Просмотр кода страницы Металлы

{{о|соответствующем направлении рок-музыки|Метал}}
{{←|Металл}}
[[Файл:Металлы.JPG|thumb|280px|Металлы — одни из самых распространённых материалов, используемых [[Цивилизация|цивилизацией]] на протяжении практически [[Всемирная история|всей её истории]]]]
'''Мета́ллы''' ({{lang-la|metallum}} от {{lang-grc|μέταλλον}} — «шахта, рудник»<ref>Словарь иностранных слов. — М.: «[[Русский язык (издательство)|Русский язык]]», 1989. — 624 с. ISBN 5-200-00408-8</ref>) — группа [[химический элемент|химических элементов]], обладающих в виде [[простое вещество|простых веществ]] при [[Стандартные условия#Нормальные условия|нормальных условиях]] характерными металлическими свойствами, такими как высокие [[теплопроводность|тепло-]] и [[электропроводность]], положительный [[Температурный коэффициент электрического сопротивления|температурный коэффициент сопротивления]], высокая [[Пластичность (физика)|пластичность]], [[ковкость]] и характерный металлический блеск<ref name="БРЭ">{{БРЭ|статья=Металлы|ссылка=https://old.bigenc.ru/physics/text/2207891|архив=https://web.archive.org/web/20230103220037/https://bigenc.ru/physics/text/2207891|архив дата=2023-01-03}}</ref>.

== Происхождение слова ==
Слово «металл» было [[Заимствование|заимствовано]] в русский из [[немецкий язык|немецкого языка]]. Оно отмечается в «Травнике» Николая Любчанина, написанном в 1534 году: «''…злато и серебро всех металей одолеваетъ''». Окончательно слово было усвоено в [[Пётр I|Петровскую эпоху]]. Первоначально оно имело общее значение «[[минерал]], [[руда]], металл»; разграничение этих понятий произошло в эпоху [[Ломоносов, Михаил Васильевич|М. В. Ломоносова]]<ref>{{Книга|автор=Ломоносов М. В.|заглавие=Основы металлургии и горного дела|ответственный=|издание=|место=Санкт-Петербург|издательство=Императорская Академия Наук|год=1763|страницы=|страниц=416|isbn=|isbn2=}}</ref>.

{{Цитата|автор=М. В. Ломоносов|Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел находим только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец. Разделяются на высокие и простые металлы; которое разнство в том состоит, что высоких одним огнём без помощи других материй в пепел сожечь не можно, а напротив того простые через едину онаго силу в пепел обращаются.|…|За полуметаллы почитаются мышьяк, сурьма, висмут, цинк и ртуть.}}

Немецкое слово ''metall'' было заимствовано из [[Латинский язык|латинского языка]], где ''metallum'' — «[[рудник]], металл». Латинское слово, в свою очередь, пришло из [[греческий язык|греческого языка]] (''μεταλλον'' — «[[рудник]], [[копь]]»)<ref>Этимологический словарь русского языка. Вып. 10: М / Под общей редакцией А. Ф. Журавлёва и Н. М. Шанского. — М.: Изд-во МГУ, 2007. — 400 с. ISBN 978-5-211-05375-5</ref>.

== Классификация ==
Из 118 [[Химический элемент|химических элементов]], открытых на 2019 год, к металлам часто относят (единого общепринятого химического определения нет, например, [[полуметаллы]] и [[полупроводники]] не всегда относят к металлам):

* 6 элементов в группе [[Щелочные металлы|щелочных металлов]]: [[Литий|Li]], [[Натрий|Na]], [[Калий|K]], [[Рубидий|Rb]], [[Цезий|Cs]], [[Франций|Fr]];
* 6 в группе [[Щёлочноземельные металлы|щёлочноземельных металлов]]: [[Кальций|Ca]], [[Стронций|Sr]], [[Барий|Ba]], [[Радий|Ra]]; а также [[магний|Mg]] и [[бериллий|Be]];
* 38 в группе [[Переходные металлы|переходных металлов]]:

** Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn;<br>Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd;<br>Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg;<br>Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn;

* 7 в группе [[Лёгкие металлы|лёгких металлов]]: Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi;
* 7 в группе [[Полуметаллы|полуметаллов]]<ref>Строго говоря из-за [[Амфотерность|амфотерности]] химических свойств полуметаллы ([[металлоиды]]) представляют собой обособленную группу, не относясь ни к металлам, ни к неметаллам; К группе металлов их можно отнести лишь условно.</ref>: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po;
* 14 в группе [[лантаноиды|лантаноидов]] + [[лантан]] (La): Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu;
* 14 в группе [[актиноиды|актиноидов]] (физические свойства изучены не у всех элементов) + [[актиний]] (Ac): Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr.

