Рассказ про металл по химии

Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.

В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия

Характерные свойства металлов

Физические свойства металлов

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

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 «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и 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 осмия и 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.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва 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 цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу 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 может уйти десятки лет.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. 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.

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.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Химические свойства металлов

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

 оксид лития

 пероксид натрия

 надпероксид калия

Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

При нагревании:

Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

Взаимодействие кислот с металлами

Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Взаимодействие серной кислоты H₂SO₄ с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Реакции для азотной кислоты (HNO3)

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:

Мета́лл (в переводе с латыни означает шахта) составляет определенную категорию элементов, обладающих свойствами металлов в отличие от группы неметаллов. Около 80% процентов существующих элементов являются металлами. Алюминий является самым распространенным в земной коре. Характерной чертой является наличие особого блеска, который позволяет отличить металл от каменной породы.

На сегодняшний день насчитывается около 118 химических элементов, но не каждый завоевал официальное признание. Открытые металлы условно подразделяют на следующие элементы:

• к щелочной категории 6;
• к щелочноземельным 6;
• к переходным 38;
• к легким 11;
• полуметаллы 7;
• лантан и лантаноиды 14;
• актиноиды 14;
• бериллий и магний не относятся ни к одной категории.

Соответственно, можно сделать вывод, что из всех существующих веществ 96 можно отнести к металлам. Если рассматривать с точки зрения астрофизики, то это химические элементы, вес которых больше гелия.

Происхождение слова металл

Существует три основных теории, которые раскрывают тайну происхождения слова металл:

• в старорусский период слово было заимствовано из немецкого языка. В немецком языке слово появилось из латыни, что в переводе на русский означает рудник или металл. Латинское слово было заимствовано с греческого языка (греч metallum);
• с греческого слово означает добываю из земли. Изначально толкование предполагало природные рудники и копьи;
• в немецком языке слово появилось в переводе с латыни рудник.

Небольшая историческая справка

Впервые человек повстречал металл в виде золота, меди и серебра. Они встречаются на земле в свободной форме. Постепенно к ним стали присоединяться другие элементы, которые встречаются в круговороте природы. К соединениям, которые легко выделить, можно отнести: олово, ртуть, железо, свинец. Данные металлы известны людям с древних времен.

С точки зрения алхимии, зарождение металла происходит в недрах земли. Совершенствование происходило под планетным воздействием, а метаморфозы происходили веками. В результате появились драгоценные металлы в виде золота и серебра. Ко второй группе относились медь, олово, свинец, железо и ртуть, которые обладают свойствами благородных металлов. При этом они отличаются летучестью, жидким состоянием. Многие ученые выделяли данные элементы в особую категорию. Ртуть была причислена к элементам, из которых образовывались металлы. Именно она была носителем металлических свойств. Цинк, висмут, сурьма и мышьяк обладают множеством схожих свойств с металлами, но ковкость в данном случае уступает реальным металлам. Поэтому была образована новая категория полуметаллов. Классификация на металлы и полуметаллы появилась еще в 18 веке. Первоначально алхимики расценивали процесс преобразования сплавов схожих по цвету с золотом, как настоящее превращение в драгоценный металл. Они считали, что достаточно поменять только цвет, чтобы свойства тоже изменились. Алхимики думали, что это вещества, которые относятся к категории сложных, состоят из серы и ртути.

Алхимики стали стараться ускорить естественный процесс созревания, поддерживая необходимые условия. Естественное превращение металлов имело прямое отождествление с обычным ростом и развитием вещей. Данная тема относилась к таинствам жизни. Именно в этот период возникла история о философском камне. Но не существует никаких точных инструкций, которые смогли бы превратить золото или серебро в камень, дающий бессмертие. Существует множество теорий. Основным борцом против идеи алхимиков считался Бойль.

С наступлением 17 века человечество узнало о том, какую роль играет воздух в процессе горения, как увеличивается массовая доля при окислении. Однако об этом знал Гебер в 8 веке. Казалось, что вопрос об элементарном составе металла будет в скором времени закрыт, но в химии появился новый раздел под названием флогистонная теория. Это привело к возникновению нового заблуждения. Процесс горения был классифицирован как разложение, то есть распад на составляющие элементы. Выделение горючего элемента происходило в форме пламени, а остальные оставались в исходном состоянии. Поэтому начали появляться противоречия. Бехер старался прийти к формированию единых понятий и предполагал, что в металле присутствует земля трех сортов: земля, Земля горючая и ртутная земля. Именно при таких условиях Шталь разработал свою теорию, согласно которой причиной горючести является неизвестная, названная флогистоном. Образование металлов происходит посредством земли и флогистона. В 18 веке Ломоносов учитывал 6 металлов: Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb. Ученый из России в процессе исследования металлов и неметаллов дал определение: металлом называется светлое тело, которое возможно ковать. К таким можно отнести только 6 тел: серебро, медь, золото, олово, свинец и железо. Но в этой теории была большая дыра, так как тело в процессе обжига увеличивалось в массе. В таком случае флогистон должен обладать определенным свойством в виде отрицательного тяготения. В конце 18 века данную теорию смог опровергнуть Лавуазье и доказал, что металлы являются простыми веществами. В 1789 он подготовил список простых веществ, в который включено 17 металлов. По мере прогрессирования, количество химических элементов возрастало.

Лавуазье смог установить, какую функцию воздух выполняет в процессе горения. Он показал, что увеличение веса металла при обжигании происходит в результате присоединения кислорода, который выделяется из воздуха.

В первой половине 19 века произошло новое открытие: установлены спутники Плутона, которые были получены посредством электролиза. Появились задатки классификации редкоземельных элементов, открыты новые неизвестные в процессе химического анализа минералов.

Посредством спектрального анализа появились Cs, Rb, Tl, In. Менделеев предсказал существование металлов. Например, метод ядерных превращений, начиная с середины 20 века. Искусственным методом получены радиоактивные металлы. В период 19-20 вв металлургия получила новую химико-физическую базу. В это же время появились новые исследования в области свойств металлов и сплавов, учитывая состав и строение. Такие гибриды могут иметь высокий потенциал в тепло- и энергетическом типе устойчивости. Вследствие внедрения неметаллических элементов молекулы меняют свое строение, анионы и катионы.

