Тема 1
Занятие1
1. Приложение на квантовата механика към строежа на атомите и молекулите.
2.Същност на квантовата механика.
3.Електронна структура на атомите.
1.Същност на квантовата механика
СТРОЕЖ НА АТОМA
•
Атомите са сложни частици. Състоят се от атомно ядро и електрони, които се
движат около ядрото и образуват електронна обвивка.
•
Ядрото има положителен товар.
•
Електронът има отрицателен електричен товар и маса равна на 1/1836 част от
масата на атомната единица за маса.
•
Броят на електроните в един атом е равен на броя на положителните товари в
ядрото и затова атома е електронеутрален.
АТОМНО ЯДРО
•
Атомните ядра имат размери от 10-14 до 10-15 м. Почти цялата маса на атома
(99.97%) се намира в атомното ядро.
•
Атомното ядро е изградено от протони и неутрони.
•
Протонът
( Р ) има маса, приблизително равна на една въглеродна единица и
един положителен товар. Броят на протоните се означава с Z
и е равен на номера
на елемента в периодичната система.
•
Неутронът
(n) има маса приблизително равна на една въглеродна единица, но
няма електричен товар, т.е. той е електронеутрален. Броят на неутроните се
означава с N
.
•
Протоните и неутроните се наричат общо нуклеони. Сумата от броя на
протоните (Z
) и броя на неутроните (N
)
в атомното ядро се нарича масово число
(А ),така:
A = Z + N
•
Масовото число е винаги цяло число. Ядрата на атомите на химичните елементи
се означават така : ZEA , където E е химичният знак на елемента.
•
Изотопите
са атоми на един химичен елемент, който има равен брой протони в
атомното ядро, но различни масови числа, защото имат различен брой неутрони
в ядрото. Например водородът има 3 изотопа: 1H1 – лек водород; 1H2 или 1D2 -
деутерий; 1H3 или 1T3 – тритий.
•
Изотопите имат еднакви химични свойства. Повечето от химичните елементи в
природата са смес от изотопи.
•
Атомната маса на химичните елементи в природата е пропорционална на
процентния състав на изотопите на елемента. Например природният хлор се
състои от 17
Cl
35 (около
75%)
и 17
Cl
37
(около
25%).
Затова неговата атомна
маса е 35,45.
•
Изоба
ри
те
са атоми, които имат еднакви масови числа,но различен брой протони
в ядрата. Например: 18Ar40; 19K40.
•
Изобарите са атоми на различни химични елементи и имат различни физични и
химични свойства.
•
От съвременно гледище - химичен елемент е вид атоми с еднакъв брой протони
в атомното ядро.
1
ЕЛЕКТРОННА ОБВИВКА
•
Електронът е микрочастица. Този дял от физиката, който изучава движението на
микрочастиците, се нарича квантова механика.
•
Един от основните принципи на квантовата механика е принципът за
неопределеността на Хайзенберг. Според него не може да се познават с
абсолютна точност мястото (координатите x,y,z и скоростта на една
микрочастица).
•
Може да се говори само за определена част от пространството около атомното
ядро, в което електронът се намира най-често около
95%
от времето. Това
пространство се нарича ЕЛЕКТРОНЕН ОБЛАК.
•
Пространството, в което електронът се намира повече време, казваме, че има по-
голяма електронна плътност. В електронния облак електронната плътност е
разпределена неравномерно.
•
Всеки електрон има определена енергия, форма и големина на електронния
облак. Някои електронни облаци са насочени по определен начин в
пространството, т.е. имат пространствена насоченост.
Информация за енергията на електрона, формата, големината и
пространствената насоченост на електронните облаци се дава от четири квантови
числа:
•
главно квантово число (n);
•
орбитално квантово число (l);
•
магнитно квантово число (m);
•
и спиново квантово число (s);
Главно квантово число
( n )
-
заема стойности на цели положителни числа от 1 до
безкрайност
n = 1, 2, 3…….
∞
То определя:
а) енергията на електроните
б) размерите на електронните облаци. Електроните, които имат еднакво главно
квантово число, образуват един електронен слой.
•
Слоевете се означават с латински букви : К (n = 1); L (n = 2);М(n = 3); (N=4)и
т.н.
Орбитално квантово число
(
l
)
има стойности от 0 до n -1
n = 0, 1, 2, 3…….
n -1
Например: n = 1
l
= 0
n = 2
l
= 0, 1
n = 3
l
= 0, 1, 2
•
Електроните, които имат еднакви
l
и n , образуват един подслой.
•
Броят на подслоевете в даден слой е равен на стойността на n за този слой.
