Մետաղ

Մետաղ (լատին․՝ metallum բառից, նշանակում է «հանքահոր»), առանձնահատուկ մետաղների հատկությունների տարրերի մի խումբ, որոնք ունեն բարձր էլեկտրաջերմահաղորդականություն, դիմադրության դրական ջերմաստիճանային գործակից։ Այսօր բացահայտված է միայն 98 մետաղատեսակ։

Գալիումի բյուրեղ

Բնության մեջ

Մետաղների մեծ մասը հանդիպում է բնության մեջ միացությունների և հանքաքարերի ձևով։ Նրանք կազմում են օքսիդներ, սուլֆիդներ, կարբոնատներ և այլ քիմիական միացություններ։ Մաքուր մետաղների ստացման և հետագա օգտագործման համար անհրաժեշտ է դրանք զատել հանքաքարից և զտել։ Անհրաժեշտության դեպքում կատարվում է մետաղների լեգիրացում և/կամ այլ մշակում։ Դրա ուսումնասիրությամբ զբաղվում է մետալուրգիա կոչվող գիտությունը։ Այն տարբերում է սև (երկաթի հիմքով) և գունավոր (դրանց բաղադրության մեջ չի մտնում երկաթը, շուրջ 70 տարր) մետաղների համաձուլվածքները։ Ոսկին, արծաթը և պլատինը դասվում են թանկարժեք (ազնիվ) մետաղների շարքին։ Բացի այդ, փոքր քանակությամբ մետաղներ առկա են նաև ծովի ջրում, բույսերում, կենդանի օրգանիզմներում, որոնք կարևոր նշանակություն ունեն օրգանական աշխարհի ձևավորման և գոյատևման գործընթացներում։

Հայտնի է, որ մարդու օրգանիզմի 3%-ը կազմված է մետաղներից^[1]։ Մեր բջիջներում ամենաշատը առկա են կալցիումը (ոսկորներում) և նատրիումը, որը միջբջջային հեղուկում և ցիտոպլազմայում էլեկտրոլիտի դեր է կատարում։ Մագնեզիումը կուտակվում է մկանային հյուսվածքներում և նյարդային բջիջներում, պղինձը՝ լյարդում, երկաթը՝ արյան կարմիր գնդիկների մեջ (կարմիր գույնը պայմանավորված է հենց երկաթի առկայությամբ)։

Արդյունահանում

Մետաղի հանքաքար

Մետաղները հաճախ հողից ստացվում են հանքային արդյունաբերության միջոցով, արդյունքը՝ ստացված հանքաքարերը, ծառայում են որպես անհրաժեշտ տարրերի համեմատաբար հարուստ աղբյուր։ Հանքաքարերի գտնվելու վայրը պարզելու համար օգտագործվում են հատուկ հետազոտական մեթոդներ, որոնց մեջ է մտնում հանքաքարերի հանքատեղերի հետախուզությունը։ Հանքատեղերը, որպես կանոն, բաժանվում են քարահանքերի (հանքաքարերի մշակումը մակերևույթին), որտեղ հանույթը կատարվում է բնահողի դուրսբերումով, որն ուղեկցվում է ծանր տեխնիկայով, ինչպես նաև՝ ստորգետնյա հանքահորերի։

Մետաղները դուրս են բերվում արդյունահանանված հանքաքարերից, որպես կանոն, քիմիական կամ էլեկտրոլիտիկ վերականգնման միջոցով։ Հրամետաղագործության մեջ հրաքարից մետաղի հումքի փոխակերպման համար կիրառվում է բարձր ջերմաստիճանը, հիդրոմետաղագործության մեջ նույն նպատակներով օգտածործվում է ջրային քիմիան։ Կիրառված մեթոդը կախված է մետաղի տեսակից և աղտոտվածության տիպից։

