Մետաղ

testwiki-ից
Jump to navigation Jump to search
Գալիումի բյուրեղ

Մետաղ (Կաղապար:Lang-lat բառից, նշանակում է «հանքահոր»), առանձնահատուկ մետաղների հատկությունների տարրերի մի խումբ, որոնք ունեն բարձր էլեկտրաջերմահաղորդականություն, դիմադրության դրական ջերմաստիճանային գործակից։ Այսօր բացահայտված է միայն 98 մետաղատեսակ։

Բնության մեջ

Մետաղների մեծ մասը հանդիպում է բնության մեջ միացությունների և հանքաքարերի ձևով։ Նրանք կազմում են օքսիդներ, սուլֆիդներ, կարբոնատներ և այլ քիմիական միացություններ։ Մաքուր մետաղների ստացման և հետագա օգտագործման համար անհրաժեշտ է դրանք զատել հանքաքարից և զտել։ Անհրաժեշտության դեպքում կատարվում է մետաղների լեգիրացում և/կամ այլ մշակում։ Դրա ուսումնասիրությամբ զբաղվում է մետալուրգիա կոչվող գիտությունը։ Այն տարբերում է սև (երկաթի հիմքով) և գունավոր (դրանց բաղադրության մեջ չի մտնում երկաթը, շուրջ 70 տարր) մետաղների համաձուլվածքները։ Ոսկին, արծաթը և պլատինը դասվում են թանկարժեք (ազնիվ) մետաղների շարքին։ Բացի այդ, փոքր քանակությամբ մետաղներ առկա են նաև ծովի ջրում, բույսերում, կենդանի օրգանիզմներում, որոնք կարևոր նշանակություն ունեն օրգանական աշխարհի ձևավորման և գոյատևման գործընթացներում։

Հայտնի է, որ մարդու օրգանիզմի 3%-ը կազմված է մետաղներից[1]։ Մեր բջիջներում ամենաշատը առկա են կալցիումը (ոսկորներում) և նատրիումը, որը միջբջջային հեղուկում և ցիտոպլազմայում էլեկտրոլիտի դեր է կատարում։ Մագնեզիումը կուտակվում է մկանային հյուսվածքներում և նյարդային բջիջներում, պղինձը՝ լյարդում, երկաթը՝ արյան կարմիր գնդիկների մեջ (կարմիր գույնը պայմանավորված է հենց երկաթի առկայությամբ)։

Արդյունահանում

Մետաղի հանքաքար

Մետաղները հաճախ հողից ստացվում են հանքային արդյունաբերության միջոցով, արդյունքը՝ ստացված հանքաքարերը, ծառայում են որպես անհրաժեշտ տարրերի համեմատաբար հարուստ աղբյուր։ Հանքաքարերի գտնվելու վայրը պարզելու համար օգտագործվում են հատուկ հետազոտական մեթոդներ, որոնց մեջ է մտնում հանքաքարերի հանքատեղերի հետախուզությունը։ Հանքատեղերը, որպես կանոն, բաժանվում են քարահանքերի (հանքաքարերի մշակումը մակերևույթին), որտեղ հանույթը կատարվում է բնահողի դուրսբերումով, որն ուղեկցվում է ծանր տեխնիկայով, ինչպես նաև՝ ստորգետնյա հանքահորերի։

Մետաղները դուրս են բերվում արդյունահանանված հանքաքարերից, որպես կանոն, քիմիական կամ էլեկտրոլիտիկ վերականգնման միջոցով։ Հրամետաղագործության մեջ հրաքարից մետաղի հումքի փոխակերպման համար կիրառվում է բարձր ջերմաստիճանը, հիդրոմետաղագործության մեջ նույն նպատակներով օգտածործվում է ջրային քիմիան։ Կիրառված մեթոդը կախված է մետաղի տեսակից և աղտոտվածության տիպից։

Երբ մետաղի հանքաքարը հանդիսանում է մետաղի և ոչ մետաղի իոնական միացություն, մաքուր մետաղի դուրսբերման համար այդ սովորաբար ենթարկվում է հալեցման՝ տաքացում, որն ուղեկցվում է վերականգնմամբ։ Շատ տարածված մետաղներ, ինչպիսին է օրինակ երկաթը, հալեցվում են, կիրառելով ածխածին, որպես վերականգնող։ Մի շարք մետաղներ, ինչպիսիք են ալյումինն ու նատրիումը, չունեն ոչ մի տնտեսապես արդարացված վերականգնող և արդյունահանվում են էլեկտրոլիզի միջոցով[2][3]։