•
Орбиталното квантово число определя:
а) енергията на електроните в един подслой
б) формата на електронните облаци
При
l
= 0 подслоя се означава като s - подслой
При
l
= 1 подслоя се означава като р - подслой
При
l
=2 подслоя се означава като d- подслой
При
l
=3
подслоя се означава като f - подслой
•
Електроните в един s -подслой се означават като s -електрони и техните
електронни облаци - s - електронни облаци.Те имат форма на сфера.
•
р - електронните облаци имат форма на пространствени осморки
2
•
d и f
-
електронните облаци имат по-сложни форми.
Магнитното квантово число
(m), взема стойности от
-
l
до +
l
, вкл. 0.
Например при
l =0
→
m = 0
l
= 1
→
m = -1, 0, +1
•
Магнитното квантово число определя пространствената насоченост на
електронните облаци и техния брой в даден подслой.
•
Във всеки слой има само един сферичен s - електронен облак, тъй като при
l
=0,
m= 0.
•
В р - подслоевете има три електронни облака: рx, py и рz , защото при
l
= 1, m =
-1,0,+1. Трите р - електронни облака са насочени по координатите х , y и
z
и
имат форма на пространствени осморки
При
l
= 2
→
m =
-2, -1, 0, 1, 2;
•
Броят на орбиталите в d - подслоя е пет ( d- орбитали и имат формата на
пространствени детелини).
Състоянието на електроните, което се характеризира с определени стойности на трите
квантови числа (
n,l,m
) се нарича АТОМНА ОРБИТАЛА.
На всяка стойност на
l
отговарят 2
l
+1 стойности на m.
•
Спиново квантово число ( s ).
•
Освен около ядрото, електрона може да се движи и около собствената си ос.
Това движение се нарича СПИН. То се характеризира със спиново квантово
число (s ), което може да има две стойности: + ½ и – ½.
•
Електрони с еднакви спинови квантови числа се наричат електрони с паралелни
спинове. Те се означават с две успоредни насочени в една посока малки стрелки.
Антинаралелни спинове се означават с две успоредни малки стрелки насочени обратно
една на друга
Състоянието на електроните, което се характеризира с
определени стойности на трите квантови числа (
n,l,m
) се
нарича АТОМНА ОРБИТАЛА.
На всяка стойност на
l
отговарят 2
l
+1 стойности на m.
3
2. Електронна структура на атомите.
•
Изграждането на електронната обвивка на многоелектронните атоми по слоеве,
подслоеве и орбитали става според
а) принципа на Паули
б) принципа на минимум енергия
в) правилото на Хунд
Принципът на Паули гласи: В един атом не може да има два електрона с
четири еднакви квантови числа
(
n
,
l
,
m
,
s
) . Принципът на Паули определя максималния
брой електрони в даден подслой и слой
Максималният орой електрони в различните видове под
слоеве е равен
на 2(2
l
+ 1)
.
•
В една s - орбитала може да има най-много два електрона- s2;
•
в трите р -орбитали максималният брой на електроните е шест - р6 ;
•
в петте
d-
орбитали максималният брой електрони е десет
- d
10
;
•
а в седемте
f
- орбитали максималният брой електрони е четиринадесет-
f
14
•
Принципът за минимум енергия гласи:
•
При изграждането на електронната обвивка на атома електроните заемат тези
свободни орбитали. които имат най-ниска енергия.
•
Енергията на атомните орбитали при многоелектронните атоми се определя от
броя на протоните в ядрото (
Z
), от главното квантово число (
n
), от орбиталното
квантово число (
l
)
и от взаимодействието между електроните (
qel
)
.
Следователно
Еорб = f(z,n,l…
q
el)
Експериментално е намерено, че енергията на орбиталите при
многоелектронните атоми се увеличава по реда:
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5s
<5p<6s
•
Този ред качествено се обяснява с правилото на Клечковски.
•
Съгласно това правило орбитали, които имат по-голяма сума
(n+l)
имат и по-
голяма енергия. Например при 4s- орбиталата
(n =4, l =0)
сумата е 4 + 0 = 4, а при
3d
( -орбиталите(n=3
, l = 2)
сумата е 3 + 2 =5.
Ето защо 4 s-орбиталата има по-малка енергия от
3d
-
орбиталите. При
еднаква сума
n+l
по-малка енергия имат орбиталите с по-малко главно квантово число.
Това правило обяснява реда на орбиталите по енергия.
•
Строежът на електронната обвивка на даден атом може да се означава със
символи.
•
Например:
3 Li →
1s22s1
4Be →
1s22s2
5B
→ 1s22s22p1
6C
→ 1s22s22p2
Ако всяка орбитала се означи с квадратче (квантова клетка) и електроните в нея със
стрелки, електронната конфигурация се означава така:
4
Правило на Хунд
: Орбитали с еднаква енергия се запълват най-напред с единични
електрони,
които
имат
паралелни
спинове.
Електронната конфигурация на азотния атом е в съгласие с правилото на Хунд
Когато в една орбитала има само един електрон, той се нарича единичен електрон.
