Желязото, на снимката във вид на фрагменти и кубче с обем 1 cm3, е пример захимичен елемент, който е металМетална сосиера, изработена отнеръждаема стомана –сплав, съставена главно от желязо, въглерод и хром
В науката няма твърдо определена дефиниция за металите, като границите между метали,неметали иметалоиди варира до известна степен в различни интерпретации. Вхимията обикновено около 95 от 118-те елемента впериодичната таблица се смятат за метали – най-често се приема, че те са разположени наляво и под диагоналната линия отбор дополоний (вдясно и над нея се намират неметалите, а по самата граница – металоидите). Вкристалните решетки на металите всекиатом е обкръжен от максимално геометрично допустим бройатоми, между коитовалентнитеелектрони се движат свободно – така наречениятелектронен газ.[2]
Въвфизиката за метали се смятат всички вещества, които провеждат електричество приабсолютната нула на температурата.[3] В този смисъл много неметални вещества могат да се преобразуват в метални при високо налягане. Например, неметалътйод постепенно се превръща в метал при налягане между 40 и 170 хилядиатмосфери. Обратното, някои метални вещества могат да се трансформират в неметали – таканатрият става неметал при налягане малко по-ниско от 2 милиона атмосфери.
Вастрофизиката терминът „метал“ има още по-широко значение и обхваща всички химични елементи в звездите, които са по-тежки от двата най-леки –водород ихелий. В това значение първите четири метала, формиращи се в звездните ядра чрез нуклеосинтез, савъглеродът,азотът,кислородът инеонът, които са стриктно неметални в химията. За астрофизицитеметаличността на даден астрономически обект е делът в състава му на по-тежките химични елементи.[4]
Металите като химични елементи съставляват 25% отземната кора и присъстват в много страни на съвременния живот. На Земята се срещат най-често във вид наруди, най-честооксиди,сулфиди икарбонати, от които чистият метал се извлича чрезредукция при високитемператури. Якостта и устойчивостта на някои метали е довела до честата им употреба в строителството, повечето превозни средства, много битови уреди, инструменти, тръби.Благородните метали са използвани в миналото за изработката намонети, но в наши днимонетните метали обхващат най-малко 23 от химичните елементи.[5] Около 3% от човешкия организъм се състои от метали.
Смята се, че историята на рафинираните метали започва с използването намедта преди около 11 хиляди години.Златото,среброто,желязото (катометеоритно желязо),оловото имесингът също се използват преди първата известна поява набронза през V хилядолетие пр. Хр. Впоследствие се започва производството на първите ранни форми настомана, откриването нанатрия, първиятлек метал, през 1809 година, развитието на съвременнителегирани стомани и от средата на XX век разработването на по-сложни и усъвършенствани сплави.
Металната кристална решетка е изградена само откатиони. Стабилността ѝ е обособена от особен вид химична връзка, присъща само на металите в твърдо и течно агрегатно състояние. Металите притежават редица общи свойства: висока електро- и топлопроводимост, висока пластичност, способност да отразяват голяма част от падналите върху тях светлинни лъчи, които не са присъщи на останалите кристални тела. Тези физични характеристики на металите се дължат на свободно движещите се в металните кристали електрони.
Атомите на металните вещества обикновено са подредени в една от три основникристални стурктури – кубична обемноцетрирана, кубична стенноцентрирана и хексагонална. При кубичната обемноцентрирана решетка всеки атом е разположен в центъра на куб, образуван от осем други атома, в другите два варианта всеки атом е ограден от дванадесет други, като разположението им е различно. Някои метали имат различна структура в зависимост от температурата.[6]
Кубична обемноцентрирана кристална решетка с двуатомна клетка, като при хром, желязо и волфрам
Кубична стенноцентрирана кристална решетка с четириатомна клетка, като при алуминий, мед и злато
Хексагонална кристална решетка с шестатомна клетка, като при титан, кобалт и цинк
Свойствата на металите произтичат от способността на съответните метални атоми лесно да губят външната си електронна обвивка. Като цяло силите, задържащи на място външната електронна обвивка на отделния атом, са по-слаби от привличащите сили, действащи върху същите електрони в резултат на взаимодействията между атомите в твърдия или течен метал. Тези електрони се делокализират и структурата на метала може да се опише като сбор от атоми, потопени в облак от относително подвижни електрони. Такова взаимодействие се наричаметална връзка.[2] Силата на металните връзки за различните елементни метали достига своя максимум в средата на подгрупата напреходните метали, където елементите имат голям брой делокализирани електрони. Освен положението в периодичната система влияние върху силата на металните връзки оказват и други фактори, катоатомния радиус, заряда на ядрото, броят на свързаните орбитали, застъпването на орбиталните енергии и кристалната структура.[2]
Възможни енергийни състояния за електроните при различни видове твърди тела, намиращи се втермодинамично равновесие.
