Металлосвязь какое сопротивление: Измерение металлосвязи: методика, нормы, периодичность проверки

обладают несколькими уникальными качествами, такими как способность проводить электричество и тепло, низкую энергию ионизации и низкую электроотрицательность (поэтому они легко отдают электроны с образованием катионов). Их физические свойства включают блестящий (блестящий) вид, а также они пластичны и пластичны.Металлы имеют кристаллическую структуру, но легко деформируются. В этой модели валентные электроны свободны, делокализованы, подвижны и не связаны с каким-либо конкретным атомом. В данной модели может быть:

• Проводимость : Поскольку электроны свободны, если бы электроны из внешнего источника были вставлены в металлический провод на одном конце (рис. \ (\ PageIndex {2} \)), электроны прошли бы через провод и вышли наружу. на другом конце с той же скоростью (проводимость — это движение заряда).

• Ковкость и Пластичность : Модель металлов с электронным морем не только объясняет их электрические свойства, но также их пластичность и пластичность. Море электронов, окружающее протоны, действует как подушка, и поэтому, когда, например, по металлу ударяют молотком, общий состав структуры металла не повреждается и не изменяется.Протоны могут быть перегруппированы, но море электронов приспосабливается к новому образованию протонов и сохраняет металл нетронутым. Когда один слой ионов в электронном море движется в одном пространстве относительно слоя под ним, кристаллическая структура не разрушается, а только деформируется (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).

• Теплоемкость : Это объясняется способностью свободных электронов перемещаться по твердому телу.
• Блеск : Свободные электроны могут поглощать фотоны в «море», поэтому металлы выглядят непрозрачными. Электроны на поверхности могут отражать свет с той же частотой, с которой свет падает на поверхность, поэтому металл кажется блестящим.

Однако эти наблюдения являются только качественными, а не количественными, поэтому они не могут быть проверены. Теория «моря электронов» сегодня выступает лишь как упрощенная модель того, как работает металлическая связь.

В расплавленном металле металлическая связь все еще присутствует, хотя упорядоченная структура нарушена. Металлическая связь не разрушается полностью, пока металл не закипит. Это означает, что температура кипения на самом деле является лучшим показателем прочности металлической связи, чем температура плавления.При плавлении связь ослабляется, а не разрывается. Прочность металлической связи зависит от трех факторов:

1. Число электронов, делокализованных из металла
2. Заряд катиона (металла).
3. Размер катиона.

Прочная металлическая связь будет результатом более делокализованных электронов, что приведет к увеличению эффективного ядерного заряда на электронах на катионе, в результате чего размер катиона будет меньше.Металлические связи прочные и требуют большого количества энергии для разрыва, поэтому металлы имеют высокие температуры плавления и кипения. Теория металлической связи должна объяснить, как такое количество связей может происходить с таким небольшим количеством электронов (поскольку металлы расположены в левой части периодической таблицы и не имеют большого количества электронов в их валентных оболочках). Теория также должна учитывать все уникальные химические и физические свойства металла.

Расширение диапазона возможного соединения

Ранее мы утверждали, что связь между атомами можно классифицировать как диапазон возможных связей между ионными связями (полная передача заряда) и ковалентными связями (полностью разделенными электронами).Когда два атома со слегка различающейся электроотрицательностью объединяются и образуют ковалентную связь, один атом притягивает электроны больше, чем другой; это называется полярной ковалентной связью. Однако простая «ионная» и «ковалентная» связь — идеализированные концепции, и большинство связей существует в двумерном континууме, описываемом треугольником Ван Аркеля-Кетелаара (рис. \ (\ PageIndex {4} \)).

треугольников связи или треугольников ван Аркеля – Кетелаара треугольников (названных в честь Антона Эдуарда ван Аркеля и Дж. А. А. Кетелаара) — это треугольники, используемые для отображения различных соединений с различной степенью ионной, металлической и ковалентной связи. В 1941 году ван Аркель выделил три экстремальных материала и связанные с ними типы склеивания. Используя 36 элементов основной группы, таких как металлы, металлоиды и неметаллы, он разместил ионные, металлические и ковалентные связи в углах равностороннего треугольника, а также предложил промежуточные соединения.Треугольник связей показывает, что химические связи — это не просто особые связи определенного типа. Скорее, типы связей взаимосвязаны, и разные соединения имеют разную степень разного характера связывания (например, полярные ковалентные связи).

Использование электроотрицательности — два составных средних значения электроотрицательности по оси x рисунка \ (\ PageIndex {4} \).

\ [\ sum \ chi = \ dfrac {\ chi_A + \ chi_B} {2} \ label {sum} \]

и разность электроотрицательностей по оси ординат,

\ [\ Delta \ chi = | \ chi_A — \ chi_B | \ label {diff} \]

мы можем оценить доминирующую связь между соединениями.В правой части рисунка \ (\ PageIndex {4} \) (от ионной до ковалентной) должны быть соединения с различной разницей в электроотрицательности. Соединения с одинаковой электроотрицательностью, такие как \ (\ ce {Cl2} \) (хлор), помещаются в ковалентный угол, а в ионном углу есть соединения с большой разницей электроотрицательностей, такие как \ (\ ce {NaCl} \) ( столовая соль). Нижняя сторона (от металлической до ковалентной) содержит соединения с разной степенью направленности связи. С одной стороны, это металлические связи с делокализованными связями, а с другой — ковалентные связи, в которых орбитали перекрываются в определенном направлении.Левая сторона (от ионной до металлической) предназначена для делокализованных связей с различной разностью электроотрицательностей.

Три крайности в связке

Всего:

• Металлические облигации имеют низкое значение \ (\ Delta \ chi \) и низкое среднее значение \ (\ sum \ chi \).
• Ионные связи имеют от умеренного до высокого \ (\ Delta \ chi \) и умеренные значения среднего \ (\ sum \ chi \).
• Ковалентные связи имеют среднее значение \ (\ sum \ chi \) от среднего до высокого и могут существовать с умеренно низким значением \ (\ Delta \ chi \).

