С давних пор металлы играют исключительно важную роль в развитии всех отраслей промышленности, а в настоящее время в связи с бурным развитием технического прогресса их значение ещё более возросло, так как они являются главными конструкционными и инструментальными материалами.
На основе многих металлов созданы разнообразные сплавы, композиты и полупроводники с широким спектром механических, физико-химических и химических свойств.
Среди достоверно известных на сегодняшний день 110 химических элементов подавляющее большинство составляют металлы (их более 80). Однако деление элементов на металлы и неметаллы относительно, поскольку существует целая группа элементов, обладающих промежуточными свойствами, так называемые полуметаллы (B, Si, Ge, As, Sb, Te, At). Например, для одной из полиморфных модификаций As — серого мышьяка характерны электропроводность и металлический блеск, в то время, как желтый мышьяк проявляет свойства неметаллов.
Следует напомнить, что полиморфизм — это способность твердого вещества образовывать разные кристаллические структуры, которые отличаются не только строением кристаллических решёток, но и свойствами. Полиморфным модификациям металлов по мере увеличения их температур плавления принято присваивать начальные буквы греческого алфавита: самая низкотемпературная модификация обозначается буквой α, затем β и т. д.
Общие сведения о металлах
Классификация металлов
Известно множество классификаций металлов, в основу каждой из которых положена наиболее яркая отличительная черта или общий признак, характерный для той или иной группы. В зависимости от рассматриваемого свойства один и тот же металл может принадлежать разным классификационным группам.
Исторически сложилось такое деление металлов:
• черные — железо Fe, марганец Mn, хром Cr;
• цветные — остальные металлы.
По обнаружению в природе (т. е. по совместному нахождению в одних и тех же минералах, горных породах или рудных месторождениях) рассматривают несколько групп металлов:
• щелочные металлы — литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr;
• щелочноземельные металлы — кальций Ca, стронций Sr, барий Ba, радий Ra;
• семейство железа — железо Fe, кобальт Co, никель Ni;
• семейство платиновых металлов — рутений Ru, осмий Os, палладий Pd, родий Rh, иридий Ir, платина Pt;
• лантаноиды — 14 металлов, следующих за лантаном La, от церия Ce (№58) до лютеция Lu(№71); иногда к этой группе причисляют и сам лантан; среди лантаноидов имеется один радиоактивный металл — прометий Pm (№61);
• актиноиды — 14 металлов после актиния Ac, начиная от тория Th (№90) и заканчивая лоуренсием Lr (№103); как и в случае лантаноидов, к семейству актиноидов зачастую присоединяют и актиний; все актиноиды, включая актиний, относятся к радиоактивным элементам, причем в природе обнаружены только Th, Pa, U, Np, Pu и Ac, а остальные, от америция Am (№95) до лоуренция Lr (№103), получены искусственно;
• редкоземельные — скандий Sc, иттрий Y, лантан La и лантаноиды.
По электронной конфигурации валентных орбиталей металлы делятся на ряд электронных семейств:
• s-металлы — щелочные и щелочноземельные металлы, магний, бериллий;
• p-металлы — алюминий Al, галлий Ga, индий In, таллий Tl (главная подгруппа III группы), германий Ge, олово Sn, свинец Pb (главная подгруппа IV группы), висмут Bi (главная подгруппа V группы), полоний Po (главная подгруппа VI группы);
• d-металлы — элементы побочных подгрупп I-VIII групп периодической системы;
• f-металлы — лантаноиды и актиноиды.
По разным признакам, учитывая физические, химические и другие особенности, металлы
Делятся на многочисленные группы:
• тяжелые, у которых плотность больше 5г/см3, например: медь Cu, цинк Zn, свинец Pb, ртуть Hg, самый тяжелый металл — осмий (22,6г/см3);
• легкие, имеющие плотность меньше 5г/см3, например: калий K, натрий Na, магний Mg, алюминий Al, самый легкий металл — литий (0,53г/см3);
• легкоплавкие, температуры плавления которых не превышают 1500oС, к самым легкоплавким металлам относятся франций (Тплавл = 18 − 21oС), цезий (Тплавл = 28, 5oС), галлий(Тплавл = 29, 1oС), калий (Тплавл = 62, 3oС), натрий (Тплавл = 97, 8oС), олово (Тплавл = 231, 85oС), свинец (Тплавл = 327, 4oС), самый легкоплавкий металл — ртуть (Тплавл = −38, 9oС);
• тугоплавкие, имеющие температуры плавления выше 1500oС: железо (Тплавл = 1539
OС), молибден (Тплавл = 2620oС), осмий (Тплавл = 3030oС), самый тугоплавкий металл — вольфрам(Тплавл = 3420oС);
• редкие, концентрация которых в земной коре очень низка, например: литий Li, рубидий Rb, цезий Cs, молибден Mo, вольфрам W, бериллий Be, цирконий Zr, гафний Hf, ванадий V, ниобий Nb, тантал Ta;
• рассеянные — элементы, которые не образуют самостоятельных минералов, а присутствуют в месторождениях других металлов как примеси, к ним относятся: галлий Ga, таллий Tl, рубидий Ru;
• благородные, для которых характерна особая химическая устойчивость по отношению к окислительным и агрессивным реагентам; благородными металлам являются: золото Au, серебро Ag, платина Pt, палладий Pd, родий Rh, иридий Ir, рутений Ru, осмий Os;
• радиоактивные — это металлы, все изотопы которых обладают радиоактивными свойствами технеций Tc (№43), прометий Pm (№61), полоний Po (№84) и все элементы с более высокими, чем у полония, атомными номерами.
Распространение в природе
Наиболее распространёнными в земной коре являются алюминий (8,45% по массе), далее следуют железо (4, 40%), кальций (3,30%), натрий (2,64%), калий (2,52%), магний (2,14%), титан (0,61%).
Главным источником получения металлов служат руды — скопление металлсодержащих минералов, входящих в состав горных пород.
Только малоактивные благородные металлы (золото, платина, отчасти — серебро и медь, изредка — ртуть) встречаются в свободном состоянии в виде самородков. Большинство же металлов пребывает в окисленной форме и находится в земной коре в виде разнообразных соединений:
• оксидов, например, гематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4), куприт (Cu2O), корунд (Al2O3), рутил (TiO2), пиролизит (MnO2), касситерит (SnO2) и др.;
• двойных оксидов, например, ильменит FeTiO3, хромистый железняк Fe(CrO2)2, шпинель
Mg(AlO2)2, а также гидратированных оксидов (боксит Al2O3·aq, лимонит Fe2O3·aq)
• галогенидов, например, плавиковый шпат CaF2, криолит Na3AlF6, каменная соль NaCl, карналлит KCl·MgCl2·6H2O;
• сульфидов, например, киноварь HgS, сфалерит ZnS, халькозин Cu2S, галенит PbS;
• солей кислородсодержащих кислот, в том числе карбонатов (известняк CaCO3, доломит
CaCO3·MgCO3, малахит (CuOH)2CO3), силикатов (ортоклаз KAlSi2O8, авгит CaMgSi2O6), сульфатов (глауберова соль Na2SO4·10H2O, гипс СaSO4·2H2O), фосфатов (апатит Ca5(PO4)3F, фосфорит Ca5(PO4)3(OH)), нитратов (калийная селитра KNO3) и т. д.