Металл

Основной источник статьи: Большая российская энциклопедия

МЕТА́ЛЛЫ ─ вещества, состоящие из атомов, легко отдающих электроны в процессе химических реакций, и обладающие характерными свойствами – высокими электро- и теплопроводностью, пластичностью, положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления, способностью хорошо отражать свет и т. д.

Металлы как вещества

К металлам относятся как собственно металлы (простые вещества), так и их сплавы и интерметаллические соединения (интерметаллиды), которые от обычных металлов отличаются более сложной кристаллической структурой. В металлическом состоянии могут находиться сильно легированные полупроводники, а также вещества, состоящие из атомов неметаллов, напр. полимерный кристалл (SN)_x. Металлическими свойствами обладают также некоторые химические соединения (например, кристаллы оксидов типа MoO₂, WO₂, халькогенидов NbSe₂, TaS₂), кристаллы, содержащие органические комплексы (см. Органические проводники), многокомпонентные материалы со структурой перовскита (например, YBa₂Cu₃O₇) или со слоистой структурой (например, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈), являющиеся высокотемпературными сверхпроводниками.

В природе металлы существуют в составе химических соединений – оксидов, сульфидов и др., образующих руды; золото, серебро, платина, медь и др. встречаются также в самородном состоянии.

В обычных условиях металлы – твёрдые тела, имеющие кристаллическое строение (в парообразном состоянии – в основном одноатомные газы). Температуры плавления металлов выше 300 К (кроме ртути, её температура плавления –38,83 °C). Максимальную температуру плавления имеет вольфрам (около 3420 °C). При плавлении металлы сохраняют металлические свойства (см. Жидкие металлы). Искусственно созданы аморфные твёрдые металлы (см. Аморфные металлы, Стекло металлическое).

Большинство простых металлов кристаллизуется в объёмноцентрированной кубической, гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решётках (см. Металлические кристаллы). Среди других решёток – тетрагональная с 1–2 атомами в элементарной ячейке (напр., индий). Лишь небольшое число металлов имеют более сложное строение, например низкотемпературная модификация марганца, в элементарной ячейке которого 58 атомов. Многие металлы в зависимости от температуры и давления могут существовать в различных кристаллических модификациях. Некоторые вещества в зависимости от кристаллической структуры могут быть металлами, диэлектриками, полупроводниками или полуметаллами, например олово (белое олово с тетрагональной структурой – металл, серое олово с кубической структурой алмаза – полупроводник), углерод (графит – полуметалл, алмаз – диэлектрик) (см. Полиморфизм).

Металлы и сплавы обычно состоят из большого числа мелких кристаллов (зёрен), неразличимых невооружённым глазом. Зёрна могут иметь округлую или вытянутую форму, быть крупными или мелкими и располагаться относительно друг друга в определённом порядке или случайно. Форма, размер и взаимное расположение, а также ориентировка зёрен зависят от условий их образования.

Историческая справка

Термин «металл» произошёл от греческого слова μέταλλον (от μεταλλεύω – выкапывать, добывать из земли), которое первоначально означало «копи, рудники» (в этом значении оно встречается у Геродота в 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл μεταλλεία . В древности и в средние века считалось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, железо, ртуть, олово, медь, свинец. По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием «лучей» планет и постепенно совершенствовались, превращаясь в золото (см. Алхимия). Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 века получила распространение гипотеза, согласно которой неблагородные металлы состоят из золы («окалины») и «начала горючести» – флогистона. М. В. Ломоносов насчитывал 6 металлов (золото, серебро, медь, олово, железо, свинец) и определял меьаллы как «светлое тело, которое ковать можно». В конце 18 века А. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона. В руководстве по химии (1789) он дал список простых веществ, 17 из которых отнёс к металлам (сурьма, серебро, мышьяк, висмут, углерод, медь, олово, железо, марганец, ртуть, молибден, никель, золото, платина, свинец, вольфрам, цинк). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В 1-й половине 19 века были открыты спутники платины, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, при химическом анализе минералов открыты неизвестные ранее металлы. В 1860–63 методом спектрального анализа открыты цезий, рубидий, таллий, индий. В конце 19 – начале 20 веков подтвердилось существование металлов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе периодического закона. Открытие радиоактивности в конце 19 века повлекло за собой поиски природных радиоактивных металлов. Начиная с 1930–1940-х гг. методом ядерных превращений искусственно получены радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы.

Широкое использование металлов привело к тому, что их основные физические свойства были изучены ещё в 19 веке. Микроскопическая теория металлов начала развиваться в 20 веке. В 1900 П. Друде предложил модель металла, в которой электропроводность осуществляется потоком электронного газа, заполняющего промежутки между атомами. Х. Лоренц развил идею Друде, применив к электронному газу кинетическую теорию газов. Однако построенная на применении законов классической механики и статистики теория Друде – Лоренца не могла объяснить некоторые экспериментальные факты. В 1927–28 В. Паули и А. Зоммерфельд устранили ряд недостатков теории Друде, предположив, что основная часть электронного газа в металлах при обычных температурах находится в вырожденном состоянии; эти работы легли в основу современной электронной теории металлов.

В 1929–30 Ф. Блох и Л. Бриллюэн рассмотрели влияние периодического поля кристаллической решётки на электронный газ, что привело к созданию зонной теории твёрдых тел. Применение к электронам в металлах теории обменного взаимодействия (В. Гейзенберг, П. Дирак, 1928) позволило понять природу ферромагнетизма и обнаружить новые магнитоупорядоченные состояния металлов – антиферромагнетизм (Л. Неель, 1932) и ферримагнетизм. В 1911 Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Исследование взаимодействия электронов друг с другом и с решёткой позволило раскрыть природу этого явления (Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер, 1956). Изучение нормальных, сверхпроводящих и магнитоупорядоченных металлов – три основных направления современной микроскопической теории металлов.