Սուլֆիդային հանքաքարերը չեն բարելավվում մինչև մաքուր մետաղի ստացումը, բայց այրվում են օդում՝ օքսիդի վերածման նպատակով։

Մետաղների հատկություններ

Մետաղների բնորոշ հատկություններ

Մետաղների ֆիզիկական հատկություններ

Բարիում
Ալյումին

Բոլոր մետաղները (բացի սնդիկից և պայմանականորեն ֆրանսիումից) սովորական պայմաններում գտնվում են պինդ ագրեգատային վիճակում, սակայն ունեն տարբեր կարծրություն։ Ստորև ներկայացված են մի շարք մետաղների կարծրությունները՝ ըստ Մոոսի շարքի.

Մաքուր մետաղների հալման ջերմաստիճանը տատանվում է -39оС-ից (սնդիկ) 3410о С միջակայքում (Վոլֆրամ)։ Մետաղների մեծամասնության հալման ջերմաստիճանը (ալկալիական մետաղներից բացի) բարձր է, սակայն որոշ «նորմալ» մետաղները, ինչպիսիք են օրինակ անագն, գալիումը ու կապարը, կարելի է հալեցնել հասարակ էլեկտրական կամ գազային վառարանի վրա։

Կախված խտությունից՝ մետաղները լինում են թեթև (խտությունը 0,53 ÷ 5 գ/սմ3) և ծանր (5 ÷ 22,5 գ/սմ³)։ Ամենաթեթև մետաղն է լիթիումը ( խտությունը 0.53 գ/սմ³)։ Ամենածանր մետաղը ներկա պահին անվանել հնարավոր չէ, քանի որ ամենածանր մետաղների՝ օսմիումի և իրիդիումի, խտությունները գրեթե հավասար են (մոտ 22.6 գ/սմ³ - ճիշտ 2 անգամ ավելի, քան կապարի խտությունն է), իսկ դրանց ստույգ խտության հաշվումը չափազանց դժվար է՝ դրա համար անհրաժեշտ է լրիվ մաքրել մետաղը, քանի որ յուրաքանչյուր խառնուրդ ցածրացնում է դրանց խտությունը։

Մետաղների մեծամասնությունը պլաստիկ է, այսինքն մետաղյա լարը կարելի է թեքել, և այն չի կոտրվի։ Սա տեղի է ունենում մետաղների ատոմների շերտերի՝ առանց նրանց միջև կապի խախտման տեղաշարժերի պատճառով։ Ամենապլաստիկ մետաղներն են ոսկին, երկաթն ու պղինձը։ Ոսկուց կարելի է պատրաստել 0.003 մմ հաստությամբ թիթեղ, որը կիրառվում է իրեղենի ոսկեպատման համար։ Սակայն ոչ բոլոր մետաղներն են պլաստիկ։ Ցինկի և անագի լարը ճռթճռթում է՝ այն թեքելիս, մանգանն ու բիսմութը, դեֆորմացիայի ենթարկվելիս, գրեթե ընդհանրապես չեն թեքվում, այլ միանգամից կոտրվում են։

Պլաստիկությունը կախված է նաև մետաղի մաքրությունից. այդպես՝ շատ մաքուր քրոմը բավականին պլաստիկ է, սակայն դրանում չնչին խառնուրդի դեպքում, այն դառնում է փխրուն և ավելի կարծր։ Որոշ մետաղներ, ինչպիսիք են ոսկին, արծաթը, կապարը, ալյումինը, օսմիումը, կարող են միաձուլվել իրար հետ, սակայն դա կխլի տասնյակ տարիներ։

Բոլոր մետաղները էլեկտրական հոսանքի լավ հաղորդիչներ են, սա պայմանավորված է դրանց բյուրեղային ցանցում առկա շարժուն էլեկտրոններով, որոնք շարժվում են էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ։ Արծաթը, պղինձն ու ալյումինը ունեն ամենաբարձր էլեկտրահաղորդականությունը, որի պատճառով վերջին երկուսը հաճախակի օգտագործվում են հաղորդալարերի պատրաստման համար։ Բարձր էլեկտրահաղորդականություն ունի նաև նատրիումը։ Փորձարարական տեխնիկայում հայտնի են նատրիումային էլեկտրահաղորդալարերի՝ նատրիումով լցված չժանգոտվող պողպատից խողովակների, կիրառման փորձեր։ Նատրիումի ցածր տեսակարար զանգվածի շնորհիվ, հավասարաչափ դիմադրության դեպքում նատրիումային լարերը ստացվում են պղնձյա և նույնիսկ ալյումինե լարերից զգալիորեն թեթև։