Металлическими свойствами обладает также [[металлический водород]], получаемый при сверхвысоких давлениях и сверхнизкой температуре; предполагается, что эта [[Аллотропия|аллотропическая модификация]] водорода может быть метастабильной и сохранять свои свойства и при нормальных условиях<ref>{{Статья|автор=Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera|заглавие=Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen|ссылка=http://science.sciencemag.org/content/early/2017/01/25/science.aal1579|язык=en|издание=Science|год=2017-01-26|страницы=eaal1579|issn=0036-8075, 1095-9203|doi=10.1126/science.aal1579|archivedate=2017-02-15|archiveurl=https://web.archive.org/web/20170215040258/http://science.sciencemag.org/content/early/2017/01/25/science.aal1579}}</ref><ref>{{Cite news|title=Scientists Have Finally Created Metallic Hydrogen|first=Geology|last=In|url=http://www.geologyin.com/2017/01/scientists-have-finally-created.html|work=Geology IN|accessdate=2017-01-28|archivedate=2017-01-30|archiveurl=https://web.archive.org/web/20170130223509/http://www.geologyin.com/2017/01/scientists-have-finally-created.html}}</ref><ref>{{cite news|title=В США ученые провели эпохальный опыт. Они получили металлический водород|url=https://www.ng.ru/science/2017-01-27/100_metalhydro.html|accessdate=2022-06-03|agency=Независимая газета|date=2017-01-07|archivedate=2020-11-12|archiveurl=https://web.archive.org/web/20201112041656/https://www.ng.ru/science/2017-01-27/100_metalhydro.html}}</ref>. Тем не менее водород не относят к металлам.

Таким образом, к металлам могут относиться более 90 элементов из всех открытых.

В [[астрофизика|астрофизике]] термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее [[гелий|гелия]] ''(см. [[Металличность]])''.

Кроме того, в физике металлам, как [[Проводник (электричество)|проводникам]], противопоставляются [[полупроводники]] и [[диэлектрики]] (см. также ''[[Полуметалл (спинтроника)|Полуметалл]]'')<ref>Металлы // [[Энциклопедический словарь (Педагогика)|Энциклопедический словарь]] юного физика. / Сост. В. А. Чуянов. — М.: Педагогика, 1984. — [http://padaread.com/?book=18526&pg=170 с. 165—167] {{Wayback|url=http://padaread.com/?book=18526&pg=170 |date=20160311162151 }}. — 352 с.</ref>.

=== Некоторые группы/семейства металлов (по разным классификациям) ===
[[Файл:Osmium crystals.jpg|thumb|300px|[[Осмий]]]] [[Файл:Aluminium bar surface etched.jpg|thumb|300px|[[Алюминий]]]] [[Файл:Barium unter Argon Schutzgas Atmosphäre.jpg|thumb|300px|[[Барий]]]]

==== Металлы по химическим свойствам ====
* [[Щелочные металлы|Щелочные]] (например, [[литий]], [[натрий]], [[калий]])
* [[Щёлочноземельные металлы|Щёлочноземельные]] (например, [[кальций]], [[стронций]], [[барий]])
** Другие, которые зачастую относят к щёлочноземельным: [[бериллий]], [[магний]]
* [[Переходные металлы|Переходные]] (например, [[Уран (элемент)|уран]], [[Титан (элемент)|титан]], [[железо]], [[никель]], [[кобальт]], [[молибден]], [[вольфрам]], [[платина]])
* [[Постпереходные металлы|Постпереходные]]:
** [[Лёгкие металлы|Лёгкие]] (например, [[алюминий]], [[олово]])