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Используйте таблицы электроотрицательностей (Таблица A2) и рисунок \ (\ PageIndex {4} \), чтобы оценить следующие значения.

• разница в электроотрицательности (\ (\ Delta \ chi \))
• средняя электроотрицательность в связи (\ (\ sum \ chi \))
• процентный ионный характер
• вероятный тип облигации

для выбранных соединений:

1. \ (\ ce {AsH} \) (например, в арсине \ (AsH \))
2. \ (\ ce {SrLi} \)
3. \ (\ ce {KF} \).

Решение

а: \ (\ ce {AsH} \)

• Электроотрицательность \ (\ ce {As} \) составляет 2,18
• Электроотрицательность \ (\ ce {H} \) равна 2,22

Использование формул \ ref {sum} и \ ref {diff}:

\ [\ begin {align *} \ sum \ chi & = \ dfrac {\ chi_A + \ chi_B} {2} \\ [4pt] & = \ dfrac {2.18 + 2.22} {2} \\ [4pt] & = 2.2 \ end {align *} \]

\ [\ begin {align *} \ Delta \ chi & = \ chi_A — \ chi_B \\ [4pt] & = 2.18 — 2.22 \\ [4pt] & = 0,04 \ end {align *} \]

• Из рисунка \ (\ PageIndex {4} \) видно, что связь довольно неполярная и имеет низкоионный характер (10% или меньше)
• Связь находится в середине ковалентной связи и металлической связи

b: \ (\ ce {SrLi} \)

• Электроотрицательность \ (\ ce {Sr} \) составляет 0,95
• Электроотрицательность \ (\ ce {Li} \) составляет 0,98

Использование формул \ ref {sum} и \ ref {diff}:

\ [\ begin {align *} \ sum \ chi & = \ dfrac {\ chi_A + \ chi_B} {2} \\ [4pt] & = \ dfrac {0.95 + 0,98} {2} \\ [4pt] & = 0,965 \ end {align *} \]

\ [\ begin {align *} \ Delta \ chi & = \ chi_A — \ chi_B \\ [4pt] & = 0.98 — 0.95 \\ [4pt] & = 0.025 \ end {align *} \]

• Из рисунка \ (\ PageIndex {4} \) видно, что связь довольно неполярная и имеет низкоионный характер (~ 3% или меньше)
• Склеивание вероятно металлическое.

с: \ (\ ce {KF} \)

• Электроотрицательность \ (\ ce {K} \) составляет 0,82
• Электроотрицательность \ (\ ce {F} \) равна 3.98

Использование формул \ ref {sum} и \ ref {diff}:

\ [\ begin {align *} \ sum \ chi & = \ dfrac {\ chi_A + \ chi_B} {2} \\ [4pt] & = \ dfrac {0.82 + 3.98} {2} \\ [4pt] & = 2.4 \ end {align *} \]

\ [\ begin {align *} \ Delta \ chi & = \ chi_A — \ chi_B \\ [4pt] & = | 0,82 — 3,98 | \\ [4pt] & = 3,16 \ end {align *} \]

• Из рисунка \ (\ PageIndex {4} \) видно, что связь достаточно полярная и имеет высокий ионный характер (~ 75%)
• Связь скорее всего ионная.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Сравните связывание \ (\ ce {NaCl} \) и тетрафторида кремния.

Ответ

\ (\ ce {NaCl} \) представляет собой ионную кристаллическую структуру и электролит при растворении в воде; \ (\ Delta \ chi = 1.58 \), среднее \ (\ sum \ chi = 1.79 \), а тетрафторид кремния ковалентный (молекулярный, неполярный газ; \ (\ Delta \ chi = 2.08 \), средний \ ( \ сумма \ хи = 2,94 \).

Авторы и авторство

Электропроводность металлов

Электропроводность металлов — это результат движения электрически заряженных частиц.Атомы металлических элементов характеризуются наличием валентных электронов, которые представляют собой электроны во внешней оболочке атома, которые могут свободно перемещаться. Именно эти «свободные электроны» позволяют металлам проводить электрический ток.

Поскольку валентные электроны могут свободно перемещаться, они могут перемещаться через решетку, которая формирует физическую структуру металла. Под действием электрического поля свободные электроны движутся сквозь металл так же, как бильярдные шары, ударяясь друг о друга, передавая электрический заряд во время движения.

Передача энергии

Передача энергии наиболее сильна при небольшом сопротивлении. На бильярдном столе это происходит, когда шар ударяется о другой шар, передавая большую часть своей энергии следующему шару. Если один шар ударяет несколько других шаров, каждый из них будет нести лишь часть энергии.

Точно так же наиболее эффективными проводниками электричества являются металлы, которые имеют единственный валентный электрон, который может свободно перемещаться и вызывает сильную реакцию отталкивания в других электронах.Так обстоит дело с наиболее проводящими металлами, такими как серебро, золото и медь. У каждого есть один валентный электрон, который движется с небольшим сопротивлением и вызывает сильную реакцию отталкивания.

Полупроводниковые металлы (или металлоиды) имеют большее количество валентных электронов (обычно четыре или более). Таким образом, хотя они могут проводить электричество, они неэффективны в этой задаче. Однако при нагревании или добавлении других элементов полупроводники, такие как кремний и германий, могут стать чрезвычайно эффективными проводниками электричества.

Электропроводность металла

Электропроводность в металлах должна соответствовать закону Ома, который гласит, что ток прямо пропорционален электрическому полю, приложенному к металлу. Закон, названный в честь немецкого физика Георга Ома, появился в 1827 году в опубликованной статье, в которой излагалось, как ток и напряжение измеряются в электрических цепях. Ключевой переменной при применении закона Ома является удельное сопротивление металла.

Удельное сопротивление противоположно электрической проводимости, оценивая, насколько сильно металл противодействует прохождению электрического тока.Обычно это значение измеряется на противоположных гранях куба материала длиной один метр и описывается как омметр (Ом · м). Удельное сопротивление часто обозначают греческой буквой ро (ρ).

