Метали. Найбільш пластичний метал? Які ковкі метали

Метали (від лат. Metallum - шахта, рудник) - група елементів, у вигляді простих речовин, що мають характерні металеві властивості, такі як високі тепло-і електропровідність, позитивний температурний коефіцієнт опору, висока пластичність і металевий блиск.

Зі 118 хімічних елементів, відкритих на даний момент (з них не всі офіційно визнані), до металів відносять:

• 6 елементів у групі лужних металів,
• 6 у групі лужноземельних металів,
• 38 у групі перехідних металів,
• 11 у групі легких металів,
• 7 у групі напівметалів,
• 14 у групі лантаноїди + лантан,
• 14 у групі актиноїди (фізичні властивості вивчені не у всіх елементів) + актиній,
• поза певними групами берилій та магній.

Таким чином, до металів можливо відноситься 96 елементів з усіх відкритих.

В астрофізиці термін «метал» може мати інше значення і позначати всі хімічні елементи важчі за гелій.

Характерні властивості металів

1. Металевий блиск (характерний як для металів: його мають і неметали йод і вуглець як графіту)
2. Хороша електропровідність
3. Можливість легкої механічної обробки
4. Висока щільність (зазвичай метали важчі від неметалів)
5. Висока температура плавлення (виключення: ртуть, галій та лужні метали)
6. Велика теплопровідність
7. У реакціях найчастіше є відновниками.

Фізичні властивості металів

Усі метали (крім ртуті і, умовно, франція) за нормальних умов перебувають у твердому стані, проте мають різну твердість. Нижче наводиться твердість деяких металів за Моосовою шкалою.

Температури плавленнячистих металів лежать у діапазоні від -39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавлення більшості металів (за винятком лужних) висока, проте деякі «нормальні» метали, наприклад, олово і свинець, можна розплавити на звичайній електричній або газовій плиті.

Залежно від щільності, метали ділять на легкі (щільність 0,53 ÷ 5 г/см³) та важкі (5 ÷ 22,5 г/см³). Найлегшим металом є літій (щільність 0.53 г/см3). Найважчий метал нині назвати неможливо, оскільки щільності осмію та іридію - двох найважчих металів - майже рівні (близько 22.6 г/см³ - рівно вдвічі вищі за щільність свинцю), а обчислити їх точну щільність вкрай складно: для цього потрібно повністю очистити метали, адже будь-які домішки знижують їхню щільність.

Більшість металів пластичні, тобто металевий дріт можна зігнути, і він не зламається. Це відбувається через усунення шарів атомів металів без розриву зв'язку між ними. Найбільш пластичними є золото, срібло та мідь. Зі золота можна виготовити фольгу товщиною 0.003 мм, яку використовують для золочення виробів. Однак не всі метали є пластичними. Дріт із цинку або олова хрумтить при згинанні; марганець та вісмут при деформації взагалі майже не згинаються, а одразу ламаються. Пластичність залежить і від чистоти металу; так, дуже чистий хром дуже пластичний, але, забруднений навіть незначними домішками, стає крихким і твердішим. Деякі метали, такі як золото, срібло, свинець, алюміній, осмій можуть зростатися між собою, але на це може піти десятки років.

Усі метали добре проводять електричний струм;це зумовлено наявністю в їх кристалічних ґратах рухомих електронів, що переміщуються під дією електричного поля. Срібло, мідь та алюміній мають найбільшу електропровідність; з цієї причини останні два метали найчастіше використовують як матеріал для проводів. Дуже високу електропровідність має натрій, в експериментальній апаратурі відомі спроби застосування натрієвих струмопроводів у формі тонкостінних труб з нержавіючої сталі, заповнених натрієм. Завдяки малій питомій вазі натрію, при рівному опорі натрієві «проводи» виходять значно легшими за мідні і навіть дещо легші за алюмінієві.

Висока теплопровідність металів залежить також від рухливості вільних електронів. Тому ряд теплопровідностей схожий на ряд електропровідностей і найкращим провідником тепла, як і електрики, є срібло. Натрій також знаходить застосування як добрий провідник тепла; широко відомо, наприклад, застосування натрію в клапанах автомобільних двигунів для поліпшення їхнього охолодження.

