Всі речовини в природі діляться на тверді, рідкі і газоподібні. Дмитро Іванович Менделєєв, який створив періодичну систему елементів, розділив їх на метали і неметали і помістив в таблицю.
Дуже важливо знати характеристики всіх елементів та їх особливості — властивості металів, що підрозділяються за своєю природою походження на хімічні, фізичні механічні та технологічні.
Фізичні та хімічні якості
Кожен, так чи інакше, в житті стикався з хімією і хімічними реакціями в побуті. Хімічна реакція – це взаємодія певної речовини з іншою, в результаті чого утворюється зовсім нова речовина. Найпростіший приклад – розчинення кухонної солі у воді. Здатність металів реагувати з іншими речовинами і відношення до впливів активних середовищ — це і є хімічні властивості. До них відносяться окислюваність і корозійна стійкість.
Метали реагують з киснем, утворюючи плівку. Ця властивість називається окислюваністю речовини. Кристалічна ґратка металів виглядає таким чином, що вони мають на зовнішньому рівні один, два або три електрони, які віддають, проявляючи відновні властивості.
Також всі метали схильні до корозії. Здатність протистояти корозі ї- це і є корозійна стійкість. До фізичних властивостей мателів відносяться:
- плавлення;
- густина;
- теплопровідність;
- теплове розширення;
- електропровідність.
Кількість речовини, що міститься в одиниці об’єму матеріалу, називається густиною або питомою вагою.
Легкими вважаються алюміній, олово, магній, титан. Важкими є понад 40 наявних в природі елементів, це:
| хром | марганець | залізо |
| кобальт | нікель | мідь |
| цинк | галій | германій |
| молібден | кадмій | олово |
| сурма | телур | вольфрам |
| ртуть | талій | свинець |
| вісмут |
Здатність металу переходити з твердого стану в рідкий називається плавленням. Всі матеріали мають різні температури плавлення. Деякі сплави – тугоплавкі, інші тягучі і легко перетворюються в рідку масу під дією високих температур.
Проводячи порівняння з іншими матеріалами, можна помітити, що метали мають хорошу теплопровідність. На відміну від діелектриків, металеві сплави проводять електричний струм, але деякі з них роблять це краще, деякі гірше.
Така здатність називається електропровідністю або струмопровідністю і залежить від будови кристалічної ґратки. Добре проводять струм:
- срібло;
- мідь;
- золото;
- алюміній;
- залізо.
Ці метали досить широко поширені в приладобудуванні та електротехнічній промисловості.
Можливість збільшення об’єму при нагріванні називається тепловим розширенням.
До механічних властивостей металів відносяться:
- твердість;
- міцність;
- пружність;
- в’язкість;
- пластичність.
При зіткненні двох тіл утворюються мікровм’ятини, але більш твердий матеріал здатний протистояти ударам більшою мірою. Опірність металевої поверхні до проникнення в неї іншого твердого тіла називається твердістю.
При швидкому зростанні навантаження при ударі дуже важлива в’язкість матеріалу — це здатність чинити опір ударним навантаженням. Також метал має таку властивість, як пружність. Ця характеристика дозволяє повернути первісну форму і розмір після того, як діюча сила буде усунена.
Наступне поняття – пластичність. Під цим терміном розуміють здатність металу змінювати форму під зовнішнім впливом і повертатися в початковий стан, після того, як цей вплив буде знято.
Експлуатаційні характеристики
У виробничому процесі дуже важлива технологічність. Це здатність піддаватися різним видам обробки з метою створення різних виробів.
Технологічна властивість металів:
- ковкість;
- текучість;
- зварюваність;
- прожарювання;
- обробка різанням.
Під впливом зовнішніх сил метал може змінювати форму як в нагрітому, так і в холодному стані. Ця здатність називається ковкістю. Дана властивість була виявлена людиною ще в давнину. На відміну від каменю, який при сильних ударах кришиться і розсипається, металеві заготовки добре піддаються обробці. Їм можна надати певну форму, використовуючи молот і ковадло. Це обумовлено будовою кристалічної ґратки.
Дві поверхні з металевих сплавів при нагріванні можна міцно з’єднувати один з одним, така здатність називається зварюваністю.
Важлива характеристика розплавленого металу називається текучістю. Вона характеризує здатність матеріалу розтікатися по заготовленій формі. Кожен метал може піддаватися загартуванню на певну глибину. Ця властивість називається розжарюваність. До основних операцій на виробництві для отримання заготовок відноситься обробка різальними інструментами. Схильність до обробки різанням – ще одна властивість металевих з’єднань.
Метали-рекордсмени
Вчені давно визначили, які матеріали і сплави є рекордсменами за різними параметрами.
Цей блакитно-білий матеріал з характерним блиском був відкритий в 1766 році під Єкатеринбургом. Мінерал називався “Сибірський червоний свинець”. За ним слідують:
- вольфрам;
- титан;
- осмій;
- іридій.
Останній зустрічається дуже рідко. Сплави, що містять хром в поєднанні з нікелем, хромом, ванадієм, залізом, широко використовуються в промисловості.
Вони знайшли широке застосування в різних областях, наприклад, в електроапаратобудуванні, завдяки своїх характеристиками, оскільки вони легко піддаються обробці. Слід перерахувати і інші м’які метали, це:
- калій;
- натрій;
- рубідій;
- цезій.
На другому місці в цьому списку стоїть свинець. Крім пластичності, золото має гарну тягучість і ковкість та є лідером в списку тягучих металів. У чистому вигляді воно має яскраво-жовтий колір, має високу теплопровідність, вологостійкість і не окислюється при нормальній температурі. Плівка з окису утворюється тільки при нагріванні до 100 °C. Золоті злитки яскраво блищать. Внаслідок своїх зручних для обробки фізичних властивостей золото отримало широке поширення як ювелірні прикраси.
Ще один унікальний хімічний елемент – це ртуть. У природі не буває його твердого стану, оскільки температура плавлення ртуті становить -38 °C, а випаровування відбувається при кімнатній температурі – 18 °C, кипить ртуть вже при 356 °C. Магнітні властивості відсутні: звичайним магнітом ртуть не зібрати. Хімічно вона неактивна, взаємодіє з солями і неметалами. З водою, кислотами і лугами ртуть не взаємодіє.
Галузь застосування ртуті:
- у медицині (термометри);
- у наукових цілях (барометри, вакуумні насоси, манометри);
- електрохімічне виробництво (ртутні випрямлячі електричного струму) та ін.
Найтугоплавкішим металом був визнаний вольфрам з температурою плавлення +3420 °C. В електричних лампочках нитки розжарювання виготовлені саме з нього. А найтугоплавкіший сплав складається з карбідів гафнію і танталу.
Перша група містить сплави заліза з вуглецем. Залежно від вмісту вуглецю вони поділяються на сталь і чавун. У кольоровій металургії широке застосування отримали:
- мідь;
- алюміній;
- олово;
- свинець;
- цинк;
- магній;
- вольфрам;
- титан та ін.
У процесі розвитку хімії люди навчилися робити міцніші сплави. За допомогою сучасних технологій можна створити ще більш міцні конструктиви на основі загальних порівняльних характеристик.
Дуже важливий параметр при цьому — питома міцність. Для її розрахунку береться зразок металу та проводиться випробування на спеціальній установці. Зменшується товщина і площа поперечного перерізу, одночасно збільшується довжина. У якийсь момент зразок починає розтягуватися тільки в одному місці, утворюючи шийку, далі відбувається розрив в цій області.
Високоміцними металами вважаються:
- титан;
- вольфрам;
- берилій;
- уран;
- хром та деякі інші.
