Металл

Железо , показанное здесь в виде фрагментов и куба размером 1 см ³ , является примером химического элемента, который представляет собой металл.

Металл в виде соусницы из нержавеющей стали, сплава, в основном состоящего из железа, углерода и хрома.

Металла (от греческого μέταλλον Metallon , «шахта, карьер, металл») представляет собой материал , который, когда свежеприготовленный, отполирована или сломана, показывает блестящий внешний вид, а также проводит электричество и тепло сравнительно хорошо. Металлы, как правило, податливы (их можно раскалывать в тонкие листы) или пластичны (их можно вытягивать в проволоку). Металл может быть химическим элементом, например железом ; сплава , такие как нержавеющая сталь ; или молекулярное соединение, такое как полимерный нитрид серы .

В физике под металлом обычно понимается любое вещество, способное проводить электричество при температуре абсолютного нуля . ^[1] Многие элементы и соединения, которые обычно не классифицируются как металлы, становятся металлическими под высоким давлением. Например, неметаллический йод постепенно превращается в металл при давлении от 40 до 170 тысяч раз выше атмосферного . Точно так же некоторые материалы, которые считаются металлами, могут стать неметаллами. Натрий , например, становится неметаллом при давлении чуть менее двух миллионов атмосфер.

В химии два элемента, которые иначе квалифицировались бы (в физике) как хрупкие металлы, - мышьяк и сурьма - вместо этого обычно признаются металлоидами из-за их химического состава (преимущественно неметаллический для мышьяка и сбалансированный между металличностью и неметалличностью для сурьмы). Около 95 из 118 элементов периодической таблицы - металлы (или, скорее всего, таковыми). Это число неточно, поскольку границы между металлами, неметаллами и металлоидами слегка колеблются из-за отсутствия общепринятых определений соответствующих категорий.

В астрофизике термин «металл» используется более широко для обозначения всех химических элементов в звезде, которые тяжелее двух самых легких, водорода и гелия , а не только традиционных металлов. В этом смысле первые четыре «металла», собирающиеся в ядрах звезд в результате нуклеосинтеза, - это углерод , азот , кислород и неон , которые в химии строго неметаллы. Звезда сплавляет более легкие атомы, в основном водород и гелий, в более тяжелые атомы в течение своей жизни. В этом смысле металличность астрономического объекта - это доля его вещества, состоящего из более тяжелых химических элементов.^[2]

Металлы, как химические элементы, составляют 25% земной коры и присутствуют во многих аспектах современной жизни. Прочность и устойчивость некоторых металлов привели к их частому использованию, например, высотное здание и мостовидному строительство , а также большинство транспортных средств, много бытовой техники , инструменты, трубы и железнодорожных пути. Драгоценные металлы исторически использовались для чеканки монет , но в современную эпоху чеканка металлов расширилась как минимум до 23 химических элементов. ^[3]

Считается, что история очищенных металлов началась с использования меди около 11000 лет назад. Золото, серебро, железо (как метеоритное железо), свинец и латунь также использовались до первого известного появления бронзы в 5-м тысячелетии до нашей эры. Последующие разработки включают производство ранних форм стали; открытие натрия - первого легкого металла - в 1809 г .; подъем современных легированных сталей ; а после окончания Второй мировой войны - разработка более сложных сплавов.

Характеристики

Форма и структура

Металлы блестящие и блестящие , по крайней мере, когда они только что приготовлены, отполированы или сломаны. Листы металла толщиной более нескольких микрометров кажутся непрозрачными, но сусальное золото пропускает зеленый свет.

Твердое или жидкое состояние металлов в значительной степени обусловлено способностью задействованных атомов металла легко терять электроны своей внешней оболочки. Вообще говоря, силы, удерживающие электроны внешней оболочки отдельного атома на месте, слабее, чем силы притяжения на тех же электронах, возникающие в результате взаимодействия между атомами в твердом или жидком металле. Вовлеченные электроны становятся делокализованными, и атомную структуру металла можно эффективно визуализировать как совокупность атомов, заключенных в облако относительно мобильных электронов. Этот тип взаимодействия называется металлической связью . ^[4] Прочность металлических связей для различных элементарных металлов достигает максимума вокруг центра переходного металла.серии, поскольку эти элементы имеют большое количество делокализованных электронов. ^{[n 1]}

Хотя большинство элементарных металлов имеют более высокие плотности , чем большинство неметаллов , ^[4] существует большой разброс в их плотности, лития является наименее плотным (0,534 г / см ³ ) и осмий (22,59 г / см ³ ) наиболее плотной. Магний, алюминий и титан - легкие металлы, имеющие важное коммерческое значение. Их соответствующие плотности 1,7, 2,7 и 4,5 г / см ³ можно сравнить с плотностями более старых конструкционных металлов, таких как железо 7,9 и медь 8,9 г / см ³ . Таким образом, железный шар будет весить примерно как три алюминиевых шара.

Металлы, как правило, податливы и пластичны, деформируются под действием напряжения без сколов . ^[4] Считается, что ненаправленный характер металлических связей в значительной степени способствует пластичности большинства металлических твердых тел. Напротив, в ионном соединении, таком как поваренная соль, когда плоскости ионной связи скользят друг мимо друга, результирующее изменение положения сдвигает ионы с одинаковым зарядом в непосредственной близости, что приводит к расколу кристалла. Такой сдвиг не наблюдается в кристалле с ковалентными связями , таком как алмаз, где происходит разрушение и фрагментация кристалла. ^[5] Обратимая упругая деформация в металлах описывается формулойЗакон Гука для восстанавливающих сил, где напряжение линейно пропорционально деформации .

Тепло или силы, превышающие предел упругости металла, могут вызвать необратимую (необратимую) деформацию, известную как пластическая деформация или пластичность . Приложенная сила может быть растягивающей (тянущей) силой, сжимающей (толкающей) силой или силой сдвига , изгиба или кручения (скручивания). Изменение температуры может повлиять на движение или смещение структурных дефектов в металле, таких как границы зерен , точечные вакансии , линейные и винтовые дислокации , дефекты упаковки и двойники в обоих случаях.кристаллические и некристаллические металлы. Может возникнуть внутреннее скольжение , ползучесть и усталость металла .

Атомы металлических веществ обычно расположены в одной из трех обычных кристаллических структур , а именно объемно-центрированной кубической (ОЦК), гранецентрированной кубической (ГЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ). В bcc каждый атом расположен в центре куба из восьми других. В ГЦК и ГПУ каждый атом окружен двенадцатью другими, но расположение слоев разное. Некоторые металлы принимают различную структуру в зависимости от температуры. ^[6]

• Объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура с 2-атомной элементарной ячейкой, например, в хроме, железе и вольфраме.
• Гранецентрированная кубическая кристаллическая структура с 4-атомной элементарной ячейкой, например, в алюминии, меди и золоте.
• Гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура с 6-атомной элементарной ячейкой, как, например, в титане, кобальте и цинке.

Элементарная ячейка для каждой кристаллической структуры является наималейшей группой атомов , которая имеет общую симметрию кристалла, и из которой вся кристаллической решетка может быть построена путем повторения в трех измерениях. В случае объемно-центрированной кубической кристаллической структуры, показанной выше, элементарная ячейка состоит из центрального атома плюс один-восемь каждого из восьми угловых атомов.