Коліру більшості металів приблизно однаковий - світло-сірий з блакитним відтінком. Золото, мідь та цезій відповідно жовтого, червоного та світло-жовтого кольору.

Хімічні властивості металів

На зовнішньому електронному рівні у більшості металів невелика кількість електронів (1-3), тому вони здебільшого реакцій виступають як відновники (тобто «віддають» свої електрони)

Реакції із простими речовинами

• З киснем реагують усі метали, окрім золота, платини. Реакція зі сріблом відбувається при високих температурах, але оксид срібла(II) практично не утворюється, оскільки він термічно нестійкий. Залежно від металу на виході можуть бути оксиди, пероксиди, надпероксиди:

оксид літію

пероксид натрію

надпероксид калію

Щоб одержати з оксид пероксиду, пероксид відновлюють металом:

З середніми та малоактивними металами реакція відбувається при нагріванні:

• З азотом реагують лише найактивніші метали, при кімнатній температурі взаємодіє лише літій, утворюючи нітриди:

При нагріванні:

• З сіркою реагують усі метали, крім золота та платини:

Залізо взаємодіє з сіркою при нагріванні, утворюючи сульфід:

• З воднем реагують лише найактивніші метали, тобто метали IA та IIA груп крім Be. Реакції здійснюються при нагріванні, утворюються при цьому гідриди. У реакціях метал виступає як відновник, ступінь окислення водню −1:

• З вуглецем реагують лише найактивніші метали. При цьому утворюються ацетиленіди або метаніди. Ацетиленіди при взаємодії з водою дають ацетилен, метаніди – метан.

Пластичність – властивість металу пластично деформуватися, не руйнуючись під впливом зовнішніх сил. Це одна з важливих механічних властивостей металу, яка у поєднанні з високою міцністю робить його основним конструкційним матеріалом. Для визначення пластичності зразки та обладнання не потрібні. Показники (характеристики) пластичності – відносні подовження (дельта) та звуження
(Ксі).

Відносним подовженням називається відношення абсолютного подовження, тобто збільшення розрахункової довжини зразка після розриву
до його первісної розрахункової довжини , мм, виражене у відсотках:

%, (2)

де - Довжина зразка після розриву, мм.

Відносним звуженням
називається відношення абсолютного звуження, тобто зменшення площі поперечного перерізу зразка після розриву
до початкової площі його поперечного перерізу мм 2, виражене у відсотках:

%, (3)

де - Площа поперечного перерізу зразка після розриву, мм2.

Твердість металів

Твердість – властивість металу чинити опір впровадженню до нього іншого твердішого тіла. Для визначення твердості не потрібне виготовлення спеціальних зразків, випробування проводяться без руйнування металу.

Твердість металу визначають прямими та непрямими методами: вдавлюванням, дряпанням, пружною віддачею, магнітним.

При прямих методах метал вдавлюють твердий наконечник (індентор) різної форми (кулька, конус, піраміда) із загартованої сталі, алмазу або твердого сплаву. Після зняття навантаження на індентор у металі залишається відбиток, який характеризує твердість.

Метод Брінелля. У плоску поверхню металу вдавлюється сталева загартована кулька діаметра 10 мм (рисунок 2). Після зняття навантаження у металі залишається відбиток (лунка). Діаметр відбитка вимірюють спеціальним мікроскопом з точністю 0,05 мм. Насправді користуються спеціальної таблицею, у якій діаметру відбитка d відповідає кілька твердості НВ.

Діаметр кульки Dта навантаження Pвстановлюють залежно від твердості та товщини випробуваного металу. Наприклад, для сталі та чавуну навантаження Р= 3000 кг; D= 10 мм. Твердість технічно чистого заліза по Брінеллю дорівнює 80 - 90 одиниць.

а – за Брінеллем; б – за Роквеллом

Малюнок 2 - Схема випробування твердості

Метод Брінелля не рекомендується застосовувати для металів з твердістю більше НВ 450, так як кулька може деформуватися і в результаті вийде спотворений результат. Цей метод використовується в основному для вимірювання твердості заготовок та напівфабрикатів із неукріпленого металу.

