ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Лариса Ивановна Мартыненко, Виктор Иванович Спицын ИЗБРАННЫЕ ГЛАВЫ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Выпуск из "Избранные главы неорганической химии. В.2" Из 92 элементов периодической системы (от водорода до урана) к металлам относят 67. Остальные — неметаллы или элементы с промежуточными свойствами (германий, мышьяк и др.). Таким образом, элементов-металлов подавляющее большинство. [c.250] Бронзовый век начался 6 тыс. лет тому назад и его протяженность во времени составляет 3 тыс. лет. Бронзовый век характерен тем, что оружие, домашняя утварь, предметы искусства изготовлялись из металла, главным образом пз бронзы. Выбор бронзы определялся условиями выплавления этого сплава пз руды так как сплавы на основе меди п олова, как правило, нпзкоплавки, они могут быть получены прокаливанием соответствующих руд с углем при температуре горения дерева. Еслп в кострах древних людей случайно среди камней попадались минералы меди, олова, цинка и др., под действием раскаленного угля происходило восстановление руды до металла. При этом образовывалась быстро застывающая при охлажденпи капля. Разогретый металл легко ковался, пз него можно было приготовить изделия различной формы и назначения. [c.251] Летопись гласит, что воины легендарной Трои были вооружены бронзовым оружием и только их предводитель Агамемнон имел булатный (т. е. стальной) меч. Появление булатного оружия было предвозвестником железного века. Начавшись 3 тыс. лет тому назад, железный век, для которого характерно изготовление и применение изделий из железа, продолл ается, по существу, н в наши дни железо и его сплавы являются фундаментом тяжелой промышленности. [c.251] Начавшаяся примерно 100 лет тому назад научно-техническая революция (НТР), затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металла. Прежде всего она определялась появлением новых металлических материалов, содержащих редкие металлы (вольфрам, молибден, титан и др.). Создание на их основе коррозионностойких, сверхтвердых, тугоплавких сплавов резко расширило возможности машиностроения. Приведем несколько примеров нз истории техники того времени. [c.251] На заре НТР американский инженер Тейлор предложил использовать для изготовления резцов токарных станков, новую марку стали — в ее состав входил молибден. Резцы из этой стали могли снимать стружку с обрабатываемой детали на такой высокой скорости, что раскалялись от трения докрасна. Однако сталь при этом не теряла твердости и режущей способности. Это была первая из так называемых самозакаливающихся быстрорежущих сталей. Использование таких сталей резко повысило производительность труда в металлообрабатывающей промышленности, удешевило изделия. [c.251] В то время США испытывали большие трудности с ремонтом рельсов иа железных дорогах. Коррозия приводила к быстрому износу рельсов, было принято решение об организации второй мастерской по их ремонту. Но вскоре это решение было отменено, рельсы стали изготовлять из молибденсодержащпх сталей, их износоустойчивость резко возросла, имеющиеся мастерские стали вполне справляться с ремонтом рельсов. [c.251] И в других областях науки и техники применение сплавов редких металлов сделало реальным то, что еще незадолго до этого казалось фантастикой. Один нз самых ярких примеров — использование вольфрамовых нитей в лампочках накаливания. Изготовлявшиеся до того времени графитовые нити накаливания быстро перегорали. Только применение редкого элемента — вольфрама — сделало электрические лампочки (Лодыгин, Столетов, Эдисон) самым обычным и необходимым предметом в быту и в технике. [c.251] Развитие техники в век НТР идет как бы по цепной реакции быстро развивающиеся области науки и промышленности взаимно обогащают друг друга, еще невозможное вчера становится явью сегодня. Это относится и к космической технике, и к ядерной индустрии, к радиоэлектронике и многим другим областям науки и техники. Но в основе прогресса все же лежит химия и металлургия (тоже одна из областей химии), расширяющие наши возможности благодаря использованию редких элементов, особенно редких металлов и их соединений. [c.252] Элементы-металлы входят в состав всех групп периодической системы, кроме нулевой. Химические и физические свойства простых веществ, образованных элементами-металлами, — собственно металлов — имеют ряд особенностей. Металлический блеск, высокая тепло- и электропроводность определяются особенностями электронной структуры атомов металлов. Интересно, что электропроводность различных металлов сильно различается. Это можно легко показать, включив в электрическую цепь с гальванометром поочередно медную, железную и, например, нихромовую проволоку (сплав никеля и хрома). Проволока из меди обладает столь высокой электропроводностью, что гальванометр зашкаливает . Включение в тех же условиях в цепь проволоки из железа дает лишь слабое отклонение стрелки гальванометра. В случае нихромовой проволоки отклонение стрелки гальванометра