Электрические и тепловые

Электронная структура металлов означает, что они относительно хорошо проводят электричество . Электроны в веществе могут иметь только фиксированные, а не переменные уровни энергии, а в металле уровни энергии электронов в его электронном облаке, по крайней мере, до некоторой степени, соответствуют уровням энергии, на которых может происходить электрическая проводимость. В полупроводнике, таком как кремний, или в неметалле, таком как сера, существует энергетический зазор между электронами в веществе и уровнем энергии, на котором может возникать электрическая проводимость. Следовательно, полупроводники и неметаллы являются относительно плохими проводниками.

Элементарные металлы имеют значения электропроводности от 6,9 × 10 ³ См / см для марганца до 6,3 × 10 ⁵ См / см для серебра . Напротив, полупроводниковый металлоид, такой как бор, имеет электропроводность 1,5 × 10 ^-6 См / см. За одним исключением, металлические элементы снижают свою электропроводность при нагревании. Плутоний увеличивает свою электропроводность при нагревании в диапазоне температур от -175 до +125 ° C.

Металлы относительно хорошо проводят тепло . Электроны в электронном облаке металла очень подвижны и легко могут передавать вызванную теплом колебательную энергию.

Вклад электронов металла в его теплоемкость и теплопроводность, а также электропроводность самого металла можно рассчитать с помощью модели свободных электронов . Однако при этом не учитывается детальная структура ионной решетки металла. Учет положительного потенциала, обусловленного расположением ионных остовов, позволяет учитывать электронную зонную структуру и энергию связи металла. Применимы различные математические модели, самой простой из которых является модель почти свободных электронов .

Химическая

Металлы обычно склонны к образованию катионов из- за потери электронов. ^[4] Большинство из них будет реагировать с кислородом воздуха с образованием оксидов в течение различных периодов времени ( калий горит за секунды, а железо ржавеет в течение многих лет). Некоторые другие, такие как палладий , платина и золото , вообще не вступают в реакцию с атмосферой. Эти оксиды металлов , как правило , основным , в отличие от тех из неметаллов , которые являются кислыми или нейтральными. Исключение составляют оксиды с очень высокой степенью окисления, такие как CrO ₃ , Mn.₂ O ₇ и OsO ₄ , которые имеют строго кислые реакции.

Покраска , анодирование или покрытие металлов - хорошие способы предотвратить их коррозию . Однако для покрытия должен быть выбран более химически активный металл в электрохимическом ряду , особенно когда ожидается скалывание покрытия. Вода и два металла образуют электрохимическую ячейку , и если покрытие менее реактивно, чем лежащий под ним металл, оно фактически способствует коррозии.

Распределение периодической таблицы

В химии элементы, которые обычно считаются металлами при обычных условиях, показаны желтым цветом в таблице Менделеева ниже. Остальные элементы являются либо металлоидами (B, Si, Ge, As, Sb и Te обычно считаются таковыми), либо неметаллами. Астатин (At) обычно классифицируется как неметалл или металлоид, но некоторые прогнозы предполагают, что это металл; как таковой, он был оставлен пустым из-за неубедительного состояния экспериментальных знаний. Другие элементы, обладающие неизвестными свойствами, вероятно, являются металлами, но есть некоторые сомнения в отношении коперникия (Cn) и оганессона (Og).

Сплавы

Сплав - это вещество, имеющее металлические свойства и состоящее из двух или более элементов, по крайней мере, один из которых является металлом. Сплав может иметь переменный или фиксированный состав. Например, золото и серебро образуют сплав, в котором пропорции золота или серебра можно свободно регулировать; титан и кремний образуют сплав Ti ₂ Si, в котором соотношение двух компонентов фиксировано (также известный как интерметаллическое соединение ).

Большинство чистых металлов слишком мягкие, хрупкие или химически активные для практического использования. Комбинирование металлов в различных соотношениях в качестве сплавов изменяет свойства чистых металлов для получения желаемых характеристик. Обычно цель изготовления сплавов - сделать их менее хрупкими, твердыми, устойчивыми к коррозии или иметь более желаемый цвет и блеск. Из всех металлических сплавов, используемых сегодня, сплавы железа ( сталь , нержавеющая сталь , чугун , инструментальная сталь , легированная сталь) составляют наибольшую долю как по количеству, так и по коммерческой стоимости. Железо, легированное углеродом в различных пропорциях, дает низко-, средне- и высокоуглеродистые стали, при этом повышенное содержание углерода снижает пластичность и вязкость. Добавление кремния приводит к получению чугунов, а добавление хрома , никеля и молибдена к углеродистой стали (более 10%) дает нержавеющие стали.

Другими важными металлическими сплавами являются сплавы алюминия , титана , меди и магния . Медные сплавы были известны с доисторических времен - бронза дала название бронзовому веку - и сегодня они имеют множество применений, особенно в электропроводке. Сплавы трех других металлов были разработаны относительно недавно; из-за своей химической активности они требуют процессов электролитической экстракции. Сплавы алюминия, титана и магния ценятся за их высокое отношение прочности к массе; магний также может обеспечивать электромагнитное экранирование . ^{[ необходима цитата ]} Эти материалы идеальны для ситуаций, когда высокое отношение прочности к весу более важно, чем стоимость материала, например, в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Сплавы, специально разработанные для высокоточных применений, таких как реактивные двигатели , могут содержать более десяти элементов.

Категории

Металлы можно разделить на категории по их физическим или химическим свойствам. Категории, описанные в подразделах ниже, включают черные и цветные металлы; хрупкие металлы и тугоплавкие металлы ; белые металлы; тяжелые и легкие металлы; а также цветные , благородные и драгоценные металлы. В таблице « Металлические элементы» в этом разделе элементарные металлы классифицируются на основе их химических свойств на щелочные и щелочноземельные металлы; переходные и постпереходные металлы; и лантаноидыи актиниды . Возможны и другие категории , в зависимости от критериев включения. Например, ферромагнитные металлы - те металлы, которые являются магнитными при комнатной температуре - это железо, кобальт и никель.

Черные и цветные металлы

Термин « железо» происходит от латинского слова, означающего «содержащий железо». Это может быть чистое железо, такое как кованое железо , или сплав, например сталь . Черные металлы часто бывают магнитными , но не только. В цветных металлах - сплавах - отсутствует заметное количество железа.

Хрупкий металл

В то время как почти все металлы являются ковкими или пластичными, некоторые из них - бериллий, хром, марганец, галлий и висмут - являются хрупкими. ^[7] Мышьяк и сурьма, если их признать металлами, являются хрупкими. Низкие значения отношения объемного модуля упругости к модулю сдвига ( критерий Пью ) указывают на внутреннюю хрупкость.

Тугоплавкий металл

В материаловедении, металлургии и технике тугоплавкий металл - это металл, который чрезвычайно устойчив к нагреванию и износу. Какие металлы относятся к этой категории, варьируется; наиболее распространенное определение включает ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений. Все они имеют температуру плавления выше 2000 ° C и высокую твердость при комнатной температуре.

