Вступ

Усі метали поділяють на дві велику групи: чорні та кольорові.

Чорні метали – темно-сірого кольору, з високою густиною (крім лужноземельних), мають високі температури плавлення та кипіння, високу твердість. Серед них виділяють:

1. метали родини заліза – Fe, Co, Ni, а також Mn. Їх застосовують для одержання сплавів заліза;
2. тугоплавкі метали – температура плавлення яких перевищує температуру плавлення заліза (1536 0С) – Мо, W. Застосовуються як легуючі добавки до сталей;
3. уранові метали – актиноїди – метали ІІІВ підгрупи V періоду;
4. рідкісноземельні метали – лантаноїди – метали ІІІВ підгрупи VII періоду;
5. лужні та лужноземельні метали – елементи ІА та ІІА підгруп.

Кольорові метали – забарвлені (жовті, червоні, білі), м’які, пластичні, мають низькі температури плавлення та кипіння. Їх поділяють на:

1. легкі метали – лужні метали, Be, Mg, Al (густина не більша 5 г/см3);
2. благородні метали – Ag, Au, метали родини платини (VIIIB підгрупа, 5 і 6 період). Усі вони хімічно малоактивні.
3. легкоплавкі метали – температура плавлення яких нижча від температури плавлення заліза.

1. Загальна характеристика

Метали мають величезне значення в розвитку людської цивілізації. З давніх-давен людству відомі золото, срібло, мідь та залізо. Сучасна металургія отримує для потреб техніки більше 60 металів та на їх основі понад 5000 сплавів.

Характерні властивості металів

• Металевий блиск (характерний не тільки для металів: його мають і неметали йод і вуглець у вигляді графіту)
• Хороша електропровідність
• Можливість легкої механічної обробки (див.: пластичність, а проте деякі метали, наприклад германій і вісмут, непластичний)
• Висока щільність (зазвичай метали важче неметалів)
• Висока температура плавлення (виключення: ртуть, галій і лужні метали)
• Велика теплопровідність.

Розглянемо положення елементів-металів у Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Якщо провести лінію від Бору до Астату, то можна помітити, що усі елементи, розташовані лівіше від проведеної лінії, відносять до металічних. Правіше цієї межі розміщені переважно елементи-неметали та деяка частина d-елементів, які належать до так званих перехідних металів (наприклад, Хром, Ферум, Платина). Бачимо, що переважна більшість відомих хімічних елементів є металічними.

Атоми елементів-металів на зовнішньому енергетичному рівні містять невелику кількість електронів — від одного до трьох, зрідка — чотири. Намагаючись набути стійкої електронної конфігурації інертних газів, металічні елементи легко віддають електрони, утворюючи катіони. Чим менше електронів міститься на зовнішньому енергетичному рівні і чим більший радіус атома, тим легше атом металічного елемента перетворюється на відповідний катіон. За цієї причини в періодах при збільшенні заряду атомного ядра, металічні властивості зменшуються, а в групах — збільшуються.

Метали є речовинами немолекулярної будови. Оскільки атоми елементів-металів здатні віддавати електрони з зовнішнього енергетичного рівня, то у вузлах кристалічної ґратки металів містяться позитивні йони і деяка частина нейтральних атомів. Між ними хаотично пересуваються відносно вільні електрони, які стають спільними для всієї кристалічної ґратки. Таку кристалічну ґратку називають металічною. Усуспільнені електрони, вільно пересуваючись, компенсують сили електростатичного відштовхування між позитивно зарядженими йонами і, таким чином, забезпечують хімічний зв’язок в кристалі металу. Зв’язок, який здійснюють відносно вільні електрони між катіонами металів кристалічної ґратки називають металічним.

Фізичні властивості металів зумовлені особливостями їх будови. За звичайних умов усі метали (за винятком ртуті) є твердими кристалічними речовинами. Температури плавлення металів значно відрізняються: цезій можна розплавити у долоні, а температура плавлення вольфраму +3410 °С.

Більшість металів, за винятком золота та міді, мають сріблясто-білий або сріблясто-сірий колір. Усі метали мають характерний металевий блиск, який пояснюється наявністю в них вільних електронів. У вигляді порошку метали втрачають блиск (крім магнію і алюмінію) і набувають чорного або темно-сірого кольору.

Усі метали — добрі провідники електричного струму. Це пояснюється наявністю вільних електронів, які під впливом навіть невеликої різниці потенціалів починають пересуватися в певному напрямку. Найкращими провідниками електричного струму є срібло, мідь, золото, алюміній і залізо. Метали мають високу теплопровідність, яка також пояснюється високою рухливістю електронів.