Нахождение металлов в природе

Основная часть всех металлов добываются из земной коры, она там расположена в виде соединений, только малоактивные, называемые благородными, встречаются в свободном формате. Обычно металлы встречаются в природе в формате руды и различных соединений.

Наличие самых распространенных металлов в коре Земли можно представить примерно таким соотношением (масс. %): алюминий 8,45; железо 4,4; кальций 3,3; натрий 2,6; калий 2,5; магний 2,1; титан 0,61.

Из металлов получаются: оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические вещества. Получить чистые металлы для их обработки в будущем можно только после очистки их от примесей, которые содержатся в руде. Руды скопления металлосодержащих минералов, входящих в состав горных пород. Металл в составе руды находится в окисленном состоянии, независимо от типа, поэтому основным способом получения металлов является процесс восстановления. Если в руде содержатся различные металлы, то руду подвергают расщеплению на отдельные соединения химическим методом. Таким образом, при воздействии на полиметаллические руды хлора (в присутствии восстановителя) образуются хлориды разных металлов, которые благодаря разнице степеней летучести могут отделяться один от другого и от не хлорированной части руд. Чистые хлориды ряда металлов восстанавливают активными металлами до свободных металлов.

Изредка сложные полиметаллические типы руд для выделения сложных сплавов подвергают восстановлению без предварительного разделения. Они бывают загрязненные так называемыми пустыми породами, которые затрудняют восстановление. Тогда процессу добычи металла предшествует очистка руды или ее обработка механическим, химическим, физико-химическим и другим методом. Из физико-химических наибольшее распространение получил метод флотации, в основе которого различная смачиваемость водой частиц смеси различных материалов.

Чистые оксиды металлов легче и удобнее поддаются процессу восстановления. В связи с этим водные оксиды обезвоживают, а сульфидные руды переводят в оксидные путем окислительного обжига.

Руды, в которых совсем небольшое содержание металлов подвергаются гидрометаллургической переработке водными растворами кислот или щелочей. При этом соединения некоторых металлов переходят в раствор.

Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия разделяет руды на чёрные металлы (на основе железа) и цветные (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Исключением можно назвать около 16 элементов: т. н. благородные металлы (золото, серебро и др.), и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей. Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах (играя при этом важную роль).

Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов. Больше всего в наших клетках кальция и натрия, сконцентрированного в лимфатических системах. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь в печени, железо в крови.

Добыча металла

Металлы часто извлекают из земли средствами горной промышленности, результат добытые руды в самородном карьере служат относительно богатым источником необходимых элементов. Для выяснения расположения руды используют специальные поисковые методы, которые включают в себя разведку руд и исследование мест рождений и окружающей среды. Месторождения, как правило, делятся на карьеры (разработки руд на поверхности), в которых добыча ведется путем извлечения грунта с использованием тяжелой техники, а также на подземные шахты.

После добычи руды ее превращают в металлы при помощи химического, а также электролитического воздействия. Самыми популярными способами распространенными способами добычи металлов считаются пирометаллургия и гидрометаллургия. Рассмотрим подробнее:

1. Пирометаллургией называют восстановительную работу металлов, при которой используются углерод (карботермия), водород, металлы-восстановители (металлотермия):

WO3 + 3H2 = W + 3H2O; CuS + O2 = CuO + SO2; CuO + H2 = Cu + H2O; BeF2 + Mg = Be + MgF2.

При использовании алюминия, метод получения называется алюминотермией. Алюмотермические методы применяются в извлечении из оксидов тугоплавких металлов (ванадий, хром, молибден и др.). Иногда в качестве восстановителя требуется магний. Метод магний термии нашел применение при получении титана, циркония, тантала из хлоридов этих металлов. Углерод по своей восстановительной активности уступает многим металлам. Тем не менее, карботермия имеет широкое распространение при восстановлении металлов малой активности (медь) и средней (железо, цинк, свинец).

1. Гидрометаллургией называют процесс восстановления металлов, происходит из водных растворов их солей при обычной температуре (комнатной). В этом случае восстанавливаемый металл находится в мелко раздробленном состоянии, требуются активные металлы.
2. Электрометаллургией является процесс добычи под воздействием электрического тока, который пропускают через раствор или расплав соли металла:

AgNO3 + H2O → Ag + O2 + HNO3.

Электролизом водных растворов получают сравнительно малоактивные металлы (медь, серебро, никель и т. д.). А электролизом расплавов солей высокоактивные (щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий).

Некоторые отрасли промышленности и техники нуждаются в металлах особой чистоты. Например, они востребованы при конструировании ядерных реакторов, в электронной и медицинской технике. Особо чистые металлы отличаются по своим физическим свойствам от обычных. Такие свойства, как пластичность, электро- и теплопроводность, а также сопротивление коррозии у чистых металлов имеют более высокие значения.

Сейчас проблема получения чистых и сверхчистых металлов решается различными способами.

1. Электролитическое рафинирование. Это формат электролиза с использованием чернового металла в качестве анода (активного). При пропускании постоянного электрического тока через электролит черновой металл окисляется (растворяется), а на катоде, изготовленном из чистого металла, из раствора (расплава) восстанавливается (осаждается) металл.
2. Термическая диссоциация летучих соединений очистка, основанная на способности некоторых соединений металлов разлагаться при высокой температуре. Например, иодиды титана и циркония, являясь летучими соединениями, при повышении температуры разлагаются на чистый металл и йод.
3. Зонная плавка процесс, основанный на различной степени растворимости примесей в твердом и расплавленном состояниях. Через зону с высокой температурой медленно продвигают стержень из очищаемого металла. По мере продвижения расплавленная область, где собираются все примеси, постепенно перемещается в конец стержня, который входит в горячую зону последним. Операцию повторяют многократно, каждый раз механически отделяя от чистого металла конец стержня, содержащий примеси.

