Физические свойства металлов. Металлическая связь

ХИМИЯ МЕТАЛЛОВ

Гальванотехника

Гальванотехника – получение на поверхности изделия или основы (формы) слоев металлов из растворов солей под действием постоянного электрического тока.

В гальваностегии на поверхности катода (или формы) формируется тонкий слой (несколько десятков мкм) металла для придания изделию различных свойств (для повышения коррозионной стойкости, для декоративной отделки, для придания электрической проводимости). Как правило, используются процессы цинкования, никелирования, меднения, хромирования, кадмирования, свинцевания, оловянирования (все – для повышения коррозионной устойчивости), золочение и серебрение.

Во всех случаях для осаждения металла используется электролит определенного состава (например, для никелирования NiSO₄ 140-200 г/л, NiCl₂ 30-40 г/л, H₃BO₃ 25-40 г/л) и процесс проводят при определенной температуре и силе тока.

В гальванопластике на поверхность катода (формы) осаждают толстый (несколько мм) легко отделяющийся от основы слой металла. точно воспроизводящий рельеф основы. Восстанавливая металлы на катоде определенной формы удается получить точное негативное изображение катода. Гальвонопластика используется для изготовления копий. Этим методом изготавливают печатные стереотипы, клише, валки для тиснения кож, тонкие металлические сетки, фольгу, копии скульптур, монеты, формы для литья. Как правило, используют электролиты для осаждения Cu, Ni, Co, Fe, Ag, Au, Zn, Sn, Al.

Слово металл произошло от греческого слова metalloh, что в переводе означает "шахта". Важнейшим критерием для отнесения какого-либо элемента к металлам является наличие у него так называемых металлических свойств, а именно:

- способности хорошо отражать световые волны ("металлического блеска"),

- пластичности (ковкости),

- высокой электропроводности,

- высокой теплопроводности.

В настоящее время границу между металлами и неметаллами в Периодической системе элементов принято проводить по диагонали Be-B, Al-Si, Ge-As, Sb-Te, Po-At. Согласно этому делению к металлам относятся все s-элементы, все d-элементы, все f-элементы и часть p-элементов. Однако резкой границы между металлами и неметаллами провести нельзя, поскольку некоторые элементы, расположенные вдоль условной разграничительной линии, проявляют в своем поведении определенную двойственность. Так, германий имеет металлический блеск, но одновременно обладает полупроводниковой проводимостью. Свойства некоторых элементов сильно зависят от температуры, например, олово при высоких температурах - типичный металл, однако ниже -33°С переходит в полупроводниковую модификацию.

Характерной особенностью металлов является металлическая связь, характеризующаяся тем, что их кристаллическая решетка образована положительными ионами, а валентные электроны свободно перемещаются по всему объему решетки. Структуру металла можно представить в виде остова из положительных ионов, погруженного в "электронный газ" из делокализованных электронов, который компенсирует силы взаимного отталкивания положительных ионов.

С точки зрения зонной теории у металлов валентная зона и зона проводимости перекрываются. Число незанятых орбиталей в зоне проводимости велико. Поскольку энергии орбиталей в зоне проводимости относительно мало отличаются друг от друга, электроны при очень незначительном воздействии легко переходят с одной орбитали на другую, обеспечивая тем самым высокую тепло- и электропроводность. При повышении температуры все большее число электронов переходит в зону проводимости, что приводит к уменьшению числа вакантных орбиталей в зоне проводимости и соответственно снижению тепло- и электропроводности. Среди всех металлов наибольшую элетропроводность имеют серебро, медь, золото, алюминий, наименьшую - ртуть, марганец, ванадий, хром, стронций.

Классификация металлов

Существует несколько подходов к классификации металлов: по физическим свойствам, по использованию в технике и т.д. Наиболее часто используется техническая классификация металлов, согласно которой металлы делят на следующие группы:

1. Черные - Fe и сплавы на его основе,

2. Тяжелые цветные - Cu, Pb, Zn, Ni и Sn,

3. Младшие цветные - Co, Sb, Bi, Hg и Cd,

4. Легкие - Al, Mg, Ca и др.,

5. Драгоценные - Au, Ag, Pt, Pd, Os, Ir, Rh, Ru,

6. Легирующие - Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и др.,

7. Редкие - Ce, Eu, Pm и др.,

8. Радиоактивные - U, Th, Pt и др.

Основным недостатком технической классификации является то, что некоторые металлы можно одновременно отнести к различным группам.

По температуре плавления металлы принято разделять на тугоплавкие, чья температура плавления (t_пл.) выше 1500°С и легкоплавкие. К тугоплавким металлам относится вольфрам (t_пл. = 3407°С), тантал (t_пл. = 2997°С), молибден (t_пл. = 2620°С), железо (t_пл. = 1535°С), хром (t_пл. = 1857°С) и др. К легкоплавким металлам относятся ртуть (t_пл. = -39°С), галлий (t_пл. = 30°С), цинк (t_пл. = 420°С), свинец (t_пл. = 327°С), висмут (t_пл. = 271°С), щелочные и щелочноземельные металлы и др.

По плотности металлы принято делить на легкие, чья плотность меньше 5 г/см³, и тяжелые. К легким металлам относятся литий (r = 0.53 г/см³), магний (r = 1.74 г/см³), алюминий (r = 2.70 г/см³), титан (r = 4.54 г/см³), кальций (r = 1.55 г/см³) и др. Высокую плотность имеют осмий (r = 22.59 г/см³), иридий (r = 22.42 г/см³), платина (r = 21.45 г/см³), золото (r = 19.32 г/см³) и др.

В химии все металлы разделяют в зависимости от строения внешней и предвнешней электронной оболочки на:

1. s-металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra),

2. p-металлы (Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po),

3. d-металлы (все d-элементы),

4. f-металлы (все f-элементы).

В свою очередь из этих групп можно выделить более узкие семейства: щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), щелочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba, Ra), платиновые металлы (Pt, Pd, Os, Ir, Rh, Ru), редкоземельные элементы (Sc, Y, La и все f-металлы).

Дата добавления: 2014-01-07