• Кристаллы ниобия и анодированный куб ниобия объемом 1 см ³ для сравнения
• Кристаллы молибдена и куб молибдена объемом 1 см ³ для сравнения
• Монокристалл тантала, некоторые кристаллические фрагменты и куб тантала объемом 1 см ³ для сравнения
• Вольфрамовые стержни с испаренными кристаллами, частично окисленные красочным налетом, и вольфрамовый куб объемом 1 см ³ для сравнения
• Монокристалл рения, переплавленный слиток и куб рения объемом 1 см ³ для сравнения

Белый металл

Белый металл представляет собой любой из диапазона белого цвета металлов (или их сплавов) с относительно низкой температурой плавления. К таким металлам относятся цинк, кадмий, олово, сурьма (здесь считается металлом), свинец и висмут, некоторые из которых довольно токсичны. В Великобритании торговцы изобразительным искусством используют термин «белый металл» в каталогах аукционов для описания иностранных серебряных изделий, на которых нет знаков Британской пробирной палаты, но которые, тем не менее, считаются серебром и имеют соответствующую цену.

Тяжелые и легкие металлы

Тяжелый металл - это любой относительно плотный металл или металлоид . ^[8] Были предложены более конкретные определения, но ни одно из них не получило широкого признания. Некоторые тяжелые металлы имеют нишевое применение или особенно токсичны; некоторые из них необходимы в следовых количествах. Все остальные металлы - легкие.

Цветные, благородные и драгоценные металлы

В химии термин « основной металл» неофициально используется для обозначения металла, который легко окисляется или корродирует , например легко реагирует с разбавленной соляной кислотой (HCl) с образованием хлорида металла и водорода . Примеры включают железо, никель , свинец и цинк. Медь считается основным металлом, поскольку она относительно легко окисляется, хотя и не реагирует с HCl.

Термин « благородный металл» обычно используется в противоположность базовому металлу . Благородные металлы устойчивы к коррозии или окислению , ^[9] В отличие от большинства цветных металлов . Это, как правило, драгоценные металлы, часто из-за кажущейся редкости. Примеры включают золото, платину, серебро, родий , иридий и палладий.

В алхимии и нумизматике термин «неблагородный металл» противопоставляется драгоценным металлам , то есть тем металлам , которые имеют высокую экономическую ценность. ^[10] Давней целью алхимиков была трансмутация цветных металлов в драгоценные металлы, включая такие металлы, как серебро и золото. Большинство монет сегодня сделаны из неблагородных металлов, не имеющих внутренней стоимости , в прошлом монеты часто определяли свою стоимость в основном из-за содержания в них драгоценных металлов .

В химическом отношении драгоценные металлы (как и благородные металлы) менее реактивны, чем большинство элементов, имеют высокий блеск и высокую электропроводность. Исторически драгоценные металлы были важны как валюта , но теперь рассматриваются в основном как инвестиционные и промышленные товары . Золото , серебро , платина и палладий имеют код валюты ISO 4217 . Самые известные драгоценные металлы - золото и серебро. Хотя оба имеют промышленное применение, они более известны своим использованием в искусстве , ювелирных изделиях и чеканке монет . Другие драгоценные металлы включаютМеталлы платиновой группы : рутений , родий , палладий, осмий , иридий и платина, из которых платина является наиболее продаваемой.

Спрос на драгоценные металлы определяется не только их практическим использованием, но и их ролью в качестве инвестиций и средства сбережения . ^[11] Палладий и платина по состоянию на осень 2018 года оценивались примерно в три четверти цены золота. Серебро значительно дешевле, чем эти металлы, но часто традиционно считается драгоценным металлом из-за его роли в чеканке монет и ювелирных изделий.

Жизненный цикл

Формирование

Металлы в земной коре: v т е
численность и основное проявление или источник, по весу [n 2]
	1	2	3		4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	ЧАС																		Он
2	Ли	Быть												B	C	N	О	F	Ne
3	Na	Mg												Al	Si	п	S	Cl	Ar
4	K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	В качестве	Se	Br	Kr
5	Руб.	Sr	Y		Zr	Nb	Пн		RU	Rh	Pd	Ag	CD	В	Sn	Sb	Te	я	Xe
6	CS	Ба	Ла		Hf	Та	W	Re	Операционные системы	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Би
7
					Ce	Pr	Nd		См	Европа	Б-г	Tb	Dy	Хо	Э	Тм	Yb	Лу
					Чт		U
Наиболее многочисленны (до 82 000 частей на миллион)
Обильный (100 -999 частей на миллион)
Нечасто (1–99 частей на миллион)
Редкий (0,01 -0,99 частей на миллион)
Очень редкий (0,0001 -0,0099 частей на миллион)
Металлы, оставшиеся от разделительной линии, встречаются (или поступают) в основном в виде литофилов ; те, что справа, как халькофилы, за исключением золота ( сидерофил ) и олова (литофил).

В этом подразделе рассматривается формирование элементарных металлов периодической таблицы, поскольку они составляют основу металлических материалов, как определено в этой статье.

Металлы вплоть до железа (в периодической таблице) в основном производятся посредством звездного нуклеосинтеза . В этом процессе более легкие элементы от водорода до кремния претерпевают последовательные реакции синтеза внутри звезд, выделяя свет и тепло и образуя более тяжелые элементы с более высокими атомными номерами. ^[12]

Более тяжелые металлы обычно не образуются таким образом, поскольку реакции синтеза с участием таких ядер будут потреблять, а не выделять энергию. ^[13] Скорее, они в значительной степени синтезируются (из элементов с более низким атомным номером) путем захвата нейтронов , причем двумя основными режимами этого повторяющегося захвата являются s-процесс и r-процесс . В S-процесса ( «S» означает «медленно»), особые захваты отделены друг от друга годами или десятилетиями, позволяя менее стабильные ядра до бета - распада , ^[14]в то время как в r-процессе («быстром») захваты происходят быстрее, чем ядра могут распадаться. Следовательно, s-процесс идет по более или менее ясному пути: например, стабильные ядра кадмия-110 последовательно бомбардируются свободными нейтронами внутри звезды до тех пор, пока они не образуют ядра кадмия-115, которые являются нестабильными и распадаются с образованием индия-115 (который почти стабильный, с периодом полураспада30 000 раз старше Вселенной). Эти ядра захватывают нейтроны и образуют нестабильный индий-116, который распадается с образованием олова-116 и т. Д. ^{[12] [15] [n 3]} Напротив, в r-процессе такого пути нет. S-процесс останавливается на висмуте из-за короткого периода полураспада следующих двух элементов, полония и астатина, которые распадаются до висмута или свинца. R-процесс настолько быстр, что может пропустить эту зону нестабильности и перейти к созданию более тяжелых элементов, таких как торий и уран. ^[17]

Металлы конденсируются на планетах в результате процессов звездной эволюции и разрушения. Звезды теряют большую часть своей массы, когда она выбрасывается в конце своей жизни, а иногда и после этого в результате слияния нейтронных звезд ^{[18] [n 4],} тем самым увеличивая содержание элементов тяжелее гелия в межзвездной среде . Когда гравитационное притяжение заставляет эту материю объединяться и коллапсировать , образуются новые звезды и планеты . ^[20]

Изобилие и встречаемость

Земная кора состоит приблизительно из 25% металлов по весу, из которых 80% составляют легкие металлы, такие как натрий, магний и алюминий. Остальную часть корки составляют неметаллы (~ 75%). Несмотря на общий дефицит некоторых более тяжелых металлов, таких как медь, они могут концентрироваться в экономически извлекаемых количествах в результате горообразования, эрозии или других геологических процессов.