Когато електроните заемат орбитали с най-ниска енергия, атомът се намира в основно
състояние. Ако атомът погълне енергия, преминава във възбудено състояние. При
възбуждане електрон от орбитала с по-ниска енергия преминава на орбитала с по-
висока енергия. Например:
Възбуденото състояние е нестабилно. Атомът отделя погълнатата енергия и
преминава в основно състояние.
•
При някои процеси атомите могат да преминат в положително натоварени йони
(катиони), като отдават електрони.
•
Енергията, която е необходима за отделяне на един електрон от атома в основно
състояние се нарича йонизанионна енергия (
JE
).
+
JE
11Na →
1s22s22p63s1 → 11Na+ 1s22s22p6
- 1e-
•
При някои процеси атомите могат да приемат електрони и да преминат в
отрицателни йони (аниони).
Енергията, която се отделя при присъединяване на един електрон към атома в
основно състояние, се нарича електронен афинитет (електронно средство).Означава се
с
АE.
+
AE
17C
l
→ 1s22s22p63s23p5 → 17C
l
1s22s22p63s23p6
атом
+1e-
йон
•
Полусумата от йонизационната енергия (
JE
) и електронния афинитет (
АE)
се
нарича електроотрицателност.
JE + АE
EE =
5
•
Обикновено, електроотрицателността на лития (Li) се приема за единица
ЕLi = 1; ЕNa =0,9; Еk = 0,8; ЕFe =1,8; ЕC = 2,5; ЕH =2,1;
Тема 1
Занятие 2
Квантовомеханична теория за ковалентната връзка. Квантовомеханична теория за
йонната връзка
1. Квантовомеханична теория за ковалентната връзка.
Молекулите на веществата са изградени от атоми, свързани с химични връзки.
При свързването на атомите участвуват електрони от последния или предпоследен
електронен слой, т.е. от валентните им слоеве. В зависимост от разпределението на
електронната плътност около ядрата на атомите в молекулите се образуват два вида
химична връзки - ковалентна и йонна.
Ковалентна връзка
•
Теорията за ковалентната връзка е дадена от Люис(1916). Според нея атомите се
съединяват, като от валентните им електрони се образуват една или няколко
общи електронни двойки.
Ковалентната врьзка се подразделя на:
а) Неполярна ковалентна връзка - образува се между атомите на един и същ
химичен елемент.
Например: H – H; F – F; C
l
– C
l
•
При тези връзки плътността на електронния облак около ядрата на агомите,
които се свързват, е еднаква. Между двата атома могат да се образуват и повече
общи ектронни двойки. Например в молекулата на азота ( N2 ) атомите са
свързани с три общи двойки електрони
:N: : :N:
.
•
Молекулите, които притежават такава връзка, се наричат неполярни молекули.
Графически се изобразяват с елипса или кръг с плюс и минус в центъра.
Центровете на плюс и минус съвпадат.
•
б) Полярна ковалентна връзка - образува се между атоми с различна
електроотрицателност.
Например: H – F; H – C
l
; H2O.
•
Плътността на електронния облак не е еднаква. Тя е по-голяма около ядрото на
атома на по-електроотрицателния елемент. Затова той придобива частичен
отрицателен товар, а атомът, който има по-малка електротрицателност,
придобива частичен положителен товар.
δ+ .. δ-
Например: H : F :
..
•
Химичната връзка е толкова по-полярна, колкото е по-голяма разликата в
електроотрицателността на атомите. Например електроотрицателността на
елементите въглерод, кислород, флуор се увеличава от въглерода към флуора.
•
Например в реда CH4, NH3, H2O, HF полярността се увеличава от метана към
флуороводорода.
Полярната молекула се означава графически:
•
При тях "центровете" на положителните и отрицателните товари не съвпадат.
6
•
Молекулите с полярни връзки, които са изградени от три или повече атома, са
полярни или неполярни в зависимост от свързването на атомите в молекулите.
Например молекулата на водата е полярна:
Молекулата на CO2 е линейна, неполярна:
•
Веществата с полярни и неполярни молекули при обикновени условия могат да
са газове:
•
H2, O2, CO2, SO2; течности : Br2, H2O или твърда вещества: J2, SO2, P2O5
•
Според съвременните представи образуването на обща електронна двойка
между два атома става чрез частично припокриване на атомните орбитали, в
които има електрони. Когато атомните орбитали се припокриват по оста, която
свързва двете ядра, се образува т.н. сигма - ( σ) връзка.
Максималната електронна плътност се намира между атомните ядра и σ -
връзката е здрава. Сигма връзки има в молекулите на H2O, NH3, СH4 .
Когато атомните орбитали се припокриват над и под (пред и зад) оста, която
свързва атомните ядра, се образува пи ( π ) връзка.