В современной технике применяют около 30 000 сплавов легкоплавких и тугоплавких, очень твердых и пластичных, с большой и малой электрической проводимостью, ферромагнитных и др. В сплавах ныне используют практически все известные металлы (кроме искусственно полученных трансплутониевых элементов). Мера использования определяется доступностью металла и содержанием в земной коре, а также степенью концентрирования в месторождениях и трудностью получения. В последние годы наблюдается тенденция некоторого снижения роли железа и увеличение использования легких металлов (Al, Mg) и наиболее доступных редких металлов (Ti, Nb, Zr).

Свойства металлов

Свойства металлов можно разделить на четыре основных направления.

Характерные свойства металлов

Основные характеристики металлов:

• Металлический блеск (характерный признак не только металлов: его имеют и неметаллы азот и углерод в виде графита).
• Хорошая электропроводность всех металлов.
• Возможность легкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, например германий и висмут, не пластичны).
• Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов).
• Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы).
• Большая теплопроводность.
• В реакциях чаще всего являются восстановителями.

Атомы с промежуточными значениями степени окисления могут быть и окислителями, и восстановителями. Основные отличительные особенности металлов и неметаллов.

Признаки	Металлы	Неметаллы
Положение в П. С.	Под диагональю бор-астат	Над ней
Строение атома	Большой атомный радиус, число электронов на последнем слое от 1 до 3	Маленький, от 4 до 7 соответственно
Физические св-ва	Электропроводность, теплопроводность, блеск, ковкость, пластичность, по агрегатному состоянию, в основном, твердые	Диэлектрики, не блестящие, хрупкие, газы, жидкости и летучие твердые вещества
Кристаллические решетки	Металлическая	Молекулярная, атомная
Химические св-ва	Восстановители	Окислительные (иногда восстановительные)

Физические свойства

Физические свойства металлов обусловлены металлической кристаллической решеткой и химической связью. В технике металлы принято классифицировать по различным физическим свойствам:

• плотности легкие (р < 5,0 г/см3) и тяжелые (р > 5,0 г/см3). Диапазон от 0,531 г/см3 (Li) до 22,6 г/см3 (Os). Плотность металлов связана с температурой их плавления. Легкие металлы обычно самые легкоплавкие, например, цезий с плотностью 1,87 г/см3 плавится при температуре +28 °С, а вольфрам с плотностью 19 г/см3 имеет температуру плавления, равную +3380 °С.
• температуре плавления легкоплавкие (tпл < 1000 °С) и тугоплавкие (tпл > 1000 °С). Диапазон температуры плавления от 38,87 °С (Hg) до 3380 °С (W).

Металлам характерны несколько свойств:

• Твердость сопротивление к проникновению в материал другого, более твердого тела;
• Теплота сублимации это характеристика, представляющая собой энергию, необходимую для перевода определенной массы металла в парообразное состояние. Теплота сублимации является мерой прочности связи в кристаллической решетке металла. Характер изменения ее значений в побочных подгруппах аналогичен изменению температур плавления и кипения металлов.
• Износостойкость сохранение хорошего внешнего вида и физических свойств материала после сильного трения;
• Прочность стойкость к разрушению под воздействием внешней нагрузки;
• Упругость изменение формы материала под воздействием внешних сил и восстановление ее после того, как эти силы перестают на нее воздействовать;
• Теплопроводность это свойство металлов, обеспечиваемое взаимодействием электронов проводимости с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. Теплопроводность металлов обусловлена в основном движением положительных электронов, поэтому коэффициент теплопроводности (3010-6.jpg) и электрической проводимости (s) металлов полностью связаны между собой соотношением 3010-7.jpg/(s•Т) = L = 2,45•10 -8 Вт•Ом/К2 (закон Видемана-Франца). Уд. коэф. теплопроводности металлов имеет значения от 425 (для Ag) до 8,41 (для Bi) Вт/(м-К).
• Пластичность изменение формы материала под внешним воздействием и сохранение ее после устранения этого воздействия;
• Усталость свойство материала выдерживать многократные нагрузки;
• Жароустойчивость сопротивление окислительным процессам при нагревании до высоких температур;
• Фотоэлектрический эффект это свойство металлов выбрасывать электроны с поверхности под действием электромагнитных волн, что обусловлено слабой связью валентных электронов с ядром.
• Полиморфизм это явление существования металла в разных формах в твердом состоянии, или способность принимать различные кристаллические формы.
• Вязкость способность материала вытягиваться под воздействием внешних сил;
• Магнитные свойства присущи фактически всем металлам, поскольку они являются магнетиками веществами, изменяющими или приобретающими магнитный момент под действием внешнего (стороннего) магнитного поля. Мерой измерения магнитных свойств металлов служат следующие величины: остаточная индукция, коэрцитивная сила и магнитная проницаемость (магнитная восприимчивость). Металлы по магнитным свойствам могут быть разделены на три основные группы:

• диамагнетики выталкиваются из магнитного поля и ослабляют его;
• парамагнетики втягиваются магнитным полем, незначительно усиливая его;
• ферромагнетики усиливают магнитное поле на порядки величин.

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твердом состоянии, однако обладают различной твердостью.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твердости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно желтого, красного и светло-желтого цвета.

Электрические свойства металлов

Электропроводность обусловлена присутствием в металле свободных электронов, которые направленно перемещаются при наложении электрического тока. Металлы проводники первого рода, так как проводят электрический ток без изменений своего строения. При нагревании электропроводность снижается, так как усиливается колебательное движение ионов, что затрудняет движение электронов. При охлаждении же электропроводность возрастает, близко абсолютного 0 она стремится к бесконечности это явление названо сверхпроводимостью.