Металлы в основном встречаются в виде литофилов (породолюбивых) или халькофилов (рудолюбивых). Литофильные металлы - это в основном элементы s-блока, более реактивные из элементов d-блока. и элементы f-блока. Они имеют сильное сродство к кислороду и в основном существуют в виде силикатных минералов с относительно низкой плотностью. Халькофильные металлы - это в основном менее реакционноспособные элементы с d-блоком и металлы с периодом 4–6 p-блока. Обычно они находятся в (нерастворимых) сульфидных минералах. Будучи более плотными, чем литофилы и, следовательно, погружаясь ниже в кору во время ее затвердевания, халькофилы, как правило, менее многочисленны, чем литофилы.

С другой стороны, золото - сидерофил или элемент, любящий железо. Он не образует легко соединений ни с кислородом, ни с серой. Во время формирования Земли, как наиболее благородный (инертный) из металлов, золото погрузилось в ядро ​​из-за своей склонности к образованию металлических сплавов высокой плотности. Следовательно, это относительно редкий металл. Некоторые другие (менее) благородные металлы - молибден, рений, металлы платиновой группы (рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платина), германий и олово - могут считаться сидерофилами, но только с точки зрения их первичного присутствия в Земля (ядро, мантия и кора), а точнее кора. В остальном эти металлы присутствуют в коре в небольших количествах, главным образом в виде халькофилов (в меньшей степени в их естественной форме). ^{[n 5]}

Вращающееся жидкое внешнее ядро ​​внутренней части Земли, состоящее в основном из железа, считается источником защитного магнитного поля Земли. ^{[n 6]} Ядро находится над твердым внутренним ядром Земли и под ее мантией. Если бы его можно было перестроить в колонну площадью 5 м ² (54 кв. Фута), она имела бы высоту почти 700 световых лет. Магнитное поле экранирует Землю от заряженных частиц солнечного ветра и космических лучей, которые в противном случае лишили бы верхние слои атмосферы (включая озоновый слой, ограничивающий передачу ультрафиолетового излучения).

Добыча

Металлы часто добываются с Земли путем добычи руд, которые являются богатыми источниками необходимых элементов, таких как бокситы . Руды локализуются поисковыми методами с последующей разведкой и изучением месторождений. Источники полезных ископаемых обычно делятся на открытые рудники , которые разрабатываются путем выемки грунта с использованием тяжелого оборудования, и подземные шахты . В некоторых случаях продажная цена на металл / металлы делает экономически целесообразным добычу из источников с более низкой концентрацией.

После того, как руда добыта, металлы необходимо извлечь , обычно путем химического или электролитического восстановления. Пирометаллургия использует высокие температуры для превращения руды в сырые металлы, а гидрометаллургия использует водную химию для той же цели. Используемые методы зависят от металла и его загрязнителей.

Когда металлическая руда представляет собой ионное соединение этого металла и неметалла, руда обычно должна плавиться - нагреваться с восстановителем - для извлечения чистого металла. Многие обычные металлы, такие как железо, плавятся с использованием углерода в качестве восстановителя. Некоторые металлы, такие как алюминий и натрий , не имеют коммерчески практичного восстановителя и вместо этого извлекаются с помощью электролиза . ^{[21] [22]}

Сульфидные руды не восстанавливаются непосредственно до металла, а обжигаются на воздухе для преобразования их в оксиды.

Использует

Металлы присутствуют практически во всех аспектах современной жизни. Железо, тяжелый металл , может быть наиболее распространенным, поскольку на него приходится 90% всех очищенных металлов; алюминий, легкий металл , является следующим по степени очистки металлом. Чистое железо может быть самым дешевым из всех металлических элементов по цене около 0,07 доллара США за грамм. Его руды широко распространены; легко доработать ; а соответствующие технологии разрабатывались на протяжении сотен лет. Чугунеще дешевле - 0,01 доллара США за грамм, потому что нет необходимости в последующей очистке. Платина, по цене около 27 долларов за грамм, может быть наиболее распространенной, учитывая ее очень высокую температуру плавления, устойчивость к коррозии, электропроводность и долговечность. Считается, что он содержится в 20% всех потребительских товаров или используется для его производства. Полоний, вероятно, будет самым дорогим металлом с номинальной стоимостью около 100000000 долларов за грамм ^{[ необходима цитата ]} из-за его дефицита и производства в микромасштабах.

Некоторые металлы и металлические сплавы обладают высокой структурной прочностью на единицу массы, что делает их полезными материалами для несения больших нагрузок или сопротивления ударным повреждениям. Металлические сплавы могут иметь высокое сопротивление сдвигу, крутящему моменту и деформации. Однако тот же металл также может быть уязвим к усталостному повреждению при многократном использовании или в результате внезапного разрушения под напряжением при превышении допустимой нагрузки. Прочность и устойчивость металлов привели к их частому использованию в строительстве высотных зданий и мостов, а также в производстве большинства транспортных средств, многих бытовых приборов, инструментов, труб и железнодорожных путей.

Металлы являются хорошими проводниками, что делает их ценными в электроприборах и для передачи электрического тока на расстояние с небольшими потерями энергии. Электросети используют металлические кабели для распределения электроэнергии. Домашние электрические системы по большей части имеют медный провод из-за его хороших проводящих свойств.

Теплопроводность металлов полезна для контейнеров для нагрева материалов над пламенем. Металлы также используются в радиаторах для защиты чувствительного оборудования от перегрева.

Высокая отражательная способность некоторых металлов позволяет использовать их в зеркалах, в том числе в точных астрономических инструментах, и добавляет эстетики металлическим украшениям.

Некоторые металлы имеют специальное применение; ртуть является жидкостью при комнатной температуре и используется в переключателях для замыкания цепи, когда она протекает через контакты переключателя. Радиоактивные металлы, такие как уран и плутоний , используются на атомных электростанциях для производства энергии посредством ядерного деления . Сплавы с памятью формы используются для изготовления труб, крепежных элементов и сосудистых стентов .

Металлы могут быть легированы инородными молекулами - органическими, неорганическими, биологическими и полимерами. Это легирование приводит к появлению у металла новых свойств, которые индуцируются молекулами-гостями. Были разработаны приложения в катализе, медицине, электрохимических ячейках, коррозии и многом другом. ^[23]

Переработка отходов

Спрос на металлы тесно связан с экономическим ростом, учитывая их использование в инфраструктуре, строительстве, производстве и производстве потребительских товаров. В течение 20 века разнообразие металлов, используемых в обществе, быстро росло. Сегодня развитие крупных стран, таких как Китай и Индия, а также технический прогресс подпитывают еще больший спрос. Результатом является то, что горнодобывающая деятельность расширяется, и все больше и больше мировых запасов металлов используются над землей, а не под землей в качестве неиспользованных запасов. Примером может служить используемый запас меди . С 1932 по 1999 год потребление меди в США выросло с 73 г до 238 г на человека. ^[24]

Металлы по своей природе пригодны для вторичной переработки, поэтому в принципе их можно использовать снова и снова, сводя к минимуму негативное воздействие на окружающую среду и экономя энергию. Например, 95% энергии, используемой для производства алюминия из бокситовой руды, экономится за счет использования переработанного материала. ^[25]

В мировом масштабе рециркуляция металлов в целом низкая. В 2010 году Международная группа по ресурсам , организованная Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде, опубликовала отчеты о запасах металлов, существующих в обществе ^[26], и о степени их переработки. ^[24] Авторы отчета отметили, что запасы металла в обществе могут служить огромными шахтами над землей. Они предупредили, что скорость переработки некоторых редких металлов, используемых в таких приложениях, как мобильные телефоны, аккумуляторные батареи для гибридных автомобилей и топливные элементы, настолько низка, что, если в будущем скорость переработки отходов не будет значительно увеличена, эти критически важные металлы станут недоступны для использование в современной технике.