На схемата по ординатата е показана енергията, а по абсцисата –плътността на възможните състояния за дадена енергия при посочения вид вещества. Оцветяването следваразпределението на Ферми-Дирак – при черен цвят всички състояния са запълнени, а при бял – никое състояние не е запълнено.
Нивото на ФермиEF е енергийното ниво, при което електроните са в състояние да взаимодействат с енергийните нива над тях. При металите иполуметалите нивото на Ферми се намира в поне една зона от енегийни състояния.
Приизолаторите иполупроводниците нивото на Ферми се намира в забранена зона. При полупроводниците обаче зоните от енергийни състояния са достатъчно близо до нивото на Ферми, за да бъдат термично попълнени с електрони илиелектронни дупки.
Металите са твърдивещества (с изключение наживака) с високаелектропроводимост итоплопроводимост,ковкост ипластичност. Повечето имат високатемпература на топене, но напримеркалаят иоловото могат да се разтопят на обикновенкотлон. Имат характерен метален блясък, когато са произведени, полирани или отчупени. В прахообразно състояние обаче металите загубват блясъка си, с изключение на алуминий имагнезий, които го запазват дори в това състояние. Най-добре отразяват светлината алуминият, среброто ипаладият, затова те се използват при направата наогледала. Цветът на повечето метали е един и същ – светлосив със синкави оттенъци. Изключение сазлатото – с жълтеникав цвят, медта с червеникав ицезия със светложълт. Металните листове с дебелина повече от няколко микрометра са непрозрачни, нозлатният варак пропуска зелена светлина.
Макар повечето елементни метали да имат по-високаплътност от повечето неметали,[2] плътността им варира в широки граници – отлития с плътност 0,534 g/cm³ доосмия с плътност 22,59 g/cm³. Магнезият, алуминият и титанът са леки метали с голямо стопанско значение – техните плътности, съответно 1,7, 2,7 и 4,5 g/cm³, са значително по-ниски от тези на други конструктивни метали като желязото със 7,9 g/cm³ или медта с 8,9 g/cm³. Друго свойство на металите е способността им към взаимно разтваряне или свързване, при което се получаватсплави.
Това, че металите са добри проводници на електрически ток, се дължи на наличието на подвижни електрони, които се придвижват под действието на електрическото поле. Електроните в материята могат да имат само определени енергийни нива, а при металите техните енергийни нива в електронния облак, поне до известна степен, съответстват на енергийните нива, при които може да се провежда електричество. При полупроводниците катосилиция и неметалите катосярата съществува енергийна празнина между електроните на съответното вещество и енергийното ниво, при което възниква електропроводимост, поради което полупроводниците и неметалите са относително лоши проводници.
Елементните метали иматспецифична електропроводимост, варираща от 6,9 × 103S/cm примангана до 6,3 × 105 S/cm присреброто. За сравнение полупроводниковият металоидбор има специфична електропроводимост 1,5 × 10−6 S/cm. Металите с най-висока електропроводимост, наред със среброто, самед,злато иалуминий. Металите намаляват електропроводимостта си при загряване, с изключение наплутония, чиято електропроводимост нараства при нагряване в интервала от −175 до +125 °C.
Високата топлопроводимост на металите също произтича от подвижността на електроните в електронния облак и тяхната способност лесно да предават създаваната от топлината вибрационна енергия. По тази причина най-добрият проводник на топлина е също среброто.
Повечето метали са ковки и дуктилни, деформиращи се под напрежение безцепене.[2] Смята се, че неориентираната в пространството природа на металните връзки допринася значително за дуктилността на повечето твърди метали. Обратно, при йонни съединения, катоготварската сол, където равнините найонната връзка се приплъзват една спрямо друга, се получава промяна във взаимното положение на близко разположени йони с еднакъв заряд, което води до цепене на кристала. Такова изместване не се наблюдава приковалентно свързани кристали, катодиаманта, при които обаче се получава крехко разрушение и фрагментиране на кристала.[7] Обратимите еластичнидеформации на металите могат да се опишат съсзакона на Хук (линейна връзка междунапрежения и деформации).