Причина электрического сопротивления рассеяние электронов на любых нарушениях периодичности кристаллического строения решетки: тепловых колебаниях ионов (фононах), самих электронах, а также дефектах. К ним относятся примесные атомы, дислокации, границы кристаллов и образцов. Мерой рассеяния служит длина свободного пробега l усредненное расстояние между двумя последовательными столкновениями электронов с дефектами:

=nel/pF,

где n концентрация электронов проводимости (порядка 10221023 см3), e заряд электрона, pF=2πℏ(3n/8π)1/3 т. н. граничный фермиевский импульс. При T=300 К длина свободного пробега l порядка 106 см; с понижением T длина пробега растёт, достигая (для высококачественных образцов) 0,11 см. Соответственно возрастает электропроводность и уменьшается удельное электрич. сопротивление 1. Отношение проводимости при T=4,2 К к проводимости при T=300 К характеризует совершенство и химич. чистоту металлов.

Сопротивление сплавов значительно выше сопротивления чистых пород. В веществах с большим ρ возникает локализация электронных состояний проводимость исчезает.

При плавлении подвижные электроны в нём сохраняются, поэтому сохраняется и большая проводимость, хотя разрушение дальнего порядка приводит к скачкообразному росту сопротивления. Исключение составляют Sb,Ga,Bi, — их сопротивление при плавлении уменьшается.

Химические свойства

Во всех реакциях простые вещества металлы проявляют только восстановительные свойства.

Металлы взаимодействуют с неметаллами, образуя бинарные соединения. По правилам ИЮПАК названия этих соединений образуются в соответствии со схемой:

Так, с очень активными неметаллами (галогенами, серой) металлы образуют соединения, которые молено рассматривать, как соли бескислородных кислот: 2Na + Cl2 = 2NaCl

Если металл проявляет переменные степени окисления, подобная соль имеет состав, который зависит от окислительных свойств неметалла. Например, железо энергично взаимодействует с хлором, образуя хлорид железа(III): 2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3

При взаимодействии железа с серой, окислительная способность которой ниже, чем у галогенов, продуктом реакции является сульфид железа(II): Fe + S = FeS

При взаимодействии металлов с кислородом образуются оксиды или пероксиды:

4Li + O2 = 2Li2O

2Na + O2 = Na2O2

Оксиды в этом случае имеют основный или амфотерный характер:

2Mg + O2 = 2MgO

4Аl + 3O2 = 2Аl2O3

Эти реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты и очень ярким пламенем, поэтому применяются для изготовления сигнальных ракет, фейерверков, салютов и других пиротехнических средств. Поэтому обращение с ними требует строгого соблюдения правил техники безопасности.

Продуктом горения железа в кислороде является смешанный оксид :

3Fe + 2O2 = Fe3O4

Металлы простые вещества, образованные элементами IA и IIАгрупп, в полном соответствии с названием этих групп взаимодействуют с водой с образованием щелочи и водорода. В общем виде эти реакции можно записать так:

2М + 2Н2O = 2МОН + Н2↑, где М щелочной металл

М + 2Н2O = М(ОН)2 + H2↑, где М Mg или щелочноземельный металл.

Для характеристики химических свойств металлов важное значение имеет их положение в электрохимическом ряду напряжений:

К, Са, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, (H2), Cu, Hg, Ag, Au

Вспомните известные вам из курса основной школы два вывода:

• взаимодействие металлов с растворами концентрированных кислот происходит, если металл находится в ряду напряжений левее водорода. Других кислотных взаимодействий нет;
• взаимодействие металлов с растворами солей происходит, если металл находится в ряду напряжений левее металла соли.

Лабораторный способом получения водорода:

Zn + 2НСl = ZnCl2 + H2↑

Zn0 + 2H+ = Zn2+ + H20

Аналогично протекает реакция металлов и с органическими кислотами, они вступают в реакцию:

2СН3СООН + Zn > (CH3COO)2Zn + Н2↑

2СН3СООН + Zn > 2СН3СОO + Zn2+ + Н20

Реакция между цинком и раствором сульфата меди(II) протекает согласно уравнению:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Zn0 + Сu2+ = Zn2+ + Сu0

Подчеркнем, что в этом случае металл может находиться в ряду напряжений и после водорода, но не после металла соли. Например, реакция замещения серебра медью:

Cu + 2AgNO3 = Сu(NО3)2 + 2Ag

Cu0 + 2Ag+ = Cu2+ + 2Ag0

В завершение рассмотрим еще одно характерное не для всех металлов свойство, которое называется металлотермия. Такие активные металлы, как алюминий, кальций, магний, литий, способны взаимодействовать с оксидами других металлов. Для того чтобы началась такая реакция, смесь активного металла и оксида металла (ее называют термитной) необходимо поджечь. После этого процесс сопровождается выделением большого количества теплоты и света (отсюда и название процесса). Металлотермию применяют для получения и более ценных металлов: 2Аl + Сr2О3 = Al2O3 + 2Сг

Классификация (виды) металлов

Есть несколько разных классификаций металлов, о которых поговорим ниже в статье. Стандарты всех металлов прописаны в ГОСТ. Каждый из стандартов определяет требования к металлическим материалам, к их индивидуальным характеристикам и сферам использования. За все эти направленности отвечает химия строения металлов. Данные критерии становятся основными при выборе материала для определенной цели.

Все металлы делятся на четыре группы:

• s-металлы (все s-элементы, кроме Н и Не) простые. Бывают щелочные металлы и щелочноземельные элементы.
• р-металлы (элементы гр. IIIа, кроме В, а также Sn, Рb, Sb, Bi, Ро) простые.
• d-металлы. Выделяют платиновые металлы.
• f-металлы.

Группа редкоземельных элементов включает как d-, так и f-металлы (подгруппа Sc и лантаноиды).

Существует также техническая классификация металлов. В известной мере она перекликается с геохимическими классификациями элементов. Обычно выделяют следующие виды, которые отличаются химически:

• черные металлы (Fe);
• тяжелые цветные металлы Сu, Pb, Zn, Ni и Sn (к этой группе примыкают т.наз. малые, или младшие, металлы Со, Sb, Bi, Hg, Cd, некоторые из них иногда относят к редким металлам);
• легкие металлы (с плотностью меньше 5 г/см3)-Аl, Mg, Ca и т.д.;
• драгоценные металлы Au, Ag и платиновые металлы;
• легирующие (или ферросплавные) металлы Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и др.;
• редкие металлы;
• радиоактивные металлы U, Th, Pu и др.

