Напишем:


✔ Реферат от 200 руб.
✔ Контрольную от 200 руб.
✔ Курсовую от 500 руб.
✔ Решим задачу от 20 руб.
✔ Дипломную работу от 3000 руб.
✔ Другие виды работ по договоренности.

Узнать стоимость!

Не интересно!

 

 

 

Физические свойства металлов

 

Весь комплекс физических свойств металлов отражен в табл. 1.

 обусловлены структурой энергетических уровней металлов. Близость энергий большого количества занятых и свободных уровней приводит к тому, что любому кванту видимого света
с энергией E = h · v  всегда соответствует такая пара энергетических уровней, один из которых находится в валентной зоне, а другой – в зоне проводимости, а разность их энергий равна Е.  В этом случае электрон, поглощая квант света из валентной зоны, переходит в зону проводимости. Свет не отражается, а поглощается. Поэтому металлы непрозрачны. В то же время металлам характерен блеск, который появляется в результате испускания света при возвращении возбужденных светом электронов на более низкие энергетические уровни.

Плотность металлов изменяется в очень широких пределах.

 

s-элементов к d-элементам, находящимся в центре периода, уменьшается. Поэтому максимум плотности приходится на металлы элементов центра периода. В 6 периоде
плотность металлов еще более увеличивается за счет лантаноидного сжатия радиусов атомов элементов.

 

Плотность металлов заметно меняется с температурой. Из-за увеличения амплитуды колебаний атомов при повышении температуры среднее равновесное расстояние между атомами увеличивается, а плотность, следовательно, уменьшается. Чем больше доля
металлической связи и меньше доля ковалентной связи в металле, тем выше коэффициент термического расширения металла. Так, например, для Mg, Al, Zn коэффициент термического расширения
в 2–4 раза больше, чем для Cr и Fe. Этот параметр важен при подборе пар металлов, эксплуатируемых в широком интервале температур: значения коэффициентов термического расширения должны быть, как можно ближе друг к другу.

 


Таблица 1

Физические свойства металлов

Свойство

Значение для некоторых металлов

Примечание

Металлический блеск

In и Ag отражают свет лучше других металлов, поэтому применяются для изготовления зеркал

Плотность ρ, кг/м3 (г/см3, г/мл)

ρ 5 000 кг/м3 – легкие металлы: Li, Ca, Na, Mg, Al

ρ > 5 000 кг/м3 – тяжелые металлы: Zn, Fe, Ni, Cr, Pb, Ag, Au, Os

Самый легкий металл – литий: ρ(Li) = 530 кг/м3

Самый тяжелый – осмий: ρ(Os) = 22 600 кг/м3

Твердость Н

Твердость некоторых металлов по шкале Мооса:

Н(Na) = 0,4; H(Sn) = 1,8; H(Au) = 2,5; H(Al) = 2,9; H(Fe) = 4; H(Ni) = 5; H(Cr) = 9

Самые мягкие металлы: K, Rb, Cs, Na (режутся ножом)

Самый твердый – Cr (режет стекло)

Пластичность

Au,  Ag,  Cu,  Sn,  Pb,  Zn,  Fe

 
 
 


Уменьшение пластичности

Из пластичного Au можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм

Температура плавления Тпл, °С

Тпл > 1 000 °C – тугоплавкие металлы:

Au, Cu, Ni, Fe, Pt, Ta, Nb, Mo, W

Тпл < 1 000 °C – легкоплавкие металлы:

Hg, K, Na, Sn, Pb, Zn, Mg, Al, Ca

Самая низкая Тпл у ртути: Тпл (Hg) = – 39 °С,
а самая высокая – у вольфрама: Тпл(W)=3410 °C

Теплопроводность λ

Ag,  Cu,  Au,  Al,  W,  Fe

 


Уменьшение λ

Электропроводность σ

Ag,  Cu,  Au,  Al,  W,  Fe

 
 
 


Уменьшение σ

При нагревании σ уменьшается, так как усиливается колебательное движение атомов и ионов в узлах решетки и затрудняется движение электронов


Твердость металлов – сопротивление проникновению в данный металл другого твердого тела. При сочетании металлических поверхностей (трущиеся пары, зубчатые колеса) необходимо учитывать относительную твердость металлов, так как это определяет надежность и долговечность контакта. Так, например, в редукторах с червячной передачей материал червяка выбирается более твердым (сталь), чем материал червячного колеса (бронза). При эксплуатации этой пары нарезка зубчатого колеса постепенно прирабатывается по нарезке червяка. Это  обеспечивает более высокое значение коэффициента полезного действия передачи, долговечность и бесшумность в работе.

 

s-элементов меньше твердости p-элемен-тов, твердость последних меньше, чем твердость d-элементов.
В тех случаях, когда рабочие температуры эксплуатации металлических изделий превышают порог 0,3tпл, важна способность металла длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах. Это свойство металла называется жаропрочностью. Жаропрочность является важным практическим свойством ряда металлов, сплавов и других соединений.

