Какими общими физическими свойствами обладают металлы почему
Анонимный вопрос · 22 октября 2018
< 100
⦁ Как строение металлов и неметаллов обуславливает их свойства?
Невское Оборудование поставщик металлообрабатывающего оборудования и станков · spbstanki.ru
Ваш вопрос имеет отношение скорее к химии. Металлы имеют немолекулярное строение и сходные физические свойства: это твердые вещества (кроме ртути), они обладают характерным металлическим блеском, не имеют запаха, хорошо проводят тепло и электрический ток, а также имеют немолекулярное строение. Неметаллы также имеют свой набор свойств, отличающихся от металлов: отсутствует металлический блеск, имеют низкую электропроводность и теплопроводность; большинство неметаллов имеет молекулярное строение (кислород, азот, хлор, фтор и т.д.); неметаллы могут существовать в трех формах: жидком (бром), твердом (сера, иод, белый фосфор) и газообразном состоянии (водород, кислород, азот, инертные газы и т.д.).
Все эти свойства обусловлены строением металлов и неметаллов:
Высокую электропроводность металлов обуславливают свободные электроны, перемещающиеся по кристаллической решётке под действием электрических полей. При нагревании электропроводность уменьшается;
Металлический блеск металлов, пластичность и другие свойства обусловлены их кристаллическим строением, в узлах кристаллической решетки расположены отдельные атомы. Они слабо удерживают валентные электроны, которые по этой причине свободно перемещаются по всему объему металла, формируя единое электронное облако и в равной степени притягиваются всеми атомами.
Высокая теплопроводность металлов происходит из-за наличия свободных электронов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них — следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.
Металлы – восстановители (отдают электроны) они вступают в химические реакции с неметаллами, образуя оксиды, гидроксиды, соли. Самыми активными являются щелочные и щелочноземельные металлы, расположенные в I и II группах таблицы Менделеева. Благородные металлы (Au, Ag, Pt) малоактивны и не взаимодействуют с кислородом и водой;
Неметаллические свойства связаны со способностью атомов элементов присоединять к себе электроны. Притяжение внешних электронов к ядру тем сильнее, чем меньше размеры атома и больше заряд ядра. В периоде с ростом заряда ядра от элемента к элементу радиус атома уменьшается, сильнее становится притяжение внешних электронов к ядру и неметаллические свойства усиливаются.
Как изменяются свойства химических элементов в периодах и группах?
Подготовила к ЕГЭ по химии 5000 учеников. С любого уровня до 100 в режиме онлайн 🙂 · vk.com/mendo_him
При движении по группе главной подгруппы сверху вниз⬇️
????Радиус атома увеличтвается
????Электроотрицательность уменьшается
????Окислительные свойства ослабевают
????Восстановительные свойства усиливаются
????Неметаллические ослабевают
????Металлические усиливаются
По периоду слева направо всё наоброт????
????Радиус уменьшается
????ЭО возрастает
????Окислительные свойства усиливаются
????Восстановительные ослабевают
????Неметаллические увеличиваются
????Металлические свойства ослабевают
Прочитать ещё 1 ответ
Каким образом углерод добавляет прочности металлу? Как взаимодействует с железом? Именно на атомном уровне. И почему нельзя превышать определенный процент?
Researcher, Institute of Physics, University of Tartu
Углерод добавляет железу не столько прочность, сколько твердость. Пластичность при этом обычно снижается. Механизм двоякий:
1) образование карбида железа (цементит) и упорядоченных твердых растворов углерода в железе (аустенит, мартенсит, феррит и т.д.), обладающих высокой твердостью,
2) образование включений углерода в виде пластинок, хлопьев или глобул графита, которые тоже приводят к повышению твердости за счет создания напряжений в структуре.
В зависимости от содержания углерода и других легирующих добавок, а также от способа изготовления стали, ее фазовый состав и структура могут быть очень разными, соответственно, очень разными могут быть и механические характеристики. Писать подробно — это целый реферат получится. Почитайте про виды чугунов и сталей и про фазы и структуры железоуглеродистых сплавов, на эту тему есть куча литературы.
Почему именно у серебра самая высокая электропроводность среди металлов? Как это объясняется на уровне взаимодействия между атомами?