Метод Роквелла. Твердість визначають за глибиною відбитка. Індентором служить сталева загартована кулька діаметру 1,58 мм для м'яких металів або алмазний конус з кутом при вершині 120º для твердих і надтвердих (більше HRC 70) металів (рисунок 2, б).

Кулька та конус вдавлюються в метал під дією двох навантажень – попереднього та основного. Загальне навантаження дорівнює їх сумі. Попереднє навантаження приймається однаковим для всіх металів (10 кг). Перед початком випробування велика стрілка твердоміра виставляється на «0» шкали індикатора, а потім включається основне навантаження – велика стрілка переміщається за шкалою індикатора і показує значення твердості.

При вдавлюванні сталевої кульки навантаження становить 100 кг, відлік твердості проводиться за внутрішньою (червоною) шкалою індикатора, твердість позначають НRВ. При вдавлювання алмазного конуса твердість визначається за показанням стрілки за зовнішньою (чорною) шкалою індикатора. Для твердих металів основне навантаження складає 150 кг. Це основний метод виміру твердості загартованих сталей. Позначення твердості - НRC.

Для дуже твердих, а також тонких матеріалів навантаження приймається рівним 60 кг. Позначення твердості - НRА.

Метод визначення твердості за Роквеллом дозволяє відчувати м'які та тверді метали, при цьому відбитки від кульки або конуса дуже малі, тому цим методом можна вимірювати твердість і готові деталі. Поверхня для випробування має бути шліфованою. Вимірювання виконуються швидко (протягом 30 - 60 с), не потрібно жодних обчислень, оскільки значення твердості знімається за шкалою індикатора твердоміра.

Метод Віккерса. У випробувану поверхню (шліфовану або поліровану) вдавлюється чотиригранна алмазна піраміда під навантаженням 5, 10, 20, 30, 50 або 100 кг. У металі залишається квадратний відбиток. Спеціальним мікроскопом твердоміра вимірюють діагональ відбитка (рисунок 3).

Знаючи навантаження на піраміду та діагональ відбитка, по таблицях визначають твердість металу НV.

Метод універсальний. Його можна використовувати для визначення твердості деталей малої товщини і тонких поверхневих шарів великої твердості (після азотування, нітроциментації і т. п.).

Перед тим, як з'ясувати, якому елементу з періодичної таблиці Менделєєва присвоєно звання «найпластичніший метал», потрібно чітко розуміти, що таке пластичність. Це одна з фізичних властивостей, пов'язаних із будовою металу.

Пластичність - це здатність набувати нової форми, при цьому не викликаючи розрив іонних зв'язків. На практиці результатом пластичності є гарна ковкість, завдяки чому метали можуть використовуватися в промисловості, медицині, електротехніці та господарстві. Зі 126 елементів періодичної таблиці, золото визнано пластичним металом. Завдяки сучасним технологіям його можна витягнути в найтоншу нитку, яка не буде помітна людському оку.

Властивості металу

Чому фахівці з виготовлення та ремонту прикрас ставлять золото на перше місце? Насамперед, це пов'язано з чудовою пластичністю: з 1 грама металу можна витягнути дріт завдовжки до 3-х кілометрів, зливки золота проковуються в листи, товщина яких вимірюється в десятитисячних частках міліметра. Цим золотом вкриті бані храмів, називають його сусальним. На вигляд воно досить цікаве: на просвіт дає синьо-зелений відтінок.

Чисте золото може розчинитись у «царській горілці». Так називають суміш із двох концентрованих кислот: азотної та соляної. Найбільший пластичний метал у таблиці знаходиться під номером 79, температура плавлення – 1064 °С, щільність становить 19,32 г/см3. По теплопровідності та електричному опору золото поступається тільки сріблу та міді.

Золото у чистому вигляді занадто м'яке, тому ювелірні прикраси роблять, як правило, із сплавів. Найчастіше до золота додають срібло чи мідь. Чи замислювалися раніше, що означає «проба» на прикрасах? Це вміст золота у чистому вигляді у тисячних частках. 999 проба вважається чистим золотом.