Метален прът с нагорещена халка – горещата обработка на металите използва тяхната по-лесна пластична деформируемост при нагряване
Напрежения, надхвърлящиграницата на еластичност, могат да предизвикат постоянни (необратими) деформации, наричанипластични. Подобни ефекти могат да се получат и при нагряване, като температурата може да предизвика изместване на структурни дефекти в метала, катомеждузърнести граници,дислокации,двойници, които да доведат допълзене иумора.
Друга механична характеристика на металите е якостта. Теоретичната якост на металите се установява като се използва аналог между структурата на металите и йонната кристална решетка от типа на NaCl. Различието се състои в това, че колективизираните електрони не са съсредоточени в една точка, а са равномерно разпределени в областите между положителните йони. Техническата якост (експерименталната) е на 2 – 4 порядъка по-ниска от теоретично определената.
Мястото на металите в периодичната таблица, отбелязани са в сиво
За повечето метали е характерна склонността им да отдават електрони при химичното си взаимодействие снеметалите (имат 1 – 4 валентни електрона), при което преминават в положително натоваренийони (катиони).[2] Скислорода образуват главноосновниоксиди, повечето от които саанхидриди на съответни основи.
Повечето метали реагират със съдържащия се във въздуха кислород, макар и с различна скорост –калият се запалва за секунди, докато желязоторъждясва в продължение на години. Други метали катопаладия,платината и златото изобщо не реагират с атмосферата. При някои метали, най-вече желязото и неговите сплави, оксидацията при контакт с въздуха предизвиквакорозия, за предотвратяването на която те се обработват чрезбоядисване,анодиране илиплакиране.
Някои метали катотитан,алуминий илицинк образуват тънък и плътен оксиден слой на повърхността, който служи като бариера за по-нататъшното проникване на кислородните атоми и по-този начин предотвратяват корозията. При използването на метално покритие за корозионна защита върху основния метал трябва да се нанесепо-реактивен метал, особено когато е възможно нараняване на покритието. Така водата и двата метала образувателектрохимична клетка, при което, докато по-реактивният метал оксидира, по-нереактивният остава защитен от оксидация.
Всички метали се разтварят вкиселини, а някои и воснови. Някои метали са силно реактивни и предизвикват бурни реакции с вода.
Образци отбабит, сплав на калай, антимон и мед, използвана за намаляване на триенето в лагери
Сплавите са вещества с метални свойства, съставени от два или повече химични елемента, поне един от които е метал. Сплавите могат да имат променлив или фиксиран състав – така златото и среброто могат да образуват сплави в произволно съотношение на двата метала, докато титанът и силицият образуватинтерметалидната сплав Ti2Si, в която съотношението на двата компонента е фиксирано. Елементите, образуващи сплавите, (компоненти на сплавите) или изграждат свои индивидуалникристали (образувайки по този начин кристален конгломерат – кристална смес), илиатомите им изграждат съвместно нови кристали (смесени кристали,твърди разтвори), или образуват помежду сихимични съединения.
Повечето чисти метали са твърде меки, крехки или химически неустойчиви за практическа употреба. Съчетаването в различни съотношения на металите в сплави изменя свойствата на чистите метали, за да се получат определени желани свойства. Целта на изготвянето на сплави обикновено е да се получи метал, който е по-жилав, по-твърд, по-устойчив на корозия или с желан цвят и текстура. Сред използваните в наши дни метални сплави най-голям дял както като количество, така и като стойност, имат сплавите нажелязото –стомана,неръждаема стомана,чугун,инструментална стомана,легирана стомана и други. Желязото в сплав с различни съотношениявъглерод дава ниско, средно и високовъглеродни стомани, като нарастването на нивата на стомана намалява дуктилността и здравината. Наличието насилиций дава чугуни, а добавянето на повече от 10%хром,никел илимолибден – неръждаеми стомани.
Други важни метални сплави са тези наалуминия,титана,медта имагнезия. Сплавите на медта са известни от праисторията – бронзът дава името набронзовата епоха – и имат много приложения и в наши дни, най-вече в електротехниката. Сплавите на другите три елемента са разработени сравнително скоро, като тяхната химична активност налага използването наелектролитни технологии за производство. Те са ценени заради много доброто съотношение на якост към обемно тегло, намирайки приложение в аерокосмическата и друга транспортна техника. Специфични сплави, разработени за приложения с изключително високи изисквания катотурбореактивните двигатели, могат да имат изключително сложен състав, включвайки повече от десет елемента.
