Мета́ли (від )μέταλλον Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus Digital Library — клас хімічних елементів і речовин з такими хімічними та фізичними властивостями: за участі у хімічних реакціях є донорами електронів (легко віддають електрони), добре проводять електричний струм і тепло, непрозорі, але здатні відбивати світло (мають металевий блиск), ковкі, що дозволяє надавати виробам з них потрібної форми та розвальцьовувати їх, пластичні, що дає можливість витягати їх у тонкий дріт.
У твердому стані мають кристалічну будову (часто кубічні або гексагональні ґратки), відзначаються ковкістю. Атоми металів мають низькі енергії іонізації та малу спорідненість до електрона, отже, легко втрачають електрони з утворенням катіонів. У сполуки зазвичай входять як катіони. В комплексах, де вони виступають центральними атомами, несуть позитивний заряд. Зв'язок атомів у металічних кристалах зумовлений надзвичайною рухливістю валентних електронів у кристалічних ґратках, утворених позитивними металічними іонами. В атомах металів 1 і 2 (лужні і лужноземельні метали) та 13–17 груп заповнюються s i p електронні підоболонки атомів, у металах d- та f-блоків — підоболонки d (перехідні метали) і f (лантаноїди і актиноїди). Близько 80 % хімічних елементів є металами.
Історична довідка
Саме поняття «metalleo» перекладається з латини як «видобуваю із землі», «metallum» — «шахта, рудник» (що й дало назву металам, які походили із землі, з рудників).
В стародавні часи і в середні віки вважалося, що існує лише сім металів: золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо, ртуть. За уявленнями алхіміків, метали зароджувалися в земних надрах під впливом променів планет і поступово украй повільно удосконалювалися, перетворюючись на срібло і золото. Алхіміки вважали, що метали — речовини складні, які складаються з «металічного начала» (ртуті) і «начала горючості» (сірки). На початку XVIII століття набула поширення гіпотеза, за якою метали складаються із землі і «вогняної субстанції» — флогістону.
Наприкінці XVIII століття Антуан Лавуазьє спростував гіпотезу флогістону і показав, що метали — прості речовини. У 1789 році Лавуазьє у посібнику з хімії дав список простих речовин, до якого включив всі відомі тоді 17 металів (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). З розвитком методів хімічного дослідження число відомих металів зростало. У першій половині XIX століття були відкриті елементи-супутники платини — платиноїди, отримано шляхом електролізу деякі лужні і лужноземельні метали, відкриті невідомі метали при хімічному аналізі мінералів.
У 1860—1863 роках методом спектрального аналізу були відкриті Cs, Rb, Tl та In. Відкриття радіоактивності наприкінці XIX століття дало поштовх успішним пошукам природних радіоактивних металів. І, нарешті, методом ядерних перетворень починаючи з середини XX століття штучно отримано радіоактивні метали, зокрема, трансуранові елементи.
Цивілізаційне значення відкриття металів
Феномен відкриття металів мав визначальний вплив на життя людського суспільства, розмежувавши його розвиток на «доісторичну» (кам'яна доба) та «історичну» епохи. Видобуток руд забезпечив людство принципово новими матеріалами, які мали невідомі раніше властивості (ковкість, плавкість) та важливі переваги (здатність до зміни форми, висока міцність, експлуатаційна довговічність). Це дозволило не тільки ефективно вдосконалювати наявні знаряддя, але й створювати їх численні нові типи, що відкрило можливості для технічного прогресу. Відомий американський етнограф Генрі Морган стверджував:
Моделюючи давні виробничі процеси, учені порівнювали ефективність використання кам'яних і мідних знарядь. У результаті дійшли висновку про те, що продуктивність праці підвищується при застосуванні міді для рубання дерев у 3 рази, для тесання — у 6–7 разів, для свердління — у 22 рази (дослідження професора С. Семенова). Особливе значення мали металеві знаряддя праці в землеробстві, де вони значно прискорили обробку землі, збирання врожаїв, спорудження іригаційних систем.
