§ 5. Метали та їхні властивості

Як часто ми, маючи на увазі метали, говоримо такі слова, як алюміній, залізо, мідь та інші? Насправді в назві «метал» поєднано багато різних видів металів і сплавів. Що ж тоді таке метал?

Метал (від грецького μέταλλον, що перекладається як «шахта, кар’єр, метал») — це матеріал, який у свіжоприготовленому, відполірованому або розламаному вигляді блищить і відносно добре проводить електрику та тепло (мал. 5.1).

Мал. 5.1. Металеві труби

Сучасне життя стало б неможливим без використання металів. Стільки різних і необхідних у нашому житті виробів виготовляють саме з металів! Розгляньте на с. 27 схему 1 «Метали» і згадайте, які вироби, виготовлені з металу, ви знаєте.

Схема 1. Метали

Виготовлення цих виробів стало можливим завдяки властивостям, що мають метали. Вони досить тверді, пружні, міцні. А ще в нагрітому стані вони стають в’язкими та пластичними. Тобто як за звичайних умов, так і при нагріванні можуть деформуватися без руйнування. Тому більшість металів можна кувати, витягати в дріт, прокатувати, карбувати тощо.

Варто зазначити, що золото — найпластичніший із-поміж металів. Із нього навіть виробляють тонку фольгу.

Цікаві факти

Золото в чистому вигляді без домішок таке м’яке, що його можна подряпати нігтем. Тому в ювелірних виробах золото завжди сплавляють із міддю або сріблом.

Проба, виражена тризначним числом, демонструє вагу чистого золота в грамах, що є в кілограмі сплаву. Найвища проба метричної системи — 999. Вона означає, що кілограм сплаву містить 999 г чистого золота і тільки 1 г домішок. Метрична система ділить золото на 999, 958, 750, 585, 583 і 375 пробу.

А ще метали — гарні провідники електричного струму. Тому й електричні шнури та дроти виготовляють переважно з металів (мал. 5.2).

Мал. 5.2. Електричні шнури й дроти виготовляють переважно з металів та сплавів

Висока теплопровідність металів може бути як перевагою, так і недоліком, залежно від того, де використовують метал. Ви самі можете пояснити це на прикладі кухонної каструлі, корпус та ручки якої виготовлені з металу.

Звідки береться метал?

Чи відомо вам, що більшість металів отримують із руд, які видобувають із землі? Потім із них виготовляють метали.

З історії ви вже знаєте, що в давні часи людство не знало про метали й використовувало інші матеріали. Відкриття металів уплинуло на життя суспільства, тим самим поділивши його розвиток на «доісторичну» (кам’яна доба) та «історичну» епохи. Видобуток руд забезпечив людство принципово новими матеріалами. Виявилось, що вони мають властивості, яких немає в інших матеріалах. Це дозволило не лише ефективно вдосконалювати наявні знаряддя, але й створювати їхні численні нові типи, що відкрило можливості для технічного прогресу.

Сьогодні людству відомо багато різних металів. У техніці найбільшого застосування набули залізо, алюміній, мідь, свинець, цинк, олово, нікель. Вони ще мають назву «технічні метали».

Цікаві факти

Найтвердішим металом на Землі є хром. Цей блакитно-білий метал був відкритий 1766 року.

Найбільш м’якими металами є алюміній, срібло та мідь. Завдяки своїй м’якості вони знайшли широке застосування в різних галузях, таких, як електроапаратобудування.

Золото, яке протягом століть було найдорогоціннішим металом, має ще одну цікаву властивість: це найбільш пластичний метал на Землі, що має до того ж чудову тягучість і ковкість. Окрім того, золото не окислюється за нормальної температури (для цього його треба нагріти до 100 °С), має високу теплопровідність. Напевно, усі ці фізичні характеристики роблять справжнє золото таким цінним.

Ртуть — унікальний метал. Адже він єдиний із металів, що має рідку форму. До того ж у природних умовах ртуті у твердому вигляді не існує, оскільки її температура плавлення -38 °С, тобто у твердому стані вона може існувати в місцях, де просто-таки дуже холодно. А за кімнатної температури 18 °С ртуть починає випаровуватися. Варто зазначити, що ртуть — дуже отруйна речовина, до якої в жодному разі не можна торкатися.

Вольфрам цікавий тим, що це найбільш тугоплавкий метал у світі. Щоб він почав плавитися, потрібна температура 3420 °С. Саме із цієї причини в електричних лампочках нитки розжарювання, що приймають основний тепловий удар, виготовлені з вольфраму.

