Материал: Курс общей химии. Спиридонов Б.А

между узлами решетки электронов. Смещение заполненных ионами плоскостей в металлическом кристалле не приводит к его разрушению, если только расстояния между плоскостями изменяются в пределах, допускающих осуществление металлической связи.

Для оценки механических, в частности упругопрочностных, свойств металлов используют методы измерений, которыми устанавливается связь между значениями напряжения и деформации. При этом используются следующие количественные характеристики такой связи: предел пропорциональности - напряжения, отвечающее началу отклонения от линейной пропорциональной зависимости между напряжением и деформацией; предел упругости - напряжение, отвечающее появлению остаточной деформации после нагружения образца металла; предел текучести - наименьшее напряжение, при котором продолжается деформация образца металла без заметного увеличения нагрузки; предел прочности - напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке и предшествующее разрушению образца металла; относительное удлинение - отношение приращения длины образца металла, остающегося после разрыва, к его начальной длине; относительное сужение - отношение наибольшего уменьшения площади поперечного сечения образца металла к начальной площади его поперечного сечения.

Твердость - это сопротивление проникновению в металл другого твердого тела. Она измеряется посредством вдавливания в образец специального стандартного тела (шарика, пирамидки). Твердость является ценным свойством металлов, используемых в качестве конструкционных и инструментальных материалов. Однако она не является характерным для металлов свойством, так как изменяется в очень широких пределах. Наиболее твердыми являются металлы группы хрома, наименее твердыми - щелочные металлы.

Ударная вязкость измеряется значением работы разруше-

313

ния единицы площади сечения образца металла методом удара. Тепловые свойства. Значения удельной теплоемкости элементарных металлов изменяются в широких пределах, поскольку в столь же широких пределах изменяются атомные массы металлических элементов (правило Дюлонга и Пти). Удельная теплоемкость лития составляет 3,55 Дж / (г·К), а урана - всего 0,115 Дж / (г·К). Однако если учесть, что только у пяти металлических элементов атомная масса меньше 30, то можно сказать, что подавляющее большинство металлов характеризуется малыми значениями удельной теплоемкости

[меньше 0,84 Дж / (г · К)].

Важной характеристикой металлов является теплота сублимации, выражаемая значением энергии, необходимой для перевода в парообразное состояние определенной массы металла. Это значение энергии является мерой прочности связи в кристаллической решетке твердого металла. В каждом периоде теплота сублимации металлов растет с увеличением атомного номера и достигает максимума в подгруппе хрома. Далее она снижается до минимума в подгруппе цинка. В А- подгруппах (и в подгруппе цинка) значения теплоты сублимации с увеличением атомного номера снижаются, а В- подгруппах растут аналогично изменениям температур плавления и кипения металлов.

Для металлов характерна большая теплопроводность Свободные электроны, находящиеся в постоянном движении, все время стаскиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Усилившиеся при нагревании колебания ионов незамедлительно передаются при посредстве электронов соседним ионам, причем происходит быстрое выравнивание температуры по всей массе металла.

314

11.2. Электропроводность металлов, полупроводников и диэлектриков

Элементарные металлы являются проводниками электричества первого рода. Способность металлов проводить электричество - их электрическая проводимость обусловлена наличием в них кристаллических решетках электронов, находящихся в состоянии проводимости. Энергетическое состояние электронов проводимости обусловлено расщеплением электронных уровней в зависимости от расстояния между центрами атомов в кристалле (рис. 73). Наличие электронов проводимости может быть доказано посредством исследования эффекта Холла. Электроны, двигающиеся в электрическом поле, меняют направление в зависимости от приложенного магнитного поля, создавая поперечную разность потенциалов; измерив последнюю, можно вычислить число электронов проводимости на один атом.

Рис. 73. Расщепление энергетических уровней атома в зоны при взаимодействии атомов в твердом теле

Взаимодействие электронов проводимости с ионами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки, обуславливает большую теплопроводность металла.

315

Электроны проводимости в металлическом кристалле обладают большой подвижностью, однако за фазовую границу металлического кристалла они не проникают. Для преодоления этой границы необходимо затратить энергию, называемую работой выхода электрона. Эта энергия может быть получена электронами в результате освещения или нагревания металла. При освещении поверхности металла от нее отрываются электроны; такое явление называют фотоэлектрическим эффектом. Очевидно, что отрыв электронов при фотоэлектрическом эффекте обусловлен энергией кванта света, падающего на поверхность металла.

На границе раздела двух различных металлов возникает контактная разность потенциалов. Ее возникновение обусловлено различной концентрацией электронов проводимости к различной работой выхода электронов у соприкасающихся металлов. Некоторые пары металлов обладают значительной контактной разностью потенциалов. Величина контактной разности потенциалов существенно зависит от температуры. В зависимости от поведения металлов в магнитном поле разли-

чают диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные ме-

таллы. Мерой магнитных свойств металлов, как и других веществ, служит магнитная восприимчивость, которая определяется восприимчивостью вещества к магнитным силовым линиям. Металлы с отрицательной восприимчивостью оказывают большее сопротивление магнитным силовым линиям, чем пустое пространство, и называются диамагнитными; металлы с положительной восприимчивостью хорошо проводят магнитные силовые линии и называются парамагнитными. Диамагнитные вещества, помещенные между полюсами сильного магнита, ориентируются перпендикулярно, а парамагнитные вещества - вдоль силовых линий. Металлы с особо высокой магнитной восприимчивостью (например, железо) называются ферромагнитными. Парамагнитные металлы втягиваются в магнитное поле, а диамагнитные выталкиваются из него. Диа-

316

магнитным является, например бериллий и металлы подгрупп цинка, галлия, германия. Парамагнитными являются - щелочные, щелочноземельные и металлы побочных подгрупп периодической системы; ферромагнитных металлов немного - это железо, кобальт, никель, гадолиний и диспрозий. Ферромагнитные свойства металлов сохраняются лишь до определенной критической температуры, называемой точкой Кюри, выше которой остаются лишь обычные парамагнитные свойства.

Непрозрачность металлов также обусловлена присутствием в кристаллической решетке (а также и в расплаве) свободных электронов. Подвижные электроны в металле гасят световые колебания, превращая их энергию в теплоту или, в определенных условиях, используя ее для высвобождения электронов с поверхности металла (фотоэлектрический эффект). Как известно, металлический блеск объясняется тем, что металлы отражают большую долю падающего на них света. Интенсивность блеска определяется долей поглощаемого света. Наиболее ярко блестят палладий и серебро. Большинство металлов почти полностью отражает свет всех длин волн спектра, в связи с чем они имеют белый или серый цвет. И только некоторые металлы (медь, золото, цезий) поглощают зеленый или голубой свет сильнее, чем свет других длин волн, в связи с чем, они окрашены в желтый или даже красный цвет. Этим объясняется способность всех металлов полностью отражать радиоволны, которая используется для обнаружения различных металлических объектов с помощью радиоволн (радиолокация).

Металлы относятся к веществам с очень хорошей электронной проводимостью (проводники первого рода). Их удельная электропроводность от 104 до 106 ом-1·см-1, или в системе СИ от 106 до 108 сим·м-1 (1 сим = 1 ом-1). Несколько меньшей проводимостью, чем чистые металлы, обладают их сплавы, некоторые интерметаллические соединения и различные карбиды, гидриды, нитриды металлов, являющиеся фаза-

317