Ще більше знадобилися властивості металів для виготовлення зброї, зокрема мечів. Виникнення війн, підкорення племен і народів, становлення державного устрою значною мірою уможливились завдяки перевагам мідної зброї. Одним з результатів становлення гірничо-металургійного виробництва став міжнародний розподіл праці й розвиток на цій основі розгалуженої системи комунікацій давнього світу (транспортування руд, металів та виробів із них). Пошук та розробка нових родовищ сприяли міграції населення, заселенню й освоєнню віддалених земель. Помітно вплинули метали на розвиток торгівлі, оскільки були першими універсальними еквівалентами засобів торгівельного обміну. Цивілізаційні зміни, викликані гірничо-металургійною діяльністю, мали глобальний характер і поєднували як технологічні, так і соціальні складові розвитку суспільства.
Класифікація металів Металами є прості речовини більшості хімічних елементів (приблизно 80 % елементів періодичної системи елементів). Найпоширенішим хімічним елементом-металом у земній корі є алюміній.
Вміст металів у земній корі Метали% маси земної кориАлюміній8,8Залізо5,1Кальцій3,6Натрій2,6Калій2,6Магній2,1Титан0,6Марганець0,09Мідь0,01
Доля інших металів загалом не перевищує 2,0 %.
Групи металів за використанням
Широко використовуються такі групи металів: чорні метали — залізо, манган, хром — є основними продуктами чорної металургії, а їх сплави використовують у всіх галузях машинобудування; дорогоцінні метали — золото, срібло і платина — використовують в ювелірній промисловості, електроніці, електротехніці, хімічній промисловості; важкі метали — мідь, цинк, олово і свинець — застосовують в машинобудуванні, електротехніці, енергетиці; рідкісні важкі метали — нікель, кадмій, вольфрам, молібден, манган, кобальт, ванадій, бісмут — використовують як тугоплавкі конструкційні матеріали, а також в сплавах з чорними металами як легуючі елементи; легкі метали — алюміній, титан і магній — використовують як конструкційні матеріали в авіації, космічній галузі, автомобілебудуванні; лужні метали — калій, натрій і літій — використовують переважно у сполуках у вигляді солей та електролітів; лужноземельні метали — кальцій, барій і стронцій — застосовують у хімії
У техніці найбільшого застосування набули залізо, алюміній, мідь, свинець, цинк, олово та нікель. Вони ще мають назву «технічні метали».
Сплави металів Металевими сплавами називають речовини, які складаються не менше, як з двох компонентів і одним з них обов'язково повинен бути метал. Сплави металів відіграють велику роль, оскільки зазвичай мають вищі функціональні (механічні, електричні тощо) і технологічні властивості, ніж їхні складові — чисті метали. Компонентами називають хімічні елементи або їхні сполуки у складі сплаву. За кількістю компонентів сплави поділяють на подвійні, потрійні і т. д.
У техніці найчастіше застосовують сплави на основі заліза (чавун, сталь) і сплави кольорових металів на основі міді (латунь, бронза), алюмінію (силумін, дюралюміній), свинцю, цинку, олова та нікелю. Деякі сплави створюють на основі вольфраму, титану, ванадію, молібдену й інших металів.
Залежно від характеру взаємодії компонентів сплаву вирізняють такі різновиди сплавів: механічна суміш компонентів — ці суміші неоднорідні, вони є найдрібнішою сумішшю кристалітів компонентів; необмежений твердий розчин компонентів — однорідний, може утворюватися за будь-якого співвідношення компонентів; обмежений твердий розчин компонентів — однорідний, зазвичай може утворюватися, якщо склад сплаву є близьким до одного з чистих компонентів або до певної хімічної сполуки компонентів; хімічна сполука компонентів — однорідний, може утворюватися за чітко визначеного співвідношення компонентів.
У твердих розчинах атоми розчиненої речовини заміщують атоми розчинника у кристалічній ґратці або проникають у неї; хімічні сполуки утворюють нову відмінну кристалічну ґратку. Після кристалізації сплаву утворюється або одна фаза (твердий розчин, хімічна сполука), або сплав, який містить суміш фаз. Фазою називають однорідну частину системи, відділену від інших складових (фаз) поверхнею поділу.
У суміші певного складу (евтектика) компоненти кристалізуються одночасно, причому температура кристалізації такого сплаву мінімальна. У неевтектичних сплавах двох компонентів, що не розчиняються один в одному і не утворюють хімічних сполук, відбувається розділення сплаву на дві фази, спочатку з розплаву виділяються кристали надлишкового, порівняно з евтектикою, компоненту, тоді температура розплаву знижується, а склад рідкої фази наближається до евтектики, кристалізація якої, нарешті, відбувається при сталій температурі. Таким чином утворюється двофазний сплав.
Сплави речовин, необмежено розчинних одна в одній у твердому стані (наприклад, золото-срібло), евтектики не утворюють. Хоча спочатку з розплаву виділяються кристали більш тугоплавкого елементу (золота), при повільному остиганні вони розчиняються у сріблі (відбувається дифузія) і сплав виходить однорідним. Швидким охолодженням, однак, можна добути сплав, що міститиме кристали різного складу.
Будова
Всі метали мають кристалічну будову. Розташовані тим або іншим способом атоми утворюють елементарну комірку просторової кристалічної ґратки. Тип ґратки залежить від хімічної природи і фазового стану металу.
Залізо, хром, молібден, вольфрам і деякі інші метали мають елементарну комірку у вигляді куба з атомами у вершинах і додатковим — у центрі (об'ємноцентрована кубічна ґратка). За температури понад 910 °C у кристалічній структурі заліза відбувається перебудова, кількість атомів у елементарній комірці збільшується до 14. Внаслідок перебудови симетрія елементарної комірки змінюється — атоми розміщуються у вершинах куба й додатково в центрі кожної грані (гранецентрована кубічна ґратка). Існування одного металу в декількох кристалічних формах зветься поліморфізмом чи алотропією, а температура, за якої метал переходить з одного стану в інший, — температурою поліморфного перетворення. Залізо, наприклад, має дві температури поліморфного перетворення: 910 °C і 1400 °C. Цинк, магній і титан мають елементарну комірку в формі шестигранної призми. Як і залізо, олово, нікель, титан, кобальт та деякі інші метали зі зміною температури змінюють тип своїх ґраток. Наприклад, нікель може мати кубічну гранецентровану чи гексагональну ґратки, а кальцій — кубічну гранецентровану, гексагональну і кубічну об'ємно-центровану.
Елементарні комірки кожного такого кристала однаково орієнтовані в просторі; розташовуючись послідовно, вони мають спільні з сусідніми комірками атоми й утворюють разом просторову ґратку. Проте різні метали з ідентичною кристалічною ґраткою мають різні параметри, тобто відстані між сусідніми атомами. Параметр решітки (сторона куба або шестигранника) у міді 0,36 нм, в алюмінію 0,405 нм, у цинку 0,267 нм тощо.
Перехід з рідкого стану у твердий для металів — це процес перетворення невпорядкованого розташування атомів у закономірне з утворенням кристалічних ґраток і, отже, кристалів. Такий процес називається первинною кристалізацією.
Встановлено, що кристалізація складається з двох елементарних процесів, перебіг яких відбувається одночасно: перший — зародження центрів кристалізації, другий — ріст кристалів з цих центрів. У звичайних умовах кристали не можуть набути правильної форми тому, що їхній ріст обмежується суміжними кристалами. Кристали, що мають неправильні зовнішні обриси, називаються кристалітами або зернами. Внутрішня будова зерен кристалічна.
Важливий вплив на швидкість кристалізації та форму кристалів у процесі затвердіння металу чинять швидкість і напрям відведення тепла. У напрямку відведення тепла кристали ростуть швидше, утворюючи осі, від яких відгалужуються численні відростки. Такі деревоподібні кристали називають дендритами. Дендритна будова характерна для литого металу.
Властивості