Мета́ли — клас хімічних елементів і речовин з наступнимихімічними і фізичними властивостями: добре проводять електрику і тепло, непрозорі, але можуть відбивати світло (мають металічний блиск); ковкі, що дозволяє надавати виробам з них потрібної форми і розвальцьовувати у плоскі пластинки, пластичні, що дає можливість витягати їх у тонкий дріт.

Історична довідка

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, що складаються з «металічного начала» (ртуті) і «начала горючості» (сірки). На початку 18 століття набула поширення гіпотеза, за якою метали складаються із землі і «вогняної субстанції» — флогістону.
В кінці 18 століття А. Л. Лавуазьє спростував гіпотезу флогістону і показав, що метали — прості речовини. У 1789 Лавуазьє у посібнику з хімії дав список простих речовин, в який включив всі відомі тоді 17 металів (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni,Au, Pt, Pb, W, Zn). У міру розвитку методів хімічного дослідження число відомих металів зростало. У першій половині 19 століття були відкриті елементи супутники платини — платиноїди, отримано шляхом електролізу деякі лужні і лужноземельні метали, відкриті невідомі метали при хімічному аналізі мінералів.
У 1860-63 роках методом спектрального аналізу були відкриті Cs, Rb, Tl, In. Відкриття радіоактивності наприкінці 19 ст. дало поштовх успішним пошукам природних радіоактивних металів. І, нарешті, методом ядерних перетворень починаючи з середини 20 століття штучно отримано радіоактивні метали, зокрема, трансуранові елементи.

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 кори
Алюміній	8,8
Залізо	5,1
Кальцій	3,6
Натрій	2,6
Калій	2,6
Магній	2,1
Титан	0,6
Марганець	0,09
Мідь	0,01

Доля інших металів у загальному не перевищує 2,0 %.

Групи металів за використанням

Широко використовуються такі типи металів:

• чорні метали — залізо, манган, хром, використовуються як основні метали у чорній металургії, а їх сплави у всіх галузях машинобудування;
  
• дорогоцінні метали: золото, срібло і платина, використовуються переважно в ювелірній промисловості;
  
• важкі метали: мідь, цинк, олово і свинець, застосовуються в машинобудуванні, енергетиці;
  
• рідкісні важкі метали: нікель, кадмій, вольфрам, молібден, манган, кобальт, ванадій, вісмут, використовуються в сплавах з чорними металами як легуючі елементи;
  
• легкі метали: алюміній, титан і магній, використовуються в авіації, космічній галузі;
  
• лужні метали: калій, натрій і літій використовуються переважно у сполуках у вигляді солей та електролітів;
  
• лужноземельні метали: кальцій, барій і стронцій, застосовуються в хімії
  

У техніці найбільшого застосування набули залізо, алюміній, мідь, свинець, цинк, олово, 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, так як вони мають вищі механічні і технологічні властивості, ніж їхні складові компоненти чисті метали. Компонентами називають хімічні елементи або їх сполуки у складі сплаву. За кількістю компонентів сплави поділяють на подвійні, потрійні і т.д.
У техніці найчастіше застосовуються сплави на основі заліза (чавун, сталь), і сплави кольорових металів на основі міді (латунь, бронза), алюмінію (силумін, дюралюміній), свинцю, цинку, олова, нікелю. Деякі сплави створюють на основі вольфраму, титану, ванадію, молібдену й інших металів.
Залежно від природи компонентів, з яких складається сплав, розрізняють наступні різновидності сплавів:

• механічна суміш компонентів — ці суміші неоднорідні, вони є найдрібнішою сумішшю кристалітів компонентів;
  
• необмежений твердий розчин компонентів — однорідний, може утворюватися при різному співвідношенні компонентів;
  
• обмежений твердий розчин компонентів — однорідний, може утворюватися при різному але обмеженому співвідношенні компонентів;
  
• хімічна сполука компонентів — однорідний, може утворюватися при чітко визначеному співвідношенні компонентів.
  

У твердих розчинах атоми розчиненої речовини заміщають атоми розчинника у кристалічній решітці або проникають у неї; хімічні сполуки утворюють нову відмінну кристалічну решітку. 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.

