлам, ни к неметаллам; К группе металлов их можно отнести лишь условно.: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po; 14 в группе лантаноидов + лантан (La): Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; 14 в группе актиноидов (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний (Ac): Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr.
Металлическими свойствами обладает также металлический водород, получаемый при сверхвысоких давлениях и сверхнизкой температуре; предполагается, что эта аллотропическая модификация водорода может быть метастабильной и сохранять свои свойства и при нормальных условиях. Тем не менее водород не относят к металлам.
Таким образом, к металлам могут относиться более 90 элементов из всех открытых.
В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия (см. Металличность).
Кроме того, в физике металлам, как проводникам, противопоставляются полупроводники и диэлектрики (см. также Полуметалл)Металлы // Энциклопедический словарь юного физика. / Сост. В. А. Чуянов. — М.: Педагогика, 1984. — с. 165—167 . — 352 с..
Некоторые группы/семейства металлов (по разным классификациям)
Металлы по химическим свойствам Щелочные (например, литий, натрий, калий) Щёлочноземельные (например, кальций, стронций, барий) Другие, которые зачастую относят к щёлочноземельным: бериллий, магний Переходные (например, уран, титан, железо, никель, кобальт, молибден, вольфрам, платина) Постпереходные: Лёгкие (например, алюминий, олово)
Металлы по физическим свойствам и отраслям экономики
Тяжёлые (например, свинец, медь, ртуть, кадмий, кобальт) Тугоплавкие (например, молибден, вольфрам) Цветные (например, свинец, медь, олово, цинк, никель) Благородные: золото, серебро и металлы платиновой группы
Нахождение в природе Бо́льшая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 химических элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде и в живых организмах (играя при этом важную роль).
Известно, что организм человека на 3 % состоит из металловЮрий Кукшкин. Химия вокруг нас . Больше всего в организме кальция (в костях) и натрия, выступающего в роли электролита в межклеточной жидкости и цитоплазме. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь — в печени, железо — в крови.
Производство металлов
Подготовка руды
Металлы извлекают из земли в процессе добычи полезных ископаемых. Добытые руды служат относительно богатым источником необходимых элементов. Для выяснения нахождения руд в земной коре используются специальные поисковые методы, включающие разведку и исследование рудных месторождений. Месторождения руд разрабатываются открытым или карьерным способом и подземным или шахтным способом. Иногда применяется комбинированный (открыто-подземный) способ разработки рудных месторождений.
После извлечения руд они, как правило, подвергаются обогащению. При этом из исходного минерального сырья выделяют один или несколько полезных компонентов — рудный концентрат(ы), промпродукты и отвальные хвосты. В процессах обогащения используют отличия минералов полезного компонента и пустой породы в плотности, магнитной восприимчивости, смачиваемости, электропроводности, крупности, форме зёрен, химических свойствах и др.
Работа с рудой Из добытой и обогащённой руды металлы извлекаются, как правило, с помощью химического или электролитического восстановления. В пирометаллургии для преобразования руды в металлическое сырьё используются высокие температуры, в гидрометаллургии применяют для тех же целей водную химию. Используемые методы зависят от вида металла и типа загрязнения.
Когда металлическая руда является ионным соединением металла и неметалла, для извлечения чистого металла она обычно подвергается выплавлению — нагреву с восстановителем. Многие распространённые металлы, такие как железо, медь, олово, плавят с использованием углерода в качестве восстановителя. Некоторые металлы, такие как алюминий и натрий, не имеют ни одного экономически оправданного восстановителя и извлекаются с применением электролиза.
Сульфидные руды не улучшаются непосредственно до получения чистого металла, но обжигаются на воздухе, с целью преобразования их в окислы.
Физические свойства металлов
Твёрдость Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже в таблице приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.
+ Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:ТвёрдостьМеталл0.2Цезий0.3Рубидий0.4Калий0.5Натрий0.6Литий1.2Индий1.2Таллий1.25Барий1.5Стронций1.5Галлий1.5Олово1.5Свинец1.5Ртуть(тв.)1.75Кальций2.0Кадмий2.25Висмут2.5Магний2.5Цинк2.5Лантан2.5Серебро2.5Золото2.59Иттрий2.75Алюминий3.0Медь3.0Сурьма3.0Торий3.17Скандий3.5Платина3.75Кобальт3.75Палладий3.75Цирконий4.0Железо4.0Никель4.0Гафний4.0Марганец4.5Ванадий4.5Молибден4.5Родий4.5Титан4.75Ниобий5.0Иридий5.0Рутений5.0Тантал5.0Технеций5.0Хром5.5Бериллий5.5Осмий5.5Рений6.0Вольфрам6.0β-Уран
Температура плавления Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите.
Плотность Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Пластичность Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.
Электропроводность Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, золото, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Теплопроводность Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.
Цвет Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета. Осмий имеет хорошо различимый голубой цвет.
Взаимодействие с простыми веществами На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны).
Реакции с простыми веществами С кислородом реагируют все металлы, кроме золота и платиновых металлов. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды: оксид лития пероксид натрия надпероксид калия Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:
С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:
При нагревании:
С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины. Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:
С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп, кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:
С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.
Взаимодействие кислот с металлами С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.