Метали

МЕТА́ЛИ  — хімічні елементи з високою концентрацією вільних електронів (10,22–10,23 в 1 см³). Характерні властивості М.: високі теплова і електрична провідності, додатковий температурний коефіцієнт електро­опору, висока відбивна здатність відносно до видимого світла (блиск і непрозорість), підвищена пластичність (ковкість). Вони складають понад 80 % від усіх нині відомих хімічних елементів. Це кристалічні матеріали, однак при надшвидковому охолодженні можна одержати їх в аморфному стані. Всі М. і сплави поділяють на чорні (залізо, Fe; заліза сплави; найбільше використовують залізовуглецеві сплави — сталі та чавуни, а також феросплави; див. Металургія чорних металів, Чорна металургія) та кольорові метали (або незалізні; див. також Металургія кольорових металів, Кольорова металургія).

За хімічними і фізичними властивостями та характером залягання у земній корі розрізняють декілька груп незалізних М. (багато М. можуть бути уналежнені до різних груп одночасно): 

• легкі (алюміній, Al; магній, Mg; титан, Ti; берилій, Be; літій, Li; натрій, Na; калій, K; кальцій, Ca; рубідій, Rb; цезій, Cs; стронцій, Sr; барій, Ba); важкі (мідь, Cu; нікель, Ni; кобальт, Co; свинець, Pb; олово, Sn; кадмій, Cd; сурма, Sb; вісмут, Bi; ртуть, Hg; цинк, Zn); 
• тугоплавкі (вольфрам, W; молібден, Mo; ніобій, Nb; тантал, Ta; реній, Re; ванадій, V; хром, Cr; цирконій, Zr; гафній, Hf);
  
• благородні (золото, Au; срібло, Ag; платина, Pt; рутеній, Ru; родій, Rh; паладій, Pd; осмій, Os; іридій, Ir); 
• розсіяні (галій, Ga; індій, In; талій, Ti);
  
• рідкісноземельні (скандій, Sc; ітрій, Y; лантан, La; церій, Ce; празеодим, Pr; неодим, Nd; прометій, Pm; самарій, Sm; європій, Eu; гадоліній, Gd; тербій, Tb; диспрозій, Dy; гольмій, Ho; ербій, Er; тулій, Tm; ітербій, Yb; лютецій, Lu); 
• радіоактивні (технецій, Th; францій, Fr; радій, Ra; полоній, Po; актиній, Ac; торій, Th; протактиній, Pa; уран, U; нептуній, Np; плутоній, Pu; америцій, Am; кюрій, Cm; берклій, Bk; каліфорній, Cf; айнштайній, Es; фермій, Fm; менделевій, Md; нобелій, No; лоуренсій, Lr).

Існують первинні (виплавляють із руд або рудних матеріалів) та вторинні (одержують у результаті переплаву металевого брухту та металевих відходів виробництва). Чорнові М. — кольорові метали з деяким вмістом домішок, одержані при переробці руд. Електролітні М. виробляють за допомогою електролізу або електролітичного рафінування; листові М. (листи та широкі листові смуги з М.) — шляхом вальцювання. З Al, Pb, Cu вальцюють фольгу. Завдяки одночасному вальцюванню пакетів з 2-х заготовок різних М. виготовляють біметалеві листи. Чисті метали — М. з низьким вмістом домішок. Вони вирізняються максимальною електропровідністю, корозійною стійкістю та високою пластичністю. Для їхнього одержання проводять очищення у дві стадії: спочатку здійснюють глибоке очищення проміжних хімічних сполук, а потім додаткове рафінування отриманих М. Іноді для 2-ї стадії використовують вже готові М. звичайної технічної чистоти.

За ступенем чистоти М. бувають:

• особливої чистоти (ступінь чистоти від 99,999 до 99,9999 %), 
• підвищеної чистоти (від 99,90 до 99,99 %), 
• пониженої чистоти (від 95 до 99 %),
• середньої чистоти (від 99,0 до 99,90 %), 
• спектрально чисті (від 99,999 до 99,9999 %), 
• технічно чисті (з вмістом домішок 0,01–1,0 %), 
• ультрачисті (масова доля домішок не перевищує 10–3 %)
• хімічно чисті (з вмістом осн. М. від 99,99 до 99,999 %).

