Классификация металлов.Металлическая связь

характерные признаки:
металлы тяжелее воды

Ga
Cs
Hg
Большинство - твердые вещества при комнатной температуре, но есть и жидкие:

Большинство имеют металлический блеск, серые или белые
Cs кристаллы
Cu самородок
Au самородок

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
1. Черные и цветные
2. Тяжелые (ƍ≥5 г\см3) и легкие (ƍ≤5г\см3)
3. Драгоценные
4. Платиновые
5. Редкоземельные
Благородные
металлы
Y, Sc, La и лантаноиды

Черные
Получено электро-лизом, чистота 99,97%
Fe

Цветные
Ag
Bi
Rb
Sn
Ti

Тяжелые
Fe
Hg
Pb
Bi

Тяжелые
Co
Sb
Ni
99,99%
Медленный электролиз

Легкие
Li, K, Na, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sn
Al
Ca
Rb
Mg
«осч»

ДРАГОЦЕННЫЕ
Ag
Au

Платиновые металлы
Os
Rh
Pt

Редкоземельные
La

Eu
Y
Sc

Металлы: s-, d-, f- элементы, а также небольшое количество p- элементов – Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi.
Металлическая связь
ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Li 2s1
Al 3s23p1
Fe 4s23d6
Pb 6s26p2
Число ē мало, число АО с низкой энергией
велико

В кристаллах металлов АО перекрывают-ся
Единая 3-мерная АО, в пределах которой движутся вален-тные ē

КЧ = 8÷12
Металлическая связь ненаправленная, поэтому большие значения координационных чисел
объемно-центрирован-ная
кубические:
гране-центрирован-ная
гексагональная плотная упаковка
КЧ=8
КЧ=12
КЧ=12

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Общие:
1. Малая электроотрицательность (ЭО).
2. Ме в реакциях образуют только катионы:
Me0 ─ nē → Men+
Металлы – s-элементы:
СО = +1 и +2
Образуют основные оксиды и гидроксиды
Li2O, LiOH, K2O, KOH, CaO, Ca(OH)2, SrO, Sr(OH)2

Металлы p- и d-элементы:
Низшая СО +1, +2
Основные оксиды и гидроксиды
Промежуточ-ная СО +3, +4
Высшая СО +4, +5, +6, +7, +8
Амфотер-ные
Кислотные оксиды и гидроксиды
PbO, Pb(OH)2, CuO, Cu(OH)2, CrO, Cr(OH)2, MnO, Mn(OH)2
Al2O3, Al(OH)3, Cr2O3, Cr(OH)3, Mn2O3, Mn(OH)3, MnO2, Mn(OH)4
OsO4, Mn2O7, HMnO4, H2MnO4, MnO3, Mn2O5, HMnO3, CrO3, H2CrO4

ОВР с неметаллами

Отношение металлов к воде и водным растворам окислителей
В водных растворах восстановительная активность металлов характеризуется значением стандартного окислительно-восстановительного потенциала φ0
Me0 → Me+n + nē
Вос-ль
Ок-ль
Чем меньше φ0, тем сильнее восстановительные свойства Ме0 и слабее окислительные
φ0 (Mg) = ─2,36B, φ0 (Pt) = 1,19В
Mg легче окисляется, чем Pt

взаимодействие с водой -
это ОВР, где окислитель Н+
φ(2Н+/Н2) = - 0,059•рН = 0,059•7 = -0,413В
2Н2О + 2ē = 2ОН─ + Н2
─0,413<0
Легче идет реакция 2ОН─ +Н2 ─ 2ē = 2Н2О

Ме0 + ОН– → МеО2– + Н2
Ме0 + Н2О + ОН– → [Ме(ОН)4]– + Н2
Взаимодействие со щелочами:
Реагируют только металлы, образующие амфотерные оксиды:
Be + 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Sn + 2NaOH = Na2SnO2 + H2
Ок-ль Н+: 2Н2О + 2ē = 2ОН─ + Н2
При рН=14 φ(2Н2О/Н2) = -0,059•14 = -0,83 В
φ0(Be) = -1,85B, φ0(Al) = -1,62B, φ0(Sn) = -0,14B
сплавление