==== Металлы по физическим свойствам и отраслям экономики ====
:
* [[Тяжёлые металлы|Тяжёлые]] (например, [[свинец]], [[медь]], [[ртуть]], [[кадмий]], [[кобальт]])
* [[Тугоплавкие металлы|Тугоплавкие]] (например, [[молибден]], [[вольфрам]])
* [[Цветные металлы|Цветные]] (например, [[свинец]], [[медь]], [[олово]], [[цинк]], [[никель]])
* [[Благородные металлы|Благородные]]: [[золото]], [[серебро]] и [[металлы платиновой группы]]

== Нахождение в природе ==
Бо́льшая часть металлов присутствует в природе в виде [[Руда|руд]] и соединений. Они образуют [[оксид]]ы, [[Сульфиды (неорганические)|сульфиды]], [[карбонат]]ы и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят [[Легирование (металлургия)|легирование]] и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука [[металлургия]]. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе [[Железо|железа]]) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 химических элементов). Золото, серебро и [[платина]] относятся также к ''[[Благородные металлы|драгоценным (благородным) металлам]]''. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде и в живых организмах (играя при этом важную роль).

Известно, что организм человека на 3 % состоит из [[металл]]ов<ref>Юрий Кукшкин. [http://n-t.ru/ri/kk/hm16.htm Химия вокруг нас] {{Wayback|url=http://n-t.ru/ri/kk/hm16.htm |date=20120125095019 }}</ref>. Больше всего в организме [[Кальций|кальция]] (в [[кость|костях]]) и [[Натрий|натрия]], выступающего в роли электролита в межклеточной жидкости и цитоплазме. [[Магний]] накапливается в [[Мышцы|мышцах]] и [[Нервная система|нервной системе]], [[медь]] — в [[Печень|печени]], [[железо]] — в [[Кровь|крови]].

== Производство металлов ==

=== Подготовка руды ===
{{main|Руда|Добыча полезных ископаемых|Обогащение руд|Металлургия|Металловедение}}
Металлы извлекают из земли в процессе [[Добыча полезных ископаемых|добычи полезных ископаемых]]. Добытые руды служат относительно богатым источником необходимых элементов. Для выяснения нахождения руд в [[Земная кора|земной коре]] используются специальные поисковые методы, включающие разведку и исследование рудных месторождений. Месторождения руд разрабатываются [[Открытые горные работы|открытым]] или [[карьер]]ным способом и [[Подземные горные работы|подземным]] или [[Шахта|шахтным]] способом. Иногда применяется комбинированный (открыто-подземный) способ разработки рудных месторождений.

После извлечения руд они, как правило, подвергаются [[Обогащение руды|обогащению]]. При этом из исходного минерального сырья выделяют один или несколько полезных компонентов — [[Металлургический концентрат|рудный концентрат]](ы), промпродукты и отвальные [[Хвосты (в горном деле)|хвосты]]. В процессах обогащения используют отличия минералов полезного компонента и пустой породы в плотности, магнитной восприимчивости, смачиваемости, электропроводности, крупности, форме зёрен, химических свойствах и др.

=== Работа с рудой ===
Из добытой и обогащённой руды металлы извлекаются, как правило, с помощью химического или электролитического восстановления. В [[Пирометаллургия|пирометаллургии]] для преобразования руды в металлическое сырьё используются высокие температуры, в [[Гидрометаллургия|гидрометаллургии]] применяют для тех же целей водную химию. Используемые методы зависят от вида металла и типа загрязнения.

Когда металлическая руда является ионным соединением металла и неметалла, для извлечения чистого металла она обычно подвергается выплавлению — нагреву с восстановителем. Многие распространённые металлы, такие как [[железо]], [[медь]], [[олово]], плавят с использованием [[углерод]]а в качестве восстановителя. Некоторые металлы, такие как [[алюминий]] и [[натрий]], не имеют ни одного экономически оправданного восстановителя и извлекаются с применением [[электролиз]]а.<ref name="losal">{{ref-en}} {{cite web|url=http://periodic.lanl.gov/11.shtml|title=Los Alamos National Laboratory – Sodium|archiveurl=https://www.webcitation.org/69fbIIDQN?url=http://periodic.lanl.gov/11.shtml|archivedate=2012-08-04|accessdate=2007-06-08|deadlink=no}}</ref><ref>{{ref-en}} {{cite web|url=http://periodic.lanl.gov/13.shtml|title=Los Alamos National Laboratory – Aluminum|archiveurl=https://www.webcitation.org/69fbIm7Or?url=http://periodic.lanl.gov/13.shtml|archivedate=2012-08-04|accessdate=2007-06-08|deadlink=no}}</ref>