Երբ մետաղի հանքաքարը հանդիսանում է մետաղի և ոչ մետաղի իոնական միացություն, մաքուր մետաղի դուրսբերման համար այդ սովորաբար ենթարկվում է հալեցման՝ տաքացում, որն ուղեկցվում է վերականգնմամբ։ Շատ տարածված մետաղներ, ինչպիսին է օրինակ երկաթը, հալեցվում են, կիրառելով ածխածին, որպես վերականգնող։ Մի շարք մետաղներ, ինչպիսիք են ալյումինն ու նատրիումը, չունեն ոչ մի տնտեսապես արդարացված վերականգնող և արդյունահանվում են էլեկտրոլիզի միջոցով^[2][3]։

Սուլֆիդային հանքաքարերը չեն բարելավվում մինչև մաքուր մետաղի ստացումը, բայց այրվում են օդում՝ օքսիդի վերածման նպատակով։

Մետաղների հատկություններ

Մետաղների բնորոշ հատկություններ

• Մետաղական փայլ (բնորոշ է ոչ միայն մետաղների համար. առկա է նաև ոչ մետաղներ յոդի և գրաֆիտի տեսքով ածխածնի մոտ)
• լավ էլեկտրահաղորդականություն
• Հեշտ մեխանիկական մշակման հնարավորություն (տե՛ս պլաստիկություն, սակայն որոշ մետաղներ, օրինակ գերմանիումն ու բիսմութը պլաստիկ չեն)
• Բարձր խտություն (սովորաբար մետաղները ոչ մետաղներից ծանր են)
• Հալման բարձր ջերմաստիճան (բացառություններ են՝ սնդիկն ու ալկալիական մետաղները)
• Բարձր ջերմահաղորդականություն
• Ռեակցիաներում հիմնականում հանդիսանում են վերականգնողներ

Մետաղների ֆիզիկական հատկություններ

Բարիում

Ալյումին

Բոլոր մետաղները (բացի սնդիկից և պայմանականորեն ֆրանսիումից) սովորական պայմաններում գտնվում են պինդ ագրեգատային վիճակում, սակայն ունեն տարբեր կարծրություն։ Ստորև ներկայացված են մի շարք մետաղների կարծրությունները՝ ըստ Մոոսի շարքի.

Մաքուր մետաղների հալման ջերմաստիճանը տատանվում է -39^оС-ից (սնդիկ) 3410^о С միջակայքում (Վոլֆրամ)։ Մետաղների մեծամասնության հալման ջերմաստիճանը (ալկալիական մետաղներից բացի) բարձր է, սակայն որոշ «նորմալ» մետաղները, ինչպիսիք են օրինակ անագն, գալիումը ու կապարը, կարելի է հալեցնել հասարակ էլեկտրական կամ գազային վառարանի վրա։

Կախված խտությունից՝ մետաղները լինում են թեթև (խտությունը 0,53 ÷ 5 գ/սմ³) և ծանր (5 ÷ 22,5 գ/սմ³)։ Ամենաթեթև մետաղն է լիթիումը ( խտությունը 0.53 գ/սմ³)։ Ամենածանր մետաղը ներկա պահին անվանել հնարավոր չէ, քանի որ ամենածանր մետաղների՝ օսմիումի և իրիդիումի, խտությունները գրեթե հավասար են (մոտ 22.6 գ/սմ³ - ճիշտ 2 անգամ ավելի, քան կապարի խտությունն է), իսկ դրանց ստույգ խտության հաշվումը չափազանց դժվար է՝ դրա համար անհրաժեշտ է լրիվ մաքրել մետաղը, քանի որ յուրաքանչյուր խառնուրդ ցածրացնում է դրանց խտությունը։

Մետաղների մեծամասնությունը պլաստիկ է, այսինքն մետաղյա լարը կարելի է թեքել, և այն չի կոտրվի։ Սա տեղի է ունենում մետաղների ատոմների շերտերի՝ առանց նրանց միջև կապի խախտման տեղաշարժերի պատճառով։ Ամենապլաստիկ մետաղներն են ոսկին, երկաթն ու պղինձը։ Ոսկուց կարելի է պատրաստել 0.003 մմ հաստությամբ թիթեղ, որը կիրառվում է իրեղենի ոսկեպատման համար։ Սակայն ոչ բոլոր մետաղներն են պլաստիկ։ Ցինկի և անագի լարը ճռթճռթում է՝ այն թեքելիս, մանգանն ու բիսմութը, դեֆորմացիայի ենթարկվելիս, գրեթե ընդհանրապես չեն թեքվում, այլ միանգամից կոտրվում են։

