Металл: что это такое, его физические свойства, из чего состоит

МЕТА́ЛЛЫ, ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из ато­мов, лег­ко от­даю­щих элек­тро­ны в про­цес­се хи­мич. ре­ак­ций, и об­ла­даю­щие ха­рак­тер­ны­ми свой­ст­ва­ми – вы­со­ки­ми элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­стью, пла­стич­но­стью, по­ло­жи­тель­ным тем­пе­ра­тур­ным ко­эф. элек­трич. со­про­тив­ле­ния, спо­соб­но­стью хо­ро­шо от­ра­жать свет и т. д. К М. от­но­сят­ся как соб­ст­вен­но М. (про­стые ве­ще­ст­ва), так и их спла­вы и ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ния (ин­тер­ме­тал­ли­ды), ко­то­рые от обыч­ных M. от­ли­ча­ют­ся бо­лее слож­ной кри­стал­лич. струк­ту­рой. В ме­тал­лич. со­стоя­нии мо­гут на­хо­дить­ся силь­но ле­ги­ро­ван­ные по­лу­про­вод­ни­ки, а так­же ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из ато­мов не­ме­тал­лов, напр. по­ли­мер­ный кри­сталл $\ce{(SN)}_x$. Ме­тал­лич. свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют так­же не­ко­то­рые хи­мич. со­еди­не­ния (напр., кри­стал­лы ок­си­дов ти­па $\ce{MoO_2, WO_2,}$ халь­ко­ге­ни­дов $\ce{NbSe_2, TaS_2}$), кри­стал­лы, со­дер­жа­щие ор­га­нич. ком­плек­сы (см. Ор­га­ни­че­ские про­вод­ни­ки), мно­го­ком­по­нент­ные ма­те­риа­лы со струк­ту­рой пе­ров­ски­та (напр., $\ce{YBa_2Cu_3O_7}$) или со слои­стой струк­ту­рой (напр., $\ce{Bi_2Sr_2CaCu_2O_8}$), яв­ля­ющие­ся вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ны­ми сверх­про­вод­ни­ка­ми.

В при­ро­де M. су­ще­ст­ву­ют в со­ста­ве хи­мич. со­еди­не­ний – ок­си­дов, суль­фи­дов и др., об­ра­зую­щих ру­ды; $\ce{Au, Ag, Pt, Cu}$ и др. встре­ча­ют­ся так­же в са­мо­род­ном со­стоя­нии.

В обыч­ных ус­ло­ви­ях M. – твёр­дые те­ла, имею­щие кри­стал­лич. строе­ние (в па­ро­об­раз­ном со­стоя­нии – в осн. од­но­атом­ные га­зы). Темп-ры плав­ле­ния M. вы­ше 300 К (кро­ме рту­ти, её темп-ра плав­ле­ния –38,83 °C). Макс. темп-ру плав­ле­ния име­ет вольф­рам (ок. 3420 °C). При плав­ле­нии M. со­хра­ня­ют ме­тал­лич. свой­ст­ва (см. Жид­кие ме­тал­лы). Ис­кус­ст­вен­но соз­да­ны аморф­ные твёр­дые M. (см. Аморф­ные ме­тал­лы, Стек­ло ме­тал­ли­че­ское).

Боль­шин­ст­во про­стых M. кри­стал­ли­зу­ет­ся в объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ку­би­че­ской, гра­не­цен­три­ро­ван­ной ку­би­че­ской и гек­са­го­наль­ной плотноупакован­ной ре­шёт­ках (см. Ме­тал­ли­че­ские кри­стал­лы). Сре­ди др. ре­шё­ток – тет­ра­го­наль­ная с 1–2 ато­ма­ми в эле­мен­тар­ной ячей­ке (напр., In). Лишь не­боль­шое чис­ло M. име­ют бо­лее слож­ное строе­ние, напр. низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная мо­ди­фи­ка­ция Mn, в эле­мен­тар­ной ячей­ке ко­то­ро­го 58 ато­мов. Мн. М. в за­ви­си­мо­сти от темп-ры и дав­ле­ния мо­гут су­ще­ст­во­вать в разл. кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ци­ях. Не­ко­то­рые ве­щест­ва в за­ви­си­мо­сти от кри­стал­лич. струк­ту­ры мо­гут быть M., ди­элек­три­ка­ми, по­лу­про­вод­ни­ка­ми или по­лу­ме­тал­ла­ми, напр. Sn (бе­лое оло­во с тет­ра­го­наль­ной струк­ту­рой – M., се­рое оло­во с ку­бич. струк­ту­рой ал­ма­за – по­лу­про­вод­ник), С (гра­фит – по­лу­ме­талл, ал­маз – ди­элек­трик) (см. По­ли­мор­физм).

М. и спла­вы обыч­но со­сто­ят из боль­шо­го числа мел­ких кри­стал­лов (зё­рен), не­раз­ли­чи­мых не­во­ору­жён­ным гла­зом. Зёр­на мо­гут иметь ок­руг­лую или вы­тя­ну­тую фор­му, быть круп­ны­ми или мел­ки­ми и рас­по­ла­гать­ся от­но­си­тель­но друг дру­га в оп­ре­де­лён­ном по­ряд­ке или слу­чай­но. Фор­ма, раз­мер и вза­им­ное рас­по­ло­же­ние, а так­же ори­ен­ти­ров­ка зё­рен за­ви­сят от ус­ло­вий их об­ра­зо­ва­ния.

Историческая справка

Тер­мин «М.» про­изо­шёл от греч. сло­ва μέταλλον (от μεταλλεύω – вы­ка­пы­вать, до­бы­вать из зем­ли), ко­то­рое пер­во­на­чаль­но оз­на­ча­ло «ко­пи, руд­ни­ки» (в этом зна­че­нии оно встре­ча­ет­ся у Ге­ро­до­та в 5 в. до н. э.). То, что до­бы­ва­лось в руд­ни­ках, Пла­тон на­зы­вал μεταλλεία . В древ­но­сти и в сред­ние ве­ка счи­та­лось, что су­ще­ст­ву­ет толь­ко 7 М.: зо­ло­то, се­реб­ро, же­ле­зо, ртуть, оло­во, медь, сви­нец. По ал­хи­мич. пред­став­ле­ни­ям, М. за­ро­ж­да­лись в зем­ных не­драх под влия­ни­ем «лу­чей» пла­нет и по­сте­пен­но со­вер­шен­ст­во­ва­лись, пре­вра­ща­ясь в зо­ло­то (см. Ал­хи­мия). Ал­хи­ми­ки по­ла­га­ли, что М. – ве­ще­ст­ва слож­ные, со­стоя­щие из «на­ча­ла ме­тал­лич­но­сти» (рту­ти) и «на­ча­ла го­рю­че­сти» (се­ры). В нач. 18 в. по­лу­чи­ла рас­про­стра­не­ние ги­по­те­за, со­глас­но ко­то­рой не­бла­го­род­ные М. со­сто­ят из зо­лы («ока­ли­ны») и «на­ча­ла го­рю­че­сти» – фло­ги­сто­на. М. В. Ло­мо­но­сов на­счи­ты­вал 6 М. ($\ce{Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb}$) и оп­ре­де­лял М. как «свет­лое те­ло, ко­то­рое ко­вать мож­но». В кон. 18 в. А. Ла­ву­а­зье оп­ро­верг ги­по­те­зу фло­ги­сто­на. В ру­ко­во­дстве по хи­мии (1789) он дал спи­сок про­стых ве­ществ, 17 из ко­то­рых от­нёс к М. ($\ce{Sb, Ag, As, Bi, Со, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn}$). По ме­ре раз­ви­тия ме­то­дов хи­мич. ис­сле­до­ва­ния чис­ло из­вест­ных М. воз­рас­та­ло. В 1-й пол. 19 в. бы­ли от­кры­ты спут­ни­ки Pt, по­лу­че­ны пу­тём элек­тро­ли­за не­ко­то­рые ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные М., по­ло­же­но на­ча­ло раз­де­ле­нию ред­ко­зе­мель­ных М., при хи­мич. ана­ли­зе ми­не­ра­лов от­кры­ты не­из­вест­ные ра­нее М. В 1860–63 ме­то­дом спек­траль­но­го ана­ли­за от­кры­ты $\ce{Cs, Rb, Tl, In}$. В кон. 19 – нач. 20 вв. под­твер­ди­лось су­ще­ст­во­ва­ние М., пред­ска­зан­ных Д. И. Мен­де­лее­вым на ос­но­ве его пе­рио­дич. за­ко­на. От­кры­тие ра­дио­ак­тив­но­сти в кон. 19 в. по­влек­ло за со­бой по­ис­ки при­род­ных ра­дио­ак­тив­ных М. На­чи­ная с 1930–1940-х гг. ме­то­дом ядер­ных пре­вра­ще­ний ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­ак­тив­ные М., в ча­ст­но­сти транс­ура­но­вые эле­мен­ты.

Ши­ро­кое ис­поль­зо­ва­ние М. при­ве­ло к то­му, что их осн. фи­зич. свой­ст­ва бы­ли изу­че­ны ещё в 19 в. Мик­ро­ско­пич. тео­рия М. на­ча­ла раз­ви­вать­ся в 20 в. В 1900 П. Дру­де пред­ло­жил мо­дель М., в ко­то­рой элек­тро­про­вод­ность осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по­то­ком элек­трон­но­го га­за, за­пол­няю­ще­го про­ме­жут­ки ме­ж­ду ато­ма­ми. Х. Ло­ренц раз­вил идею Дру­де, при­ме­нив к элек­трон­но­му га­зу ки­не­тич. тео­рию га­зов. Од­на­ко по­стро­ен­ная на при­ме­не­нии за­ко­нов клас­сич. ме­ха­ни­ки и ста­ти­сти­ки тео­рия Дру­де – Ло­рен­ца не мог­ла объ­яс­нить не­ко­то­рые экс­пе­рим. фак­ты. В 1927–28 В. Пау­ли и А. Зом­мер­фельд устра­ни­ли ряд не­до­стат­ков тео­рии Дру­де, пред­по­ло­жив, что осн. часть элек­трон­но­го га­за в М. при обыч­ных темп-рах на­хо­дит­ся в вы­ро­ж­ден­ном со­стоя­нии; эти ра­бо­ты лег­ли в ос­но­ву совр. элек­трон­ной тео­рии ме­тал­лов.

