Химические элементы – это элементы образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью. Из 110 известных химических элементов 88-металлы и только 22-неметаллы.
Такие металлы, как золото, серебро и медь, известны человеку с доисторических времен. В древние и средние века считали, что существует только 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть). М. В. Ломоносов определял металл как “светлое тело, которое ковать можно” и относил к металлам золото, серебро, медь, олово, железо и свинец” А. Лавуазье в “Начальном курсе химии” (1789) упоминал уже 17 металлов. В начале XIXв. последовало открытие платиновых металлов, а затем щелочных, щелочноземельных и ряда других.
Триумфом периодического закона было открытие металлов, предсказанных на его основе Д. И. Менделеевым, - галлия, скандия и германия. В середине XXв. с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы - не существующие в природе радиоактивные металлы.
Современная металлургия получает свыше 60 металлов и на их основе более 5000 сплавов.
В основе структуры металлов лежит кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов. Эти электроны компенсируют силы электрического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их в твердые тела.
Такой тип химической связи называют металлической связью. Она обусловила важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.
Пластичность — это способность металлов изменять форму при ударе, прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходит смещение атомов и ионов кристаллической решетки, однако связи между ними не разрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образующие связь. Пластичность металлов уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe. Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной до 0,003 мм, которые используют для золочения.
Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному С повышением температуры колебания ионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурах колебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, и электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводник электричества - серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Также изменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов.
Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют плотность, температура плавления и твердость. Самый легкий из металлов - литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый - осмий (22,6 г/см3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см 3 называются легкими, остальные - тяжелыми. Температуры плавления металлов различаются очень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температура плавления вольфрама +3410° С. При обычных условиях единственный жидкий металл - ртуть. В парообразном состоянии все металлы одноатомны, их кристаллическая решетка разрушается.
Металлы различаются по твердости. Самый твердый из них - хром - режет стекло, а самые мягкие - калий, рубидий и цезий - легко режутся ножом. Прочность, температура плавления и твердость зависят от прочности металлической связи. Она особенно велика у тяжелых металлов.
В технике сплавы на основе железа, т.е чугун, сталь, а также само железо, называют черными металлами, все остальные металлы называются цветными. Существуют и другие классификации металлов.
Химические свойства металлов определяются слабой связью валентных электронов с ядром атома. Атомы сравнительно легко отдают их, превращаясь при этом в положительно заряженныеионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. В этом их главная и наиболее общее химическое свойство.
Очевидно, как восстановители металлы должны вступать в реакции с различными окислителями, среди которых могут быть простые вещества (неметаллы), кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. Соединения металловскислородом называются оксидами, с галогенами - галогенидами, с серой - сульфидами, с азотом - нитридами, с фосфором - фосфидами, с углеродом - боридами, с водородом - гидридами и т. д.. Многие из этих соединений нашли важное применение в технике.
При взаимодействии металлов с кислотами окислителем является ион водорода Н, который принимает электрон от атома металла:
Mg - 2e=Mg2+
2H+ +2e=H2+
___________________
Mg+2H+=Mg2+H
Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (ряду напряжений) левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород из разбавленных кислот типа НС1 или Н2S04, а металлы, стоящие правее водорода, его не вытесняют.
Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активных металлов можно иллюстрировать примером:
Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu
В этом случае происходит отрыв электронов от атомов более активного металла — цинка и присоединение их ионами менее активного Сu2'. Руководствуясь рядом стандартных электродных потенциалов, можно сказать, что металл вытесняет (восстанавливает) из растворов их солей многие следующие за ним металлы.
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) взаимодействуют и с водой, которая в этом случае выступает в роли окислителя.
Металлы, гидроксиды, которые амфотерны,как правило, взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей.
Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Такие соединения обычно образуют типичные металлы с металлами, обладающими слабыми металлическими свойствами, например определенные соединения натрия со свинцом:
Nа5РЬ2, NaРЬ, Na2РЬ, Na4РЬ
Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, интерметаллических соединений или металлоидов.