Більшість металів пластичні. Їх можна кувати, витягати в дріт, прокочувати в тонкі листи. При цьому відбувається зсув атомів та йонів кристалічної ґратки, але зв’язки між ними не розриваються завдяки руху відносно вільних електронів. Пластичність зменшується в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe. Золото можна прокатати в тонку фольгу товщиною до 0,003 мм.

Метали відрізняються своєю твердістю. Найбільш твердим є хром, яким можна різати скло. Найбільш м’якими є натрій і калій, які легко ріжуться ножем. Також метали різняться своєю густиною. Найлегшим з металів є літій, а найважчим — осмій.

2. Корозія металів. Способи захисту від корозії

Корозія безповоротно руйнує метал, перетворюючи його на труху: зі всього, виготовленого в світі заліза, 10% повністю руйнуватиметься в цей же рік.

Руйнування металів в результаті електрохімічної (розчинення у вологому повітряному або водному середовищі — електроліті) або хімічної (утворення з’єднань металів з хімічними агентами високої агресії) взаємодії із зовнішнім середовищем. Корозійний процес в металах може розвинутися лише в деяких ділянках поверхні (місцева корозія), охопити всю поверхню (рівномірна корозія), або ж руйнувати метал по кордонах зерен (міжкристалічна корозія).

За звичайних умов метали можуть вступати в хімічні реакції з речовинами, що містяться в навколишньому середовищі, ― киснем і водою. На поверхні металів з’являються плями, метал становиться крихким і не витримує навантажень. Це призводить до руйнування металевих виробів, на виготовлення яких було затрачено велику кількість сировини, енергію та багато людських зусиль.

Корозією називають мимовільне руйнування металів і сплавів під впливом навколишнього середовища.

Яскравий приклад корозії ― іржа на поверхні сталевих і чавунних виробів. Щорічно через корозію втрачають біля чверті всього виробленого у світі заліза. Витрати на ремонт або заміну суден, автомобілів, приладів і комунікацій, водопровідних труб у багато разів перевищують вартість металу, з якого вони виготовлені. Продукти корозії забруднюють навколишнє середовище і негативно впливають на життя та здоров’я людей.

Хімічна корозія відбувається в різних хімічних виробництвах. В атмосфері активних газів (водню, сірководню, хлору), в середовищі кислот, лугів, солей, а також у розплавах солей і інших речовин відбуваються специфічні реакції із залученням металевих матеріалів, із яких зроблені апарати, в яких здійснюється хімічний процес. Газова корозія відбувається при підвищених температурах. Під її вплив попадають арматура печей, деталі двигунів внутрішнього згоряння. Електрохімічна корозія відбувається, якщо метал міститься у будь-якому водному розчині.

До хімічної корозії схильні абсолютно всі метали — і чорні, і кольорові. Активні кольорові метали (наприклад — алюміній) під впливом корозії покриваються оксидною плівкою, що перешкоджає глибокому окисленню і що захищає метал. А такий мало активний метал, як мідь, під впливом вологи повітря набуває зеленуватого нальоту — патини. Причому оксидна плівка захищає метал від корозії не у всіх випадках — лише якщо кристалохімічна структура плівки, що утворилася, подібна будові металу, інакше — плівка нічим не допоможе.

Найбільш активними компонентами навколишнього середовища, які діють на метали, є кисень О₂, водяна пара Н₂О, карбон(IV) оксид СО₂, сульфур(IV) оксид SО₂, нітроген(IV) оксид NО₂. Дуже сильно прискорюється процес корозії при контакті металів з солоною водою. З цієї причини кораблі іржавіють у морській воді швидше, ніж у прісній.

Суть корозії полягає в окисненні металів. Продуктами корозії можуть бути оксиди, гідроксиди, солі тощо. Наприклад, корозії заліза можна схематично описати таким рівнянням:

4Fe + 6H₂O + 3O₂ → 4Fe(OH)₃.

Процес електрохімічної корозії не потребує обов’язкового занурення металу в електроліт — досить тонкої електролітичної плівки на його поверхні (часто електролітичні розчини просочують середовище, що оточує метал (бетон, грунт і так далі)). Найбільш поширеною причиною електрохімічної корозії є повсюдне вживання побутової і технічної солей (хлориди натрію і калія) для усунення льоду і снігу на дорогах в зимовий період — особливо страждають автомашини і підземні комунікації (за статистикою, щорічні втрати в США від використання солей в зимовий період складають 2,5 млрд. доларів).