[[Сульфиды (неорганические)|Сульфидные]] руды не улучшаются непосредственно до получения чистого металла, но обжигаются на воздухе, с целью преобразования их в окислы.

== Физические свойства металлов ==

=== Твёрдость ===
Все металлы (кроме ртути и, условно, [[франций|франция]]) при [[Нормальные условия|нормальных условиях]] находятся в [[Твёрдое тело|твёрдом состоянии]], однако обладают различной [[твёрдость]]ю. Ниже в таблице приводится твёрдость некоторых металлов по [[Шкала Мооса|шкале Мооса]].

{| align="center" class="mw-collapsible mw-collapsed wikitable sortable"
|+ Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:<ref>{{книга|ссылка=|автор=Поваренных А. С.|заглавие=Твердость минералов|ответственный=|год=1963|место=|издательство=АН СССР|страницы=197—208. — 304 с|страниц=|isbn=}}</ref>
|-
!Твёрдость!!Металл
|-
|0.2||[[Цезий]]
|-
|0.3||[[Рубидий]]
|-
|0.4||[[Калий]]
|-
|0.5||[[Натрий]]
|-
|0.6||[[Литий]]
|-
|1.2||[[Индий]]
|-
|1.2||[[Таллий]]
|-
|1.25||[[Барий]]
|-
|1.5||[[Стронций]]
|-
|1.5||[[Галлий]]
|-
|1.5||[[Олово]]
|-
|1.5||[[Свинец]]
|-
|1.5||[[Ртуть|Ртуть<sub>(тв.)</sub>]]
|-
|1.75||[[Кальций]]
|-
|2.0||[[Кадмий]]
|-
|2.25||[[Висмут]]
|-
|2.5||[[Магний]]
|-
|2.5||[[Цинк]]
|-
|2.5||[[Лантан]]
|-
|2.5||[[Серебро]]
|-
|2.5||[[Золото]]
|-
|2.59||[[Иттрий]]
|-
|2.75||[[Алюминий]]
|-
|3.0||[[Медь]]
|-
|3.0||[[Сурьма]]
|-
|3.0||[[Торий]]
|-
|3.17||[[Скандий]]
|-
|3.5||[[Платина]]
|-
|3.75||[[Кобальт]]
|-
|3.75||[[Палладий]]
|-
|3.75||[[Цирконий]]
|-
|4.0||[[Железо]]
|-
|4.0||[[Никель]]
|-
|4.0||[[Гафний]]
|-
|4.0||[[Марганец]]
|-
|4.5||[[Ванадий]]
|-
|4.5||[[Молибден]]
|-
|4.5||[[Родий]]
|-
|4.5||[[Титан (элемент)|Титан]]
|-
|4.75||[[Ниобий]]
|-
|5.0||[[Иридий]]
|-
|5.0||[[Рутений]]
|-
|5.0||[[Тантал (элемент)|Тантал]]
|-
|5.0||[[Технеций]]
|-
|5.0||[[Хром]]
|-
|5.5||[[Бериллий]]
|-
|5.5||[[Осмий]]
|-
|5.5||[[Рений]]
|-
|6.0||[[Вольфрам]]
|-
|6.0||[[Уран (элемент)|β-Уран]]
|}

=== Температура плавления ===
[[Температура плавления|Температуры плавления]] чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C ([[вольфрам]]). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, [[олово]] и [[свинец]], могут расплавиться на обычной [[Электрическая плита|электрической]] или [[Газовая плита|газовой плите]].

=== Плотность ===
В зависимости от [[Плотность|плотности]], металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и [[Тяжёлые металлы|тяжёлые]] (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является [[литий]] (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности [[Осмий|осмия]] и [[Иридий|иридия]] — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

=== Пластичность ===
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв [[атом]]ов металлов без разрыва [[Металлическая связь|связи]] между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и [[медь]]. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из [[цинк]]а или [[олово|олова]] хрустит при сгибании; [[марганец]] и [[висмут]] при [[Деформация|деформации]] вообще почти не сгибаются, а сразу [[Хрупкость|ломаются]]. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый [[хром]] весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.

=== Электропроводность ===
Все металлы хорошо проводят [[электрический ток]]<ref name="БРЭ"/>; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных [[электрон]]ов, перемещающихся под действием [[Электрическое поле|электрического поля]]. Серебро, золото, медь и [[алюминий]] имеют наибольшую [[электропроводность]]; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для [[провод]]ов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

=== Теплопроводность ===
Высокая [[теплопроводность]] металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.

=== Цвет ===
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и [[цезий]] соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета. Осмий имеет хорошо различимый голубой цвет.

== Взаимодействие с простыми веществами ==
На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны).

=== Реакции с простыми веществами ===
* С [[кислород]]ом реагируют все металлы, кроме золота и платиновых металлов. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться [[оксиды]], [[пероксиды]], [[надпероксиды]]:
: <math>\mathsf{4Li+O_2=2Li_2O}</math> ''оксид лития''
: <math>\mathsf{2Na+O_2=Na_2O_2}</math> ''пероксид натрия''
: <math>\mathsf{K+O_2=KO_2}</math> ''надпероксид калия''
Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом: <br>
: <math>\mathsf{Na_2O_2+2Na=2Na_2O}</math>
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:<br>
: <math>\mathsf{3Fe+2O_2=Fe_3O_4}</math>
: <math>\mathsf{2Hg+O_2=2HgO}</math>
: <math>\mathsf{2Cu+O_2=2CuO}</math>
* С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя [[нитриды]]:
: <math>\mathsf{6Li+N_2=2Li_3N}</math>
При нагревании: <br>
: <math>\mathsf{2Al+N_2=2AlN}</math>
: <math>\mathsf{3Ca+N_2=Ca_3N_2}</math>
* С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины.
Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя [[Сульфиды (неорганические)|сульфид]]: <br>
: <math>\mathsf{Fe+S=FeS}</math>
* С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп, кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются [[гидриды]]. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:
: <math>\mathsf{2Na+H_2=2NaH}</math>
: <math>\mathsf{Mg+H_2=MgH_2}</math>
* С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются [[ацетилениды]] или [[метаниды]]. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают [[ацетилен]], метаниды — [[метан]].
: <math>\mathsf{2Na+2C=Na_2C_2}</math>
: <math>\mathsf{Na_2C_2+2H_2O=2NaOH+C_2H_2}</math>

== Взаимодействие кислот с металлами ==
С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в [[Электрохимический ряд активности металлов|электрохимическом ряду активности металлов]] (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

=== Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода ===
Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

: <math>\mathsf{Mg + 2HCl = MgCl_2 + H_2\uparrow}</math>

: <math>\mathsf{2Al+2H_3PO_4 = 2AlPO_4 + 3H_2\uparrow}</math>

=== Взаимодействие концентрированной серной кислоты H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> с металлами ===
Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:
: <math>\mathsf{Cu + 2H_2SO_4 = CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2 H_2O}</math>

Сильно разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

: <math>\mathsf{Mg + H_2SO_4 = MgSO_4 + H_2\uparrow}</math>

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

: <math>\mathsf{Mg + 2H_2SO_4 = MgSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O}</math>

: <math>\mathsf{3Mg + 4H_2SO_4 = 3MgSO_4 + S\downarrow + 4H_2O}</math>

: <math>\mathsf{4Mg + 5H_2SO_4 = 4MgSO_4 + H_2S\uparrow + 4H_2O}</math>

=== Реакции для азотной кислоты (HNO<sub>3</sub>) ===
[[Файл:HNO3-gas2.png|thumb|280 px|Продукты взаимодействия железа с HNO<sub>3</sub> разной концентрации]]

: <math>\mathsf{Cu + 4HNO_3 (60\%) = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}</math>

: <math>\mathsf{3Cu + 8HNO_3 ( 30\%)= 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}</math>