Максималната плътност е по-далече от ядрата. Пи( π) връзката е по-нетрайна от
σ
връзката.
π
връзка има в молекулата на етилена C2H4, ацетилена C2H2 и др.
Донорно-акцепторен механизъм за образуване на ко
ва
лентна връзка
.
•
Ковалентната връзка може да се образува и при припокриване на орбитала, в
която има два електрона, които не участвуват в други химични връзки, със
свободна орбитала от друг атом или йон. В този случай общата електронна
двойка се дава само от единия атом (или йон).
•
Атомът или йонът, който има свободна двойка електрони във валентна орбитала,
се нарича донор. Другият атом или йон, който я приема на свободната си
орбитала се нарича акцептор.
Водородна връзка
Водородната връзка се образува между молекули, в които
атомът на водорода е свързан със силно електроотрицателните атоми на флуора,
кислорода и азота.
•
Водородната връзка може да се образува и между различни молекули.
•
Например: CH3OH и H2O
•
Водородната връзка е по-стабилна от другите междумолекулни взаимодействия
(3 - 10 пъти), но е значително по-нестабилна от химичните връзки (10 - 20
пъти).
•
Колкото повече е застъпена водородната връзка, толкова скоростта на реакцията
е по-ниска.
•
Водородните връзки играят роля при адсорбцията, мокренето на твърди
вещества и др.
Йонна връзка
•
Йонната връзка
се образува, когато се свързват атоми с голяма разлика в своята
електроотрицателност (типични метали и типични неметали). Тя се разглежда
като краен (граничен) случай на полярната ковалентна връзка.
•
Валентните електрони при йонната връзка напълно (или почти напълно) са
преминали при атома с по-голяма електроотрицателност. Образуват се два йона
- положителен и отрицателен.
7
•
Силите, които свързват йоните, са електростатични.
Графически:
•
Веществата с йонна връзка при обикновени условия са твърди. Те имат йонна
кристална решетка.
•
При веществата с йонна връзка в твърдо състояние няма отделни молекули.
Всеки йон в твърдото вещество е заобиколен с йони с противоположен товар, с
който си взаимодействува.
•
Химичната формула на йонното съединение показва най-простото отношение
между йоните в съединението. Например формулата MgC
l
2 показва, че
отношението между магнезиевите Mg+2 ) и хлорните йони( C
l
- ) е едно към две
(1:2).
Тема 1
Занятие 3
МЕТАЛИ
Обща характеристика на металите в периодичната система и методи за
получаване на металите. Свойства и приложение на металите във военното дело.
1.Обща характеристика на металите в периодичната система и методи за
получаване на металите.
Металите и техните сплави са основни конструкционни материали в
машиностроенето, уредостроенето, електрониката, електротехниката и други отрасли
на народното стопанство.
Те няма да загубят приоритетното си значение въпреки значителния прогрес в
създаването и използуването на нови нетрадиционни материали на базата на
неорганични полимери, различни композиционни материали на тяхна основа и др.
•
Характерна особеност на тези материали е, че притежават т.нар. метални
свойства, които те проявяват в различна степен в зависимост от електронния
строеж на атомите.
•
Използуването на металите за едни или други нужди, дълготрайността и
надеждността на изделията от тях, при различни условия на експлоатация,
зависи от химичната им активност, отнасянето им спрямо елементите
окислители, съединенията окислители, вида на химичната връзка в металните
съединения и др.
8
Докато до средата на 20 в. основният конструкционен материал бяха различните
видове стомани, съвременната научно-техническа революция налага промишленото
използуване на такива "нови" метали каквито са: Ti, Zr, Nb, W, V, Mo, Ta, Re и др.
Уникалните свойства на тези метали и особено на сплавите от тях оказаха такова
решаващо значение при конструирането и производството на нови, съвременни
машини, конструкции, детайли, че понастоящем се разработиха и специални методи за
получаването им.
Още по-големи възможности в това отношение дават сплавите на металите с
някои от техните съединения като например карбидите, нитридите, боридите,
силицидите и др.
•
Бурното развитие на електрониката, автоматиката, роботиката и други доведе до
увеличаване употребата на цветните метали и на техните сплави за сметка на
черните.
•
Съвременният инженер-механик, технолог, приборостроител, електроник и т.н. е
необходимо да познава тези свойства на металите и сплавите, които ги
характеризират като конструкционни материали. Химичните, физичните и
механичните свойства на металите тук ще бъдат разгледани, изхождайки от
електронния строеж на атомите им.
ХАРАКТЕРИСТИКА НА МЕТАЛИТЕ
•
Известно е, че от всичко 105 химични елемента в периодичната система на
Менделеев, 82 са метали или това съответсвува приблизително на 80%. Този
факт сам по себе си говори, че металното състояние на веществата е типично.
