Transcript 2. Метали – строеж, свойства, класификация

ФАКУЛТЕТ ПО ПРИРОДНИ НАУКИ
1
Катедра „Органична химия и технология“
МЕТАЛИ И СПЛАВИ
1. Метали – строеж, свойства,
класификация.
2. Сплави
3. Металоиди (полупроводници)
Доц. д-р В. Грозев
1. Класификация на химичните елементи в
периодичната система
2
Химичните елементи в периодичната система могат да се класифицират като метали,
неметали и металоиди.
Металоидите или наречени още полупроводници се състоият от седем елемента – бор,
силиций, германий, арсен, антимон, телур и полоний. Тези елементи образуват стъпаловидна
линия в периодичната система, която разделя металите от неметалите. Металите се намират
вляво от полупроводниците и техният брой е около 80. Неметалите са 16 елемента, по-важни от
които са кислород, сяра, въглерод, хлор, фосфор и азот.
2. Метали – строеж, свойства, класификация
3
2.1. Строеж на металите
Положително
натоварени йони на
метала
Електрони
Металите
са
кристални
вещества.
Градивните
им частици се разполагат
в
определен ред и образуват елементарната клетка.
Подредени една до друга в пространството
елементарните клетки образуват кристалната
решетка на метала.
По възлите на кристалната решетка са
разположени положително натоварени йони. В
пространството между йоните са разположени
електрони, които се движат свободно в кристала.
Електроните са образувани чрез отделяне на
валентния електрон на металните атоми.
Металната връзка се определя като сила на
привличане между свободните електрони и
металните йини. Металната връзка е изключително
здрава и определя свойства на металите.
Метална кристална решетка
2. Метали – строеж, свойства, класификация
4

2. Метали – строеж, свойства, класификация
5
Продължение 2.2 Свойства на металите
Ковкост и пластичност. Тези свойства определят способността на металите да се
деформират в студено състояние или при нагряване. Получената форма се запазва и след
обработката. Така от заготовката метал се получават изделия с определена форма – тънки листове
или проводници.
Електро – и топлопроводимост. Металите имат висока електро- и топлопроводимост. Това,
че металите са добри проводници на електрически ток се дължи на наличието на подвижни
електрони, които се придвижват под действието на електрическото поле. Най-добрите
електрически проводници са сребро, мед и алуминий. Високата топлопроводимост зависи също от
подвижността на електроните, затова най-добрият проводник на топлина е също среброто.
Магнитни свойства. Тези свойства определят поведението на металите под въздействиена
външно магнитно поле. По отношение на магнитните си свойства металите биват диамагнитни,
парамагнитни или феромгнитни. Диамагнетик е вещество, което поставено във външно магнитно
поле се намагнетизира в посока обратна на това поле. В отсъствие на външно магнитно поле
диамагнетиците са немагнити. Парамагнетизъм се проявява единствено при наличие на външно
магнитно поле. Парамагнитните материали реагират на външното магнитно поле, но много слабо и
не се намагнитват под негово въздействие - при излизането им от полето магнитните им свойства
изчезват. Феромагнитите са метали, които се намагнитват силно под действие на външно
магнитно поле. Феромагнитни вещества са желязото, кобалт, никел и други.
2.
Метали – строеж, свойства, класификация
6
Химични свойства на металите
Металите имат по един, два или три валентни електрона в най-външния си електронен слой.
С тях металите образуват химични връзки с други атоми. Те слабо се привличат от атомното ядро.
Затова металите обикновено отдават електрони при учатие в химични реакции.
От химичните отнасяния на метала особено характерна е способността им да отдават
електрони при химичното им взаимодействие с неметалите, при което преминават в положително
натоваренийони.. С кислорода образуват главно оксиди:
4 Na + O2 → 2 Na2O (динатриев оксид)
2 Ca + O2 → 2 CaO (калциев оксид)
4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 (диалуминиев триоксид)
Основната част на от анхидридите на металите са основи:
СаО + Н2О → Са(ОН)2 (калциев хидроксид)
Всички метали се разтварят в киселини:
Н2SО4 + Zn → ZnSO4 + H2
2. Метали – строеж, свойства, класификация
7
2.3. Класификация на металите
В периодичната система металите се разделят на акални, алкалоземни и преходни.
На практика се използва и друга класификация, според която металите се подразделят на
следните групи:

