Сложно описать как много всего в мире делают из сплавов на основе различных металлов. Далеко ходить не нужно, у каждого дома есть куча металлических предметов: батареи, смесители, провода, столовые приборы, инструменты, украшения, магнитики на холодильнике, в конце концов сам холодильник, да даже нити в лампах накаливания (если конечно они ещё у вас остались) и ртуть в градуснике, это тоже металлы. И все они обладают совершенно разными свойствами.
- Батареи должны максимально эффективно передавать тепло от горячей воды внутри них в вашу квартиру (это свойство называется теплопроводность).
- Провода должны с минимальными потерями передавать электричество из розетки в ваши бытовые приборы (электропроводность).
- Ложки, вилки и ножи должны не ржаветь (сопротивление коррозии).
- Магнит на холодильнике должен "прилипать" к железной поверхности холодильника (магнитные свойства).
- Молоток должен быть твердым и прочным (механические свойства).
И так далее, перечислять можно очень долго. Но что именно определяет все эти свойства металлических предметов, почему одни ржавеют, а другие нет, одни хорошо проводят электричество, а другие не очень, одни прочные, а другие пластичные?
Свойства металлов определяются большим количеством параметров от строения отдельных атомов, до того как они группируются вместе на разных масштабах. Из уроков химии в школе нам всем известно, что атом (в том числе и металла) состоит из ядра и фиксированного количества электронов, каждый из которых "вращается" на определённом расстоянии (орбитали) от ядра. Особенности строения атомов определяют много свойств металлов, например их массу, электрические или магнитные свойства. Например, чтобы металл был магнитным нужно чтобы выполнялось несколько условий, одно из которых - незаполненные внешние электронные орбитали. Кстати, при комнатной температуре всего три металла магнитны, а именно железо, никель и кобальт.
Следующим важным параметром является уже не строение отдельного атома, а то как они ведут себя когда их много. А именно то как они располагаются и как связываются друг с другом. Когда металл находится в твёрдом состоянии его атомы занимают строго определённые места и образуют так называемую кристаллическую решётку. Характерна она не только для металлов, но и для минираллов и других веществ, а если точнее, для кристаллического (твёрдого) состояния различных химических элементов. Типов кристаллических решёток очень много, ниже приведены всего несколько примеров, атомы обозначены красными кружками, а черные линии добавлены просто для удобства описания таких структур.
Очевидно, что от того, какую именно кристаллическую решётку образуют атомы металла, тоже сильно зависят его свойства. Яркий пример - плотность. Если атомы одного и того же металла образуют решетку номер 1 то плотность будет выше по сравнению с решеткой номер 2, просто потому что в один и тот же объем влезет больше атомов, за счёт дополнительного атома в середине решетки. Кроме того, от типа решётки сильно зависят механические свойства, например если к металлу с решеткой 3 приложить горизонтальную нагрузку, то он легко деформируется, или даже разрушится. Это связано с тем, что расстояние между "слоями" из 6 атомов довольно большое, что приводит к слабой связи между ними и к тому что эти слои относительно легко сдвинуть относительно друг друга.
Когда металл нагревают, атомы, находящиеся каждый в своей позиции, начинают колебаться тем сильнее, чем больше температура. А при достижении определенного значения (температура плавления) эти колебания становятся такими сильными, что атомы "выпрыгивают" из своих позиций и закономерность их расположения нарушается. Это приводит к переходу из твердого в жидкое состояние. Чем прочнее атомы сидят на своих местах, тем большую температуру нужно приложить чтобы расплавить металл. Так, например в ртути, положение атомов в решетке очень шаткое, из-за чего при комнатной (и даже ниже) температуре она находится в жидком состоянии. В вольфраме же наоборот, очень трудно разрушить кристаллическое состояние, поэтому у него самая большая температура плавления среди металлов (почти 3500 градусов) и поэтому его используют в качестве нитей накаливания в осветительных приборах.
Очень важной отличительной особенностью металлов является то, что электроны атомов, из которых строится решётка, могут хаотично "гулять" по всему объему. А если создать условия для направленного протекания тока, то их движение перестает быть хаотичным и становиться направленным. Именно поэтому все металлы проводят электричество, а то насколько они хорошо это делают зависит, в том числе, от количества свободных электронов, которое в разных металлах отличается. С электропроводностью хорошо коррелирует и теплопроводность. Например алюминий является одновременно хорошим электро- и теплопроводником, так что из него можно делать и провода и радиаторы.
Кроме уже указанных особенностей, разные металлы обладают разными химическими свойствами, что даёт им свои "фишки". Например, всё тот же алюминий на воздухе быстро покрывается тонкой защитной плёнкой, что спасает его от коррозии (окисления). Именно поэтому из него раньше делали посуду. Сейчас для этого больше используют нержавейку, это сплав нескольких элементов, основными из которых являются железо и хром. Защитную функцию здесь выполняет именно хром, которого должно быть не меньше 13-14% чтобы сплав стал нержавеющим в условиях кухни.
Вообще, нужно отметить что чаще всего используются именно сплавы, а не чистые металлы. Это позволяет вобрать в себя лучшие качества от нескольких металлов и при этом сэкономить.
Конечно, это далеко не все параметры, которыми определяется многообразие свойств металлов и сплавов, их просто невозможно перечислить в одной небольшой статье.