•
Характерно свойство за атомите на всички метали е способността им винаги при
взаимодействие с атомите на неметалите да отдават електрони, да се превръщат
в положително заредени йони и образуват устойчиви съединения както следва:
М - nе = Мn+ (окисление)
Като метали обикновено се означават химичните елементи, на които са присъщи
следните основни свойства: метален блясък, голяма ковкост, изтегливост, висока
топло- и електропроводимост, ниска електроотрицателност, вследствие на ниския
йонизационен потенциал и малкото, по-често отрицателно сродство към електрона.
Рязка граница между метали и неметали не може да се направи. Има редица
химични елементи - полуметали като например
германий, арсен, антимон, астатий
,
които притежават метален блясък и провеждат електрическия ток.
9
За разлика от металите, с повишаване на температурата, електропроводимостта на тези
елементи се повишава. Те са крехки и лесно се стриват на прах. При температура,
близка до абсолютната нула някои метали проявяват свойството "свръхпроводимост".
Разделянето на елементите на метали и неметали обикновено се прави по линията
бор, силиций, арсен, телур, астатий
.
СТРОЕЖ НА МЕТАЛНА КРИСТАЛНА РЕШЕТКА. МЕТАЛНА ВРЪЗКА
•
Известно е, че всички метали притежават физични, механични и химични
свойства, които ги отличават от свойствата на неметалите. Причина за тази
особеност е електронният строеж на техните атоми, особеността на металната
връзка и природата на кристалната решетка.
•
Експерименталните изследвания върху строежа на металната кристална решетка
показаха, че високата плътност на металите се дължи на плътното подреждане
на атомите. Около всеки метален атом най-близко са разположени 8 или 12
атома, които са свързани с метална връзка. Този брой съответствува на
координационното число на кристалната решетка. Кубичната и хексагоналната
елементарна клетка осигурява най-плътното подреждане на градивните частици.
Металната връзка възниква за сметка на припокриването на електронните облаци от
атомните орбитали на последната орбита. Тази връзка се различава от ковалентната,
която възниква само между два атома.
Валентните електрони, осъществяващи металната връзка не принадлежат само на два
атома, а едновременно на всички атоми, заобикалящи даден атом в металния кристал,
т.е. те са
делокализирани.
Връзките между двойка съседни метални атоми не са постоянни, а
"резонират"
- в
даден момент се създават, а в следващия се разкъсват. Основната причина да не се
образуват истински ковалентни връзки е малкият брой валентни електрони при
металите и голямата им подвижност.
Колкото е по-голям броят на валентните електрони в металния атом, толкова по-голям
брой връзки той може да образува със съседните атоми. Това определя
металната
връзка да не е ориентирана в пространството
и да
няма наситен характер
(за разлика
от ковалентната и йонната).
При алкалните метали - 1А група и алкалоземните - IIА група връзка се осъществява с
участието на електрони от s-орбиталите. В образуването на връзка при преходните
елементи, участвуват електрони освен от s-и р-орбиталите от най-външната електронна
орбита, и тези от незапълнените d-орбитали на неизградената предпоследна електронна
орбита.
•
Метална връзка възниква при металите и сплавите не само когато са в твърдо
състояние, но и когато са стопени.
•
•
КЛАСИФИКАЦИЯ НА МЕТАЛИТЕ
•
Съществуват различни класификации на металите в зависимост от това кой
показател или свойство се взема за база. Най-често из-ползуваната и научно
обоснована е класификацията
в зависимост от мястото на метала в
периодичната система.
•
По стойността на максималната си степен на окисление, с изключение на IB
група, типа и свойствата на основните съединения, металите се разделят на
групи, които съответствуват на групите в периодичната система.
10
•
Елементите от IА група се наричат още алкални метали, тези които изграждат
IIА група (без берилий) - алкалоземни метали. Вторичните групи обикновено
носят названието на първия метал от групата, например: метали от групата на
скандия, метали от групата на титана, на ванадия, на хрома, на мангана и т.н.
Тази класификация на металите напоследък все по-често се измества от
класификацията, направена
въз основа на структурата на електронната
орбита, която се изгражда.
Според това металите се разделят на s-, р-, d- и f-
метали.
За практиката класификацията на металите често се прави въз основа на някое
харакетерно физично свойство. Така например:
•
според относителната си плътност те се разделят на
леки метали,
с относителна
плътност под 5 g/сm3 и
тежки
метали с относителна плътност над 5 g/сm3.
•
според температурата си на топене металите биват:
нискотопими
(с температура
на топене под 1000°С) и
високотопими
(с температура на топене над 1000°С)
•
в промишлеността е възприета класификацията:
черни и цветни
метали. Към
първите се отнасят желязото, хромът, манганът и техните сплави, а към вторите
- медта и металите, които образуват с нея сплави като: цинк, калай, олово.