Отличия металлов от сплавов заключается в разных визуальных признаках, например, в зернистости и гладкости поверхности. Еще сплавы имеют теплопроводность и электропроводность. Чаще всего применяются в промышленности медные, титановые, бронзовые и алюминиевые типы сплавов. Эти элементы служат сырьем для производства разного рода деталей и выливания металлоконструкций.

Для более простого восприятия, в обиходе деление происходит всего на две основные группы. Такими группами являются черные и цветные металлы. Они не имеют схожести ни по свойствам, ни по промышленному применению. Ниже в статье разберем эти группы металлов подробнее.

Черные металлы

Черные металлы получили такое наименование из-за своего цвета, который изменяется от темно-серого до практически белоснежного (серебристо-белого или белого цвета сталь, например). Они обладают высокой плотностью и температурой плавления, твердостью. Среди всех черных металлов больше всего распространено и чаще всего применяется в промышленности обычное железо.

Класс черных металлов включает в себя два основных подвида, к которым относится сталь и чугун. Стали же в свою очередь могут быть углеродистыми или легированными.

Различные виды черных сплавов получили значительное распространение в области изготовления металлопроката. Они обладают отличными рабочими свойствами, поэтому на рынке черные металлы всегда востребованы.

Добывают материалы напрямую из железной руды при помощи доменной печи, где при температуре близко к 2000 градусов протекает процесс плавления руд, из которых сразу и получают железо. На самом деле способов выработки железа множество. Также помимо доменного процесса выплавки железа, существует еще вариант прямого получения железа из предварительно измельченной железной руды с добавлением специальной глины. При таком способе железо получается сразу твердое, которое потом приходится переплавлять в мощных электропечах. Помимо видов металлов и их сплавов, существуют также и разнообразные их марки, разновидность которых указывается в буквенно-цифровом виде, например Ст4. Такого рода группировка и маркировка черных металлов, очень облегчает работу и изготовление металлопроката.

Любой металлопрокат по форме, размерам и предельным отклонениям должен строго соответствовать в России требованиям ГОСТа. К черному металлу относятся следующие виды проката: листовой, сортовый, фасонный, трубный прокат. Чугун и сталь между собой очень похожи, за исключением количества содержащегося углерода. Основные характеристики:

• Чугуны сплавы содержащие углерод свыше 2,14 % (в некоторых чугунах доля углерода доходит до 6 %). Кроме углерода в чугунах и сталях содержатся иные компоненты. Например, марганец, кремний, сера, фосфор.
• Стали сплавы железа с углеродом при содержании углерода менее 2,14 %. Стали также бывают низкоуглеродистые (содержание углерода менее 0,25%), углеродистые (0,25 0,6 %), высокоуглеродистые (более 0,6 %). Низкоуглеродистые стали легко сваривается и весьма пластичны, высокоуглеродистые же напротив очень твердые, благодаря чему применяются в агрегатах режущих инструментов.

Цветные металлы

Цветные металлы также названы благодаря цвету простых веществ. Их цвет может быть красным, желтым, белым. Например, медь красного цвета, и ее сплавы имеют красноватый оттенок. Цветным металлам свойственны также уникальные физические и химические свойства. Важнейшими продуктами цветной металлургии являются титан, вольфрам, молибден и другие металлы, которые могут использоваться в качестве специальных легирующих добавок для производства сверхтвердых, тугоплавких, устойчивых к коррозии сплавов, широко применяемых в машино и станкостроении, в обороннокосмической отрасли.

Сплавы в сравнении с металлами более пластичные, мягкие и легкоплавкие. К механической обработке цветных металлов относится штамповка, ковка, прессование, прокатка, пайка, сварка и резка.

Типы цветных металлов:

• Тяжелые цветные металлы. К ним относится свинец, медь, олово, цинк, никель, ртуть.
• Легкие цветные металлы. К ним относится: алюминий, титан, магний, бериллий, стронций, кальций, литий, барий, калий, натрий, цезий и рубидий.
• Благородные цветные металлы. Это металлы, которые уже готовы и очищены на поверхности Земли. К примеру: платина, золото, серебро, осмий, родий, рутений, палладий.
• Тугоплавкие цветные металлы. Это вольфрам и ванадий, молибден и тантал, хром и ниобий, цирконий и марганец.
• Рассеянные цветные металлы, к которым относятся: индий, таллий, германий, рений, селен, гафний и теллур.
• Радиоактивные цветные металлы. Список: уран, торий, радий, нептуний, актиний, америций, протактиний, плутоний, эйнштейний, калифорний, фермий, нобелий, менделевий и лоуренсий.

Многочисленную группу составляют редкоземельные металлы, такие как: туллий, эрбий, прометий, лютеций, церий, лантан, неодим, празеодим, европий, самарий, тербий, гадолиний, гольмий, диспрозий, иттрий и скандий.

Стоит отметить, что большая часть литых изделий, а также проволока, квадраты, шестиугольники в виде прутков и мотков, ленты и полосы, листы и фольга изготавливаются из цветных металлов. Различают по толщине, фольга бывает тонкой в несколько мм. В последнее время в производстве даже начали использоваться порошки из данных металлов.

Сплавы металлов

В твердом состоянии металлы практически не взаимодействуют друг с другом, однако в расплавленном состоянии могут иметь место и растворение, и взаимодействие. Различные расплавленные металлы в большинстве случаев смешиваются друг с другом в любых соотношениях, образуя жидкие однородные системы. Сплавами называют материалы, которые состоят из двух и более металлических компонентов. Как правило, каждый сплав состоит из основы, в нее обычно входит несколько металлов, и так называемых легирующих элементов. Легирующие добавки нужны, чтобы придать сплаву мягкость, эластичность, твердость, коррозионную стойкость и другие свойства. Чаще всего в промышленности применяются смеси с использованием железа и алюминия, но вообще существует более 5 тысяч разновидностей сплавов. Сплавы делятся на два вида: литые и порошковые. Литые сплавы получаются путем смешивания расплавленных компонентов. А порошковый метод получения сплавов подразумевает прессование порошков нескольких металлов и их последующее спекания при высоких температурах. По назначению сплавы делятся на:

• конструкционные. Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей автомобилей, техники и оборудования. Это обусловлено прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.
• инструментальные. Из технологии инструментальных сплавов, как можно понять из названия, изготавливают инструменты например, различные молотки и ножи. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика..
• специальные. Специальные сплавы используются для изготовления деталей специального назначения например, для предотвращения трения. Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.)

Сплавы подразделяются на твердые и мягкие, легкоплавкие и тугоплавкие, устойчивые к воздействию кислот и щелочей.

Электро- и теплопроводность сплавов высокая. Свойства сплавов зависят от свойств веществ, входящих в его состав.

Твердость сплава, состоящего из 99% меди и 1% бериллия, в 7 раз больше твердости меди.

Сплав, состоящий из 50,1% висмута, 24,9% свинца, 14,2% олова, 10,8% кадмия, имеет температуру плавления, равную 65,5°С (тогда как висмут плавится при 271,3°С, олово 231,9°С, кадмии 320,9°С, свинец 327,4°С).

Такие металлы, как цинк, медь, алюминии не реагируют с водой, тогда как сплав, состоящий из 5% цинка, 50% меди, 45% алюминия при нормальных условиях взаимодействует с водой и вытесняет водород.

Сплавы, также как и металлы, имеют кристаллическое строение, и свойства разнятся в зависимости от строения. При кристаллизации в некоторых сплавах происходит образование химических соединений, в некоторых же сплавах, с химической точки зрения, атомы металлов связь не образуют. Такие сплавы называют нередко твердыми растворами.

Гомогенные сплавы это сплавы, состоящие из металлов, имеющих близкие величины атомного радиуса, в узлах кристаллической решетки которых возможен обмен атомов (Си-Аи, Ag-Au, Na-K, Bi-Sb).

Гетерогенные сплавы это сплавы, состоящие из металлов, имеющих различные величины атомного радиуса и в узлах кристаллической решетки которых невозможен обмен атомов (Sn-Al, Zn-Al).

Интерметаллические (межметаллические сплавы это сплавы, состоящие из металлов, электроотрицательность которых резко отличается друг от друга. В этих сплавах металлы соединяются в различных эквивалентных соотношениях, образуя химические соединения (CuZn, Cu3Al, Cu5Zn8). В отдельных случаях металлы не растворяются друг в друге и не могут образовывать сплавы (железо и свинец). В быту практически не применяются изделия, изготовленные из чистого металла. Нередко в обычной жизни можно встретить гидроксиды или каустик. Их используют при производстве целлюлозы, моющих средств (мыла, шампуней и других), в нефтепереработке, при производстве биодизельного топлива, для нейтрализации кислот во всем мире.

При изготовлении сплавов их свойства заранее должны быть известны. Кристаллическая решетка сплавов сильно отличается от кристаллической решетки чистых металлов.

Примеры сплавов

Многие изделия станок, самолеты и ракеты, автомобили и мотоциклы, сковородки, кухонный инвентарь, ювелирные изделия делают из сплавов. Металлы-примеси (легирующие компоненты) очень часто изменяют свойства основного металла в лучшую, с точки зрения человека, сторону. Например, и железо и алюминий довольно мягкие металлы. Но, соединяясь друг с другом или с другими компонентами, они превращаются в сталь, дуралюмин и другие прочные конструкционные материалы. Рассмотрим свойства самых распространенных сплавов:

1. Сталь (английский steel) это сплавы железа с углеродом, содержащие последнего до 2 %. В состав легированных сталей входят и другие химические элементы хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25 % углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55 %) идет на изготовление режущих инструментов: бритвенные лезвия, сверла и др.
2. Железо составляет основу чугуна. Чугуном называется сплав железа с 24 % углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей и др.
3. Бронза сплав меди, обычно с оловом как основным легирующим компонентом, а также с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка. Оловянные бронзы знали и широко использовали еще в древности. Большинство античных изделий из бронзы содержат 7590 % меди и 2510 % олова, что делает их внешне похожими на золотые, однако они более тугоплавкие. Это очень прочный сплав. Из него делали оружие до тех пор, пока не научились получать железные сплавы. С применением бронзы связана целая эпоха в истории человечества: Бронзовый век.
4. Латунь это сплавы меди с Zn, Al, Mg. Это цветные сплавы с невысокой температурой плавления, их легко обрабатывать: резать, сваривать и паять.
5. Мельхиор является сплавом меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. По внешним характеристикам мельхиор похож на серебро, но обладает большей механической прочностью. Сплав широко применяют для изготовления посуды и недорогих ювелирных изделий. Большинство современных монет серебристого цвета изготавливают из мельхиора (обычно 75 % меди и 25 % никеля с незначительными добавками марганца).
6. Дюралюминий, или дюраль это сплав на основе алюминия с добавлением легирующих элементов медь, марганец, магний и железо. Он характеризуется своей стальной прочностью и устойчивостью к возможным перегрузкам. Это основной конструкционный материал в авиации и космонавтике.

