Металл
-
Определение и свойства металлов
- Металлы — материалы, которые при полировке или растрескивании приобретают блестящий внешний вид и относительно хорошо проводят электричество и тепло.
- Металлы имеют делокализованные состояния на уровне Ферми, что отличает их от неметаллических материалов.
- Металлы пластичны и податливы, что позволяет их вытягивать в проволоку и штамповать тонкие листы.
-
История и использование металлов
- История рафинированных металлов началась с использования меди около 11 000 лет назад.
- Золото, серебро, железо, свинец и латунь использовались до появления бронзы.
- Современные сплавы включают алюминий, магний, титан и другие элементы.
-
Форма и структура металлов
- Большинство металлов блестят при полировке или растрескивании.
- Листы металла толщиной более нескольких микрометров кажутся непрозрачными, но сусальное золото пропускает зеленый свет.
- Металлы имеют высокую плотность, но существуют легкие металлы, такие как магний, алюминий и титан.
- Металлы податливы и пластичны, что позволяет им деформироваться под напряжением без расщепления.
-
Электрические и тепловые свойства металлов
- Металлы являются относительно хорошими проводниками электричества благодаря делокализованным электронным состояниям.
- Электропроводность металлов варьируется от 6,9 × 103 См/см до 6,3 × 105 См/см.
- При нагревании электропроводность большинства металлов снижается, за исключением плутония.
-
Применение металлов
- Металлы используются в строительстве, транспорте, бытовых приборах, инструментах, трубах и железнодорожных путях.
- В полупроводниковой промышленности широко используются многоэлементные металлы, такие как нитрид титана.
- Металлы также используются для чеканки монет и в астрономии для обозначения химических элементов в звездах.
-
Металлические проводники
- Жидкие формы металлов, такие как ртуть, также являются металлическими проводниками.
- В нормальных условиях газы не являются металлическими проводниками, но плазма является металлическим проводником.
-
Теплопроводность металлов
- Металлы являются хорошими проводниками тепла, которое переносится электронами проводимости.
- При высоких температурах электроны могут занимать более высокие энергетические уровни, что увеличивает их кинетическую энергию.
-
Электропроводность металлов
- Соотношение между тепловой и электрической проводимостью пропорционально температуре.
- Вклад электронов в теплоемкость и теплопроводность можно рассчитать с помощью модели свободных электронов.
-
Химические свойства металлов
- Металлы образуют катионы при потере электронов.
- Большинство металлов вступают в реакцию с кислородом, образуя оксиды.
- Оксиды могут быть основными, кислотными или амфотерными.
-
Периодическая таблица Менделеева
- Элементы, образующие металлические структуры, показаны желтым цветом.
- Остальные элементы образуют ковалентные или молекулярные структуры.
- Астат и другие радиоактивные элементы показаны серым цветом.
-
Сплавы металлов
- Сплавы состоят из двух или более элементов, один из которых является металлическим.
- Сплавы изменяют свойства металлов, делая их более пластичными, твердыми или устойчивыми к коррозии.
- Наиболее распространенные сплавы включают железо, алюминий, титан, медь и магний.
-
Категории металлов
- Металлы классифицируются по составу, физическим или химическим свойствам.
- Черные и цветные металлы, хрупкие и тугоплавкие металлы, белые металлы, тяжелые и легкие металлы, неблагородные, благородные и драгоценные металлы.
-
Неблагородные, благородные и драгоценные металлы
- Неблагородные металлы легко окисляются или подвергаются коррозии.
- Благородные металлы менее химически активны и устойчивы к коррозии.
- Драгоценные металлы имеют высокую экономическую ценность и используются в промышленности и ювелирном деле.
-
Металлы клапанов
- Вентильные металлы пропускают ток только в одном направлении из-за образования изолирующего оксида.
-
Керамические композиции с металлической электропроводностью
- Нитриды переходных металлов обладают ионным характером связывания и частично заполненными состояниями на уровне Ферми.
- Они являются хорошими тепловыми и электрическими проводниками, но не пластичны.
- Примеры: нитрид титана используется в ортопедических изделиях и износостойких покрытиях.
-
Металлические полимеры
- Полимеры с металлической электропроводностью связаны с расширенными ароматическими компонентами.
- Проводимость ароматических областей аналогична графиту, что обеспечивает высокую направленность.
-
Полуметаллы
- Полуметаллы действуют как проводник для электронов с одной ориентацией спина, но как изолятор или полупроводник для электронов с противоположным спином.
- Примеры: оксиды, сульфиды, сплавы Гейслера.
- Полуметаллы имеют небольшое энергетическое перекрытие между зонами проводимости и валентной зоны.
-
Образование металлических элементов
- Металлические элементы образуются в результате звездного нуклеосинтеза и захвата нейтронов.
- S-процесс останавливается на висмуте, r-процесс может миновать эту зону и создавать более тяжелые элементы.
- Металлы конденсируются на планетах в результате эволюции звезд и процессов разрушения.
-
Изобилие и распространенность металлов
- Земная кора на 25% состоит из металлических элементов, из которых 80% составляют легкие металлы.
- Литофильные элементы встречаются в силикатных минералах, халькофильные — в сульфидных минералах.
- Золото является сидерофилом и редко встречается в земной коре.
-
Добыча и переработка металлов
- Металлические элементы извлекаются из руд, таких как бокситы, с помощью поисковых методов и разведки.
- Руды восстанавливаются химическим или электролитическим восстановлением.