Відбувається наступне: метали (сплави) втрачають частину атомів (вони переходять в електролітичний розчин у вигляді іонів), електрони, що заміщають втрачені атоми, заряджають метал негативним зарядом, тоді як електроліт має позитивний заряд. Утворюється гальванічна пара: метал руйнується, поступово всі його частки стають частиною розчину. Електрохімічну корозію можуть викликати блукаючі струми, що виникають при витоку з електричного ланцюга частини струму у водні розчини або в грунт і звідти, — в конструкції з металу. У тих місцях, де блукаючі струми виходять з металоконструкцій назад у воду або в грунт, відбувається руйнування металів. Особливо часто блукаючі струми виникають в місцях руху наземного електротранспорту (наприклад, трамваїв і ж/д локомотивів на електричній тязі). Всього за рік блукаючі струми силою в 1А здатні розчинити заліза — 9,1 кг, цинку — 10,7 кг, свинцю — 33,4 кг

Розвитку корозійних процесів сприяють радіація, продукти життєдіяльності мікроорганізмів і бактерій. Корозія, що викликається морськими мікроорганізмами, завдає збитку днищам морських судів, а корозійні процеси, викликані бактеріями, навіть мають власну назву — біокоррозія.

Зупинити корозію неможливо, але її можна сповільнити. Існує багато способів захисту металів від корозії, але основним прийомом є запобігання контакту заліза з повітрям. Для цього металеві вироби фарбують, покривають лаком або вкривають шаром мастила. У більшості випадків цього достатньо, щоб метал не руйнувався протягом декількох десятків або навіть сотень років. Інший спосіб захисту металів від корозії електрохімічне покриття поверхні металу чи сплаву іншими металами, які є стійкими до корозії (нікелювання, хромування, оцинковування, сріблення й золотіння). У техніці дуже часто використовують спеціальні корозійностійкі сплави. Для уповільнення корозії металевих виробів у кислому середовищі також використовують спеціальні речовини ― інгібітори.

3. Сплави

Оскільки різні метали мають подібний металічний зв’язок й утворюють подібні кристалічні ґратки, то при переході в розплавлений стан вони можуть змішуватися один з одним, утворюючи сплави. У розплавлених металах можуть розчинятися також деякі неметали та складні речовини. Сплав ― це система, яка складається принаймні з двох компонентів, з яких хоча б один є металом.

Сплави мають більш різноманітні властивості в порівнянні з металами, тому в промисловості рідко використовують чисті метали. У більшості випадків для виготовлення деталей різних машин і приладів застосовують сплави. Так мідь, олово, цинк — м’які метали, а сплав на їхній основі ― бронза ― дуже твердий. Тому бронза з давніх часів використовується людиною для виготовлення зброї, сільськогосподарських знарядь праці й інших виробів, які потребують підвищеної твердості. Сплави є найголовнішими конструкційними матеріалами. Їхні найрізноманітніші властивості ― жаростійкість, корозійна стійкість, міцність, твердість тощо зумовлюють широке застосування сплавів у техніці.

Сплави виявляють загальні властивості металів: металічний блиск, високі електропровідність і теплопровідність. Але властивості сплавів відрізняються від властивостей їхніх компонентів. Твердість сплавів більша за твердість металів, які входять до їхнього складу. Ось чому при виготовленні золотих ювелірних виробів для міцності додають мідь або срібло. Густина сплаву дорівнює середній густині металів, що входять до його складу. Температура плавлення сплаву, як правило, менша за температуру плавлення найбільш легкоплавкого компонента. Наприклад, сплав, що складається з 36 % свинцю (tпл = 327 ˚C) та 64 % олова (tпл = 232 ˚C) плавиться при температурі 181 ˚C. Теплопровідність і електропровідність сплавів менша, ніж у окремих металів. При змішуванні металів часто відбувається зміна кольору, наприклад, сплав міді з нікелем, який використовують при карбуванні монет має білий колір. У наш час створюються сплави із заздалегідь заданими необхідними властивостями.

По своїй внутрішній кристалічній структурі сплави бувають різними: розчинами, сумішами або сполуками. Якщо атоми одного металу заміщають атоми іншого у вузлах кристалічної ґратки, то утворюються тверді розчини. Це можливо, якщо розміри атомів окремих металів були близькі, а типи кристалічних решіток збігаються. Прикладом такого сплаву є мельхіор ― сплав міді і нікелю. Механічні суміші складаються із кристалів металів. Якщо при сплавленні метали взаємодіють один з одним, то утворюються інтерметалічні сполуки. Більшість сплавів за своєю структурою є неоднорідними, деякі сплави є однорідними (наприклад, латунь ― сплав міді та цинку).