В 1929–30 Ф. Блох и Л. Брил­лю­эн рас­смот­ре­ли влия­ние пе­рио­дич. по­ля кри­стал­лич. ре­шёт­ки на элек­трон­ный газ, что при­ве­ло к соз­да­нию зон­ной тео­рии твёр­дых тел. При­ме­не­ние к элек­тро­нам в М. тео­рии об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия (В. Гей­зен­берг, П. Ди­рак, 1928) по­зво­ли­ло по­нять при­ро­ду фер­ро­маг­не­тиз­ма и об­на­ру­жить но­вые маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ные со­стоя­ния М. – ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм (Л. Не­ель, 1932) и фер­ри­маг­не­тизм. В 1911 Х. Ка­мер­линг-Оннес от­крыл яв­ле­ние сверх­про­во­ди­мо­сти. Ис­сле­до­ва­ние взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­нов друг с дру­гом и с ре­шёт­кой по­зво­ли­ло рас­крыть при­ро­ду этого явления (Дж. Бар­дин, Л. Ку­пер, Дж. Шриф­фер, 1956). Изу­че­ние нор­маль­ных, сверх­про­во­дя­щих и маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных М. – три осн. на­прав­ле­ния совр. мик­ро­ско­пич. тео­рии ме­тал­лов.

Существуют ли абсолютно чистые металлы — Справочник металлиста

Материал из Dwarf Fortress Wiki
Полезная производственная схема получения различных металлов и сплавов из руды.

Металл

— это материал, получаемый при переплавке руды в плавильне, что превращает эту руду в слитки чистого металла (один особый металл переплавляется в пластины взамен слитков).

Некоторые металлы можно комбинировать с другими для получения сплавов

с лучшими характеристиками или большей ценностью.

Металлы используются дварфами для ковки оружия, доспехов, мебели и поделок в кузнице.

Переплавка руды в слитки повышает базовую ценность с 3 до 5. Базовая ценность умножается на ценность материала для получения итоговой ценности слитка.

Сплавы[править]

В Dwarf Fortress существует 11 чистых металлов (плюс двенадцатый особый металл). Комбинирование их слитков или исходных руд дополнительно даёт ещё 14 видов сплавов.

Некоторые сплавы ценнее своих начальных компонентов, некоторые изготавливаются специально для повышения характеристик будущего оружия или доспехов, хотя многие сплавы не приносят ни увеличения характеристик, ни повышения уровня богатства (изменения ценности сплавов приводятся в соответствующей колонке в таблице ниже).

Основные причины использования сплавов:

• увеличение боевых характеристик оружия и брони;
• увеличение ценности и экономия редких компонентов (например, использование серебросодержащей руды вместо чистого серебра);
• получение материалов другого цвета (например, rose gold имеет пурпурный оттенок) для мебели, отделки комнат, обозначения рычагов или создания мозаик на полу.
• экономия топлива, например, при выплавке бронзы: за один шаг производства в плавильне тратится единица топлива, а на выходе получается число слитков по количеству использованных компонентов.

Количество слитков нового сплава всегда равно количеству использованных слитков компонентов; в то же время, при выплавке металла из каждой единицы руды получается по четыре слитка.

Полную цепочку производства можно посмотреть в статье о плавлении.

Чистые металлы[править]

Название металлаЦветтайлаИспользуемая руда или реакцияПлотностьТочка плавленияЦенностьматериалаИзменение ценностиПримечания

Алюминий	≡‼7:7:1	Native aluminum	2.70	11188°U	40	+0
Висмут	≡‼5:5:1	Bismuthinite	9.78	10488°U	2	+1	Только производство висмутовой бронзы
Медь	≡‼6:4:0	Native copper, Malachite, Tetrahedrite	8.93	11952°U	2	+0, +0, -1*	Ковка любого оружия, доспехов, амуниции и кирок
Золото	≡‼6:6:1	Native gold	19.32	11915°U	30	+0
Железо	≡‼0:7:1	Hematite, Limonite, Magnetite	7.85	12768°U	10	+2	Ковка любого оружия, доспехов, амуниции, кирок и наковален
Свинец	≡‼0:7:1	Galena	11.34	10589°U	2	-3*
Никель	≡‼7:3:0	Garnierite	8.80	12619°U	2	+0
Платина	≡‼7:7:1	Native platinum	21.40	13182°U	40	+0
Серебро	≡‼7:7:1	Native silver, Horn silver,Galena (50%), Tetrahedrite (20%)	10.49	11731°U	10	+0, +0,+5*, +7*	Ковка холодного оружия и боеприпасов
Олово	≡‼7:3:0	Cassiterite	7.28	10417°U	2	+0
Цинк	≡‼7:3:0	Sphalerite	7.13	10755°U	2	+0

Особые металлы[править]

Эта статья содержит небольшой спойлер ! Возможно, вам лучше не читать эту информацию.

Название металлаЦветтайлаИспользуемая руда или реакцияПлотностьТочка плавленияЦенностьматериалаИзменение ценностиПримечания

Адамантин	≡‼3:3:1	Raw adamantine	0.200	25000°U	300	+50	Изготовление любых предметов, кроме кроватей; Клинки будут в 10 раз острее любых других.
Божественный металл	≡‼0:0:1	none	1	Нет	300	Генерирует имена, ассоциируемые с божествами; Клинки на 20% острее обычных металлов; Абсурдно большая прочность этого лёгкого металла делает опасным даже дробящее оружие; По совокупности характеристик превосходит сталь, но уступает адамантину.

Как отличить медь от других металлов

У большинства из нас знания о меди и ее свойствах ограничиваются школьным курсом химии, что на бытовом уровне вполне достаточно.

Однако иногда возникает необходимость достоверно определить, является ли материал чистым элементом, сплавом или даже композитным материалом.

Мнение, что эта информация нужна лишь тем, кто занимается приемом или сдачей металлолома, ошибочно: к примеру, на форумах радиолюбителей и очень часто поднимаются темы, как отличить медь в проводах от омедненного алюминия.

Коротко об элементе №29

Чистая медь (Cu) – золотисто-розовый металл, обладающий высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью. Химическую инертность в обычной неагрессивной среде обеспечивает тончайшая оксидная пленка, которая придает металлу интенсивный красноватый оттенок.

Главное отличие меди от других металлов – окраска

. На самом деле окрашенных металлов не так много: внешне похожи лишь золото, цезий и осмий, а все элементы, входящие в группу цветных металлов (железо, олово, свинец, алюминий, цинк, магний и никель) обладают серым цветом с различной интенсивностью блеска.

Абсолютную гарантию химического состава любого материала можно получить лишь с помощью спектрального анализа. Оборудование для его проведения очень дорогое, и даже многие экспертные лаборатории могут о нем лишь мечтать. Однако, существует немало способов, как отличить медь в домашних условиях

с высокой долей вероятности.

Определение по цвету

Итак, перед нами кусок неизвестного материала, который необходимо идентифицировать как медь. Упор на термин «материал», а не «металл», сделан специально, так как в последнее время появилось немало композитов, которые по внешним признакам и тактильным ощущениям очень похожи на металлы.

В первую очередь рассматриваем цвет. Это желательно делать при дневном свете или «теплом» светодиодном освещении (под «холодными» светодиодами красноватый оттенок меняется на желто-зеленый). Идеально, если для сравнения есть медная пластинка или проволока – в этом случае ошибка в цветовосприятии практически исключена.

Важно: старые медные изделия могут быть покрыты окислившимся слоем (зеленовато-голубым рыхлым налетом): в этом случае цвет металла нужно смотреть на срезе или спиле.

Определение магнитом

Совпадение по цвету – достоверный, но не достаточный способ идентификации. Вторым шагом самостоятельных экспериментов будет проба с магнитом. Химически чистая медь относится к диамагнетикам – т.е. к веществам, не реагирующим на магнитное воздействие.

Если исследуемый материал притягивается к магниту, то это – сплав, в котором содержание основного вещества не более 50%.

Однако, даже если образец не среагировал на магнит, радоваться рано, поскольку нередко под медным покрытием спрятана алюминиевая основа, которая тоже не магнитится (исключить подобное можно с помощью надпиливания или среза).

Определение по реакции на пламя

Еще один способ распознать медь – раскалить образец на открытом огне (газовая плита, зажигалка или обычная спичка). Медная проволока при накаливании сначала потеряет блеск, а затем окрасится в черно-бурый цвет, покрывшись оксидом. Этим способом можно отсечь и композитные материалы, которые при накаливании начинают дымить с образованием газа с резким запахом.

Определение посредством химических экспериментов

Показательной является реакция с концентрированной азотной кислоты: если последнюю капнуть на поверхность медного изделия, произойдет окрашивание в зелено-голубой цвет.

Качественной реакцией на медь является растворение в соляной кислоте с последующим воздействием аммиаком. Если медный образец оставить в растворе HCl до полного или частичного растворения, а потом капнуть туда обычный аптечный нашатырный спирт, раствор окрасится в интенсивно синий цвет.

Важно: работа с химическими реактивами требует соблюдения мер предосторожности. Самостоятельные эксперименты нужно проводить в хорошо проветриваемом помещении с применением средств индивидуальной защиты (резиновые перчатки, фартук, очки).

Как различить медь и сплавы на ее основе?

В промышленности широко распространены медные сплавы.

За многие годы исследований удалось получить немало материалов с уникальными свойствами: высокой пластичностью, электропроводностью, химической стойкостью, прочностью (все зависит от легирующих добавок).

Самыми распространенными являются бронзы (с добавкой олова, алюминия, кремния, марганца, свинца и бериллия), латуни (с добавлением 10-45% цинка), а также медно-никелевые сплавы (нейзильбер, мельхиор, копель, манганин).

Химические свойства и методы получения

В длин­ной фор­ме пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов гра­ни­ца ме­ж­ду эле­мен­та­ми-М. и эле­мен­та­ми-не­ме­тал­ла­ми про­во­дит­ся по диа­го­на­ли от B до At: М. рас­по­ло­же­ны сле­ва от этой ли­нии (к М. от­но­сят­ся ок. 90 из­вест­ных хи­мич. эле­мен­тов, точ­нее – все эле­мен­ты за ис­клю­че­ни­ем $\ce{H, B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te,}$ га­ло­ге­нов и бла­го­род­ных га­зов). По строе­нию ато­ма М. под­раз­де­ля­ют­ся на не­пе­ре­ход­ные и пе­ре­ход­ные; сре­ди не­пе­ре­ход­ных М. вы­де­ля­ют ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные, сре­ди пе­ре­ход­ных – $d$- и $f$-М., а так­же ред­ко­зе­мель­ные, пла­ти­но­вые, транс­ура­но­вые и др. М. (см. в ст. Хи­ми­че­ские эле­мен­ты).

Для ато­мов М. ха­рак­тер­ны бо­лее низ­кие зна­че­ния энер­гии ио­ни­за­ции, чем для ато­мов не­ме­тал­лов. В из­ме­не­нии зна­че­ний энер­гии ио­ни­за­ции ато­мов М. при уве­ли­че­нии их по­ряд­ко­во­го но­ме­ра яв­но вы­ра­же­на пе­рио­дич­ность: в об­щем, при уве­ли­че­нии по­ряд­ко­во­го но­ме­ра в пре­де­лах отд. пе­рио­да энер­гии ио­ни­за­ции М. воз­рас­та­ют, при уве­ли­че­нии по­ряд­ко­во­го но­ме­ра в пре­де­лах отд. груп­пы – убы­ва­ют; от­кло­не­ния от этой тен­ден­ции обу­слов­ле­ны строе­ни­ем элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов (под­роб­нее см. в ст. Пе­рио­ди­че­ская сис­те­ма хи­ми­че­ских эле­мен­тов).