- Спрос на металлы растет, что стимулирует добычу и переработку.
-
История металлов
- Медь, возможно, была первым открытым металлом из-за ее внешнего вида, тяжести и пластичности.
-
Доисторические времена
- Обнаружены золото, серебро, железо и свинец
- Формы латуни и метеоритного железа
- Первые попытки создания металлических украшений и инструментов
-
Древность
- Открытие бронзы и её влияние на развитие металлургии
- Использование олова и его выделение
- Ртуть известна с древних времен
- Производство стали и её применение
-
Средние века
- Алхимические теории и их влияние на металлургов
- Открытие мышьяка, цинка, сурьмы и висмута
- Первые систематизированные учебники по металлургии
-
Эпоха Возрождения
- Описание металлов и их свойств
- Открытие платины и урана
- Влияние металлов на химические процессы
- Открытие лантаноидов и их применение
-
Легкие металлические элементы
- Открытие новых металлов с низкой плотностью
- Применение легких металлов в современных технологиях
-
История легких металлов
- В 1809 году выделены натрий, калий и стронций
- Алюминий открыт в 1824 году, промышленное производство началось в 1886 году
- Алюминий широко использовался в ювелирных изделиях и повседневной жизни
-
История титана
- Чистый металлический титан получен в 1910 году, промышленное применение началось в 1932 году
- В 1950-х годах титан использовался в военных целях и на подводных лодках
- В 1950-х годах титан начал использоваться в военной авиации
-
История скандия
- Металлический скандий получен в 1937 году, первый фунт произведен в 1960 году
- Производство алюминиево-скандиевых сплавов началось в 1971 году
-
История стали
- Современная эра в сталелитейном производстве началась с бессемеровского процесса в 1855 году
- В 1872 году запатентован сплав, ставший нержавеющей сталью
- В 1912 году началось индустриализация производства нержавеющей стали
-
Последние устойчивые металлические элементы
- К 1900 году открыты элементы 71, 72, 75
- В 1922 году открыт гафний, последний стабильный элемент
-
Постурановые элементы
- В конце Второй мировой войны синтезированы нептуний, плутоний, кюрий и америций
- Кюрий и америций использовались в Манхэттенском проекте
-
Жаропрочные сплавы
- Разработаны суперсплавы для высокопроизводительных двигателей
- Используются в наземных, морских и аэрокосмических турбинах
-
Транскуриевые металлы
- В 1949 году синтезирован берклий, в 1952 году обнаружен фермий
- С 1952 года синтезированы элементы со 101 по 118
-
Объемные металлические стекла
- Металлическое стекло имеет неупорядоченную структуру, но хорошую электропроводность
- Используется в высокоэффективных трансформаторах и идентификационных бирках
-
Сплавы с эффектом памяти формы
- Сплав с памятью формы меняет форму при нагревании
- Применяется в робототехнике, автомобилестроении и биомедицине
-
Квазикристаллические сплавы
- В 1984 году обнаружен алюминиево-марганцевый сплав с пятикратной симметрией
- Квазикристаллы используются в теплоизоляции, светодиодах и новых материалах
-
Сложные металлические сплавы (CMA)
- Интерметаллические соединения с большими элементарными ячейками
- Наличие кластеров атомов и частичный беспорядок в кристаллических решетках
- Примеры: NaCd2, AlLiMgScTi
- Интерес к CMA возрос в 2002 году
- Потенциальные применения: теплоизоляция, солнечное отопление, магнитные холодильники
-
Высокоэнтропийные сплавы (HEAs)
- Состоят из пяти или более металлов
- Обладают лучшим соотношением прочности к весу, высокой прочностью на разрыв
- Интерес к HEAs возник в 2010-х годах
- Используются в материаловедении и инженерии
-
МАКСИМАЛЬНАЯ фаза
- M — ранний переходный металл, A — элемент группы A, X — углерод или азот
- Примеры: Hf2SnC, Ti4AlN3
- Высокая электро- и теплопроводность, устойчивость к тепловым ударам
- Потенциальные применения: огнеупоры, нагревательные элементы, покрытия для электрических контактов
-
Биметаллический
- Сплав из двух металлов
- Примеры: золото, серебро
-
Пластичность
- Способность материала деформироваться без разрушения
- Важна для различных применений
-
Черная металлургия
- Производство черных металлов
- Включает добычу, обогащение и переработку
-
Кража металла
- Хищение металлов
- Включает кражу, подделку и контрабанду
-
Токсичность металлов
- Опасность металлов для здоровья
- Включает токсичность, канцерогенность и мутагенность
-
Металлургия
- Производство и обработка металлов
- Включает выплавку, литье и сварку
-
Металлы древности
- Древние металлы и их использование
- Включает археологические находки и исторические артефакты
-
Металлообработка
- Процесс обработки металлов
- Включает резку, сварку и полировку
-
Минерал (питательное вещество)
- Природный материал, используемый в пищу
- Включает минералы, используемые в сельском хозяйстве
-
Полиметаллическая руда
- Руда, содержащая несколько металлов
- Примеры: медь, цинк, свинец
-
Свойства металлов, металлоидов и неметаллов
- Общие свойства металлов, металлоидов и неметаллов
- Включает физические, химические и механические свойства
-
Конструкционная сталь
- Сталь, используемая в строительстве и машиностроении
- Включает углеродистую и легированную сталь
-
Переходный металл
- Металл, занимающий промежуточное положение в периодической таблице
- Примеры: железо, медь, цинк