Наиболее типичная реакция:
Ме0 + 2Н+ → Ме2+ + Н2 окислитель – Н+
Взаимодействие с кислотами
зависит от активности металла (φ0) и окислительных свойств кислоты
Me + H2SO4(к), Me + HNO3
Окислители – S+6, N+5

Оксидные: Fe2O3 - гематит, Fe2O3•H2O – гетит, Al2O3 – боксит, TiO2 – рутил, SnO2 – касситерит;
Карбонатные: CaCO3 - мрамор, мел, известняк; MgCO3 - магнезит, CuCO3•Cu(OH)2 – малахит;
Сульфидные: FeS2 – железный колчедан (пирит), Cu2S•FeS2 – медный колчедан (халькопирит), PbS – свинцовый блеск, ZnS – цинковая обманка
Силикатные и алюмосиликатные: полевой шпат K2O•Al2O3•6SiO2, каолинит Al2O3•2SiO2•2H2O, берилл 3BeO•Al2O3•6SiO2;
Галидные: NaCl - каменная или поваренная соль, KCl - сильвин, KCl•MgCl2•6H2O – карналлит.
Руды – природные соединения металлов

гематит Fe2O3
боксит Al2O3
касситерит SnO2

пирит FeS2
халькопирит
Cu2S•FeS2

Общие методы получения:
Вытеснение металла более активным металлом.
Восстановление металлов неметаллами - газообразными СО и Н2 или твердым углеродом С.
Электрометаллургия - электролиз либо водных растворов либо расплавов.

3V2O5 (к) + 10Al(к) →5Al2O3(к) + 6V(к)
TiCl4 (к) + 4Na (к) → Ti (к) + 4NaCl (к)
Вытеснение металлами:
гидрометаллургия
металлотермия
водный р-р
2[Au(CN)2]– + Zn → [Zn(CN)4]2– + 2Au
при нагревании
700-900оС

Восстановление неметаллами -
пирометаллургия -только при высоких температурах
MgO + C = CO + Mg
Sb2O4 + 4C = 2Sb + 4CO
SnO2 + 2C = Sn + 2CO
PbO + CO = Pb + CO2
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
MoO3 + 3H2 = Mo + 3H2O
2000oC
280-700oC
950oC

электролиз водных растворов или расплавов:
NaCl → Na+ + Cl─
катод─: анод+:
Na+ + ē = Na 2Cl─ - 2ē = Cl2
ZnSO4 → Zn 2+ + SO4 2─
катод─: анод+:
Zn+2 + 2ē =Zn
2H2O - 4ē = 4H+ + 2O2
расплав
раствор

макрогомогенная система, обладающая металлическими свойствами и состоящая из двух или более химических элементов.
Сплав -
Компоненты:
Не взаимодействуют
Взаимодействуют
расслоение
Al и Pd
Al и Cd
Zn и Pb
слабо
С
И
Л
Ь
Н
О
Гетерогенная система- смесь компонентов
Гомогенная система- твердый р-р

однородное (гомогенное) кристал-лическое вещество переменного состава, в кристаллическую решетку которого входят атомы или ионы нескольких компонентов.
Твердые растворы
Непрерывные:
с постепенно меняющейся концентрацией компонентов от 0 до 100%
существует предел растворимости одного металла в другом.
Ограниченные:

типы твердых растворов
растворы замещения
растворы внедрения
упорядоченные
растворы
Cu - Ni
Fe - C
Fe - H
Cu – Au
Fe – Si, Ni - Mn
Fe - Cr
Fe – Al

Очень сильное взаимодействие между атомами металлов
Интерметаллические соединения (интерметаллиды)-
Соединения металлов между собой и с неметаллами (Н, В, С, N и др.); связь металлическая.
ScMn2, Sc3Fe, ScFe3, TiCr3, CrMn3, Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, Mg3P2, Mg3As2, Ag3Sn