Сусанна Казарян, США, Физик
Вопрос касается электропроводности металлов, описываемой Зонной теорией металлов и квантовой механикой. И действительно, проводимость Серебра (⁴⁷Ag) на 6% больше проводимости Меди (²⁹Cu). Почему? Боюсь этот вопрос на сегодня открытый. Вот электронные конфигурации Меди и Серебра:
- Cu: 2 8 18 1
- Ag: 2 8 18 18 1
Разница только в наличии незаполненной четвертой электронной оболочки Серебра, что не должно давать особых преимуществ в электропроводности. Главную же роль в высокой их электропроводности играет одинокий электрон на последней оболочке, склонный к свободной беспризорной жизни бродяги (дрейфу) в необъятных просторах кристаллической решётки металлов. Электропроводность (σ) по определению пропорциональна числу свободных электронов (n) и их среднему свободному пробегу (d), и обратно пропорциональна скорости дрейфа (v) свободных электронов, т.е. σ ∝ (n/v)⋅d. Так вот, отношение (n/v) для Меди больше чем для Серебра более чем на 10%. Но из эксперимента известно, что σ(Ag) > σ(Cu), a это значит, что средний свободный пробег электронов (d) в Серебре, соответственно больше чем в Меди. Почему? Ответ скрыт в электрон-фононных взаимодействиях при движении свободных электронов в кристаллической решётке, а фонон это квант колебательного движения (вибрации) атомов металла в решётке. А вот туда (за решётку) влезать я всегда избегаю и вам советую. Целее будем.
Могут ли на других планетах, в Солнечной системе и за ее пределами, существовать абсолютно новые металлы, отличные от земных железа, меди, золота? Или все металлы во Вселенной одни и те же?
Инженер, немного пилот. Физик, химик, электронщик-любитель. Независимый звукореж…
Все химические элементы, в том числе металлы, подчиняются Периодическому закону Д.И.Менделеева, который, в свою очередь, обусловлен устройством атомов, а точнее, их электронных оболочек. Поскольку в таблице Менделеева нет пустых ячеек, то и новых элементов, по крайней мере, при условиях как в Солнечной системе, ожидать не приходится.
Если же условия будут существенно отличаться от условий в Солнечной системе (например, внутри или в окрестностях «чёрной дыры»), то конфигурация электронных оболочек в атомах может быть другой, что приведёт к «неведомым» элементам. Но в этом случае и «таблица Менделеева» там будет выглядеть совсем по-другому.
Кстати, во времена Менделеева, в его таблице были пустые ячейки, например, под номером 43. «Эко-марганец» (в последствии названный «технеций»), предсказанный Менделеевым, самый лёгкий элемент, не имеющий стабильных изотопов, был получен искусственно только в 1937 году.
Прочитать ещё 4 ответа
Общие физические свойства мекталлов:
1) Пластичность — способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду — Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe уменьшается.
2) Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.
3) Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду — Ag, Cu, Al, Fe уменьшается. При нагревании электропроводность уменьшается, т. к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».
4) Теплопроводность. Закономерность та же. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.
5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло) ; самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий — литий (r=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (r=22,6 г/см3).
Металлы, имеющие r < 5 г/см3 считаются «легкими металлами».
7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т. пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C).
Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.
Все металлы являются восстановителями. Для металлов главных подгрупп восстановительная активность (способность отдавать электроны) возрастает сверху вниз и справа налево. Например, Натрий и кальций вытесняют водород из воды уже при обычных условиях:
Ca + 2H2O Ca(OH)2 + H2¬ ; 2Na + 2H2O 2NaOH + H20
А магний при повышении температуры:
Mg + H2O –t MgO + H2
Восстановительная способность и химическая активность элементов побочных подгрупп увеличивается снизу вверх по группе (например, серебро на воздухе окисляется, а золото нет; медь вытесняет серебро из его соли) :
Cu + 2AgNO3 → 2Ag ↓ + Cu(NO3)2
Cu0 -2 ē → Cu+2 1 О. О. В.
Ag+ + ē → Ag0 2 В. В. О.
Высшая положительная степень окисления для металлов главных подгрупп в их соединениях равна номеру группы (например, NaCl, MgCl2, AlCl3, SnCl4), а для металлов побочных подгрупп в их кислородосодержащих соединениях также часто совпадает с номером группы (например, ZnO, TiO2, V2O5, CrO3, KMnO4).
Свойства оксидов металлов слева направо по периоду и снизу вверх по группе изменяются от основных к амфотерным для металлов главных подгрупп (Na2O и MgO – основные оксиды, Al2O3 и BeO – амфотерные) . Для металлов побочных подгрупп свойства оксидов, в которых металлы проявляют свою высшую степень окисления, изменяются от основных через амфотерные к кислотным ( CuO — основной, ZnO — амфотерный, CrO3 — кислотный) .