В повечето случаи по-тежките метали не се образуват по този начин, тъй като ядреният синтез с участието на толкова тежки ядра би поглъщал енегия, вместо да я освобождава.[9] По тази причина тежките метали най-често са резултат на синтез от по-леки елементи чрезпоглъщане на неутрони, чиито две основни форми саs-процесът иr-процесът. При s-процеса отделните поглъщания са раздалечени във времето с години или десетилетия, давайки възможност на по-нестабилното ядро да претърпибета-разпад,[10] докато при r-процеса поглъщанията протичат по-бързо от способността за бета-разпад на ядрата. По тази причина s-процесът има относително ясна последоватленост: например, стабилни ядра на кадмий-110 са последователно бомбардирани от свободни неутрони в звезда, докато образуват ядра на кадмий-115, които са нестабилни и се разпадат до индий-115 (които са почти стабилни, с период на полуразпад 30 000 пъти възрастта на Вселената). Тези ядра поглъщат неутрони и образуват индий-116, който е нестабилен и се разпада до калай-116 и т.н.[8][11] Обратно, при r-процеса няма такава последователност. s-процесът става невъзможен следбисмута, заради краткият период на полуразпад на следващите два елемента,полоний иастатий, които се разпадат до бисмут илиолово. r-процесът е толкова бърз, че може да премине тази зона на нестабилност и да продължи да създава по-тежки елементи, катоторий иуран.[12]
Металите кондензират в планети в резултат на процесите на еволюция и разрушение на звездите. Звездите губят много от своята маса при изхвърлянето ѝ в късния етап на техния жизнен цикъл, а понякога и по-късно, в резултат на сливане нанеутронни звезди,[13] като по този начин увеличават количеството на елементи, по-тежки от хелия, вмеждузвездната среда. Когато гравитационното привличане накара тази материя да се уплътнисе образуват нови звезди и планети.[14]
Образец отдиаспор, минерал на алуминиев оксид хидроксид α-AlO(OH)
Земната кора е съставена от около 25% (по маса) метали, от които 80% са леки метали, като натрий, магнезий и алуминий. Останалите три четвърти от земната кора са неметали. Въпреки относителната оскъдност на някои по-тежки метали, като медта, в резултат на различни геоложки процеси те могат да се концентрират в количества, които правят възможен стопански ефективният им добив.
Металите в земната кора се срещат главно във вид налитофили илихалкофили. Литофилните метали са главно от s-блок и f-блок и по-реактивните елементи от d-блок. Те имат силен афинитет към кислорода и обикновено присъстват като силикатни минерали с относително ниска плътност. Халкофилните метали са главно по-нереактивните елементи от d-блок и металите от 4 до 6период на p-блок. Те се срещат обикновено в неразтворими сулфидни минерали. Като по-плътни от литофилите, съответно потъващи по-дълбоко в земната кора по време на нейното втвърдяване, халкофилите са по-рядко срещани в повърхностните земни пластове.
В същото време метали като златото сасидерофили. Те не образуват лесно съединения нито с кислорода, нито със сярата. По време наобразуването на Земята повечето благородни метали потъват къмядрото, заради склонността си да образуват метални сплави с висока плътност, поради което остават сравнително редки в земната кора. Течното въртящо се външно ядро на Земята, разположено около твърдото вътрешно ядро, е съставено главно от желязо, на което се дължиземното магнитно поле.
Holleman, A. F. et al. Inorganic Chemistry. San Diego, Academic Press, 2001. ISBN 0-12-352651-5. (на английски)
Martin, John C.What we learn from a star's metal content // New Analysis RR Lyrae Kinematics in the Solar Neighborhood. 2005. Архивиран оторигинала на 2016-06-29. Посетен на 2005-09-07. (на английски)
Padmanabhan, Thanu. Theoretical Astrophysics. Vol. 2. Stars and Stellar Systems. Cambridge, Cambridge University Press, 2001. ISBN 978-0-521-56241-6. (на английски)
Podosek, F. A. Noble gases // Holland, H. D. et al. Isotope Geochemistry: From the Treatise on Geochemistry. Amsterdam, Elsevier, 2011. ISBN 978-0-08-096710-3. p. 467 – 492. (на английски)
Roe, J et al. World's coinage uses 24 chemical elements // World Coinage News 19 (4, 5). 1992. p. 24 – 25, 18 – 19. (на английски)