Розрізняють чорні і кольорові сплави. Чорними сплавами називають сплави на основі заліза. До них належать чавун та сталь. Чавуном називають сплав заліза з вуглецем із масовою часткою вуглецю більшою за 1,7 %. Найчастіше чавун містить від 2,6 % до 3,6 % вуглецю. Крім вуглецю, у чавуні є силіцій, манган, сірка, фосфор та інші компоненти. Чавун ― твердий і крихкий матеріал. Його найширше застосовують у машинобудуванні для виготовлення різноманітних деталей. Сталь містить менш ніж 1,7 % вуглецю. На відміну від чавуну сталь ковка. За призначенням розрізняють машинобудівну (конструкційну) та інструментальну сталі. Неіржавна сталь стійка проти корозії. Сталь й чавун є найважливішими сплавами сучасної техніки. Обсяги виробництва цих залізовуглецевих сплавів перевищують виробництво всіх інших металів разом узятих більш ніж у десять разів.

Алюмінієві сплави легкі, мають високі електро- і теплопровідність, корозійну стійкість, міцність. Їх застосовують як конструкційні матеріали в авіації, будівництві, машинобудуванні, електротехніці. Сплавам на основі магнію притаманні легкість, міцність, корозійна стійкість, тому їх використовують в автомобілебудуванні, для виготовлення штампованих виробів складної форми. Титанові сплави застосовують в авіації, ракетобудуванні для виготовлення хімічної апаратури, а також у медицині. Мідні сплави міцні, мають високу електропровідність, корозійну стійкість, пластичність. З них виготовляють труби, різноманітні апарати та деталі, художні вироби та скульптури.

У ХХІ столітті метали і сплави залишаються найпоширенішими матеріалами, які застосовують у різних галузях.

4. Застосування металів

Метали та їх сплави — ​​одні з головних конструкційних матеріалів сучасної цивілізації. Це визначається передусім їх високою міцністю, однорідністю і непроникністю для рідин і газів. Крім того, змінюючи рецептуру сплавів, можна змінювати їх властивості в дуже широких межах.

Метали використовуються як в якості хороших провідників електрики (мідь, алюміній), так і в якості матеріалів з ​​підвищеним опором для резисторів та електронагрівальних елементів ( ніхром і т. п.).

Метали та їх сплави широко застосовуються для виготовлення інструментів (їх робочої частини). В основному це інструментальні стали і тверді сплави. Як інструментальних матеріалів застосовуються також алмаз, нітрид бору, кераміка.

Більша частина металів присутній в природі у вигляді руд і з’єднань. Вони утворюють оксиди, сульфіди, карбонати та інші хімічні сполуки. Для отримання чистих металів і подальшого їх застосування необхідно виділити їх з руд і провести очистку. При необхідності проводять легування та іншу обробку металів. Вивченням цього займається наука металургія. Металургія розрізняє руди чорних металів (на основі заліза) і кольорових (до їх складу не входить залізо, всього близько 70 елементів). Золото, срібло і платина відносяться також до дорогоцінним металам. Крім того, в малих кількостях вони присутні в морській воді, рослинах, живих організмах (граючи при цьому важливу роль).

Відомо, що організм людини на 3% складається з металів  . Найбільше в наших клітинах кальцію і натрію, сконцентрованого в лімфатичних системах. Магній накопичується в м’язах і нервовій системі, мідь — в печінки, залізо — у крові.

Висновки

Метали — один з найпоширеніших матеріалів, що використовуються цивілізацією протягом практично всієї її історії.

Метали — група елементів, що володіє характерними металевими властивостями, такими як висока тепло- і електропровідність, позитивний температурний коефіцієнт опору, висока пластичність і металевий блиск.

З 118  хімічних елементів, відкритих на даний момент (з них не всі офіційно визнані), до металів відносять:

• 6 елементів у групі лужних металів,
• 6 в групі лужноземельних металів,
• 38 в групі перехідних металів,
• 11 в групі легких металів,
• 7 в групі полуметаллов,
• 14 в групі лантаноїди + лантан,
• 14 в групі актиноїди (фізичні властивості вивчені не у всіх елементів) + актиній,
• поза певних груп берилій та магній.

Таким чином, до металів можливо відноситься 96 елементів з усіх відкритих.

Список використаної літератури

1. Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.
2. Деркач Ф. А. Хімія. – 1968. – 420 с.
3. Металознавство: Підручник / О. М. Бялік, B. C. Черненко, В. М. Писаренко, Ю. Н. Москаленко — 2-ге вид., перероб. і доп. — К.: ІВЦ «Видавництво «Політехніка»»,2008 — 384 с.
4. Основи загальної хімії / Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлін. — Москва: «Освіта», 1990.
5. Уманский Я. С., Скачков Ю. А. Физика металлов.- М: Атомиздат, 1978. — 405 с.