Общая характеристика металлов и сплавов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Металлы - это вещества, которые обладают в обычных условиях совокупностью характерных (металлических) свойств, таких как металлический блеск, прочность, пластичность, ковкость высокие электро- и теплопроводность. В отличие от неметаллов электрическая проводимость металлов возрастает при снижении температуры. К металлам обычно относят как простые вещества (собственно металлы), так и сплавы, которые также проявляют металлические свойства.

Для использования металлов в качестве конструкционных материалов важнейшее значение имеет сочетание механических свойств: пластичности и вязкости со значительной прочностью, твёрдостью и упругостью.

Используемые в технике и строительстве металлы подразделяют на чёрные и цветные. К чёрным металлам относят железо (Fe) и сплавы на его основе: сталь, чугун и ферросплавы. Сталь и чугун - это сплавы железа с углеродом. Чугуном называют сплав, содержащий более 2,14% углерода, сталью - меньше 2,14% углерода. Ферросплавы (специальные чугу-ны) имеют в своем составе повышенное содержание элементов: ферросилиций содержит 9 - 13% кремния (Si), ферромарганец 10 - 25% марганца (Мn) и т.д. На долю чёрных приходится около 94% получаемых в мире металлов.

Все остальные металлы и сплавы на их основе относят к цветным металлам. Из цветных металлов наибольшее значение в промышленности имеют алюминий (А1), медь (Сu), цинк (Zn), олово (Sn), титан (Ti), хром (Сг), никель (Ni), марганец (Мn). Так как стоимость цветных металлов достаточно высока, то в тех случаях, когда это возможно, вместо них стараются использовать чёрные металлы или неметаллические материалы.

В промышленности и строительстве металлы в виде чистых веществ практически не используют. Обычно применяют металлические сплавы, которых к настоящему времени существует тысячи видов. Это объясняется тем, что многие свойства сплавов (твёрдость, прочность, коррозионная стойкость и т.п.) превышают аналогичные свойства составляющих их чистых металлов.

Металлические сплавы - это однородные системы, состоящие из нескольких металлов (иногда и неметаллов) с характерными металлическими свойствами. Изменяя состав сплавов (соотношение и вид образующих их компонентов), можно в значительной степени изменять их свойства и таким образом создавать специальные сплавы с совокупностью необходимых свойств. Металлы (или неметаллы), вводимые в составсплава дляулучшения его свойств, называют легирующими, апроцесс изменения свойств сплава -легированием. I

Сплавы состоят из множества мелких по-разному ориентированных друг относительно друга кристаллов, называемых кристаллитами или зёрнами.

Различают следующие виды сплавов:

1 Твёрдый сплав представляет собой механическую смесь кристаллитов, каждый из которых содержит только один из металлов. Такие сплавы образуются при больших различиях свойств металлов, входящих в сплав (рис.7).

2 При сходстве свойств металлов, входящих в состав сплава, образуются твёрдые растворы металлов друг в друге. При этом атомы одного металла либо внедряются во внутреннее пространство кристаллической решетки другого металла, либо замещают его атомы в кристаллической решётке, образуя соответственно твёрдые растворы внедрения и твёрдые растворы замещения (рис.8).

Рисунок 7 - Микроструктура а) твёрдые растворы замещения

твёрдого сплава, представляющего б) твёрдые растворы внедрения

собой механическую смесь двух Рисунок 8 - Твёрдые растворы

Различают сплавы с неограниченной взаимной растворимостью металлов в твёрдом состоянии и с ограниченной растворимостью. В последнем случае структура сплава не является однородной.

3 Твёрдые сплавы могут представлять собой химические соединения металлов друг с другом, которые называют интерметаллическими соединениями.

Фазой называют однородную по химическому составу и свойствам часть системы, отделенную от остальных частей (фаз) поверхностью раздела. На поверхности раздела свойства системы резко изменяются.

Правило фаз связывает число фаз, находящихся в равновесной системе, с числом компонентов системы, числом её степеней свободы и числом внешних параметров, определяющих состояние системы.

Соотношение: С= К - Ф + 2 называют правилом фаз Гиббса, где

С - число степеней свободы, или вариантность системы. Величина С показывает число параметров состояния системы (температура, давление, концентрации веществ), при изменении которых независимо друг от друга число фаз не меняется.

К - число компонентов системы. Это наименьшее число исходных веществ, достаточное для образования всех фаз данной системы.

Ф - число фаз в системе при данных условиях.

Правило Гиббса формулируется следующим образом: Число степеней свободы равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов влияют только температура и давление, равно числу компонентов системы минус число фаз плюс два.

Металлы являются нелетучими, поэтому состав сплава не зависит от давления. В связи с этим для сплавов используется уравнение в упрощенной форме: С = К - Ф + 1.