незаметно — так велико электрическое сопротивление сплава нихром (на этом основано его использование в электронагревательных приборах). [c.252] Электропроводность металлов, так же как их блеск, теплопроводность, объясняется присутствием в них блуждающих электронов. Если к металлу приложить напряжение, электроны начинают направленно двигаться — возникает электрический ток. С наличием свободных электронов связан и металлический блеск металлов — происходит рассеяние света электронами. Ковкость металлов также сопряжена с наличием свободных электронов, играющих роль своеобразной смазки — слои металла при ковке как бы скользят по отношению друг к другу. [c.252] Все перечисленные свойства, а также склонность элементов-металлов в сложных соединениях проявлять катионную функцию определяются малым числом электронов иа наружных оболочках изолированных атомов. Так как мало заполненные электронные оболочки неустойчивы, атомы элементов-металлов, образуя соединения, стремятся либо делокализовать свои валентные электроны (металлическое состояние), либо передают их на орбитали более электроотрицательных элементов, переходя ири этом в катионное состояние. [c.252] Нельзя не отметить, однако, относительность признаков, используемых при определении принадлежности элемента к металлам или неметаллам. Так, металлическим блеском обладают, как известно, некоторые неметаллы (йод, графит, монокристаллический кремний и др.). Графит электропроводен. В ряде случаев элементы-металлы в своих сложных соединениях выполняют катионную функцию (например, ионы Н+, ЫН4+, О2+ и др.), а элементы-неметаллы — анионную функцию (например, Мо04 , многочисленные ацидокомплексы типа [Ее ( 204)3] и т. д.). [c.252] Решение задачи было достигнуто в 1926 г., когда Ферми и Дирак предложили зонную теорию (см., например, [1]). Согласно этой теории, в соответствии с принципом Паули весь электронный газ не может быть на одинаково низком энергетическом уровне. Образуются зоны с несколько различающимися энергетическими состояниями электронов. Удельная теплоемкость электронов равна нулю, и только 2 электрона на самом верхнем уровне вносят в нее вклад. Поэтому теплоемкость металла определяется в основном тепловыми колебаниями атомов, а не свободными электронами. [c.253] Согласно зонной теории в случае металлов из-за малого количества электронов на наружных орбиталях зона проводимости и валентная зона накладываются. Поскольку атомные орбитали (или зоны) не полностью заполнены электронами, они легко разрушаются для возбуждения электронов с переходом их в зону проводимости не нужны сколько-нибудь значительные энергетические затраты. Напротив, в случае полупроводников, и особенно изоляторов, АО и МО почти заполнены электронами или даже полностью завершены. Это делает такие орбитали очень прочными. Отрыв электронов с перемещением их в зону проводимости требует в таких случаях (это, как правило, соединения элементов-неметаллов) существенной затраты энергии. [c.253] Своеобразие химической связи в простых веществах-металлах, таким образом, состоит в отсутствии ковалентной составляющей, которая является главной компонентой связи в неметаллических простых веществах. С этой точки зрения кристаллическое строение металлов легче объяснить если учитывать главным образом ионное взаимодействие положительно зарял енных ионов, т. е. атомов, потерявших свои валентные электроны (они перешли в зону проводимости). [c.253] Действительно, кристаллическая структура металлов весьма сходна со структурой ионных соединений, построенных по принципу плотной упаковки, например, анионов в анионной нодрешетке. Как это характерно для ионных соединений (с ненаправленной и ненасыщаемой связью), координационное число атомов металла во всех наиболее часто встречающихся структурных типах является высокой величиной. Так, для гранецентрированной кубической плотнейшей упаковки характерно КЧ металла, равное 12. Это структура типа меди в ней кристаллизуется У Ре, р-Со, N1, Си, НЬ, Ag, Рс1, 1г, Pt, Ан, А1, РЬ, ТЬ. [c.253] В гексагональной плотнейшей упаковке (структура типа магния ) кристаллизуются Не, а-Т1, Mg, р-5г, большинство РЗЭ и др. КЧ атомов металла здесь также равно 12. Объемноцентрированная кубическая упаковка характерна для структуры типа а-Ре . Здесь КЧ атомов металла равно 14 (или 8). Структуру такого тииа имеют ГМа, К, РЬ, Сз, V, МЬ, Та, Сг, Мо, Ш и др. [c.253] Большое влияние на физические и химические свойства металлов оказывают размеры их атомов. Атомы с малым радиусом, как правило, образуют очень прочную кристаллическую структуру (радиус металлического атома железа, напрнмер, только 1,25 А), что приближает его к неметаллам и приводит к образованию структуры, напоминающей атомную. Напротив, металлы, образованные большими атомами, чаще всего химически п термически более активны. Примером могут служить цезий (2,74 А), барий (2,25 А) и лантан (1,88 А), имеющие максимальные размеры металлического рад11уса и относящиеся к числу самых активных. [c.254] Вернуться к основной статье