Острые, блестящие и прочные - металлы - это мальчики-мачо с плаката в материальном мире. Изучение того, как извлекать эти вещества из Земли и превращать их во всевозможные полезные материалы, было одним из самых важных достижений в человеческой цивилизации, создавая инструменты , украшения, двигатели , машины и гигантские статические конструкции, такие как мосты и небоскребы. При этом «металл» - это почти невероятно широкий термин, охватывающий все, от свинца (сверхтяжелый металл) до алюминия.(сверхлегкий) до ртути (металл, который обычно является жидкостью) и натрия (металл, достаточно мягкий, чтобы резать, как сыр, который, сплавленный с хлором, вы можете посыпать пищей - как соль!). Что такое металлы и что делает их такими полезными? Рассмотрим подробнее!
Что такое металлы?
Вы можете подумать, что Земля - это большой кусок камня, твердый снаружи и мягкий посередине, но на самом деле в ней довольно много металла. Что такое металл? Более трех четвертей химических элементов, которые встречаются в природе на нашей планете, являются металлами, поэтому почти легче сказать, каким металлом не является .
Когда мы говорим о металлах , мы обычно имеем в виду химические элементы, которые являются твердыми (с относительно высокими температурами плавления), прочными, долговечными, блестящими, серебристо-серого цвета, хорошими проводниками электричества и тепла и с которыми легко работать. Различные формы и формы (например, тонкие листы и проволока). Слово «металл» - довольно широкий и расплывчатый термин, и вы не можете дать ему точного определения.
Когда мы говорим о неметаллах , это должно означать все остальное, хотя все немного сложнее. Иногда вы услышите, как люди относятся к полуметаллам или металлоидам , которые представляют собой элементы, физические свойства которых (твердые или мягкие, переносят ли они электричество и тепло) и химические свойства (как они ведут себя, когда встречаются с другими элементами в химическом соединении). реакции) находятся где-то посередине между металлами и неметаллами. К полуметаллам относятся такие элементы, как кремний и германий - полупроводники (материалы, которые проводят электричество только в особых условиях), используемые для изготовления интегральных схем в компьютерных микросхемах и солнечных элементах.. Другие полуметаллы включают мышьяк, бор и сурьму (все они были используются при получении - «легировании» - полупроводников).
Взгляните на таблицу Менделеева и вы увидите, что два типа металлов подвергаются особому вниманию. В середине таблицы преобладает большая группа элементов, называемых переходными металлами (или переходными элементами); здесь обитает большинство знакомых металлов (включая железо , медь , серебро и золото), а также менее известные металлы, такие как цирконий, осмий и тантал. Другая группа, называемая редкоземельными металлами, часто печатается отдельно от основной таблицы Менделеева и включает пятнадцать элементов от лантана до лютеция, а также скандий и иттрий (которые химически очень похожи). Их называют «редкоземельными» металлами по той довольно очевидной причине, что первоначально считалось, что они существуют в чрезвычайно редких месторождениях на Земле, хотя теперь известно, что некоторые из них встречаются относительно часто. Как и многие обычные металлы, редкоземельные элементы не встречаются в природе в чистом виде, а только в виде оксидов металлов.
Не совсем металлы
Когда металл не металл? Посмотрите на машину, самолет или мотоцикл, и вы увидите много металла - или вы? Довольно много металлоподобных материалов вокруг нас на самом деле являются сплавами : металлы, которые были смешаны с другими материалами (металлами или неметаллами), чтобы сделать их прочнее, тверже, легче или лучше в каком-то другом смысле. Сталь - это сплав железа, например, который содержит небольшое количество углерода (различные типы стали содержат больше или меньше углерода). Бронза - это сплав меди и олова , а латунь - это сплав, который получается при смешивании меди и цинка.
Также очень часто можно найти пластмассы , на которые нанесено гальваническое покрытие (покрытое тонким слоем металлического элемента с использованием электричества), чтобы они выглядели как блестящие металлы. Пластмассы, обработанные таким образом, выглядят блестящими и привлекательными, как металлы, но обычно дешевле, легче и устойчивы к ржавчине, но при этом более слабые и менее долговечные.
Как добывают металлы?
Собираете ли вы самолеты или собираете батареи , вам нужны металлы - и много. Загвоздка в том, что металлы обычно не встречаются в земле в том виде, в каком мы хотели бы их найти, в чистом виде и в отложениях, достаточно больших, чтобы их извлечение окупилось. Часто они погребены в скале с отложениями других металлов, и существуют не в виде чистых элементов, а в виде оксидов (металлов, сплавленных с атомами кислорода ) и других соединений. Таким образом, производство большого количества металла, такого как железо, алюминий или медь, включает две отдельные операции: извлечение руды (месторождения, состоящее обычно из огромного количества бесполезной породы и меньшего количества полезных металлов) из шахты или карьера, а затем очистка руда для перевода металлов из их оксидов (или других соединений) в чистую форму, которая нам нужна.
То, как именно это делается, варьируется от металла к металлу и от места к месту, но обычно включает в себя сочетание механической обработки (например, измельчение, фильтрование или использование воды для смывания нежелательных материалов), химической обработки (возможно, с использованием кислот), нагрев (например, плавка железной руды включает ее обжиг на воздухе для удаления примесей) и электрическая обработка (такая как электролиз - разделение химического раствора на составляющие элементы путем пропускания через него электрического тока ).