При равномерном охлаждении системы, в которой не происходит никаких фазовых превращений, изменение её температуры также происходит равномерно. В этом случае графиком зависимости температуры от времени, является плавная кривая линия, называемая кривой охлаждения.

Фазовые превращения в сплавах, например кристаллизация или переход металла в твёрдом состоянии из одной кристаллической модификации в другую, всегда сопровождаются некоторыми тепловыми эффектами. Выделяющаяся при фазовых превращениях теплота компенсирует потерю теплоты при охлаждении, и температура сплава остается постоянной до тех пор, пока не закончится превращение. В этом случае на кривой охлаждения сплава появляется выраженный горизонтальный участок.

По кривым охлаждения строятся диаграммы состояния, которые дают наглядное представление о фазовом составе системы при различных температурах. Знание диаграмм состояния позволяет выбирать оптимальные температуры для термической обработки сплава и его использования.

Различают следующие виды сплавов:

Рисунок 7 - Микроструктура а) твёрдые растворы замещения

твёрдого сплава, представляющего б) твёрдые растворы внедрения

собой механическую смесь двух Рисунок 8 - Твёрдые растворы

Соотношение: С= К - Ф + 2 называют правилом фаз Гиббса, где

Ф - число фаз в системе при данных условиях.

Первый материал, который научились использовать люди для своих нужд – это камень. Однако позже, когда человеку стало известно о свойствах металлов, камень отошел далеко назад. Именно эти вещества и их сплавы стали самым важным и главным материалом в руках людей. Из них изготавливались предметы быта, орудия труда, строились помещения. Поэтому в данной статье мы рассмотрим, что же собой представляют металлы, общая характеристика, свойства и применение которых так актуально по сей день. Ведь буквально сразу за каменным веком последовала целая плеяда металлических: медный, бронзовый и железный.

Металлы: общая характеристика

Что же объединяет всех представителей этих простых веществ? Конечно, это строение их кристаллической решетки, типы химических связей и особенности электронного строения атома. Ведь отсюда и характерные физические свойства, которые лежат в основе использования этих материалов человеком.

В первую очередь, рассмотрим металлы как химические элементы периодической системы. В ней они располагаются достаточно вольготно, занимая 95 ячеек из известных на сегодняшний день 115. Есть несколько особенностей их расположения в общей системе:

Образуют главные подгруппы I и II групп, а так же III, начиная с алюминия.
Все побочные подгруппы состоят только из металлов.
Они располагаются ниже условной диагонали от бора до астата.

Опираясь на такие данные, легко проследить, что неметаллы собраны в верхней правой части системы, а все остальное пространство принадлежит рассматриваемым нами элементам.

Все они имеют несколько особенностей электронного строения атома:

Большой атомный радиус, вследствие чего связь внешнего электрона и ядра ослабевает, поэтому металлы легко его отдают, выступая в роли восстановителей.
Малое количество электронов на внешнем энергетическом слое.
В группе сверху вниз металлические свойства элементов усиливаются, а по периоду слева направо, напротив, ослабевают. Так, самый сильный неметалл – это фтор, а слабый – франций.

Общая характеристика металлов и неметаллов позволяет выявить закономерности в их строении. Так, кристаллическая решетка первых – металлическая, особенная. В узлах ее находятся сразу несколько типов частиц:

Внутри скапливается общее облако, называемое электронным газом, которое и объясняет все физические свойства этих веществ. Тип химической связи в металлах одноименный с ними.

Физические свойства

Существует ряд параметров, которые объединяют все металлы. Общая характеристика их по физическим свойствам выглядит так.

Металлический блеск. Его имеют все представители этой группы веществ. При этом большая часть отражает свет одной длины волны, поэтому излучает мягкий бело-серебристый цвет. Но некоторые (золото, медь, многие сплавы) блестят желтым оттенком.
Ковкость и пластичность. Этот параметр также присущ именно металлам. Общая характеристика по данному признаку, однако, не совсем точна, так как среди представителей есть очень мягкие, ковкие и пластичные, а есть достаточно хрупкие, подвергающиеся механической обработке. Самые ковкие и пластичные – золото, серебро, медь, алюминий и прочие. Менее податливые – олово, свинец, марганец и другие.
Электро- и теплопроводность. Ею обладают все представители без исключения. Металлы относятся к проводникам I рода.
Высокие температуры плавления и кипения. По этому признаку они делятся на тугоплавкие (температура выше 1500 градусов), легкоплавкие – ниже указанной цифры.
Легкие и тяжелые металлы в зависимости от их плотности. Она тем меньше, чем меньше атомный вес элемента. Самый легкий – это литий, а тяжелый – осмий.
Твердость. Рекордсмен по этому показателю хром, а самый мягкий – цезий, он тает в руках.