Биологические взаимодействия

Была рассмотрена роль металлических элементов в эволюции биохимии клетки, включая подробный раздел о роли кальция в окислительно-восстановительных ферментах. ^[27]

Один или несколько элементов, железо , кобальт , никель , медь и цинк , необходимы для всех высших форм жизни. Молибден - важный компонент витамина B12 . Соединения всех других переходных элементов и постпереходных элементов токсичны в большей или меньшей степени, за некоторыми исключениями, такими как некоторые соединения сурьмы и олова . Потенциальные источники отравления металла включают добывающее , хвостохранилище , промышленные отходы , сельскохозяйственные стоки , профессиональное облучение ,краски и обработанная древесина .

История

Предыстория

Медь, которая встречается в самородной форме, возможно, была первым обнаруженным металлом, учитывая ее характерный внешний вид, тяжесть и пластичность по сравнению с другими камнями или галькой. Золото, серебро и железо (как метеоритное железо) и свинец также были открыты в доисторические времена. Формы латуни , сплава меди и цинка, полученные путем одновременной плавки руд этих металлов, происходят из этого периода (хотя чистый цинк не был выделен до 13 века). Податливость твердых металлов привела к первым попыткам создания металлических украшений, инструментов и оружия. Время от времени обнаруживалось метеоритное железо, содержащее никель, и в некоторых отношениях оно превосходило любую промышленную сталь, произведенную до 1880-х годов, когда стали заметны легированные стали. ^{[ необходима цитата ]}

• Самородная медь
• Золотые кристаллы
• Кристаллическое серебро
• Кусочек метеоритного железа
• Окисленные свинцовые
  узелки и куб 1 см ³
• Латунная гиря (35 г)

Античность

Открытие бронзы (сплава меди с мышьяком или оловом) позволило людям создавать металлические предметы, которые были более твердыми и долговечными, чем это было возможно раньше. Бронзовые орудия труда, оружие, доспехи и строительные материалы, такие как декоративные плитки, были тверже и долговечнее, чем их предшественники из камня и меди (« энеолит »). Первоначально бронзу изготавливали из меди и мышьяка (образующих мышьяковую бронзу ) путем плавки естественных или искусственно смешанных руд меди и мышьяка. ^[28] Самые ранние известные артефакты происходят с иранского плато в 5-м тысячелетии до нашей эры. ^[29] Только позжеИспользовалось олово , которое в конце 3-го тысячелетия до нашей эры стало основным не содержащим меди ингредиентом бронзы. ^[30] Само чистое олово было впервые выделено в 1800 г. до н.э. китайскими и японскими мастерами-металлистами.

Меркурий был известен древним китайцам и индийцам до 2000 г. до н.э. и был найден в египетских гробницах, датируемых 1500 г. до н. Э.

Самое раннее известное производство стали, сплава железа с углеродом, наблюдается в металлических изделиях, раскопанных на археологических раскопках в Анатолии ( Каман-Калехойюк ), возрастом почти 4000 лет, датируемым 1800 годом до нашей эры. ^{[31] [32]}

Примерно с 500 г. до н.э. мастера из Толедо, Испания, производили ранние формы легированной стали , добавляя в железную руду (и углерод) минерал, называемый вольфрамитом , который содержал вольфрам и марганец. Полученная в результате сталь Толедо привлекла внимание Рима, когда использовалась Ганнибалом в Пунических войнах . Вскоре он стал основой вооружения римских легионов; их мечи, как говорили, были «настолько острыми, что нет шлема, который нельзя было бы прорезать ими». ^{[ необходима ссылка ] [n 8]}

В доколумбовой Америке предметы из тумбаги , сплава меди и золота, начали производить в Панаме и Коста-Рике между 300 и 500 годами нашей эры. Маленькие металлические скульптуры были обычным явлением, и обширный спектр украшений из тумбаги (и золота) составлял обычные регалии лиц высокого статуса.

Примерно в то же время коренные жители Эквадора комбинируют золото с природным платиновым сплавом, содержащим небольшое количество палладия, родия и иридия, для производства миниатюр и масок из сплава белого золота с платиной. Металлисты нагревали золото с зернами платинового сплава до тех пор, пока золото не плавилось, после чего металлы платиновой группы связывались внутри золота. После охлаждения полученный конгломерат измельчали ​​и повторно нагревали до тех пор, пока он не стал настолько гомогенным, как если бы все рассматриваемые металлы были расплавлены вместе (достижение точек плавления соответствующих металлов платиновой группы было за пределами технологии того времени). ^{[33] [n 9]}

• Капля застывшего расплавленного олова
• Ртуть будучи
  налили в чашку Петри
• Электрум, природный сплав серебра и золота, часто использовался для изготовления монет. Изображен римский бог Аполлон, а на лицевой стороне - тренога Дельфы (около 310–305 гг. До н. Э.).
• Пластина выполнена из сплава олова со свинцом , сплав 85-99% олова и (обычно) меди. Впервые олово использовалось в начале бронзового века на Ближнем Востоке.
• Наперсный (декоративная нагрудный) , изготовленный из тумбага , сплав золота и меди

Средний возраст

Арабские и средневековые алхимики считали, что все металлы и материя состоят из принципа серы, отца всех металлов и обладающего горючими свойствами, и принципа ртути, матери всех металлов ^{[n 10]} и носителя текучести, свойства плавкости и летучести. Эти принципы не обязательно были обычными веществами, серой и ртутью, обнаруженными в большинстве лабораторий. Эта теория укрепляла веру в то, что всем металлам суждено стать золотом в недрах земли благодаря правильному сочетанию тепла, пищеварения, времени и устранения загрязняющих веществ, все из которых можно развить и ускорить с помощью знаний и методов алхимии. . ^{[n 11]}

Стали известны мышьяк, цинк, сурьма и висмут, хотя сначала их называли полуметаллами или нелегальными металлами из-за их неплавкости. Все четыре, возможно, использовались случайно в прежние времена, не осознавая их природы. Считается, что Альберт Великий был первым, кто выделил мышьяк из соединения в 1250 году, нагревая мыло вместе с трисульфидом мышьяка . Металлический цинк, хрупкий, если не чистый, был выделен в Индии к 1300 году нашей эры. Первое описание процедуры для выделения сурьмы в 1540 книге Де ла pirotechnia по Бирингуччу . Висмут был описан Агриколой в De Natura Fossilium.(ок. 1546 г.); Раньше его путали с оловом и свинцом из-за его сходства с этими элементами.

