Металл

Слово «металл» заимствовано из немецкого языка и окончательно усвоено в Петровскую эпоху. Первоначально имело общее значение «минерал, руда, металл», а разграничение этих понятий произошло во времена М.В.Ломоносова.
Немецкое слово «metall» произошло от латинского «metallum» — «рудник, металл».
В латинский язык слово пришло из греческого — μεταλλον: «рудник, копь».

В современном понимании, металлы — группа химических элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами: высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Однако в астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия.
Как химические элементы металлы очень распространены. Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:
6 элементов в группе щелочных металлов,
6 в группе щёлочноземельных металлов,
38 в группе переходных металлов,
11 в группе лёгких металлов,
7 в группе полуметаллов,
14 в группе лантаноиды + лантан,
14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
вне определённых групп — бериллий и магний.
Таким образом, к металлам относится 96 элементов из всех открытых.

Свойства металлов
Характерные свойства металлов
    Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
    Хорошая электропроводность (из неметаллов электропроводностью обладает также углерод)
    Возможность лёгкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, например, германий и висмут, непластичны)
    Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
    Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
    Большая теплопроводность
    В реакциях чаще всего являются восстановителями

Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.
Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:

 Металл  Твёрдость  Металл  Твёрдость
 Цезий 0,2  Торий 3,0
 Рубидий 0,3  Скандий 3,17
 Калий 0,4  Платина 3,5
 Натрий 0,5  Кобальт 3,75
 Литий 0,6  Палладий 3,75
 Индий 1,2  Цирконий 3,75
 Таллий 1,2  Гафний 4,0
 Барий 1,25  Железо 4,0
 Галлий 1,5  Марганец 4,0
 Олово 1,5  Никель 4,0
 Ртуть (тв.) 1,5  Ванадий 4,5
 Свинец 1,5  Молибден 4,5
 Стронций 1,5  Родий 4,5
 Кальций 1,75  Титан 4,5
 Кадмий 2,0  Ниобий 4,75
 Висмут 2,25  Иридий 5,0
 Золото 2,5  Рутений 5,0
 Лантан 2,5  Тантал 5,0
 Магний 2,5  Технеций 5,0
 Серебро 2,5  Хром 5,0
 Цинк 2,5  Бериллий 5,5
 Иттрий 2,59  Осмий 5,5
 Алюминий 2,75  Рений 5,5
 Медь 3,0  Вольфрам 6,0
 Сурьма 3,0  β-Уран 6,0

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39°C (ртуть) до 3410°C (вольфрам). За исключением щелочных, металлы плавятся при высокой температуре, однако некоторые, например, олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). 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 затруднительно: требуется полностью очистить металлы, так как любые примеси снижают их плотность.
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 проволока из цинка или олова хрустит при сгибании, марганец и висмут  почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла. Очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.
Все металлы хорошие проводники. Это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, 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.
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.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Металлы в природе
Большая часть металлов присутствует в природе в виде руды и различных соединений: оксидов, сульфидов, карбонатов и т.д.
В малых количествах металлы присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах, играя при этом важную роль. Известно, что организм человека на 3% состоит из металлов. Большая часть приходится на кальций (в костях) и натрий, выступающего в роли электролита в межклеточной жидкости и цитоплазме. В мышцах и нервной системе накапливается магний, в печени — медь, в крови — железо.

Добыча и обогащение
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.
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 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам.
После извлечения руд они, как правило, подвергаются обогащению. Основные процессы обогащения предназначены для выделения из исходного минерального сырья одного или нескольких полезных компонентов. Исходный материал в процессе обогащения разделяется на соответствующие продукты — 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.
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 распространенные металлы, такие, как железо, плавят с использованием в качестве восстановителя углерода. 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.

Подготовил Евгений Лавриненко (ЖМ)

Добавить комментарий