Използуват се и други класификации:
благородни метали
(с голяма химична
устойчивост),
разсеяни метали
(разпространени малко в природата).
ОСНОВНИ ФИЗИЧНИ СВОЙСТВА НА МЕТАЛИТЕ
•
Като се изхожда от съвременните представи за строежа на металната кристална
решетка и същността на металната връзка, се обясняват такива присъщи само на
металите оптични, електрични, топлинни, механични, магнитни и други
свойства.
•
Всички метали при обикновени условия са твърди кристални вещества (с
изключение на живака). При сгряване до определена температура те се стапят и
кипят. Температурата на топене (Tт), температурата на кипене (Tк) и топлината
на сублимация на металите се изменят в широки граници, и то периодично по
периоди и групи, с нарастване на поредния им номер.
•
Тези свойства зависят от здравината на металната връзка. Най-ниска Тт има
живакът ( —38,9°С), а най-висока волфрамът (3390°С).
•
От използуваните в техниката метали най-нискотопими са: цезият (28,6° С),
галият (29,8° С), калаят (232° С), оловото (327° С), алуминият (650° С) и други.
•
Всеки период в системата започва с метал, имащ ниска Тт, ниска
Тк
и ниска
твърдост. С увеличаване на поредния номер, стойностите на тези показатели на
металите постепенно нарастват и в групата на хрома достигат максимална
стойност. Тук са най-високо-топимият метал волфрам и най-твърдият метал
хром.
•
При следващите елементи, във всеки период стойностите на тези
характеристики намаляват и достигат минимум при металите от групата на
цинка. С увеличаване на поредния номер в А-групите и групата на цинка Тт,
Тк
и твърдостта намаляват, а в В-групите (до групата на медта) - нарастват.
•
Електропроводимост.
Металите са проводници от първи род, с електронна
проводимост. Тяхната специфична електропроводимост е от 104 до 106Ω-1 сm-
3. По-ниска електронна проводимост имат техните сплави, някои от които са
интерметални съединения или съдържат други фази с променлив състав като:
метални карбиди, нитриди, хидриди и др.
•
Електропроводимостта на металите е различна, поради различната концентрация
на "свободни" електрони в кристалната им решетка. Би трябвало най-висока
електропроводимост да имат най-активните метали, където валентните
11
електрони са най-слабо свързани или това са алкалните и алкалоземните. В
действителност подреждането на металите по специфичната
електропроводимост е:
•
Аg > Сu > Аu > Zn > Рt > Fe > Sn> РЬ > Нg,
•
Топлопроводимост.
•
Високата топлопроводимост на металите се обяснява по същия начин, както и
електропроводимостта. С повишаване на температурата в кой да е участък от
метала, нараства, амплитудата на трептене на положителните йони във възлите
на кристалната решетка.
•
Намиращите се в непрекъснато движение "свободни" електрони се удрят в
йоните, обменят с тях енергия и я предават на съседните йони. По този начин
най-напред намалява, а след време изчезва температурният градиент. По
стойността на специфичната си топлопроводимост металите се подреждат по
следния начин:
Аg> Сu > Аl > Zn > Sn > Fе > Рb >
Рt > Рd >Bi.
Механични свойства
.
•
Металите съчетават в себе си много добри якостни и пластични свойства, които
са необходими за формуване на детайли, възли на машини и конструкции по
различни методи (леене, коване, щамповане, рязане, изтегляне, валцоване и
други).
•
Основно механично свойство на металите е тяхната
пластичност.
Под
пластичност на метала се разбира способността му под действието на външни
сили да се деформира, като запазва тази деформация и след прекратяване на
приложеното въздействие. При механично въздействие става приплъзване на
слоевете от металната кристална решетка един спрямо друг, изменят се
разстоянията, но металният кристал не се разрушава, връзката между тях
продължава да се осъществява от "свободните" електрони.
•
ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА МЕТАЛИТЕ
•
Химичните свойства на металите се определят от способността на металните
атоми само да отдават частично или изцяло валентните си електрони, т.е. те са
редуктори. При участие в химично взаимодействие те се окисляват. Мярка за
редукционната способност на свободните метални атоми е йонизационният
потенциал (
I
), а във водни разтвори - електродният потенциал
(Е).
Най-силни
редуктори са металите от
1А
група.
•
При различни условия металите си взаимодействуват с окислители елементи или
окислители химични съединения като: вода, киселини, основи, соли на по-малко
активни метали и други.
•
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ОКИСЛИТЕЛИ ХИМИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ
Металите реагират с най-силните окислители от периодичната система-халогенните
елементи (X): флуор, хлор, бром, йод. Съединенията, които се образуват, се наричат
халогениди.
В тях X е от - 1 степен на окисление.
