Metãlai (lot. metallum < gr. metallon - rūdynas) - vieninės medžiagos, kurioms normaliomis sąlygomis būdingas didelis elektrinis ir šiluminis laidis, gebėjimas gerai atspindėti šviesą, įgauti tam tikrą formą veikiant išorinėms jėgoms. Tai 83 cheminiai elementai (apie 75 % visų 21 a. pradžios žinomų elementų), kurie vykstant cheminėms reakcijoms yra linkę atiduoti išorinius (valentinius) elektronus.
Metalai skirstomi įvairiai:
- Pagal fizikines savybes - į lengvuosius (Li, Be, Mg, Ti ir kiti) ir sunkiuosius (Mn, Fe, Co, Ni ir kiti).
- Lengvalydžius, arba žemos lydymosi temperatūros, ir sunkialydžius, arba aukštos lydymosi temperatūros.
- Tauriuosius (Ag, Au ir platinoidai), radioaktyviuosius (U, Th, Np, Pu ir kiti).
- Pagal techninę klasifikaciją - į juoduosius (geležis ir jos lydiniai, pvz., ketus, plienas) ir spalvotuosius (visi kiti metalai ir jų lydiniai).
Žemės plutoje labiausiai paplitę Al (8,8 %), Fe (5,1 %), Ca (3,38 %), Na (2,64 %), o daugelio retųjų metalų (Li, Ga, La, Nb, Rb, Zr, Ta, Mo, W, Re ir kiti) santykinis masės kiekis mažiau kaip 0,001 %.
Pagal atomo sandarą ir vietą periodinėje elementų sistemoje metalai skirstomi į:
- Šarminius (I A, arba 1 grupė).
- Šarminių žemių (II A, arba 2).
- Pereinamuosius (I B-VIII B, arba 3-12) metalus.
Pereinamųjų metalų savybes lemia elektronai, esantys d arba f elektronų sluoksniuose. Jiems priklauso Sc, Y, La ir 14 elementų nuo 57 iki 71, vadinamų lantanoidais, taip pat aktinis ir aktinoidai (14 elementų nuo 89 iki 102).
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia puslaidininkių varžą?
Įprastoje temperatūroje visi metalai (išskyrus geltoną auksą ir raudoną varį) yra nuo šviesiai pilkos (sidabro) iki tamsiai pilkos spalvos. Metalams būdingos palyginti mažos jonizacijos energijos ir elektrinio neigiamumo vertės.
Metalų atomams sunku prisijungti papildomus elektronus, todėl oksidacijos‑redukcijos reakcijose jie dalyvauja kaip reduktoriai (stipriausi reduktoriai yra šarminiai ir šarminių žemių metalai). Oksidacines‑redukcines metalų savybes rodo elektrocheminė įtampų eilė, kurioje jie išdėstyti pagal standartinio elektrodo potencialo vertes.
Kai kurie metalai yra chemiškai aktyvūs: reaguoja su vandeniu (vieni kambario temperatūroje, kiti - tik kaitinant), su praskiestomis ir koncentruotomis neorganinėmis rūgštimis (auksas ir platina atsparūs rūgštims, jie tirpsta tik karališkajame vandenyje), su nemetalais (deguonimi, halogenais, siera, fosforu).
Vienų metalų, pvz., aliuminio, titano, chromo, paviršiuje susidarę oksidai saugo juos nuo tolesnės oksidacijos, kiti metalai, atmosferos deguonies ir vandens veikiami, koroduoja (metalų korozija). Reaguodami vienas su kitu metalai sudaro intermetalinius junginius, tirpdami vienas kitame - kietuosius tirpalus ir metalų lydinius.
Daugelį fizikinių ir cheminių metalų savybių lemia jų atomų elektroninė sandara. Metalų atomų išoriniuose elektronų sluoksniuose yra mažai valentinių elektronų (dažniausiai 1-3), jų sąveika su branduoliu palyginti silpna, todėl susidarius metalo kristalui jie gali laisvai judėti - tampa krūvininkais. Dėl laisvųjų elektronų sąveikos su teigiamaisiais jonais kristalo gardelės atomus sieja metališkasis ryšys. Nuo jo priklauso metalo kristalo gardelės tipas, lydymosi temperatūra, jis t. p. turi įtakos svarbiausioms mechaninėms savybėms - kietumui, tamprumui, plastiškumui.