• Мышьяк, запечатанный в контейнере для предотвращения потускнения
• Фрагменты цинка и куб размером 1 см ³
• Сурьма, проявляющая свой блестящий блеск
• Висмут в кристаллической форме с очень тонким слоем окисления и куб висмута объемом 1 см ^3.

Ренессанс

Первым систематическим текстом по искусству горного дела и металлургии был « Пиротехника» (1540 г.) Ваннокчо Бирингуччо , посвященный исследованию, плавлению и обработке металлов.

Шестнадцать лет спустя Георгиус Агрикола опубликовал De Re Metallica в 1556 году, ясный и полный отчет о профессии горного дела, металлургии, вспомогательных искусствах и науках, а также квалификацию величайшего трактата по химической промышленности на протяжении шестнадцатого века.

Он дал следующее описание металла в его De Natura Fossilium (1546):

Металл - это минеральное тело, по своей природе жидкое или твердое. Последний может расплавиться жаром огня, но когда он снова остынет и потеряет все тепло, он снова станет твердым и принимает свою надлежащую форму. В этом отношении он отличается от камня, плавящегося в огне, потому что, хотя последний восстанавливает свою твердость, он все же теряет свою первоначальную форму и свойства.

Традиционно существует шесть различных видов металлов, а именно золото, серебро, медь, железо, олово и свинец. На самом деле есть и другие, потому что ртуть - это металл, хотя алхимики не согласны с нами в этом вопросе, и висмут тоже. Похоже, что древнегреческие писатели ничего не знали о висмуте, поэтому Аммоний справедливо утверждает, что существует множество видов металлов, животных и растений, которые нам неизвестны. Когда стибий плавится в тигле и очищается, он имеет такое же право считаться подлинным металлом, как писатели приписывают свинцу. Если при плавлении некоторая часть добавляется к олову, получается книжный сплав, из которого делают шрифт, который используют те, кто печатает книги на бумаге.

Каждый металл имеет свою форму, которую он сохраняет при отделении от тех металлов, которые были с ним смешаны. Следовательно, ни электрум, ни Stannum (не означает наше олово) сами по себе не являются реальным металлом, а скорее сплавом двух металлов. Электрум - это сплав золота и серебра, олова свинца и серебра. И все же, если отделить серебро от электра, тогда останется золото, а не электрум; если отнять серебро у Stannum, то останется свинец, а не Stannum.

Однако, является ли латунь самородным металлом, нельзя сказать с уверенностью. Известна только искусственная латунь, состоящая из меди, окрашенной в цвет минерала каламина . И все же, если что-то и откопать, это будет настоящий металл. Черная и белая медь кажутся отличными от красной.

Следовательно, металл по своей природе либо твердый, как я уже сказал, либо жидкий, как в уникальном случае ртути.

Но теперь достаточно о простых видах. ^[35]

Платина, третий драгоценный металл после золота и серебра, была открыта в Эквадоре в период с 1736 по 1744 год испанским астрономом Антонио де Уллоа и его коллегой математиком Хорхе Хуаном-и-Сантацилия. Уллоа был первым человеком, который написал научное описание металла в 1748 году.

В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот смог выделить оксид урана, который, как он думал, был самим металлом. Впоследствии Клапрот был признан первооткрывателем урана. Только в 1841 году французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго смог приготовить первый образец металлического урана. Анри Беккерель впоследствии обнаружил радиоактивность в 1896 году, используя уран.

В 1790-х годах Джозеф Пристли и голландский химик Мартинус ван Марум наблюдали преобразующее действие металлических поверхностей на дегидрирование спирта, что впоследствии привело в 1831 году к промышленному синтезу серной кислоты с использованием платинового катализатора.

В 1803 году церий был первым из металлов-лантанидов, который был открыт в Бастнесе, Швеция, Йенсом Якобом Берцелиусом и Вильгельмом Хизингером и независимо Мартином Генрихом Клапротом в Германии. Металлы-лантаноиды в значительной степени считались странностями до 1960-х годов, когда были разработаны методы более эффективного отделения их друг от друга. Впоследствии они нашли применение в сотовых телефонах, магнитах, лазерах, освещении, батареях, каталитических преобразователях и в других приложениях, обеспечивающих современные технологии.

Другими металлами, открытыми и приготовленными в это время, были кобальт, никель, марганец, молибден, вольфрам и хром; и некоторые из металлов платиновой группы , палладий, осмий, иридий и родий.

Легкие металлы

Все металлы, открытые до 1809 года, имели относительно высокую плотность; их тяжесть считалась исключительно отличительным критерием. С 1809 г. были выделены легкие металлы, такие как натрий, калий и стронций. Их низкая плотность бросает вызов общепринятым представлениям о природе металлов. Однако химически они вели себя как металлы и впоследствии были признаны таковыми.

Алюминий был открыт в 1824 году, но только в 1886 году был разработан промышленный метод крупномасштабного производства. Цены на алюминий упали, и в 1890-х и начале 20-го века алюминий стал широко использоваться в ювелирных изделиях, предметах повседневного обихода, оправ для очков, оптических инструментах, посуде и фольге. Способность алюминия образовывать твердые, но легкие сплавы с другими металлами обеспечила этому металлу множество применений в то время. Во время Первой мировой войны основные правительства требовали больших партий алюминия для легких прочных планеров. Самый распространенный металл, используемый сегодня для передачи электроэнергии, - это алюминиевый провод, армированный сталью . Также широко используются проводники из алюминиевого сплава.. Алюминий используется потому, что его вес составляет примерно половину веса аналогичного медного кабеля с сопротивлением (хотя и большего диаметра из-за более низкой удельной проводимости ), а также он дешевле. Медь была более популярна в прошлом и до сих пор используется, особенно при более низких напряжениях и для заземления.

Хотя чистый металлический титан (99,9%) был впервые получен в 1910 году, он не использовался за пределами лаборатории до 1932 года. В 1950-х и 1960-х годах Советский Союз впервые применил титан в военных и подводных применениях в рамках программ, связанных с холодом. Война. Начиная с начала 1950-х годов, титан стал широко использоваться в военной авиации, особенно в высокопроизводительных реактивных самолетах, начиная с таких самолетов, как F-100 Super Sabre и Lockheed A-12 и SR-71 .

Металлический скандий был впервые произведен в 1937 году. Первый фунт металлического скандия чистотой 99% был произведен в 1960 году. Производство алюминиево-скандиевых сплавов началось в 1971 году после получения патента в США. Алюминиево-скандиевые сплавы также были разработаны в СССР.

• Натрий
• Калийный жемчуг под парафиновым маслом. Размер самой крупной жемчужины 0,5 см.
• Кристаллы стронция
• Алюминиевый кусок,
  2,6 грамма, 1 x 2 см
• Слиток кристаллов титана
• Скандий, в том числе куб 1 см ³

Возраст стали

Современная эра в сталеплавильном началась с введением Генри бессемеровском «s бессемеровского процесса в 1855 году, сырье для которого было чугун. Его метод позволил ему производить сталь в больших количествах по дешевке, поэтому мягкая сталь стала использоваться для большинства целей, для которых раньше использовалось кованое железо. Процесс Гилкриста-Томаса (или базовый бессемеровский процесс ) был усовершенствованием бессемеровского процесса, заключающийся в футеровке конвертера основным материалом для удаления фосфора.

Благодаря своей высокой прочности на разрыв и низкой стоимости сталь стала основным компонентом, используемым в зданиях , инфраструктуре , инструментах , кораблях , автомобилях , машинах , приборах и оружии .

В 1872 году англичане Кларк и Вудс запатентовали сплав, который сегодня считается нержавеющей сталью. Коррозионная стойкость железо-хромовых сплавов была признана в 1821 году французским металлургом Пьером Бертье. Он отметил их устойчивость к воздействию некоторых кислот и предложил использовать их в столовых приборах. Металлурги 19-го века были неспособны произвести комбинацию низкоуглеродистого и высокохромистого, которая есть в большинстве современных нержавеющих сталей, а сплавы с высоким содержанием хрома, которые они могли производить, были слишком хрупкими, чтобы их можно было использовать на практике. Только в 1912 году индустриализация сплавов нержавеющей стали произошла в Англии, Германии и Соединенных Штатах.

Последние стабильные металлические элементы

К 1900 году оставалось открыть три металла с атомными номерами меньше свинца (№ 82), самого тяжелого стабильного металла: элементы 71, 72, 75.

Фон Вельсбах в 1906 году доказал, что старый иттербий также содержит новый элемент (№ 71), который он назвал кассиопеем . Урбен одновременно доказал это, но его образцы были очень нечистыми и содержали только следовые количества нового элемента. Несмотря на это, его выбранное название лютеций было принято.

В 1908 году Огава обнаружил в торианите элемент 75, но присвоил ему элемент 43 вместо 75 и назвал его ниппонием . В 1925 году Уолтер Ноддак, Ида Ева Таке и Отто Берг объявили о своем отделении от гадолинита и дали ему нынешнее название - рений .

Жорж Урбен утверждал, что обнаружил элемент 72 в остатках редкоземельных элементов, а Владимир Вернадский независимо нашел его в ортите. Ни одно из утверждений не было подтверждено из-за Первой мировой войны, и ни то, ни другое не могло быть подтверждено позже, поскольку химический состав, о котором они сообщили, не соответствует тому, который теперь известен для гафния . После войны, в 1922 году, Костер и Хевеши обнаружили его с помощью рентгеноспектрального анализа норвежского циркона. Таким образом, гафний был последним открытым стабильным элементом.

• Лютеций, включая куб размером 1 см ³
• Рений, в том числе куб объемом 1 см ³
• Гафний в виде стержня весом 1,7 кг

К концу Второй мировой войны ученые синтезировали четыре постурановых элемента, все из которых являются радиоактивными (нестабильными) металлами: нептуний (в 1940 г.), плутоний (1940–41 гг.), А также кюрий и америций (1944 г.), представляющие собой элементы 93. до 96. Первые два из них в конечном итоге были обнаружены и в природе. Кюрий и америций были побочными продуктами Манхэттенского проекта, в результате которого в 1945 году была создана первая в мире атомная бомба. Бомба была основана на ядерном расщеплении урана, металла, который, как считается, впервые был открыт почти 150 лет назад.

События после Второй мировой войны

Суперсплавы

Суперсплавы, состоящие из комбинаций Fe, Ni, Co и Cr и меньшего количества W, Mo, Ta, Nb, Ti и Al, были разработаны вскоре после Второй мировой войны для использования в высокоэффективных двигателях, работающих при повышенных температурах (см. Выше 650 ° C (1200 ° F)). Они сохраняют большую часть своей прочности в этих условиях в течение продолжительных периодов времени и сочетают в себе хорошую низкотемпературную пластичность с устойчивостью к коррозии или окислению. Суперсплавы теперь можно найти в широком диапазоне применений, включая наземные, морские и аэрокосмические турбины, а также химические и нефтяные заводы.

Транкурийные металлы

Успешная разработка атомной бомбы в конце Второй мировой войны подтолкнула к дальнейшим усилиям по синтезу новых элементов, почти все из которых являются или, как ожидается, будут металлами, и все они радиоактивны. Только в 1949 году элемент 97 (берклий), следующий после элемента 96 (кюрий), был синтезирован путем выстрела альфа-частицами америциевой мишени. В 1952 году элемент 100 (фермий) был обнаружен в обломках первой взрыва водородной бомбы; водород, неметалл, был идентифицирован как элемент почти 200 лет назад. С 1952 г. были синтезированы элементы от 101 (менделевий) до 118 (оганессон).

Объемные металлические очки

Металлическое стекло (также известное как аморфный или стеклообразный металл) представляет собой твердый металлический материал, обычно сплав, с неупорядоченной структурой атомного масштаба. Наиболее чистые и легированные металлы в твердом состоянии имеют атомы, расположенные в высокоупорядоченной кристаллической структуре. Аморфные металлы имеют некристаллическую стеклоподобную структуру. Но в отличие от обычных стекол, таких как оконное стекло, которые обычно являются электрическими изоляторами, аморфные металлы обладают хорошей электропроводностью. Аморфные металлы производятся несколькими способами, включая чрезвычайно быстрое охлаждение, физическое осаждение из паровой фазы, твердофазную реакцию, ионное облучение и механическое легирование. Первым металлическим стеклом, о котором сообщалось, был сплав (Au ₇₅ Si ₂₅), произведенный в Калифорнийском технологическом институте в 1960 году. Совсем недавно были произведены партии аморфной стали, в три раза превышающей прочность обычных стальных сплавов. В настоящее время наиболее важные приложения основаны на особых магнитных свойствах некоторых ферромагнитных металлических стекол. Низкие потери намагничивания используются в трансформаторах с высоким КПД. В идентификационных бирках для контроля кражи и в других схемах наблюдения за предметами часто используются металлические очки из-за этих магнитных свойств.

Сплавы с памятью формы

Сплав с памятью формы (SMA) - это сплав, который «запоминает» свою первоначальную форму и при деформации возвращается к своей предварительно деформированной форме при нагревании. Хотя эффект памяти формы был впервые обнаружен в 1932 году в сплаве Au-Cd, только в 1962 году, когда было обнаружено случайное открытие эффекта в сплаве Ni-Ti, серьезное исследование началось, а еще за десять лет до коммерческого приложения появились. SMA находят применение в робототехнике, автомобилестроении, аэрокосмической и биомедицинской промышленности. Существует еще один тип SMA, называемый ферромагнитным сплавом с памятью формы (FSMA), который меняет форму под действием сильных магнитных полей. Эти материалы представляют особый интерес, поскольку магнитный отклик обычно бывает быстрее и эффективнее, чем отклик, вызванный температурой.