Сила оснований, образуемых металлами главных подгрупп увеличивается справа налево по периоду и сверху вниз по группе ( Be(OH)2 и Al(OH)3– амфотерные гидроксиды, Mg(OH)2 — слабое основание, NaOHи – Ca(OH)2 сильные основания) . Гидраты оксидов металлов побочных подгрупп с высшими степенями окисления металла вдоль периода слева направо меняют свои свойства от оснований через амфотерные гидроксиды к кислотам ( Cu(OH)2 — основание, Zn(OH)2 — амфотерный гидроксид, H2CrO4 — кислота) .
В природе металлы встречаются в основном в виде соединений – оксидов или солей. Исключение составляют такие малоактивные металлы, как серебро, золото, платина, которые встречаются в самородном состоянии.
Все способы получения металлов основаны на процессах их восстановления из природных соединений.
Когда-то пресловутая фраза «люди гибнут за сталь» была символом важности данного материала в жизни людей. Да и сегодня он не потерял своей актуальности. Он активно используется в самых разных областях жизнедеятельности человека, начиная со строительства и производства высокотехнологичных изделий, заканчивая предметами роскоши и украшениями. По этой причине свойства интенсивно исследовались и сейчас изучаются ведущими умами и крупнейшими корпорациями.
Что же это такое?
На сегодняшний день известно огромное количество различных металлов. Каждый из них обладает определенными характеристиками, отличающим его от других химических элементов или материалов. Однако существуют определенные признаки, которые однозначно говорят, что мы имеем дело с металлическим компонентом:
- Высокая теплопроводность и низкое электрическое сопротивление. Другие составы не обладают таким сочетанием. К примеру, графит проводит электричество, но не тепло.
- Присутствие блеска в области излома.
- Подверженность ковке.
- Кристаллы в структуре.
Какие виды встречаются?
Свойства металлов во многом зависят от того, к какому виду тот или иной ингредиент относится. В этом ракурсе стоит выделить черные и цветные компоненты.
Чермет
Данная группа считается самой распространенной и востребованной в объемном ракурсе. Свое название они получили благодаря своему цвету – темному. При этом отличительной особенностью черных руд считается низкая стоимость.
В свою очередь, классифицируется на:
- железные – сюда стоит отнести железосодержащие материалы и основы, а также никелевые и кобальтовые сплавы;
- тугоплавкие основания для сплавов (имеют температуру плавления равную или превышающую 1600 градусов Цельсия, что является достаточно высоким показателем);
- низкопрочностные редкоземельные элементы, такие как церий, неодим и другие (активно используются в производстве микроэлектроники).
Цветмет
Принято считать, что эта группа элементов отличается меньшими прочностными характеристиками, температурой плавления, устойчивостью к механическим нагрузкам, но более солидной стоимостью. Понятно, что по всем этим позициям встречаются исключения.
Цветные ранжируют на следующие категории:
- Легкие – литий, натрий и так далее. Они характеризуются небольшой плотностью – до 5 тонн на метр кубический. Это всего в 5 раз больше воды.
- Тяжелые – свинец, серебро, золото. Их плотность в разы выше легких.
- Благородные – те же золото и серебро, а также платина, плутоний.
Также поделить «цветные» разновидности можно на тугоплавкие и легкоплавкие.
Сплавы – основная форма представления
В чистом виде подобного рода элементы в природе и жизнедеятельности человека не встречаются. Да и без примесей они не просто неустойчивы, но бесполезны. Даже золотые и серебряные мерные слитки в банках имеют определенный процент добавок, в том числе и для увеличения прочностных характеристик. Кстати, они в буквальном смысле меняются кардинальным образом от варианта метсплава.
Физические свойства металлов
В данном случае речь идет о различных визуальных аспектах, а также параметрах, связанных с физикой. Можно привести сравнительную таблицу:
| Показатели | Категории | Примеры |
| Электрическая проводность | проводник диэлектрик | железо магний |
| Температура плавления | низкая высокая | ртуть хром |
| Удельный вес | малый большой | берилий осьмий |
| твердость | мягкий высокотвердый | натрий вольфрам |
На практике знание физических свойств металла описывает сферу использования того или иного мономатериала. В частности, электропроводность определяет область применения в электронике, как вариант, германий – полупроводники, серебро – дорожки микросхем.
К физ. характеристикам также относят цветопередачу – зрительный параметр, который может изменяться под воздействием различных факторов, например, температуры или наличия-отсутствия защитного покрытия. Многие цвета, кстати, были названы в честь хим. элементов – золотой, серебристый, медный и так далее.
Химические свойства металлов
Таблица Менделеева на треть состоит из рассматриваемых в данной статье моноэлементов. С практической точки для обывателя, да и специалиста, эти аспекты определяют их взаимодействие с окружающими агрессивными средами, такими как реагенты из воздушной массы, влажность, перепады температурных показателей, как суточных, так и годовых.