Taip pat skaitykite: Varžos priklausomybė nuo temperatūros puslaidininkiuose
Kristalizuodamiesi metalų atomai sudaro tankiosios sanglaudos kristalo gardeles su centruotųjų paviršių kubiniu (Al, Cu, Ag, Au ir kiti), heksagoniniu (Be, Mg, Cd, Zn ir kiti), centruotojo tūrio kubiniu (Cr, V, Mo ir kiti) ir kitų struktūrinių tipų elementariaisiais narveliais.
Kai kurie metalai kintant temperatūrai ar slėgiui gali įgyti dvi (Fe, Ni, Co, W, Ti ir kiti), tris (Cr, Ca, Li ir kiti) ir net keturias (Mn) skirtingas kristalines formas (polimorfizmas).
Metalo šiluminį laidį χ su elektriniu laidžiu σ sieja Wiedemanno ir Franzo dėsnis: χ/σ = LT; čia L = (π2/3)(k/e) - Lorentzo skaičius, k - Boltzmanno konstanta, e - elektrono krūvis.
Krūvininkų tankis nepriklauso nuo temperatūros ir yra artimas atomų tankiui kristalo gardelėje (1028-1029 m-3). Kai kurie metalai, pvz., Bi, Sb, As, turintys palyginti mažą krūvininkų tankį (1024-1027 m-3), dar vadinami pusmetaliais.
Metalo elektrinė varža kylant temperatūrai didėja. Kai T > ΘD (čia ΘD - būdingoji Debye temperatūra), daugelio metalų savitosios elektrinės varžos ρ priklausomybė nuo temperatūros yra tiesinė ir reiškiama taip: ρ = ρ0(1 + αT); čia α - temperatūrinis varžos koeficientas, ρ0 - savitoji elektrinė varža 0 °C temperatūroje.
Taip pat skaitykite: Priklausomybės ligos: situacija Lietuvoje
Ši priklausomybė rodo lemiamą kristalo gardelės virpesių (fononas) įtaką kryptiniam krūvininkų judėjimui, taigi ir krūvininkų judriui. Atšaldžius žemiau tam tikros būdingosios krizinės temperatūros daugelio metalų, pvz., Nb (9,22 K), Pb (7,26 K), Hg (4,15 K), elektrinė varža sumažėja iki nebeišmatuojamos vertės - jie tampa superlaidininkais.
Didelį metalų elektrinį laidį paaiškina elektrinio laidumo klasikinė (P. K. L. Drude, H. A. Lorentzas) ir kvantinė (A. Sommerfeldas) teorijos. Pagal ją, 0 K temperatūroje visi metalo valentiniai elektronai, kinetinės energijos atžvilgiu, pasiskirstę nuo 0 iki didžiausios WF vertės, kurią vadiname Fermio energija. Sudarius elektrinį lauką laidume dalyvauja tiktai tie valentiniai elektronai, kurių energija artima WF vertei. Šie elektronai sudaro nedidelę dalį visų valentinių elektronų. Taigi pagal kvantinę teoriją, specifinio laidumo išraiškoje vietoje dydžio < v > turėtų būti Fermio energijos elektronų vidutinis greitis < vF >, kuris nuo temperatūros beveik nepriklauso.
Labai žemoje temperatūroje metalų šiluminę talpą lemia krūvininkai (Ce ~ T), temperatūrai kylant didėja gardelės šiluminė talpa (Cg ~ T3), o kambario ir aukštesnėje temperatūroje (T >> ΘD) metalų šiluminė talpa nebepriklauso nuo temperatūros.
Kai kurie pereinamieji metalai su ne visai užpildytais d ir f elektronų sluoksniais yra feromagnetikai (Fe, Ni, Co, Gd, Dy) arba antiferomagnetikai (Mn, Cr), bet visi jie tampa paramagnetikais temperatūrai viršijus būdingąsias Curie ir Néelio temperatūrų vertes.
Mechanines metalų ir jų lydinių savybes galima keisti mechaniškai ir termiškai apdirbant. Idealios kristalinės sandaros metalų kristalai, daugiausia monokristalai, dažniausiai būna plastiški.
Žmonės naudojo ir išmoko iš metalų gaminti įvairius dirbinius anksčiau negu buvo atrastas raštas. Auksinius, sidabrinius papuošalus, varinius iečių antgalius mokėta gaminti prieš aštuonis tūkstančius metų. Kasinėjant senas gyvenvietes randama metalinių darbo, žūklės, medžioklės įrankių. Senovėje manyta, kad Žemėje yra tik 7 metalai - auksas, sidabras, varis, alavas, švinas, geležis ir gyvsidabris (tapatinti su 7 planetomis). Žmonės pirmiausia išmoko lydyti varį, vėliau - bronzą ir galiausiai geležį.