Черни – желязо и сплавите му с манган, въглерод, хром и други;
 Цветни – мед, олово, цимк, никел, алуминий, магнезии;
 Разсеяни – германий, телур, селен и др.;
 Благородни – платина, злато, сребро;
 Радиоактивни – уран, радий, полоний.
3. Сплави
8
В много случаи чистите метали не удовлетворяват някои изисквания при тяхната употреба. Напр. те могат
да бъдат недостатъчно твърди или лесно да кородират. Чрез прибавяне на други метали или неметали в
стопилката от основен метал може да се получат изделия с предварително зададени свойства., наречени сплави.
Чрез сплавяване с 36% цинк, 3% алуминий и 2,5%никел (сплав месинг) якостта на опън на чистата мед от 22
kg/mm2 може да се повиши до 80 kg/mm2.
.
Сплав е смес или твърд разтвор от метал и друг елемент. Те се получават чрез смесване на два или повече
елементи, единият от които задължително е метал. Компонентите на сплавите са:
*Основен метал, към стопилката на който се прибавят другите компоненти (нарича се още матрица или
разтворител);
*Легиращи елементи, които които не е задължително да бъдат метали, т.е. използват се и неметали.
Примери за промяна на свойствата при сплавяване (легиране):
1. Алуминият и медта са меки и ковки метали. Ако към алуминия се прибави мед получената сплав е с
висока твърдост.
2. При прибавяне на въглерод към желязо се получава стомана, която е с по-добри якоостни
характеристики от чистото желязо. Сплавта между желязото и хрома води до рязко подобряване на коросионната
устойчивост.
При скмесване на стопилка метал с други елементи са възможни два механизма за
образуване на сплави:
1. Замяна на атоми в кристалната решетка
2. Кристален конглометар, т.е. Смес от кристалите на отделните компоненти на сплавта;
3.Образуват химически съединения
4. Металоиди (полупроводници)
9
Металоидите са химични елементи, чийто свойства са междинни по отношение на метали
и неметали. Седем на брой елемента се включват в групата на полупроводниците – бор,
силиций, германий, антимон, арсен и полоний:
4. Металоиди (полупроводници)
10
Сравнение на свойствата на метали, неметали и металоиди
Physical property
Metals
Metalloids
Nonmetals
Form
solid;
solid[87]
majority gaseous[88]
Electrical conductivity
good to high[n 14]
intermediate[91] to good
poor to good[n 16]
Chemical property
Metals
Metalloids
Nonmetals
General chemical
behaviour
metallic
nonmetallic[97]
nonmetallic
Ionization energy
relatively low
intermediate ionization
energies]
relatively high
Electronegativity
usually low
have electronegativity
values close to 2[100] (17]
high
When mixed
with metals
give alloys
can form alloys[103]
ionic or interstitial compounds
formed
Oxides
lower oxides basic;
higher oxides
increasingly acidic
amphoteric or weakly
acidic[104]
acidic
4. Металоиди (полупроводници)
11
Таблицата показва хибридната природа на металоидите. По отношение на агрегатно
състояние, външен вид и поведение при сплвяване с метали те приличат на металите. Техните
общи химични свойства са по – близки до тези на неметалите. Междинни свойства са:електрическа
проводимост, йонизационна енергия, електроотрицателност.
Полупроводниците имат ценни свойства, които намират приложение в:
-
Като компоненти в редица видове стъкла. Напр. борният триоксид е компонент в
оптичните влакна и боросиликатното стъкло;
-
Сплави от полупроводникови елементи (GeSbTe и др.) променят оптическите и
електрическите си свойствасвойствата си при нагряване, което се използва за съхранение на
информация, създаване на дисплеи, оптични дискове;
-
В електрониката като полупроводници. Силицият се смята за водещ търговски
полупроводник. Борът, силиция, германия, арсена и антимона се използват във всички клетъчни
телефони.