Պլաստիկությունը կախված է նաև մետաղի մաքրությունից. այդպես՝ շատ մաքուր քրոմը բավականին պլաստիկ է, սակայն դրանում չնչին խառնուրդի դեպքում, այն դառնում է փխրուն և ավելի կարծր։ Որոշ մետաղներ, ինչպիսիք են ոսկին, արծաթը, կապարը, ալյումինը, օսմիումը, կարող են միաձուլվել իրար հետ, սակայն դա կխլի տասնյակ տարիներ։

Բոլոր մետաղները էլեկտրական հոսանքի լավ հաղորդիչներ են, սա պայմանավորված է դրանց բյուրեղային ցանցում առկա շարժուն էլեկտրոններով, որոնք շարժվում են էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ։ Արծաթը, պղինձն ու ալյումինը ունեն ամենաբարձր էլեկտրահաղորդականությունը, որի պատճառով վերջին երկուսը հաճախակի օգտագործվում են հաղորդալարերի պատրաստման համար։ Բարձր էլեկտրահաղորդականություն ունի նաև նատրիումը։ Փորձարարական տեխնիկայում հայտնի են նատրիումային էլեկտրահաղորդալարերի՝ նատրիումով լցված չժանգոտվող պողպատից խողովակների, կիրառման փորձեր։ Նատրիումի ցածր տեսակարար զանգվածի շնորհիվ, հավասարաչափ դիմադրության դեպքում նատրիումային լարերը ստացվում են պղնձյա և նույնիսկ ալյումինե լարերից զգալիորեն թեթև։

Մետաղների բարձր ջերմահաղորդականությունը նույնպես կախված է ազատ էլեկտրոնների շարժունակությունից։ Այդ պատճառով ջերմահաղորդականության շարքը նման է էլեկտրահաղորդականության շարքին, ուստի ջերմության, ինչպես նաև էլեկտրական հոսանքի ամենալավ հաղորդիչը հանդիսանում է արծաթը։ Նատրիումը նույնպես կիրառվում է, որպես ջերմության լավ հաղորդիչ։ Լայն տարածված է նատրիումի օգտագործումը օրինակ ավտոմոբիլային շարժիչների կափույրների սառեցման և բարելավման համար։

Մետաղների մեծամասնության գույնը գրեթե նունն է՝ բաց մոխրագույն՝ երկնագույն երանգով։ Ոսկին, պղինձն ու ցեզիումը համապատասխանաբար դեղին, կարմիր և բաց դեղին գույնի են։

Մետաղների աղյուսակ ըստ կարծրության

Ստորև աղյուսակի տեսքով ներկայացվում է որոշ մետաղների կարծրությունը ըստ Մոսսի սանդղակի^[4]։

Կարծրություն	Մետաղ
0.2	Ցեզիում
0.3	Ռուբիդիում
0.4	Կալիում
0.5	Նատրիում
0.6	Լիթիում
1.2	Ինդիում
1.2	Թալիում
1.25	Բարիում
1.5	Ստրոնցիում
1.5	Գալիում
1.5	Անագ
1.5	Կապար
1.5	Սնդիկ
1.75	Կալցիում
2.0	Կադմիում
2.25	Բիսմութ
2.5	Մագնեզիում
2.5	Ցինկ
2.5	Լանթան
2.5	Արծաթ
2.5	Ոսկի
2.59	Իտրիում
2.75	Ալյումին
3.0	Պղինձ
3.0	Ծարիր
3.0	Թորիում
3.17	Սկանդիում
3.5	Պլատին
3.75	Կոբալտ
3.75	Պալադիում
3.75	Ցիրկոնիում
4.0	Երկաթ
4.0	Նիկել
4.0	Հաֆնիում
4.0	Մանգան
4.5	Վանադիում
4.5	Մոլիբդեն
4.5	Ռոդիում
4.5	Տիտան
4.75	Նիոբիում
5.0	Իրիդիում
5.0	Ռութենիում
5.0	Տանտալ
5.0	Տեխնեցիում
5.0	Քրոմ
5.5	Բերիլիում
5.5	Օսմիում
5.5	Ռենիում
6.0	Վոլֆրամ
6.0	Ուրան

Մետաղների քիմիական հատկություններ

Լիթիումի քլորիդ

Մետաղների մեծամասնության արտաքին էներգիական մակարդակում առկա է էլեկտրոնների փոքր քանակ (1-3), այդ պատճառով նրանք ռեակցիաների մեծ մասում հանդես են գալիս որպես վերականգնողներ (այսինքն «տալիս են» իրենց էլեկտրոնները)։

Պարզ նյութերի հետ փոխազդեցությունը

• Թթվածնի հետ փոխազդում են բոլոր մետաղները, բացի ոսկուց և պլատինից։ Արծաթի հետ փոխազդեցությունը նկատվում է միայն բարձր ջերմաստիճանների դեպքում, սակայն արծաթի (II) օքսիդը գրեթե չի առաջանում, քանի որ այն ջերմապես անկայուն է։ Կախված մետաղի տեսակից՝ ելանյութը կարող է լինել օքսիդ, պերօքսիդ։

${\displaystyle \mathrm {4Li+O_{2}=2Li_{2}O} }$ լիթիումի օքսիդ
${\displaystyle \mathrm {2Na+O_{2}=Na_{2}O_{2}} }$ նատրիումի պերօքսիդ
${\displaystyle \mathrm {K+O_{2}=KO_{2}} }$ կալիումի գերրօքսիդ
Պերօքսիդից օքսիդ ստանալու համար պերօքսիդը վերականգնվում է մետաղի միջոցով.
${\displaystyle \mathrm {Na_{2}O_{2}+2Na=2Na_{2}O} }$
Միջին և ցածր ակտիվության մետաղների հետ ռեակցիան անցնում է տաքացման միջոցով.
${\displaystyle \mathrm {3Fe+2O_{2}=Fe_{3}O_{4}} }$
${\displaystyle \mathrm {2Hg+O_{2}=2HgO} }$
${\displaystyle \mathrm {2Cu+O_{2}=2CuO} }$

• Ազոտի հետ փոխազդում են միայն ամենաակտիվ մետաղները, սենյակային ջերմաստիճանում փոխազդում է միայն լիթիումը՝ կազմելով նիտրիդներ։

${\displaystyle \mathrm {6Li+N_{2}=2Li_{3}N} }$
Տաքացման ժամանակ՝
${\displaystyle \mathrm {2Al+N_{2}=2AlN} }$
${\displaystyle \mathrm {3Ca+N_{2}=Ca_{3}N_{2}} }$

• Ծծմբի հետ փոխազդում են բոլոր մետաղները՝ բացի ոսկուց ու պլատինից.

Երկաթը փոխազդում է ծծմբի հետ տաքացման դեպքում, կազմելով սուլֆիդ։
${\displaystyle \mathrm {Fe+S=FeS} }$

• Ջրածնի հետ փոխազդում են միայն ամենաակտիվ մետաղները, այսինքն IA և IIA խմերի տարրերը, բացառությամբ բերիլիումի։ Ռեակցիաները իրականացվում են տաքացման դեպքում՝ կազմելով հիդրիդներ։ Ռեակցիաներում մետաղը հանդիսանում է վերականգնող, ջրածնի օքսիդացման աստիճանը -1 է։

${\displaystyle \mathrm {2Na+H_{2}=2NaH} }$
${\displaystyle \mathrm {Mg+H_{2}=MgH_{2}} }$

• Ածխածնի հետ փոխազդում են միայն ամենաակտիվ մետաղները, ընդ որում՝ ռեակցիայի ընթացքում ստացվում են ացետիլենիդներ կամ մեթանիդներ։ Ացետիլենիդները ջրի հետ փոխազդելիս տալիս են աթետիլեն, մեթանիդները՝ մեթան։

${\displaystyle \mathrm {2Na+2C=Na_{2}C_{2}} }$
${\displaystyle \mathrm {Na_{2}C_{2}+2H_{2}O=2NaOH+C_{2}H_{2}} }$

Կառուցվածք

Ըստ Մենդելեևի Պարբերական աղյուսակի քիմիական տարրերը բաժանվում են.