Рассмотренные свойства металлов, связанные с отдачей электронов в химических реакциях, называют металлическими. В различной степени ими обладают все химические элементы. О металлических свойствах судят, сопоставляя электроотрицательности элементов. Эта величина, выраженная в условных единицах, характеризует способность атома в молекуле притягивать электроны. Относительные значения электроотрицательностей элементов. Чем меньше электроотрицательность, тем сильнее выражены металлические свойства элементов.
ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ С ВЫСОКОЙ МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ.
Использование редкоземельных соединений дает возможность создавать материалы для постоянных магнитов малого веса с большой магнитной энергией. Наиболее эффективными для этой цели являются интерметаллические соединения кобальта с легкими редкоземельными металлами, такие как SmCo5, NdCo5, PrCo5.
При соответствующей технологической обработке (прессование мелких частиц в магнитном поле и последующее спекание), обеспечивающей возникновение однодоменных частиц, появляются огромные коэрцитивные силы. Кроме того, они обладают высокой намагниченностью насыщения при комнатных температурах и, как следствие этого, высокой остаточной индукцией BR. Все это позволяет создавать из таких материалов постоянные магниты с очень большой максимальной магнитной энергией до 32 млн. Гс-Э, что в несколько раз больше, чем соответствующие энергии для лучших сплавов на основе элементов группы железа.
Подобные материалы открывают большие возможности в создании миниатюрных автономных источников постоянного магнитного поля. Соединения типа SmCo5 сейчас занимают ведущее место среди материалов, из которых изготовляются весьма сильные и компактные магниты для различных устройств в электротехнике, радиотехнике и автоматике (например, для создания миниатюрных электромоторов, магнитных элементов вакуумных приборов — ламп с бегущей волной, магнетронов, магнито - фокусирующих систем, для медицинских приборов и др.).
Дальнейшее улучшение материалов для постоянных магнитов на основе редкоземельных соединений требует лучшего понимания физики намагничивания ферромагнитных систем RCо5, а также изучения магнитных свойств новых соединений, например,Sm2Co17 и различных смешанных систем. Важным также является изучение влияния кристаллической структуры и дефектов структуры на магнитные свойства подобных материалов, а также отработка технологических приемов получения качественных магнитов из этих соединений.
МАТЕРИАЛЫ С ГИГАНТСКОЙ МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ
Металлы ТЬ, Dу и ферриты-гранаты этих металлов при низких температурах имеют гигантские магнитострикции, на 2—3 порядка большие, чем магнитострикции в металлах, сплавах и ферритах элементов группы железа. Интерметаллические соединения ТЬFе2 и DуFe2 также обладают огромными магнитострикциями, преимуществом этих соединений является то, что они имеют огромные магнитострикции при комнатных температурах. Техническое использование подобных материалов возможно для получения ультразвука большой мощности, для конструирования приборов, позволяющих с помощью магнитного поля безынерционно управлять различными контактными и сканирующими устройствами, для вибробурения, для геофизического карротажа скважин, дефектоскопии.
Для успешного применения редкоземельных магнитострикционных материалов необходимо, прежде всего, принимать меры к снижению вредного влияния огромной магнитной анизотропии, т. е. уменьшать поле НS для того, чтобы можно было “управлять” этой магнитострикцией с помощью малого поля.
В настоящее время большой интерес к редкоземельным магнитострикционным материалам проявляют ученые-гидроакустики.В современной гидроакустике в основном применяются пьезокерамические преобразователи звука. Недостатком последних является малая мощность излучения и небольшая механическая прочность. Исследования показывают, что магнитострикционные излучатели, в которых используются соединения типа RFe2, могут быть более эффективными, чем пьезокерамические излучатели. Эффективность работы магнитострикционного преобразователя характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются: константа динамической магнитострикции Л и коэффициент полезного действия преобразователя или, как его еще называют, коэффициент электромеханической связи k.