На что похожи металлы?
Физические свойства
С таким большим количеством химических элементов, классифицируемых как металлы, вы можете подумать, что будет трудно делать какие-то общие выводы. Но эта проблема актуальна практически для любого обобщения: каждый дом индивидуален, но мы все же можем сказать, что дома, как правило, имеют двери, стены, окна и крышу и обеспечивают защиту от непогоды - и мы все можем нарисовать один из них на бумаге.
В отношении металлов мы делаем следующие обобщения:
· В основном они твердые (при обычных температурах), кристаллические (их атомы уложены в упорядоченные структуры, как банки в супермаркете), твердые, прочные и плотные (например, большинство металлов тонут, если вы бросите их в воду ).
· Металлы бывают пластичными (относительно легко придать новые формы и формы) и пластичными (с правильным оборудованием вы можете разделить их на длинные тонкие проволоки). Даже в этом случае они не изнашиваются быстро и не ломаются, хотя могут и действительно ломаются (трескаются или трескаются) в результате повторяющихся напряжений и деформаций из-за усталости металла (постепенно развивающейся слабости).
· Большинство металлов непрозрачны (если только они не очень тонкие), имеют блестящий и серебристо-серый цвет (потому что они имеют тенденцию отражать все длины волн света в одинаковой степени). Некоторые металлы окрашены (потому что они отражают определенные длины волн света лучше, чем другие); Самыми известными примерами, вероятно, являются золото (желтоватый цвет) и медь (обычно красноватая, хотя она становится синей после того, как на воздухе преобразуется в оксид меди).
· Большинство металлы проводят электричество хорошо (они имеют низкое электрическое сопротивление , другие слова) и чувствовать себя сразу холодным на ощупь (потому что они проводят тепло слишком хорошо, быстро унося тепловую энергию от вашего тела).
· Металлические элементы, такие как железо, никель, кобальт и неодим (и сплавы на их основе), создают лучшие магниты.Большинство других металлов создают такие плохие магниты, что их обычно считают немагнитными.
Как металлы проводят тепло и электричество?
Почему металлы такие хорошие проводники тепла и электричества? Самое простое объяснение состоит в том, чтобы представить атомы в металле как ионы (положительно заряженные ядра), окруженные своего рода морем свободных электронов, которые легко омывают всю структуру, неся тепло или электрическую энергию на своем пути. Помните, что противоположности притягиваются как в электричестве, так и в магнетизме , поэтому статическое электрическое притяжение между положительно заряженными ионами и отрицательно заряженными электронами создает прочную и твердую структуру с прочными связями. Атомы все еще могут перемещаться друг относительно друга (с трудом), поэтому металлы относительно легко обрабатывать и формировать.
Металлурги (ученые, изучающие металлы) предпочитают объяснять свойства металлов, используя более сложную идею. Вы, наверное, узнали в школе, что электроны в одном изолированном атоме расположены по энергетическим уровням (иногда их называют оболочками, иногда орбиталями - разные идеи, но в целом они говорят об одном и том же). В твердом теле много атомов, расположенных рядом друг с другом, но они не ведут себя как изолированные единицы. Вместо этого их электронные орбитали перекрываются, образуя так называемые полосы, которые проходят между атомами (другими словами, это молекулярные орбитали) и распространяются по всему твердому телу.
Согласно этой теории, твердые тела имеют две зоны, называемые валентной зоной (содержащей электроны, которые участвуют в связывании) и зоной проводимости (которая позволяет электронам свободно перемещаться через металл, неся тепло или электрическую энергию). Что отличает металлы, неметаллы и полуметаллы, так это способ движения электронов между зонами:
· В металлах (проводниках) две зоны перекрываются, поэтому, когда к материалу добавляется энергия (в форме тепла или электричества), электроны легко продвигаются из валентной зоны в зону проводимости и переносятся через материал, вызывая электрический ток или теплопроводность.
· В неметаллах (изоляторах) существует большая «запрещенная зона» между валентной зоной и зоной проводимости; Другими словами, требуется много энергии, чтобы переместить электрон из одной зоны в другую. В нормальных условиях электроны не переходят из валентной зоны в зону проводимости, а материал не проводит электричество или тепло.
· Согласно этой теории, полуметаллы (такие как полупроводники) находятся на полпути между металлами и неметаллами: они эффективно изоляторы с гораздо меньшей шириной запрещенной зоны, чем обычные неметаллы.
Химические свойства
Металлы легко реагируют с другими элементами, их атомы отдают электроны с образованием положительных ионов и соединений, известных как соли. «Соль», которую вы можете посыпать на обед, - типичный пример (это соединение, которое образуется, когда металлический натрий реагирует с газообразным хлором), но это только одна из сотен различных солей. Общая готовность металлов вступать в реакцию с другими элементами является основной причиной того, почему их часто так сложно извлечь из руд: они так легко реагируют с кислородом воздуха (или серой в земле), что с большей вероятностью могут существовать в виде оксидов (или сульфидов), чем в чистом виде.
Подписывайтесь на канал ! Будет много интересного!