Электропроводность, с другой стороны, обычно измеряется в сименсах на метр (См ^-1 ) и обозначается греческой буквой сигма (σ). Один сименс равен одному ому, обратному величине.

Электропроводность, удельное сопротивление металлов

* Примечание. Удельное сопротивление полупроводников (металлоидов) сильно зависит от наличия примесей в материале.

научных принципов

Структура металлов:

Металлы составляют около двух третей всех элементов и около 24% массы планеты. Они повсюду вокруг нас в таких формах, как стальные конструкции, медная проволока, алюминиевая фольга и золотые украшения.Металлы широко используются благодаря своим свойствам: прочности, пластичности, высокой температуре плавления, тепловой и электрической проводимости и ударной вязкости.

Эти свойства также позволяют понять структуру металлов. Как и все элементы, металлы состоят из атомов. Прочность металлов предполагает, что эти атомы удерживаются вместе прочными связями. Эти связи также должны позволять атомам двигаться; иначе как металл можно было забивать в листы или вытягивать в проволоку? Разумной моделью была бы модель, в которой атомы удерживаются вместе прочными, но делокализованными связями.

Склеивание

Такие связи могут образовываться между атомами металлов, которые имеют низкую электроотрицательность и не сильно притягивают свои валентные электроны. Это позволило бы наиболее удаленным электронам быть общими для всех окружающих атомов, в результате чего положительные ионы ( катионов, ) были окружены морем электронов (иногда называемым электронным облаком).

Поскольку эти валентные электроны являются общими для всех атомов, они не считаются связанными с каким-либо одним атомом.Это сильно отличается от ионных или ковалентных связей, где электроны удерживаются одним или двумя атомами. Таким образом, металлическая связь получается прочной и однородной. Поскольку электроны притягиваются ко многим атомам, они обладают значительной подвижностью, что обеспечивает хорошую теплопроводность и электрическую проводимость металлов.

Выше точки плавления металлы являются жидкостями, их атомы расположены беспорядочно и относительно свободно перемещаются. Однако при охлаждении ниже точки плавления металлы перестраиваются, образуя упорядоченные кристаллические структуры.

Кристаллы

Чтобы образовать самые прочные металлические связи, металлы упаковываются как можно плотнее. Возможны несколько вариантов упаковки. Вместо атомов представьте себе шарики, которые нужно упаковать в коробку. Шарики помещали на дно коробки аккуратными упорядоченными рядами, а затем начинали второй слой. Второй слой шариков нельзя размещать непосредственно поверх других шариков, поэтому ряды шариков в этом слое перемещаются в промежутки между шариками первого слоя.Первый слой мрамора может быть обозначен как A, а второй слой как B, давая двум слоям обозначение AB.

Упаковка мрамора в третий слой требует решения. Снова ряды атомов будут гнездиться в пустотах между атомами во втором слое, но существуют две возможности.Если ряды мрамора уложены так, что они находятся непосредственно над первым слоем (A), то расположение можно описать как ABA. Такое устройство насадки с чередующимися слоями будет обозначено как ABABAB. Такое расположение ABAB называется гексагональной плотной упаковкой (HCP).

Если ряды атомов упакованы в этом третьем слое так, чтобы они не лежали над атомами в слое A или B, то третий слой называется C. Эта последовательность упаковки будет обозначена ABCABC и также известна как гранецентрированный кубик (ГЦК).Оба устройства обеспечивают максимально плотную упаковку сфер, оставляя пустой лишь около четверти доступного пространства.

Наименьший повторяющийся массив атомов в кристалле называется элементарной ячейкой. Третье распространенное устройство упаковки в металлах, элементарная ячейка с объемно-центрированным кубом (ОЦК), имеет атомы в каждом из восьми углов куба плюс один атом в центре куба. Поскольку каждый из угловых атомов является углом другого куба, угловые атомы в каждой элементарной ячейке будут разделены между восемью элементарными ячейками.Элементарная ячейка BCC состоит из двух атомов, одного в центре и восьми восьмых от углов.

В схеме FCC, опять же, есть восемь атомов в углах элементарной ячейки и по одному атому в центре на каждой из граней. Атом в грани делится с соседней ячейкой. Элементарные ячейки FCC состоят из четырех атомов, восемь восьмых по углам и шесть половин на гранях. В таблице 1 показаны стабильные кристаллические структуры при комнатной температуре для нескольких элементарных металлов.

Структуры элементарных ячеек определяют некоторые свойства металлов.Например, структуры FCC с большей вероятностью будут пластичными, чем BCC (объемно-центрированная кубическая) или HCP (гексагональная плотноупакованная). На рисунке 4 показаны элементарные ячейки FCC и BCC. (См. Активность кристаллической структуры)

Когда атомы расплавленного металла начинают собираться вместе, образуя кристаллическую решетку в точке замерзания, группы этих атомов образуют крошечные кристаллы.Эти крошечные кристаллы увеличиваются в размере за счет постепенного добавления атомов. Получающееся твердое вещество представляет собой не один кристалл, а на самом деле множество более мелких кристаллов, называемых зернами. Эти зерна растут, пока не столкнутся с соседними растущими кристаллами. Образовавшаяся между ними граница раздела называется границей зерен. Иногда зерна бывают достаточно большими, чтобы их можно было увидеть под обычным световым микроскопом или даже невооруженным глазом. Блестки, которые видны на недавно оцинкованном металле, представляют собой зерна. (См. Модель активности металлов с помощью частиц). На рисунке 5 показан типичный вид металлической поверхности с множеством зерен или кристаллов.

Дефекты кристалла:

Металлические кристаллы не идеальны. Иногда есть пустые места, называемые вакансиями, где отсутствует атом. Другой распространенный дефект в металлах — это дислокации, которые представляют собой линии дефектного соединения. На рисунке 6 показан один тип дислокации.