Будова

Гранецентрована структура кристалічної решітки




Об'ємноцентрована структура кристалічної решітки




Гексагональна структура кристалічної решітки
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.
У заліза, хрому, молібдену, вольфраму і деяких інших металів елементарна комірка є кубом із атомами у вершинах і додатковим — у центрі (об'ємноцентрована кубічна ґратка). При температурі понад 910°С у кристалічній структурі заліза відбувається перебудова, число атомів у елементарній комірці збільшується до 14-ти. В результаті 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 називається поліморфізмом, чи алотропією, а температура, при якій метал переходить з одного стану в інший — температурою поліморфного перетворення. Залізо, наприклад, має дві температури поліморфного перетворення: 910 °C і 1400 °C. Цинк, магній, 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 даного кристала однаково орієнтовані в просторі, розташовуючись послідовно, вони мають загальні 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 і т. д.
Перехід з рідкого стану у твердий для металів — це процес перетворення неупорядкованого розташування атомів у закономірне з утворенням кристалічних ґрат і, отже, кристалів. Такий процес називається первинною кристалізацією.
Установлено, 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.
На швидкість кристалізації та форму кристалів у процесі затвердіння металу важливий вплив роблять швидкість і напрям відводу тепла. У напрямку відводу тепла кристали ростуть швидше, утворюючи осі, від яких відгалужуються численні відростки. Такі деревоподібні кристали називають дендритами. Дендритна будова характерна для литого металу.

Властивості

Вимоги до металів та їх сплавів ставляться в залежності від їхнього призначення. Наприклад, метал рейок і бандажів повинен бути міцним і стійким проти зносу, метал ресор — пружним, метал заклепок — пластичним, метал електричних проводок повинен мати малий електричний опір, метал зварних конструкцій добре зварюватися і не гартуватися при охолодження на повітрі, а метал деталей, що працюють в агресивних середовищах, бути стійким до корозії.
Область застосування металів визначається їх властивостями. Властивості металів поділяють на:

• механічні (ударна в'язкість, пластичність, міцність і твердість металу)
  
• технологічні (фізична і технологічна зварюваність, ковкість, плавкість, оброблюваність різанням)
  
• фізичні (колір, питома маса, теплова і електрична провідність, магнітні якості)
  
• хімічні (стійкість проти корозії, жароміцність)
  

Механічні та фізичні властивості

Основні фізичні і механічні властивості найпоширеніших металів приведені в таблиці.

Метали	Густина,ρ, кг/м3	Температура плавлення, °C	Температура кипіння, °C	Границя міцності, σв, МПа	Відносне видовження, δ, %	Твердість,HB	Лінійний коефіцієнт теплового розширення, α, при 20 °C (10−6/°C)
Залізо	7860	1539	2380	300	21...55	50...70	11,5
Алюміній	2700	660	2500	80...110	40	20...30	23,1
Мідь	8930	1083	2600	220	60	35	16,5
Магній	1740	651	1103	170...200	10...12	25...30	25,7
Нікель	8900	1455	3080	400...500	40	60	13,9
Титан	4500	1665	3260	300...550	20...30	100	1,2
Молібден	10200	2620	4800	800...1200	46	150...160	5,8...6,2