Взаимодействие металлов с кислотами

Кислоты взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду активности металлов левее водорода. Результатом такой реакции становится соль и выделение водорода. Можно сказать, что металлы, расположенные в ряду активности левее, вытесняют водород из кислот. Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Mg+2HCl=MgCl₂+H₂↑

2Al+2H3PO4=2AlPO4+3H₂↑

Взаимодействие серной кислоты H2SO4 с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Cu+2H₂SO4=CuSO4+SO₂↑+2H₂O

Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

Mg+H₂SO4=MgSO4+H₂↑

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Mg+2H2SO4=MgSO4+SO₂↑+2H₂O

3Mg+4H2SO43=3MgSO4+S↓+4H₂O

4Mg+5H2SO4=4MgSO4+ H2S↑+4H₂O

Реакции для азотной кислоты (HNO3)

Cu+4HNO3(60%)=Cu(NO3)2+2NO₂↑+2H₂O

3Cu+8HNO3(30%)=3Cu(NO3)2+2NO₂↑+4H₂O

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций еще больше:

Zn+4HNO3(60%)=Zn(NO3)2+2NO₂↑+2H₂O

3Zn+8HNO3(30%)=3Zn(NO3)2+2NO₂↑+4H₂O

4Zn+10HNO3(20%)=4Zn(NO3)2+N₂O↑+5H₂O

5Zn+12HNO3(10%)=5 Zn(NO3)2+N₂↑+6H₂O

4Zn+10HNO3(3%)=4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H₂O

Строение металла

Металлы мы знаем из детства, в школе о них рассказывали на таких уроках, как биология, химия, физика и даже математика. Учили формулу, понятия, что такое легирование и ионная структура. Оттуда все знают, что это неорганические вещества, выдерживающие высокий температурный режим без деформации. Также есть растворимые в некоторых условиях металлы и нерастворимые. Характеристики металлов легко можно понять лишь взглянув на кристаллическую решетку. Так как металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое внутреннее строение, то образующие их элементарные частицы (атомы) в процессе кристаллизации из расплавленного состояния должны группироваться в определенной последовательности. Эта последовательность имеет название — кристаллическая решетка, что являет собой воображаемый элемент объема, который образуется минимальным количеством атомов, чье многократное повторение позволяет построить весь кристалл.

В каждом узле решетки металла пространственной кристаллической определенным образом расположены положительно заряженные ионы, а между ними летают свободные электроны, что представляют собой некий электронный газ. Переходя от одного катиона к другому, они осуществляют связь между ионами и превращают кристалл металла в целое вещество. Такой вид связи, называемый металлическим, возникает между атомами за счет перекрытия электронных облаков внешних электронов. Металлическая связь отлична от неполярной ковалентной в первую очередь своей ненаправленностью. В кристалле с металлической связью электроны не закрепляются между 2-мя атомами, а принадлежат всем атомам этого кристалла, другими словами. они делокализованные. К особенности структуры кристаллов металла относятся высокие координационные числа 8÷12, которым соответствует значительная твердость.

Суммарно известно четырнадцать разных видов кристаллических решеток. Металлы в основном кристаллизируются в одном из трех видов структур: объемноцентрированной кубической (ОЦК), гранецентрированной кубической (ГЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ), о которых подробнее поговорим в статье ниже. Для изображения кристаллической решетки используются упрощенные схемы. В объемно-центрированной кубической решетке содержится суммарно 9 атомов, выразить можно так: 8 расположены в вершинах куба и 1 в центре объема. Такое строение решетки у молибдена, вольфрама, ванадия и других металлов.

Типы кристаллических решеток

У каждого металла кристаллическая решетка содержит положительно заряженные ионы одинакового размера, что расположены по принципу довольно плотной упаковки шаров одинакового диаметра. Отличают всего 3 основных вида упаковки/кристаллической решетки.

1. Объемноцентрированный кубический тип решетки с координационным числом = 8 (натрий, калий, барий). Атомы металла расположены на верхах куба, а один в центре объема. Плотность упаковки шарообразными ионами в таком варианте равна 68%.
2. Гранецентрированный формат кубической решетки с координационным числом = 12 (это тип алюминия, меди, серебра). Атомы металла расположены в вершинах куба и по центру каждой из граней. Плотность упаковки 74%.
3. Гексагональный тип решетки с координационным числом = 12 (магний, цинк, кадмий). Атомы металла расположены на верхах и в центре шестигранных оснований призмы, а еще три в ее средней плоскости. Плотность упаковки 74%.

Из-за разной плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разного формата свойства. Это явление было названо анизотропия. Оно характерно для одиночного типа кристаллов монокристаллов. Однако в основном металлы в обычных условиях имеют поликристаллический тип строения, другими словами — состоят из большого количества кристаллов/зерен, каждое из которых анизотропно. Особенности кристаллических решеток обусловливают характерные физические свойства металлов.

Особенности строения

Твердость объясняется значительным количеством структурного плана дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.). Из-за легкой отдачи электронов есть риск окисления металлов, что в свою очередь приводит к коррозии и дальнейшему разрушению и деградации его свойств. Способность к окислению легко понять по стандартному ряду активности металлов. Это и говорить в пользу смешивания металлов в сплавы с использованием легирующих элементов химической периодической таблицы, а также применение различного рода покрытий уже готового изделия.

Для наиболее адекватного описания электронных свойств металлов стоит использовать понятие квантовой механики. В структуре всех твердых тел с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешенные зоны, при этом зона, которую образовали валентные электроны, имеет соответствующее название — валентная зона. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для ее полного заполнения.

Главная особенность и отличие от остальных этой частично заполненной зоны в том, что даже при малейшем напряжении в образце запускается перестройка валентных электронов. Проще говоря, протекает электричество.

Эта же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности и способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придает металлам характерный им блеск).

Применение металлов

Металлы активно применяют как в повседневной жизни, в быту, так и для строения зданий, оборудования и транспорта.

Применение в качестве конструкционных материалов

Сплавы, которые используются для изготовления разного формата конструкций и строений, должны быть прочны и легкообрабатываемы. В строительстве, а также в машиностроении чаще всего применяются смеси из железа и алюминия. Например, из железа получают таким образом сталь, которая славится высокой прочностью и твердостью. Из нее можно ковать детали, прессовать листы, сваривать конструкции.