Մետաղների բարձր ջերմահաղորդականությունը նույնպես կախված է ազատ էլեկտրոնների շարժունակությունից։ Այդ պատճառով ջերմահաղորդականության շարքը նման է էլեկտրահաղորդականության շարքին, ուստի ջերմության, ինչպես նաև էլեկտրական հոսանքի ամենալավ հաղորդիչը հանդիսանում է արծաթը։ Նատրիումը նույնպես կիրառվում է, որպես ջերմության լավ հաղորդիչ։ Լայն տարածված է նատրիումի օգտագործումը օրինակ ավտոմոբիլային շարժիչների կափույրների սառեցման և բարելավման համար։

Մետաղների մեծամասնության գույնը գրեթե նունն է՝ բաց մոխրագույն՝ երկնագույն երանգով։ Ոսկին, պղինձն ու ցեզիումը համապատասխանաբար դեղին, կարմիր և բաց դեղին գույնի են։

Մետաղների աղյուսակ ըստ կարծրության

Ստորև աղյուսակի տեսքով ներկայացվում է որոշ մետաղների կարծրությունը ըստ Մոսսի սանդղակի[4]։

Կարծրություն Մետաղ
0.2 Ցեզիում
0.3 Ռուբիդիում
0.4 Կալիում
0.5 Նատրիում
0.6 Լիթիում
1.2 Ինդիում
1.2 Թալիում
1.25 Բարիում
1.5 Ստրոնցիում
1.5 Գալիում
1.5 Անագ
1.5 Կապար
1.5 Սնդիկ
1.75 Կալցիում
2.0 Կադմիում
2.25 Բիսմութ
2.5 Մագնեզիում
2.5 Ցինկ
2.5 Լանթան
2.5 Արծաթ
2.5 Ոսկի
2.59 Իտրիում
2.75 Ալյումին
3.0 Պղինձ
3.0 Ծարիր
3.0 Թորիում
3.17 Սկանդիում
3.5 Պլատին
3.75 Կոբալտ
3.75 Պալադիում
3.75 Ցիրկոնիում
4.0 Երկաթ
4.0 Նիկել
4.0 Հաֆնիում
4.0 Մանգան
4.5 Վանադիում
4.5 Մոլիբդեն
4.5 Ռոդիում
4.5 Տիտան
4.75 Նիոբիում
5.0 Իրիդիում
5.0 Ռութենիում
5.0 Տանտալ
5.0 Տեխնեցիում
5.0 Քրոմ
5.5 Բերիլիում
5.5 Օսմիում
5.5 Ռենիում
6.0 Վոլֆրամ
6.0 Ուրան

Մետաղների քիմիական հատկություններ

Լիթիումի քլորիդ

Մետաղների մեծամասնության արտաքին էներգիական մակարդակում առկա է էլեկտրոնների փոքր քանակ (1-3), այդ պատճառով նրանք ռեակցիաների մեծ մասում հանդես են գալիս որպես վերականգնողներ (այսինքն «տալիս են» իրենց էլեկտրոնները)։

Պարզ նյութերի հետ փոխազդեցությունը

4Li+O2=2Li2O լիթիումի օքսիդ
2Na+O2=Na2O2 նատրիումի պերօքսիդ
K+O2=KO2 կալիումի գերրօքսիդ
Պերօքսիդից օքսիդ ստանալու համար պերօքսիդը վերականգնվում է մետաղի միջոցով.
Na2O2+2Na=2Na2O
Միջին և ցածր ակտիվության մետաղների հետ ռեակցիան անցնում է տաքացման միջոցով.
3Fe+2O2=Fe3O4
2Hg+O2=2HgO
2Cu+O2=2CuO

  • Ազոտի հետ փոխազդում են միայն ամենաակտիվ մետաղները, սենյակային ջերմաստիճանում փոխազդում է միայն լիթիումը՝ կազմելով նիտրիդներ։

6Li+N2=2Li3N
Տաքացման ժամանակ՝
2Al+N2=2AlN
3Ca+N2=Ca3N2

  • Ծծմբի հետ փոխազդում են բոլոր մետաղները՝ բացի ոսկուց ու պլատինից.