Эти и другие дефекты, а также наличие зерен и границ зерен определяют многие механические свойства металлов. Когда к металлу прикладывается напряжение, возникают дислокации, которые перемещаются, позволяя металлу деформироваться.

Механические свойства:

При приложении малых нагрузок (напряжений) к металлам они деформируются и возвращаются к своей исходной форме при снятии нагрузки. Гибка стального листа является примером, когда скрепления изгибаются или растягиваются только на небольшой процент.Это называется упругой деформацией и включает временное растяжение или искривление связей между атомами.

При приложении более высоких напряжений возникает остаточная (пластическая) деформация. Например, если скрепку сильно согнуть, а затем отпустить, она останется частично согнутой. Эта пластическая деформация включает разрыв связей, часто в результате движения дислокаций. См. Рис. 8. Дислокации легко перемещаются в металлах из-за делокализованной связи, но не перемещаются легко в керамике.Это во многом объясняет, почему металлы пластичны, а керамика — хрупка.

Если поместить под слишком большое напряжение, металлы будут механически разрушаться или ломаться. Со временем это также может быть результатом множества небольших нагрузок. Самая частая причина (около 80%) выхода металла из строя — усталость. Благодаря приложению и снятию небольших напряжений (до миллионов раз) по мере использования металла в нем образуются и медленно растут небольшие трещины.Со временем металл деформируется или ломается (трескается). (См. Раздел «Обработка металлов»)

Обработка:

В промышленности расплавленный металл охлаждают до твердого состояния. Затем твердому металлу механически формируют конкретный продукт. Очень важно, как выполняются эти этапы, поскольку нагрев и пластическая деформация могут сильно повлиять на механические свойства металла.

Влияние размера зерна:

Давно известно, что свойства некоторых металлов можно изменить путем термической обработки.Зерна в металлах имеют тенденцию к увеличению по мере нагрева металла. Зерно может увеличиваться в размерах за счет миграции атомов из другого зерна, которые со временем могут исчезнуть. Дислокации не могут легко пересекать границы зерен, поэтому размер зерен определяет, насколько легко дислокации могут перемещаться. Как и ожидалось, металлы с мелкими зернами прочнее, но менее пластичны. На рис. 5 показан пример зеренной структуры металлов.

Закалка и закалка:

Есть много способов термической обработки металлов.Отжиг — это процесс размягчения, при котором металлы нагревают, а затем дают медленно остыть. Большинство сталей можно закалить путем нагрева и закалки (быстрого охлаждения). Этот процесс использовался довольно рано в истории обработки стали. Фактически, считалось, что биологические жидкости являются лучшими гасящими жидкостями, и иногда использовалась моча. В некоторых древних цивилизациях раскаленные лезвия меча иногда вонзались в тела несчастных заключенных! Сегодня металлы закаливают в воде или масле.На самом деле закалка в растворах соленой воды происходит быстрее, поэтому древние не совсем ошибались.

В результате закалки металл становится очень твердым, но при этом хрупким. Осторожно нагревая закаленный металл и давая ему медленно остыть, вы получите металл, который останется твердым, но менее хрупким. Этот процесс известен как темперирование. (См. «Обработка металлов»). Это приводит к появлению в стали множества мелких выделений Fe ₃ C, которые блокируют движение дислокаций, тем самым обеспечивая упрочнение.

Холодная обработка:

Поскольку пластическая деформация возникает в результате движения дислокаций, металлы можно упрочнять, предотвращая это движение. Когда металл изгибается или приобретает форму, возникают и перемещаются дислокации. По мере увеличения количества дислокаций в кристалле они будут запутываться или заколачиваться и не смогут двигаться. Это укрепит металл, и его будет труднее деформировать. Этот процесс известен как холодная обработка. При более высоких температурах дислокации могут перестраиваться, поэтому упрочнение невелико.

Можно попробовать со скрепкой. Разогните скрепку и несколько раз согните одну из прямых частей вперед-назад. Представьте себе, что происходит на атомарном уровне. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном и том же месте. Вывихи образовались и запутались, увеличивая прочность. Скрепка со временем сломается при изгибе. Очевидно, что холодная обработка работает только до определенной степени! Слишком большая деформация приводит к спутыванию дислокаций, которые не могут двигаться, поэтому металл вместо этого ломается.

Отопление устраняет последствия холодной обработки. При нагревании холоднодеформированных металлов происходит перекристаллизация. Новые зерна образуются и растут, чтобы потреблять холодную обработанную часть. В новых зернах меньше дислокаций, и восстанавливаются первоначальные свойства.

Сплавы:

Присутствие в металле других элементов также может изменить его свойства, иногда резко. Расположение и вид связи в металлах позволяет добавлять в структуру другие элементы, образуя смеси металлов, называемые сплавами.Даже если добавленные элементы являются неметаллами, сплавы могут иметь металлические свойства.

Медные сплавы начали производить в самом начале нашей истории. Бронза, сплав меди и олова, была первым известным сплавом. Его было легко получить, просто добавив олово к расплавленной меди. Орудия и оружие из этого сплава были прочнее, чем из чистой меди. Добавление цинка к меди дает еще один сплав — латунь. Хотя латунь труднее производить, чем бронзу, она была известна и в древние времена.(См. «Золотая» Пенни Активность) Типичный состав некоторых сплавов приведен в Таблице 2.

Сплавы представляют собой смеси, и их процентный состав может варьироваться.Это полезно, потому что свойствами сплавов можно управлять, варьируя состав. Например, электрикам нужен припой с другими свойствами, чем у сантехников. Электрический припой очень быстро затвердевает, образуя почти мгновенное соединение. Это будет непрактично для сантехников, которым нужно время, чтобы установить соединение. Электрический припой содержит около 60% олова, тогда как припой для сантехников — около 30%.

Олово первоначально содержало свинец, и, поскольку олово использовалось для изготовления тарелок и кубков, вероятно, оно было источником отравления свинцом.Олово, производимое сегодня, не содержит свинца. Расширение знаний о свойствах металлов также приводит к созданию новых сплавов. Некоторые латуни образуют сплавы с памятью формы, которые можно сгибать и возвращать к своей первоначальной форме при осторожном нагревании. Цинковые сплавы, используемые в качестве покрытия на стали, замедляют коррозию (оцинкованная сталь). Сплавы кадмия находят широкое применение в солнечных элементах. Способность мельхиора противостоять образованию отложений делает его полезным в садках в рыбоводстве.

Чугун и сталь:

Углеродистые стали различаются по процентному содержанию углерода.Количество углерода влияет на свойства стали и ее пригодность для конкретного использования. Стали редко содержат более 1% углерода. Конструкционная сталь содержит около 0,1-0,2% углерода по весу; это делает его немного более пластичным и менее подверженным разрушению во время землетрясений. Сталь, используемая для изготовления инструментов, содержит около 0,5-1% углерода, что делает ее более твердой и износостойкой. Чугун содержит от 2,5 до 4% углерода и находит применение в недорогих применениях, где его хрупкость не является проблемой. Удивительно, но чистое железо чрезвычайно мягкое и используется редко.Увеличение количества углерода приводит к увеличению твердости металла, как показано на следующем графике. В медленно охлаждаемых сталях углерод увеличивает количество твердого Fe ₃ C; в закаленных сталях он также увеличивает твердость и прочность материала.

Заколки и скрепки обрабатываются примерно одинаково, но содержат разное количество углерода.Заколки и скрепки изготовлены из стальной проволоки, обработанной холодным способом. Скрепка, содержащая мало углерода, в основном состоит из чистого Fe с некоторым количеством частиц Fe ₃ C. Заколка для бобби содержит больше углерода и, следовательно, содержит большее количество Fe ₃ C, что делает ее намного более твердой и прочной.

Свойства стали могут быть адаптированы для специальных целей путем добавления в сплав других металлов. Среди металлов, добавляемых к этим специальным сталям, — титан, ванадий, молибден и марганец.Нержавеющая сталь содержит минимум 12% хрома, который останавливает дальнейшее окисление, образуя защитный оксид на поверхности.

Коррозия:

Коррозия металлов может быть серьезной проблемой, особенно при длительном использовании в конструкциях, таких как автомобили, мосты и корабли. В большинстве случаев коррозия носит электрохимический (гальванический) характер. Для возникновения коррозии должны присутствовать анод (более легко окисляемая область) и катод (менее легко окисляемая область). Это могут быть разные типы металлов или просто разные участки одного и того же металла.Также должен присутствовать какой-то электролит, который может обеспечивать перенос электронов. Коррозия включает высвобождение электронов на аноде из-за высокого окислительного потенциала атомов на аноде. Когда электроны высвобождаются, образуются катионы металлов, и металл распадается. Одновременно катод, который имеет больший восстановительный потенциал, принимает электроны, либо образуя отрицательные ионы, либо нейтрализуя положительные ионы.

В случае ряда активности или электродвижущей силы металл, такой как цинк, реагирует с водородом и служит как анодом, так и катодом.(См. Activity Series Activity) Уравнение этой реакции:

Пузырьки водорода на катоде при разрушении анода. Неровности поверхности, наличие примесей, ориентация зерен, локализованные напряжения и изменения в окружающей среде — вот некоторые из факторов, определяющих, почему один кусок металла может служить обоими электродами. Например, головка и острие гвоздя обработаны холодной обработкой и могут служить анодом, а корпус — катодом.(См. Коррозия от активности железа)

Хотя окисление на аноде и восстановление на катоде — одновременные процессы, коррозия обычно происходит на аноде. Катод почти никогда не разрушается. В 1824 году Дэви разработал метод защиты корпусов кораблей от коррозии с помощью цинка, который можно периодически заменять. Цинк более активен, чем сталь в корпусе, и будет служить анодом и подвергаться коррозии; им приносят в жертву защиту стальной конструкции. Сталь, которая была бы и анодом, и катодом, обычно служит катодом.Это называется катодной защитой. Трубопроводы также защищены более активным металлическим магнием. Иногда электрические токи поддерживаются в коротких отрезках трубопроводов с такой же металлической проволокой, которая служит в качестве жертвенного анода.

Коррозия — серьезная проблема, которую необходимо решить, чтобы эффективно использовать металлы. Железо соединяется с кислородом воздуха, образуя оксид железа (ржавчину), что в конечном итоге разрушает полезность металла. (См. Дополнительно: действие химического обогрева рук). К счастью, некоторые металлы, такие как алюминий и хром, образуют защитное оксидное покрытие, предотвращающее дальнейшее окисление (коррозию).Точно так же медь соединяется с серой и кислородом, образуя знакомую зеленую патину.

Понимание химического состава металлов ведет к разработке методов уменьшения и предотвращения коррозии. Атомы хрома примерно того же размера, что и атомы железа, и могут замещать их в кристаллах железа. Хром образует оксидный слой, который позволяет нержавеющей стали противостоять коррозии. Металлы можно красить или покрывать другими металлами; оцинкованная (оцинкованная) сталь является примером. Когда эти два металла используются вместе, более активный цинк корродирует, жертвуя собой ради сохранения стали.

Металлические руды:

Золото, серебро и медь были первыми металлами, которые использовались, поскольку они находятся в свободном или элементарном состоянии. Большинство металлов, встречающихся в природе, сочетаются с другими элементами, такими как кислород и сера. Энергия необходима для извлечения металлов из этих соединений или руд. Исторически сложилось так, что легкость, с которой данный металл может быть извлечена из руды, наряду с доступностью, определялась при его использовании, отсюда и раннее использование меди, олова и железа.Формулы для некоторых руд приведены ниже:

Эти руды представляют собой ионные соединения, в которых металлы существуют в виде положительных ионов.Например, степень окисления железа в гематите +3; степень окисления меди в халькоците +1. Извлечение металлов из их руд представляет собой окислительно-восстановительную (окислительно-восстановительную) реакцию. В элементарном состоянии металлы состоят из атомов, а не ионов. Поскольку у атомов нет общего заряда, ионы металлов в реакции приобретают электроны; они уменьшены.