Усі метали (за винятком ртуті) при звичайних умовах є кристалічними речовинами. Їхні атоми розташовані в певному геометричному порядку і утворюють просторовукристалічну ґратку. У вузлах кристалічної ґратки містяться іони металів. Валентні електрони дуже слабо зв'язані з атомами і можуть легко переміщатися по всьому об'єму металу, переходячи від одних іонів до інших.
Легкою рухливістю валентних електронів пояснюється висока електропровідність і теплопровідність металів. На відміну від розчинів і розплавів при проходженні електричного струму через металічний провідник переносу частинок речовини не відбувається. Метали мають електронну електропровідність. За електропровідністю і теплопровідністю метали розміщуються в однаковому порядку. Найкращими провідниками електричного струму є срібло, мідь, золото і алюміній.
Характерна особливість металів — металічний блиск, тобто здатність добре відбивати світло. Але ця здатність проявляється лише тоді, коли метал утворює суцільну і гладку (поліровану) поверхню.
Дуже важливою властивістю більшості металів є пластичність, тобто здатність змінювати зовнішню форму при дії сторонньої сили і зберігати набуту форму після припинення впливу зовнішньої дії. На цій здатності базуються різні способи механічної обробки металів: прокатка, кування, штамповка, волочіння тощо. Однак ця властивість у різних металів виявляється не однаково. Здатність розкатуватись у тоненькі листи і витягуватись у тоненький дріт найкраще виявляється у золота, срібла, міді, алюмінію і олова, трохи гірше в заліза і цинку. Деякі метали зовсім не виявляють пластичності, вони дуже крихкі — це бісмут, манган і особливо стибій (сурма). При ударі вони розпадаються на шматочки.
За густиною метали умовно поділяють на легкі (густина яких менша 5 г/см3) і важкі (густина яких більша 5 г/см3). До найлегших металів належать літій, калій і натрій. Легкі метали — манган, алюміній і титан. Найважчими вважаються ртуть, золото, платина і осмій.
За твердістю метали теж дуже відрізняються один від одного. Найтвердішим металом є хром, який дряпає скло. За ним іде вольфрам, нікель і ін. До найм'якших металів належать калій і натрій, які легко ріжуться ножем. Дуже м'яким є також свинець. (Див. таблиця густин речовин; таблиця відносної твердості речовин)
За температурами плавлення метали теж різко відрізняються один від одного. Найнижчу температуру плавлення має ртуть (—39°С), за нею йде цезій (28,5 °C), рубідій(38,5 °C), калій (62,3 °C), а найвищу — вольфрам (3410 °C). (Див. таблиця температур плавлення речовин)
За забарвленням метали умовно поділяють на чорні — залізо, манган та їх чисельні сплави (чавун, сталь) і кольорові, до яких відносять усі інші метали. Відповідно до цього і промисловість, яка їх добуває, називають чорною і кольоровою металургією.

Хімічні властивості

Характерною особливістю металів є здатність їх атомів віддавати свої валентні електрони і утворювати позитивно заряджені іони. На відміну від неметалів метали негативно заряджених іонів не утворюють. Отже, вільні метали є відновниками. Чим легше даний метал віддає свої валентні електрони, тим він активніший відновник. За хімічною активністю метали можна розподілити на три групи: сильно активні — калій, натрій, барій, кальцій і ін., середньої активності — цинк, залізо, нікель тощо і мало активні — срібло, золото і платина. Відносну активність металів можна визначити за положенням елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва: металічний характер елементів і хімічна активність металів посилюється в періодах справа наліво, а в головних підгрупах - згори донизу. Типові металічні елементи перебувають у лівому нижньому куті довгого варіанта періодичної системи. Це францій, цезій, радій.
Сильно активні метали з киснем повітря енергійно взаємодіють вже при звичайній температурі, утворюючи оксиди, наприклад:

• 2Ca + O2 = 2CaO
  

Тому лужні і лужноземельні метали зберігають під шаром гасу, щоб запобігти їх окисненню киснем повітря. Метали середньої активності окиснюються киснем повітря лише з поверхні, покриваючись тонкою оксидною плівкою, яка запобігає дальшому окисненню металу. Наприклад:

• 2Zn + O2 = 2ZnO
  

Але при високій температурі вони енергійно взаємодіють з киснем і перетворюються в оксиди.
Малоактивні (благородні) метали з киснем безпосередньо не реагують взагалі. Більшість металів може безпосередньо реагувати з сіркою, хлором і майже з усіма неметалами, особливо при високій температурі. З водою сильно активні (лужні і лужноземельні) метали взаємодіють вже при звичайній температурі з виділенням водню і утворенням розчинних гідроксидів (лугів), наприклад:

• 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 ↑
  
• Ba + 2H2O = Ba(OH)2 + H2 ↑
  

Метали середньої активності, наприклад залізо, реагують з водою (водяною парою) лише при сильному розжаренні:

• 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2 ↑
  

Мало активні метали з водою не реагують ні при яких умовах. Відношення металів до кислот визначається їх місцем в електрохімічному ряду напруг (ряду активності). Усі метали, що займають місце в ряду напруг лівіше від водню взаємодіють з кислотами з утворенням солі і виділенням водню (з нітратної кислоти водень не виділяється!) Метали, що займають місце в ряду напруг правіше від водню, водню з кислот не витісняють. Але деякі з них можуть реагувати з концентрованою сульфатною кислотою при нагріванні з утворенням солі і виділенням діоксиду сірки SO2, наприклад:

• Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2 ↑
  

Що ж стосується нітратної кислоти, то при взаємодії її з усіма металами, незалежно від їх місця в ряду напруг, водень з HNO3 не виділяється, а утворюються оксиди азоту і сіль металу. Наприклад:

• 3Zn + 2HNO3 + 6HNO3 = 3Zn(NO3)2 + 2NO ↑ + 4H2O
  
• 3Ag + HNO3 + 3HNO3 = 3AgNO3 + NO ↑ + 2H2O
  

Метали в природі

Метали складають понад 80% усіх хімічних елементів. Переважна більшість металів зустрічається в природі у вигляді різних сполук і лише деякі з них — у вільному стані. Це так звані самородні метали (золото і платина), а також інколи срібло, ртуть, мідь і інші метали.
Мінерали і гірські породи, придатні для добування з них металів заводським способом, називаються рудами. Важливішими рудами є оксиди (Fe2O3, Fe3O4, Al2O3 • nH2O, MnO2 тощо); сульфіди (ZnS, PbS, Cu2S, HgS і ін.), солі (NaCl, KCl, MgCl2 CaCO3 і т. д.). Малоактивні метали зустрічаються переважно у вигляді оксидів і сульфідів, а активні (лужні і лужноземельні) — винятково у вигляді солей.

Одержання металів з руд

В більшості випадків руди містять різні домішки у вигляді піску, глини, вапняку тощо. Ці домішки називають пустою породою. Коли в руді багато пустої породи, тобто коли руда є бідною на корисну речовину, таку руду піддають збагаченню, тобто видаляють з неї частину пустої породи. Різні руди збагачують різними способами.
Для збагачення сульфідних руд звичайно застосовують спосіб флотації (спливання). При цьому способі руду розмелюють у тонкий порошок і заливають у великих чанах водою. До води додають певні органічні речовини (наприклад, соснове масло, вищі жирні кислоти тощо), молекули яких добре адсорбуються частинками сульфідів, і вкривають їх тонкою плівкою, внаслідок чого вони не змочуються водою. Крізь воду продувають повітря, пухирці якого з маслом утворюють піну, а також прилипають до частинок сульфідів, і вони спливають та збираються зверху разом з піною, а змочені водою частинки пустої породи осідають на дно (див. мал. Схема флотаційного апарату). Піну з сульфідами металів зливають з чану і віджимають сульфіди. Так одержують збагачену на корисну речовину руду.


Схема флотаційного апарату
Вільні метали добувають з руд різними способами. З оксидних руд метали одержують відновленням їх при високих температурах. При цьому як відновник частіше всього використовують вугілля (кокс) і монооксид вуглецю СО. Наприклад:

• Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO ↑
  
• Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 ↑
  
• SnO2 + C = Sn + CO2 ↑
  
• 2Cu2O + C = 4Cu + CO2 ↑
  

Інколи відновником служать активні метали. Наприклад, при добуванні хрому, берилію, мангану і ін. як відновник застосовують алюміній (алюмінотермія):

• Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3
  
• 3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3
  

У деяких випадках як відновник використовують водень, зокрема при добуванні молібдену, вольфраму, порошкоподібного заліза тощо:

• Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
  
• WO3 + 3H2 = W + 3H2O
  

Сульфідні руди спочатку обпалюють, переводячи їх в оксиди металів, які потім відновлюють. Наприклад:

• 2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2 ↑
  
• PbO + C = Pb + CO ↑
  

Найактивніші метали — калій, натрій, кальцій і ін. — не можна одержати способом хімічного відновлення їх сполук. Ці метали одержують лише електролізом їх розплавлених солей. Наприклад:


Отримання калію електполізом

[ред.]Застосування металів

Конструкційні матеріали

Метали і їх сплави — одні з головних конструкційних матеріалів сучасної цивілізації. Це визначається насамперед їх високими міцністю, жорсткістю та іншими механічними властивостями, технологічністю у переробці, відносною доступністю, однорідністю і непроникністю для рідин і газів, стійкістю до температурних впливів та впливів навколишнього середовища. Крім того, змінюючи рецептуру сплавів, можна впливати їх властивості у потрібному напрямку і в дуже широких межах.

Електротехнічні матеріали

Метали використовуються як хороші провідники електрики (мідь, алюміній), так і в якості матеріалів з підвищеним опором, котрі працюють при високих температурах: длярезисторів, реостатів і електронагрівальних елементів (ніхром і т.п.)

Інструментальні матеріали

Метали і їх сплави широко застосовуються для виготовлення інструментів (їх робочої частини). В основному це інструментальні сталі і тверді сплави.