Сла­бой свя­зью ва­лент­ных элек­тро­нов с ядром ато­ма объ­яс­ня­ют­ся мн. свой­ст­ва М., про­яв­ляю­щие­ся в хи­мич. про­цес­сах: об­ра­зо­ва­ние по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных ио­нов (ка­тио­нов), об­ра­зо­ва­ние осно́в­ных ок­си­дов и гид­ро­кси­дов с осно́в­ны­ми свой­ст­ва­ми (ос­но­ва­ний), за­ме­ще­ние во­до­ро­да в ки­сло­тах и т. д. В хи­мич. ре­ак­ци­ях М. вы­сту­па­ют как до­но­ры элек­тро­нов (вос­ста­но­ви­те­ли); в кри­стал­лах хи­мич. со­еди­не­ний с др. эле­мен­та­ми, а так­же в вод­ных рас­тво­рах со­еди­не­ний об­ра­зу­ют в осн. эле­мен­тар­ные ка­тио­ны (в рас­тво­рах – ак­ва­ка­тио­ны). М. мо­гут вхо­дить в со­став слож­ных анио­нов, напр. пер­ман­га­нат-ани­он $\ce{MnO_4^-}$, в т. ч. ком­плекс­ных, напр. аци­до­ком­плекс $\ce{[Fe(CN)_6]^{4–}}$. В слож­ных ио­нах и по­ляр­ных мо­ле­ку­лах ато­мы М. яв­ля­ют­ся цен­тра­ми по­ло­жи­тель­но­го за­ря­да. Спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные эле­мен­тар­ные ио­ны для М. не­ха­рак­тер­на (тем не ме­нее фор­маль­но от­ри­ца­тель­ные сте­пе­ни окис­ле­ния М. встре­ча­ют­ся в це­лом ря­де ком­плекс­ных со­еди­не­ний).

Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ная хи­мич. ре­ак­ция, свой­ст­вен­ная всем М., – окис­ле­ние. Спо­соб­ность М. к окис­ле­нию ме­ня­ет­ся в очень ши­ро­ких пре­де­лах. Мн. М. окис­ля­ют­ся ки­сло­ро­дом воз­ду­ха уже при ком­нат­ной темп-ре, од­на­ко ско­рость и ме­ха­низм ре­ак­ции очень силь­но за­ви­сят от при­ро­ды М. Боль­шин­ст­во М. при взаи­мо­дей­ст­вии с ки­сло­ро­дом об­ра­зу­ют ок­си­ды, ще­лоч­ные (кро­ме $\ce{Li}$) и щё­лоч­но­зе­мель­ные М. – так­же пepоксиды и над­пе­рок­си­ды. Окис­ле­ние при­во­дит к фор­ми­ро­ва­нию на по­верх­но­сти ком­пакт­но­го М. плён­ки ок­си­да. Та­кие плён­ки, как пра­ви­ло, име­ют рых­лую струк­ту­ру, и их об­ра­зо­ва­ние не за­щи­ща­ет М. от даль­ней­ше­го окис­ле­ния. Очень плот­ные плён­ки, пре­до­хра­няю­щие М. от даль­ней­ше­го окис­ле­ния, ха­рак­тер­ны, напр., для $\ce{Al, Ti, Сr,}$ ко­то­рые ус­той­чи­вы на воз­ду­хе, хо­тя и об­ла­да­ют вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­стью. Край­не не­ус­той­чи­вы на воз­ду­хе ще­лоч­ные М. С азо­том ряд М. (напр., $\ce{Li}$) реа­ги­ру­ют при ком­нат­ной темп-ре, дру­гие М. (напр., $\ce{Mg, Zr, Hf, Ti}$) – при на­гре­ва­нии; при этом об­ра­зу­ют­ся нит­ри­ды. Мн. М. ак­тив­но взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­до­ро­дом (об­ра­зу­ют­ся гид­ри­ды), га­ло­ге­на­ми (га­ло­ге­ни­ды), се­рой (суль­фи­ды), фос­фо­ром (фос­фи­ды), др. не­ме­тал­ла­ми. Наи­бо­лее ак­тив­ные М. реа­ги­ру­ют с уг­ле­ро­дом, об­ра­зуя кар­би­ды и аце­ти­ле­ни­ды. В ре­зуль­та­те ме­тал­ли­ро­ва­ния ор­га­нич. мо­ле­кул об­ра­зу­ют­ся ме­тал­ло­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния. При сплав­ле­нии М. друг с дру­гом – твёр­дые рас­тво­ры или ин­тер­ме­тал­ли­ды.

М., имею­щие пе­ре­мен­ную ва­лент­ность (напр., $\ce{Cr, Mn, Fe}$), в со­еди­не­ни­ях, от­ве­чаю­щих низ­шим сте­пе­ням окис­ле­ния ($\ce{Cr^{2+}, Mn^{2+}, Fe^{2+}}$), про­яв­ля­ют вос­ста­но­вит. свой­ст­ва; в выс­ших сте­пе­нях окис­ле­ния те же М. ($\ce{Cr^{6+}, Mn^{7+}, Fe^{3+}}$) об­на­ру­жи­ва­ют окис­лит. свой­ст­ва. Для вод­ных рас­тво­ров и рас­тво­ров элек­тро­ли­тов окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. свой­ст­ва М. вы­ра­жа­ют с по­мо­щью элек­тро­хи­мич. ря­да на­пря­же­ний (см. в ст. Элек­трод­ный по­тен­ци­ал). М., для ко­то­рых стан­дарт­ные элек­трод­ные по­тен­циа­лы мень­ше, чем –0,413 В, окис­ля­ют­ся во­дой с вы­де­ле­ни­ем $\ce{H_2}$ (ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные М. реа­ги­ру­ют с во­дой при ком­нат­ной темп-ре; та­кие М., как $\ce{Zn}$ или $\ce{Fe}$, реа­ги­ру­ют с во­дя­ным па­ром при вы­со­ких тем­пе­ра­ту­рах). С рас­тво­ра­ми ще­ло­чей взаи­мо­дей­ст­ву­ют М., об­ра­зую­щие рас­тво­ри­мые ани­он­ные гид­ро­ксо­ком­плек­сы ($\ce{Be, Zn, Al, Ga, Sn}$). Боль­шин­ст­во М. окис­ля­ют­ся те­ми или ины­ми ки­сло­та­ми. М., стоя­щие в элек­тро­хи­мич. ря­ду на­пря­же­ний до во­до­ро­да, окис­ля­ют­ся ио­на­ми $\ce{H^+}$ и по­это­му рас­тво­ря­ют­ся при дей­ст­вии не­окис­ляю­щих ки­слот ($\ce{HCl}$ или раз­бав­лен­ной $\ce{H_2SO_4}$), но толь­ко ес­ли не об­ра­зу­ют­ся не­рас­тво­ри­мые про­дук­ты; ре­ак­ции спо­соб­ст­ву­ет об­ра­зо­ва­ние ани­он­ных ком­плек­сов. Азот­ная ки­сло­та, да­же раз­бав­лен­ная, окис­ля­ет мно­гие М. При этом, ес­ли ио­ны М. ус­той­чи­вы в низ­ших сте­пе­нях окис­ле­ния, об­ра­зу­ют­ся ка­ти­он­ные ком­плек­сы, ес­ли в выс­ших, как в слу­чае, напр., $\ce{Re}$, – ани­он­ные ($\ce{ReO_4^-}$). Не­ко­то­рые М. реа­ги­ру­ют с раз­бав­лен­ны­ми $\ce{HNO_3}$ и $\ce{H_2SO_4}$ с об­ра­зо­ва­ни­ем ка­ти­он­ных ком­плек­сов и пас­си­ви­ру­ют­ся в кон­цен­три­ров. рас­тво­рах этих ки­слот. Для рас­тво­ре­ния ма­ло­ак­тив­ных М., напр. $\ce{Au}$ или $\ce{Pt}$, ис­поль­зу­ют сме­си, со­дер­жа­щие окис­ли­тель и до­нор ли­ган­дов, не­об­хо­ди­мый для об­ра­зо­ва­ния рас­тво­ри­мых ком­плек­сов (напр., сме­си $\ce{HNO_3}$ с $\ce{HCl}$ или $\ce{HNO_3}$ с $\ce{HF}$).

Важ­ная ха­рак­те­ри­сти­ка М. – их спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать осно́вные ок­си­ды и со­от­вет­ст­вую­щие гид­ро­кси­ды, а так­же со­ли – про­дук­ты за­ме­ще­ния в ки­сло­тах про­то­на на ион М. На при­ме­ре гид­ро­кси­дов М. мож­но про­сле­дить за­ко­но­мер­но­сти из­ме­не­ния свойств со­еди­не­ний в за­ви­си­мо­сти от из­ме­не­ния ме­тал­лич. ха­рак­те­ра эле­мен­та; в ча­ст­но­сти, наи­более ти­пич­ные М. – ще­лоч­ные – об­ра­зу­ют наи­бо­лее силь­ные ос­но­ва­ния (см. в ст. Щё­ло­чи). О взаи­мо­дей­ст­вии М. со сре­дой, ве­ду­щей к их раз­ру­ше­нию, см. в ст. Кор­ро­зия.

Для по­лу­че­ния М. прак­тич. зна­че­ние име­ют неск. осн. ме­то­дов: вос­ста­нов­ле­ние ок­си­дов М. уг­ле­ро­дом или во­до­ро­дом; вос­ста­нов­ле­ние ок­си­дов М. дру­ги­ми М. (ме­тал­ло­тер­мия); вос­ста­нов­ле­ние га­ло­ге­ни­дов или суль­фи­дов М. во­до­ро­дом или ме­тал­ла­ми; тер­мич. раз­ло­же­ние под­хо­дя­щих со­еди­не­ний М. (напр., кар­бо­ни­лов); элек­тро­хи­мич. ме­то­ды. По­сколь­ку дос­ти­же­нию тре­буе­мых экс­плуа­тац. ха­рак­те­ри­стик ме­ша­ет при­сут­ст­вие в М. при­ме­сей, ис­поль­зу­ют­ся разл. ме­то­ды очи­ст­ки М. (зон­ная плав­ка, экс­трак­ци­он­ные ме­то­ды и т. д.).

Под­роб­нее о свой­ст­вах, ме­то­дах по­лу­че­ния и очи­ст­ки М. мож­но уз­нать в стать­ях, по­свя­щён­ных отд. М. или их груп­пам. См. так­же Ме­тал­ло­ве­де­ние, Ме­тал­лур­гия.

Формы для литья

Самый древний вид форм — это формы из песчано-глиняной формовочной смеси, или «земли». Исторически центры металлургии возникали рядом с местами залегания уже готовых по своему составу для литья песков, например, рядом с всемирно известным Каслинским чугунным заводом. Смеси делятся на обмазочные и наполнительные.

формы из песчано-глиняной формовочной смеси

Для построения любой матрицы требуется модель — макет будущего изделия в натуральную величину, но несколько больших размеров — на величину литейной усадки.

Модель помешают по центру опалубки, или опоки, и наносят на нее слой обмазочной смеси — термостойкой и пластичной. Потом начинают послойно, тщательно трамбуя каждый слой, заполнять опоку наполнительной смесью. Требования к наполнительным смесям намного ниже, чем к обмазочным — они должны выдерживать давление залитого металла, сохраняя конфигурацию отливки, и обеспечивать выход плавильных газов. После модель извлекают из формы и на ее место заливают расплав.

Для отливок сложной конфигурации, имеющих замысловатые детали и внутренние полости, применяют составные модели и формы из нескольких частей.

Металлические формы

Литье также осуществляется и в металлические формы. Их применяют при больших тиражах отливаемых деталей, в тех случаях, когда требуется высокая точность размеров и низкая шероховатость поверхности отливки, а также для некоторых металлов, активных в нагретом состоянии. Температура плавления материала формы должна быть существенно выше, чем температура отливаемого расплава.

Металлическое состояние

M. мож­но пред­ста­вить как ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из по­ло­жит. ио­нов и сво­бод­ных элек­тро­нов (элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти). Элек­тро­ны ком­пен­си­ру­ют си­лы от­тал­ки­ва­ния, дей­ст­вую­щие ме­ж­ду по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ны­ми ио­на­ми, и тем са­мым спо­соб­ст­ву­ют свя­зы­ва­нию их в твёр­дое те­ло или жид­кость (ме­тал­ли­че­ская связь, см. в ст. Хи­ми­че­ская связь). Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти оп­ре­де­ля­ют элек­трич., маг­нит­ные, оп­тич. свой­ст­ва М., а так­же их те­п­ло­про­вод­ность, а при низ­ких темп-pax – те­п­ло­ём­кость. Зна­чи­тель­на роль элек­тро­нов в сжи­мае­мо­сти M. и др. ме­ха­нич. свой­ст­вах; их на­ли­чие де­ла­ет M. пла­стич­ными. Из­ме­не­ние элек­трон­но­го спек­тра ино­гда слу­жит при­чи­ной фа­зо­вых пе­ре­хо­дов в M., при ко­то­рых из­ме­не­ние кри­стал­лич. струк­ту­ры но­сит вто­рич­ный ха­рак­тер (напр., пе­ре­ход из нор­маль­но­го со­стоя­ния M. в сверх­про­во­дя­щее или из па­ра­маг­нит­но­го в фер­ро- или ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное).

Важ­ней­шая ха­рак­те­ри­сти­ка ме­тал­лич. со­стоя­ния – чис­ло элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти $n$ в 1 см3 (или их чис­ло на эле­мен­тар­ную ячей­ку кри­стал­ла ли­бо на 1 атом). Как пра­ви­ло, из всех элек­тро­нов ато­ма кол­лек­ти­ви­зи­ру­ют­ся толь­ко ва­лент­ные. Это да­ёт воз­мож­ность по хи­мич. свой­ствам ато­мов, из ко­то­рых со­сто­ит кри­сталл, и по его гео­мет­рич. струк­ту­ре опре­де­лить $n=Z/V_0$, где $Z$ – чис­ло ва­лент­ных элек­тро­нов, $V_0$ – объ­ём эле­мен­тар­ной ячей­ки.

Mн. свой­ст­ва M. мож­но объ­яс­нить, счи­тая, что элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти – иде­аль­ный вы­ро­ж­ден­ный газ фер­мио­нов, а роль ио­нов сво­дит­ся к соз­да­нию по­тен­ци­аль­ной ямы, в ко­то­рой дви­жут­ся элек­тро­ны (мо­дель Дру­де – Ло­рен­ца – Зом­мер­фель­да; см. Дру­де тео­рия, Зом­мер­фель­да тео­рия). В этой мо­де­ли темп-pa вы­ро­ж­де­ния $T_\text F$ элек­трон­но­го га­за по­ряд­ка 104–105 К, т. е. прак­ти­че­ски при лю­бой темп-ре су­ще­ст­во­ва­ния М. элек­трон­ный газ в нём вы­ро­ж­ден (см. Вы­ро­ж­ден­ный газ).

Бо­лее пол­ное объ­яс­не­ние свойств M. да­ёт зон­ная тео­рия твёр­до­го те­ла, ко­то­рая рас­смат­ри­ва­ет дви­же­ние отд. элек­тро­на в пе­рио­дич. по­ле с по­тен­циа­лом $U{\bf (r)}$, соз­да­вае­мом ио­на­ми кри­стал­лич. ре­шёт­ки и ос­таль­ны­ми элек­тро­на­ми (од­но­элек­трон­ное при­бли­же­ние): $U({\bf r}+a)=U{\bf (r)}$, где ${\bf {r}}$ – про­стран­ст­вен­ная ко­ор­ди­на­та точ­ки, $a$ – пе­ри­од ре­шёт­ки (см. Бло­хов­ские элек­тро­ны).

Пе­рио­дич­ность U(r) по­зво­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать ста­цио­нар­ное со­стоя­ние элек­тро­на про­во­ди­мо­сти ква­зи­им­пуль­сом ${\bf p}=ℏ{\bf k}$ ($ℏ$ – по­сто­ян­ная План­ка, ${\bf k}$ – ква­зи­вол­но­вой век­тор), ана­ло­гич­ным им­пуль­су час­ти­цы в сво­бод­ном про­стран­ст­ве. Вол­но­вая функ­ция элек­тро­на в ста­цио­нар­ном со­стоя­нии – ре­ше­ние Шрё­дин­ге­ра урав­не­ния для элек­тро­на, от­ве­чаю­щее собств. зна­че­нию энер­гии элек­тро­на $ℰ_s$. Вол­но­вая функ­ция и собств. зна­че­ние энер­гии (в от­ли­чие от слу­чая сво­бод­но­го элек­тро­на) – пе­рио­дич. функ­ции ква­зи­им­пуль­са. Ин­декс $s$, ну­ме­рую­щий ре­ше­ния урав­не­ния Шрё­дин­ге­ра, на­зы­ва­ют но­ме­ром зо­ны, $ℰ_s({\bf p})$ – за­ко­ном дис­пер­сии элек­тро­нов или элек­трон­ным спек­тром кри­стал­ла, со­от­вет­ст­вую­щим по­лю. В ка­ж­дой раз­ре­шён­ной энер­ге­тич. зо­не со­стоя­ния элек­тро­нов за­пол­ня­ют по­ло­су ме­ж­ду $ℰ_\text{мин}$ и $ℰ_\text{макс}$. Зо­ны мо­гут пе­рекры­вать­ся, но их ин­ди­ви­ду­аль­ность при этом со­хра­ня­ет­ся. С по­мо­щью за­ко­нов дис­пер­сии мож­но рас­счи­тать плот­ность элек­трон­ных со­стоя­ний в энер­ге­тич. зо­не.

Рис. 1. Схема заполнения энергетических зон металла (а), полуметалла (б) и диэлектрика или полупроводника (в). Жирные линии ограничивают заполненные состояния ℰ(p), тонкие – пустые состояния, штрихова…

Зон­ный ха­рак­тер спек­тра и Пау­ли прин­цип по­зво­ля­ют сфор­му­ли­ро­вать прин­ци­пи­аль­ное от­ли­чие M. от ди­элек­три­ка. T. к. в ка­ж­дую зо­ну мо­жет «по­мес­тить­ся» не бо­лее 2$N$ элек­тро­нов ($N$ – чис­ло ато­мов в кри­стал­ле), то в за­ви­си­мо­сти от чис­ла элек­тро­нов, при­хо­дя­щих­ся на 1 атом, и вза­им­но­го рас­по­ло­же­ния зон мо­гут осу­ще­ст­в­лять­ся два слу­чая: ли­бо в осн. со­стоя­нии (при T=0 К) име­ют­ся зо­ны, час­тич­но за­пол­нен­ные элек­тро­на­ми (рис. 1, а, б), ли­бо есть толь­ко це­ли­ком за­пол­нен­ные зо­ны и пус­тые (рис. 1, в). В пер­вом слу­чае кри­сталл яв­ля­ет­ся M. (рис. 1, б со­от­вет­ст­ву­ет по­лу­ме­тал­лу), во вто­ром – ди­элек­три­ком (или по­лу­про­вод­ни­ком).

В M. гра­ни­ца за­пол­не­ния уров­ней элек­тро­на­ми (энер­гия Фер­ми $ℰ_F$) по­па­да­ет в раз­ре­шён­ную зо­ну. Со­от­вет­ст­вую­щая ей изо­энер­ге­тич. по­верх­ность ℰ({\bf p})=ℰ_F (по­верх­ность Фер­ми) от­де­ля­ет об­ласть за­ня­тых элек­тро­на­ми со­стоя­ний от сво­бод­ных в им­пульс­ном про­стран­ст­ве.

Рис. 2. Поверхности Ферми вольфрама (а) и гадолиния (б).

По­верх­но­сти Фер­ми ще­лоч­ных М. ($\ce{Li, Na, K, Pb, Cs}$) – поч­ти иде­аль­ные сфе­ры. Это не оз­на­ча­ет, что элек­тро­ны этих М. не ис­пы­ты­ва­ют влия­ния ио­нов. Их эф­фек­тив­ные мас­сы от­ли­ча­ют­ся от мас­сы сво­бод­но­го элек­тро­на $m_0$, напр. у $\ce{Na}$ $m=1,24m_0$. У всех M., кро­ме пе­ре­чис­лен­ных, по­верх­но­сти Фер­ми име­ют слож­ную фор­му (рис. 2).

Не­ко­то­рые свой­ст­ва M. (гл. обр. в силь­ном маг­нит­ном по­ле) очень чув­ст­ви­тель­ны к фор­ме по­верх­но­сти Фер­ми (см. Де Хаа­за – ван Аль­ве­на эф­фект, Шуб­ни­ко­ва – де Хаа­за эф­фект), что по­зво­ли­ло эк­спе­ри­мен­таль­но оп­ре­де­лить по­верх­ность Фер­ми мн. M. и ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ний.

Ме­то­ды зон­ной тео­рии по­зво­ли­ли оп­ре­де­лить за­ко­ны дис­пер­сии, вы­яс­нить про­ис­хо­ж­де­ние отд. ха­рак­тер­ных де­та­лей элек­трон­но­го спек­тра M. При всей слож­но­сти за­ко­нов дис­пер­сии пред­став­ле­ние об элек­тро­нах M. как лёг­ких (по срав­не­нию с ио­на­ми) за­ря­жен­ных час­ти­цах яв­ля­ет­ся пра­виль­ным на ка­че­ст­вен­ном уров­не и по­зво­ля­ет в рам­ках мо­де­ли Дру­де – Ло­рен­ца – Зом­мер­фель­да оце­нить по­ря­док ве­ли­чин осн. ха­рак­те­ри­стик M. – элек­трон­ной те­п­ло­ём­ко­сти, элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­сти, тол­щи­ны скин-слоя (см. Скин-эф­фект) и т. п. У не­ко­то­рых со­еди­не­ний ($\ce{CeAl_3, CeCu_6, CeCu_2Si_2, UB_{13}}$ и др.) об­на­ру­же­ны не­обыч­ные свой­ст­ва (напр., ги­гант­ская элек­трон­ная те­п­ло­ём­кость), ука­зы­ваю­щие на то, что в них есть элек­тро­ны, об­ла­даю­щие ано­маль­но боль­шой эф­фек­тив­ной мас­сой.

При вы­со­ких дав­ле­ни­ях, ко­гда объ­ём, при­хо­дя­щий­ся на 1 атом, умень­ша­ет­ся, ато­мы те­ря­ют свою ин­диви­ду­аль­ность и лю­бое ве­ще­ст­во пре­вра­ща­ет­ся в силь­но сжа­тую элек­трон­но-ядер­ную плаз­му, т. е. в свое­об­раз­ный M. Ме­тал­ли­за­ция лю­бо­го ве­ще­ст­ва про­ис­хо­дит при плот­но­сти $≫20Z^2$, где $Z$ – атом­ный но­мер ве­ще­ст­ва. При та­ких плот­но­стях боль­шин­ст­во свойств ве­ще­ст­ва оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ро­ж­ден­ным элек­трон­ным га­зом.

Основные виды классификации металлов

Существует несколько видов классификации металлов. Начнем с основного типа – деления на две большие группы: черные и цветные. Черные металлы отличает высокая температура плавления, плотность и повышенная твердость. Цветные металлы, в большинстве случаев, плавятся при более низких температурах и обладают повышенной электро и теплопроводимостью.

Такое разделение обусловлено распространением элементов в природе. На добычу черных элементов приходится более 90 процентов от всей массы добываемых металлов, в то время как на цветную группу приходится не более 5-10 процентов. Необходимо отметить, что виды классификации являются условными, и используются в зависимости от назначения конечного продукта, который производят из этих металлов. Так, для изготовления крепежа используется классификация по техническим характеристикам, а для изготовления сложных сплавов химическая и кристаллическая. Рассмотрим эти виды подробнее.

Химическая классификация металлов

Все элементы в периодической таблице делятся на четыре основных группы, маркируемые латинскими буквами:

• S. Отмечены розовым цветом.
• P. Желтые элементы.
• D. Бирюзовый цвет.
• F. Зеленые элементы в таблице.

Каждая группа содержит в себе металлы. Элементы из первых двух категорий (S и P) называют простым видом, а элементы из групп D и F переходным. Также каждая группа делится еще на несколько категорий. В группу S входят щелочные и щелочеземеленые металлы, а в группы D и F платиновые, урановые и редкоземельные. При этом в каждой группе существуют исключения, из чего можно сделать вывод, что деление металлов по химическим группам является условностью, и редко применяется в практических сферах. Такое деление интересно только для научных изысканий, и практически не применимо в промышленности и производстве. Например, изготовление крепежа отталкивается от технических аспектов, и лишь в малой степени от химических.

Классификация металлов по кристаллической решетке

Все элементы имеют, так называемую, кристаллическую решетку. Абстрактная структура, определяющая расположение атомов и электронов, а также их привязку к ядру. В аморфных материалах, таких как стекло, атомы расположены хаотично, и не имеют строгой конструкции. В отличие от металлов, которые в твердом виде обладают строго структурированной решеткой, с четким построением молекулярных элементов. Всего разделяют 4 вида кристаллических решеток, которые проще представить в виде таблицы:

Это наиболее распространенные типы кристаллических решеток, часто встречающиеся у металлов. В общей сложности система классификации насчитывает 14 конфигураций, но у металлов они или встречаются крайне редко, или не встречаются вообще. Также следует отметить, что правильное построение решетки возможно только при естественном затвердевании металла, без искусственных ускорений. Если процесс остывания был ускорен, форма решетки изменится. В производстве это называют закаливанием, в результате которого меняется не только молекулярная структура, но и технические свойства.

Также, при нарушении норм производства металлического проката, может наблюдаться замена в кристаллической решетке. Это ведет к полному изменению качеств готового изделия. Чтобы условия производства соблюдались, были разработаны нормы стандартизации, гарантирующие четкое соответствие готового проката техническому описанию его свойств.

Техническая классификация металлов

Наиболее полную систему классификации предложил профессор Гуляев, хотя современные ученые и не согласны с некоторыми ее аспектами, ничего нового пока предложено не было. Итак, черные металлы делят на 5 основных подгрупп:

1. Железные металлы. Сюда входят марганец, кобальт, никель, и конечно, железо. Наиболее распространенная в природе группа, используемая в сплавах как основной компонент.
2. Тугоплавкие. Элементы, имеющие высокую температуру расплавления. В качестве эталона принята мера в 1539 градусов по Цельсию.
3. Редкоземельные. Дорогостоящие в плане добычи и обработки элементы, к которым относят неодим, европий, самарий и другие металлы, используемые в качестве присадок к основному сплаву. Способны даже при небольшом проценте вмешательства существенно повысить или полностью изменить характеристики сплава.
4. Щелочные. Особая группа, практически не применяемая в чистом виде. Чаще всего используются в атомной энергетике. Сюда относят: литий, барий, радий и другие.
5. Урановые. Торий, уран, плутоний. Применяются исключительно в атомной энергетике.

Цветные металлы также делят на несколько подгрупп. Их три:

1. Легкие. Алюминий, магний, бериллий. Обладают низким удельным весом и часто применяются в авиастроении и прочих сферах, где необходим твердый, но в то же время легкий материал.
2. Легкоплавкие. Металлы с наиболее низкой температурой плавления: цинк, олово, свинец. Используются как в чистом виде, в качестве припоя и соединительного элемента, и как легирующие добавки, повышающие или изменяющие характеристики сплава.
3. Благородные или драгоценные металлы. Наиболее редкие элементы, к которым относят: золото, серебро, палладий, платину. Обладают максимальной устойчивостью к коррозии и окислению, благодаря чему получают широкое распространение в различных промышленных сферах.

Практически все металлы из двух групп поддаются смешению, то есть производству из них сплавов с необходимыми техническими характеристиками.

Электрические свойства

При ком­нат­ной темп-ре удель­ная элек­трич. про­во­ди­мость $σ$ М. по­ряд­ка 10–8–10–6 Ом–1·м–1; с по­ни­же­ни­ем темп-ры она уве­ли­чи­ва­ет­ся. Ха­рак­тер­ное свой­ст­во M. в нор­маль­ном (не­сверх­про­во­дя­щем) со­стоя­нии – ли­ней­ная за­ви­си­мость ме­ж­ду плот­но­стью то­ка $j$ и на­пря­жён­но­стью $E$ при­ло­жен­но­го элек­трич. по­ля (Ома за­кон): $j=σE$.

Но­си­те­ли то­ка в M. – элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти с энер­ги­ей, близ­кой к $ℰ_F$. При­чи­на элек­трич. со­про­тив­ле­ния – рас­сея­ние элек­тро­нов на лю­бых на­ру­ше­ни­ях пе­рио­дич­но­сти кри­стал­лич. ре­шёт­ки: те­п­ло­вых ко­ле­ба­ни­ях ио­нов (фо­но­нах), са­мих элек­тро­нах, а так­же разл. де­фек­тах – при­мес­ных ато­мах, ва­кан­си­ях, дис­ло­ка­ци­ях, гра­ни­цах кри­стал­лов и об­раз­ца (см. Рас­сея­ние но­си­те­лей за­ря­да). Ме­рой рас­сея­ния слу­жит дли­на сво­бод­но­го про­бе­га $l$ – ср. рас­стоя­ние ме­ж­ду дву­мя по­сле­до­ва­тель­ны­ми столк­но­ве­ния­ми элек­тро­нов с де­фек­та­ми:$$σ=nel/p_\text{F},$$ где $n$ – кон­цен­тра­ция элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти (по­ряд­ка 1022–1023 см–3), $e$ – за­ряд элек­тро­на, $p_\text{F}=2π\hbar (3n/8π)^{1/3}$ – т. н. гра­нич­ный фер­ми­ев­ский им­пульс. При $T$=300 К дли­на сво­бод­но­го про­бе­га l по­ряд­ка 10–6 см; с по­ни­же­ни­ем $T$ дли­на про­бе­га рас­тёт, дос­ти­гая (для вы­со­ко­каче­ст­вен­ных мо­но­кри­стал­лич. об­раз­цов) 0,1–1 см. Со­от­вет­ст­вен­но воз­рас­та­ет элек­трич. про­во­ди­мость $σ$ и умень­ша­ет­ся удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние $ρ=σ^{–1}$. От­но­ше­ние про­во­ди­мо­сти при $T$=4,2 К к про­во­ди­мо­сти при $T$=300 К ха­рак­те­ри­зу­ет со­вер­шен­ст­во и хи­мич. чис­то­ту ме­тал­лов.

Со­про­тив­ле­ние спла­вов зна­чи­тель­но вы­ше со­про­тив­ле­ния чис­тых M. При­чи­на это­го в на­ру­ше­нии иде­аль­но­сти кри­стал­лич. ре­шёт­ки (разл. ато­мы в уз­лах ре­шёт­ки) и на­ли­чии де­фек­тов. В ве­ще­ст­вах с боль­шим $ρ$ воз­ни­ка­ет ло­ка­ли­за­ция элек­трон­ных со­стоя­ний – про­во­ди­мость ис­че­за­ет (см. Ан­дер­со­нов­ская ло­ка­ли­за­ция).

При плав­ле­нии М. под­виж­ные элек­тро­ны в нём со­хра­ня­ют­ся, по­это­му со­хра­ня­ет­ся и боль­шая элек­трич. про­во­ди­мость, хо­тя раз­ру­ше­ние даль­не­го по­ряд­ка при­во­дит к скач­ко­об­раз­но­му рос­ту со­про­тив­ле­ния $ρ$. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ют $\ce{Sb, Ga, Bi,}$ элек­трич. со­про­тив­ле­ние ко­то­рых при плав­ле­нии умень­ша­ет­ся.

При $T→0$ К у боль­шин­ст­ва M. про­ис­хо­дит ис­чез­но­ве­ние элек­трич. со­про­тив­ле­ния – они пе­ре­хо­дят в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние.

Железо сталь и прочие металлы

Железо и сталь — важнейшие металлы. Сталь получают из железа. Из нее делают множество предметов — от нефтяных вышек до канцелярских скрепок.

Наряду с 80 чистыми металлами людям известно немало сплавов — смесей металлов, качества которых отличаются от качеств чистых металлов. Башенные краны, мосты, другие сооружения делают из стали, содержащей до 0,2% углерода.

Углерод делает сталь прочнее, причем она сохраняет ковкость. Сталь покрывают краской для защиты от коррозии.

Железо и сталь

Железо — это элемент. Его добывают из руды — соединения железа с кислородом. Большая часть добытого железа идет на производство стали, сплава железа с углеродом. Наиболее распространенные железные руды: магнетит(вверху) и гематит(внизу). Железо добывается из руды в доменных печах.

Этот процесс называется плавкой. В печи через слой железной руды, известняка и кокса продувают очень горячий воздух. Кокс представляет собой почти чистый углерод, его получают нагреванием угля.

Углерод кокса соединяется с кислородом, образуя моноксид углерода, который затем «вытягивает» кислород из руды, оставляя чистое железо, и образует диоксид углеро­да. Это пример реакций восстановления. Руда, кокс и известняк поступают в печь. Известняк реагирует с имеющимися в руде примесями, образуя шлак.

Внутри печи раскаленный воздух реагирует с углеродом. Образуется моноксид углерода. При этом температура в печи повышается до 2000°С. Затем оксид углерода реагирует с кислородом руды, восстанавливая ее до железа. Расплавленный шлак вытекает из нижней части печи. Его используют в строительстве дорог.

В конце расплавленное железо выводится наружу. Доменная печь непрерывно функционирует 10 лет, пока её стенки не начнут разрушаться. Высота доменной печи 30 метров, толщина её стен 3 метра.

Железо, получаемое из руды, содержит углерод (около 4%) и другие примеси, в частности серу. Примеси делают желе­зо хрупким, поэтому большую его часть перерабатывают в сталь. При этом из железа удаляют­ся примеси. В стальных скрепках около 0,08% углерода.

Инструменты делают из стали, содержащей хром, ванадий и до 1% углерода. Сталь получают при воздействии на расплавленное железо кислорода. Часто в железо добавляют небольшое количество стального лома. Кислород реагирует с углеродом, содержащимся в железе, при этом образуется моноксид углерода, используемый как топливо.

После очистки в стали остается не более 0.04% углерода; его количество зависит от марки стали. Сталь получают также путем переплавки стального лома в дуговой электропечи. Для получения стали расплавленное железо и стальной лом заливают в печь, называемую
конвертером.
В конвертер под высоким давлением закачивается почти чистый кислород. При его реакции с углеродом получается моноксид углерода (см. так же статью «Химические реакции«). Другой способ получения стали — переплавка стального лома в дуговой электропечи. Мощный электрический ток (см.

статью «Электричество«) расплавляет лом. Расплавленный шлак вытекает из нижней части печи. Его используют в строительстве дорог.

Сплавы

Сплавом называется смесь двух или бо­лее металлов или металла и иного вещества. Так, латунь — это сплав меди и цинка. Латунь прочнее меди, ее легко обрабатывать, и она не подвержена коррозии. В чистых металлах атомы «упакованы» в тесные ряды (рис.

слева). Ряды могут скользить относительно друг друга, что делает металл мягким. При резких сдвигах рядов металл ломается. В сплаве другие атомы укрепляют металл (см. рис. справа), т.к. сдвиг рядов уже невозможен. Поэтому сплавы прочнее чистых металлов.

Многие металлы сами по себе чересчур мягкие, чтобы их можно было использовать, зато их сплавы могут выдерживать большое давление и высокие температу­ры (см. статью «Тепло и температура«). Сталь — это сплав железа и углерода, неметалла.

Добавляя небольшие количества других металлов, можно получить разновидности стали. Ножи и вилки делают из нержавеющей стали — сплава стали, хрома и никеля. Сплавы стали с марганцем чрезвычайно прочны и используются в промышленности для изготовления режущих инструментов.

Алюминиево-магниевые сплавы лег­ки, прочны и не подвержены коррозии. Из них делают велосипеды и самолеты (см. статью «Полет«).

Важнейшие металлы и сплавы

Алюминий. Очень легкий серебристо-белый металл, не подверженный коррозии. Его получают из бокситов путем электролиза. Из алюминия делают электропровода, самолеты, корабли (см. статью «Плавучесть«), автомобили, банки для напитков, фольгу для приготовления пищи. Алюминиевые банки для напитков очень легкие и прочные.

Латунь. Ковкий сплав меди и цинка. Из латуни делают украшения, орнаменты, музыкальные инструменты, винты, кнопки для одежды.

Бронза. Известный с древнейших времен ковкий, не подверженный коррозии сплав меди и олова.

Кальций. Мягкий серебристо-белый металл. Входит в состав известняка и мела, а также костей и зубов животных. Кальций в человеческом организме содержится в костях и зубах. Он использует­ся в производстве цемента и высоко качественной стали.

Хром. Твердый серый металл. Ис­пользуется в производстве нержавеющей стали. Хромом покрывают металлические изделия в защитных целях и для придания им зеркального блеска.

Медь. Ковкий красноватый металл. Из меди делают электропровода, резервуары для горячей воды. Медь входит в со­став латуни, бронзы, мельхиора.

Мельхиор. Сплав меди и никеля. Из него делают почти все «серебряные» монеты.

Золото. Мягкий неактивный ярко-желтый металл. Используется в электронике и в ювелирном деле.

Железо. Ковкий серебристо-белый ферромагнетик. Добывается в основном из руды в доменных печах. Используется в инженерных конструкциях, а также в производстве стали и сплавов. В нашей крови тоже есть железо.

Свинец. Тяжелый ковкий ядовитый синевато-белый металл. Добывается из минерала гале­нита. Из свинца делают электрические батареи, крыши и экраны, защищающие от рентгеновских лучей.

Магний. Легкий серебри­сто-белый металл. Горит ярко-белым пламенем. Используется для сигнальных огней и фейерверков. Входит в состав легких сплавов. В праздничных ракетах есть магнии и другие металлы.

Ртуть. Тяжелый серебристо-белый ядовитый жидкий металл. Используется в термометрах, входит в состав зубной амальгамы и взрывчатых веществ.

Платина. Ковкий се­ребристо-белый неактивный металл. Ис­пользуется в качестве катализатора, а так­же в электронике и в производстве ювелирных изделий. Платина не вступает в реакции. Из нее делают украшения.

Плутоний. Радиоактивный металл. Образуется в ядерных реакторах при бомбардировке урана и используется в производстве ядерного оружия (см. статью «Ядерная энергия и радиоактивность«).

Калий. Легкий серебристый металл. Очень химически активен. Калиевые соединения входят в состав удобрений.

Серебро. Ковкий серовато-белый металл. Хорошо проводит тепло и электричество. Из него дела­ют украшения и столовые приборы. Входит в состав фотоэмульсии (см. статью «Фотография и фотоаппараты«).

Припой. Сплав олова и свинца. Плавится при сравнительно низкой температуре. Используется для спайки проводов в электронике.

Натрий. Мягкий серебристо-белый хими­чески активный металл. Входит в состав поваренной соли. Используется в производстве натриевых ламп и в химической промышленности.

Сталь. Сплав железа с углеродом. Широко применяется в промышленности. Нержа­веющая сталь — сплав стали с хромом — не подвержена коррозии и используется в авиакосмической индустрии (см. статью «Ракеты и космические аппараты«).

Олово. Мягкий ковкий серебристо-белый металл. Слоем олова сталь защищают от коррозии. Входит в состав таких сплавов, как бронза и припой.

Титан. Прочный белый ковкий металл, не подверженный коррозии. Из титановых сплавов делают космические аппараты, са­молеты, велосипеды.

Вольфрам. Твердый серовато-белый металл. Из него изготавливают нити ламп накаливания и детали электронных приборов. Из стали с Нить вольфрамом делают накаливания режущие инструменты.

Уран. Серебристо-белый радиоактивный металл, источник ядерной энергии. При­меняется при создании ядерного оружия.

Ванадий. Твердый ядовитый белый металл. Придает прочность стальным сплавам. Используется как катализатор при производстве серной кислоты.

Цинк. Синевато-белый металл. Добывает­ся из цинковой обманки. Используется для гальванизации железа, производства электробатареек. Входит в состав латуни.

Тепловые свойства

Те­п­ло­ём­кость М. обу­слов­ле­на ион­ным ос­то­вом (ре­шё­точ­ная те­п­ло­ём­кость $C_\text p$) и элек­трон­ным га­зом (элек­трон­ная те­п­ло­ём­кость $C_\text э$). Хо­тя кон­цен­тра­ция элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти в М. ве­ли­ка и не за­ви­сит от темп-ры, $C_\text э$ на­блю­да­ет­ся у боль­шин­ст­ва М. толь­ко при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах (по­ряд­ка не­сколь­ких $\text K$), т. к. элек­трон­ный газ в М. вы­ро­ж­ден. При умень­шении темп-ры $C_\text p$ убы­ва­ет про­пор­цио­наль­но $T^3$, а $C_\text э$ – про­пор­цио­наль­но $T$. Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти вно­сят ли­ней­ный по $T$ вклад и в ко­эф. те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния ме­тал­лов.

Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти при­ни­ма­ют уча­стие не толь­ко в пе­ре­но­се элек­трич. за­ря­да, но и в пе­ре­но­се те­п­ло­ты. Вслед­ст­вие боль­шой под­виж­но­сти элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти те­п­ло­про­вод­ность M. ве­ли­ка. Удель­ная элек­тро­про­вод­ность и элек­трон­ная часть те­п­ло­про­вод­но­сти M. свя­за­ны со­от­но­ше­ни­ем, на­зы­вае­мым Ви­де­ма­на – Фран­ца за­ко­ном. Те­п­ло­про­вод­ность спла­вов ни­же те­п­ло­про­вод­но­сти чис­тых ме­тал­лов.

При на­ли­чии гра­ди­ен­та темп-ры в M. воз­ни­ка­ет элек­трич. ток или раз­ность по­тен­циа­лов (тер­мо­эдс). Из-за вы­ро­ж­де­ния элек­трон­но­го га­за ко­эф­фи­ци­ен­ты, опи­сы­ваю­щие тер­мо­эдс и др. тер­мо­элек­трич. эф­фек­ты, ма­лы, од­на­ко их ис­сле­до­ва­ние по­зво­ля­ет об­на­ру­жить ув­ле­че­ние элек­тро­нов те­п­ло­вы­ми фо­но­на­ми. Взаи­мо­дей­ст­вие воз­бу­ж­дён­ных в M. аку­стич. волн с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию элек­трич. то­ка ли­бо раз­но­сти по­тен­циа­лов, про­пор­цио­наль­ной ин­тен­сив­но­сти по­то­ка фо­но­нов (см. Аку­сто­элек­три­че­ский эф­фект).

Физические свойства

В условиях комнатной температуры и без применения давления все вещества обладают твердым состоянием. Но есть галлий, он уже при 30 градусах тепла начинает деформироваться, тает в руках. Можно отметить характеристики:

• Высокая пластичность. Хрупкие только марганец, олово и цинк.
• Могут быть легкие и тяжелые. Сравни алюминий с осмием.
• Температура плавления очень большая. Есть и исключения, например, ртуть, именно по этой причине ее используют в классических термометрах.
• Цвет – серый, серебристый, голубоватый. Редкими являются цветные изделия, например, желтые или красные.
• Увеличенная проводимость тепла и электричества, особенно у меди, поэтому имеют популярность медные провода.