Общая реакция восстановления меди из халькоцита:

Это только общая реакция.Весь процесс не так прост. Восстановление металлов из их руд обычно требует ряда химических и механических процессов. Они обычно являются энергетически дорогими, потребляют большое количество тепла и / или электроэнергии. Например, около пяти процентов электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, используется для производства алюминия. Изготовление алюминиевой банки из руды стоит примерно в сто раз дороже, чем плавление и формирование переработанного алюминия. Извлечение металлов из руд может также приводить к образованию загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, указанный выше.По возможности, переработка и переработка металлов имеет смысл.

Относительная сложность извлечения металлов из руд указывает на то, что это их предпочтительное состояние. После удаления из руд и в элементарном состоянии большинство металлов проявляют значительную тенденцию реагировать с кислородом и серой и возвращаться в свое естественное состояние; они разъедают! При коррозии металл окисляется. Он теряет электроны, становясь положительным ионом. (См. Раздел «Коррозия металлов»)

Сводка по металлам

Металлы обладают полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, тепловую и электрическую проводимость и ударную вязкость.Они широко используются в конструкциях и электротехнике. Понимание структуры металлов может помочь нам понять их свойства.

Атомы металлов связаны друг с другом прочными делокализованными связями. Эти связи образованы облаком валентных электронов, которые разделяются положительными ионами (катионами) металлов в кристаллической решетке. В таком расположении валентные электроны обладают значительной подвижностью и могут легко проводить тепло и электричество. В кристаллической решетке атомы металлов плотно упакованы вместе, чтобы максимизировать прочность связей.Настоящий кусок металла состоит из множества крошечных кристаллов, называемых зернами, которые соприкасаются с границами зерен.

Из-за делокализованной природы связей атомы металла могут скользить мимо друг друга, когда металл деформируется, вместо того, чтобы разрушаться, как хрупкий материал. Это движение атомов осуществляется за счет образования и движения дислокаций в решетке. Технологии обработки, которые изменяют связь между атомами или влияют на количество или подвижность дислокаций, могут иметь большое влияние на механические свойства металла.

Упругая деформация металла — это небольшое изменение формы при низком напряжении, которое можно восстановить после снятия напряжения. Этот тип деформации включает растяжение металлических связей, но атомы не скользят друг мимо друга. Пластическая деформация возникает, когда напряжение достаточно для постоянной деформации металла. Этот тип деформации включает разрыв связей, обычно за счет движения дислокаций.

Пластическая деформация приводит к образованию большего количества дислокаций в металлической решетке.Это может привести к снижению подвижности этих дислокаций из-за их тенденции запутываться или скрепляться. Пластическая деформация при достаточно низких температурах, при которых атомы не могут перегруппироваться (холодная обработка), может в результате этого эффекта упрочнять металл. Одним из побочных эффектов является то, что металл становится более хрупким. При использовании металла трещины имеют тенденцию образовываться и расти, что в конечном итоге приводит к его разрушению или разрушению.

Дислокации не могут легко пересекать границы зерен. Если металл нагреть, зерна могут стать больше, а материал станет мягче.Нагревание металла и быстрое охлаждение (закалка) с последующим мягким нагревом (отпуском) приводит к получению более твердого материала из-за образования множества мелких выделений Fe ₃ C, которые блокируют дислокации.

Смешивание металлов с другими металлами или неметаллами может привести к получению сплавов с желаемыми свойствами. Сталь, изготовленная из железа и углерода, может существенно различаться по твердости в зависимости от количества добавленного углерода и способа ее обработки. Некоторые сплавы обладают более высокой устойчивостью к коррозии.

Коррозия — основная проблема большинства металлов. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой атомы металла образуют ионы, вызывающие ослабление металла. Один метод, который был разработан для борьбы с коррозией в конструкционных приложениях, включает прикрепление расходуемого анода, сделанного из металла с более высоким потенциалом окисления. В этом случае анод подвергается коррозии, оставляя катод, конструктивную часть, неповрежденным. Образование защитного покрытия на внешней стороне металла также может противостоять коррозии.Стали, содержащие металлический хром, образуют защитное покрытие из оксида хрома. Алюминий также устойчив к коррозии благодаря образованию прочного оксидного покрытия. Медь образует знакомую зеленую патину, реагируя с серой и кислородом в воздухе.

В природе можно найти лишь несколько чистых металлов. Большинство металлов существует в виде руд, соединений металла с кислородом или серой. Для отделения чистого металла от руды часто требуется большое количество энергии в виде тепла и / или электричества. Из-за такого большого расхода энергии имеет смысл по возможности утилизировать металлы.

Вопросы для обсуждения

1. Как добываются руды из земли?

2. Назовите 4 сплава и металлы, из которых они сделаны.

3. Какое влияние оказывает «холодная обработка» на металлы?

4. Какой процесс делает металлы твердыми, но хрупкими?

5. Какой процесс делает металлы более мягкими и удобными в обработке?

6. Назовите три метода уменьшения коррозии.

7. Дайте 2 ценных результата переработки.

Проблема

Предположим, что радиус одного атома железа равен 1,24 ангстрем (1 ангстрем = 1 x 10 ^-8 см). Какой была бы плотность объемно-центрированного кубического (ОЦК) железа в граммах на кубический сантиметр? Подсказка: найдите массу и объем одной элементарной ячейки. Не забудьте считать только долю каждого атома в ячейке.

Добавочный номер:

Максимальная растворимость углерода в железе ОЦК составляет один атом на каждые 5000 атомов железа.Какой будет плотность стали при максимальном растворении углерода?

Решение

= m / V = ​​# атомов x (масса / атом) / объем ячейки

В железе ОЦК на элементарную ячейку приходится два атома железа. (8 х 1/8 + 1)

Один атом железа имеет массу 55,85 а.е.м. или 9,27 x 10 ^-23 граммов.

Общая масса одной элементарной ячейки составляет 1,85 x 10 ^-22 граммов.

Пусть (r) будет радиус атома железа.Атомы в углах контактируют с атомом в центре, в результате чего диагональ коробки равна (4r).

Если мы назовем одну сторону коробки (L), диагональ грани куба будет равна (квадратный корень из 2) умноженным на (L).

Одна сторона, диагональ грани куба и диагональ прямоугольника составляют прямоугольный треугольник. Используя теорему Пифагора, (L) ² + (квадратный корень 2 x (L)) ² = (4r) ² .

Решая для L и подставляя для (r), мы находим, что L = 2.86 ангстрем или 2,86 x 10 ^-8 см.

Объем куба (элементарной ячейки) равен (л) ³ = 2,34 x 10 ^-23 см ³ . Разделив массу на объем, получим:

Плотность = 7,91 г / см ³ .

Следующая тема: Ссылки

Металлическая связь — обзор

Ковалентные связи

За исключением металлической связи, ковалентные связи возникают, когда элементы соединяются вместе и образуют стабильное соединение.Простейшим примером является молекула водорода, обозначенная символически как H ₂ , потому что это соединение двух атомов водорода, связанных одной ковалентной связью:

H — H

Связь символизируется линией между двумя атомами , а водород — двухатомная молекула. При нормальных условиях он существует в виде газа, это самый легкий из известных газов, поэтому его использовали, например, для подъема дирижаблей. Он очень взрывоопасен в смесях с воздухом или кислородом, проблема, с которой сталкивается ряд некачественных продуктов.Он встречается в аналогичной ковалентно связанной форме во многих соединениях с углеродом, например, в термопластическом полиэтилене:

—Ch3 — Ch3n—

Это представление известно как повторяющаяся единица, потому что при бесконечном повторении образуется очень длинная цепочка. молекула. Таким образом, настоящий материал состоит из смеси таких длинных цепей. Структурная сложность возникает, когда к простому повторяющемуся элементу PE добавляются дополнительные группы, поэтому полипропилен имеет добавленную метильную группу:

-Ch3-CHCh4n-

Но водород также встречается в более сложных повторяющихся элементах, не только с углеродом, но и с другими элементы, такие как азот и кислород, как в термопластическом материале нейлон 6, с повторяющейся единицей:

—CO — Ch3Ch3Ch3Ch3Ch3 — NHn—

Все полимеры могут быть описаны повторяющейся единицей или комбинацией различных повторяющихся единиц (сополимеров), как показано для нескольких простых полимеров в таблице 1.1. Также показаны мономеры, из которых они сделаны, вместе с молекулярной массой повторяющейся единицы ( M _R ). Последний можно рассчитать, используя стандартные атомные веса и зная формулу повторяющейся единицы. Таким образом, поскольку атомная масса (относительная атомная масса) углерода и водорода равна 14 и 1 соответственно, M составляет (2 × 12) + (4 × 1) = 28. Структура сополимера дает дополнительный уровень сложности, как показано на Рис. 1.1 для различных структур, образованных из мономеров стирола, бутадиена и акрилонитрила.

Таблица 1.1. Повторяющиеся элементы и размер в некоторых распространенных полимерах

1.1. Повторяющиеся звенья сополимера.

Полимеры также можно разделить на термопласты и термореактивные, термины, описывающие их поведение при нагревании.Термопласты можно многократно нагревать с небольшими изменениями свойств, в то время как термореактивные материалы сшиваются при нагревании. Сшивка связывает все цепные молекулы вместе ковалентными связями, так что форма материала остается постоянной, когда реакция происходит (рис. 1.2). Термопластические полимеры составляют большинство синтетических полимеров, хотя термореактивные полимеры представляют собой небольшой, но важный класс полимеров для клеев (таких как эпоксидные смолы) и композиционных материалов, где они используются в качестве матрицы для связывания армирующих волокон (например, эпоксидных смол и полиэфиров).Хотя все полимеры могут быть преобразованы в волокна, небольшой класс термопластов традиционно использовался в виде волокон. Они включают нейлон 6, нейлон 66 и ПЭТ (полиэтилентерефталат). Натуральные волокна, такие как шелк и хлопок, также важны для текстильного производства.

1.2. Сшивание натурального каучука.

Еще один способ классификации полимеров — по способу их изготовления. Широкое разделение относится к полимерам с ростом цепей и полимерами со ступенчатым ростом, первые получаются путем инициирования цепей с использованием специальных катализаторов, так что длинные цепи образуются очень быстро из мономера ( M ):

нМ → -Mn-

Примеры включают PE , ПП и полистирол, и они обычно обладают двойной ковалентной связью, по которой происходит реакция.Полимеры ступенчатого роста получают, когда каждая мономерная единица реагирует по очереди с другим мономером:

M + M → M-M + M → M-M-M …..

Примеры являются общими, со всеми нейлонами , ПЭТ, поликарбонат из числа образующихся ступенчато. Полимер с высоким молекулярным весом достигается только медленно, а молекулярные массы коммерческих сортов обычно относительно низкие по сравнению с полимерами с ростом цепей. Молекулярная масса — это просто молекулярная масса повторяющейся единицы ( M _R ), умноженная на количество единиц в каждой цепи (n):

1.1M = nMR

В большинстве полимеров есть цепи разной длины, поэтому два способа определения среднего — это среднечисловая и средневесовая молекулярная масса, M¯n и M¯w соответственно:

1,2M¯n = ∑ iNiMi∑iNi

и

1.3Mw¯ = ∑iWiMi∑iWi = ∑iNiM12∑iNiMi

, где N _i — это W _i количество цепных молекул с молекулярной массой M _i соответственно. Средневесовая молекулярная масса всегда больше, чем среднечисленная, за исключением монодисперсных полимеров.

