.
1. Металл – вещество с уникальными свойствами.
На протяжении длительного времени, несмотря на обилие альтернатив, металл остается одним из наиболее широко употребляемых материалов во всех сферах деятельности человека. Металл используют как в быту (посуда, инструмент и пр.) так и в производстве высокотехнологичных изделий (от автомобиля до космического оборудования).
Почему же человечество с древних времен остается верным металлу? Ответ прост: металлы обладают уникальными свойствами, делающими возможным их применение в любой сфере производства и быта.
Основные свойства и разновидности металлов:
Металлы весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере.
По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые это различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, - писал он, - тела твердые, ковкие блестящие».
Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенного комплекса свойств:
Плотная кристаллическая структура.
Характерный металлический блеск.
Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.
Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.
Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко отдавать электроны.
Ковкость и тягучесть.
Способность к образованию сплавов.
Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих - коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды.
Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др.
Это деление на черные и цветные металлы условно.
Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.
Физические свойства металлов:
С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются, прежде всего, особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.
Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.
Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.
По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы - все остальные.
Химические свойства металлов:
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.
Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.
2.История открытия металлов и появления понятия «металл».
Термин «металл» произошел от греческого слова métallion (от metalléüõ – выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 век до нашей эры). То, что добывалось в рудниках, Платон называл mettaléia. В древности и в средние века считалось, что существует только семь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно, крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 века получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» - флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал шесть металлов (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В конце 18 века А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы – простые вещества. В 1789 году Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда семнадцать металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В первой половине 19 века были открыты спутники Pt, получены путем электролиза некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные металлы при химическом анализе минералов. В 1860-1863 годах методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование металлов, предсказанных Д.И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в конце 19 века повлекло за собой поиски природных радиоактивных металлов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с середины 20 века были искусственно получены радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы.
В конце 19 – начале 20 веков получила физико-химическую основу металлургия – наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от состава и строения.
Полиметаллическая руда
3.Способы изготовления изделий из металлов, их история и связь с искусством
А. Ковка
Ковка – один из способов обработки металлов под давлением, при котором инструмент оказывает многократное прерывистое воздействие на заготовку, в результате чего она, деформируясь, постепенно приобретает заданную форму и размеры.
С древности ковка (меди, самородного железа) служила одним из основных способов обработки металла (холодная, а затем горячая ковка в Иране, Месопотамии, Египте в 4-3 тыс. годах да нашей эры; холодная ковка у индейцев Северной и Южной Америки до 16 века нашей эры). Древние металлурги Европы, Азии и Африки ковали сыродутное железо, медь, серебро и золото; кузнецы пользовались особым почетом у народов древности, а их искусство окружалось легендами. В средние века, в том числе и в России, кузнечное дело достигло высокого уровня: вручную отковывались холодное и огнестрельное оружие, инструменты, детали сельскохозяйственных орудий, дверей и сундуков, решетки, светильники, замки, часы и другие изделия всевозможных форм и размеров, часто с тончайшими деталями; кованые изделия украшались насечкой, просечным или рельефным узором, расплющенными в тончайший слой листами сусального золота и бронзовой потали. Традиции средневекового ремесла сохранились в народном искусстве до 19 века (светцы, крюки, и и т.д.). В 15-19 веках выполнены многие замечательные кованые фонари, ограды, решетки, ворота (Версаль, Петербург, Царское Село). Многие города специализировались в различных отраслях кузнечного ремесла: Герат, Мосул славились утварью, Дамаск, Милан, Аугсбург, Астрахань, Тула – оружием, Нотиннгем, Золинген, Павлово на Оке – ножами и инструментами, Нюрнберг, Холмогоры – замками и т.д. В 19 веке ручная ковка была вытеснена штамповкой и литьем, интерес к ней возродился в 20 веке.