Манганин – сплав 11% Mn, 2,5-3,5% Ni и 86% Cu;
Примеры сплавов:
Чугун – сплав Fe с С, содержание С > 2% масс.;
Зеркальный чугун
Сталь – сплав Fe с С, содержание С менее 2% масс.;
Марганцовистая сталь – сталь, содержащая марганец не менее 1%;
Нейзильбер, фехраль.
Бронза – сплавы на основе Cu (Sn, Al, Be, As, Pb, Cr);

сплав Fe с С (3,5-5,5%) и Mn (5-20%);
На изломе – зеркальный блеск
используется в произ-водстве стали для раскисления и наугле-роживания:
Mn + S = MnS
2Mn + O2 = 2MnO

Обычная углеродистая
нержавеющая
Кровля, до 25 лет

литье
Сталь 35Г
Повышенная твердость и износостойкость
щеки дробилок
башня танка

высокое электрическое сопротивление,
самые «тихие» сплавы: 70% Mn и 30% Cu
демпфирование - поглощение энергии механических колебаний - при ударе по сплаву звук не звучит громко.

Бронза:
оловянная – Cu-Sn
алюминиевая – Cu-Al
бериллиевая – Cu-Be
и т.п.
Самая древняя !

Нейзильбер: Cu(50-
60%) –Ni(20-25%) –Zn(18-22%)
Фехраль: Al-Cr (15-30%)-Fe
(70% и более)

двухфазная система, в которой фазы различаются степенью порядка в атомной структуре (расположение атомов).
Суперсплав -
Система Ni – Al, решетка кубическая
Ni
Al
γ ′ - фаза
γ - фаза
Ni3Al
Определен-ный порядок расположе-ния
хаотичное расположение

Поверхность супер-сплава под микроскопом:
упорядоченная γ ′-фаза
хаотичная γ - фаза
Прочность никелевых суперсплавов обусловлена трудностью перемещения одиночной дислокации через упорядоченные кубики γ́ -фазы.
В неупорядоченной γ-фазе дислокация перемещается относительно легко.
увеличение 140

скалывающая сила
дислокация
stop
Нарушение порядка требует дополнительной энергии!!!
Неупорядоченный кристалл
Упорядоченный кристалл

Сверхпластичность
зерна < 5 мкм, под нагрузкой скользят (текут) друг по другу без разрушения: относительное растя-жение Δl/l0=10, то есть длина образца увели-чивается на 1000% от первоначальной.
Чем мельче зерно, тем выше скорость деформации. Причина - деформация металлических связей в контактах зерен, то есть большое количество поверхностных дефектов.
сплав Al-Mg-Li после испытаний на сверхпластичность
1900%
Сверхбыстрое охлаждение

Чем больше S поверхности частиц (наноразмеры), тем больше поверхностная G
Сплав не устойчив! При ↑ Т зерна укрупняются!
Сверхпластическое формование детали
нагрев
быстрое охлаждение
твердая прочная деталь
конец 1990-х, американская компания Superform: в режиме сверхпластической формовки из листа обычного алюминиевого сплава можно изготовить кузов «Феррари» за одну операцию втечение 16 часов.

аморфные металлы
Сверхбыстрое охлаждение
Только ближний порядок в структуре

1976г. - лента аморфного магнитного сплава Ni-Fe-P-B
1960г. -первый аморфный сплав Au75Si25
свойства:
нет кристаллической решетки
нет дефектов
нет напряжений
Высокая прочность
нет кристаллитов (зерен)
нет границ между ними
высокая химическая однородность
Высокая коррозионная стойкость
НО! Материал пока получается довольно дорогой!

тарелки с нагревательным контуром из тонких металлических лент: подогрев пищи прямо в тарелке. Металл для нагреватель-ного элемента - Au и аморфный металл.
Корейский ресурс Korea IT News пустил слух о применении аморфоного метала фирмы Liquidmetal в новых iPhone 6го поколения. Впервые аморфный металл применялся в иголках для слота SIM в ограниченных партиях iPhone 3GS и iPad. Новый iPhone будет представлен в июне на WWDC 2012.