• Մետաղների
• Ոչ մետաղների
• Կիսահաղորդիչների

Մետաղները կազմում են այդ տարրերի 76.2%-ը։

Պարզ մետաղ կոչվում է հիմնականում մետաղական մեկ տարրից բաղկացած նյութը։ Մետաղները ոչ մետաղներից և կիսահաղորդիչներից տարբերող բնորոշ հատկանիշներն են՝ ջերմաստիճանի իջեցմանը համեմատ աճող բարձր էլեկտրահաղորդականությունը, պլաստիկությունը, լույս անդրադարձնելու ունակությունը(մետաղական փայլ), և բարձր ջերմահաղորդականությունը։ Այս հատկությունները պայմանավորված են մետաղական տարրերի ատոմների կառուցվածքի առանձնահատկությամբ։
Ցանկացած մետաղական տարրի ատոմ կազմված է դրական լիցքավորված միջուկից (պրոտոններից և նեյտրոններից) և նրա շուրջը արագ պտտվող բացասական լիցքավորված էլեկտրոններից։ Պրոտոնի և էլեկտրոնի լիցքերը մեծությամբ հավասար են, նշաններով հակադիր, իսկ ատոմում նրանց թիվը հավասար։ Ատոմի արտաքին թաղանթում կարող են գտնվել 1-8 վալենտային էլեկտրոններ։

Մետաղական տարրերի ատոմները ունեն նվազագույն թվով վալենտային էլեկտրոններ՝ առավելապես 1 և 2, հազվադեպ՝ 3։ Թույլ վալենտային էլեկտրոնները պոկվում են ատոմից՝ մետաղի հեղուկ կամ պինդ վիճակում, և նորից միանում նրանցից որևէ մեկին։ Որքան մեծ է ազատ էլեկտրոնների կոնցենտրացիան, այնքան խիստ են արտահայտված տարրի մետաղական հատկությունները։ Ազատ էլեկտրոնների այդ ամբողջությունը կոչում են էլեկտրոնային գազ։ Մետաղների դրական լիցքավորված իոնների և բացասական լիցքավորված էլեկտրոնային գազի միջև էլեկտրական ձգման ուժերը ամուր կապ են ստեղծում մետաղի ատոմների միջև, որը կոչվում է մետաղական կապ։

Մետաղների ատոմային կառուցվածքը յուրահատուկ է, այդ իսկ պատճառով նրանք օժտված են բազմաթիվ հատկություններով, և ամենալայն կիրառությունը ունեն մինչ այժմ, հիմա և հետագայում։ Այն կառուցվածքը, որը տեսանելի է անզեն աչքով կամ խոշորացույցի օգնությամբ (մինչև 25 անգամ մեծացնելիս), կոչվում է մակրոկառուցվածք։ Մակրոկառուցվածքը ուսումնասիրում են շինվածքից կամ նախապատրաստուկից կտրված հարթ նմուշների, ինչպես նաև շինվածքի կոտրվածքների վրա։ Մակրոկառուցվածքի հետազոտման ժամանակ կարելի է հայտնաբերել մետաղի հոծության խախտումները, խառնուկների բաշխումը, բյուրեղների ձևն ու դասավորությունը շինվածքի տարբեր մասերում։

Թթուների փոխազդեցությունը մետաղների հետ

Թթուների հետ մետաղները փոխազդում են տարբեր ձևերով։ Այն մետաղները, որոնք էլեկտրոքիմիական ակտիվության շարքում ընկած են ջրածնից առաջ, փոխազդում են գրեթե բոլոր թթուների հետ։

Չօքսիդացող թթուների փոխազդեցությունը էլեկտրաքիմիական շարքում մինչև ջրածինը ընկած մետաղների հետ

Կատարվում է տեղակալման ռեակցիա, որը նաև հանդիսանում է օքսիդա-վերականգնման ռեակցիա.

${\displaystyle {\mathsf {Mg+2HCl=MgCl_{2}+H_{2}\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Al+2H_{3}PO_{4}=2AlPO_{4}+3H_{2}\uparrow }}}$

Ծծմբական թթվի՝ H₂SO₄ փոխազդեցությունը մետաղների հետ

Օքսիդացնող թթուները կարող են փոխազդել նաև էլեկտրաքիմիական շարքում ջրածնից հետո գտնվող մետաղների հետ.

${\displaystyle {\mathsf {Cu+2H_{2}SO_{4}=CuSO_{4}+SO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

Շատ նոսրեցված թթուն փոխազդում է մետաղի հետ դասական դրույթներին համապատասխան.

${\displaystyle {\mathsf {Mg+H_{2}SO_{4}=MgSO_{4}+H_{2}\uparrow }}}$

Թթվի կոնցենտրացիայի մեծացման դեպքում կազմվում են տարբեր ելանյութեր.

${\displaystyle {\mathsf {Mg+2H_{2}SO_{4}=MgSO_{4}+SO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Mg+4H_{2}SO_{4}=3MgSO_{4}+S\downarrow +4H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {4Mg+5H_{2}SO_{4}=4MgSO_{4}+H_{2}S\uparrow +4H_{2}O}}}$

Ազոտական թթվի (HNO₃) փոխազդեցություն

${\displaystyle {\mathsf {Cu+4HNO_{3}(60\%)=Cu(NO_{3})_{2}+2NO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Cu+8HNO_{3}(30\%)=3Cu(NO_{3})_{2}+2NO\uparrow +4H_{2}O}}}$

Ակտիվ մետաղների հետ փոխազդեցության դեպքում ռեակցիաների տարբերակները ավելի են շատանում.

${\displaystyle {\mathsf {Zn+4HNO_{3}(60\%)=Zn(NO_{3})_{2}+2NO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Zn+8HNO_{3}(30\%)=3Zn(NO_{3})_{2}+2NO\uparrow +4H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {4Zn+10HNO_{3}(20\%)=4Zn(NO_{3})_{2}+N_{2}O\uparrow +5H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {5Zn+12HNO_{3}(10\%)=5Zn(NO_{3})_{2}+N_{2}\uparrow +6H_{2}O}}}$

${\displaystyle ~{\mathsf {4Zn+10HNO_{3}(3\%)=4Zn(NO_{3})_{2}+NH_{4}NO_{3}+3H_{2}O}}}$

Լեգիրում

Լեգիրումը հալույթի մեջ հավելյալ տարրերի ներմուծումն է, որոնք փոփոխում են հիմնական մետաղի մեխանիկական, ֆիզիկական ու քիմիական հատկությունները։

Տես նաև

• Մետաղների հատկություններ
• Մետաղների կառուցվածք

Ծանոթագրություններ

1. «Յուրի Կուշկին «Մեզ շրջապատող քիմիան»». Արխիվացված է օրիգինալից 2012 թ․ հունվարի 25-ին. Վերցված է 2014 թ․ փետրվարի 28-ին.
2. (անգլ.) «Los Alamos National Laboratory – Sodium». Արխիվացված օրիգինալից 2012 թ․ օգոստոսի 4-ին. Վերցված է 2014 թ․ փետրվարի 28-ին.
3. (անգլ.) «Los Alamos National Laboratory – Aluminum». Արխիվացված օրիգինալից 2012 թ․ օգոստոսի 4-ին. Վերցված է 2014 թ․ փետրվարի 28-ին.
4. Պովարեննիխ Ա. Ս., Միներալների կարծրություն (Твердость минералов), «АН УССР», 1963, էջ 197-208. — 304 էջ։

Արտաքին հղումներ

• Տարբեր մետաղների կարծրության սանդղակ Արխիվացված 2014-03-30 Wayback Machine
• «Մետաղներ» ամսագրի կայք

Վիքիպահեստն ունի նյութեր, որոնք վերաբերում են «Մետաղ» հոդվածին։