Металлы

Словарь Брокгауза и Ефрона

I (и металлоиды)(хим.) — М. называется группа простых тел (см.), обладающих известными характерными свойствами, которые в типических представителях резко отличают М. от других химических элементов. В физическом отношении это по большей части тела твердые при обыкновенной температуре, непрозрачные (в толстом слое), обладающие известным блеском, ковкие, тягучие, хорошие проводники тепла и электричества и проч.; в химическом отношении для них является характерной способность образовать с кислородом основные окислы, которые, соединяясь с кислотами, дают соли.

Знакомство человека с М. началось с золота, серебра и меди, т. е. с М., встречающимися в свободном состоянии на земной поверхности; впоследствии к ним присоединились М., значительно распространенные в природе и легко выделяемые из их соединений: олово, свинец, железо и ртуть. Эти семь М. были знакомы человечеству в глубокой древности. Между египетскими редкостями встречаются золотые и медные изделия, которые, по некоторым данным, относятся к эпохе, удаленной на 3000—4000 лет от Р. Х. К этим семи М. уже только в средние века прибавились цинк, висмут, сурьма и в начале XVIII столетия мышьяк. С середины XVIII столетия число М. быстро возрастает и в настоящее время доходит до 65. Ни одно из химических производств не способствовало столько развитию химических знаний, как процессы, связанные с получением и обработкой М.; с историей их связаны важнейшие моменты истории химии. Свойства М. так характерны, что уже в самую раннюю эпоху золото, серебро, медь, свинец, олово, железо и ртуть составляли одну естественную группу однородных веществ, и понятие о М. относится к древнейшим химическим понятиям. Однако воззрения на их натуру в более или менее определенной форме появляются только в средние века у алхимиков. Правда, идеи Аристотеля о природе, об образовании всего существующего из 4-х элементов (огня, земли, воды и воздуха) уже тем самым указывали на сложность М.; но эти идеи были так туманны, так абстрактны и имели так мало реального в основе! У алхимиков понятие о сложности М. и, как результат этого, вера в возможность превращать одни М. в другие, создавать их искусственно является основным понятием их миросозерцания. Это понятие есть естественный вывод из той массы фактов, относящихся до химических превращений М., которые накопились к тому времени. В самом деле, превращение М. в совершенно непохожую на них окись простым прокаливанием на воздухе и обратное получение М. из окиси, выделение одних М. из других, образование сплавов, обладающих другими свойствами, чем первоначально взятые М., и проч., все это как будто должно было указывать на сложность их натуры. Что касается собственно до превращения М. в золото, то вера в возможность этого была основана на многих видимых фактах. В первое время образование сплавов, цветом похожих на золото, например из меди и цинка, в глазах алхимиков уже было превращение их в золото. Им казалось, что нужно изменить только цвет, и свойства М. будут другие. В особенности много способствовали этой вере плохо поставленные опыты, когда для превращения неблагородного М. в золото брались вещества, содержавшие примесь этого золота. Например, уже в конце XVIII столетия один копенгагенский аптекарь уверял, что химически чистое серебро при сплавлении с мышьяком отчасти превращается в золото. Этот факт был подтвержден известным химиком Гитоном де Морво (Guyton de Morveau) и наделал много шума. В скорости потом было показано, что мышьяк, служивший для опыта, содержал следы серебра с золотом! Так как из семи известных тогда М. одни легче подвергались превращениям, другие труднее, то алхимики делили их на благородные — совершенные, и неблагородные — несовершенные. К первым принадлежали золото и серебро, ко вторым медь, олово, свинец, железо и ртуть. Последняя, обладая свойствами благородных М., но в то же время резко отличаясь от всех металлов своим жидким состоянием и летучестью, чрезвычайно занимала тогдашних ученых, и некоторые выделяли ее в особую группу; внимание, привлекавшееся ей, было так велико, что, как увидим далее, ртуть стали считать в числе элементов, из которых образованы М., и в ней именно видели носителя металлических свойств. Принимая существование в природе перехода одних М. в другие, несовершенных в совершенные, алхимики предполагали, что в обычных условиях это превращение идет чрезвычайно медленно, целыми веками, и, может быть, не без таинственного участия небесных светил, которым в тогдашнее время приписывали такую большую роль и в судьбе человека. По странному совпадению, М. было числом семь, как и известных тогда планет, а это еще более указывало на таинственную связь между ними. У алхимиков М. часто носят название планет; золото называется Солнцем, серебро — Луной, медь — Венерой, олово — Юпитером, свинец — Сатурном, железо — Марсом и ртуть — Меркурием. Когда были открыты цинк, висмут, сурьма и мышьяк, тела, во всех отношениях схожие с М., но у которых одно из характернейших свойств металла, ковкость, развито в слабой степени, то они были выделены в особую группу — полуметаллов. Деление М. на собственно металлы и полуметаллы существовало еще в средине XVIII столетия.

Если М. тела сложные, то что же входит в их состав? В первое время алхимики принимали, что они образованы из двух элементов — ртути и серы. Как сложилось это воззрение — сказать трудно, но его мы находим уже в VIII столетия. По Geber'y доказательством присутствия ртути в М. служит то, что она их растворяет, и в этих растворах индивидуальность их исчезает, поглощается ртутью, чего не случилось бы, если бы в них не было одного общего с ртутью начала. Кроме того, ртуть со свинцом давала нечто похожее на олово. Что касается серы, то, может быть, она взята потому, что были известны сернистые соединения, по внешнему виду схожие с М. В дальнейшем эти простые представления, вероятно, вследствие безуспешных попыток приготовления М. искусственно, крайне усложняются, запутываются. В понятиях алхимиков, например X—XIII столетий, ртуть и сера, из которых образованы М., не были теми ртутью и серой, которые имели в руках алхимики. Это было только нечто схожее с ними, обладающее особыми свойствами; нечто такое, которое в обыкновенной сере и ртути существовало реально, было выражено в них в большей степени, чем в других телах. Под ртутью, входящей в состав М., представляли нечто, обуславливающее неизменяемость их, металлический блеск, тягучесть, одним словом, носителя металлического вида; под серой подразумевали носителя изменяемости, разлагаемости, горючести М. Эти два элемента находились в М. в различном количестве и, как тогда говорили, различным образом фиксированные; кроме того, они могли быть различной степени чистоты. По Геберу, например, золото состояло из большого количества ртути и небольшого количества серы в высшей степени чистоты и наиболее фиксированных; в олове, напротив, предполагали много серы и мало ртути, которые были не чисты, плохо фиксированы и проч. Всем этим, конечно, хотели выразить различное отношение М. к единственному в тогдашнее время могущественному химическому агенту — огню. При дальнейшем развитии этих воззрений двух элементов — ртути и серы — для объяснения состава М. алхимикам показалось недостаточно; к ним присоединили соль, а некоторые мышьяк. Этим хотели указать, что при всех превращениях М. остается нечто не летучее, постоянное. Если в природе превращение неблагородных М. в благородные совершается веками, то алхимики стремились создать такие условия, в которых этот процесс совершенствования, созревания шел бы скоро и легко. Вследствие тесной связи химии с тогдашней медициной и тогдашней биологией, идея о превращении М. естественным образом отождествлялась с идеей о росте и развитии организованных тел: переход, например, свинца в золото, образование растения из зерна, брошенного в землю и как бы разложившегося, брожение, исцеление больного органа у человека — все это были частные явления одного общего таинственного жизненного процесса, совершенствования, и вызывались одними стимулами. Отсюда само собой понятно, что таинственное начало, дающее возможность получить золото, должно было исцелять болезни, превращать старое человеческое тело в молодое и проч. Так сложилось понятие о чудесном философском камне. Что касается роли философского камня в превращении неблагородных М. в благородные, то больше всего существует указаний относительно перехода их в золото, о получении серебра говорится мало. По одним авторам, один и тот же философский камень превращает М. в серебро и золото; по другим — существуют два рода этого вещества: одно совершенное, другое менее совершенное, и это то последнее и служит для получения серебра. Относительно количества философского камня, требующегося для превращения, указания тоже разные. По одним, 1 часть его способна превратить в золото 10000000 частей М., по другим — 100 частей и даже только 2 части. Для получения золота плавили какой-нибудь неблагородный М. или брали ртуть и бросали туда философский камень; одни уверяли, что превращение происходит мгновенно, другие же — мало-помалу и проч. Эти взгляды на природу М. и на способность их к превращениям держатся в общем в течение многих веков до XVII столетия, когда начинают резко отрицать все это, тем более что эти взгляды вызвали появление многих шарлатанов, эксплуатировавших надежду легковерных получить золото. С идеями алхимиков в особенности боролся Бойль. "Я бы хотел знать, — говорит он в одном месте, — как можно разложить золото на ртуть, серу и соль; я готов уплатить издержки по этому опыту; что касается меня, то я никогда не мог этого достигнуть". После вековых бесплодных попыток искусственного получения М. и при том количестве фактов, которые накопились к XVII столетию, например о роли воздуха при горении, увеличении веса М. при окислении, что, впрочем, знал еще Гебер в VIII столетии, вопрос об элементарности состава М., казалось, был совсем близок к окончанию; но в химии появилось новое течение, результатом которого явилась флогистонная теория, и решение этого вопроса было еще отсрочено на продолжительное время. Тогдашних ученых сильно занимали явления горения. Исходя из основной идеи тогдашней философии, что сходство в свойствах тел должно происходить от одинаковости начал, элементов, входящих в их состав, принимали, что тела горючие заключают общий элемент. Акт горения считался актом разложения, распадения на элементы; при этом элемент горючести выделялся в виде пламени, а другие оставались. Признавая взгляд алхимиков на образование М. из 3-х элементов, ртути, серы и соли, и принимая их реальное существование в М., горючим началом в них нужно было признать серу. Тогда другой составной частью М. нужно было, очевидно, признать остаток от прокаливания М. — их землю, как тогда говорили; следовательно, ртуть тут ни при чем. С другой стороны, сера сгорает в серную кислоту, которую многие, в силу сказанного, считали более простым телом, чем сера, и включили в число элементарных тел. Выходила путаница и противоречие. Бехер, чтобы согласовать старые понятия с новыми, принимал существование в М. земли трех сортов: собственно землю, землю горючую и землю ртутную. В этих-то условиях Сталь предложил свою теорию. По его мнению, началом горючести служит не сера и не какое-либо другое известное вещество, а нечто неизвестное, названное им флогистоном. М. образованы из флогистона и земли; прокаливание М. на воздухе сопровождается выделением флогистона; обратное получение М. из его земли с помощью угля — вещества, богатого флогистоном — есть акт соединения флогистона с землей. Хотя М. было несколько и каждый из них при прокаливании давал свою землю, последняя, как элемент, была одна, так что и эта составная часть М. была такого же гипотетического характера, как и флогистон; впрочем, последователи Сталя иногда принимали столько элементарных земель, сколько было М. Когда Кавендиш при растворении М. в кислотах получил водород и исследовал его свойства (неспособность поддерживать горение, его взрывчатость в смеси с воздухом и проч.), он признал в нем флогистон Сталя; М., по его понятиям, состоят из водорода и земли. Этот взгляд принимался многими последователями флогистонной теории. Несмотря на видимую стройность теории флогистона, существовали крупные факты, которые никак нельзя было связать с ней. Еще Геберу было известно, что М. при обжигании увеличиваются в весе; между тем, по Сталю, они должны терять флогистон: при обратном присоединении флогистона к земле вес полученного М. меньше веса земли. Таким образом выходило, что флогистон должен обладать каким-то особенным свойством — отрицательным тяготением. Несмотря на все остроумные гипотезы, высказанные для объяснения этого явления, оно было непонятно и вызывало недоумение. Когда Лавуазье выяснил роль воздуха при горении и показал, что прибыль в весе М. при обжигании происходит от присоединения к М. кислорода воздуха, и таким образом установил, что акт горения М. есть не распадение на элементы, а, напротив, акт соединения, вопрос о сложности М. был решен отрицательно. М. были отнесены к простым телам, в силу основной идеи Лавуазье, что простые тела суть те, из которых не удалось выделить других тел. Этого взгляда химия держится поныне.

Металлоиды. Как мы видели, одна часть простых тел образует группу М.; по предложению Берцелиуса, остальные простые тела тоже объединены в одну группу, и он дал им название металлоидов. Основанием для этого объединения были электрохимические воззрения Берцелиуса. Он представлял атомы тел биполярными и принимал, что количество электричества на обоих полюсах может быть разное, так что атом в общем мог быть заряжен положительно или отрицательно. В разных телах количество электричества в атомах предполагалось разное. При соединении различных атомов происходила или полная нейтрализация их электричеств, или частная, так что частица сложного тела или нейтральна, или заряжена известным образом. Из соединения атом, сильнее заряженный, например, положительно, мог вытеснять другой такого же рода, слабее заряженный, и проч. Подробности см. Электрохимия. При электролизе М. выделяются на отрицательном полюсе, а остальные тела (сами по себе или в соединении с кислородом) — на положительном; следовательно, можно было себе представить, что частицы М. заряжены положительным электричеством, а других тел — отрицательным, это и есть общее в натуре металлоидов, что, по Берцелиусу, и сказывается в их свойствах и дает возможность соединить их в одну группу. Представляя химическое сродство как влияние двух электричеств, становилось понятно, что тела разных групп вообще будут легче соединяться и давать более прочные соединения, чем одной и той же, и т. п. Для характеристики металлоидов указывалось, что если М., соединяясь с кислородом, вообще дают основные окислы электроположительные, то металлоиды дают вообще кислотные — электроотрицательные. Разделяя простые тела на две группы — М. и металлоидов, — еще Берцелиус указывал, что между ними существует крайне постепенный переход, так что на границе этих групп трудно сказать, имеем ли мы дело с М. или металлоидом. Например, мышьяк или даже марганец с удобством могут быть отнесены как в ту, так и в другую группу. После падения электрохимической теории исчезло основание, в силу которого неметаллы были соединены в одну группу. С другой стороны, с открытием новых элементов самое решение вопроса, имеется ли дело с М. или нет, на основании определений М. древних, стало крайне затруднительным, хотя во всяком случае понятие о М., выработанное веками, имеет такой же raison d'être, как и понятие о щелочах, кислотах и солях. Если до сих пор делят простые тела на М. и металлоиды, то это делается в силу привычки или для удобства изложения при преподавании химии.

С. П. Вуколов. Δ.

II (и металлоиды, дополнение к статье)благородные — см. Металлы и металлоиды (к упомянутым в этой ст. благородным М., известным во времена алхимиков, надо добавить позднее открытые платину, палладий и иридий). М. легкие — см. Щелочные и Щелочноземельные М., Литий, Натрий, Калий, Рубидий, Цезий, Бериллий, Магний, Кальций, Стронций, Барий и Алюминий. М. редких земель — см. Гадолинитовые М., Церитовые М., Периодич. законность химич. элементов и Земли редкие (доп.).

Большая Советская энциклопедия

простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. В парообразном состоянии М. одноатомны.

Перечисленные выше характерные свойства М. обусловлены их электронным строением. Атомы М. легко отдают внешние (валентные) электроны. В кристаллической решётке М. не все электроны связаны со своими атомами. Некоторая их часть (Металлы 1 на атом) подвижна. Эти электроны могут более или менее свободно перемещаться по М. Существование свободных электронов (электронов проводимости) в М. объясняется зонной теорией (см. Твёрдое тело). М. можно представить себе в виде остова из положительных ионов, погруженного в «электронный газ». Последний компенсирует силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывает их в твёрдое тело (металлическая связь).

Из известных (1974) 105 химических элементов 83 — М. и лишь 22 — Неметаллы. Если в длинном или «полудлинном» варианте периодической системы элементов (См. Периодическая система элементов) Менделеева провести прямую линию от бора до астата (табл. 1), то можно считать, что неметаллы расположены на этой линии и справа от неё, а М. — слева.

Не следует, однако, абсолютизировать ни свойства, характерные для М., ни их отличия от неметаллов. Металлический блеск присущ только компактным металлическим образцам. Тончайшие листки Ag и Au (толщиной 10^-4 мм) просвечивают голубовато-зелёным цветом. Мельчайшие порошки М. часто имеют чёрный или черно-серый цвет. Некоторые металлы (Zn, Sb, Bi) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании.

Вся совокупность перечисленных выше свойств присуща типичным М. (например, Cu, Au, Ag, Fe) при обычных условиях (атмосферном давлении, комнатной температуре). При очень высоких давлениях (Металлы 10⁵—10⁶ ам)свойства М. могут существенно измениться, а неметаллы приобрести металлические свойства.

Многие простые вещества по одним свойствам можно отнести к М., по др. — к неметаллам. Особенно много такого рода «нарушений» имеет место вблизи границы, проведённой в табл. 1. Так, Ge по внешнему виду — М., в химическом отношении проявляет себя скорее как М. (легче отдаёт электроны, чем принимает), а по величине и характеру электропроводности Ge — полупроводник. Сурьма Sb имеет электросопротивление слишком большое для М., однако температурный коэффициент сопротивления у Sb положительный и большой, как у М.; по способности отдавать электроны Sb также относится к М. As, Sb и Bi иногда называют полуметаллами (См. Полуметаллы). Po по внешнему виду — М., в химическом отношении ему присущи свойства и М., и неметалла — наряду с положительной валентностью (точнее окислительным числом) проявляется и отрицательная (— 2).

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с М., поэтому в физической, технической и экономической литературе нередко к М. относят также и Сплавы.

Историческая справка. Термин «металл» произошёл от греческого слова métallon (от metalléuo — выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл metalléia. В древности и в средние века считалось, что существует только 7 М.: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть (см. Знаки химические).По алхимическим представлениям, М. зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото (см. Алхимия). Алхимики полагали, что М. — вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой М. состоят из земли и «начала горючести» — флогистона. М. В. Ломоносов насчитывал 6 М. (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял М. как «светлое тело, которое ковать можно». В конце 18 в. А. Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что М. — простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 М. (Sb, Ag, As, Bi, Со, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных М. возрастало. В 1-й половине 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные М., положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные М. при химическом анализе минералов. В 1860—63 методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование М., предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности (См. Радиоактивность) в конце 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных М., увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с середины 20 в. были искусственно получены радиоактивные М., в частности Трансурановые элементы.

В конце 19 — начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургия — наука о производстве М. из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств М. и их сплавов в зависимости от состава и строения (см. Металловедение, Металлофизика).

Химические свойства. В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов (табл. 1), различают М. главных и побочных подгрупп. М. главных подгрупп (подгруппы а) называют также непереходными. Эти М. характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s- и р-электронных оболочек. В атомах М. побочных подгрупп (подгруппы б), называют переходными, происходит достраивание d- и f-оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы — Лантаноиды и Актиноиды.В подгруппы а входят 22 М.: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (I a); Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II a); Al, Ga, In, Tl (III a); Ge, Sn, Pb (IV a); Sb, Bi (V a); Po (VI а). В подгруппы б входят: 1) 33 переходных металла d-группы [Cu, Ag, Au (I б), Zn, Cd, Hg (II б); Sc, Y, La, Ac (III б); Ti, Zr, Hf, Ku (IV б); V, Nb, Ta, элемент с Z = 105 (V б), Cr, Mo, W (VI б), Mn, Te, Re (VII б), Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, 0s, lr, Pt (VIII б)]; 2) 28 М. f-группы (14лантаноидов и 14 актиноидов).

Электронная структура атомов некоторых d-элементов имеет ту особенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень. Это происходит при достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электронная структура валентных подуровней атомов d-элементов, находящихся в одной подгруппе, не всегда одинакова. Например, Cr и Mo (подгруппа VI б) имеют внешнюю электронную структуру соответственно 3d⁵4s¹ и 4d⁵5s¹, тогда как у W она 5d⁴6s². В атоме Pd (подгруппа VIII б) два внешних электрона «перешли» на соседний валентный подуровень, и для атома Pd наблюдается d¹⁰ вместо ожидаемого d⁸s².

М. присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение водорода в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность [способность атомов в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах]; элементу присущи свойства М. тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер).

В периодической системе элементов (См. Периодическая система элементов)Менделеева (табл. 1) в пределах каждого периода, начиная со 2-го, с увеличением атомного номера электроотрицательность возрастает от 2 до 7, начиная со щелочного металла и кончая галогеном (переход от М. к неметаллам). В пределах подгрупп (а и б) с увеличением атомного номера электроотрицательность в общем уменьшается, хотя и не всегда последовательно. В семействах лантаноидов и актиноидов она сохраняется примерно на одном уровне.

Если расположить М. в последовательности увеличения их нормальных потенциалов (См. Нормальный потенциал), получим т. н. ряд напряжений или Ряд активностей (табл. 2 и 3). Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу — от щелочных и щёлочноземельных М. к Pt и Au — электроположительный характер членов ряда уменьшается. М. от Li по Na вытесняют H₂ из H₂O на холоду, а от Mg по Tl — при нагревании. Все М., стоящие в ряду выше H₂, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании). М., стоящие ниже H₂, растворяются только в кислородных кислотах (таких, как концентрированная H₂SO₄ при нагревании или HNO₃), а Pt, Au — только в царской водке (Ir нерастворим и в ней).

М. от Li по Na легко реагируют с O₂ на холоду; последующие члены ряда соединяются с O₂ только при нагревании, а lr, Pt, Au в прямое взаимодействие с O₂ не вступают.

Окислы М. от Li по Al (табл. 2) и от La по Zn (табл. 3) трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на М. и O₂ уже при слабом нагревании. О прочности соединений М. с кислородом (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей (табл. 1): чем она больше, тем прочнее соединение.

Табл. 2. — Нормальные электродные потенциалы непереходных металлов

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| | 25 °С, в | | 25 °C, в | | 25 °С, в |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Li ⇔ Li⁺ + е | -3,0245 | Mg ⇔ Mg²⁺ + 2е | -2,375 | Sn ⇔ Sn²⁺ + 2e | -0,140 |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Cs ⇔ Cs⁺ + e | -3,020 | Be ⇔ Be²⁺ + 2e | -1,69 | Pb ⇔ Pb²⁺ + 2e | -0,126 |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Rb ⇔ Rb⁺ + e | -2,990 | Al ⇔ Al³⁺ + 3e | -1,67 | Ha ⇔ 2H⁺ + 2e | 0 |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| К ⇔ K⁺ + e | -2,925 | Ga ⇔ Ga³⁺ + 3e | -0,52 | Sb ⇔ Sb³⁺ + 3e | +0,20 |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ra ⇔ Ra²⁺ + 2е | -2,92 | Ga ⇔ Ga²⁺ + 2e | -0,45 | Bi ⇔ Bi³⁺ + 3e | +0,23 |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ba ⇔ Ba²⁺ + 2e | -2,90 | In ⇔ ln³⁺+ 3e | -0,34 | Po ⇔ Po³⁺ + 3e | +0,56 |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Sr ⇔ Sr²⁺ + 2e | -2,89 | Tl ⇔ Tl⁺+ е | -0,338 | Po ⇔ Po²⁺ + 2е | +0,65 |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ca ⇔ Ca²⁺ + 2e | -2,87 | In ⇔ ln²⁺ + 2e | -0,25 | Tl ⇔ Tl³⁺ + 3e | +0,71 |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Na ⇔ Na⁺ + е | -2,714 | | | Pb ⇔ Pb⁴⁺ + 4е | +0,80 |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Табл. 3. — Нормальные электродные потенциалы переходных металлов

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ac ⇔ Ac³⁺ + 3e | -2,60 | Cr ⇔ Cr³⁺ + 3е | -0,74 | Ru ⇔ Ru²⁺ + 2e | +0,45 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| La ⇔ La³⁺ + 3e | -2,52 | Fe ⇔ Fe²⁺ + 2e | -0,44 | Mn ⇔ Mn³⁺ + 3e | +0,47 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Y ⇔ Y³⁺ + 3e | -2,37 | Cd ⇔ Cd²⁺ + 2e | -0,402 | Cu ⇔ Cu⁺+ e | +0,522 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Sc ⇔ Sc³⁺ + 3e | -2,08 | Re ⇔ Re³⁺ + 3e | -0,3 | Rh ⇔ Rh²⁺ + 2e | +0,60 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Hf ⇔ Hf⁴⁺ + 4е | -1,70 | Co ⇔ Co²⁺+ 2e | -0,277 | W ⇔ W⁶⁺ + 6e | +0,68 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ti ⇔ Ti³⁺ + 3е | -1,63 | Ni ⇔ Ni²⁺ + 2е | -0,25 | Rh ⇔ Rh³⁺ + 3e | +0,70 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Zr ⇔ Zr⁴⁺ + 4е | -1,56 | Те ⇔ Te²⁺ + 2e | -0,24 | 0s ⇔ Os²⁺ + 2e | +0,70 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| V ⇔ V²⁺ + 2e | -1,18 | Mo ⇔ Mo³⁺ + 3е | -0,20 | Ag ⇔ Ag⁺++с | +0,779 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mn ⇔ Mn²⁺+ 2e | -1,18 | H2 ⇔ 2H⁺ + 2e | 0,000 | Pd ⇔ Pd²⁺ + 2e | +0,83 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Nb ⇔ Nb³⁺ + 3e | -1,10 | Fe ⇔ Fe³⁺ + 3e | +0,036 | Hg ⇔ Hg²⁺ + 2e | +0,854 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| V ⇔ V³⁺+3e | -0,87 | W ⇔ W³⁺ + 3e | +0,11 | lr ⇔ lr³⁺ + 3e | +1,0 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Cr ⇔ Cr²⁺ + 2e | -0,86 | Cu ⇔ Cu²⁺ + 2e | +0,346 | Pt ⇔ Pt²⁺ + 2e | +1,2 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Zn ⇔ Zi³⁺ + 2e | -0,761 | Co ⇔ Co³⁺ + 3e | +0,40 | Au ⇔ Au³⁺ + 3e | +1,5 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | | | | Au ⇔ Au⁺ + e | +1,7 |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Валентности (точнее, окислительные числа) непереходных М. равны: +1 для подгруппы I а; +2 для II a; +1 и +3 для III a; +2 и +4 для IV a; +2, +3 и +5 для V a; — 2, +2, +4, +6 для VI a. У переходных М. наблюдается ещё большее разнообразие окислительных чисел: +1, +2, +3 для подгруппы I б, +2 для II б; +3 для III б; +2, +3, +4 для IV б; +2, +3, +4, +5 для V б; +2, +3, +4, +5, +6 для VI б, +2, +3, +4, +5, +6, +7 для VII б, от +2 до +8 в VIII б. В семействе лантаноидов наблюдаются окислительные числа +2, +3 и +4, в семействе актиноидов — от +3 до +6. Низшие окислы М. обладают основными свойствами, высшие являются ангидридами кислот (см. Кислоты и основания). М., имеющие переменную валентность (например, Cr, Mn, Fe), в соединениях, отвечающих низшим степеням окисления [Cr (+2), Mn (+2), Fe (+2)], проявляют восстановительные свойства; в высших степенях окисления те же М. [Cr (+6), Mn (+7), Fe (+3)] обнаруживают окислительные свойства. О химических соединениях М. друг с другом см. в ст. Металлиды, о соединениях М. с неметаллами см. в статьях Бориды, Гидриды, Карбиды, Нитриды, Окислы и др.

Лит.: Некрасов Б. В., Основы общей химии, 2 изд., т. 1—3, М., 1969—70; Дей М. К., Селбин Дж., Теоретическая неорганическая химия, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Барнард А., Теоретические основы неорганической химии, пер. с англ., М., 1968; Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 1—2, Химия металлов, пер. с рум., М., 1971—72. См. также лит. при ст. Неорганическая химия.

С. А. Погодин.

Физические свойства. Большинство М. кристаллизуется в относительно простых структурах — кубических (кубические объёмноцентрированная ОЦК и гранецентрированная ГЦК решётки) и гексагональных ПГУ, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число М. имеет более сложные типы кристаллических решёток. Многие М. в зависимости от внешних условий (температуры, давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций (см.Полиморфизм). Полиморфные превращения иногда связаны с потерей металлических свойств, например превращение белого олова (β-Sn) в серое (α-Sn).

Электрические свойства. Удельная электропроводность М. при комнатной температуре σ Металлы 10^-6—10^-4 ом^-1см^-1(табл. 1), тогда как у диэлектриков (См. Диэлектрики), например у серы, σ Металлы 10^-17ом^-1см^-1. Промежуточные значения σ соответствуют полупроводникам (См. Полупроводники). Характерным свойством М. как проводников электрического тока является линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрического поля (Ома закон).Носителями тока в М. являются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантово-механическим представлениям, в идеальном кристалле (См. Идеальный кристалл) электроны проводимости (при полном отсутствии тепловых колебаний кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки)) вообще не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных М. электросопротивления является результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий (См. Вакансия), дислокаций (См. Дислокации) и др. дефектов в кристаллах (См. Дефекты в кристаллах). На тепловых колебаниях и дефектах (а также друг на друге) происходит рассеяние электронов. Мерой рассеяния служит длина свободного пробега — среднее расстояние l между двумя последовательными столкновениями электронов. Величина удельной электропроводности σ связана с длиной свободного пробега l соотношением:

σ = nel/p_F, (1)

где n — концентрация электронов проводимости (Металлы10²²—10²³ см^-3), е — заряд электрона, p_F = 2πh (3n/8π)^1/3 — граничный фермиевский импульс (см. Ферми поверхность), h — Планка постоянная.Зависимость а или удельного электросопротивления р от температуры Т связана с зависимостью l от Т. При комнатных температурах в М. l Металлы 10^-6 см.

При температурах, значительно превышающих Дебая температуру (См. Дебая температура), сопротивление ρ обусловлено главным образом тепловыми колебаниями кристаллической решётки и возрастает с температурой линейно:

ρ = ρ_ост(1 + αТ). (2)

Постоянная α называется температурным коэффициентом электропроводности и имеет при температуре Т = 0 °C типичное значение α = 4․10^-5 град^--1. При более низких температурах, когда влиянием тепловых колебаний атомов на рассеяние электронов можно пренебречь, сопротивление практически перестаёт зависеть от температуры. Это предельное значение сопротивления называется остаточным. Величина ρ_ост характеризует концентрацию дефектов в решётке М. Удаётся получить столь чистые (сверхчистые) и свободные от дефектов М., что их остаточное сопротивление в 10⁴—10⁵ раз превышает сопротивление этих М. в обычных условиях. Длина свободного пробега электронов в сверхчистых М. l Металлы 10^-2см.Теоретическое рассмотрение показывает, что при низких температурах формула для удельного электросопротивления имеет вид:

ρ=ρ_ост+АТ²+ВТ⁵ (3)

где А и В — величины, не зависящие от Т. Член BT⁵ связан с рассеянием электронов на тепловых колебаниях атомов, а член AT² — со столкновениями электронов друг с другом и даёт заметный вклад в сопротивление лишь у некоторых М., например у Pt. Однако закономерность (3) выполняется лишь приближённо.

У некоторых М. и металлидов (См. Металлиды) при определённой температуре, называемой критической, наблюдается полное исчезновение сопротивления — переход в сверхпроводящее состояние (см. Сверхпроводимость).Критические температуры чистых металлов лежат в интервале от сотых долей К до 9 К (табл. 1).

Если металлический образец, по которому течёт ток, поместить в постоянное магнитное поле, то в М. возникают явления, обусловленные искривлением траекторий электронов в магнитном поле в промежутке между столкновениями (Гальваномагнитные явления). Среди них важное место занимают Холла эффект и изменение электросопротивления М. в магнитном поле (Магнетосопротивление). Влияние магнитного поля тем больше, чем больше длина свободного пробега l, т. е. чем ниже температура и чем меньше примесей в М. При комнатной температуре магнитное поле 10⁷—10⁵ э изменяет сопротивление М. лишь на доли %. При T ≤ 4 К в сверхчистых М. сопротивление может измениться во много раз. Зависимость электросопротивления М. от внешнего магнитного поля существенно зависит от характера энергетического спектра электронов, в частности от формы поверхности ферми. У многих металлических Монокристаллов (Au, Cu, Ag и др.) наблюдается сложная Анизотропия сопротивления в магнитном поле.

В магнитных полях Металлы 10⁴—10⁵ э и при низких температурах у всех металлических монокристаллов наблюдается осциллирующая зависимость электросопротивления от магнитного поля (Шубникова — де Хааза эффект). Это явление — следствие квантования движения электронов в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Как правило, квантовая осциллирующая зависимость в виде небольшой «ряби» наложена на обычную зависимость сопротивления от магнитного поля.

При нагревании М. до высоких температур наблюдается «испарение» электронов с поверхности М. (Термоэлектронная эмиссия). Число электронов, вылетающих в единицу времени, определяется законом: nМеталлыexp (—φ/kT), где k — Больцмана постоянная, φ — Работа выхода электронов из М. (см. Ричардсона формула). Величина φ различна у разных М. и зависит также от состояния поверхности. Эмиссия электронов с поверхности М. происходит также под действием сильных электрических полей Металлы10⁷ в/смв результате туннельного просачивания электронов через сниженный полем потенциальный барьер (см. Туннельная эмиссия). В М. наблюдаются явления фотоэлектронной эмиссии (См. Фотоэлектронная эмиссия), вторичной электронной эмиссии (См. Вторичная электронная эмиссия) и ионно-электронной эмиссии (См. Ионно-электронная эмиссия). Перепад температуры вызывает в М. появление электрического тока или разности потенциалов (см. Термоэлектрические явления).

Тепловые свойства. Теплоёмкость М. (табл. 1) обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость С_р), так и электронным газом (электронная теплоёмкость С_э). Хотя концентрация электронов проводимости в М. очень велика (см. выше) и не зависит от температуры, электронная теплоёмкость мала и у большинства М. наблюдается только при температурах Металлы нескольких К. Возможность измерения С_э связана с тем, что при уменьшении температуры С_р убывает пропорционально T³, а С_э Металлы Т. Для Cu: С_э = 0,9․10^-4RT, для Pd: С_э = 1,6․10^-3RT (R — газовая постоянная). Теплопроводность М. осуществляется главным образом электронами проводимости. Поэтому между удельными коэффициентами электропроводности и теплопроводности существует простое соотношение, называемое Видемана - Франца законом.

Взаимодействие М. с электромагнитными полями. Переменный электрический ток при достаточно высокой частоте течёт по поверхности М., не проникая в его толщу (см. Скин-эффект). Электромагнитное поле частоты ω проникает в М. лишь на глубину скин-слоя толщиной δ.

Например, для Cu при (ω = 10⁸ гц δ = 6․10^-4 см. В таком слое поглощается незначительная часть электромагнитной энергии. Основная часть энергии переизлучается электронами проводимости и отражается (см. Металлооптика). В чистых М. при низких температурах длина свободного пробега электронов l часто превышает глубину δ. При этом напряжённость поля существенно изменяется на длине свободного пробега, что проявляется в характере отражения электромагнитных волн от поверхности М. (аномальный скин-эффект).

Сильное постоянное магнитное поле существенно влияет на электродинамические свойства М. В М., помещенных в такое поле, при условии, если частота электромагнитного поля кратна частоте прецессии электронов проводимости вокруг силовых линий постоянного магнитного поля, наблюдаются резонансные явления (см. Циклотронный резонанс).При определённых условиях в толще М., находящегося в постоянном магнитном поле, могут распространяться слабо затухающие электромагнитные волны, т. е. исчезает скин-эффект. Электродинамические свойства М., помещенного в магнитное поле, сходны со свойствами плазмы (См. Плазма) в магнитном поле и являются одним из основных источников информации об электронах проводимости.

Для электромагнитных волн оптического диапазона М., как правило, практически непрозрачны и обладают характерным блеском (см. Отражение света, Зеркало). В поглощении света в видимом и ультрафиолетовом диапазонах некоторую роль играет внутренний Фотоэффект.Отражение от поверхности М. плоскополяризованного света, падающего под произвольным углом, сопровождается поворотом плоскости поляризации и появлением эллиптической поляризации (см. Вращение плоскости поляризации). Это явление используется для определения оптических констант М.

Общая структура характеристических рентгеновских спектров М. и диэлектриков одинакова. Тонкая же структура линий, соответствующая квантовым переходам электронов из зоны проводимости на глубокие уровни, отражает распределение электронов проводимости по уровням энергии.

Магнитные свойства. Переходные металлы с недостроенными f-и d-электронными оболочками являются Парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние (см. Магнетизм, Ферромагнетизм, Антиферромагнетизм, Кюри точка). Магнитное упорядочение существенно влияет на все свойства М., в частности на электрические свойства: в электросопротивление вносит вклад рассеяние электронов на колебаниях магнитных моментов. Гальваномагнитные явления при этом также приобретают специфические черты.

Магнитные свойства остальных М. определяются электронами проводимости, которые вносят вклад в диамагнитную и парамагнитную восприимчивости М., и диамагнитной восприимчивостью ионного состава (см. Диамагнетизм, Парамагнетизм). Магнитная восприимчивость χ большинства М. относительно мала (χ Металлы 10^-6) и слабо зависит от температуры.

При низких температурах Т и в больших магнитных полях Н ≥ 10⁴ kT у всех металлических монокристаллов наблюдается сложная осциллирующая зависимость суммарного магнитного момента от поля Н (см. Де Хааза - ван Альфена эффект), природа которого та же, что и у эффекта Шубникова — де Хааза. Исследование осцилляционных эффектов позволяет определить форму поверхности Ферми.

Механические свойства. Многие М. обладают комплексом механических свойств, обеспечивающим их широкое применение в технике, в частности в качестве конструкционных материалов (См. Конструкционные материалы). Это, в первую очередь, сочетание высокой пластичности (См. Пластичность) со значительной Прочностью и сопротивлением деформации, причём соотношение этих свойств может регулироваться в большом диапазоне с помощью механической и термической обработки М., а также получением сплавов различного состава.

Исходной характеристикой механических свойств М. является модуль упругости (См. Модули упругости) G, определяющий сопротивление кристаллической решётки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину сил связи в кристалле. В монокристаллах эта величина, как и остальные механические характеристики, анизотропна и коррелирует с температурой плавления М. (например, средний модуль сдвига G изменяется от 0,18․10¹¹ эрг/см³для легкоплавкого Na до 27․10¹¹ эрг/см³для тугоплавкого Re).

Сопротивление разрушению или пластической деформации идеального кристалла Металлы 10^-1 G. Но в реальных кристаллах эти характеристики, как и все механические свойства, определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокаций. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к элементарному акту скольжения — основному механизму пластической деформации М. Др. механизмы Двойникование и сбросообразование) существенны только при пониженных температурах. Важнейшая особенность М. — малое сопротивление скольжению дислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало в кристаллах с чисто металлической связью, которые обычно имеют плотноупакованные структуры (гранецентрированную кубическую или гексагональную). В М. с ковалентной компонентой межатомной связью, имеющих объёмноцентрированную решётку, сопротивление скольжению несколько больше, однако всё же мало по сравнению с чисто ковалентными кристаллами. Сопротивление пластической деформации, по крайней мере в М. с гранецентрированной кубической и гексагональной решётками, связано с взаимодействием движущихся дислокаций с др. дефектами в кристаллах, с др. дислокациями, примесными атомами, внутренними поверхностями раздела. Взаимодействие дефектов определяется искажениями решётки вблизи них и пропорционально G. Для отожжённых монокристаллов начальное сопротивление пластической деформации (предел текучести) обычно Металлы 10^-3—10^-4 G. В процессе деформации число дислокаций в кристаллической решётке (плотность дислокаций β) увеличивается от 10⁶—10⁸ до 10¹² см^-2. Соответственно растет сопротивление пластической деформации d — межатомное расстояние). Это называют деформационным упрочнением или наклёпом. Для монокристаллов М. характерно наличие трёх стадий деформационного упрочнения. На 1-й стадии значительная часть дислокаций выходит на поверхность и коэффициент упрочнения Θ (коэффициент пропорциональности между напряжением и деформацией) мал; на 2-й стадии дислокации накапливаются в кристалле, их распределение становится существенно неоднородным: ΘМеталлыG/300. На 3-й стадии β, G и Θ уменьшаются вследствие аннигилляции дислокаций, выдавливаемых из их плоскостей скольжения. Значение этой стадии больше для М. с объёмноцентрированной решёткой.

Степень «привязанности» дислокации к плоскости скольжения определяется шириной дислокации в этой плоскости, которая, в свою очередь, зависит от энергии γ дефекта упаковки (величина γ/Gd в М. с гранецентрированной решёткой изменяется от 10^-2 для Al, имеющего узкие дислокации, до 10^-4 для сплавов Cu с широкими дислокациями). Процесс разрядки дислокационной плотности ускоряется при повышении температуры и может привести к релаксации и значительному восстановлению свойств кристаллов. Чем выше температура и меньше скорость деформирования, тем больше успевают развиться процессы релаксации и тем меньше деформационное упрочнение.

При Т > 0,5 Т_пл в пластической деформации начинают играть существенную роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, которые, оседая на дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением: М. течёт с постоянной скоростью при неизменной нагрузке (Ползучесть). Протекание процессов релаксации напряжений и постоянная разрядка дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность М. при их горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из М. разнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов М. нередко приводит к образованию Поликристаллов с малой плотностью дислокаций внутри зёрен (рекристаллизация).

Достижимые степени деформации М. ограничены процессом разрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению здесь очагов разрушения — трещин. В реальных кристаллах такие концентрации напряжений имеются и в исходном недеформированном состоянии (скопление примесей, частицы др. фаз и т.п.). Но вследствие пластичности М. деформация вблизи опасных мест снимает напряжения и предотвращает разрушение. Однако, если сопротивление движению дислокаций растет, то релаксационная способность материала падает, что под нагрузкой приводит к развитию трещин (хрупкое разрушение). Это особенно проявляется в М. с объёмноцентрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резко уменьшается при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями и уменьшения числа кристаллографич. возможных плоскостей скольжения). Предотвращение хладноломкости (См. Хладноломкость) — одна из важнейших технических проблем разработки конструкционных металлических материалов. Др. актуальная проблема — увеличение прочности и сопротивления деформации при высоких температурах. Зародышами разрушения в этих условиях служат микропоры, образующиеся в результате скопления вакансий. Эффективный способ повышения высокотемпературной прочности — уменьшение диффузионной подвижности точечных дефектов, в частности Легированием.

Применяемые в технике конструкционные металлические материалы являются поликристаллическими. Их механические свойства практически изотропны и могут существенно отличаться от свойств монокристаллов М. Межфазные границы вносят дополнительный вклад в упрочнение. С др. стороны, они могут быть местами предпочтительного разрушения (межзёренное разрушение) или деформации. Изменяя число и строение межфазных границ, форму и пространственное расположение отдельных структурных составляющих многофазных систем (поликристаллов, гетерофазных агрегатов, возникающих вследствие фазовых превращений, или искусственно полученных композиций), а также регулируя состав и дефектную структуру отдельных кристаллов, можно получить огромное разнообразие механических свойств, необходимых для практического использования металлических материалов.

А. Л. Ройтбурд.

Лит.: Френкель Я. И., Введение в теорию металлов, 2 изд., М. — Л., 1950; Бете Г., Зоммерфельд А., Электронная теория металлов, пер. с нем., М. — Л., 1938; Лифшиц И. М., Азбель М. Я., Каганов М. И., Электронная теория металлов, М., 1971; Абрикосов А. А., Введение в теорию нормальных металлов, М., 1972; Слэтер Дж., Диэлектрики, полупроводники, металлы, пер. с англ., М., 1969; Шульце Г., Металлофизика, пер. с нем., М., 1971.

Металлы в технике. Благодаря таким свойствам, как прочность, твёрдость, пластичность, коррозионная стойкость, жаропрочность, высокая электрическая проводимость и многое др., М. играют громадную роль в современной технике, причём число М., находящих применение, постоянно растет. Характерно, что до начала 20 в. многие важнейшие М. — Al, V, W, Mo, Ti, U, Zr и др. — либо не производились вообще, либо выпускались в очень ограниченных масштабах; такие М., как Be, Nb, Ta, начали сравнительно широко использоваться лишь накануне 2-й мировой войны 1939—45. В 70-х гг. 20 в. в промышленности применяются практически все М., встречающиеся в природе.

Все М. и образованные из них сплавы делят на чёрные (к ним относят железо и сплавы на его основе; на их долю приходится около 95% производимой в мире металлопродукции) и цветные, или, точнее, нежелезные (все остальные М. и сплавы). Большое число нежелезных М. и широкий диапазон их свойств не позволяют классифицировать их по какому-либо единому признаку. В технике принята условная классификация, по которой эти М. разделены на несколько групп по различным признакам (физическим и химическим свойствам, характеру залегания в земной коре), специфичным для той или иной группы: Лёгкие металлы (например, Al, Mg), тяжёлые М. (Cu, Pb и др.), Тугоплавкие металлы (W, Mo и др.), Благородные металлы (Au, Pt и др.), рассеянные металлы (Ga, In, TI), редкоземельные М. (Sc, Y, La и Лантаноиды, см. Редкоземельные элементы), радиоактивные металлы (Ra, U и др.). М., которые производят и используют в ограниченных масштабах, называются редкими металлами (См. Редкие металлы). К ним относят все рассеянные, редкоземельные и радиоактивные М., большую часть тугоплавких и некоторые лёгкие М.

Большая способность М. к образованию многочисленных соединений разного типа, к различным фазовым превращениям создаёт благоприятные условия для получения разнообразных сплавов (См. Сплавы), характеризующихся требуемым сочетанием полезных свойств. Число используемых в технике сплавов превысило уже 10 тыс. Значение сплавов как конструкционных материалов (См. Конструкционные материалы), электротехнических материалов, материалов с особыми физическими свойствами (см. Прецизионные сплавы) непрерывно возрастает. В то же время в связи с развитием полупроводниковой и ядерной техники расширяется производство ряда особо чистых металлов (См. Чистые металлы) (чистотой например, 99,9999% и выше).

Применение того или иного М. (или сплава) в значительной мере определяется практической ценностью его свойств; однако существенное значение имеют и др. обстоятельства, в первую очередь природные запасы М., доступность и рентабельность его добычи. Из наиболее ценных и важных для современной техники М. лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: Al (8,8%), Fe (4,65%) Mg (2,1%), Ti (0,63%). Природные ресурсы ряда весьма важных М. измеряются сотыми долями процента (например, Cu, Mn, Cr, V, Zr) и даже тысячными долями (например, Zn, Sn, Pb, Ni, Co, Nb). Некоторые ценные М. присутствуют в земной коре в ещё меньших количествах. Так, содержание урана — важнейшего источника ядерной энергии — оценивается в 0,0003%, вольфрама, являющегося основой твёрдых сплавов, — 0,0001% и т.д. Особенно бедна природа благородными и т. н. редкими М.

Многообразие М. предопределяет большое число способов их получения и обработки (см. Металлургия). Взаимосвязь состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения в результате теплового, химического или механического воздействия изучает Металловедение. О свойствах, способах получения, масштабах производства и применении отдельных М. см. в статьях, посвященных соответствующим химическим элементам и сплавам на их основе (например, Алюминий, Алюминиевые сплавы, Бериллий, Бериллиевые сплавы и т.д.).

О применении М. и их сплавов в искусстве см. в статьях Бронза, Железо, Золото, Медь, Олово, Серебро, Сталь, Чугун, Гравирование, Гравюра, Зернь, Ковка, Насечка, Тиснение, Филигрань, Чеканка, Ювелирное искусство.

И. И. Новиков.

Периодическая система Д. И. Менделеева. Свойства металлов.

Большой энциклопедический словарь

МЕТАЛЛЫ (греч.) - вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (106-107 Ом-1 см-1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, "металлическим" блеском и др. свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решетке большого количества (1022-1023 в 1 см³

) слабо связанных с атомными ядрами подвижных электронов. Металлы можно представить в виде ионного кристаллического остова, погруженного в электронный газ, который, компенсируя электростатическое отталкивание ионов, связывает их в твердое тело (металлическая связь). Металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество сплавов. Химические свойства металлов обусловлены слабой связью валентных электронов с ядрами атомов: они легко образуют положительные ионы, проявляют положительную степень окисления, образуют основные оксиды и гидрооксиды, большинство металлов замещает водород в кислотах и т. д. Металлы принято делить на черные (Fe и сплавы на его основе) и цветные (все остальные). Металлы играют огромную роль главным образом как конструкционные и электротехнические материалы.

Современная энциклопедия

МЕТАЛЛЫ, простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами - высокой электропроводностью (106-104 Ом-1?см-1), уменьшающейся с ростом температуры, высокой теплопроводностью, блеском, пластичностью, ковкостью и др. Свойства металлов обусловлены наличием в их кристаллической решетке "электронного газа" - большого количества подвижных, слабо связанных с атомным ядром электронов. В периодической системе из 109 элементов 85 - металлы. В технике железо и его сплавы относят к черным металлам, остальные - к цветным, металлы с плотностью менее 5000 кг/м3 называются легкими, прочие - тяжелыми. В свободном виде в природе встречаются только благородные металлы. Металлы используются главным образом как конструкционные и электротехнические материалы.

Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

Словарь символов

Металлы ассоциируются: золото с Солнцем, серебро - с Луной, свинец - с Сатурном, олово - с Юпитером, железо - с Марсом, ртуть - с Меркурием, медь или латунь - с Венерой. Металлы неблагородные олицетворяют чувственный мир человека невозрожденного, а золото символизирует достижение просветления и духовности. В алхимии неблагородным металлом считается свинец, над которым следует работать, чтобы получить наилучший металл - золото, просветление. Металлы - это как бы зародыши в земном чреве.

Физическая энциклопедия

МЕТАЛЛЫ

(от греч. metallon, первоначально — шахта, руда, копи), простые в-ва, обладающие в обычных условиях характерными св-вами: высокими электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэфф. электропроводности, способностью хорошо отражать эл.-магн. волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в тв. состоянии имеют крист. строение. В парообразном состоянии М. одноатомны. Перечисленные св-ва М. обусловлены их электронным строением. В твёрдых и жидких М. не все эл-ны связаны со своими атомами: значит. часть эл-нов может перемещаться; энергия этих эл-нов (электронов проводимости) соответствует зоне проводимости М. (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). М. можно представить в виде остова из положит. ионов, погружённого в «электронный газ». Последний компенсирует силы взаимного электростатич. отталкивания положит. ионов и тем самым связывает их в твёрдое тело (металлич. связь).

Из известных (1980) 106 хим. элементов 83—М. Если в периодич. системе элементов провести прямую от В до At (см. табл.), то М. будут расположены слева от неё. Совокупность перечисленных св-в присуща типичным М. (напр., Cu, Au, Ag, Fe) при обычных условиях (атм. давлении, комнатной темп-ре). При очень высоких давлениях (=105—106 атм или 1010—1011 Па) св-ва М. могут значительно измениться, а неметаллы приобрести металлич. св-ва. Металлич. блеск присущ только компактным металлич. образцам и металлич. плёнкам, мелкодисперсные порошки М. часто имеют чёрный или серый цвет. Многие элементы по одним св-вам можно отнести к М., по другим — к неметаллам.

Особенно много таких «нарушений» имеется вблизи границы, обозначенной в таблице. Напр., Ge — М. по внеш. виду и хим. св-вам, а по величине и хар-ру электропроводности — полупроводник; существуют также полуметаллы. Металлич. сплавы по св-вам имеют много общего с М., поэтому их нередко относят к М.

Большинство М. кристаллизуется в кубических объёмно-центрированной (ОЦК) и гранецентрированной (ГЦК) решётках и гексагональной (ГПУ) решётке. Это соответствует наиб. плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число М. имеет более сложные типы крист. решёток. Многие М. в зависимости от темп-ры и давления могут существовать в виде неск. крист. модификаций (см. ПОЛИМОРФИЗМ).

Электрические свойства.

Уд. электропроводность М. при комнатной темп-ре =10-8'—10-6 Ом-1
• м-1. Характерное св-во М. как проводников — линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрич. поля (закон Ома). Носителями тока в М. явл. эл-ны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантовомеханич. представлениям, в идеальном кристалле эл-ны проводимости (при отсутствии тепловых колебаний крист. решётки) не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных М. электрич. сопротивления — результат нарушения периодичности крист. решётки. Эти нарушения (дефекты) связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. статич. дефектов в кристаллах. На колебаниях и дефектах происходит рассеяние эл-нов. Мерой рассеяния служит длина свободного пробега l -— ср. расстояние между двумя последовательными столкновениями эл-нов с дефектами. Величина уд. электропроводности а связана с l соотношением:

где n — концентрация эл-нов проводимости (=1022 — 1023 см-3), е— заряд эл-на, рF=2pћ(3n/8p)1/3— граничный фермиевский импульс (см. ФЕРМИ ПОВЕРХНОСТЬ). Зависимость s или уд. электросопротивления r=s-1 от темп-ры Т связана с зависимостью l от Т. При комнатных темп-рах l=10-6 см. При темп-pax, значительно превышающих Дебая температуру, сопротивление r обусловлено гл. обр. тепловыми колебаниями атомов и возрастает с темп-рой линейно:

r =rост(1+aT). (2)

Постоянная a, наз. температурным коэфф. сопротивления, имеет при темп-ре T=0°C типичное значение: a=4
• 10-3 К-1. При более низких темп-pax, когда влиянием тепловых колебаний на рассеяние эл-нов можно пренебречь, сопротивление практически перестаёт зависеть от темп-ры. Это предельное значение сопротивления наз. остаточным. Величина rост характеризует концентрацию дефектов в решётке М. Удаётся получить столь чистые (с в е р х ч и с т ы е) и свободные от дефектов М., что у них rост в 104—105 раз меньше уд. сопротивления при комнатной темп-ре. В сверхчистых М. l достигает 10-2 см. При низких темп-pax (T<-qD, qD— дебаевская темп-pa) r определяется ф-лой:

r=rост +AT2 + BT5, (3)

где А и В — величины, не зависящие от Т. Член ВТ5 связан с рассеянием эл-нов на тепловых колебаниях атомов, а член АТ2— со столкновениями эл-нов друг с другом. Ф-ла (3) явл. приближённой.

У нек-рых М. и металлидов при определ. темп-ре, наз. критической, наблюдается полное исчезновение сопротивления — переход в сверхпроводящее состояние (см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). Критич. темп-ры чистых М. лежат в интервале от неск. сотых долей К до 9 К, у металлидов — выше, напр. у Nb3Ge критич. темп-ра 23,2 К.

Если металлич. образец, по к-рому течёт ток, поместить в пост. магн. поле, то в М. возникают явления, обусловленные искривлением траекторий эл-нов в магн. поле в промежутках между столкновениями (гальваномагнитные явления). Среди них важное место занимают Холла эффект и магпиторезистиеный эффект. В магн. полях =104—105 Э и более при низких темп-pax у всех металлич. монокристаллов наблюдается осциллирующая зависимость электросопротивления от магн. поля (Шубникова — де Хааза эффект).

При нагревании М. до высоких темп-р (напр., тугоплавких М. до =2000—2500°С) наблюдается «испарение» эл-нов с поверхности М. (термоэлектронная эмиссия). Эмиссия эл-нов с поверхности М. происходит также под действием сильных электрич. полей E=107 В/см в результате туннельного просачивания эл-нов через сниженный полем потенц. барьер (см. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ). Наблюдаются также явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад темп-ры вызывает в М. появление электрич. тока или термоэдс (см. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ).

Тепловые свойства.

Теплоёмкость М. обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость Ср), так и электронным газом (электронная теплоёмкость Сэ). Хотя концентрация эл-нов проводимости в М. очень велика и не зависит от темп-ры, электронная теплоёмкость наблюдается у большинства М. только при низких темп-pax, порядка неск. К (т. к. электронный газ в М. вырожден, темп-pa вырождения =104—105 К). Величину Сэ измеряют, пользуясь тем, что при уменьшении темп-ры Ср убывает пропорц. Т3, а Сэ — пропорц. Т. Для Cu (одного моля) Cэ=0,9
• 10-4 RT, для Pd Сэ=1,6
• 10-3RT, где R — газовая постоянная. Эл-ны проводимости, обеспечивающие электропроводность, участвуют и в теплопроводности М. Между уд. электропроводностью и электронной частью теплопроводности существует простое соотношение, наз. Видемана — Франца законом.

Взаимодействие металлов с электромагнитными полями.

Перем. электрич. ток при достаточно высокой частоте течёт по поверхности М., не проникая в его толщу (см. СКИН-ЭФФЕКТ). Эл.-магн. поле частоты w проникает в М. лишь на глубину скин-слоя толщиной 8. Напр., для Cu при w=108 Гц d=6
• 10-4 см. В таком слое поглощается часть эл.-магн. энергии. Другая часть переизлучается эл-нами и отражается (см. МЕТАЛЛООПТИКА) (см.). В чистых М. при низких темп-рах обычно l>d. При этом напряжённость поля существенно изменяется на длине свободного пробега, что проявляется в хар-ре отражения эл.-магн. волн от поверхности М. (а н о м а л ь н ы й с к и н - э ф ф е к т).

Сильное пост. магн. поле Н существенно влияет на радиочастотные св-ва М. Если на М., помещённый в сильное пост. магн. поле Н, падает эл.-магн. волна, частота к-рой кратна частоте прецессии эл-нов проводимости вокруг силовых линий поля Н, наблюдаются резонансные явления (см. ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС). При определ. условиях в толще М., находящемся в пост. магн. поле, могут распространяться слабо затухающие эл.-магн. волны, т. е. скин-эффект исчезает. Электродинамнч. св-ва М., помещённого в магн. поле, сходны, со св-вами плазмы в магн. поле и явл. источником информации об эл-нах проводимости.

Для эл.-магн. волн оптич. диапазона М., как правило, практически непрозрачны. Тонкая структура линий характернстич. рентг. спектров, соответствующая квант. переходам эл-нов из зоны проводимости на более глубокие уровни, отражает распределение эл-нов проводимости по уровням энергии.

Магнитные свойства.

Все переходные металлы с недостроенными f- и d-электронными оболочками явл. парамагнетиками. Нек-рые из них при определ. темп-pax переходят в магнитоупорядоченное состояние (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ, АНГПИФЕРРОМАГНЕТИЗМ, КЮРИ ТОЧКА). Магн. упорядочение существенно влияет на все другие св-ва М., в частности на электрич. св-ва: в электрич. сопротивление вносит вклад рассеяние эл-нов на колебаниях упорядоченной системы магн. моментов эл-нов (см. СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ).

Гальваномагн. явления при этом также приобретают специфич. черты.

Магн. св-ва всех остальных М. определяют эл-ны проводимости, дающие вклад как в диамагнитную, так и в парамагнитную восприимчивости М., и ионы, к-рые, как правило, диамагнитны (см. ДИАМАГНЕТИЗМ). Магн. восприимчивость c для большинства М. сравнительно мала (c=10-6) и слабо зависит от темп-ры. При низких темп-pax и в сильных магн. полях у всех металлич. монокристаллов наблюдается сложная осциллирующая зависимость суммарного магн. момента от поля Н (см. ДЕ ХААЗА — ВАН АЛЬФЕНА ЭФФЕКТ). Эффекты де Хааза — ван Альфена и Шубникова — де Хааза имеют общую природу.

Механические свойства.

Многие М. и сплавы обладают комплексом механич. св-в, обеспечивающим их широкое применение в технике в кач-ве конструкц. материалов. Это в первую очередь сочетание высоких пластичности и вязкости со значительными прочностью, твёрдостью и упругостью, причём соотношение этих св-в может регулироваться в большом диапазоне с помощью механич. и термич. обработки М., а в сплавах — изменением (иногда незначительным) концентрации компонентов. Некоторые металлы (Zn, Sb, Bi) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании.

Исходной хар-кой механич. св-в М. явл. модуль упругости G, определяющий сопротивление крист. решётки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину сил связи в кристалле. Сопротивление разрушению или пластич. деформации идеального кристалла велико (=10-1 G). Но в реальных кристаллах эти хар-ки, как и все механич. св-ва, определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокацией. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к скольжению — осн. механизму пластич. деформации М. (см. ПЛАСТИЧНОСТЬ). Важнейшая особенность М.— малое сопротивление перемещению дислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало в кристаллах с чисто металлич. связью, к-рые обычно имеют плотно-упакованные структуры (ГЦК или ГПУ). Увеличение сопротивления пластич. деформации (по крайней мере, в этих кристаллах) связано со вз-ствием движущихся дислокаций с др. дефектами в кристаллах (с др. дислокациями, примесными атомами, внутр. поверхностями раздела). Вз-ствие дефектов определяется искажениями решётки вблизи них и пропорц. G. В результате большой плотности дислокаций и др. дефектов прочность М. возрастает.

В процессе деформации число дислокаций в крист. решётке увеличивается, соотв. растёт сопротивление пластич. деформации (д е ф о р м а ц и о н н о е у п р о ч н е н и е или н а к л ё п). По мере роста плотности дислокаций при пластич. деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению очагов разрушения — трещин. Концентрации напряжений имеются и без деформации в местах скопления примесей, ч-ц др. фаз и т. п. Но, вследствие пластичности М., деформация вблизи скоплений предотвращает разрушение. Однако если сопротивление движению дислокации растёт, то это приводит к хрупкому разрушению.

Научно-технический энциклопедический словарь

МЕТАЛЛЫ, химические элементы, обладающие высокой тепло- и электропроводностью, атомы которых связаны в кристаллические решетки единственным в своем роде способом. Смеси таких элементов (СПЛАВЫ) также являются металлами. Около трех четвертей всех химических элементов являются металлами. Большинство из них являются твердыми блестящими веществами, образующими оксиды (вступая в соединения с кислородом). Многие металлы под действием влажного воздуха подвергаются коррозии. РТУТЬ - единственный металл, принимающий при комнатной температуре жидкую форму. НАТРИЙ и КАЛИЙ являются примерами мягких и химически активных металлов: на воздухе они быстро покрываются оксидной пленкой и чаще встречаются в виде солей. Самым легким металлом является литий, который также очень активен. А самым тяжелым является осмий, который имеет плотность в 22,6 раза большую, чем плотность воды, и относится к платиновой группе, включающей относительно инертные металлы (РУТЕНИЙ, РОДИЙ, ПАЛЛАДИЙ И ИРИДИЙ). Ковкость и пластичность также являются свойствами металлов. Золото - самый ковкий из всех металлов; из него можно сделать такие тонкие изделия, что они будут почти прозрачными. У некоторых металлов очень высокая температура плавления, поэтому они имеют различные высокотемпературные применения. Так, ВОЛЬФРАМ, металл с самой высокой температурой плавления (3410 °С ), применяется в качестве нитей накаливания ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛАМПОЧЕК. АЛЮМИНИЙ и ЖЕЛЕЗО являются двумя наиболее распространенными и полезными металлами. ТИТАН, хотя его редко можно увидеть в виде металла, более распространен, чем МЕДЬ, ЦИНК или СВИНЕЦ. А УРАН и ПЛУТОНИЙ представляют большое практическое значение благодаря своей радиоактивности. см. также ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ;ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ;МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ;ПЕРЕХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ;ПЛАТИНА.

Химическая энциклопедия

(от греч. metallon-первоначально, шахта, копи), в-ва, обладающие в обычных условиях характерными, металлическими, свойствами-высокими электрич. проводимостью и теплопроводностью, отрицат. температурным коэф. электрич. проводимости, способностью хорошо отражать световые волны (блеск), пластичностью. К М. относятся как собственно М. (простые в-ва), так и их сплавы, металлические соединения, в т. ч. интерметаллиды. Иногда М. наз. все в-ва, обладающие теми или иными металлич. св-вами, напр. т. наз. "синтетические" М. (см. Интеркалаты), металлы органические.

Ранее характерными признаками М. считались блеск, пластичность и ковкость - "светлое тело, которое ковать можно" (М. В. Ломоносов). Но металлич. блеском обладают и нек-рые неметаллы, напр. иод. Известны хрупкие М., хотя мн. из них в результате тщательной очистки получены в пластичном состоянии. В настоящее время важнейшим признаком М. признается отрицат. температурный коэф. электрич. проводимости, т. е. понижение электрич. проводимости с ростом т-ры. Из 109 элементов в периодич. системе 86 относят к М. Граница между М. и неметаллами в периодич. таблице (в ее длинном варианте) проводится по диагонали от В до At. О нек-рых элементах, напр. Ge, Sb, нет единого мнения, все же правильнее считать Ge неметаллом, т. к. он обладает полупроводниковыми св-вами, a Sb-металлом, хотя по физ. св-вам сурьма -полуметалл.

Олово существует как в металлической (b-Sn), в полупроводниковой (a-Sn) модификации. С др. стороны, у Ge, Si, P и нек-рых др. неметаллов при высоких давлениях обнаружены модификации с металлич. проводимостью. Можно предположить, что при достаточно высоких давлениях все в-ва могут приобретать металлич. св-ва. Поэтому вопрос об отнесении того или иного элемента к М. неметаллам следует, по-видимому, решать на основании рассмотрения не только физ. св-в простого в-ва, но и его хим. св-в. Иногда для элементов, лежащих на границе между М. и неметаллами, применяют термин "полуметаллы", хотя этот термин в химии теперь не рекомендуется.

В М. существует металлическая связь, характеризующаяся тем, что кристаллич. решетка образована положит. ионами, тогда как валентные электроны делокализованы по всему пространству решетки. М. можно представить в виде остова из положит. ионов, погруженного в "электронный газ", к-рый компенсирует силы взаимного отталкивания положит. ионов. Энергия этих делокализованных электронов-электронов проводимости - отвечает зоне проводимости. Согласно зонной теории, у М. отсутствует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости (см. Твердое тело).

В кристаллах М. атомы ионизированы лишь частично и часть валентных электронов остается связанной, в результате возможно появление частично ковалентных связей между соседними атомами. Прочность связи в кристаллич. структуре М. характеризуется энтальпией атомизации, к-рая меняется от 61,4 кДж/молъ у Hg до 850 кДж/моль у W. Макс. энтальпия атомизации характерна для М. рядов Nb-Ru и Hf-Ir. Относящиеся к ним М. отличаются макс. т-рами плавления и высокой мех. прочностью.

Классификация М. Все М. делятся на четыре группы (см. форзац): s-М. (все s-элементы, кроме Н и Не), р-М. (элементы гр. IIIа, кроме В, а также Sn, Рb, Sb, Bi, Ро), d-M.и f-М., к-рые объединяются под назв. "переходных" (см. Переходные элементы). М. первых двух групп иногда наз. "простыми". Из этих групп выделяются нек-рые более узкие группы: из s-М.- щелочные металлы и щелочноземельные элементы, из d-M.- платиновые металлы. Группа редкоземельных элементов включает как d-, так и f-М. (подгруппа Sc и лантаноиды).

Существует также, хотя и не общепринятая, техн. классификация М. В известной мере она перекликается с геохимическими классификациями элементов. Обычно выделяют след. группы: черные М. (Fe); т я ж е л ы е ц в е т н ы е М.-Сu, Pb, Zn, Ni и Sn (к этой группе примыкают т. наз. малые, или младшие, М.-Со, Sb, Bi, Hg, Cd, нек-рые из них иногда относят к редким М.); легкие М. (с плотностью менее 5 г/см ³ )-Аl, Mg, Ca и т. д.; драгоценные M.-Au, Ag и платиновые М.; легирующие (или ферросплавные) М.-Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и др.; редкие М. (см. Редкие элементы), разбиваемые в свою очередь на неск. групп; радиоактивные M.-U, Th, Pu и др.

Кристаллическая структура. Большинство М. кристаллизуется в одном из трех структурных типов (см. Металлические кристаллы), а именно-в кубич. и гексагoн. плот-нейших упаковках (см. Плотная упаковка )или в объем-ноцентрированной кубич. решетке. В плотнейших упаковках каждый атом на равных расстояниях имеет 12 ближайших соседей. В объемноцентрированной кубич. решетке у каждого атома 8 равноудаленных соседей, еще 6 соседей расположены на большем (на 15%) расстоянии. Поэтому ко-ординац. число в этой структуре считают равным 14 (8 + 6). Межатомные расстояния в кристаллич. структуре М. характеризуются металлич. радиусом (см. Атомные радиусы).

При обычных-условиях щелочные М., а также Ва, Ra, элементы подгрупп V и Сr кристаллизуются в объемно-центрированной кубич. решетке типа a-Fe. Плотнейшая кубич. упаковка (гранецентрированная кубич. решетка) типа Си характерна для Al, Ni, металлов подгруппы Сu, платиновых М. (кроме Ru и Os) и т. д. В гексагoн. плотнейшей упаковке типа Mg кристаллизуются Be, Са, Sr, Zn, Cd, Co, Ru, Os, элементы подгрупп Ti и Sc, мн. РЗЭ. Более сложными являются структуры разл. модификаций Мn, Ра, U, трансурановых элементов.

Мн. М. претерпевают при изменении т-ры или давления полиморфные превращения. М., к-рые при низких т-рах образуют плотнейшие упаковки, напр. Са, La, Zr, часто имеют высокотемпературные модификации с объемноцентрированной кубич. структурой.

При плавлении М. сохраняют свои электрич., тепловые и оптич. св-ва. Вблизи т-ры плавления в жидких М. наблюдается примерно такой же ближний порядок, как и в кристаллич. М. С повышением т-ры ближний порядок нарушается вплоть до полного разупорядочения.

Физические свойства. Физ. св-ва М. меняются в очень широких пределах. Так, т-ра плавления изменяется от - 38,87 °С (Hg) до 3380 °С (W), плотность - от 0,531 г/см ³ (Li) до 22,5 г/см ³ (Os). Уд. электрич. сопротивление р при 25 °С имеет значения от 1,63 (Ag) до 140 (Мn) мкОм ^. см. Сопротивление движению электронов (рассеяние электронов) возникает вследствие нарушения кристаллич. решетки из-за теплового движения атомов, а также дефектов (вакансий, дислокаций, примесных атомов). Мерой его является длина своб. пробега электрона. При комнатной т-ре она равна ~ 10^-6 см у М. обычной чистоты и ~ 10^-2 см у высокочистых. Температурный коэф. р (в интервале 0-100°С) меняется в пределах 1,0^.10^-3 (Hg)-9,0^.10^-3 К ^-1 (Be). При гелиевых т-рах (4,2 К) р практически не зависит от т-ры (r_ост). Его измерение используют для характеристики чистоты и совершенства кристаллов М. Чем больше отношение r₂₇₃/r_4,2, тем чище М. В монокристаллах высокой чистоты оно достигает 10⁴-10⁵. Нек-рые М. при низких т-рах становятся сверхпроводниками, при этом критич. т-ра у чистых М. от сотых долей до 9 К.

У М. наблюдается термоэлектронная эмиссия (способность испускать электроны при высокой т-ре). Эмиссия электронов возникает также под действием электромагн. излучения в видимой и УФ областях спектра (фотоэлектронная эмиссия), внеш. электрич. поля высокой напряженности (туннельная, или автоэлектронная, эмиссия), при бомбардировке пов-сти М. электронами (вторичная электронная эмиссия) или ионами (ионно-электронная эмиссия), при взаимод. пов-сти М. с плазмой (взрывная электронная эмиссия). Перепад т-ры вызывает в М. появление электрич. тока (термоэдс).

Теплопроводность М. обусловлена в осн. движением электронов, поэтому уд. коэф. теплопроводности () и электрич. проводимости (s) М. связаны между собой соотношением /(sХ Т) = L =2,45Х10 ^-8 ВтХОм/К ² (закон Видемана-Франца). Уд. коэф. теплопроводности М. имеет значения от 425 (для Ag) до 8,41 (для Bi) Вт/(м-К).

Температурный коэф. линейного расширения М. в интервале 0-100°С имеет значения от 4,57^.10^-6 (для Os) до 10^-4 K^-1 (для Sr). Согласно эмпирич. правилу Грюнайзена, относит. увеличение объема М. в интервале от О К до т-ры плавления приблизительно равно 0,06. Поэтому температурный коэф. объемного расширения у тугоплавких М. меньше, чем у легкоплавких.

У большинства М. магн. восприимчивость по абс. величине сравнительно мала (~ 10^-9) и слабо зависит от т-ры. Среди М. есть диамагнетики, напр. Bi (= Ч 1,34^.10^-9), и парамагнетики, причем все переходные М., кроме металлов I и II гр., парамагнитны. Нек-рые из них при т-рах точки Кюри переходят в магнитно-упорядоченное состояние. М. триады Fe, а также Gd и нек-рые др. лантаноиды - ферромагнетики, тогда как Сr, Мn, большинство лантаноидов-антиферромагнетики.

Излучения оптич. диапазона почти полностью отражаются пов-стью М., вследствие чего они непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском (порошки мн. М. матовые). Нек-рые М., например Аu в виде тонкой фольги, просвечивают. Отраженный от поверхности М. плоскополяризованный свет становится эллиптически поляризованным.

Для использования М. в качестве конструкц. материалов важнейшее значение имеет сочетание мех. св-в - пластичности и вязкости с значит. прочностью, твердостью и упругостью. Эти св-ва зависят не только от состава (чистоты металла), но и от совершенства кристаллич. решетки (наличия дефектов) и структуры, определяемых предварительной термич. и мех. обработкой образца.

Мех. св-ва реальных М. определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокаций, т. к. перемещение дислокаций по плоскостям кристаллич. решетки с наиб. плотной упаковкой является осн. механизмом пластич. деформации М. Взаимод. дислокаций с др. дефектами увеличивает сопротивление пластич. деформации. В процессе деформации число дислокаций растет, соотв. растет и сопротивление деформации (деформац. упрочнение, или наклеп). Напряженное состояние и наклеп после деформации ликвидируются при отжиге. Рост напряжений в местах "сгущения" дислокаций вызывает зарождение трещин - очагов разрушения. Важнейшая характеристика мех. св-в М.-модуль упругости Е(модуль Юнга). Предел текучести, т. е. сопротивление пластич. деформации, 10^-3-10^-4 Е.

Химические свойства. М. обладают низкими значениями первого потенциала ионизации и сродства к электрону. Вследствие этого в хим. р-циях они выступают как доноры электронов (восстановители), а в соед. и их р-рах образуют положительно заряженные ионы (в большинстве случаев аквакатионы). Электроотрицательности атомов М. ниже электроотрицательностей атомов неметаллов. М. могут входить в состав сложных анионов, напр. МnО ^-₄, или ацидокомплексов, напр. [Fe(CN)₆]^4-, однако в них атомы М. всегда являются центрами положит. заряда. Только для нек-рых М., находящихся на границе с неметаллами, таких, как Sn, Po, Sb и т. п., известны соед., напр. гидриды, в к-рых М. имеют формально отрицат. степень окисления. Но во всех этих соед. хим. связь ковалентная.

Способность М. к окислению меняется в очень широких пределах. Большинство М. окисляется кислородом воздуха уже при обычной т-ре, однако скорость и механизм р-ции очень сильно зависят от природы М. В большинстве случаев при этом образуются оксиды, а у щелочных М., кроме Li,-пepоксиды. Устойчивость М. на воздухе определяется св-вами образующегося оксида, в частности отношением молярных объемов V_окс/V_M.. Если V_окс/V_М. > 1, на М. образуется защитная пленка, предохраняющая М. от дальнейшего окисления. Такая пленка характерна, напр., для Al, Ti, Сr, к-рые устойчивы на воздухе, хотя и обладают высокой активностью. М., для к-рых это отношение меньше 1 (напр., щелочные), на воздухе неустойчивы.

СN₂ реагирует ряд М., напр. Li при обычной т-ре, a Mg, Zr, Hf, Ti-при нагревании. Мн. М. активно взаимод. с Н ₂, галогенами, халькогенами. Все М., чьи стандартные электродные потенциалы отрицательнее, чем Ч0,413 В, окисляются водой с выделением Н ₂. Щелочные и щел.-зем. М. реагируют с водой при обычных т-рах, а такие М., как Zn или Fe, реагируют с водяным паром при высоких т-рах. С р-рами щелочей взаимод. М., образующие р-римые анионные гидроксокомплексы (Be, Zn, Al, Ga, Sn).

Большинство М. окисляется теми или иными к-тами. М., имеющие отрицат. стандартные электродные потенциалы, т. е. стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, окисляются ионами Н ⁺ и растворяются поэтому при действии неокисляющих к-т (соляная или разб. H₂SO₄), если не образуются нер-римые продукты. Р-ции способствует образование анионных комплексов. Азотная к-та, даже разбавленная, окисляет мн. М. При этом, если ионы М. устойчивы в низших степенях окисления, образуются ка-тионные комплексы, если в высших, как в случае, напр., Re,-анионные (ReO^-₄ ). Нек-рые М. реагируют с разб. HNO₃ и H₂SO₄ с образованием катионных комплексов и пас-сивируются в конц. р-рах этих к-т. Для растворения малоактивных М., напр. Аu или Pt, используют смеси, содержащие окислитель и поставщик лигандов для образования р-римых комплексов, таких, как, напр., царская водка или смесь HNO₃ с HF.

О взаимод, М. со средой, ведущем к разрушению М., см. в ст. Коррозия металлов.

Важная характеристика металлич. элементов-их способность образовывать основные оксиды и соотв. гидроксиды. У М. главных подгрупп периодич. системы основность оксидов и гидроксидов растет сверху вниз, в побочных подгруппах (кроме I - III) - обратная зависимость. По периодам и рядам с ростом порядкового номера элемента основность убывает. У М., имеющих неск. степеней окисления, как d- и f-М., с ростом степени окисления основность оксидов уменьшается и высшие оксиды имеют кислотный характер.

Получение М. Извлечение М. из прир. сырья и др. источников - область металлургии. Можно отметить двоякий характер технологии М. Технология железа, тяжелых цветных М., а также малых М. и большинства рассеянных элементов (халькофильных элементов) имеет "металлур-гич." характер. Это означает, что конечный продукт получают без предварит. выделения к.-л. чистого соединения, что обусловлено сравнит. легкостью восстановления до М. как пирометаллургич. (см. Пирометаллургия), так и гидроме-таллургич. (электролиз р-ров, цементация и т. п.; см. Гидрометаллургия )путем.

Иной характер имеет технология легких, а также редких М. (литофильных элементов). Это связано с трудностями их получения в своб. состоянии. Для этих М. технология разбивается четко на два этапа - получение чистого соед., напр. Аl₂ О ₃, и получение М. из этого соединения. Сами М. в произ-ве их соед. обычно не используют. Поэтому можно сказать, что технология этих М. имеет более "химический" характер.

Способность М. к взаимному растворению с образованием при кристаллизации твердых растворов и интерметал-лидов, разнообразным фазовым превращениям дает возможность получения большого числа сплавов, отличающихся разл. структурой и самыми разнообразными сочетаниями св-в. В совр. технике применяют св. 30 000 разл. сплавов - легкоплавких и тугоплавких, очень твердых и пластичных, с большой и малой электрич. проводимостью, ферромагнитных и др. В сплавах ныне используют практически все известные М. (кроме искусственно полученных трансплутониевых элементов). Мера использования в значит. степени определяется доступностью М.-содержанием в земной коре, а также степенью концентрирования в месторождениях и трудностью получения. Использование сплавов (бронзовый век) было одним из важнейших этапов становления человеческой цивилизации. И в настоящее время сплавы-важнейшие конструкционные материалы. В последние годы наблюдается тенденция нек-рого снижения роли железа и увеличение использования легких М. (Al, Mg) и наиб. доступных редких М. (Ti, Nb, Zr).

Лит.: Пирсон У., Кристаллохимия и физика металлов и сплавов, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1977; Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Физика металлов. Атомное строение металлов и сплавов, М., 1978; Бернштейн М. Л., Зай-мовский В. А., Механические свойства металлов, 2 изд., М., 1979; Лившиц Б. Г., Крапошин В. С., Липецкий Я. Л., Физические свойства металлов и сплавов, 2 изд., М., 1980; Баррет Ч. С., Массальский Т. Б., Структура металлов, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1984; Гуляев А. П., Металловедение, 6 изд., М., 1986; Зайцев Б. Е., Общие физические и химические свойства металлов, М., 1987; Пекшева Н. П., Химия металлов, Красноярск, 1987; Абрикосов А. А., Основы теории металлов, М., 1987; Бобылев А. В., Механические и технологические свойства металлов, 2 изд., М., 1987. П. И. Федоров.

Энциклопедический словарь

мета́ллы

вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (10⁶—10⁴ Ом^–1см^–1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском и другими свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решётке большого количества (10²²—10²³ в 1 см³) слабо связанных с атомными ядрами подвижных электронов. Металлы можно представить в виде ионного кристаллического остова, погружённого в электронный газ, который, компенсируя электростатическое отталкивание ионов, связывает их в твердое тело (металлическая связь). Металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество сплавов. Химические свойства металлов обусловлены слабой связью валентных электронов с ядрами атомов: они легко образуют положительные ионы, проявляют положительную степень окисления, образуют основные окислы и гидроксиды, большинство металлов замещает водород в кислотах и т. д. В технике металлы принято делить на чёрные (Fe и сплавы на его основе) и цветные (все остальные). Металлы играют огромную роль главным образом как конструкционные и электротехнические материалы.

* * *
МЕТАЛЛЫ

МЕТА́ЛЛЫ (греч.), вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (10⁶—10⁷ Ом^-1 см^-1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском и др. свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решетке большого количества (10²²—10²³ в 1 см³) слабо связанных с атомными ядрами подвижных электронов. Металлы можно представить в виде ионного кристаллического остова, погруженного в электронный газ, который, компенсируя электростатическое отталкивание ионов, связывает их в твердое тело (металлическая связь). Металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество сплавов. Химические свойства металлов обусловлены слабой связью валентных электронов с ядрами атомов: они легко образуют положительные ионы, проявляют положительную степень окисления, образуют основные оксиды и гидрооксиды, большинство металлов замещает водород в кислотах и т. д. Металлы принято делить на черные (Fe и сплавы на его основе) и цветные (все остальные). Металлы играют огромную роль главным образом как конструкционные и электротехнические материалы.

Геологическая энциклопедия

(или ЭЛЕМЕНТЫ) РАССЕЯННЫЕ — встречающиеся в ничтожных количествах в г. п. и рудах, образуя очень редко самостоятельные м-лы; обычно это изоморфные примеси в др. м-лах. К ним относят In, Ga, Ge и др., а также редкоземельные элементы. Термин неудачный, т. к. в рудных телах они иногда не рассеиваются, а концентрируются и поэтому лучше заменить его термином “элементы-спутники”.

Библия. Ветхий и Новый заветы. Синодальный перевод. Библейская энциклопедия арх. Никифора.

. В свящ. Писании нередко упоминаются из металлов: <<железо, <<медь, <<олово, <<свинец, цинк, <<серебро, <<золото. см. о каждом в своем месте.

Большой энциклопедический политехнический словарь

(нем. Metall; первоисточник: греч. metallon - шахта, руда, металл) - простые вещества, обладающие высокими теплопроводностью и электрич. проводимостью, ковкостью, блеском и др. характерными св-вами, к-рые обусловлены наличием в их кристаллич. решётке большого числа свободно перемещающихся электронов. Этими св-вами обладают примерно 80 хим. элементов и множество металлич. сплавов.

Все М. и сплавы делят на чёрные (к ним относят железо и сплавит аа его основе; на их долю приходится ок. 95% производимой в мире металлопродукции) и цветные, или, точнее, нежелезные (все остальные металлы и сплавы). По физ. и хим. св-вам и характеру залегания в земной коре нежелезные металлы можно подразделить на след. группы: лёгкие - алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий, калий, кальций, рубидий, цезий, стронций, барий; тяжёлые - медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк, кадмий, сурьма, висмут, ртуть; тугоплавкие - вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений, ванадий, хром, цирконий, гафний; благородные (драгоценные) - золото, серебро, платина и платиноиды (рутений, родий, палладий, осмий, иридий); рассеянные - галлии, индий, таллий; редкоземельные - скандии, иттрий, лантан и все лантаноиды, радиоактивные - технеций, франций, радий, полоний, актиний, торий, протактиний, уран и все трансурановые элементы. М., к-рые производят и используют в огранич. масштабах, наз. редкими. К ним относят все рассеянные и редкоземельные М., большую часть тугоплавких, радиоактивных и нек-рые лёгкие М. (бериллий, литий, рубидий, цезий). Приведённая классификация условна: многие М. могут быть отнесены к разным группам одновременно (напр., тугоплавкий М. рений - типичный рассеянный элемент, лёгкий М. титан считается также тугоплавким и т. д.). М. играют огромную роль в совр. технике. Обычно в пром-сти М. применяют не в чистом виде, а в виде сплавов (св. 10 тыс.). В связи с развитием ПП и ядерной техники постоянно расширяется произ-во и применение особо чистых металлов (чистотой, напр., 99,9999% и выше). См. также Металлургия, Металловедение, Сплавы.

Большая политехническая энциклопедия

МЕТАЛЛЫ — хим. элементы, доля которых в периодической системе элементов Менделеева составляет примерно ⁴/5; образует в свободном состоянии простые вещества (см.) с металлической хим. связью. В природе М. встречаются в виде руд, реже — в самородном состоянии. В обычных условиях они обладают общими физ. свойствами: высокими электро- и теплопроводностью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (отличаются «металлическим блеском» и непрозрачностью), пластичностью (хорошая ковкость и способность прокатываться в листы и вытягиваться в проволоку). В парообразном состоянии М. одноатомны, при комнатной температуре — твёрдые тела (за исключением ртути). Свойства М. обусловлены наличием в их кристаллической решётке большого числа свободных электронов. Свойствами М. обладают и сплавы (см.) — вещества, полученные сплавлением или спеканием двух и более металлов с неметаллами млн. их хим. соединениями. В современной технике М. и сплавы (их свыше 10000) находят широкое применение и играют огромную роль. В металлургии (см.) М. делят на чёрные (к ним относят железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные металлы и сплавы). В промышленности цветные М. условно классифицируют на следующие группы: 1) лёгкие (с плотностью ниже 5000 кг/м³) — алюминий, магний, титан, натрий, калий, цезий, стронций, барий и др.); 2) тяжёлые (с плотностью более 8000 кг/м³) — медь, свинец, никель, кобальт, олово, цинк, ртуть и др.); 3) благородные (драгоценные) — золото, серебро, платина и платиноиды (рутений, родий, палладий, иридий и др.). Все они имеют высокую стоимость (валютные М.) и широко используются в ювелирном деле и ряде отраслей промышленности благодаря высокой хим. стойкости и др. характерным свойствам; 4) редкие — условное название ¹ /₄ части всех существующих на Земле М., которые встречаются в природе совместно, трудно разделимы и проявляют между собой значительное сходство хим. и некоторых физ. свойств, что объясняется почти одинаковым строением наружных электронных уровней их атомов. К редким М. относят скандий, иттрий и 15 элементов 57-й клетки Периодической системы элементов Менделеева (лантаноиды). Их используют в чёрной и цветной металлургии, стекольной, хим. и керамической промышленности, для изготовления твердотельных лазеров, в телевидении, электронике и др. Редкие М. делят на 5 групп: а) лёгкие — литий, бериллий, цезий, рубидий и др.; б) р а с с е я н н ы е — галлий, индий, таллий, германий и др.; в) редкоземельные — скандий, иттрий, лантан и все лантаноиды; г) тугоплавкие — титан, тантал, молибден, вольфрам, цирконий, ниобий, гафний и др.; д) радиоактивные — радий, полоний, торий, актиний, уран и все трансурановые элементы.

Dictionnaire technique russo-italien

м. мн. ч.

metalli m pl ( см. тж металл)

металлы переходной группы, переходные металлы — metalli di transizione [intermedi]

- благородные металлы
- драгоценные металлы

- земельные металлы

- лёгкие металлы

- неблагородные металлы

- радиоактивные металлы

- редкие металлы

- редкоземельные металлы

- сверхпроводящие металлы

- тяжёлые металлы

- цветные металлы

- чёрные металлы

- щёлочноземельные металлы

- щелочные металлы

Естествознание. Энциклопедический словарь

вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (10^б-10⁸См/м, уменьшается с ростом темп-ры) и теплопроводностью, ковкостью, "металлич." блеском и др. свойствами, обусловленными наличием в их кристаллич. решётке большого кол-ва (10²²-10²³ в 1 см³) слабо связанных с атомными ядрами подвижных электронов. М. можно представить в виде ионного кристаллич. остова, погружённого в электронный газ, к-рый, компенсируя эл.-статич. отталкивание ионов, связывает их в тв. тело (металлич. связь). Металлич. свойствами обладают более 80 хим. элементов и множество сплавов. Хим. свойства М. обусловлены слабой связью валентных электронов с ядрами атомов: они легко образуют положит. ионы, проявляют положит. степень окисления, образуют основные окислы и гидроксиды, большинство М. замещает водород в кислотах и т.д. В технике М. принято делить на чёрные (Fe и сплавы на его основе) и цветные (все остальные). М. играют огромную роль гл. обр. как конструкц. и эл.-техн. материалы.