Важной единственной переменной, которая определяет широту распределения цепочки, является дисперсия, D :

1.4D = M¯n / M¯n

Когда все цепи имеют одинаковую длину, D должно быть единым и M¯w и M¯n идентичны. Такие так называемые монодисперсные полимеры могут быть получены, но коммерческие полимеры обычно полидисперсны. Для полимеров ступенчатого роста D = 2, и системы цепного роста дают гораздо большую дисперсность (обычно около 10).

В трех измерениях ковалентный углерод с одинарными связями является тетраэдрическим (рис.1.3), то есть четыре одинарные связи указывают на углы тетраэдра, если атом углерода находится в его центре. Если он регулярно генерируется в космосе, он создает структуру алмаза, но, напротив, графит является более распространенной формой углерода, встречающейся в природе, где атомы углерода расположены в виде плоских листов. Это связано с наличием тригональной связи в углероде с двойной связью. Три связи указывают на углы равностороннего треугольника с углеродом в центре. Полиэтилен образует линейную цепь, но при этом сохраняет тетраэдрическую форму углеродной связи с атомами водорода.В кристаллическом состоянии он образует линейную зигзагообразную конформацию (рис. 1.4).

1,3. Тетраэдрический атом углерода.

1,4. Разнообразие углеродных структур.

Все, что вам нужно знать

Виды клея по металлу

Выбор лучшего клея для металла имеет важное значение для надежной посадки. Металлические клеи обычно делятся на три типа: эпоксидные, полиуретановые и суперклеи.

Эпоксидные клеи — это высокоэффективные клеи, которые часто используются в плотницких и деревообрабатывающих работах или для специализированных творческих целей, таких как изготовление бижутерии.Эти методы включают не только дерево, но и в некоторых случаях металл, например, поручни, ножки стола или дверные ручки. Эпоксидные смолы бывают разных типов с разными свойствами: гибкие или жесткие, прозрачные или непрозрачные, быстрое или медленное схватывание. Они также обладают высокой устойчивостью к воздействию тепла и химикатов.

Лучшая эпоксидная смола для металла — Loctite Epoxy Metal / Concrete, двухкомпонентная система, состоящая из эпоксидной смолы и отвердителя. Смола и отвердитель объединяются для создания прочного, высокопрочного соединения, которое высыхает за считанные минуты и может использоваться для ремонта, заполнения и восстановления любых металлических и бетонных поверхностей.

Полиуретаны также широко используются с металлами. Полиуретаны водостойки и устойчивы к ультрафиолетовому излучению, быстро схватываются, не будучи хрупкими. После отверждения их можно шлифовать, окрашивать и красить. Благодаря этому они отлично подходят для многих работ по дому, включая ремонт полов или готовых столярных изделий, таких как шкафы или столы.

Качественный строительный клей для наружных работ должен быть на основе полиуретана, отверждаемым влагой, чтобы обеспечить более прочное соединение, чем обычные строительные клеи.Как и многие полиуретаны, он работает с металлом в широком диапазоне температур, что делает его лучшим металлическим клеем для наружного применения.

Супер клеи — это высокопроизводительные промышленные клеи, которые идеально подходят почти для всех домашних ремонтных работ. Большинство из них хорошо связываются с металлом, а также тканями, деревом и пластмассами, что делает их полезными при соединении или ремонте автомобильных деталей, украшений, мелкой бытовой техники и многих других предметов повседневного обихода.

Надежный и быстрый жидкий клей Loctite Super Glue Liquid обеспечивает превосходное склеивание металлов.Он прочный и простой в использовании; Он устойчив к погодным условиям и влаге, схватывается за секунды, не требует зажима и легко устанавливается.

Склеивание металлов | Протокол

9.14: Склеивание металлов

Металлические связи образуются между двумя атомами металла. Пауль Дрюде разработал упрощенную модель для описания металлических связей, названную «Модель электронного моря».

Электронное море Модель

Большинство атомов металлов не обладают достаточным количеством валентных электронов, чтобы вступить в ионную или ковалентную связь.Однако валентные электроны в атомах металлов слабо удерживаются из-за их низкой электроотрицательности или притяжения к ядру. Энергия ионизации атомов металла (энергия, необходимая для удаления электрона из атома) мала, что способствует легкому удалению валентных электронов из родительского атома. Атом образует положительно заряженный ион металла, а свободные внешние электроны существуют в виде отрицательно заряженных делокализованных электронных облаков. Эти электроны могут совместно использоваться несколькими соседними катионами металлов благодаря сильной силе притяжения между этими отрицательно и положительно заряженными частицами.Такая сила притяжения между отрицательно заряженными электронами и катионами металлов называется металлическими связями, удерживающими атомы вместе. Эта модель электронного моря учитывает большинство физических свойств металлов, таких как проводимость по отношению к теплу и электричеству, высокие температуры плавления и кипения, пластичность и пластичность.

Металлические твердые тела

Модель электронного моря учитывает несколько металлических свойств, включая высокую теплопроводность и электрическую проводимость, металлический блеск, пластичность и пластичность.Делокализованные электроны могут проводить электричество и тепло от одного конца металла к другому с низким сопротивлением. Металлическая связь не между двумя конкретными атомами металла, а между ионами металла и множеством делокализованных электронов, позволяя металлам деформироваться под давлением и нагреванием без разрушения или разрушения. Различные металлы, такие как железо, ртуть или медь, различаются по своим физическим свойствам, что отражает разницу в прочности металлических связей между металлами.

Металлические твердые тела, такие как кристаллы меди, алюминия и железа, образованы атомами металлов: все они обладают высокой теплопроводностью и электропроводностью, металлическим блеском и пластичностью.Многие из них очень твердые и довольно сильные. Благодаря своей пластичности (способности деформироваться под давлением или ударами) они не разрушаются и, следовательно, являются полезными строительными материалами. Температуры плавления металлов сильно различаются. Ртуть является жидкостью при комнатной температуре, а щелочные металлы плавятся ниже 200 ° C. Некоторые постпереходные металлы также имеют низкие температуры плавления, тогда как переходные металлы плавятся при температурах выше 1000 ° C.