Застосування

Здавна золото використовувалося як об'єкт інвестування, крім того, активне застосування воно знайшло і в ювелірній промисловості.

У багатьох країнах золоті монети використовувалися як гроші. Незважаючи на це як світова валюта його визнали лише в 19 столітті. У 1922 року у Росії у обороті з'явилися банківські квитки із золотим змістом, отримали назви «червонцев». Один банківський квиток прирівнювався до 10 золотих рублів старого карбування.

Золото – найпоширеніший матеріал, який використовується для виготовлення ювелірних прикрас. Чим вище проба золота, тим кращою стійкістю до корозії матиме матеріал, міцність і різні відтінки кольорів надають виробу срібла та міді.

Пластичність - це міра здатності металу витримувати напругу, що розтягує - будь-яку силу, яка витягує два кінці матеріалу один від одного. Гра перетягування каната служить гарним прикладом міцності на розтяг, що застосовується до мотузки. Пластичність - пластична деформація, що виникає внаслідок таких деформацій. Термін «пластичний» буквально означає, що металева речовина здатна розтягуватися в тонкий дріт і вона не стає слабкішою або не стає крихкою в процесі.

Метали з високою чи низькою пластичністю

Метали з високою пластичністю, такі як мідь, можуть бути втягнуті у довгі тонкі дроти без руйнування. Мідь історично служила чудовим провідником електрики, але цей метал може вести практично все. Метали з низькою пластичністю, такі як вісмут, натомість розриваються, коли вони піддаються розтягуючій напрузі.

Міцність та здатність до згинання

На відміну від цього, ковкість - це міра здатності металу витримувати стиснення, таке як удар, прокат або пресування. Хоча ці два поняття можуть здатися схожими на поверхні, метали, які є пластичними, не обов'язково податливі. Загальним прикладом відмінностей між цими двома властивостями є свинець, який має високу податливість, але не дуже пластичний через його кристалічну структуру. Кристалічна структура металів диктує, як вони деформуватимуться під стресом.

Атомні частинки, які матують метали можуть деформуватися під напругою, або ковзають один над одним, або розтягуються один від одного.

Кристалічна структура пластичних металів дозволяє атомам металу розтягуватися далі, процес, званий «двійникуванням». Більш пластичні метали - це ті, які легше близькі, і вони також легше деформуються в інших напрямках.

Вплив температури

Пластичність у металах також пов'язана з температурою.

Коли метали нагріваються, вони зазвичай стають менш крихкими, що призводить до пластичної деформації. Іншими словами, більшість металів стають пластичнішими, коли їх нагрівають, і їх легше втягувати у дроти без руйнування. Свідоцтво є винятком із цього правила, оскільки воно стає крихкішим, оскільки воно нагрівається.

Які ковкі метали?

Поки важко порівнювати пластичність між металами, золото і платина вважаються пластичними. Кажуть, що золото можна втягнути у дроти так чудово, що одна унція металу може досягати до п'ятдесяти миль.

найпластичніший метал?

1. Індій
2. алюміній
3. Лужні метали пластичні.
4. Натрій. Можна ножем відрізати і у фольгу пляшкою розкотити.
5. Той, з якого головний обтічник ракет роблять.
6. Золото.
   А також бобіт і свинець (після золота). Золото занесено до книги рекордів Гіннеса як один із найпластичніших металів.
7. Золото з 1г речовини можна зробити проволоку завдовжки 2,4 км.
8. НД залежить від температури.
   Ртуть, хоча вона у звичайних умовах
   рідка, важко назвати пластичною через надзвичайно високий
   коефіцієнта поверхневого натягу)) але це ближче до жарту.
   Пластичним матеріалом є не той, який не пружинить, а той,
   який не піддається розривам, має безповоротну плинність. Тому золото, яке можна розкачати до сусального прозорого листа, є одним із самих пластичних, причому його хімічна нейтральність дозволяє йому довго залишатися неушкодженим.
   Пластичність золота також проявляється і в тому, що воно може дифундувати у твердому вигляді поряд зі свинцем. Дві пластини покладені одна на одну під тиском на довгий час, проникають одна в іншу та зростаються.