Рідкісні метали — М., що рідко зустрічаються у земній корі, а також такі, виробництво і застосування яких нині відносно незначне внаслідок екон. і (або) технол. причин. До них відносять деякі легкі (Be, Li, Rb, Cs) та радіоакт. (Ac, Th, Pa, Po, Ra, Tc, Fr), розсіяні, рідкісноземел. і майже всі тугоплавкі М. Легкі М. мають питому масу не вищу за 5 г/см3, важкі — 8 г/см3.

Початок розвитку металургії легких М. сягає серед. 19 ст. Основні способи одержання: електроліз розплавів солей, метало- і електротермія. Їх використовують зазвичай як основу легких сплавів, зокрема сплавів з великою питомою міцністю, а також як легуючі домішки до ін. сплавів. Матеріали на основі деяких сполук легких М. (гідрид берилію, карбід титану) широко використовують у техніці. Найбільше застосовують Al, Be, Li, Mg, Ti. Як чисті М. (крім гальваніч. покриттів) у вигляді листів, прутків, дроту, виробів і напівфабрикатів випускають Cu, Ni, Sn, Pb, Zn і, частково, Co. Благород. М. властиві висока хім. стійкість і красивий зовн. вигляд у виробах. Au, Pt і Ag високо пластичні. Іноді виокремлюють дорогоцінні М. (мають валютно-фінанс. цінність): Au, Ag і платинові (легкі: Ru, Rh, Pd; важкі: Os, Ir, Pt). Платин. М. належать до найменш поширених елементів у природі. Зустрічаються найчастіше у самород. стані, зазвичай у вигляді сплавів як між собою, так і з ін. М. Осн. джерело одержання платин. М. — сульфідні міднонікел. руди. Розділення елементів платин. групи і одержання їх у чистому вигляді є склад. процесом. Платин. М. відносяться до тугоплавких М.

У земній корі рідкісноземельних М. міститься бл. 0,016 %. Найбільш розповсюдженими є Ce та Y. Характерна особливість рідкісноземельних М. — їхня сумісна присутність у природі та близькість хімічних властивостей. Більшість із них поліморфні. Рідкісноземельні М. бувають: 

• церієвої підгрупи (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu);
• ітрієвої підгрупи (Y, Gd, Tb, Dy, No, Er, Tm, Yb, Lu).

 Їх одержують зазвичай способами металотермії або електролізу, порошки — гідрування елементів з наступним нагріванням у вакуумі. 

У радіоактивних М. всі ізотопи радіоактивні. Трансуранові елементи: Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr. Із природними радіоактивними М. лише U і Th мають радіоактивні ізотопи, період напіврозпаду яких співрозмірний з тривалістю існування Землі, тому тільки вони є первинними. Всі інші природні радіоактивні М. є вторинними й існують лише тому, що їхній запас безперервно поповнюється за рахунок розпаду ін. довго живучих радіоактивних ізотопів. Nc, Pm і трансуранові елементи одержують за допомогою штучних ядерних реакцій.

Інші групи металів:

• лужні М.: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr; 
• лужноземельні М.: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra; 
• лантаноїди: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; 
• актиноїди: Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Md, No, Lr. 

У перехідних М. частково заповнені внутрішні d- і (або) f-електронні підрівні (групи від Sc до Ni, від Y до Pd, від Hf до Pt, La і лантаноїди, Ac і актиноїди). Більшість d-перехідних М. мають високі t_пл, підвищений електричний опір та утворюють металоподібні сполуки.

До напівметалів уналежнюють: бор, B; арсен, As; сурму, Sb; телур, Te; полоній, Po; іноді — германій, Ge; графіт, C. Легкоплавкими (t_пл не перевищує 500 °C) є Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi, Ti, Sb та елементи з ослабленими метал. властивостями Ga і Ge. Розсіяні М. — група хімічних елементів, що трапляються у природі зазвичай у вигляді домішок у різноманітних мінералах. Їх вилучають із руд інших металів або корисних копалин (вугілля, солей, фосфоритів тощо). Серед найважливіших розсіяних М. — Rb, Ti, Ga, Cd, In, Sc, Ge, Hf, V, Te, Re. У розсіяному стані можуть траплятися й багато інших елементів, зокрема Li, Cs, Ag, Sr, рідкісноземельні елементи, Nb, U, Th. Однак виробництво цих елементів базується на власних покладах і лише частину добувать попутно із руд інших металів.

Завантажити статтю