Физические свойства металлов

Стандартное состояние для подавляющего большинства элементарных металлов - кристаллическое (за исключением франция и ртути, жидких при стандарт­ных условиях). При нагревании до определенной температуры металлы плавятся, а при более высоких температурах они переходят в газообразное состояние.

Металл, равно как и всякое другое индивидуальное вещество, обладает наибольшим запасом внутренней энергии, когда он нахо­дится в газообразном состоянии. Молекулы ме­таллов в парообразном состоянии преимущественно одноатомны.

Равновесие между парообразным металлом, с одной стороны и кристаллическим или жидким, с другой стороны, характеризуется давлением (упругостью) пара и его зависимостью от температуры.

Характер изменения температур плавления и кипения элементарных металлов определяется их положением в периодической системе. Каждый период начинается металлом с очень низкой температурой плавления, но по мере увеличения атомного номера металлов в периоде температура их плавления растет и достигает максимума в группе хрома, где находится самый тугоплавкий металл - вольфрам (3422 °С). Далее температура плавления снижается и достигает минимума в 11 В и 111 А группе, где находятся самые легко­плавкие металлы - ртуть (-39 °С) и галлий. В А - группах и груп­пе цинка температуры плавления металлов с увеличением атомно­го номера

снижаются, а в В- группах (за исключением группы цин­ка II B) растут. Примерно так же изменяются температуры кипения металлов. Значения температур плавления и кипения металлов связаны с прочностью их кристаллических решеток и с некоторы­ми другими характерными их свойствами.

Многие металлы в твердом состоянии способны принимать различные кристаллические формы. Каждому полиморфному видоизменению металла свойственно определенное давление пара и зависимость его от температуры, связанная с теплотой сублимации. Устойчивым, очевидно, является видоизменение, обладающее при данных условиях наименьшими давлением пара. Кривые, выражающие зависимость давления пара от температуры для различных полиморфных видоизменений металла, должны пересекаться, а точка их пересечения соответствует температуре, при которой давления пара различных видоизменений металла равны. Это температура перехода одного полиморфного видоизменения в другое или температура полиморфного превращения металла.

Полиморфные видоизменения металла отличаются не только по внутренней структуре, но и по физическим свойствам. Их при­нято обозначать греческой буквой перед названием или символом: так а - видоизменение, устойчивое при сравнительно низких температурах, р - устойчивое при более высоких температурах.

Особенности кристаллической структуры. В узлах кристаллической решетки этого типа расположены положительно, заряженные ионы металла, связь между которыми осуществляется посредством свободно перемещающихся между ними электронов. Эта связь, называемая металлической, возникает между атомами металлов за счет перекрывания наружных электронных орбиталей. Металлическая связь отличается от неполярной ковалентной связи своей ненаправленностью. Это объясняется тем, что в кристалле металлического типа электроны не закрепляются между двумя атомами, а пе

реходят в так называемое состояние проводимости, характеризующееся коллегиальной принадлежностью всех электронов всем атомам данного кристалла. Особенностью структуры кристаллов металлического типа являются большие координационные числа - 8 или 12; им соответствует значительная плотность упаковки, которая определяется тем, что ионы металла укладываются в пространстве как шары одинакового размера. Кристаллические решетки металлов подразделяются на три вида:

кубическая объемноцентрированная решетка, для которой характерно координационное число 8 и плотность упаковки (т. е. часть пространства в данном кубе, занятая шарообразными иона­ми) составляет 68 %;

кубическая гранецентрированная решетка с координационным числом 12 и плотностью упаковки 74 %;

гексагональная решетка также с координационным числом 12 и плотностью упаковки 74 %.

Особенности кристаллических решеток металлического типа обуславливают характерные физические свойства ме­таллов.

Механические свойства. Плотность металлов не является их характерным свойством. Она изменяется в очень значительных пределах - от 0,53 у лития до 22,5 г/см³ у осмия.

По значениям плотности металлы в технике подразделяются на легкие - плотностью меньше 5 и тяжелые - плотно­стью больше 5 г/см³. По этому признаку к легким металлам относятся щелочные, щелочноземельные металлы, бериллий, алюминий, скандий, иттрий и титан; к тяжелым - все остальные. Таким образом, ассортимент легких металлов невелик. Плотность металлов весьма заметно зависит от температуры.

Характерным механическим свойством металлов является их пластичность. Способность металлов к пластиче­ской деформации обусловлена особенностью их кристаллической структуры, связанной с наличием свободно перемещающихся

меж­ду узлами решетки электронов. Смещение заполненных ионами плоскостей в металлическом кристалле не приводит к его разрушению, если только расстояния между плоскостями изменяются в пределах, допускающих осуществление металлической связи.

Для оценки механических, в частности упруго-прочностных, свойств метал­лов используют методы измерений, которыми устанавливается связь между значениями напряжения и деформации. При этом используются следующие количественные характеристики такой связи: предел пропорциональности - напряжения, отвечающее началу отклонения от линейной пропорциональной зависимости между напряжением и деформацией; предел упругости - напряжение, отвечающее появлению остаточной деформации после нагружения образца металла; предел текучести - наименьшее напряжение, при котором продолжается деформация образца металла без заметного увеличения нагрузки; предел прочности - напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке и предшествующее разрушению образца металла; относительное удлинение - отношение приращения длины образца металла, остающегося после разрыва, к его начальной длине; относительное сужение - отношение наибольшего уменьшения площади поперечного сечения образца металла к начальной площади его поперечного сечения.

Твердость - это сопротивление проникновению в металл другого твердого тела. Она измеряется посредством вдавливания в образец специального стандартного тела (шарика, пирамидки). Твердость является ценным свойством металлов, используемых в качестве конструкционных и инструментальных материалов. Однако она не является характерным для металлов свойством, так как изменяется в очень широких пределах. Наиболее твердыми являются металлы группы хрома, наименее твердыми - щелочные металлы.

Ударная вязкость измеряется значением работы разруше-

ния единицы площади сечения образца металла методом удара.

Тепловые свойства. Значения удельной теплоемкости элементарных металлов изменяются в широких пределах, поскольку в столь же широких пределах изменяются атомные массы металлических элементов (правило Дюлонга и Пти). Удельная теплоемкость лития составляет 3,55 Дж / (г∙К), а урана - всего 0,115 Дж / (г∙К). Однако если учесть, что только у пяти металлических элементов атомная масса меньше 30, то можно сказать, что подавляющее большинство металлов характеризуется малыми значениями удельной теплоемкости [меньше 0,84 Дж / (г ∙ К) ].

Важной характеристикой металлов является теплота сублимации, выражаемая значением энергии, необходимой для пере­вода в парообразное состояние определенной массы металла. Это значение энергии является мерой прочности связи в кристаллической решетке твердого металла. В каждом периоде теплота сублимации металлов растет с увеличением атомного номера и достигает максимума в подгруппе хрома. Далее она снижается до минимума в подгруппе цинка. В А- подгруппах (и в подгруппе цинка) значения теплоты сублима­ции с увеличением атомного номера снижаются, а В- подгруппах растут аналогично изменениям температур плавления и кипения металлов.

Для металлов характерна большая теплопроводность Свободные электроны, находящиеся в постоянном движении, все время стаскиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Усилившиеся при нагревании колебания ионов не­замедлительно передаются при посредстве электронов соседним ионам, причем происходит быстрое выравнивание температуры по всей массе металла.