Квазицирсталинные сплавы

В 1984 году израильский химик Дан Шехтман обнаружил алюминиево-марганцевый сплав, обладающий пятикратной симметрией, что противоречит кристаллографическим принципам того времени, согласно которым кристаллические структуры могут иметь только двух-, трех-, четырех- или шестикратную симметрию. Из-за страха реакции научного сообщества ему потребовалось два года, чтобы опубликовать результаты, за которые он был удостоен Нобелевской премии по химии в 2011 году. С тех пор сотни квазикристаллов были зарегистрированы и подтверждены. Они существуют во многих металлических сплавах (и некоторых полимерах). Квазикристаллы чаще всего встречаются в алюминиевых сплавах (Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-V и др.), Но также известны многочисленные другие составы (Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, In-Ag-Yb, Pd-U-Si и т.д.). Квазикристаллы фактически имеют бесконечно большие элементарные ячейки.Икосаэдрит Al ₆₃ Cu ₂₄ Fe ₁₃первый квазикристалл, обнаруженный в природе, был обнаружен в 2009 году. Большинство квазикристаллов имеют керамические свойства, включая низкую электропроводность (приближающуюся к значениям, наблюдаемым в изоляторах) и низкую теплопроводность, высокую твердость, хрупкость, устойчивость к коррозии и антипригарное покрытие. характеристики. Квазикристаллы использовались для разработки теплоизоляции, светодиодов, дизельных двигателей и новых материалов, преобразующих тепло в электричество. В новых сферах применения можно использовать преимущества низкого коэффициента трения и твердости некоторых квазикристаллических материалов, например, заделку частиц в пластик для изготовления прочных, износостойких пластиковых шестерен с низким коэффициентом трения. Другие потенциальные применения включают селективные поглотители солнечной энергии для преобразования энергии, отражатели с широким диапазоном длин волн, а также приложения для восстановления костей и протезов, где биосовместимость,требуется низкая устойчивость к трению и коррозии.

Сложные металлические сплавы

Сложные металлические сплавы (CMA) - это интерметаллические соединения, характеризующиеся крупными элементарными ячейками, содержащими от нескольких десятков до тысяч атомов; наличие четко определенных кластеров атомов (часто с икосаэдрической симметрией); и частичный беспорядок в их кристаллических решетках. Они состоят из двух или более металлических элементов, иногда с добавлением металлоидов или халькогенидов . К ним относятся, например, NaCd2 с 348 атомами натрия и 768 атомами кадмия в элементарной ячейке. Линус Полинг попытался описать структуру NaCd _2.в 1923 году, но не добился успеха до 1955 года. Сначала интерес к CMA, как их стали называть, не увеличивался до 2002 года, когда была опубликована статья под названием «Структурно сложные фазы сплава». ", представленной на 8-й Международной конференции по квазикристаллам. Возможные применения CMA включают в себя теплоизоляцию; солнечное отопление; магнитные холодильники; использование отработанного тепла для выработки электроэнергии; и покрытия для лопаток турбин в двигателях военного назначения.

Сплавы с высокой энтропией

Сплавы с высокой энтропией (HEA), такие как AlLiMgScTi, состоят из равных или почти равных количеств пяти или более металлов. По сравнению с обычными сплавами, состоящими только из одного или двух основных металлов, HEA имеют значительно лучшее отношение прочности к массе, более высокую прочность на разрыв и большую устойчивость к разрушению, коррозии и окислению. Хотя HEA были описаны еще в 1981 году, значительный интерес проявился только в 2010-х; они продолжают оставаться в центре исследований в области материаловедения и инженерии из-за их потенциала в отношении желаемых свойств.

Фазовые сплавы MAX

В фазе сплава MAX , М является ранним переходным металлом, является группа элементов ( в основном , группы IIIA и IVA или группы , 13 и 14), а Х является либо атомом углерода или азота. Примерами являются Hf ₂ SnC и Ti ₄ AlN ₃ . Такие сплавы обладают одними из лучших свойств металлов и керамики. Эти свойства включают высокую электрическую и теплопроводность, сопротивление тепловому удару, устойчивость к повреждениям, обрабатываемость, высокую упругую жесткость и низкие коэффициенты теплового расширения. ^[36] </ref> Их можно полировать до металлического блеска из-за их превосходной электропроводности. В ходе механических испытаний было обнаружено, что поликристаллический TiЦилиндры ₃ SiC ₂ можно многократно сжимать при комнатной температуре до напряжений 1 ГПа и полностью восстанавливать после снятия нагрузки. Некоторые фазы MAX также обладают высокой устойчивостью к химическому воздействию (например, Ti ₃ SiC ₂ ) и высокотемпературному окислению на воздухе (Ti ₂ AlC, Cr ₂ AlC ₂ и Ti ₃ AlC _2.). Возможные применения фазовых сплавов MAX включают: в качестве прочных, поддающихся механической обработке, термостойких огнеупоров; высокотемпературные нагревательные элементы; покрытия для электрических контактов; и детали, устойчивые к нейтронному облучению, для ядерных применений. Хотя фазовые сплавы MAX были открыты в 1960-х годах, первая статья на эту тему не была опубликована до 1996 года.

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Чоптуик М.В. , Ленер Л. и Преториас Ф. 2015, «Исследование силы тяжести в сильном поле с помощью численного моделирования», в A. Ashtekar , BK Berger , J. Isenberg & M. MacCallum (ред.), Общая теория относительности и гравитации: вековая перспектива , Cambridge University Press, Кембридж, ISBN 978-1-107-03731-1 . 
• Cox PA 1997, элементы: их происхождение, численность и распространение, Oxford University Press, Oxford, ISBN 978-0-19-855298-7 
• Кроу Дж. М. 2016, « Невозможные сплавы: как делать невиданные ранее металлы », New Scientist, 12 октября.
• Хадхази А. 2016, « Галактическая« золотая жила »объясняет происхождение самых тяжелых элементов в природе », Science Spotlights , 10 мая 2016 г., по состоянию на 11 июля 2016 г.
• Хофманн С. 2002, « За пределами урана: путешествие к концу периодической таблицы» , « Тейлор и Фрэнсис» , Лондон, ISBN 978-0-415-28495-0 . 
• Падманабхан Т. 2001, Теоретическая астрофизика , т. 2, Звезды и звездные системы, Издательство Кембриджского университета , Кембридж, ISBN 978-0-521-56241-6 . 
• Parish RV 1977, металлические элементы, Longman, Лондон, ISBN 978-0-582-44278-8 
• Подосек Ф.А. 2011, «Благородные газы», ​​в HD Holland и KK Turekian (ред.), Геохимия изотопов: Из Трактата по геохимии , Эльзевир, Амстердам, стр. 467–492, ISBN 978-0-08-096710-3 . 
• Раймонд Р. 1984, Из огненной печи: влияние металлов на историю человечества, Macmillan Australia, Мельбурн, ISBN 978-0-333-38024-6 
• Редер Д. 2010, Химия в космосе: от межзвездной материи к происхождению жизни , Wiley-VCH, Weinheim, ISBN 978-3-527-32689-1 . 
• Рассел А.М. и Ли К.Л. 2005, отношения между структурой и собственностью в цветных металлах, John Wiley & Sons, Хобокен, Нью-Джерси, ISBN 978-0-471-64952-6 
• Street A. и Alexander W. 1998, Металлы на службе у человека, 11- _е изд., Penguin Books, Лондон, ISBN 978-0-14-025776-2 
• Уилсон AJ 1994, Живая скала: история металлов с древнейших времен и их влияние на развивающуюся цивилизацию , Woodhead Publishing, Кембридж, ISBN 978-1-85573-154-7 

внешняя ссылка

В Wikisource есть текст статьи « Металл» из американской циклопедии 1879 года .

• ASM International (ранее Американское общество металлов)
• Прочный, как титан, дешевый, как грязь: новый стальной сплав сияет
• Домашняя страница Общества минералов, металлов и материалов