Перечисленные параметры – это и есть общая характеристика металлов, то есть все то, что их объединяет в одно большое семейство. Однако следует понимать, что из всякого правила есть исключения. Тем более что элементов подобного рода слишком много. Поэтому внутри самого семейства также есть свои подразделения на различные группы, которые мы рассмотрим ниже и для которых укажем характерные особенности.

Химические свойства

С точки зрения науки химии, все металлы – это восстановители. Причем, очень сильные. Чем меньше электронов на внешнем уровне и чем больше атомный радиус, тем сильнее металл по указанному параметру.

В результате этого металлы способны реагировать с:

неметаллами;
водой;
кислотами;
со щелочами (амфотерные металлы);
оксидами;
солями более слабых металлов.

Это лишь общий обзор химических свойств. Ведь для каждой группы элементов они сугубо индивидуальны.

Щелочноземельные металлы

Общая характеристика щелочноземельных металлов следующая:

Имеют на внешнем уровне два электрона.
Образуют вторую группу главную подгруппу периодической системы, исключением является бериллий.
При обычных условиях – это твердые вещества, не режущиеся ножом.
Цвет простых металлов серебристо-серый, на воздухе покрываются оксидной пленкой.
Химическая активность их высокая, увеличивается от магния к радию.
В природе широко распространены, особенно кальций. В простом виде не встречаются вследствие высокой активности, однако образуют множество различных, важных для человека соединений.
Имеют большое значение в биологическом плане. Кальций, магний – важные микроэлементы организма человека и животных. Магний также входит в состав хлорофилла растений.

Таким образом, щелочноземельные металлы – это распространенные элементы s-семейства, проявляющие высокую химическую активность и являющиеся сильными восстановителями и важными участниками биологических процессов в организме.

Щелочные металлы

Общая характеристика щелочных металлов начинается с их названия. Его они получили за способность растворяться в воде, формируя щелочи – едкие гидроксиды. Реакции с водой очень бурные, иногда с воспламенением. В свободном виде в природе данные вещества не встречаются, так как их химическая активность слишком высока. Они реагируют с воздухом, парами воды, неметаллами, кислотами, оксидами и солями, то есть практически со всем.

Это объясняется их электронным строением. На внешнем уровне всего один электрон, который они легко отдают. Это самые сильные восстановители, именно поэтому для их получения в чистом виде понадобилось достаточно долгое время. Впервые это было сделано Гемфри Дэви уже в XVIII веке путем электролиза гидроксида натрия. Сейчас всех представителей этой группы добывают именно таким методом.

Общая характеристика щелочных металлов заключается еще и в том, что они составляют первую группу главную подгруппу периодической системы. Все они – важные элементы, образующие много ценных природных соединений, используемых человеком.

Общая характеристика металлов d- и f-семейств

К этой группе элементов относятся все те, степень окисления которых может варьироваться. Это значит, что в зависимости от условий, металл может выступать в роли и окислителя, и восстановителя. У таких элементов велика способность вступать в реакции. Среди них большое количество амфотерных веществ.

Общее название всех этих атомов – переходные элементы. Они получили его за то, что по проявляемым свойствам действительно стоят как бы посередине, между типичными металлами s-семейства и неметаллами р-семейства.

Общая характеристика переходных металлов подразумевает обозначение сходных их свойств. Они следующие:

Как простые вещества металлы данной группы очень прочные, тягучие и ковкие, поэтому имеют большое промышленное значение.

Побочные подгруппы периодической системы

Общая характеристика металлов побочных подгрупп полностью совпадает с таковой у переходных. И это неудивительно, ведь, по сути, это совершенно одно и то же. Просто побочные подгруппы системы образованы именно представителями d- и f-семейств, то есть переходными металлами. Поэтому можно сказать, что данные понятия – синонимы.

Самые активные и важные из них – первый ряд из 10 представителей от скандия до цинка. Все они имеют важное промышленное значение и часто используются человеком, особенно для выплавки.

Сплавы

Общая характеристика металлов и сплавов позволяет понять, где и как возможно использовать эти вещества. Такие соединения в последние десятки лет претерпели большие преобразования, ведь открываются и синтезируются все новые добавки для улучшения их качества.

Наиболее известными сплавами на сегодняшний день являются:

латунь;
дюраль;
чугун;
сталь;
бронза;
победит;
нихром и прочие.

Что такое сплав? Это смесь металлов, получаемая при плавке последних в специальных печных устройствах. Это делается для того, чтобы получить продукт, превосходящий по свойствам чистые вещества, его образующие.

Сравнение свойств металлов и неметаллов

Если говорить об общих свойствах, то характеристика металлов и неметаллов будет отличаться одним очень существенных пунктом: для последних нельзя выделить схожих черт, так как они очень разнятся по проявляемым свойствам как физическим, так и химическим.

Поэтому для неметаллов создать подобную характеристику нельзя. Можно лишь по отдельности рассмотреть представителей каждой группы и описать их свойства.

Читайте также: