Металл

Эта статья о металлических материалах. Чтобы узнать о музыкальном жанре, см . Хэви-метал . Чтобы узнать о других значениях, см. Металл (значения) .

Железо , представленное здесь в виде фрагментов и размером 1 см. ³ куб — ​​пример химического элемента , являющегося металлом.

Металл в форме соусника, изготовленный из нержавеющей стали, сплава, состоящего в основном из железа, углерода и хрома.

Металл «рудник, карьер (от древнегреческого μέταλλον ( métallon ) , металл») — это материал , который в свежеприготовленном, полированном или сломанном виде имеет блестящий вид и проводит электричество и тепло относительно хорошо . Металлы обычно пластичны (их можно тянуть в проволоку) и ковкие (их можно заковывать в тонкие листы). Эти свойства являются результатом металлической связи между атомами или молекулами металла.

Металл может быть химическим элементом, например железом ; сплав , такой как нержавеющая сталь ; или молекулярное соединение, такое как полимерный нитрид серы .

В физике металлом обычно называют любое вещество, способное проводить электричество при температуре абсолютного нуля . Многие элементы и соединения, которые обычно не относят к металлам, под высоким давлением становятся металлическими. Например, неметаллический йод постепенно превращается в металл при давлении от 40 до 170 тысяч раз атмосферного давления . Точно так же некоторые материалы, считающиеся металлами, могут стать неметаллами. Натрий , например, становится неметаллом при давлении, чуть менее чем в два миллиона раз превышающем атмосферное давление, хотя ожидается, что при еще более высоких давлениях он снова станет металлом.

В химии два элемента, которые в противном случае можно было бы квалифицировать (в физике) как хрупкие металлы — мышьяк и сурьма — вместо этого обычно признаются металлоидами из-за их химического состава (преимущественно неметаллического для мышьяка и сбалансированного между металличностью и неметалличностью для сурьмы). Около 95 из 118 элементов периодической таблицы являются металлами (или, вероятно, таковыми). Это число неточно, поскольку границы между металлами, неметаллами и металлоидами слегка колеблются из-за отсутствия общепринятых определений соответствующих категорий.

В астрофизике термин «металл» используется в более широком смысле для обозначения всех химических элементов в звезде, которые тяжелее гелия , а не только традиционных металлов. В этом смысле первые четыре «металла», собирающиеся в ядрах звезд посредством нуклеосинтеза, — это углерод , азот , кислород и неон , которые в химии строго неметаллы. В течение своей жизни звезда превращает более легкие атомы, в основном водород и гелий, в более тяжелые атомы. В этом смысле металличность астрономического объекта — это доля его вещества, состоящего из более тяжелых химических элементов.

Металлы, как химические элементы, составляют 25% земной коры и присутствуют во многих аспектах современной жизни. Прочность и устойчивость некоторых металлов привели к их частому использованию, например, в высотном строительстве и строительстве мостов , а также в большинстве транспортных средств, многих бытовых приборах , инструментах, трубах и железнодорожных путях. Драгоценные металлы исторически использовались в качестве монет , но в современную эпоху металлы для чеканки распространились как минимум на 23 химических элемента.

Считается, что история рафинированных металлов началась с использования меди около 11 000 лет назад. Золото, серебро, железо (в виде метеоритного железа), свинец и латунь также использовались до первого известного появления бронзы в пятом тысячелетии до нашей эры. Последующие разработки включают производство ранних форм стали; открытие натрия — первого легкого металла — в 1809 году; появление современных легированных сталей ; а после окончания Второй мировой войны - разработка более сложных сплавов.

Характеристики

Форма и структура

галлия Кристаллы

Металлы блестящие и блестящие , по крайней мере, когда они только что приготовлены, отполированы или сломаны. Листы металла толщиной более нескольких микрометров кажутся непрозрачными, но сусальное золото пропускает зеленый свет.

Твердое или жидкое состояние металлов во многом обусловлено способностью атомов металла легко терять электроны своей внешней оболочки. В широком смысле силы, удерживающие на месте электроны внешней оболочки отдельного атома, слабее, чем силы притяжения тех же электронов, возникающие в результате взаимодействия между атомами твердого или жидкого металла. Участвующие электроны становятся делокализованными, и атомную структуру металла можно эффективно представить как совокупность атомов, заключенных в облако относительно мобильных электронов. Такой тип взаимодействия называется металлической связью . Прочность металлических связей для разных элементарных металлов достигает максимума вокруг центра ряда переходных металлов , поскольку эти элементы имеют большое количество делокализованных электронов.

Хотя большинство элементарных металлов имеют более высокую плотность, чем большинство неметаллов , существует широкий разброс их плотности, литий (0,534 г/см). наименьшую плотность имеет ³ ) и осмий (22,59 г/см ³ ) самый плотный. (Ожидается, что некоторые из 6d-переходных металлов будут более плотными, чем осмий, но прогнозы по их плотности сильно различаются в литературе, и в любом случае их известные изотопы слишком нестабильны, чтобы их массовое производство было возможным.) Магний, алюминий и титан легкие металлы, имеющие важное коммерческое значение. Их соответствующая плотность 1,7, 2,7 и 4,5 г/см. ³ можно сравнить с показателями более старых конструкционных металлов, таких как железо с плотностью 7,9 и медь с плотностью 8,9 г/см. ³ . Таким образом, железный шар будет весить примерно столько же, сколько три алюминиевых шара одинакового объема.

Металлический стержень с горячеобработанным ушком. При горячей обработке используется способность металла пластически деформироваться.

Металлы обычно пластичны и пластичны, деформируются под напряжением, не раскалываясь . Считается, что ненаправленный характер металлических связей вносит значительный вклад в пластичность большинства металлических твердых тел. Напротив, в ионном соединении, таком как поваренная соль, когда плоскости ионной связи скользят мимо друг друга, результирующее изменение местоположения смещает ионы с одинаковым зарядом ближе, что приводит к расколу кристалла. Подобный сдвиг не наблюдается в кристалле с ковалентной связью , например в алмазе, где происходит разрушение и фрагментация кристалла. Обратимая упругая деформация в металлах может быть описана Гука законом восстанавливающихся сил , где напряжение линейно пропорционально деформации .

металла, Тепло или силы, превышающие предел упругости могут вызвать постоянную (необратимую) деформацию, известную как пластическая деформация или пластичность . Приложенная сила может быть растягивающей (вытягивающей) силой, сжимающей (толкающей) силой или силой сдвига , изгиба или скручивания (скручивания). Изменение температуры может повлиять на перемещение или смещение структурных дефектов в металле, таких как границы зерен , точечные вакансии , линейные и винтовые дислокации , дефекты упаковки и двойники как в кристаллических , так и в некристаллических металлах. Это может привести к внутреннему скольжению , ползучести и усталости металла .

Атомы металлических веществ обычно располагаются в одной из трех распространенных кристаллических структур : объемноцентрированной кубической (ОЦК), гранецентрированной кубической (ГЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ). В ОЦК каждый атом расположен в центре куба из восьми других. В ГЦК и ГПУ каждый атом окружен двенадцатью другими, но укладка слоев различается. Некоторые металлы принимают разные структуры в зависимости от температуры.

• 
  Объемноцентрированная кубическая кристаллическая структура с двухатомной элементарной ячейкой, как, например, в хроме, железе и вольфраме.
• 
  Гранецентрированная кубическая кристаллическая структура с 4-атомной элементарной ячейкой, как, например, в алюминии, меди и золоте.
• 
  Шестиугольная плотноупакованная кристаллическая структура с элементарной ячейкой из 6 атомов, как, например, в титане, кобальте и цинке.

Элементарной ячейкой каждой кристаллической структуры является наименьшая группа атомов, обладающая общей симметрией кристалла и из которой путем повторения в трех измерениях может быть построена вся кристаллическая решетка. В случае показанной выше объемно-центрированной кубической кристаллической структуры элементарная ячейка состоит из центрального атома плюс по одной восьмой каждого из восьми угловых атомов.

Электрические и тепловые

Энергетические состояния, доступные электронам в различных твердых телах, находящихся в термодинамическом равновесии .

 

Здесь высота — это энергия, а ширина — это плотность доступных состояний для определенной энергии в указанном материале. Затенение соответствует распределению Ферми – Дирака ( черный = все состояния заполнены, белый = состояния не заполнены).

 

Уровень Ферми EF _. — это энергетический уровень, на котором электроны могут взаимодействовать с энергетическими уровнями, расположенными над ними В металлах и полуметаллах уровень Ферми EF _{лежит как минимум внутри одной} зоны энергетических состояний.

 

В изоляторах и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны ; однако в полупроводниках зоны расположены достаточно близко к уровню Ферми, чтобы их можно было термически заселить электронами или дырками .

Электронная структура металлов означает, что они являются относительно хорошими проводниками электричества . Электроны в веществе могут иметь только фиксированные, а не переменные энергетические уровни, а в металле энергетические уровни электронов в его электронном облаке, по крайней мере в некоторой степени, соответствуют энергетическим уровням, на которых может возникнуть электрическая проводимость. В полупроводнике, таком как кремний, или неметалле, таком как сера, существует энергетическая щель между электронами в веществе и энергетическим уровнем, на котором может возникнуть электрическая проводимость. Следовательно, полупроводники и неметаллы являются относительно плохими проводниками.

Элементарные металлы имеют значения электропроводности от 6,9 × 10. ³ См /см для марганца до 6,3×10. ⁵ С/см для серебра . Напротив, полупроводниковый металлоид, такой как бор, имеет электропроводность 1,5 × 10 ⁻⁶ С/см. За одним исключением, металлические элементы уменьшают свою электропроводность при нагревании. Плутоний увеличивает свою электропроводность при нагревании в диапазоне температур от -175 до +125 °С, когда его структура претерпевает изменения.

Металлы являются относительно хорошими проводниками тепла . Электроны в электронном облаке металла очень подвижны и легко способны передавать индуцированную теплом вибрационную энергию.

Вклад электронов металла в его теплоемкость и теплопроводность, а также электропроводность самого металла можно рассчитать на основе модели свободных электронов . Однако при этом не учитывается детальное строение ионной решетки металла. Учет положительного потенциала, обусловленного расположением ионных остовов, позволяет учитывать электронную зонную структуру и энергию связи металла. Применимы различные математические модели, самой простой из которых является модель почти свободных электронов .

Химическая

Металлы обычно склонны образовывать катионы за счет потери электронов. Большинство из них вступает в реакцию с кислородом воздуха с образованием оксидов в течение различных периодов времени ( калий сгорает за секунды, а железо ржавеет в течение многих лет). Некоторые другие, например палладий , платина и золото , вообще не вступают в реакцию с атмосферой; золото даже образует соединения, в которых оно приобретает электрон (ауриды, например аурид цезия ). Оксиды или металлов часто являются основными , в отличие от оксидов неметаллов , которые являются кислыми нейтральными. Исключение составляют в основном оксиды с очень высокими степенями окисления , такие как CrO ₃ , Mn ₂ O ₇ и OsO ₄ , имеющие строго кислые реакции; и оксиды менее электроположительных металлов, таких как BeO, Al ₂ O ₃ и PbO, которые могут проявлять как основные, так и кислотные свойства. Их называют амфотерными оксидами.

Покраска , анодирование или гальванопокрытие металлов являются хорошими способами предотвращения их коррозии . Однако для покрытия необходимо выбирать более активный металл электрохимического ряда , особенно когда ожидается скол покрытия. Вода и два металла образуют электрохимическую ячейку , и, если покрытие менее реакционноспособно, чем основной металл, оно фактически способствует коррозии.

Распределение таблицы Менделеева

Смотрите также: Таблица Менделеева

Элементы, образующие металлические структуры при обычных условиях, в таблице Менделеева ниже показаны желтым цветом. Остальные элементы либо образуют гигантские ковалентные структуры (голубой), молекулярные ковалентные структуры (темно-синий), либо остаются в виде отдельных атомов (фиолетовый). Астат (At), франций (Fr) и элементы, начиная с фермия (Fm), показаны серым цветом, поскольку они чрезвычайно радиоактивны и никогда не производились в больших количествах. Теоретические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что почти все эти неисследованные элементы должны быть металлами. хотя есть некоторые сомнения в отношении оганессона (Ог).

Ковалентная металлическая сеть Молекулярная ковалентная связь Одиночные атомы Неизвестно Цвет фона показывает связь простых веществ в периодической таблице . Если их несколько, считается наиболее стабильный аллотроп.

Ситуация меняется с давлением: при чрезвычайно высоких давлениях все элементы (да и все вещества) должны металлизироваться. Мышьяк (As) имеет как стабильный металлический аллотроп, так и метастабильный полупроводниковый аллотроп при стандартных условиях.

Элементы вблизи границы между металлами и неметаллами часто имеют промежуточное химическое поведение. Таким образом, для таких промежуточных элементов часто используется категория металлоидов, но в литературе нет единого мнения относительно того, какие элементы следует квалифицировать.

Сплавы

Основная статья: Сплав

Образцы баббита — сплава олова , сурьмы и меди , используемого в подшипниках для уменьшения трения.

Сплав – это вещество, обладающее металлическими свойствами и состоящее из двух или более элементов, по крайней мере один из которых является металлом. Сплав может иметь переменный или фиксированный состав. Например, золото и серебро образуют сплав, в котором пропорции золота и серебра можно свободно регулировать; титан и кремний образуют сплав TiSi ₂ , в котором соотношение двух компонентов фиксировано (также известное как интерметаллическое соединение ).

Скульптура, отлитая из нейзильбера — сплава меди, никеля и цинка, внешне напоминающего серебро.

Большинство чистых металлов слишком мягкие, хрупкие или химически активные для практического использования. Комбинирование металлов в различных соотношениях в виде сплавов изменяет свойства чистых металлов для получения желаемых характеристик. Цель создания сплавов обычно состоит в том, чтобы сделать их менее хрупкими, более твердыми, устойчивыми к коррозии или иметь более желательный цвет и блеск. Из всех используемых сегодня металлических сплавов сплавы железа ( сталь , нержавеющая сталь , чугун , инструментальная сталь , легированная сталь ) составляют наибольшую долю как по количеству, так и по коммерческой ценности. Железо, легированное различным содержанием углерода, дает низко-, средне- и высокоуглеродистые стали, при этом увеличение содержания углерода снижает пластичность и ударную вязкость. Добавление кремния дает чугуны, а добавление хрома , никеля и молибдена к углеродистым сталям (более 10%) приводит к получению нержавеющих сталей.

Другими важными металлическими сплавами являются сплавы алюминия , титана , меди и магния . Медные сплавы известны с доисторических времен ( бронза дала название бронзовому веку ) и сегодня находят множество применений, особенно в электропроводке. Сплавы трех других металлов разработаны относительно недавно; из-за их химической активности они нуждаются в процессах электролитической экстракции. Сплавы алюминия, титана и магния ценятся за высокое соотношение прочности и веса; магний также может обеспечивать электромагнитное экранирование . Эти материалы идеально подходят для ситуаций, когда высокое соотношение прочности к весу важнее стоимости материала, например, в аэрокосмической и некоторых автомобильных отраслях.

Сплавы, специально разработанные для применений с высокими требованиями, таких как реактивные двигатели , могут содержать более десяти элементов.

Категории

См. Также: Названия наборов химических элементов.

Металлы можно разделить на категории в зависимости от их физических и химических свойств. Категории, описанные в подразделах ниже, включают черные и цветные металлы; хрупкие металлы и тугоплавкие металлы ; белые металлы; тяжелые и легкие металлы; и цветные , благородные и драгоценные металлы. В таблице «Металлические элементы» в этом разделе элементарные металлы подразделяются на основе их химических свойств на щелочные и щелочноземельные металлы; переходные и постпереходные металлы; и лантаноиды и актиниды . Возможны и другие категории , в зависимости от критериев включения. Например, ферромагнитные металлы (те металлы, которые магнитны при комнатной температуре) — это железо, кобальт и никель.

Черные и цветные металлы

Основные статьи: Черная металлургия и Цветной металл.

Термин «железо» происходит от латинского слова, означающего «содержащий железо». Это может быть чистое железо, например кованое железо , или сплав, например сталь . Черные металлы часто обладают магнитными свойствами , но не только. Цветные металлы и сплавы лишены заметного количества железа.

Хрупкий металл

Хотя почти все металлы ковкие или пластичные, некоторые из них — бериллий, хром, марганец, галлий и висмут — хрупкие. Мышьяк и сурьма, если их признать металлами, хрупкие. Низкие значения отношения объемного модуля упругости к модулю сдвига ( критерий Пью ) свидетельствуют о внутренней хрупкости.

Тугоплавкий металл

Основная статья: Тугоплавкий металл

В материаловедении, металлургии и машиностроении тугоплавким металлом называют металл, обладающий исключительной устойчивостью к нагреву и износу. Какие металлы относятся к этой категории, различаются; наиболее распространенное определение включает ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений. Все они имеют температуру плавления выше 2000 °C и высокую твердость при комнатной температуре.

• 
  Кристаллы ниобия и 1 см ³ анодированный ниобиевый кубик для сравнения
• 
  Кристаллы молибдена и 1 см ³ молибденовый кубик для сравнения
• 
  Монокристалл тантала, несколько кристаллических фрагментов и кристалл размером 1 см. ³ танталовый кубик для сравнения
• 
  Вольфрамовые стержни с напыленными кристаллами, частично окисленные цветным потускнением, и диаметром 1 см. ³ вольфрамовый кубик для сравнения
• 
  Монокристалл рения, переплавленный слиток и 1 см ³ кубик рения для сравнения

Белый металл

Белый металл — это любой из металлов белого цвета (или их сплавов) с относительно низкими температурами плавления. К таким металлам относятся цинк, кадмий, олово, сурьма (здесь считается металлом), свинец и висмут, некоторые из которых весьма токсичны. В Великобритании в торговле изобразительным искусством в аукционных каталогах используется термин «белый металл» для описания иностранных серебряных изделий, на которых нет клеймов Британской пробирной палаты, но которые, тем не менее, считаются серебром и оцениваются соответствующим образом.

Тяжелые и легкие металлы

Основные статьи: Тяжелые металлы и Легкие металлы

Тяжелый металл — это любой относительно плотный металл или металлоид . Были предложены более конкретные определения, но ни одно из них не получило широкого признания. Некоторые тяжелые металлы имеют нишевое применение или особенно токсичны; некоторые необходимы в следовых количествах. Все остальные металлы — легкие металлы.

Цветные, благородные и драгоценные металлы

Основные статьи: Недрагоценный металл , благородный металл и драгоценный металл.

В химии термин « неблагородный металл» неофициально используется для обозначения металла, который легко окисляется или подвергается коррозии , например, легко реагирует с разбавленной соляной кислотой (HCl) с образованием хлорида металла и водорода . Примеры включают железо, никель , свинец и цинк. Медь считается недрагоценным металлом, так как относительно легко окисляется, хотя и не реагирует с HCl.

Родий , благородный металл , представлен здесь в виде порошка массой 1 г, прессованного цилиндра массой 1 г и гранул массой 1 г.

Термин «благородный металл» обычно используется в противоположность недрагоценному металлу . Благородные металлы устойчивы к коррозии и окислению . в отличие от большинства недрагоценных металлов . Обычно это драгоценные металлы, часто из-за кажущейся редкости. Примеры включают золото, платину, серебро, родий , иридий и палладий.

В алхимии и нумизматике термин «недрагоценный металл» противопоставляется драгоценному металлу , то есть металлу высокой экономической ценности. Давней целью алхимиков было превращение недрагоценных металлов в драгоценные, включая такие металлы для чеканки монет, как серебро и золото. Большинство монет сегодня сделаны из недрагоценных металлов с низкой внутренней стоимостью ; В прошлом ценность монет часто определялась в первую очередь содержанием в них драгоценных металлов .

Химически драгоценные металлы (как и благородные металлы) менее реакционноспособны , чем большинство элементов, имеют высокий блеск и высокую электропроводность. Исторически драгоценные металлы играли важную роль в качестве валюты , но теперь рассматриваются в основном как инвестиционные и промышленные товары . Золото , серебро , платина и палладий имеют код валюты ISO 4217 . Самые известные драгоценные металлы – золото и серебро. Хотя оба имеют промышленное применение, они более известны своим использованием в искусстве , ювелирных изделиях и чеканке монет . Другие драгоценные металлы включают металлы платиновой группы : рутений , родий , палладий, осмий , иридий и платина, из которых платина является наиболее широко продаваемой.

Спрос на драгоценные металлы обусловлен не только их практическим использованием, но и их ролью в качестве инвестиций и средства сбережения . Палладий и платина по состоянию на осень 2018 года стоили примерно три четверти цены на золото. Серебро значительно дешевле этих металлов, но его традиционно считают драгоценным металлом в свете его роли в чеканке монет и ювелирных изделиях.

Арматурные металлы

Основная статья: Вентильные металлы

В электрохимии вентильный металл — это металл, пропускающий ток только в одном направлении.

Жизненный цикл

Формирование

Смотрите также: Нуклеосинтез

Металлы в земной коре:
численность и основное распространение или источник, по весу
	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	ЧАС																		Он
2	Что	Быть												Б	С	Н	ТО	Ф	Ne
3	Уже	мг												Ал	И	П	С	кл.	С
4	К	Что		наук	Из	V	Кр	Мин.	Фе	Ко	В	С	Зн	Здесь	Ге	Как	Се	Бр	НОК
5	руб.	старший		И	Зр	Нб	Мо		Ру	резус	ПД	В	компакт-диск	В	Сн	Сб	Te	я	Машина
6	Cs	Нет		Лу	хф	Облицовка	В	Ре	Ты	И	Пт	В	ртуть	Тл	Pb	С
7
				La	Этот	Пр	Нд		см	Евросоюз	Б-г	Тб	Те	К	Является	Тм	Ыб
					че		В
Самый обильный (до 82 000 ppm)
Обильный ( 100 – 999 частей на миллион)
Нечасто (1–99 частей на миллион)
( 0,01–0,99 ) ppm Редко
редко ( 0,0001–0,0099 Очень ppm )
Металлы слева от разделительной линии встречаются (или добываются) главным образом в виде литофилов ; те, что справа, относятся к халькофилам, за исключением золота ( сидерофил ) и олова (литофил).

В этом подразделе рассматривается образование элементарных металлов периодической таблицы, поскольку они составляют основу металлических материалов, как это определено в этой статье.

Металлы вплоть до железа (в периодической таблице) в основном производятся посредством звездного нуклеосинтеза . В этом процессе более легкие элементы, от водорода до кремния, подвергаются последовательным реакциям синтеза внутри звезд, выделяя свет и тепло и образуя более тяжелые элементы с более высокими атомными номерами.

Более тяжелые металлы обычно не образуются таким образом, поскольку реакции синтеза с участием таких ядер будут потреблять, а не выделять энергию. Скорее, они в основном синтезируются (из элементов с меньшим атомным номером) путем захвата нейтронов , причем двумя основными режимами этого повторяющегося захвата являются s-процесс и r-процесс . В s-процессе («s» означает «медленный») отдельные захваты разделены годами или десятилетиями, что позволяет менее стабильным ядрам подвергаться бета-распаду . в то время как в r-процессе («быстром») захват происходит быстрее, чем ядра могут распасться. Таким образом, s-процесс идет более или менее ясным путем: например, стабильные ядра кадмия-110 последовательно бомбардируются свободными нейтронами внутри звезды, пока не образуются ядра кадмия-115, которые нестабильны и распадаются с образованием индия-115. (который почти стабилен, период полураспада в 30 000 раз превышает возраст Вселенной). Эти ядра захватывают нейтроны и образуют индий-116, который нестабилен и распадается с образованием олова-116 и так далее. Напротив, в r-процессе такого пути нет. S-процесс останавливается на висмуте из-за короткого периода полураспада следующих двух элементов, полония и астата, которые распадаются на висмут или свинец. R-процесс настолько быстр, что может пропустить эту зону нестабильности и продолжить создание более тяжелых элементов, таких как торий и уран.

Металлы конденсируются на планетах в результате звездной эволюции и процессов разрушения. Звезды теряют большую часть своей массы, когда она выбрасывается в конце их жизни, а иногда и позже в результате слияния нейтронных звезд . элементов тяжелее гелия тем самым увеличивая содержание в межзвездной среде . Когда гравитационное притяжение заставляет эту материю сливаться и коллапсировать, образуются новые звезды и планеты .

Численность и возникновение

Смотрите также: Распространенность химических элементов.

Образец диаспора , минерала гидроксида оксида алюминия, α-AlO(OH).

Земная кора состоит примерно из 25% металлов по весу, из которых 80% — легкие металлы, такие как натрий, магний и алюминий. Остальную часть земной коры составляют неметаллы (~75%). Несмотря на общую нехватку некоторых более тяжелых металлов, таких как медь, они могут концентрироваться в экономически извлекаемых количествах в результате горообразования, эрозии или других геологических процессов.

Металлы в основном встречаются в виде литофилов (любящих камни) или халькофилов (любящих руду). Литофильные металлы представляют собой в основном элементы s-блока, более реакционноспособные из элементов d-блока и элементы f-блока. Они имеют сильное сродство к кислороду и в основном существуют в виде силикатных минералов относительно низкой плотности. Халькофильные металлы - это в основном менее реакционноспособные элементы d-блока и металлы p-блока периода 4–6. Обычно они встречаются в (нерастворимых) сульфидных минералах. Будучи более плотными, чем литофилы, и, следовательно, погружаясь ниже в кору во время ее затвердевания, халькофилы, как правило, менее распространены, чем литофилы.

С другой стороны, золото является сидерофилом или железолюбивым элементом. Он с трудом образует соединения с кислородом или серой. Во времена образования Земли золото, как самый благородный (инертный) из металлов, погрузилось в ядро ​​из-за его склонности образовывать металлические сплавы высокой плотности. Следовательно, это относительно редкий металл. Некоторые другие (менее) благородные металлы — молибден, рений, металлы платиновой группы (рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина), германий и олово — можно отнести к сидерофилам, но только с точки зрения их первичного появления в Земля (ядро, мантия и кора), а не кора. В остальном эти металлы встречаются в земной коре в небольших количествах, главным образом в виде халькофилов (в меньшей степени в самородной форме).

Вращающееся жидкое внешнее ядро ​​Земли, состоящее в основном из железа, считается источником защитного магнитного поля Земли. Ядро находится над твердым внутренним ядром Земли и под ее мантией. Если бы его можно было переставить в колонну высотой 5 м. ² Площадь объекта (54 квадратных фута) будет иметь высоту почти 700 световых лет. Магнитное поле защищает Землю от заряженных частиц солнечного ветра и космических лучей, которые в противном случае разрушили бы верхние слои атмосферы (включая озоновый слой, ограничивающий передачу ультрафиолетового излучения).

Добыча

Основные статьи: Руда , Горное дело и Добывающая металлургия

Металлы часто добываются из Земли путем добычи руд, которые являются богатыми источниками необходимых элементов, например бокситов . Руда находится поисковыми методами с последующей разведкой и изучением месторождений. Источники полезных ископаемых обычно делятся на открытые шахты , которые добываются путем раскопок с использованием тяжелой техники, и подземные шахты . В некоторых случаях цена продажи соответствующего металла(ов) делает экономически целесообразным добычу источников с более низкой концентрацией.

После того как руда добыта, металлы необходимо извлечь , обычно путем химического или электролитического восстановления. В пирометаллургии для превращения руды в сырые металлы используются высокие температуры, а в гидрометаллургии применяется водная с той же целью химия. Используемые методы зависят от металла и его загрязнений.

Когда металлическая руда представляет собой ионное соединение этого металла и неметалла, руду обычно необходимо плавить — нагревать с восстановителем — для извлечения чистого металла. Многие распространенные металлы, такие как железо, выплавляются с использованием углерода в качестве восстановителя. Некоторые металлы, такие как алюминий и натрий , не имеют коммерчески практичного восстановителя и вместо этого извлекаются с помощью электролиза .

Сульфидные руды не восстанавливаются непосредственно до металла, а обжигаются на воздухе для превращения их в оксиды.

Использование

Магнит из сплава неодима состава Nd ₂ Fe ₁₄ B на никель-железной компьютера скобке от жесткого диска

Металлы присутствуют практически во всех аспектах современной жизни. Железо, тяжелый металл , может быть наиболее распространенным, поскольку на его долю приходится 90% всех рафинированных металлов; Алюминий, легкий металл , является следующим наиболее часто рафинируемым металлом. Чистое железо может быть самым дешевым металлическим элементом из всех, его стоимость составляет около 0,07 доллара США за грамм. Его руды широко распространены; его легко уточнить ; и соответствующая технология разрабатывалась на протяжении сотен лет. Чугун еще дешевле — всего 0,01 доллара США за грамм, поскольку нет необходимости в последующей очистке. Платина, стоимость которой составляет около 27 долларов за грамм, может быть наиболее распространенной, учитывая ее очень высокую температуру плавления, устойчивость к коррозии, электропроводность и долговечность. Говорят, что он содержится или используется для производства 20% всех потребительских товаров. Полоний, вероятно, будет самым дорогим металлом, который торгуется, по условной цене около 100 000 000 долларов за грамм. из-за его дефицита и мелкомасштабного производства.

Некоторые металлы и металлические сплавы обладают высокой структурной прочностью на единицу массы, что делает их полезными материалами для выдерживания больших грузов или защиты от ударных повреждений. Металлические сплавы могут быть разработаны так, чтобы иметь высокую устойчивость к сдвигу, крутящему моменту и деформации. Однако тот же металл также может быть уязвим к усталостному повреждению в результате многократного использования или внезапного разрушения под напряжением при превышении допустимой нагрузки. Прочность и устойчивость металлов привели к их частому использованию в высотном строительстве и строительстве мостов, а также в большинстве транспортных средств, многих приборов, инструментов, труб и железнодорожных путей.

Металлы являются хорошими проводниками, что делает их ценными в электроприборах и для передачи электрического тока на расстояние с небольшими потерями энергии. Электрические сети используют металлические кабели для распределения электроэнергии. Домашние электрические системы по большей части подключаются медным проводом из-за его хороших проводящих свойств.

Теплопроводность металлов полезна для контейнеров для нагрева материалов над пламенем. Металлы также используются в качестве радиаторов для защиты чувствительного оборудования от перегрева.

Высокая отражательная способность некоторых металлов позволяет использовать их в зеркалах, в том числе в прецизионных астрономических инструментах, и придает эстетику металлическим украшениям.

Некоторые металлы имеют специализированное применение; Ртуть представляет собой жидкость при комнатной температуре и используется в переключателях для замыкания цепи, когда она протекает через контакты переключателя. Радиоактивные металлы, такие как уран и плутоний, являются топливом для атомных электростанций , которые производят энергию посредством ядерного деления . Сплавы с памятью формы используются для изготовления труб, крепежных изделий и сосудистых стентов .

Металлы могут быть легированы чужеродными молекулами — органическими, неорганическими, биологическими и полимерами. Это легирование приводит к тому, что металл приобретает новые свойства, индуцированные молекулами-гостями. Были разработаны приложения в катализе, медицине, электрохимических элементах, коррозии и т. д.

Переработка

Куча прессованных стальных отходов, готовых к переработке

Спрос на металлы тесно связан с экономическим ростом, поскольку они используются в инфраструктуре, строительстве, производстве и производстве потребительских товаров. В течение 20-го века разнообразие металлов, используемых в обществе, быстро росло. Сегодня развитие крупных стран, таких как Китай и Индия, а также технологические достижения стимулируют все больший спрос. В результате горнодобывающая деятельность расширяется, и все больше и больше мировых запасов металлов находятся в эксплуатации над землей, а не под землей в качестве неиспользованных резервов. Примером являются используемые запасы меди . В период с 1932 по 1999 год потребление меди в США выросло с 73 г до 238 г на человека.

Металлы по своей природе подлежат вторичной переработке, поэтому, в принципе, их можно использовать снова и снова, сводя к минимуму негативное воздействие на окружающую среду и экономя энергию. Например, 95% энергии, используемой для производства алюминия из бокситовой руды, экономится за счет использования переработанного материала.

Во всем мире объем переработки металлов в целом находится на низком уровне. В 2010 году Международная группа ресурсов , организованная Программой ООН по окружающей среде, опубликовала отчеты о запасах металлов, существующих в обществе. и уровень их переработки. Авторы отчета отмечают, что запасы металла в обществе могут служить огромными надземными шахтами. Они предупредили, что уровень переработки некоторых редких металлов, используемых в таких устройствах, как мобильные телефоны, аккумуляторные батареи для гибридных автомобилей и топливные элементы, настолько низок, что, если в будущем темпы переработки по окончании срока службы не будут резко увеличены, эти критические металлы станут недоступными для использование в современной технике.

Биологические взаимодействия

См. Также: минералов (питательных веществ) и металлов. Токсичность

Был рассмотрена роль металлических элементов в эволюции клеточной биохимии, включая подробный раздел, посвященный роли кальция в окислительно-восстановительных ферментах.

Один или несколько элементов железо , кобальт , никель , медь и цинк необходимы для всех высших форм жизни. Кобальт является важным компонентом витамина B12 . Соединения всех остальных переходных элементов и постпереходных элементов в большей или меньшей степени токсичны, за немногими исключениями, такими как некоторые соединения сурьмы и олова . Потенциальные источники отравления металлами включают горнодобывающую промышленность , хвостохранилища , промышленные отходы , сельскохозяйственные стоки , профессиональное воздействие , краски и обработанную древесину .

История

Предыстория

Медь, встречающаяся в самородной форме, возможно, была первым обнаруженным металлом, учитывая ее особый внешний вид, тяжесть и податливость по сравнению с другими камнями или галькой. Золото, серебро и железо (в виде метеоритного железа) и свинец также были обнаружены в доисторические времена. К этому периоду относятся формы латуни , сплава меди и цинка, полученного путем одновременной плавки руд этих металлов (хотя чистый цинк не был выделен до 13 века). Податливость твердых металлов привела к первым попыткам изготовления металлических украшений, инструментов и оружия. Время от времени обнаруживалось метеоритное железо, содержащее никель, и в некоторых отношениях оно превосходило любую промышленную сталь, производившуюся до 1880-х годов, когда легированные стали стали широко распространены.

• 
  Самородная медь
• 
  Золотые кристаллы
• 
  Кристаллическое серебро
• 
  Кусок метеоритного железа
• 
  окисленный свинец
  узелки и 1 см ³ куб
• 
  Латунная гиря (35 г)

Античность

Артемисион Бронза показывая либо Посейдона , либо Зевса , ок. 460 г. до н.э., Национальный археологический музей , Афины . Высота фигуры более 2 м.

Открытие бронзы (сплава меди с мышьяком или оловом) позволило людям создавать металлические предметы, которые были более твердыми и долговечными, чем это было возможно раньше. Бронзовые инструменты, оружие, доспехи и строительные материалы, такие как декоративная плитка, были тверже и долговечнее, чем их каменные и медные (« энеолитические ») предшественники. Первоначально бронзу изготавливали из меди и мышьяка (образуя мышьяковистую бронзу ) путем выплавки природных или искусственно смешанных руд меди и мышьяка. Самые ранние известные на сегодняшний день артефакты происходят с Иранского нагорья в пятом тысячелетии до нашей эры. Лишь позже начали использовать олово , которое в конце третьего тысячелетия до нашей эры стало основным немедным компонентом бронзы. Чистое олово было впервые выделено в 1800 году до нашей эры китайскими и японскими мастерами по металлу.

Ртуть была известна древним китайцам и индийцам еще до 2000 г. до н.э. и была найдена в египетских гробницах, датируемых 1500 г. до н.э.

Самое раннее известное производство стали, железо-углеродистого сплава, можно увидеть в кусках железа, раскопанных на археологических раскопках в Анатолии ( Каман-Калехойюк ), возраст которых составляет около 4000 лет и датируется 1800 годом до нашей эры.

Примерно с 500 г. до н.э. производители мечей в Толедо, Испания , изготавливали ранние формы легированной стали , добавляя к железной руде (и углероду) минерал под названием вольфрамит , который содержал вольфрам и марганец. Полученная в результате сталь Толедо привлекла внимание Рима, когда Ганнибал использовал ее в Пунических войнах . Вскоре он стал основой вооружения римских легионов; такие мечи были «сильнее по составу, чем любой существующий меч, и, поскольку… [они] не ломались, давали римскому солдату психологическое преимущество».

В доколумбовой Америке предметы из тумбаги , сплава меди и золота, начали производиться в Панаме и Коста-Рике между 300 и 500 годами нашей эры. Небольшие металлические скульптуры были обычным явлением, а широкий спектр украшений тумбага (и золотых) составлял обычные регалии лиц высокого статуса.

Примерно в то же время коренные жители Эквадора комбинировали золото с природным платиновым сплавом, содержащим небольшое количество палладия, родия и иридия, для производства миниатюр и масок, состоящих из сплава белого золота и платины. Рабочие-металлисты нагревали золото с зернами платинового сплава до тех пор, пока золото не расплавилось, после чего металлы платиновой группы стали связываться внутри золота. После охлаждения полученный конгломерат многократно ковали и повторно нагревали, пока он не стал настолько однородным, как если бы все соответствующие металлы были расплавлены вместе (достижение температур плавления соответствующих металлов платиновой группы выходило за рамки технологий того времени).

• 
  Капля застывшего расплавленного олова
• 
  Меркурий ​
  вылили в чашку Петри
• 
  Электрум, природный сплав серебра и золота, часто использовался для изготовления монет. На лицевой стороне изображен римский бог Аполлон, а на лицевой стороне — дельфийский треножник ( ок. 310–305 гг. до н. э.).
• 
  Пластина из олова , сплава 85–99% олова и (обычно) меди. Олово было впервые использовано примерно в начале бронзового века на Ближнем Востоке.
• 
  Пектораль (декоративный нагрудник) из тумбаги — сплава золота и меди.

Средний возраст

Золото хозяйке, серебро служанке.
Медь для мастера, хитрого в своем ремесле.
"Хороший!" - сказал барон, сидя у себя в зале,
«Но Железо, Холодное Железо — хозяин их всех».

из «Холодного железа» Редьярда Киплинга

Арабские и средневековые алхимики считали, что все металлы и материя состоят из принципа серы, отца всех металлов и обладающего горючими свойствами, и принципа ртути, матери всех металлов. и носитель свойств ликвидности, плавкости и волатильности. Эти принципы не обязательно совпадали с обычными веществами серой и ртутью, обнаруженными в большинстве лабораторий. Эта теория укрепила веру в то, что всем металлам суждено стать золотом в недрах земли посредством правильного сочетания тепла, пищеварения, времени и удаления загрязняющих веществ, все из которых можно развить и ускорить с помощью знаний и методов алхимии. .

Стали известны мышьяк, цинк, сурьма и висмут, хотя их сначала называли полуметаллами или металлами-бастардами из-за их нековкости. Все четыре, возможно, использовались случайно в прежние времена, не осознавая их природы. Считается, что Альберт Великий был первым, кто выделил мышьяк из соединения в 1250 году, нагревая мыло вместе с трисульфидом мышьяка . Металлический цинк, который в нечистом виде является хрупким, был выделен в Индии к 1300 году нашей эры. Первое описание процедуры выделения сурьмы содержится в книге la pirotechnia De Ванноччио Бирингуччо 1540 года . Висмут был описан Агриколой в De Natura Fossilium (ок. 1546 г.); В древние времена его путали с оловом и свинцом из-за сходства с этими элементами.

• 
  Мышьяк, запечатанный в контейнере для предотвращения потускнения.
• 
  Фрагменты цинка и 1 см ³ куб
• 
  Сурьма, демонстрирующая свой блестящий блеск
• 
  Висмут в кристаллической форме, с очень тонким слоем окисления и толщиной 1 см. ³ куб висмута

Ренессанс

«Де ре металлика» , 1555 год.

Платиновые кристаллы

Диск высокообогащенного урана, извлеченный из металлолома, переработанного в Комплексе национальной безопасности Y-12 в Ок-Ридже, штат Теннесси.

Сверхчистый церий в аргоне, 1,5 г.

Первым систематическим текстом по горному делу и металлургии был De la Pirotechnia (1540) Ванноччо Бирингуччо , в котором рассказывается об исследовании, плавлении и обработке металлов.

Шестнадцать лет спустя Георгиус Агрикола опубликовал в 1556 году «De Re Metallica» — ясный и полный отчет о горнодобывающей промышленности, металлургии, сопутствующих искусствах и науках, а также признанный величайшим трактатом о химической промышленности шестнадцатого века.

он дал следующее описание металла В своей работе «De Natura Fossilium » (1546 г.) :

Металл – это минеральное тело, по своей природе либо жидкое, либо несколько твердое. Последний может быть расплавлен от жара огня, но когда он снова остынет и потеряет весь жар, он снова станет твердым и примет свою правильную форму. В этом отношении он отличается от камня, плавящегося в огне, ибо последний хотя и восстанавливает свою твердость, но теряет свою первозданную форму и свойства.

Традиционно существует шесть различных видов металлов: золото, серебро, медь, железо, олово и свинец. На самом деле есть и другие, ибо ртуть — металл, хотя алхимики с нами не согласны в этом вопросе, да и висмут тоже. Древнегреческие писатели, по-видимому, ничего не знали о висмуте, поэтому Аммоний справедливо утверждает, что существует множество неизвестных нам видов металлов, животных и растений. Стибий , выплавленный в тигле и очищенный, имеет такое же право считаться настоящим металлом, как авторы признают свинец. Если при выплавке определенную часть добавить к олову, то получится книготорговый сплав, из которого изготавливается шрифт, которым пользуются те, кто печатает книги на бумаге.

Каждый металл имеет свою форму, которую он сохраняет при отделении от тех металлов, которые были с ним смешаны. Следовательно, ни электрум , ни олово [не имея в виду наше олово] сами по себе не являются настоящим металлом, а скорее сплавом двух металлов. Электрум — сплав золота и серебра, олово — свинца и серебра. И все же, если серебро отделить от электрума, то останется золото, а не электрум; если у олова отнять серебро, то останется свинец, а не олово.

Однако невозможно установить с какой-либо уверенностью, является ли латунь самородным металлом или нет. Нам известна только искусственная латунь, состоящая из меди, окрашенной в цвет минерала каламина . И все же, если что-то и удастся выкопать, то это будет настоящий металл. Черная и белая медь кажутся отличными от красной.

Следовательно, металл по своей природе либо тверд, как я уже говорил, либо жидок, как в уникальном случае с ртутью.

Но хватит теперь о простых видах.

Платина, третий драгоценный металл после золота и серебра, была открыта в Эквадоре в период с 1736 по 1744 год испанским астрономом Антонио де Уллоа и его коллегой, математиком Хорхе Хуаном и Сантачилией. Уллоа был первым человеком, написавшим научное описание металла в 1748 году.

В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот выделил оксид урана, который, по его мнению, и был самим металлом. Клапрот впоследствии был признан первооткрывателем урана. Лишь в 1841 году французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго получил первый образец металлического урана. Анри Беккерель впоследствии открыл радиоактивность в 1896 году, используя уран.

В 1790-х годах Джозеф Пристли и голландский химик Мартинус ван Марум наблюдали преобразующее действие металлических поверхностей на дегидрирование спирта, что впоследствии привело в 1831 году к промышленному синтезу серной кислоты с использованием платинового катализатора.

В 1803 году церий был первым из металлов-лантанидов , открытых в Бастнесе, Швеция, Йёнсом Якобом Берцелиусом и Вильгельмом Хизингером, а также независимо Мартином Генрихом Клапротом в Германии. Металлы-лантаниды считались диковинкой до 1960-х годов, когда были разработаны методы более эффективного отделения их друг от друга. Впоследствии они нашли применение в сотовых телефонах, магнитах, лазерах, освещении, батареях, каталитических нейтрализаторах и в других приложениях, обеспечивающих использование современных технологий.

Другими металлами, открытыми и полученными в это время, были кобальт, никель, марганец, молибден, вольфрам и хром; и некоторые металлы платиновой группы , палладий, осмий, иридий и родий.

Легкие металлы

Все металлы, открытые до 1809 г., имели относительно высокую плотность; их тяжесть рассматривалась как исключительно отличительный критерий. Начиная с 1809 года, были выделены легкие металлы, такие как натрий, калий и стронций. Их низкая плотность бросила вызов общепринятым представлениям о природе металлов. Однако химически они вели себя как металлы и впоследствии были признаны таковыми.

Алюминий был открыт в 1824 году, но только в 1886 году был разработан метод промышленного крупномасштабного производства. Цены на алюминий упали, и в 1890-х и начале 20-го века алюминий стал широко использоваться в ювелирных изделиях, предметах повседневного обихода, оправах для очков, оптических инструментах, посуде и фольге. Способность алюминия образовывать твердые, но легкие сплавы с другими металлами обеспечила этому металлу множество применений в то время. Во время Первой мировой войны правительства крупнейших стран требовали больших поставок алюминия для легких и прочных планеров. Наиболее распространенным металлом, используемым сегодня для передачи электроэнергии, является армированный сталью алюминиевый провод . Также широкое применение находят проводники, полностью изготовленные из алюминиевого сплава . Алюминий используется потому, что он имеет примерно половину веса медного кабеля сопоставимого сопротивления (хотя и большего диаметра из-за более низкой удельной проводимости ), а также дешевле. Медь была более популярна в прошлом и используется до сих пор, особенно при более низких напряжениях и для заземления.

Хотя чистый металлический титан (99,9%) был впервые получен в 1910 году, он не использовался за пределами лаборатории до 1932 года. Война. Начиная с начала 1950-х годов титан стал широко использоваться в военной авиации, особенно в высокопроизводительных реактивных самолетах, начиная с таких самолетов, как F-100 Super Sabre и Lockheed A-12 и SR-71 .

Металлический скандий был впервые произведен в 1937 году. Первый фунт металлического скандия чистотой 99% был произведен в 1960 году. Производство алюминиево-скандиевых сплавов началось в 1971 году по патенту США. В СССР также разрабатывались алюминиево-скандиевые сплавы.

• 
  Кусочки натрия
• 
  Калиевые жемчужины под парафиновым маслом. Размер самой крупной жемчужины 0,5 см.
• 
  Кристаллы стронция
• 
  Алюминиевый кусок,
  2,6 грамм, 1 х 2 см
• 
  Слиток кристаллов титана
• 
  Скандий, в том числе 1 см ³ куб

Эпоха стали

Раскаленная добела сталь льется, как вода, из 35-тонной электрической печи на сталелитейной корпорации Allegheny Ludlum Steel в Бракенридже , штат Пенсильвания .

Современная эра в производстве стали началась с внедрением Генри Бессемера в 1855 году бессемеровского процесса , сырьем для которого был чугун. Его метод позволил ему дешево производить сталь в больших количествах, поэтому мягкая сталь стала использоваться для большинства целей, для которых раньше использовалось кованое железо. Процесс Гилкриста-Томаса (или базовый бессемеровский процесс ) представлял собой усовершенствование бессемеровского процесса, основанное на футеровке конвертера основным материалом для удаления фосфора.

Благодаря своей высокой прочности на разрыв и низкой стоимости сталь стала основным компонентом, используемым в зданиях , инфраструктуре , инструментах , кораблях , автомобилях , машинах , приборах и оружии .

В 1872 году англичане Кларк и Вудс запатентовали сплав, который сегодня можно назвать нержавеющей сталью . Коррозионная стойкость железохромовых сплавов была признана в 1821 году французским металлургом Пьером Бертье . Он отметил их устойчивость к воздействию некоторых кислот и предложил использовать их в столовых приборах. Металлурги 19-го века не смогли создать сочетание низкого содержания углерода и высокого содержания хрома, присутствующее в большинстве современных нержавеющих сталей, а сплавы с высоким содержанием хрома, которые они могли производить, были слишком хрупкими, чтобы их можно было использовать на практике. Лишь в 1912 году индустриализация сплавов нержавеющей стали произошла в Англии, Германии и США.

Последние стабильные металлические элементы

три металла с атомными номерами К 1900 году оставалось открыть меньше свинца (#82), самого тяжелого стабильного металла: элементы 71, 72, 75.

Фон Вельсбах в 1906 году доказал, что старый иттербий также содержит новый элемент (№ 71), который он назвал кассиопеем . Урбен одновременно доказал это, но его образцы были очень загрязнены и содержали лишь следовые количества нового элемента. Несмотря на это, выбранное им имя лютеций было принято.

В 1908 году Огава обнаружил в торианите элемент 75, но присвоил ему элемент 43 вместо 75 и назвал его ниппонием . В 1925 году Уолтер Ноддак, Ида Ева Таке и Отто Берг объявили о его отделении от гадолинита и дали ему нынешнее название — рений .

Жорж Урбен утверждал, что нашел 72-й элемент в остатках редкоземельных элементов, а Владимир Вернадский независимо нашел его в ортите. Ни одно из утверждений не было подтверждено из-за Первой мировой войны, и ни одно из них не могло быть подтверждено позже, поскольку химический состав, о котором они сообщили, не соответствует тому, который сейчас известен для гафния . После войны, в 1922 году, Костер и Хевеши обнаружили его с помощью рентгеновского спектроскопического анализа в норвежском цирконе. Таким образом, гафний был последним открытым стабильным элементом, хотя рений был последним, который был правильно распознан.

• 
  Париж, включая 1 см. ³ куб
• 
  Рений, в том числе 1 см ³ куб
• 
  Гафний, в форме батончика массой 1,7 кг.

К концу Второй мировой войны ученые синтезировали четыре постурановых элемента, все из которых являются радиоактивными (нестабильными) металлами: нептуний (в 1940 г.), плутоний (1940–41 гг.), а также кюрий и америций (1944 г.), представляющие собой элементы 93. до 96. Первые два из них в конечном итоге были обнаружены и в природе. Кюрий и америций были побочными продуктами Манхэттенского проекта, в результате которого в 1945 году была создана первая в мире атомная бомба. Бомба была основана на ядерном делении урана, металла, который, как считается, был открыт почти 150 лет назад.

События после Второй мировой войны

Суперсплавы

Суперсплавы, состоящие из комбинаций Fe, Ni, Co и Cr и меньших количеств W, Mo, Ta, Nb, Ti и Al, были разработаны вскоре после Второй мировой войны для использования в высокопроизводительных двигателях, работающих при повышенных температурах (выше 650 ° C (1200 ° F)). Они сохраняют большую часть своей прочности в этих условиях в течение длительного периода времени и сочетают в себе хорошую пластичность при низких температурах с устойчивостью к коррозии или окислению. Суперсплавы теперь можно найти в широком спектре применений, включая наземные, морские и аэрокосмические турбины, а также химические и нефтяные заводы.

Транкуриевые металлы

Успешная разработка атомной бомбы в конце Второй мировой войны вызвала дальнейшие усилия по синтезу новых элементов, почти все из которых являются или, как ожидается, будут металлами, и все из которых являются радиоактивными. Лишь в 1949 году элемент 97 ( берклий ), следующий после элемента 96 ( кюрий ), был синтезирован путем запуска альфа-частиц в мишень из америция. В 1952 году элемент 100 ( фермий ) был обнаружен в обломках первого взрыва водородной бомбы; водород, неметалл, был идентифицирован как элемент почти 200 лет назад. элементы от 101 ( менделевий ) до 118 ( оганессон С 1952 года синтезированы ).

Объемные металлические очки

Металлическое стекло (также известное как аморфный или стекловидный металл) представляет собой твердый металлический материал, обычно сплав, с неупорядоченной структурой атомного масштаба. Большинство чистых и легированных металлов в твердом состоянии имеют атомы, расположенные в высокоупорядоченной кристаллической структуре. Аморфные металлы имеют некристаллическую стеклоподобную структуру. Но в отличие от обычных стекол, например оконных, которые обычно являются электрическими изоляторами, аморфные металлы обладают хорошей электропроводностью. Аморфные металлы производятся несколькими способами, включая чрезвычайно быстрое охлаждение, физическое осаждение из паровой фазы, твердофазную реакцию, ионное облучение и механическое легирование. Первым зарегистрированным металлическим стеклом был сплав (Au ₇₅ Si ₂₅ ), произведенный в Калифорнийском технологическом институте в 1960 году. Совсем недавно были произведены партии аморфной стали, прочность которой в три раза превышает прочность обычных стальных сплавов. В настоящее время наиболее важные приложения основаны на особых магнитных свойствах некоторых ферромагнитных металлических стекол. Низкие потери намагничивания используются в высокоэффективных трансформаторах. В идентификационных бирках для борьбы с кражами и в других схемах наблюдения за предметами часто используются металлические стекла из-за этих магнитных свойств.

Сплавы с памятью формы

Сплав с памятью формы (SMA) — это сплав, который «запоминает» свою первоначальную форму и при деформации возвращается к своей предварительно деформированной форме при нагревании. Хотя эффект памяти формы был впервые обнаружен в 1932 году в сплаве Au-Cd, серьезные исследования начались только в 1962 году, когда этот эффект был случайно обнаружен в сплаве Ni-Ti, и еще за десять лет до начала коммерческого использования. появились приложения. SMA находят применение в робототехнике, автомобильной, аэрокосмической и биомедицинской промышленности. Существует другой тип SMA, называемый ферромагнитным сплавом с памятью формы (FSMA), который меняет форму под действием сильных магнитных полей. Эти материалы представляют особый интерес, поскольку магнитный отклик имеет тенденцию быть более быстрым и эффективным, чем отклик, вызванный температурой.

Квазикристаллические сплавы

Икосаэдрический квазикристалл Ho-Mg-Zn, сформированный в виде пятиугольного додекаэдра , двойника икосаэдра .

