2. Классификация металлов

Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее по некоторым признакам их можно объединить в группы (табл. 2).

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Таблица 2 (см. скан)

Прежде всего металлы можно разделить на две большие группы — черные и цветные металлы

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом (о последнем см. гл. II, п. 6). Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим обр азом:

1. Железные металлы — железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т. е. выше 1539° С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3. Урановые металлы — актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) — лантан, церий, неодим, празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они

встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы для присадки обычно применяют «смешанный сплав», так называемый миишеталл, содержащий всех других редкоземельных элементов. К таким смешанным сплавам РЗМ относят ферроцерий (сплав церия и железа с заметными количествами других РЗМ), дидим (сплав неодима и празеодима преимущественно) и др.

5. Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев.

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы — серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы — цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами — галлий, германий.

По строению электронных оболочек металлы принято разделять на нормальные и переходные. У нормальных металлов внутренние электронные оболочки (уровни) полностью заполнены. К таким металлам относят и др. У переходных металлов внутренние оболочки недостроены. Наиболее характерные представители переходных металлов и им подобные.

Применение металлов определяется их распространенностью в природе, а в историческом аспекте — развитием техники.

В табл. 3 повторена «металлическая часть» периодической системы. Под символом элемента указывается: дата открытия элемента (выделение металла в более или менее чистом виде из соединения в химической лаборатории) — первая Строчка и дата промышленного применения — вторая строчка (иногда две даты: начало применения в чистом виде или в виде сплава с железом — ферросплава).

Применение металлов началось с меди, серебра и золота. Человечество еще не было знакомо с металлургией, способом получения металла из руд, а эти металлы в отличие от других, встречаются в природе в чистом (самородном) виде. Затем начали применять металлы, которые относительно легко восстанавливаются (олово, свинец) или их достаточно много в природе (железо).

Большинство металлов было открыто в XIX в., хотя тогда они не все получили промышленное применение.

Содержание металлических элементов в земной коре представлено на рис. 4, который показывает насколько велико различие в содержании разных металлов на нашей планете.

В табл. 4 приведены сведения о мировом объеме производства различных металлов. Действительно, основную долю в изготовлении и применении имеет железо (в виде его сплава с углеродом — сталь), что связано с рядом причин: малой стоимостью, наилучшнми механическими свойствами, возможностью массового изготовления и большой распространенностью его руд в природе.

Стали производится больше, чем всех остальных металлов (сплавов) вместе взятых. Так, если в 1970 г. изготовлено приблизительно 600 млн. т. металла (во всем мире), то на долю стали приходится свыше 550 млн. т (т. е. более 90 %), а на долю всех остальных металлов менее 50 млн. т (т. е. меньше 10 %).

Таблица 3. (см. скан) Даты открытия и начала применения металлов

Объем производства стали — важный показатель технической и экономической мощи страны. Без обеспечения в необходимом количестве сталью не может развиваться ни одна отрасль промышленности. По производству стали СССР занимает первое место в мире, на втором — Япония, на третьем — США. До Октябрьской революции (1913 г.) в России производилось всего лишь 4,2 млн. т. стали. Гражданская война и интервенция почти остановили производство стали; в 1920 г. было выплавлено лишь 200 тыс. т. стали. Начавшийся затем этап восстановления народного хозяйства привел к тому, что в 1928 г. был достигнут довоенный уровень. В годы первых пятилеток построены крупнейшие металлургические комбинаты — Магнитогорский и Кузнецкий и перед войной уже выплавлялось около 18 млн. т. стали в год.

Начало войны и временная оккупация таких металлургических районов

Рис. 4. (см. скан) Эпюра распределения элементов в аемнов коре

(кликните для просмотра скана)

Таблица 5. (см. скан) Стоимость металлов

страны, как юг Украины и Донбасс, резко снизили выпуск стали. В год окончания войны (1945 г.) изготовлялось лишь 12 млн. т стали, но к 1948 г. был достигнут довоенный уровень, в послевоенные годы производство стали непрерывно нарастало и в 1976 г. было выплавлено 145 млн. т.

К 1980 г. объем производства стали стабилизировался на уровне 150 млн. т в год, что обеспечивает развитие народного хозяйства сталью, при учете постоянного улучшения качества металла и более экономного его расходования.

Стоимость металла — фактор возможности и целесообразности его применения. В табл. 5 показана относительная стоимость разных металлов (за единицу принята стоимость железа, точнее простой углеродистой стали). Стоимость 1 кг проката простой углеродистой стали примерно 20 коп.

Данные, приведенные в табл. 5, приблизительны, как не учтены конъюнктурные обстоятельства, вид полуфабриката, степень чистоты металла и ряд других факторов.