Металевий хімічний зв’язок
Атоми металів характеризуються трьома особливостями. Вони, як правило, мають 1-3 електрона на зовнішньому електронному шарі. Однак у атомів олова та свинцю валентних електронів чотири, у сурми і вісмуту – п’ять, а у полонію – шість. Чому ж ці елементи є металами? Очевидно, починає позначатися друга особливість в будові атомів металів – їх порівняно великий радіус. І нарешті, атоми металів мають велике число вільних орбіталей. Так, у атома натрію, наприклад, один валентний електрон розташовується на третьому енергетичному рівні, який має дев’ять орбіталей (одну s-, три р – і п’ять d-орбіталей).
При зближенні атомів металів їхні вільні орбіталі перекриваються, і валентні електрони отримують можливість переміщатися з орбіталі одного атома на вільні і близькі по енергії орбіталі сусідніх атомів. Атом, від якого “пішов” електрон, перетворюється при цьому в позитивно заряджений іон. У результаті цього в металі з’являються електрони, які безперервно переміщаються між іонами.
Металева зв’язок нерозривно пов’язана з особливим кристалічною будовою металів і сплавів – металевої кристалічною решіткою, у вузлах якої розташовані позитивно заряджені іони.
Металевим зв’язком називають зв’язок в кристалах металів і сплавів
Металева кристалічна грати і металева хімічний зв’язок визначають всі найбільш характерні фізичні властивості металів: ковкість, пластичність, електропровідність, теплопровідність, металевий блиск, здатність до утворення сплавів.
Пластичність – найважливіша властивість металів – виражається в їх здатності деформуватися під дією механічного навантаження. Це найважливіша властивість металів лежить в основі їх обробки тиском (кування, прокатки та ін.), Витягування з металів дроту під дією сили.
Пластичність металу пояснюється тим, що під зовнішнім впливом одні шари іонів в кристалах легко зміщуються, як би ковзають один щодо одного без розриву зв’язку між ними.
Певне уявлення про це вам може дати найпростіший досвід-модель. Якщо між двома плоскими скляними пластинками помістити кілька крапель води, то дзеркальця будуть легко ковзати один по одному, а от роз’єднати їх буде достатньо важко. У нашому досвіді вода грала роль сукупності валентних електронів металу.
Найбільш пластичні золото, срібло і мідь. Недарма для свого знаменитого досвіду, що дозволив створити планетарну модель атома, Е. Резерфорд використовував саме золото, з якого можна виготовити тоненьку фольгу товщиною всього 0,003 мм. Такі ж тонкі листочки фольги використовують для золочення виробів, наприклад дерев’яного різьблення. Так, у Великому Катерининському палаці в Царському Селі відтворена заново знаменита Бурштинова кімната приголомшує уяву відвідувачів сяйвом золоченої різьби і м’яким сонячним світлом бурштину (рис. 16). Художні вироби з золота, виготовлення яких заснована на його пластичності, дійшли до нас через тисячоліття (рис. 17).
Висока електропровідність металів обумовлена наявністю в них сукупності рухомих електронів, які під дією електричного поля набувають спрямований рух. Кращими провідниками електричного струму є срібло і мідь. Трохи поступається їм алюміній. Однак у більшості країн все частіше електропроводка виготовляється не з міді, а з більш дешевого алюмінію. Найгірше електричний струм проводять марганець, свинець і ртуть, а також вольфрам і деякі інші тугоплавкі метали. Електричний опір вольфраму настільки велике, що він починає світитися при проходженні через нього струму, що використовують для виготовлення ниток в лампах розжарювання (рис. 18).
Теплопровідність металів також пояснюється високою рухливістю електронів, які, стикаючись з хитаються у вузлах грат атомами і іонами металів, обмінюються з ними енергією. З підвищенням температури ці коливання іонів за допомогою електронів передаються іншим іонам, і температура металу швидко вирівнюється. Про практичне значення цієї властивості ви можете судити по рівномірному нагріванню кухонного металевого посуду (рис. 19).
Більшість металів мають сріблясто-білий колір. Золото забарвлене в жовтий (червовий) колір, а мідь – в червоно-жовтий (мідний). На малюнку 21 представлені химерні самородки металів, що мають відповідне забарвлення.
Металева хімічний зв’язок і металева кристалічна решітка характерні не тільки для чистих металів, а й для їхніх сплавів. Це відрізняє металеві сплави від інших сплавів, як штучних (скло, кераміка, фарфор, фаянс (рис. 22)), так і природних (гнейс, базальт, граніт (рис. 23)).
“Конкорд”
Ще в давні часи люди помітили, що металеві сплави мають іншими, нерідко більш корисними властивостями, ніж складові їх чисті метали. Наприклад, у першого отриманого людиною сплаву – бронзи міцність вище, ніж у складових її міді та олова. Сталь і чавун міцніше чистого заліза. Чистий алюміній – дуже м’який метал, порівняно неміцний на розрив. Але сплав, що складається з алюмінію, магнію, марганцю, міді, нікелю, званий дюралюмінію, в 4 рази міцніше алюмінію на розрив і використовується в літакобудуванні (рис. 24), а тому образно називається “крилатим” металом. Чисті метали використовують дуже рідко. Частіше застосовують їх сплави. З трохи більше 80 відомих металів створені десятки тисяч різних сплавів.
Крім більшої міцності сплави володіють і більш високу корозійну стійкість і твердістю, кращими ливарними властивостями, ніж чисті метали. Так, чиста мідь дуже погано піддається литтю, а олов’яна бронза має прекрасні ливарні якості – з неї відливають художні вироби, які вимагають тонкої опрацювання деталей (рис. 25). Чавун – сплав заліза з вуглецем – також чудовий ливарний матеріал (рис. 26).
Крім високих механічних якостей, сплавам притаманні властивості, яких немає у чистих металів. Наприклад, нержавіюча сталь – сплав на основі заліза – навіть в агресивних середовищах має високу корозійну стійкість і жароміцністю.
Розпочата понад 100 років тому науково-технічна революція, яка зачепила і промисловість, і соціальну сферу, також тісно пов’язана з виробництвом металів і сплавів (рис. 27). На основі вольфраму, молібдену, титану та інших металів почали створювати стійкі до корозії, надтверді і тугоплавкі сплави, застосування яких значно розширило можливості машинобудування.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)