Скоростта на взаимодействие зависи от природата на метала и намалява в посока
F→Cl→Br→J. От (X) се пасивират оловото и среброто, поради образуването на
практически неразтворими халогениди.
•
Металите взаимодействуват с окислителите от VI А група: кислород, сяра,
селен, телур, като образуват съответно:
оксиди, сулфиди, селениди, телуриди.
От
12
тези съединения най-голямо значение имат оксидите
МхОу.
В тях кислородът е
от - 2 степен на окисление. С най-активните метали от IА и IIА група,
кислородът образува и пероксиди (Nа202, Са02). В тях освен връзката М-О,
съществува връзка и между кислородните атоми -О-О-.
•
Практически няма неокисляващи се метали. Окисляват се както алкалните, така
и благородните метали, но в различна степен и с различна скорост. Докато
алкалните метали изгарят, т.е. свързват се с много голяма скорост с кислорода от
въздуха, то алуминият, никелът хромът, златото, среброто и други метали при
същите условия се пасивират. (виж Газова корозия).
•
Металите взаимодействуват с окислителите от VА група азот и фосфор, IVА
група въглерод, силиций, IIIА група бор, но само при сгряване. Съединенията,
които образуват с тези елементи, се наричат съответно:
нитриди, фосфиди,
карбиди, силициди
и
бориди.
•
Някои от тези съединения имат уникални технологични, физико-
механични, термични, електрични, магнитни, химични и други свойства,
които определят приложението им самостоятелно или в състава на други
материали. На тяхна основа са създадени и се разработват нови материали,
които могат да се използуват при екстремни условия - много ниски или
много високи температури, вакуум, различни видове радиация и пр.
СВОЙСТВА И ПРИЛОЖЕНИЕ НА НЯКОИ СЪЕДИНЕНИЯ НА МЕТАЛИТЕ
Халогенидите
се използуват за получаване на хлор, алкални основи, високотопими
метали с голяма чистота (Тi, Zг), във фотографията и други.
Металните оксиди
притежават висока твърдост, термична устойчивост, специфични
електрични и механични свойства. Оксидите на циркония, берилия, магнезия,
алуминия, титана и други се използуват като огнеопорни материали за специална
керамика и високотопими стъкла. Перспективен конструкционен материал за ядрената
енергетика е ВеО, притежаващ висока топлопроводимост, термична устойчивост,
способност да пропуска рентгеновите лъчи.
•
Оксидите на стронций и барий се използуват за изработване на оксидни
катоди на електровакуумни лампи. Оксидите на алкалните и
алкалоземните метали, на алуминия, оловото, кобалта и други участвуват в
състава на различни обикновени и специални стъкла.
Много оксиди се
използуват за оцветяване на стъкла, емайли, бои, като катализатори (Мn205),
окислители (МnО2) и други. В състава на феритите, които се използуват за
производството на слухови апарати и клетки на различни запомнящи
устройства, участвува V2O3.
•
Вентилните свойства на някои метални оксиди (Аl2О3, Та2О3, Cu2O и други) се
използуват при производството на електролитни кондензатори и
токоизправители. Оксидите на хрома желязото, титана и други се използуват
като абразивни материали.
•
Някои сулфиди на d-елементите, лантаноидите и актиноидите притежават
магнитни, термоелектрични, каталитични и други свойства. Силно изразени
фотоелектрични свойства има CdS. Галенитът (РbS) се използува като детектор,
за фотосъпротивления и др.
•
Селенидите и телуридите на металите имат променлив състав, по-добри
полупроводникови свойства.
•
Сулфидите и особено диселенидите на тежките метали (Мо, W, Tа, Nb) имат
слоеста структура, която определя ниския им коефициент на триене. Те се
13
използуват като съставна част на смазочни материали за апарати,
работещи във висок вакуум, в космоса и в условията на различна радиация
•
Карбидите и боридите на Nb, Та,W, Мо и други метали, обработени при
висока температура с прахообразен никел или кобалт, участвуват в състава
на свръхтвърди сплави (металокерамика). От тези сплави се изработват
различни режещи инструменти, детайли и абразиви, с които могат да се
обработват и най-твърдите материали.
Разработени са технологии за
повърхностно легиране на метални повърхности с N, B,Si
(нитриране, бориране,
силицидиране) с оглед повишаване на повърхностната им твърдост, износ - и
корозионната устойчивост, якостните свойства и др.
•
Карбидите, силицидите, боридите, нитридите на металите и техните сплави
са незаменими материали за изработване на детайли за реактивни
двигатели, лопатки на турбини, нагревателни елементи на пещи и други
•
РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА МЕТАЛИТЕ
•
Известно е, че термодинамично устойчивото състояние на металите е йонното,
поради което електронеутралните метални атоми самоволно, под действието на
окръжаващата ги среда отделят слабо свързаните си валентни електрони и се
превръщат в йони. Този окислитилен процес (корозия) протича с отделяне на
енергия и е основно свойство на металите, което определя те да се намират в
природата не в свободно (атомно) състояние, а под формата на различни по
химичен състав съединения.