Երկաթը փոխազդում է ծծմբի հետ տաքացման դեպքում, կազմելով սուլֆիդ։
Fe+S=FeS

  • Ջրածնի հետ փոխազդում են միայն ամենաակտիվ մետաղները, այսինքն IA և IIA խմերի տարրերը, բացառությամբ բերիլիումի։ Ռեակցիաները իրականացվում են տաքացման դեպքում՝ կազմելով հիդրիդներ։ Ռեակցիաներում մետաղը հանդիսանում է վերականգնող, ջրածնի օքսիդացման աստիճանը -1 է։

2Na+H2=2NaH
Mg+H2=MgH2

2Na+2C=Na2C2
Na2C2+2H2O=2NaOH+C2H2

Կառուցվածք

Ըստ Մենդելեևի Պարբերական աղյուսակի քիմիական տարրերը բաժանվում են.

Մետաղները կազմում են այդ տարրերի 76.2%-ը։

Պարզ մետաղ կոչվում է հիմնականում մետաղական մեկ տարրից բաղկացած նյութը։ Մետաղները ոչ մետաղներից և կիսահաղորդիչներից տարբերող բնորոշ հատկանիշներն են՝ ջերմաստիճանի իջեցմանը համեմատ աճող բարձր էլեկտրահաղորդականությունը, պլաստիկությունը, լույս անդրադարձնելու ունակությունը(մետաղական փայլ), և բարձր ջերմահաղորդականությունը։ Այս հատկությունները պայմանավորված են մետաղական տարրերի ատոմների կառուցվածքի առանձնահատկությամբ։
Ցանկացած մետաղական տարրի ատոմ կազմված է դրական լիցքավորված միջուկից (պրոտոններից և նեյտրոններից) և նրա շուրջը արագ պտտվող բացասական լիցքավորված էլեկտրոններից։ Պրոտոնի և էլեկտրոնի լիցքերը մեծությամբ հավասար են, նշաններով հակադիր, իսկ ատոմում նրանց թիվը հավասար։ Ատոմի արտաքին թաղանթում կարող են գտնվել 1-8 վալենտային էլեկտրոններ։

Մետաղական տարրերի ատոմները ունեն նվազագույն թվով վալենտային էլեկտրոններ՝ առավելապես 1 և 2, հազվադեպ՝ 3։ Թույլ վալենտային էլեկտրոնները պոկվում են ատոմից՝ մետաղի հեղուկ կամ պինդ վիճակում, և նորից միանում նրանցից որևէ մեկին։ Որքան մեծ է ազատ էլեկտրոնների կոնցենտրացիան, այնքան խիստ են արտահայտված տարրի մետաղական հատկությունները։ Ազատ էլեկտրոնների այդ ամբողջությունը կոչում են էլեկտրոնային գազ։ Մետաղների դրական լիցքավորված իոնների և բացասական լիցքավորված էլեկտրոնային գազի միջև էլեկտրական ձգման ուժերը ամուր կապ են ստեղծում մետաղի ատոմների միջև, որը կոչվում է մետաղական կապ։

Մետաղների ատոմային կառուցվածքը յուրահատուկ է, այդ իսկ պատճառով նրանք օժտված են բազմաթիվ հատկություններով, և ամենալայն կիրառությունը ունեն մինչ այժմ, հիմա և հետագայում։ Այն կառուցվածքը, որը տեսանելի է անզեն աչքով կամ խոշորացույցի օգնությամբ (մինչև 25 անգամ մեծացնելիս), կոչվում է մակրոկառուցվածք։ Մակրոկառուցվածքը ուսումնասիրում են շինվածքից կամ նախապատրաստուկից կտրված հարթ նմուշների, ինչպես նաև շինվածքի կոտրվածքների վրա։ Մակրոկառուցվածքի հետազոտման ժամանակ կարելի է հայտնաբերել մետաղի հոծության խախտումները, խառնուկների բաշխումը, բյուրեղների ձևն ու դասավորությունը շինվածքի տարբեր մասերում։

Թթուների փոխազդեցությունը մետաղների հետ

Թթուների հետ մետաղները փոխազդում են տարբեր ձևերով։ Այն մետաղները, որոնք էլեկտրոքիմիական ակտիվության շարքում ընկած են ջրածնից առաջ, փոխազդում են գրեթե բոլոր թթուների հետ։

Չօքսիդացող թթուների փոխազդեցությունը էլեկտրաքիմիական շարքում մինչև ջրածինը ընկած մետաղների հետ

Կատարվում է տեղակալման ռեակցիա, որը նաև հանդիսանում է օքսիդա-վերականգնման ռեակցիա.

𝖬𝗀+𝟤𝖧𝖢𝗅=𝖬𝗀𝖢𝗅𝟤+𝖧𝟤
𝟤𝖠𝗅+𝟤𝖧𝟥𝖯𝖮𝟦=𝟤𝖠𝗅𝖯𝖮𝟦+𝟥𝖧𝟤

Ծծմբական թթվի՝ H2SO4 փոխազդեցությունը մետաղների հետ

Օքսիդացնող թթուները կարող են փոխազդել նաև էլեկտրաքիմիական շարքում ջրածնից հետո գտնվող մետաղների հետ.

𝖢𝗎+𝟤𝖧𝟤𝖲𝖮𝟦=𝖢𝗎𝖲𝖮𝟦+𝖲𝖮𝟤+𝟤𝖧𝟤𝖮

Շատ նոսրեցված թթուն փոխազդում է մետաղի հետ դասական դրույթներին համապատասխան.

𝖬𝗀+𝖧𝟤𝖲𝖮𝟦=𝖬𝗀𝖲𝖮𝟦+𝖧𝟤

Թթվի կոնցենտրացիայի մեծացման դեպքում կազմվում են տարբեր ելանյութեր.

𝖬𝗀+𝟤𝖧𝟤𝖲𝖮𝟦=𝖬𝗀𝖲𝖮𝟦+𝖲𝖮𝟤+𝟤𝖧𝟤𝖮
𝟥𝖬𝗀+𝟦𝖧𝟤𝖲𝖮𝟦=𝟥𝖬𝗀𝖲𝖮𝟦+𝖲+𝟦𝖧𝟤𝖮
𝟦𝖬𝗀+𝟧𝖧𝟤𝖲𝖮𝟦=𝟦𝖬𝗀𝖲𝖮𝟦+𝖧𝟤𝖲+𝟦𝖧𝟤𝖮

Ազոտական թթվի (HNO3) փոխազդեցություն

𝖢𝗎+𝟦𝖧𝖭𝖮𝟥(𝟨𝟢%)=𝖢𝗎(𝖭𝖮𝟥)𝟤+𝟤𝖭𝖮𝟤+𝟤𝖧𝟤𝖮
𝟥𝖢𝗎+𝟪𝖧𝖭𝖮𝟥(𝟥𝟢%)=𝟥𝖢𝗎(𝖭𝖮𝟥)𝟤+𝟤𝖭𝖮+𝟦𝖧𝟤𝖮

Ակտիվ մետաղների հետ փոխազդեցության դեպքում ռեակցիաների տարբերակները ավելի են շատանում.

𝖹𝗇+𝟦𝖧𝖭𝖮𝟥(𝟨𝟢%)=𝖹𝗇(𝖭𝖮𝟥)𝟤+𝟤𝖭𝖮𝟤+𝟤𝖧𝟤𝖮
𝟥𝖹𝗇+𝟪𝖧𝖭𝖮𝟥(𝟥𝟢%)=𝟥𝖹𝗇(𝖭𝖮𝟥)𝟤+𝟤𝖭𝖮+𝟦𝖧𝟤𝖮
𝟦𝖹𝗇+𝟣𝟢𝖧𝖭𝖮𝟥(𝟤𝟢%)=𝟦𝖹𝗇(𝖭𝖮𝟥)𝟤+𝖭𝟤𝖮+𝟧𝖧𝟤𝖮
𝟧𝖹𝗇+𝟣𝟤𝖧𝖭𝖮𝟥(𝟣𝟢%)=𝟧𝖹𝗇(𝖭𝖮𝟥)𝟤+𝖭𝟤+𝟨𝖧𝟤𝖮
𝟦𝖹𝗇+𝟣𝟢𝖧𝖭𝖮𝟥(𝟥%)=𝟦𝖹𝗇(𝖭𝖮𝟥)𝟤+𝖭𝖧𝟦𝖭𝖮𝟥+𝟥𝖧𝟤𝖮

Լեգիրում

Լեգիրումը հալույթի մեջ հավելյալ տարրերի ներմուծումն է, որոնք փոփոխում են հիմնական մետաղի մեխանիկական, ֆիզիկական ու քիմիական հատկությունները։

Տես նաև

Ծանոթագրություններ

Կաղապար:Ծանցանկ

Արտաքին հղումներ

Կաղապար:Արտաքին հղումներ

Կաղապար:Օրվա հոդված նախագծի մասնակից