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:
: <math>\mathsf{Zn + 4HNO_3 (60\%)= Zn(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}</math>

: <math>\mathsf{3Zn + 8HNO_3 (30\%)= 3Zn(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}</math>

: <math>\mathsf{4Zn + 10HNO_3 (20\%)= 4Zn(NO_3)_2 + N_2O\uparrow + 5H_2O}</math>

: <math>\mathsf{5Zn + 12HNO_3 (10\%)= 5Zn(NO_3)_2 + N_2\uparrow + 6H_2O}</math>

: <math>\mathsf{4Zn + 10HNO_3 (3\%)= 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O}</math>

=== Легирование ===
{{main|Легирование (металлургия)}}
Легирование — это введение в расплав дополнительных элементов, модифицирующих механические, физические и химические свойства основного материала.

== Электронное строение ==
Все металлы имеют слабую связь [[Валентные электроны|валентных электронов]] ([[электрон]]ов внешнего энергетического уровня) с [[атомное ядро|ядром]]. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых [[Электроны проводимости|электронами проводимости]]) в [[Кристаллическая решётка|кристаллической решётке]]. Совокупность таких электронов часто называют ''[[Электронный газ|электронным газом]]''. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают [[фонон]]ы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения [[Дислокация (кристаллография)|дислокаций]] и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, [[Вакансия (физика)|вакансии]] и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к [[Коррозия|коррозии]] и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по [[Электрохимический ряд активности металлов|ряду активности металлов]]. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами ([[сплав]], важнейшим из которых является [[сталь]]), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать [[квантовая механика|квантовую механику]]. Во всех твёрдых телах с достаточной [[симметрия|симметрией]] уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют [[разрешённая зона|разрешённые зоны]], причём зона, образованная валентными электронами, называется [[валентная зона|валентной зоной]]. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, то есть течёт [[электрический ток]].

Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск).

== Структура металлов ==
[[Файл:Metalinterstitials.png|thumb|300px|Кристаллическая структура сплавов]]
[[Файл:Cryst struct deficit.svg|thumb|200px|Вакансия в кристаллической решётке]]
[[Файл:Dendrite formation.gif|thumb|300px|Образование дендритов]]
{{См. также|Металловедение}}
Ни один металл невозможно приготовить в абсолютно чистом состоянии. Технически «чистые» металлы могут содержать до нескольких процентов примесей, и если эти примеси являются элементами с низким атомным весом (например, [[углерод]], [[азот]] или [[кислород]]), то в пересчёте на атомные проценты содержание этих примесей может быть очень большим. Первые небольшие количества примесей в металле обычно входят в кристалл в виде твёрдого раствора. Можно выделить два главных типа [[Твёрдый раствор|твёрдых растворов]]:
* первый, когда атомы примеси намного меньше атомов металла-растворителя, растворённые атомы располагаются в решётке растворителя по междоузлиям, или «пустотам». Образование таких твёрдых растворов — твёрдых растворов внедрения — почти всегда сопровождается расширением решётки растворителя, и в окрестности каждого растворённого атома имеется локальное искажение решётки;
* второй, когда атомы примеси и растворителя имеют приблизительно одинаковые размеры, образуется твёрдый раствор замещения, в котором атомы растворённого элемента замещают атомы растворителя, так что атомы обоих сортов занимают места в узлах общей решётки. В таких случаях тоже вокруг каждого растворённого атома имеется искажённая область, а будет ли при этом решётка расширяться или сжиматься, зависит от относительных размеров атомов растворителя и растворённого вещества{{Sfn|Юм-Розери|1965|c=92}}.

Для большей части металлов наиболее важными элементами, образующими твёрдые растворы внедрения, являются водород, бор, углерод, азот и кислород. Присутствие [[Дислокация (кристаллография)|дислокаций]] всегда приводит к появлению аномально больших или малых межатомных расстояний. В присутствии примесей каждая дислокация окружена «атмосферой» примесных атомов. Примесные атмосферы «закрепляют» дислокации, потому что в результате перемещения дислокаций будет образовываться новая конфигурация с повышенной энергией. Границы между кристаллами также являются областями с аномальными межатомными расстояниями и, следовательно, тоже растворяют примесные атомы легче, чем неискажённые области кристаллов.

При увеличении содержания примесей растворённые атомы входят и в основную массу кристалла, однако всё ещё имеется избыток примеси по границам зёрен и вокруг дислокаций. Когда содержание примеси превышает предел растворимости, появляется новая фаза, которая может представлять собой или растворённое вещество, или промежуточную фазу, или соединение. В таких случаях границы между фазами могут быть двух родов. В общем случае кристаллическая структура частичек примеси слишком отлична от структуры металла-растворителя, поэтому решётки двух фаз не могут переходить одна в другую, образуя непрерывную структуру. В таких случаях на границах раздела фаз образуются слои с нерегулярной (искажённой) структурой. С образованием границ связано появление свободной поверхностной энергии, однако энергия деформации решётки растворителя относительно невелика. В таких случаях говорят, что эти частицы выделяются некогерентно.

B ряде случаев межатомные расстояния и кристаллическая структура металла-растворителя и частичек примеси таковы, что некоторые плоскости могут соединяться между собой, образуя непрерывную структуру. Тогда говорят, что частицы второй фазы выделяются когерентно и, поскольку сопряжение решёток никогда не бывает абсолютно точным, вокруг границы образуется сильно напряжённая область. В тех случаях, когда энергия деформации слишком велика для этого, соседние кристаллы могут контактировать таким образом, что при этом в пограничных слоях возникают области упругой деформации, а на самой границе раздела — дислокации. В таких случаях говорят, что частицы выделяются полукогерентно{{Sfn|Юм-Розери|1965|c=93—94}}.

При повышении температуры вследствие увеличения амплитуды колебаний атомов может образоваться дефект кристаллической решётки, который называют вакансия или «дырка». Диффузия вакансий является одним из механизмов образования дислокаций{{Sfn|Юм-Розери|1965|c=97}}.

Как правило, кристаллизация металла происходит путём переохлаждения с образованием [[Дендрит (кристалл)|дендритной структуры]]. По мере разрастания дендритные кристаллы соприкасаются, при этом образуются различные дефекты структуры. В большинстве случаев металл затвердевает так, что первая порция кристаллов содержит меньше примесей, чем последующие. Поэтому, как правило, примеси концентрируются на границах зёрен, образуя стабильные структуры{{Sfn|Юм-Розери|1965|c=103}}.

== Применение металлов ==

=== Конструкционные материалы ===
Металлы и их [[сплав]]ы — одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется, прежде всего, их высокой [[прочность]]ю, однородностью и непроницаемостью для [[жидкость|жидкостей]] и [[газ]]ов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

=== Электротехнические материалы ===
Металлы используются как в качестве хороших [[Электрический проводник|проводников]] электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным [[Электрическое сопротивление|сопротивлением]] для [[резистор]]ов и электронагревательных элементов ([[нихром]] и т. п.).

=== Инструментальные материалы ===
Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном, это [[инструментальная сталь|инструментальные стали]] и [[твёрдый сплав|твёрдые сплавы]]. В качестве инструментальных материалов применяются также [[алмаз]], [[нитрид бора]], [[керамика]].

== История развития представлений о металлах ==
{{См. также|История производства и использования железа}}
Знакомство человека с металлами началось с [[Золото|золота]], [[Серебро|серебра]] и [[Медь|меди]], то есть с металлов, встречающихся в свободном состоянии на земной поверхности; впоследствии к ним присоединились металлы, значительно распространенные в природе и легко выделяемые из их соединений: [[олово]], [[свинец]], [[железо]] и [[ртуть]]. Эти семь металлов были знакомы человечеству в глубокой древности. Среди древнеегипетских артефактов встречаются золотые и медные изделия, которые, по некоторым данным, относятся к эпохе, удаленной на 3000—4000 лет от н. э.

К семи известным металлам уже только в [[средние века]] прибавились [[цинк]], [[висмут]], [[сурьма]] и в начале XVIII столетия [[мышьяк]]. С середины XVIII века число открытых металлов быстро возрастает и к началу XX столетия доходит до 65, а к началу XXI века — до 96.

Ни одно из химических производств не способствовало столько развитию химических знаний, как процессы, связанные с получением и обработкой металлов; с историей их связаны важнейшие моменты истории химии. Свойства металлов так характерны, что уже в самую раннюю эпоху золото, серебро, медь, свинец, олово, железо и ртуть составляли одну естественную группу однородных веществ, и понятие о «металле» относится к древнейшим химическим понятиям. Однако воззрения на их натуру в более или менее определенной форме появляются только в средние века у [[Алхимия|алхимиков]]. Правда, идеи [[Аристотель|Аристотеля]] о природе: образования всего существующего из четырёх элементов (огня, земли, воды и воздуха) уже тем самым указывали на сложность металлов; но эти идеи были слишком туманны и абстрактны. У алхимиков понятие о сложности металлов и, как результат этого, вера в возможность превращать одни металлы в другие, создавать их искусственно, является основным понятием их миросозерцания.

Лишь [[Лавуазье, Антуан Лоран|Лавуазье]] выяснил роль воздуха при горении и показал, что прибыль в весе металлов при обжигании происходит от присоединения к металлам кислорода из воздуха, и таким образом установил, что акт горения металлов есть не распадение на элементы, а, напротив, акт соединения, вопрос о сложности металлов был решен отрицательно. Металлы были отнесены к простым химическим элементам, в силу основной идеи Лавуазье, что простые тела суть те, из которых не удалось выделить других тел. С созданием [[Периодическая система химических элементов|периодической системы химических элементов]] [[Менделеев, Дмитрий Иванович|Менделеевым]] элементы металлов заняли в ней своё законное место.

== См. также ==
{{Навигация| Тема = Металлы| Викицитатник = Металл| Викисловарь  = металл}}
* [[Сталь]]
* [[Сплав]]
* [[Металлургия]]
* [[Металлофонд]]
* [[Металличность]]
* [[Неорганические вещества]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* ''[[Вуколов, Семён Петрович|Вуколов С. П.]]'' {{ВТ-ЭСБЕ|Металлы и металлоиды}}
* {{БРЭ|статья=Металлы|ссылка=https://old.bigenc.ru/physics/text/2207891|архив=https://web.archive.org/web/20230103220037/https://bigenc.ru/physics/text/2207891|архив дата=2023-01-03}}
* {{ХЭ|автор=|статья=Металлы|ссылка=|том=3|с=52—54|стлб=|ref=}}
* {{книга|автор=Гуляев А. П.|заглавие=Металловедение|издание=6-е|место=М.|издательство=Металлургия|год=1986|страниц=544|ссылка=https://books.google.co.il/books?id=Ybv_AgAAQBAJ&pg=PA1}}
* {{книга|автор=Шейпак А. А.|ответственный=|заглавие=Техника в ее историческом развитии|часть=Глава II. Металлургия|место=М.|год=2004|издательство=МГИУ|том=II|издание=2-е|страниц=302|страницы=54—108|ссылка=https://books.google.co.il/books?id=yEf2wgO6jtwC&pg=PA54|ref=teh_history}}
* {{книга|автор=[[Венецкий, Сергей Иосифович|Венецкий С. И.]]|заглавие=В мире металлов|издание=|место=М.|издательство=Металлургия|год=1982|страниц=256|ссылка=}}
* {{книга|автор=Венецкий С. И.|заглавие=О редких и рассеянных: Рассказы о металлах|ответственный=Предисл. А. Ф. Белова|издание=|место=М.|издательство=Металлургия|год=1980|страниц=184|ссылка=}}
* {{книга|автор=Юм-Розери В.|заглавие=Введение в физическое металловедение|издание=Пер. с англ. В. М. Глазова и С. Н. Горина|место=Москва|издательство=Металлургия|год=1965|страниц=203|ссылка=|ref=Юм-Розери}}

== Ссылки ==
* [http://www.imet.ac.ru/metally/ Сайт журнала ''Металлы'']
* [http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/ Электронный справочник по теплофизическим свойствам металлов]

{{Ряд активности металлов}}
{{Группы химических элементов}}
{{ВС}}
{{Металлургия}}

[[Категория:Металлы]]
[[Категория:Группы химических элементов]]