•
От откритите 105 елемента, в земната кора се срещат само 88, а
останалите
са изкуствено получени. В практиката понастоящем се произвеждат и
използуват около 75 от всички метали.
Малка част от най-ценните и важните за развитието на научно-техническия прогрес
метали се съдържат в по-големи количества в земната кора. Най-разпространеният
метал (в мас.ч.%) е А
l
- 8,83. След него са: Fе - 5,20, Са - 3,6, Nа - 2,4, Мg - 2,1, К - 2,1 и
т.н.
•
Метали като - Сu, Мn, Сг, V, Zг се съдържат от порядъка на 10-2 – 10-3, U- 3.10-
4, V - 1.10-4, Аg - 5.10-6, Аu - 1.10 -7 и т.н.
•
В земната кора преобладават кислородните съединения на металите, от които
най-разпространени са
силикатите, след това карбонатите, сулфатите и
оксидите
. От несъдържащите кислород съединения, най-разпространени са
сулфидите.
•
Ограничен брой слабоактивни метали като: злато, платина и други се срещат
предимно в свободно (самородно) състояние; средноактивните метали (Сu, Sn,
Нg и др.) - в свободно и в съединено състояние, а всички останали - само под
формата на различни химични съединения.
•
Металните съединения, заедно със скалните примеси които ги съпътствуват, са
известни като минерали. В последните съдържанието на метал е различно.
Минералите са се образували в резултат на геохимични процеси, допринесли за
по-значително концентриране на един или повече елементи, в сравнение с
тяхното съдържание в земната кора.
•
Някои метали имат по един или повече минерали, а други са равномерно
разпределени (разсеяни) в цялата земна кора. Броят на минералите не зависи от
14
разпространеността на метала. Например съдържанието на рубидий в земната
кора е 0,007 ат.%, но няма собствен минерал - той е разсеян елемент, докато
медта с много по-ниско съдържание (0,0036 ат.%) има голям брой собствени
минерали - прости и комплексни.
•
Минералите, от които е икономически изгодно получаването на един или повече
метали, при съвременното развитие на металургичната наука, металургичните
технологии и техника, се нарича рудни минерали или само руди.
•
Понятието промишлена руда е относително. С намаляването на природните
ресурси, се усъвърщенствуват непрекъснато технологиите за получаване на
метали от все по-бедни руди.
•
В зависимост от химичния състав рудите биват: прости, когато от тях се извлича
само един метал и комплексни (полиметални), когато се получават няколко
метала едновременно.
•
Рудите на цветните метали най-често са комплексни. От тях понякога се
получават 10-20 различни елемента и съединения. Нашите медни, цинкови и
оловни руди са полиметални. Освен основния метал от тях се получават: Аg, Аu,
Sb, Те, Ni, Рb, Рd, Rе, Вi, Сd, Н2S04.
•
МЕТОДИ ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА МЕТАЛИ
•
Получаването на металите от техните руди е редукционен процес, свързан с
поглъщането на енергия.
•
Металните руди почти винаги съдържат значителни количества скални примеси
- пясък, глина и варовик, които затрудняват металургичните процеси, поради
което икономически е нецелесъобразно да се подлагат направо на редукция.
Това налага рудите предварително да се обработват (обогатяват) с цел
намаляване на примесите и получаване на рудни концентрати. В тях
съдържанието на метал се увеличава многократно.
•
Обогатяването се основава на различни специфинй свойства на рудните
минерали, например различна плътност, омокряемост, магнитни свойства,
радиоактивност и др.
•
Най-масово използуваният в промишлеността метод за обогатяване на рудите е
флотацията.
Този сложен физикохимичен процес се базира на различната
омокряемост на рудния минерал и скалните примеси от специални химични
съединения неречени
флотореагенти.
•
Тези вещества се наричат още ПАВ (повърхностно активни вещества). Като се
адсорбират по повърхността на твърдите частици на металното съединение и
скалните примеси в различна степен (селективно), те изменят чувствително
степента им на омокряне.
•
На флотация се подлага руда, която предварително е смляна, до определена
едрина на частиците. При сместа от руда, флотореагент и вода се пропуска
сгъстен въздух. Получава се разпенване. Върху газовите мехурчета полепват
частиците на рудата, които се омокрят по-слабо от водата, а във водата попадат
по-добре омокрящите се частици от скалните примеси.
•
Последните, поради по-голямата си плътност от водата се утаяват на дъното на
съда като отпадък (хвост). Пяната, която съдържа продуктът обогатен на руден
минерал, се отделя и се разрушава с цел отделяне на флотореагента и рудния
концентрат.
15