У сучасній промисловості для виготовлення техніки та інших виробів стали популярними сплави металів, які відіграють велику роль, оскільки зазвичай вони мають вищі й кращі функціональні (механічні, електричні та ін.) і технологічні властивості, ніж їхні складові — чисті метали. Найбільш популярними сплавами вважають сталь і чавун (сплави заліза з вуглецем), бронзу (сплав міді з оловом) та дюралюміній (сплав алюмінію та інших металів). Одні й ті ж самі елементи можуть утворювати різні за властивостями сплави. Ви звернули увагу на те, що сталь і чавун складаються з однакових компонентів — заліза й вуглецю. Чому ж тоді вони та їхні властивості різні? Усе просто! Чавун містить більше, ніж сталь, вуглецю, а сталь має вищі, ніж чавун, механічні властивості.

Металевими сплавами називають речовини, які складаються з двох і більше компонентів, а одним із них обов’язково повинен бути метал. Аби отримати сплав, необхідно нагріти метал до рідкого стану.

Як із руди, яку добули з надр землі, отримують метал? Добування металів із руд — завдання металургії. Від руди до металу — довгий шлях і багато різних технологічних операцій, про які ви дізнаєтеся на уроках хімії в старших класах.

Листовий метал, який ви всі бачили, виготовляють на металургійних заводах. Нагрітий злиток металу проходить через багато пар валків, які поступово стискають його й перетворюють на лист.

Випускають листовий метал різноманітного призначення. Це покрівельна сталь, жерсть тощо.

Розгляньмо асортимент виробів із металу.

Тонколистовий метал — це листовий метал, товщина якого менше ніж 2 мм.

Покрівельна сталь — це тонкі листи товщиною 0,5-0,8 мм. Існує чорна жерсть (без захисного покриття) і оцинкована покрівельна сталь (покрита шаром цинку). Покрівельну сталь використовують для виготовлення відер, дахів будинків (мал. 5.3), водостічних труб та ін.

Мал. 5.3. Покрівельна сталь

Жерсть — це холоднокатана сталь у вигляді тонкої стрічки або листів товщиною 0,2-0,5 мм. Особливо тонка жерсть має товщину 0,08-0,1 мм. Жерсть, поверхню якої покрито шаром олова, називається білою жерстю. З неї виготовляють бляшанки (мал. 5.4), коробки для харчових продуктів, дитячі іграшки тощо.

Мал. 5.4. Бляшанки для консервів

Фольга — тонкий листовий метал, товщина якого становить 0,02-0,1 мм. Її виготовляють із різних металів та сплавів. Використовують в електротехнічній промисловості, для пакування харчових продуктів (мал. 5.5) та в іншій побутовій діяльності. Вона легко обробляється, прокатується. Із неї виготовляють посуд, меблі тощо.

Мал. 5.5. Фольга для пакування харчових продуктів

Дріт отримують переважно з м’якої або твердої сталі, міді, алюмінію. Зауважимо, що дріт, виготовлений із твердої сталі, пружний та твердий, тому різати ножицями його не можна. Для роботи з таким дротом його спочатку нагрівають на вогні, а потім повільно охолоджують — відпускають.

Дріт із м’якої сталі менш пружний і легко гнеться. Такий дріт можна різати ножицями. Дріт, виготовлений з алюмінію або міді, широко застосовують у техніці. Він добре проводить струм, легко гнеться, але його краще не розтягувати. За товщиною є дроти, тонші за волосину, а є товсті, до 8 мм у діаметрі.

Із дроту роблять цвяхи, електричні дроти, струни (мал. 5.6), пружини, ланцюжки тощо.

Мал. 5.6. Гітарні струни часто виготовляють із дроту

Залежно від призначення виробу, обирають різні види тонколистового металу та дроту.

Ключові слова: жерсть, фольга, покрівельна сталь, дріт, тонколистовий метал.

Контрольні запитання

• 1. Що таке метал?
• 2. Назвіть види металів.
• 3. Чим відрізняється фольга від жерсті?
• 4. Який дріт не можна різати ножицями? Чому?
• 5. Які вироби виготовляють із дроту?
• 6. Погляньте навколо себе. Які металеві вироби ви бачите? Яке їхнє призначення?

Робота в парах / групах

Поміркуйте й поясніть, чому:

• а) у холодну погоду металеві ручки дверей на дотик здаються холоднішими за дерев’яні чи пластмасові;
• б) опалювальні радіатори виготовляють передовсім із міді, алюмінію та сталі (див. мал. поруч).

Опалювальні радіатори часто виготовляють із алюмінію

Метали: Список елементів

Більшість елементів є металами. До цієї групи входять лужні метали, лужноземельні метали, перехідні метали, основні метали, лантаноїди (рідкісноземельні елементи) і актиноїди. Незважаючи на те, що лантаноїди та актиноїди розділені в періодичній таблиці, вони насправді є специфічними типами перехідних металів.

Ось список усіх елементів періодичної таблиці, які є металами.

Лужні метали

Лужні метали знаходяться в групі IA в крайній лівій частині періодичної таблиці. Вони є високореакційноздатними елементами, які відрізняються ступенем окислення +1 і загалом низькою щільністю порівняно з іншими металами. Оскільки вони дуже реакційноздатні, ці елементи зустрічаються у вигляді сполук. Тільки водень зустрічається у природі у вільному вигляді як чистий елемент, і це двоатомний газоподібний водень.

• Водень у своєму металевому стані (зазвичай вважається неметалом).
• Літій
• натрію
• Калій
• Рубідій
• Цезій
• Францій

Лужноземельні метали

Лужноземельні метали знаходяться в групі IIA періодичної таблиці, яка є другим стовпцем елементів. Усі атоми лужноземельних металів мають ступінь окислення +2. Як і лужні метали, ці елементи зустрічаються у сполуках, а не в чистому вигляді. Лужноземельні метали реактивні , але менш активні, ніж лужні метали. Метали групи IIA тверді та блискучі, зазвичай ковкі та пластичні.

• берилій
• магній
• Кальцій
• Стронцій
• Барій
• Радій

Основні метали

Основні метали демонструють характеристики, які люди зазвичай асоціюють із терміном «метал». Вони проводять тепло та електрику, мають металевий блиск і, як правило, щільні, пластичні та пластичні. Однак деякі з цих елементів мають неметалічні характеристики. Наприклад, один алотроп олова поводиться більше як неметал. Хоча більшість металів тверді, свинець і галій є прикладами м’яких елементів. Ці елементи зазвичай мають нижчі температури плавлення та кипіння, ніж перехідні метали (за деякими винятками).

• Алюміній
• Галій
• Індій
• олово
• Талій
• Вести
• Вісмут
• Нігоній: ймовірно, основний метал
• Флеровій: ймовірно, основний метал
• Московій: ймовірно, основний метал
• Ліверморій: ймовірно, основний метал
• Теннесін: в групі галогенів, але може поводитися більше як металоїд або метал

Перехідні метали

Перехідні метали характеризуються частково заповненими d або f електронними підоболонками. Оскільки оболонка заповнена не повністю, ці елементи демонструють кілька ступенів окислення та часто утворюють кольорові комплекси. Деякі перехідні метали зустрічаються в чистому або самородному вигляді, включаючи золото, мідь і срібло. Лантаноїди та актиноїди зустрічаються в природі лише у вигляді сполук.

• скандій
• Титан
• Ванадій
• Хром
• Марганець
• Залізо
• Кобальт
• Нікель
• Мідь
• Цинк
• Ітрій
• Цирконій
• Ніобій
• Молібден
• Технецій
• Рутеній
• Родій
• Паладій
• Срібло
• Кадмій
• лантан
• Гафній
• тантал
• Вольфрам
• Реній
• Осмій
• Іридій
• Платина
• золото
• Меркурій
• Актиній
• Резерфордіум
• Дубній
• Сіборгіум
• Борій
• Хасій
• Мейтнерій
• Дармштадтіум
• Рентгеній
• Коперніцій
• церій
• Празеодим
• Неодимовий
• Прометій
• Самарій
• європій
• Гадоліній
• Тербій
• Диспрозій
• Гольмій
• Ербій
• Тулій
• Ітербій
• Лютецій
• Торій
• Протактиній
• Уран
• Нептуній
• Плутоній
• америцій
• Курій
• Берклій
• Каліфорнія
• Ейнштейній
• Фермій
• Менделевій
• Нобеліум
• Лаврентій

Детальніше про метали

Загалом, метали розташовані в лівій частині таблиці Менделєєва, зменшуючи металевий характер , рухаючись вгору та вправо.

Залежно від умов елементи, що належать до групи металоїдів, можуть поводитися як метали. Крім того, навіть неметали можуть бути металами. Наприклад, у певних ситуаціях ви можете знайти металевий кисень або металевий вуглець.

Які дорогоцінні метали містять радянські радіодеталі?

Радіо – перший технічний пристрій, який складається з великої кількості електронних компонентів, що називаються радіодеталями. Їх також можна знайти у старих моделях комп’ютерів, телевізорів, магнітофонів, калькуляторів, касових апаратів, вимірювальних приладів і дискових телефонах.

У радянські часи робили все дуже якісно. Тому цінність радіодеталей полягає в їхньому функціоналі. Вони значно набагато надійніші за сучасні вироби. Єдиним способом підвищити надійність, довговічність та інші споживчі якості цих пристроїв у ті часи було застосування дорогоцінних металів. Ці елементи значно спрощували процеси паяння та прискорювали виготовлення. На покритті деталей тоді не заощаджували. Устаткування, яке б забезпечувало товщину напилення всього кілька мікрон, ще не було винайдено. Чим старіші радіодеталі, тим більше в них дорогоцінних металів, які можливо отримати для повторного використання у промислових потребах або у ювелірній справі. Тож, деякі власники радіотехніки радянських часів можуть навіть не підозрювати, що мають коштовний скарб. Продавши його, можна добре заробити.

В яких деталях містяться дорогоцінні метали?

Золото є однією з найтвердіших валют у світі. Ціна на нього стабільна й має тенденцію до зростання. У деяких радіодеталях вміст золота може досягати 5-10%. Найбільше золота отримують із деталей, вироблених до 1986 року. Зокрема, ЕОМ із маркуванням РМ та РЄ. У одній такій машині іноді знаходять до 10 кг жовтого металу.

Багато золота та срібла містять радянські радіодеталі, які використовували військові:

1. транзистори. Наскільки різноманітні самі радянські транзистори, настільки ж відрізняється їхній якісний і кількісний склад. Дуже популярна модель КТ-900 з металевою поверхнею із золотим напиленням, а також 904, 907 та 914;
2. конденсатори, особливо із зеленими та рудими корпусами з маркуванням Н30 та 5Д, КМ. У великих конденсаторах радянських часів є золото (до 8 г) та срібло (до 50 г). Трапляються також платина та паладій;
3. мікросхеми. Золото та подібні елементи найчастіше знаходять у мікросхемах радянського та імпортного виробництва у круглих, керамічних, планарних, DIP, корпусах 133 та 155 серії. Зміст дорогоцінних металів у мікросхемах може сягати 10%;
4. роз’єми та реле лише з жовтими контактами, зокрема реле РЭС-9, світлодіод АЛ307. Причому відсоток дорогоцінних металів в них не залежить від року випуску, але відрізняється у різних виробників. Посріблені вироби та їхні елементи не підходять, тому що частково покриті чорним окисом;
5. резистори. Золото та паладій у цих радіодеталях зустрічаються рідко, найчастіше можна знайти в них срібло. Особливо багаті на них потенціометри, вироблені за радянських часів;
6. перемикачі мають кільце контактів, зроблене з паладію, золота та їх сплавів.
7. радіо та генераторні лампи. У них знаходиться чимало паладію, платини, золота і особливо срібла.

Як отримати золото з радіодеталей

Витрати на вилучення золота набагато менші, ніж на промисловий золотовидобуток. Техніку слід максимально розібрати, відокремити скляні елементи ділянки без дорогоцінного напилення. Розчинником є суміш із соляної та сірчаної кислот у пропорції 3:1. Змішувати треба рідини певної густини. Деталь слід опустити в нагріту до 60-70 ºС суміш. Після цього слід додати в ємність невелику кількість азотної кислоти. Вийде розчин, відомий як “царська горілка”. Він розчиняє майже всі елементи, у тому числі золото та срібло. Мікросхему або інший елемент, що розтане у суміші, потім слід осадити відновником.

Зазвичай на 200-300 г поверхні, покритої золотом, потрібно півтора літра розчину.

Добувати дорогоцінні метали з радіодеталей самостійно – клопітно і небезпечно для життя. Це вимагає застосування шкідливих для здоров’я хімічних речовин, спеціальної лабораторної техніки та певних знань хімії. Краще здати їх спеціалістам, які мають необхідне обладнання.