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