В 1984 году израильский химик Дэн Шехтман обнаружил алюминиево-марганцевый сплав, имеющий пятикратную симметрию, что нарушило кристаллографическую конвенцию того времени, согласно которой кристаллические структуры могут иметь только двух-, трех-, четырех- или шестикратную симметрию. Из-за страха перед реакцией научного сообщества ему потребовалось два года, чтобы опубликовать результаты, за которые он был удостоен Нобелевской премии по химии в 2011 году. С тех пор были зарегистрированы и подтверждены сотни квазикристаллов. Они существуют во многих металлических сплавах (и некоторых полимерах). Квазикристаллы чаще всего встречаются в алюминиевых сплавах (Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-V и др.), но известны также многочисленные другие составы (Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, In-Ag-Yb, Pd-U-Si и др.). Квазикристаллы фактически имеют бесконечно большие элементарные ячейки. Икосаэдрит Al ₆₃ Cu ₂₄ Fe ₁₃ , первый квазикристалл, обнаруженный в природе, был обнаружен в 2009 году. Большинство квазикристаллов обладают керамическими свойствами, включая низкую электропроводность (приближающуюся к значениям, наблюдаемым в изоляторах) и низкую теплопроводность, высокую твердость, хрупкость и сопротивление. к коррозии и антипригарным свойствам. Квазикристаллы использовались для разработки теплоизоляции, светодиодов, дизельных двигателей и новых материалов, преобразующих тепло в электричество. Новые применения могут использовать преимущества низкого коэффициента трения и твердости некоторых квазикристаллических материалов, например, внедрение частиц в пластик для изготовления прочных, износостойких пластиковых шестерен с низким коэффициентом трения. Другие потенциальные применения включают в себя селективные поглотители солнечной энергии для преобразования энергии, широковолновые отражатели, а также восстановление костей и протезирование, где требуются биосовместимость, низкое трение и коррозионная стойкость.

Сложные металлические сплавы

Сложные металлические сплавы (CMA) представляют собой интерметаллические соединения, характеризующиеся крупными элементарными ячейками, содержащими от нескольких десятков до тысяч атомов; наличие четко выраженных скоплений атомов (часто с икосаэдрической симметрией); и частичный беспорядок внутри их кристаллических решеток. Они состоят из двух или более металлических элементов, иногда с добавлением металлоидов или халькогенидов . К ним относится, например, NaCd2, имеющий в элементарной ячейке 348 атомов натрия и 768 атомов кадмия. Лайнус Полинг попытался описать структуру NaCd ₂ в 1923 году, но ему это не удалось до 1955 года. Интерес к CMA, как их стали называть сначала «гигантскими кристаллами элементарной ячейки», не возникал до 2002 года, когда публикация доклада «Структурно сложные фазы сплавов», представленного на 8-й Международной конференции по квазикристаллам. Потенциальные применения CMA включают в себя теплоизоляцию; солнечное отопление; магнитные холодильники; использование отработанного тепла для производства электроэнергии; и покрытия для лопаток турбин военных двигателей.

Высокоэнтропийные сплавы

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭА), такие как AlLiMgScTi, состоят из равных или почти равных количеств пяти или более металлов. По сравнению с обычными сплавами, содержащими только один или два основных металла, HEA имеют значительно лучшее соотношение прочности к весу, более высокую прочность на разрыв и большую устойчивость к разрушению, коррозии и окислению. Хотя HEEA были описаны еще в 1981 году, значительный интерес к ним возник только в 2010-х годах; они продолжают оставаться в центре внимания исследований в области материаловедения и техники из-за их потенциала для достижения желаемых свойств.

Сплавы фазы MAX

Фаза МАКС.
примеры сплавов

МАКС	М	А	Х
Hf 2 SnC	хф	Сн	С
Ti4AlNТи4АлН3	Из	Ал	Н
Ти 3 Карбид кремния 2	Из	И	С
Ти 2 АлК	Из	Ал	С
Кр 2 AlC 2	Кр	Ал	С
Ti3AlCTi3AlC2	Из	Ал	С

В сплаве фазы MAX M представляет собой ранний переходный металл, A представляет собой элемент группы A (в основном группы IIIA и IVA или группы 13 и 14), а X представляет собой либо углерод, либо азот. Примерами являются Hf ₂ SnC и Ti ₄ AlN ₃ . Такие сплавы обладают одними из лучших свойств металлов и керамики. Эти свойства включают высокую электро- и теплопроводность, стойкость к термическому удару, устойчивость к повреждениям, обрабатываемость, высокую упругую жесткость и низкие коэффициенты теплового расширения. Их можно полировать до металлического блеска из-за их превосходной электропроводности. В ходе механических испытаний установлено, что поликристаллические цилиндры Ti ₃ SiC ₂ могут многократно сжиматься при комнатной температуре до напряжений 1 ГПа и полностью восстанавливаться после снятия нагрузки. Некоторые фазы MAX также обладают высокой устойчивостью к химическому воздействию (например, Ti ₃ SiC ₂ ) и высокотемпературному окислению на воздухе (Ti ₂ AlC, Cr ₂ AlC ₂ и Ti ₃ AlC ₂ ). Потенциальные области применения сплавов фазы MAX включают: в качестве прочных, механически обрабатываемых, термостойких огнеупоров; высокотемпературные нагревательные элементы; покрытия для электрических контактов; и детали, устойчивые к нейтронному облучению, для ядерных применений. Хотя сплавы фазы MAX были открыты в 1960-х годах, первая статья по этой теме была опубликована только в 1996 году.

См. также

• Цветное золото
• Пластичность
• Черная металлургия
• Кража металла
• Металлургия
• Металлы древности
• Металлообработка
• Полиметалл
• Свойства металлов, металлоидов и неметаллов.
• Конструкционная сталь
• Переходный металл

Дальнейшее чтение

• Чоптуик М.В. , Ленер Л. и Преторияс Ф. 2015, «Исследование гравитации сильного поля посредством численного моделирования», в книге А. Аштекар , Б.К. Бергер , Дж. Изенберг и М. МакКаллум (редакторы), Общая теория относительности и гравитация: столетняя перспектива , Издательство Кембриджского университета, Кембридж, ISBN   978-1-107-03731-1 .
• Кокс, Пенсильвания (1997). Элементы: их происхождение, распространенность и распространение . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-855298-7 .
• Crow JM 2016, « Невозможные сплавы: как создавать невиданные ранее металлы », New Scientist, 12 октября.
• Хадхази А. 2016, « Галактический «золотой рудник» объясняет происхождение самых тяжелых элементов природы », Science Spotlights , 10 мая 2016 г., по состоянию на 11 июля 2016 г.
• Хофманн С. 2002, «За гранью урана: путешествие к концу периодической таблицы» , Тейлор и Фрэнсис , Лондон, ISBN   978-0-415-28495-0 .
• Падманабхан Т. 2001, Теоретическая астрофизика , том. 2, Звезды и звездные системы, Издательство Кембриджского университета , Кембридж, ISBN   978-0-521-56241-6 .
• Пэриш Р.В. 1977, Металлические элементы, Лонгман, Лондон, ISBN   978-0-582-44278-8
• Подосек Ф.А. 2011, «Благородные газы», ​​в HD Holland и KK Turekian (редакторы), Изотопная геохимия: Из трактата о геохимии , Elsevier, Амстердам, стр. 467–492, ISBN   978-0-08-096710-3 .
• Раймонд Р. 1984, Из огненной печи: влияние металлов на историю человечества, Macmillan Australia, Мельбурн, ISBN   978-0-333-38024-6
• Редер Д. 2010, Химия в космосе: от межзвездной материи к происхождению жизни , Wiley-VCH, Вайнхайм, ISBN   978-3-527-32689-1 .
• Рассел А.М. и Ли К.Л., 2005 г., Отношения структура-свойство в цветных металлах, John Wiley & Sons, Хобокен, Нью-Джерси, ISBN   978-0-471-64952-6
• Стрит А. и Александр В. 1998, Металлы на службе человека, 11 _-е изд., Penguin Books, Лондон, ISBN   978-0-14-025776-2
• Уилсон А.Дж., 1994, Живой камень: история металлов с древнейших времен и их влияние на развивающуюся цивилизацию , Woodhead Publishing, Кембридж, ISBN   978-1-85573-154-7

Внешние ссылки

• Официальный сайт ASM International (ранее Американского общества металлов)
• Официальный сайт Общества минералов, металлов и материалов