 

Пластичность металлов также объясняется специфическими свойствами металлической связи. При механическом воздействии на твердое тело отдельные слои его кристаллической решетки смещаются относительно друг друга. В силу высшей степени делокализации электронов при смещении отдельных слоев кристаллической решетки происходит лишь некоторое перераспределение электронной плотности, связывающей друг с другом атомы металла, но разрыва химических связей не происходит – металл деформируется, не разрушаясь.

 

s-облаков: при механическом воздействии происходит перекрывание облаков, которые не зависят от направленности. Металл меняет свою форму без потери прочности. Механизм образования смещений связан с появлением и движением дислокаций. Хрупкими определенное время считались титан, вольфрам, хром, молибден, тантал, висмут, цирконий. Очищенные от примесей эти металлы – высокопластичные материалы, которые можно ковать, прессовать, прокатывать.

 

прочностью понимают свойство материала в определенных условиях воспринимать приложенные нагрузки не разрушаясь. Металлические кристаллы, лишенные дислокаций, обладают весьма высокой прочностью. Такими кристаллами являются выращиваемые в особых условиях нитевидные кристаллы или «усы». Их прочность во много раз превышает прочность обычных образцов соответствующего металла и близка
к теоретической величине, вычисленной для кристаллической решетки металла, не имеющей дефектов структуры. Так, почти идеальные кристаллы меди, называемые медными усами, при 900 °С выдерживают нагрузку в 50 раз большую, чем обычная медь.

 

наклепа – упрочнения металла под действием пластической деформации. При нагревании сильно деформированного металла искажения его структуры, вызванные сдвигами, постепенно снимаются – металл возвращается в структурно более устойчивое состояние; его пластичность возрастает,
а твердость и прочность снижаются.

 

Температура плавления металлов. Твердое тело начинает плавиться, когда кинетическая энергия движения его частиц становится соизмеримой с энергией их притяжения друг к другу. Таким образом, чем меньше прочность химической связи в металлах, тем ниже температуры их плавления. Прочность химической связи в металлах определяется количеством валентных электронов атома элемента, причем увеличение их числа увеличивает прочность связи. Определяющим фактором увеличения с номером периода прочности связи между атомами d-элементов является увеличение (по модулю) энергии s-электронов из-за эффектов проникновения.
Эффект проникновения s-электронов под d- и f-электронные подоболочки стабилизирует состояние электронов и понижает из энергию. Наличие неспаренных (n – 1) d-электронов также увеличивает прочность химической связи в металлах за счет образования дополнительных ковалентных связей. Увеличение размеров атомов действует в противоположном направлении, как и увеличение
координационного числа. Характер изменения температуры плавления металлов по периодам периодической системы во многом близок к изменению их плотности. В целом для металлов соблюдается следующая закономерность:

 

tпл (s-элементов) < tпл (p-элементов) < tпл (d-элементов),

но встречаются и исключения. Природа жидкой ртути, как уже говорилось, связывается с релятивистскими эффектами.

тугоплавким. Понятие тугоплавкости широко используется при обсуждении свойств ряда металлов и многих сплавов.

 

Теплопроводность металлов. Свободные электроны металла, находящиеся в постоянном движении, сталкиваются с колеблющимися атомами в узлах кристаллической решетки и обмениваются
с ними энергией. Усилившиеся при нагревании металла колебания атомов  незамедлительно передаются с помощью электронов
соседним и удаленным атомам. В результате происходит быстрое выравнивание температуры по всей массе металла. Это и обеспечивает высокую теплопроводность металлов. Высокая теплопроводность металлов, по сути, определяется теми же факторами, что
и электропроводность.

 

Электропроводность металлов. Высокая электропроводность металлов обусловлена высшей степенью делокализации электронов, наличием в кристаллической решетке электронов проводимости, отличающихся большой подвижностью. Создание
разности потенциалов в металле приводит  к направленному движению электронов – носителей электричества, возникает электрический ток.

 

s-электроны. (Атомы серебра, меди и золота вследствие проскока
s-электронов имеют электронные конфигурации валентных оболочек атомов щелочных элементов ns1). В этих случаях в компактных металлах реализуется, как правило, металлическая связь. Появление неспаренных p- и d-электронов приводит к увеличению доли направленных ковалентных связей, электропроводимость уменьшается.  Атом железа на предвнешней электронной оболочке имеет неспаренные 3d-электроны, которые также образуют ковалентные связи. Кроме этого, когда в кристалле металла, энергетические уровни атомов объединяются в энергетические зоны, 3d- и 4s-зоны пересекаются. Поэтому при определенном возбуждении s-электроны могут перейти на молекулярные орбитали d-зоны и, таким образом, количество носителей заряда может уменьшиться. Поэтому металлы d-элементов с частично заполненной электронной
d-подоболочкой у атомов имеют несколько более высокое электрическое сопротивление, чем металлы непереходных элементов.
Предыдущие материалы: Следующие материалы: