Металлы

Металлы. Все элементы, или простые тела, разделяются на две больших группы: металлы и металлоиды. К первым принадлежат такие тела, как золото, серебро, железо, медь, цинк и т. п. Все они отличаются особым блеском, способностью проводить тепло, электричество и т. п. Металлоиды же (например, уголь, кислород, фосфор, сера и т. п.) не обладают этими свойствами. В прежнее время полагали, что металлы обладают сравнительно с металлоидами большим удельным весом, но с открытием таких легких металлов, как литий, натрий, калий и др., это различие пало, и наряду с тяжелыми металлами, появилась группа легких металлов. С другой стороны, элементы, обладающие металлическим блеском (например, сурьма и др.) на основании их химических свойств приходится относить к металлоидам. Таким образом, резкой границы между металлами и металлоидами провести нельзя, хотя в крайних пределах оба класса простых тел ясно различаются.

Кроме своей сравнительно значительной электропроводности, металлы отличаются тем, что при электролизе (см.) солей, простые (а не сложные) ионы металлов несут положительный заряд и направляются к катоду (катионы). В химическом отношении металлы характеризуются тем, что способны образовать друг с другом жидкие или «твердые» растворы, а также соединения, в которых ясно удерживается металлический характер (см. сплавы), при взаимодействии же с металлоидами происходит во многих случаях реакция с выделением тепла (иногда света, например, при соединении алюминия и др. металлов с хлором, бромом, йодом и др.), и образуются соединения, лишенные металлических свойств (см. соли, карбиды). Соединяясь с кислородом, металлы образуют окислы, обладающие (по крайней мере низшие степени окисления) характером оснований. Растворимые в воде окиси щелочных металлов (лития, натрия, калия и др.) и щелочноземельных (кальция, бария, стронция, магния) окрашивают лакмусовую бумажку в синий цвет.

Что касается до положения металлов в периодической системе элементов, то они занимают места по большей части в левой половине таблицы, и для элементов, принадлежащих к одной и той же группе, по мере возрастания атомного веса, металлический характер выступает более резко (см. периодическая система элементов).

Физические свойства металлов. Металлы  характеризуются особым блеском. Некоторые органические тела, как индиго, фуксин и др., равно как и совершенно бесцветные тела, например, пузырьки воздуха в воде, вполне отражающая призма и т. д., обладают таким же блеском. Причина этого явления заключается в сильном отражении света металлическими поверхностями, как показывает следующая таблица:

Металл	Длина волн в μμ (0,000001 мм).
	450	500	550	650	700
Серебро	90,6	91,8	92,5	93,6	94,6	% перпендикулярно отраженного  света
Платина	55,6	58,4	61,1	66,3	70,1
Золото	36,8	47,3	71,7	88,2	92,3
Медь	48,3	55,3	59,5	89,0	90,7

 

При взгляде на эту таблицу делается ясным, почему серебро бело, а золото - желто: первое отражает все лучи спектра почти в одинаковой степени, второе же, отбрасывая желтые лучи, поглощает зеленые и синие. Металлы, обладая сильной отражательной способностью, являются непрозрачными телами: слой в 1/100000 мм, толщиной не пропускает света, исключение составляет золото, которое в проходящем свете скрашивается в зеленый цвет. Электропроводность металлов находится в соотношении с их отражательной способностью: чем сильнее отражает свет металл, тем лучшим проводником он является. Этот параллелизм находится в  полном соответствии с одним из выводов К. Максуэлевской электромагнитной теории света.

Показатель преломления металлов  был определен сперва Кундтом, который, осадив электролитически металлы между стеклянными пластинками и трубками, построил призмы с углами от «” до 51”. В следующей таблице приведены показатели преломления, найденные Кундтом, в первых трех столбцах, и Друде, — в 4-ом столбце:

	Красный	Желтый	Синий	Красный
Серебро	-	0,27	-	0,181
Золото	0,38	0,58	1,00	0,366
Медь	0,45	0,56	0,95	0,641
Платина	-	1,73	1,52	2,06

 

Из таблицы видно: во-первых, платина (а также никель и кобальт) обладают анормальной дисперсией, т. е. лучи с более длинными волнами являются более преломляемыми, чем лучи с короткими волнами; во-вторых, в таких металлах, как серебро, золото, медь (и натрий), свет распространяется быстрее, чем в свободном эфире (ибо для них показатель преломления, т. е. отношение скорости света в эфире к таковой в металлах, меньше единицы).

Удельный вес металлов очень различен. Как показывает следующая таблица, он лежит между 0,59 и 22,5.

I группа

	Атомный вес (А)	Удельный вес (d)	Атомный объем (A/d)
Литий (Li)	7	0,59	12
Калий (Ka)	39	0,86	45
Натрий (Na)	23	0,98	24
Рубидий (Rb)	85,2	1,52	57
Кальций (Ca)	40	1,57	26
Магний (Mg)	24	1,74	14
Алюминий (Al)	27	2,60	10
Барий (Ba)	137	3,76	36

 

II группа

	Атомный вес (А)	Удельный вес (d)	Атомный объем (A/d)
Сурьма (Sb)	120	6,7	18
Цинк (Zn)	65	7,1	9
Олово (Sn)	«9	7,2	16
Железо (Fe)	56	7,8	7
Медь (Cu)	63	8,8	7
Серебро (Ag)	108	10,5	10
Свинец (Pb)	207	«,3	18
Ртуть (Hg)	200	13,6	15
Золото (Au)	197	19,6	10
Платина (Pt)	196	21,5	9
Осмий (Os)	193	22,5	8,5

 

металлы I группы, удельный вес которых менее 5, называются легкими, металл же II группы, с удельным весом выше 5, называются тяжелыми.

В третьем столбце таблицы находится атомный объем в твердом состоянии — частное от деления атомного веса (А) на удельный вес (d). Атомный объем металлов находится в периодической зависимости от их атомного веса (см. периодическая система элементов).

В тесной зависимости от удельного веса (а, следовательно, атомного объема) находятся другие физические свойства, между прочим, температура плавления: чем больше атомный объем, тем ниже температура плавления.

Температура плавления (°С):

Ртуть -40;

Калий – 62;

Натрий – 96;

Олово – 240;

Висмут – 268;

Кадмий – 322;

Свинец – 327;

Цинк – 420;

Сурьма – 347;

Алюминий – 687;

Магний – 663;

Серебро – 962;

Медь – 1084;

Золото – 1064;

Никель – 1451;

Платина – 1745;

Железо (чистое) – 1512;

Марганец – 1245;

Хром – 1515;

Иридий – 2282.

Температура кипения металлов лежит очень высоко, так, ртуть кипит при 357°, калий при 670°, натрий при 870° (а по другим исследованиям — при 954°), кадмий при 778°, цинк при 930°, висмут при 1420°, магний при «00°, свинец при 1525°С, олово при 2270°, медь при 2310°, серебро при 1955°.

Муассан, воспользовавшись своей электрической печью, произвел много интересных опытов перегонки металлов под обыкновенным давлением. Другие же исследователи перегоняли металлы под уменьшенным давлением и при более низких температурах. При давлении в 1/100000 атмосферы наблюдаются следующие температуры ясного уже испарения металлов: для кадмия 157°, для цинка 184°, для висмута 268°, свинца 335°, калия 90°, натрия 140°, серебра 680°, меди 960° и золота 1070°.

Удельный вес пара таких металлов, как ртуть, кадмий, натрий, цинк, по отношению к водороду, оказывается равным половине их атомного веса, откуда следует, что молекула их состоит из одного атома.

Характерными свойствами металлов является их ковкость, вязкость и тягучесть. По своей ковкости, или способности расплющиваться под ударами молота, металлы очень разнообразны; одни из них способны расплющиваться в очень тонкие листы, например, золото может быть получено в листах толщиной в 1/10000 миллиметра, другие, как висмут, дробятся под ударами молота. По своей ковкости металлы могут быть расположены в следующем порядке: 1) золото, 2) серебро, 3) алюминий, 4) медь, 5) олово, 6) платина, 7) свинец, 8) цинк, 9) железо. На ковкость металлов имеет большое влияние температура: например, цинк, охлажденный в жидком воздухе (до—180°С), может быть истолчен в порошок.

По своей тягучести, или способности вытягиваться в тонкие проволоки, металлы располагаются в следующем порядке: 1) золото, 2) серебро, 3) платина, 4) алюминий, 5) железо, 6) медь, 7) цинк, 8) олово, 9) свинец.

Вязкость, или способность металлов в виде проволоки противостоять разрыву, тоже очень различна. Мерой вязкости служит наименьший груз, под действием тяжести которого разрывается приготовленная из данного металлов проволока в 2 миллиметра в диаметре. Такая проволока из железа разрывается от тяжести 250 кг, медная выдерживает только 137, оловянная — 16, свинцовая — 5,5.

По теплопроводности металлы располагаются в следующем порядке, причем теплопроводность серебра принята равной 100.

Серебро 100

Медь 73,6

Золото 53,2

Цинк 19,0

Олово 14,5

Железо «,9

Свинец 8,5

Платина 8,4

Палладий 6,3

Висмут 1,8

Металлы  — хорошие проводники электричества. В следующей таблице электропроводность металлов характеризуется числом метров проволоки, имеющей один кв. мм в сечении и оказывающий при 15°С сопротивление, равное одному ому:

Серебро литое  62,89

Медь продажная 57,40

Золото литое 46,30

Алюминиевый провод 31,52

Цинк прокатанный 16,95

Латунь 14,17

Никель 7,59

Железо тянутое 7,55

Платина 57-8,4

Свинец 4,56

Ртуть 1,049

Сопротивление металлов увеличивается по мере возвышения температуры, тогда как для угля и растворов электролитов наблюдается обратное. Температурный коэффициент возрастания сопротивления близок к коэффициенту расширения для газов; при обыкновенной температуре он несколько больше, для металлов же железа и никеля наблюдаются значительные отклонения. При очень низких температурах, получаемых при помощи жидких: воздуха (до —184°), водорода (до —253°) и гелия (до —260°), как показали исследования, произведенные в лаборатории лейденского университета профессор Каммерлинг-Оннесом, сопротивление металлов сильно падает, и при температуре жидкого гелия приближается к нулю.

Электропроводность металлов (величина, обратная сопротивлению: если обозначим сопротивление через его электропроводность К = l/r) находится в соотношении с их теплопроводностью. Видеманом и Францом была указана следующая законность.

Отношение между теплопроводностью и электропроводностью для всех металлов одинаково. Исследования показали, что эта законность является не строго точной, и вышеуказанное отношение колеблется в некоторых пределах и находится в зависимости от температуры. Это соотношение между теплопроводностью и электропроводностью нашло себе хорошее объяснение в электронной теории проводимости металлов. Согласно этой теории (более подробно см. электрон), прохождение электрического тока через металлы обусловливается электронами (т. е. атомами отрицательного электричества), которые несутся в направлении противоположном току. В каждом куске металла находится большое число электронов, рассеянных по всему его объему и свободно двигающихся между атомами металла, подобно тому, как молекулы воздуха свободно перемещаются в скважинах пористого тела. Электроны сталкиваются с атомами металлов и друг с другом, и вследствие этих столкновений меняются их скорости и количества движения. В результате таких столкновений, подобно тому, как в газовой среде, устанавливается стационарное состояние, в котором средняя кинетическая энергия зависит только от абсолютной температуры. На основании этого выводится, что средняя скорость электрона в металле при 0°С  должна быть не менее 100 километров в 1 сек. Хотя электроны заряжены отрицательно, но ввиду того, что во всяком направлении двигается столько же электронов, сколько и в противоположном, течения электричества в металлах в общем не происходит. Но если концы металлической проволоки будут соединены с полюсами гальванического элемента, движение всех электронов направится к положительному полюсу, что и обнаружится в виде электрического тока в противоположном направлении.

Что касается до теплопроводности металлов, то она обусловливается также действием электронов: если одна часть металлов имеет более высокую температуру, чем другая, то средняя кинетическая энергия электронов в нагретой части больше, чем в холодной. Вследствие столкновений электронов с атомами металла, вызывающих изменения энергии, электроны будут переносить тепло от теплых частей металлов к холодным. Если принять, что вся теплопроводность имеет такое происхождение, то одни и те же величины послужат для выражения как  электропроводности, так теплопроводности, а именно, теплопроводность k = 1/3·(α·n·l·v), электропроводность же с = е²/(4αТ) · (n·l·v), откуда отношение k/c = 4/3 · (α/e)².Т, где е - электрический заряд одного атома водорода, n — число электронов в одном кубическом сантиметре, l — длина пути между двумя столкновениями, и v — средняя скорость электрона, α — известная константа (постоянная) энергии кинетической теории газов. В выражение отношения k/c не входят величины I и n, которые для разных металлов имеют различные значения; таким образом электронная теория приводит к заключению, что отношение теплопроводности к электропроводности для всех металлов есть величина постоянная при одной и той же температуре, и возрастающая пропорционально абсолютной температуре металлов. Согласно вычислениям Д. Д. Томсона, при 0°С k/c = 6,3·10¹⁰. Это число близко подходит к числам, найденным для многих металлов Егером и Диссельгорстом, как это видно из следующей таблицы (k/c при 18°С ·10¹⁰):

Медь обыкновенная 6,76

Медь чистая 6,71

Серебро чистое 6,86

Золото чистое 7,09

Алюминий 6,36

Олово чистое 7,35

Что касается до нахождения металлов в природе и способов выделения их в свободном состоянии из их руд, а также их химических свойств, то об этом см. при описании отдельных металлов. Укажем только, что такие металлы, как золото, платина, палладий, серебро, не изменяющиеся на воздухе, получили еще во времена алхимии название благородных.

И. Каблуков.