Магнитные свойства

Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти об­ла­да­ют как па­ра­маг­нит­ны­ми (из-за на­ли­чия у ка­ж­до­го элек­тро­на соб­ст­вен­но­го маг­нит­но­го мо­мен­та), так и диа­маг­нит­ны­ми (свя­зан­ны­ми с кван­то­ва­ни­ем дви­же­ния элек­тро­нов в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной маг­нит­но­му по­лю) свой­ст­ва­ми (см. Па­ра­маг­не­тизм, Диа­маг­не­тизм). В маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость M. вно­сят вклад и ио­ны: у не­пе­ре­ход­ных M. ио­ны диа­маг­нит­ны, у пе­ре­ход­ных, как пра­ви­ло, па­ра­маг­нит­ны. Из-за вы­ро­ж­де­ния элек­трон­но­го га­за па­ра­маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость $χ$ элек­трон­но­го га­за сла­бо за­ви­сит от $T$ (см. Пау­ли па­ра­маг­не­тизм). При низ­ких темп-рах и в силь­ных маг­нит­ных по­лях на­пря­жён­но­стью $H$ па­ра­маг­нит­ная вос­при­имчи­вость $χ$ ме­тал­лич. мо­но­кри­стал­лов ос­цил­ли­ру­ет как функ­ция $1/H$ (эф­фект де Хаа­за – ван Аль­ве­на).

Все пе­ре­ход­ные М. с не­до­стро­ен­ны­ми $d$- или $f$-элек­трон­ны­ми обо­лоч­ка­ми – па­ра­маг­не­ти­ки. Не­ко­то­рые M. при по­ни­же­нии темп-ры пе­ре­хо­дят в маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ное со­стоя­ние: фер­ро­маг­нит­ное (напр., $\ce{Fe, Co, Ni, Gd}$), ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное (напр., $\ce{Ce, Mn}$) или в со­стоя­ние с ге­ли­кои­даль­ной маг­нит­ной атом­ной струк­ту­рой (напр., $\ce{Cr}$). При этом элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти иг­ра­ют су­ще­ст­вен­ную роль в фор­ми­ро­ва­нии маг­нит­ных струк­тур (см. Фер­ро­маг­не­тизм, Ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм). Боль­шин­ст­во не­пе­ре­ход­ных М. ос­та­ют­ся па­ра­маг­не­ти­ка­ми или диа­маг­не­ти­ка­ми вплоть до $T$=0 К. Маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние су­ще­ст­вен­но влия­ет на все др. свой­ст­ва М., в ча­ст­но­сти на элек­трич. свой­ст­ва – в элек­трич. со­про­тив­ле­ние вно­сит вклад рас­сея­ние элек­тро­нов на спи­но­вых вол­нах.

Пе­ре­ход M. в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние со­про­во­ж­да­ет­ся из­ме­не­ни­ем его маг­нит­ных свойств: в сверх­про­во­дя­щем со­стоя­нии в сла­бых по­лях M. про­яв­ля­ет се­бя как диа­маг­не­тик, в ко­то­ром маг­нит­ное по­ле рав­но ну­лю из-за эк­ра­ни­ро­ва­ния внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля не­за­ту­хаю­щи­ми вих­ре­вы­ми то­ка­ми (см. Мей­сне­ра эф­фект). В сверх­про­вод­ни­ках 1-го ро­да ($\ce{Sn, Pb, In}$ и др.) это вы­пол­ня­ет­ся вплоть до по­лей, раз­ру­шаю­щих сверх­про­во­ди­мость. В сверх­про­вод­ни­ках 2-го ро­да ($\ce{Nb_3Sn, NbTi}$ и др.) маг­нит­ное по­ле в ши­ро­ком диа­па­зо­не на­пря­жён­но­стей $H$, не раз­ру­шая сверх­про­во­ди­мость, про­ни­ка­ет в объ­ём М. в ви­де вих­рей, что ос­лаб­ля­ет диа­маг­не­тизм.

Особенности литья металлов

По сравнению с другими материалами, такими, например, как воск или гипс, литье металлов отличается некоторыми особенностями. Первая из них — высокая температура перехода из твердое в жидкое состояние. Воск, гипс и цемент затвердевают при комнатной температуре. Температура плавления металлов гораздо выше — от 231 °C у олова до 1531 °C у железа. Перед тем, как приступить к литью металла, его необходимо расплавить. И если олово можно расплавить в глиняной плошке на простом костре из подобранных рядом сучьев, то для плавления меди, не говоря уже о железе, понадобится специально оборудованная печь и подготовленное топливо.

Олово

Свинец

Олово и свинец — самые мягкие и легкоплавкие металлы — можно отливать даже в деревянные матрицы.

Для литья более тугоплавких металлов потребуются формы из смеси песка и глины. Некоторые металлы, как, например, титан, требуют для литья металлические формы.

После заливки изделию требуется остыть. Многоразовые матрицы разбирают, одноразовые формы разрушают, и отливка готова к дальнейшей механической обработке или к использованию.

Гальваномагнитные и термомагнитные явления

Ес­ли ме­тал­лич. об­ра­зец, по ко­то­ро­му те­чёт элек­трич. ток, по­мес­тить в по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, то в нём воз­ни­ка­ют яв­ле­ния, обу­слов­лен­ные ис­крив­ле­ни­ем тра­ек­то­рий элек­тро­нов в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной ${\bf H}$, что при­во­дит к из­ме­не­нию ки­не­тич. ко­эф­фи­ци­ен­тов (ко­эф. элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­сти, тер­мо­элек­трич. ко­эф. и др.) и к ря­ду но­вых яв­ле­ний: Хол­ла эф­фек­ту, маг­ни­то­со­про­тив­ле­нию и др. На за­ви­си­мость ки­не­тич. ко­эф­фи­ци­ен­тов от ${\bf H}$ влия­ют осо­бен­но­сти элек­трон­но­го энер­ге­тич. спек­тра M., в ча­ст­но­сти то­по­ло­гия по­верх­но­сти Фер­ми (см. Галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния, Тер­мо­галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния). Да­же не слиш­ком силь­ное маг­нит­ное по­ле при низ­ких темп-pax (по­ряд­ка 1 К) мо­жет из­ме­нить ки­не­тич. свой­ст­ва M., напр. в де­сят­ки ты­сяч раз уве­ли­чить по­пе­реч­ное (от­но­си­тель­но на­прав­ле­ния ${\bf H}$) со­про­тив­ле­ние (у $\ce{Bi}$) или прак­ти­че­ски пол­но­стью «вы­клю­чить» по­пе­реч­ную элек­трон­ную те­п­ло­про­вод­ность ме­тал­ла.

Эмиссия электронов

При на­гре­ва­нии M. до вы­со­ких тем­пе­ра­тур на­блю­да­ет­ся эмис­сия («ис­па­ре­ние») элек­тро­нов с по­верх­но­сти M. (см. Тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия). Чис­ло элек­тро­нов, вы­ле­таю­щих из M. в еди­ни­цу вре­ме­ни, про­пор­цио­наль­но ехр$(–W/kT)$, где $W$ – ра­бо­та вы­хо­да элек­тро­на из M., $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на. Ве­ли­чи­на $W$ у разл. M. (и да­же на раз­ных кри­стал­лич. гра­нях од­но­го M.) раз­лич­на и со­став­ля­ет 2–5 эВ; $W$ за­ви­сит от со­стоя­ния по­верх­но­сти. Раз­ли­чия в $W$ обу­слов­ли­ва­ют кон­такт­ную раз­ность по­тен­циа­лов ме­ж­ду разл. М. Эмис­сия элек­тро­нов с по­верх­но­сти M. про­ис­хо­дит так­же в силь­ных элек­трич. по­лях (на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка 107 В/см) в ре­зуль­та­те тун­нель­но­го про­хо­ж­де­ния элек­тро­нов че­рез сни­жен­ный по­лем по­тен­ци­аль­ный барь­ер (см. Ав­то­элек­трон­ная эмис­сия). Тун­не­ли­ро­ва­ние эле­кт­ро­нов че­рез ма­лый (мень­ше 1 нм) за­зор ле­жит в ос­но­ве ска­ни­рую­щей тун­нель­ной мик­ро­ско­пии.

Эмис­сия элек­тро­нов воз­ни­ка­ет так­же под дей­ст­ви­ем элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния ви­ди­мо­го и УФ-диа­па­зо­нов – фо­то­элек­трон­ная эмис­сия, при бом­бар­ди­ров­ке по­верх­но­сти М. элек­тро­на­ми – вто­рич­ная элек­трон­ная эмис­сия, или ио­на­ми – ион­но-элек­трон­ная эмис­сия, при взаи­мо­дей­ст­вии по­верх­но­сти М. с плаз­мой – взрыв­ная элек­трон­ная эмис­сия.

Промышленное получение

Для получения лития промышленными способами сначала происходит подготовка расходного сырья — минералов или солевых растворов, которые добываются из соляных озер. Независимо от способа добычи расходного сырья, на выходе получается Li2CO3, который будет проходить промышленную обработку.

Способы получения расходного сырья:

• электролиз;
• восстановление;
• рафинирование.

Выбор промышленного способа получения щелочного металла зависит от наличия оборудования, требуемого результата, вида расходного сырья.

Рафинирование

Mеталлы в электромагнитных полях

Пе­ре­мен­ный элек­трич. ток час­то­ты $ω$ те­чёт по по­верх­но­сти М., про­ни­кая в не­го на глу­би­ну скин-слоя тол­щи­ной $δ=c\sqrt{2πσω}$, где $c$ – ско­рость све­та (см. Вы­со­ко­час­тот­ная про­во­ди­мость); напр., для $\ce{Cu}$ $δ≈$ 6·10–6 м при $ω=$ 6·10–8 Гц. При па­де­нии элек­тро­маг­нит­ной вол­ны на по­верх­ность M. часть элек­тро­маг­нит­ной энер­гии по­гло­ща­ет­ся в скин-слое, а др. часть пе­ре­из­лу­ча­ет­ся элек­тро­на­ми и от­ра­жа­ет­ся от по­верх­но­сти M. Коэф. от­ра­же­ния (для $\ce{Cu}≈$ 2·10–5).

При па­де­нии на М., по­ме­щён­ный в силь­ное по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, элек­тро­маг­нит­ных волн, час­то­та ко­то­рых рав­на или крат­на цик­ло­трон­ной час­то­те элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти, в М. на­блю­да­ют­ся ре­зо­нанс­ные яв­ле­ния (см. Цик­ло­трон­ный ре­зо­нанс). В не­ко­то­рых M. (напр., ще­лоч­ных) мож­но на­блю­дать элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс на элек­тро­нах про­во­ди­мо­сти и спи­но­вые вол­ны.

M., по­ме­щён­ный в дос­та­точ­но силь­ное маг­нит­ное по­ле при низ­кой темп-ре, об­ла­да­ет мн. свой­ст­ва­ми, ха­рак­тер­ны­ми для плаз­мы: в нём мо­гут рас­про­стра­нять­ся раз­но­об­раз­ные сла­бо­за­ту­хаю­щие вол­ны (ге­ли­ко­ны, маг­ни­то­плаз­мен­ные вол­ны, до­п­ле­ро­ны и др.) (см. Плаз­ма твёр­дых тел).

Основные способы литья металлов

Литье в землю

Традиционный способ. Изготавливается простая или составная модель из дерева или других модельных материалов, потом по модели делается матрица из песчано-глиняной смеси. Подробнее об этом способе читайте в соответствующей статье.

Технология литья в землю

Модель извлекают из формы, части ее собирают вместе, создают литниковую систему. Форму накалывают тонкими острыми иглами, чтобы обеспечить газоотведение. Производят отливку, ждут ее остывания,

Литье в металлические формы

Разъемную форму, называемую кокилем, изготавливают из металлических деталей. Части матрицы получают путем отливки или, если требуется обеспечить высокое качество поверхности и точность размеров, путем фрезерования. Формы смазывают антипригарными составами и производят заливку.

Литье в металлические формы

После остывания кокили разбирают, извлекают отливки, очищают. Металлическая матрица выдерживает до 300 рабочих циклов.

Литье по газифицируемым моделям

Модель выполняется не из дерева или воска, а из легкоплавкого и газифицируемого материала, преимущественно полистирола. Модель остается в форме и испаряется при заливке металла.

Литье по газифицируемым моделям

Преимущества способа:

• модель не требуется извлекать из матрицы;
• можно изготовлять модели сколь угодно сложных отливок, не нужны сложные и составные формы;
• существенно снижена трудоемкость моделирования и формования.

Литье по газифицируемым моделям приобретает большую популярность на современных металлургических производствах.

Оптические свойства

Для элек­тро­маг­нит­ных волн оп­тич. диа­па­зо­на M., как пра­ви­ло, не­про­зрач­ны. Ха­рак­тер­ный блеск – след­ст­вие прак­ти­че­ски пол­но­го от­ра­же­ния све­та по­верх­но­стью M. При взаи­мо­дей­ст­вии све­та с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти M. важ­ную роль иг­ра­ет внутр. фо­то­эф­фект, т. е. вы­ну­ж­ден­ные (за счёт по­гло­ще­ния фо­то­нов) пе­ре­хо­ды элек­тро­нов из од­ной энер­ге­тич. зо­ны в дру­гую. Как пра­ви­ло, имен­но внутр. фо­то­эф­фект оп­ре­де­ля­ет ко­эф. по­гло­ще­ния из­лу­че­ния ви­ди­мо­го и УФ-диа­па­зо­нов и из­ме­не­ние про­во­ди­мо­сти M. под воз­дей­ст­ви­ем све­та (см. Фо­то­про­во­ди­мость). Чем вы­ше частота излучения, тем мень­шую роль иг­ра­ют элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти во взаи­мо­дей­ст­вии излучения с M.: в УФ- и рент­ге­нов­ском диа­па­зо­нах оп­тич. свой­ст­ва M. ма­ло от­ли­ча­ют­ся от свойств ди­элек­три­ков.

От­ра­же­ние плос­ко­по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та от по­верх­но­сти M. со­про­во­ж­да­ет­ся по­во­ро­том плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции и по­яв­ле­ни­ем эл­лип­тич. по­ля­ри­за­ции. Это яв­ле­ние ис­поль­зу­ет­ся для тех­нич. це­лей и для оп­ре­де­ле­ния оп­тич. кон­стант M. См. так­же Ме­тал­ло­оп­ти­ка.

Механические свойства

Для М. ха­рак­тер­но со­че­та­ние вы­со­ких пла­стич­но­сти и вяз­ко­сти со зна­чи­тель­ны­ми проч­но­стью, твёр­до­стью и уп­ру­го­стью. Со­от­но­ше­ние этих свойств мож­но ре­гу­ли­ро­вать с по­мо­щью ме­ха­нич. и тер­мич. об­ра­бот­ки М., а в спла­вах – из­ме­не­ни­ем кон­цен­тра­ции ком­по­нен­тов. Уп­ру­гая де­фор­ма­ция М. и их спла­вов на­хо­дит­ся в пре­де­лах 0,01–1%, пла­сти­че­ская – мно­го боль­ше и при ком­нат­ной темп-ре мо­жет дос­ти­гать 10–100%.

Со­про­тив­ле­ние изо­троп­но­го по­ли­кри­стал­лич. M. воз­дей­ст­вию внеш­них ме­ха­нич. сил опи­сы­ва­ют в за­ви­си­мо­сти от ти­па де­фор­ма­ции (рас­тя­же­ние, сдвиг, объ­ём­ное сжа­тие) разл. мо­ду­ля­ми уп­ру­го­сти (мо­ду­ля­ми Юн­га $E$, сдви­га $G$ и объ­ёмно­го сжа­тия $K$ со­от­вет­ст­вен­но), ме­ж­ду ко­то­ры­ми су­ще­ст­ву­ет ли­ней­ная связь че­рез ко­эф. Пу­ас­со­на $ν$: $E=3K(1-2ν)$; $E=G[2(1+ν)]$. Для боль­шин­ст­ва М. $ν$ на­хо­дит­ся в пре­де­лах 0,22-0,46. Мо­ду­ли уп­ру­го­сти М. оп­ре­де­ля­ют­ся меж­атом­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми. В мо­но­кри­стал­ле мо­ду­ли уп­ру­го­сти за­ви­сят от на­прав­ле­ния, по­это­му они об­ра­зу­ют тен­зор. Ве­ли­чи­на мо­ду­ля сдви­га $G$ М. ле­жит в пре­де­лах от 0,39 ГПа ($\ce{Cs}$) до 224 ГПа ($\ce{Os}$), у же­ле­за $G=$ 84,1 ГПа. При уве­ли­че­нии темп-ры мо­ду­ли уп­ру­го­сти мо­но­тон­но убы­ва­ют; из­ме­не­ние мо­ду­ля уп­ру­го­сти в ин­тер­ва­ле от 0 К до темп-ры плав­ле­ния со­став­ля­ет ок. 50% от ис­ход­но­го зна­че­ния. В об­лас­ти уп­ру­го­го по­ве­де­ния в M. воз­мож­но про­яв­ле­ние внутр. тре­ния.

Пла­стич. де­фор­ма­ция M. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся от­но­сит. сдви­гом (сколь­же­ни­ем) па­рал­лель­ных атом­ных плос­ко­стей. Тео­ре­ти­че­ски со­про­тив­ле­ние M. пла­стич. де­фор­ма­ции и раз­ру­ше­нию со­став­ля­ет 10–1$G$ (од­но­вре­мен­ный раз­рыв всех свя­зей в плос­ко­сти сколь­же­ния). Экс­пе­ри­мен­таль­но пла­стич. де­фор­ма­ция и раз­ру­ше­ние на­блю­да­ют­ся при на­пря­же­ни­ях 10–4–10–2$G$. Это раз­ли­чие обу­слов­ле­но су­ще­ст­во­ва­ни­ем но­си­те­лей пла­стич. де­фор­ма­ции – дис­ло­ка­ций – ли­ний, вдоль ко­то­рых про­ис­хо­дит раз­рыв свя­зей. Дви­же­ние дис­ло­ка­ций вдоль оп­ре­де­лён­ных плос­ко­стей в кри­стал­ле обес­пе­чи­ва­ет сдвиг од­ной час­ти кри­стал­ла от­но­си­тель­но дру­гой. Проч­ность и пла­стич­ность M. обу­слов­ле­ны дви­же­ни­ем и взаи­мо­дей­стви­ем дис­ло­ка­ций ме­ж­ду со­бой и с др. де­фек­та­ми, при­ме­ся­ми и их ско­п­ле­ния­ми, гра­ни­ца­ми раз­де­ла фаз, вклю­че­ния­ми др. фаз.

Ме­ха­нич. ха­рак­те­ри­сти­ки M. мож­но из­ме­нять в ши­ро­ких пре­де­лах тер­мич. и ме­ха­нич. об­ра­бот­кой, а так­же вве­де­ни­ем при­ме­сей (ле­ги­ро­ва­ни­ем). Напр., пре­дел проч­но­сти $\ce{Fe}$ (тех­нич. чис­то­ты) 0,35 ГПа, то­гда как вы­со­ко­проч­ные ле­ги­ро­ван­ные ста­ли (спла­вы $\ce{Fe}$ с др. М. и с $\ce{C}$) име­ют пре­дел проч­но­сти от 1,5 до 4,5 ГПа.

Применение металлов

В тех­ни­ке в осн. при­ме­ня­ют спла­вы М. Так, напр., из-за ма­лой проч­но­сти чис­тые M. не­при­год­ны в ка­че­ст­ве ма­те­риа­лов для из­го­тов­ле­ния кон­ст­рук­ций, но мн. спла­вы M. об­ла­дают од­но­вре­мен­но вы­со­кой ме­ха­нич. проч­но­стью и вы­со­кой пла­стич­но­стью и на­хо­дят ши­ро­кое при­ме­не­ние в ка­че­ст­ве кон­ст­рук­ци­он­ных ма­те­риа­лов. M. с низ­ким уров­нем внутр. тре­ния, сла­бо рас­сеи­ваю­щие энер­гию ко­ле­ба­ний, ис­поль­зу­ют при из­го­тов­ле­нии аку­стич. ре­зо­на­то­ров муз. ин­ст­ру­мен­тов. М. и их спла­вы ис­поль­зу­ют: в элек­тро­тех­ни­ке как в ка­че­ст­ве про­вод­ни­ков элек­трич. то­ка (медь, алю­ми­ний), так и в ка­че­ст­ве ма­те­риа­лов для ре­зи­сто­ров и элек­тро­на­гре­ват. эле­мен­тов (ни­хром и т. п.); в ин­ст­ру­мен­таль­ной тех­ни­ке для из­го­тов­ле­ния ра­бо­чей час­ти ин­ст­ру­мен­тов (в осн. это ин­ст­ру­мен­таль­ные ста­ли и твёр­дые спла­вы).

Сферы применения

Используется при изготовлении:

1. Термоэлектропреобразователей.
2. Высокоэффективных лазеров.
3. Пиротехники. С его помощью окрашивают пламя фейерверков в красный цвет.
4. Припоев.
5. Металлогалогеновых ламп, щелочных аккумуляторов.
6. Смазочных материалов.
7. Стекла, покрытий для фарфоровых изделий.

Основные сферы применения:

• ядерная энергетика;
• металлургия;
• медицина.

Перхлорат щелочного металла используется в качестве окислителя.

Аккумулятор