1.2. Физико-механические свойства металлов

Агрегатные состояния. Металлы в обычных условиях — твердые тела (кроме ртути). При нагревании до определенной температуры они плавятся. При высоких температурах метал­лы могут переходить в пар.

Обратимся к периодической системе. Каждый период на­чинается металлом с очень низкой температурой плавления, но по мере увеличения порядкового номера металлов в перио­де температура их плавления растет и достигает максимума в группе хрома (VI В) (W - 3390 °С). Далее температура плав­ления снижается и достигает минимума в группе цинка (где находится ртуть) и гелия.

В А - группах и подгруппе цинка температура плавления металлов с увеличением порядкового номера снижается, а в III

• VI1LB группах растет. Примерно так же изменяется темпера­тура кипения металлов. Температуры плавления и кипения связаны с прочностью кристаллических решеток и некоторыми другими характерными свойствами металлов.

Механические свойства металлов. Плотность метал­лов изменяется очень в широких пределах (от 0,53 у Li до 22,5 г/см³ у Os). К легким металлам относятся щелочные и щелоч­ноземельные металлы, Be, Mg, Al, Sc, Ti; к тяжелым - все ос­тальные. Техническую ценность имеют лишь Mg, Be, Al, Ti.

Характерным механическим свойством металлов являет­ся пластичность, которая связана с особенностями внутренне­го строения кристаллов. Под пластичностью понимают спо­собность тел при воздействии внешних сил подвергаться де­формации, которая остается и после прекращения этого воз­действия. Металлам можно придать ту или иную форму при ковке, прокатке, штамповке. Пластичность металлов обуслов­лена тем, что при внешнем воздействии слои ионов, образую­щих кристаллическую решетку, сдвигаются относительно друг друга без разрыва связи между ионными слоями. Золото, на­пример, можно прокатать в листы толщиной не более 0,003 мм, которые используются для позолоты различных предметов.

Твердость является ценным качеством металлов, исполь­зуемых как конструкционные и инструментальные материалы. Наиболее твердыми являются металлы группы хрома, наиме­нее - К, Rb, Cs. Твердость связана с тугоплавкостью, а следо­вательно, с прочность кристаллической решетки.

Тепловые свойства металлов. Согласно правилу Дюлонга и Пти удельная теплоемкость элементарных веществ обратно пропорциональна их атомной массе. Например, удельная теп­лоемкость Li - 3,76 Дж/г. град, U - 0,115 Дж/г. град. Так как у большинства металлов атомная масса больше 30, то подав­ляющее большинство металлов характеризуются малыми зна­чениями удельной теплоемкости (менее 0,84 Дж/г. град ).

Важной характеристикой металлов является теплота сублимации, выражаемая величиной энергии, необходимой для перехода в парообразное состояние определенной массы ме­талла. Эта величина является мерой прочности связи в кри­сталлической решетке твердого металла. В каждом периоде теплота сублимации растет с увеличением порядкового номера и достигает максимума в группе хрома, далее снижается в под­группе цинка. В А - группах и в подгруппе цинка значение те­плоты сублимации с увеличением порядкового номера снижа­ется, а в В - группах растут аналогично изменению температу­ры плавления металлов.

Для металлов характерна большая теплопроводность. Свободные электроны, находящиеся в постоянном движении, все время сталкиваются с колеблющимися ионами и обмени­ваются с ними энергией. Усилившиеся при нагревании колеба­ния ионов незамедлительно передаются с помощью электронов соседним ионам, при этом происходит быстрое выравнивание температуры по всей массе металла. Наибольшая теплопроводность у Ag и Си, наименьшая - у Bi и Hg.

Электрические и оптические свойства металлов. Ме­таллы относятся к проводникам I рода. Способность металлов проводить электрический ток обусловлена наличием в их кри­сталлической решетке свободных электронов, которые при на­ложении электрического поля получают направленное движе­ние. С повышением температуры теплопроводность металлов уменьшается, т.к. при этом колебательные движения ионов в узлах кристаллической решетки металлов усиливаются, что препятствует направленному движению электронов. Наоборот, с понижением температуры электропроводность увеличивается и в области, близкой к абсолютному нулю, у многих металлов наблюдается сверхпроводимость.

Сильно уменьшается электропроводность при плавлении металлов. Поэтому сравнивать электропроводность различных металлов нужно при температурах, одинаково удаленных от температуры плавления. Наибольшей электропроводностью обладают не более активные металлы, у которых валентные шектроны связаны очень слабо, а менее активные металлы, такие как серебро, медь.

Способность металла испускать электроны под воздейст­вием электромагнитных волн — фотоэлектрический эффект - объясняется слабостью валентных электронов в атомах. Чем слабее связаны электроны в атомах, тем меньшая энергия кванта требуется для их отрыва. В соответствии с этим фото­эффект легче всего осуществляется у щелочных металлов, ко­торые испускают электроны под воздействием не только УФ, но даже длинноволновых лучей видимого света.

Металлы непрозрачны: их гладкая поверхность отражает световые лучи, поэтому они обладают характерным металли­ческим блеском, интенсивность которого зависит от доли по­глощаемого металлом света: чем она меньше, тем ярче блеск. Наиболее ярко блестят серебро Ag и палладий Pd.

Окраска металлов обусловлена тем, что они поглощают лучи различных длин волн неодинаково. Если коротковолно­вые лучи поглощаются в большей степени, то отраженный свет обогащается длинноволновыми лучами, и таким образом ме­талл имеет желтую или красную окраску (Сu, Аu).

Все металлы полностью отражают радиоволны. На этом основана радиолокация, т.е. обнаружение металлических объ­ектов с помощью радиоволн.