Pirmąją knygą apie metalų kasybą ir metalurgiją 1556 parašė G. Agricola. 18 a. buvo atrasta 14, 19 a. - 38, 20 a. - 25 metalai. Aliuminio, vanadžio, volframo, molibdeno, titano, urano, cirkonio 20 a. pradžioje buvo gaminama ir naudojama dar palyginti nedaug, 20 a. viduryje pradėti sintetinti gamtoje nesantys radioaktyvieji metalai, nuo 20 a. 8 dešimtmečio pramonėje naudojami beveik visi metalai.
Centruotojo tūrio kubinė kristalinė gardelė
Metalo varžos priklausomybė nuo temperatūros
Ši teorija elektronų laisvąjį kelią, o tuo pačiu elektrinį laidumą (bei varžą), sieja su minėtų elektronų sklaida. Jei metalo kristalas būtų tobulas (begalinis, neturintis jokių periodiškumo sutrikimų, t.y. defektų, monokristalas), tai jo elektronų laisvasis kelias būtų begalinis, tuo pačiu varža būtų lygi nuliui. Deja realiame kristale yra daugybė defektų. Jie suskirstyti į statinius ir dinaminius.
Realus metalo kristalas sudarytas iš mažų chaotiškai išdėstytų kristalitų, juose daug tuščių gardelės mazgų, daug dalelių tarpmazgiuose, yra priemaišų (svetimų atomų) ir panašiai. Tai statiniai defektai. Tačiau visos kristalo struktūrinės dalelės virpa, dėl to kinta tarp jų nuotolis - sutrinka kristalo periodiškumas, tai dinaminiai defektai.
Aukštesnėse nei kambario temperatūrose dinaminių ir dalies statinių defektų koncentracija proporcinga T, todėl elektronų laisvasis kelias mažėja, o specifinė varža didėja proporcingai temperatūrai (ρ ~ T).
Atlikę darbą pamatėme, kad tiesiškai didinant temperatūrą varža taip pat didėjo tiesiškai, iš to galime spręsti, kad varža didėja didėjant temperatūrai.
| Metalas | Lydymosi temperatūra (°C) | Tankis (g/cm3) |
|---|---|---|
| Aliuminis (Al) | 660 | 2.70 |
| Varis (Cu) | 1085 | 8.96 |
| Geležis (Fe) | 1538 | 7.87 |
| Švinas (Pb) | 327 | 11.34 |
| Auksas (Au) | 1064 | 19.30 |
Kai kurių metalų lydymosi temperatūra ir tankis
Laboratorinis darbas: laidininkų savitosios varžos nustatymas
Darbo tikslas:
- Nustatyti laidininkų varžas ir jų metalo specifinę varžą.
- Apskaičiuoti matavimų paklaidas ir lyginant su žinyno duomenimis nustatyti, iš kokio metalo (lydinio) pagaminti tiriami laidininkai.
Priemonės:
- Ampermetras: tipas - astatinis(AST), sistema - elektromagnetinė, tikslumo klasė, vardinės srovės stipris.
- Voltmetras: tipas TL-4M2, sistema- magnetoelektrinė, tikslumo klasė , vardinė įtampa.
- Reostatas: PПШ-1, varža, srovė.
- Mikrometras, liniuotė jungiamieji laidai.
Teorinis eksperimento pagrindas:
Savitoji varža, priklausomybė nuo temperatūros. Taisiklingos formos laidininkų varžą galima išreikšti analitine formule: R = ρ * l / S, kur ρ - savitoji varža, l - laidininko ilgis, S - laidininko skerspjūvio plotas.
Eksperimentinė savitosios varžos priklausomybė nuo temperatūros pavaizduota grafike.
Tipinė metalo varžos priklausomybė nuo temperatūros
Atlikę laboratorinį darbą, nubrėžę grafiką r=f(t) ir apskaičiavę α reikšmę darome išvadą, kad nedideliame temperatūrų diapazone, kambario temperatūros atžvilgiu, laidininko varžos priklausomybė nuo temperatūros yra tiesinė, nors gautas grafikas ir neatrodo kaip ideali tiesė, tačiau tiek teoriškai, tiek įvertinant galimas matavimų paklaidas, galime teigti jog eksperimentiškai nustatyta priklausomybė atitinka teorinę. Taigi didėjant temperatūrai, tolygiai didėja ir varža.
tags: #metalu #varzos #temperaturines #priklausomybes #tyrimas