В этом ракурсе металлопозиции утрировано разделяются на следующие группы:
- Активные. В качестве примеров можно привести литий, калий, барий, кальций, натрий.
- Среднеактивные – магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, никель, серебро.
- Малоактивные. Речь идет о меди, золотых слитках, платине и иных инертных компонентах.
Соединение с простыми веществами
Самым популярным в мире соединением, которое формируется между двумя одинаковыми элементами – это, безусловно, оксид. Ярким примером, который считается весьма распространенным и не очень приятным с практической точки зрения, считается окись железа – ржавчина (каждый из нас сталкивался с коррозионными процессами):
2FE + O2 = 2FEO.
Важно знать, что благородные металлоэлементы, такие как серебро, золото и платина, оксиды в обычных условиях не образуют. Это и является одной из основных причин их высокой стоимости.
О взаимодействии с галогенами (фтором, хлором и другими позициями, которые присутствуют в окружающей среде) также не стоит забывать. Вариант: образование солей:
2Na + Cl2 = 2 NaCl.
Реакции со сложными соединениями
Здесь в первую очередь необходимо отметить взаимодействие щелочей с водой. Такие реакции всегда сопровождаются выделение водорода, что на практике чревато формированием взрывоопасной среды.
Среднеактивные также могут реагировать с H2O. Однако происходит это при достаточно высоких температурах, поэтому в обычных условиях повышения концентрации водорода не стоит.
Механические свойства металлов
Данные сведения не рассматриваются как расчетные величины. Они определяются в процессе экспериментальных изысканий, в частности, деформации заготовок на растяжение и сжатие с применением специализированного оборудования.
Основными называют:
- Прочность. Под этим аспектом принято понимать способность сохранять кристалическую целостность под воздействием мех. нагрузок различного типа, как статических, так и динамических, в том числе ударного формата. Чем прочнее монометалл, тем он долговечнее в тех конструкциях, где материал подвергается серьезным перегрузкам. Особенно это бывает актуально в тех областях, где от прочностных показателей зависит жизнь и здоровье человека, например, на транспорте.
- Пластичность – характеристика, отражающая потенциал того или иного моноэлемента либо сплава под усилиями от внешних сил изменять свою геометрию и объем. При этом, опять же, физического разрушения кристаллической решетки не должно быть.
- Твердость. Понятно, что подавляющее большинство металлических брусков руками не проверишь – для железа и алюминия ощущения будут одинаковыми. Для этого используются специальные приспособления – приборы Бриннеля или изобретение Роквелла. В первом случае в образец пытаются «впихнуть» сильнозакаленный шар, во втором – алмазную пирамиду. По размеру следа от давления и устанавливается плотность того или иного состава.
Здесь важно понимать, что прочность и твердость – это разные механические свойства металлов, порой, даже не взаимозначимые. Твердые образцы могут быть хрупкими.
- Ударная вязкость. Как следует из названия речь идет о возможности противостоять нагрузкам при целенаправленных ударах. Измеряется в джоулях на сантиметр кубический.
- Упругость. Под действием различного рода сил образец изменяет свою форму и объем. Способность восстановить свои начальные параметры и определяют упругость.
Также к механике относятся конструкторские особенности – надежность, живучесть, долговечность.
Технологические характеристики
При оценке целесообразности выбора того или иного металла для решения конкретных практических, производственных задач, необходимо учитывать:
- Ковкость. Под давлением производится обработка изделий. При этом полного разрушения не наблюдается, однако структура кристаллической решетки изменяется. В результате могут меняться механические, физические и даже химические факторы изделий.
- Свариваемость. Возможность формирования сварных соединений с применением стандартных технологий.
- Усадка – определяется соответствующим коэффициентом. При нагреве любой объект расширяется, после охлаждения – уменьшается. Так вот соотношение и определяет данное свойство. Кстати, далеко не всегда малое усадочное значение являет собой благо. К примеру, ртутные термометры работают именно за счет предельно большого коэффициента расширения.
- Податливость режущим инструментам. С технологической точки зрения производственную ценность имеет только тот компонент, который можно сравнительно просто обработать или изготовить этот самый технический инструментарий.
Рассматриваемые направления характеризуют поведение уже готовых производственных изделий, товаров в процессе эксплуатации.
Таким образом, металлы – весьма распространенный материал, который активно используется в самых разных областях жизнедеятельности. Это обусловлено широкой вариативностью физических, химических, механических параметров продукции.