Чугун популярен для отлива крупногабаритного типа конструкций и формата деталей, для которых необходима высокая прочность и устойчивость. К примеру, много лет чугун служил основой для домашних батарей центрального отопления, а также канализационных труб. Из него делают сейчас котлы, перила и опоры для мостов, лестниц. Чугун довольно тяжелый, что не позволяет его использовать в некоторых сферах. Поэтому в некоторых отраслях его заменили на сплав алюминия, который прочный, но легкий. Дюралюминий, силумин соединения алюминия, они незаменимы в построении самолетов, вагонов, а также являются основой кораблестроения. В некоторых узлах самолетов используется смесь на основе магния. Смеси магния очень легкие и устойчивые к высоким температурам.

В ракетостроительной сфере применяют легкие и термостойкие соединения титана. Для повышения показателя ударопрочности, коррозионной стойкости и износоустойчивости сплавы легируют. Например, добавление марганца делает стали ударопрочными. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав смеси вводят хром.

Инструментальные сплавы

Из них делают режущие инструменты, штампы и детали для точных механизмов. Эти элементы должны быть износостойкими и с высокой прочностью, причем при нагревании должны оставаться такими же. Таким требованиям соответствуют, к примеру, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку высокими температурами (закалку). Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Применение в электротехнической промышленности, электронике и приборостроении

Многочисленные металлические сплавы — незаменимый материал для изготовления особо чувствительных и высокоточных приборов, разного типа датчиков и преобразователей энергии. Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идет смесь никеля. Некоторые составляющие электромоторов изготавливают из соединений кобальта. Сплав никеля с хромом называется нихром и отличается высоким сопротивлением. Он часто основа для нагревательных элементов печей и электроприборов, которые используются в быту. Из медных сплавов в электротехнической промышленности и в приборостроении самое широкое применение нашли для латуни и бронзы. Первые незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны ( основные детали в конструкциях подачи газа и воды). Бронза идет обычно на изготовление пружин и пружинящих контактов.

A metal (from Greek μέταλλον métallon, «mine, quarry, metal») is a material that, when freshly prepared, polished, or fractured, shows a lustrous appearance, and conducts electricity and heat relatively well. Metals are typically ductile (can be drawn into wires) and malleable (they can be hammered into thin sheets). These properties are the result of the metallic bond between the atoms or molecules of the metal.

A metal may be a chemical element such as iron; an alloy such as stainless steel; or a molecular compound such as polymeric sulfur nitride.^[1]

In physics, a metal is generally regarded as any substance capable of conducting electricity at a temperature of absolute zero.^[2] Many elements and compounds that are not normally classified as metals become metallic under high pressures. For example, the nonmetal iodine gradually becomes a metal at a pressure of between 40 and 170 thousand times atmospheric pressure. Equally, some materials regarded as metals can become nonmetals. Sodium, for example, becomes a nonmetal at pressure of just under two million times atmospheric pressure.

In chemistry, two elements that would otherwise qualify (in physics) as brittle metals—arsenic and antimony—are commonly instead recognised as metalloids due to their chemistry (predominantly non-metallic for arsenic, and balanced between metallicity and nonmetallicity for antimony). Around 95 of the 118 elements in the periodic table are metals (or are likely to be such). The number is inexact as the boundaries between metals, nonmetals, and metalloids fluctuate slightly due to a lack of universally accepted definitions of the categories involved.

In astrophysics the term «metal» is cast more widely to refer to all chemical elements in a star that are heavier than helium, and not just traditional metals. In this sense the first four «metals» collecting in stellar cores through nucleosynthesis are carbon, nitrogen, oxygen, and neon, all of which are strictly non-metals in chemistry. A star fuses lighter atoms, mostly hydrogen and helium, into heavier atoms over its lifetime. Used in that sense, the metallicity of an astronomical object is the proportion of its matter made up of the heavier chemical elements.^[3][4]

Metals, as chemical elements, comprise 25% of the Earth’s crust and are present in many aspects of modern life. The strength and resilience of some metals has led to their frequent use in, for example, high-rise building and bridge construction, as well as most vehicles, many home appliances, tools, pipes, and railroad tracks. Precious metals were historically used as coinage, but in the modern era, coinage metals have extended to at least 23 of the chemical elements.^[5]

The history of refined metals is thought to begin with the use of copper about 11,000 years ago. Gold, silver, iron (as meteoric iron), lead, and brass were likewise in use before the first known appearance of bronze in the fifth millennium BCE. Subsequent developments include the production of early forms of steel; the discovery of sodium—the first light metal—in 1809; the rise of modern alloy steels; and, since the end of World War II, the development of more sophisticated alloys.

Properties

Form and structure

Metals are shiny and lustrous, at least when freshly prepared, polished, or fractured. Sheets of metal thicker than a few micrometres appear opaque, but gold leaf transmits green light.

The solid or liquid state of metals largely originates in the capacity of the metal atoms involved to readily lose their outer shell electrons. Broadly, the forces holding an individual atom’s outer shell electrons in place are weaker than the attractive forces on the same electrons arising from interactions between the atoms in the solid or liquid metal. The electrons involved become delocalised and the atomic structure of a metal can effectively be visualised as a collection of atoms embedded in a cloud of relatively mobile electrons. This type of interaction is called a metallic bond.^[6] The strength of metallic bonds for different elemental metals reaches a maximum around the center of the transition metal series, as these elements have large numbers of delocalized electrons.^{[n 1]}

Although most elemental metals have higher densities than most nonmetals,^[6] there is a wide variation in their densities, lithium being the least dense (0.534 g/cm³) and osmium (22.59 g/cm³) the most dense. (Some of the 6d transition metals are expected to be denser than osmium, but predictions on their densities vary widely in the literature, and in any case their known isotopes are too unstable for bulk production to be possible.) Magnesium, aluminium and titanium are light metals of significant commercial importance. Their respective densities of 1.7, 2.7, and 4.5 g/cm³ can be compared to those of the older structural metals, like iron at 7.9 and copper at 8.9 g/cm³. An iron ball would thus weigh about as much as three aluminum balls of equal volume.

Metals are typically malleable and ductile, deforming under stress without cleaving.^[6] The nondirectional nature of metallic bonding is thought to contribute significantly to the ductility of most metallic solids. In contrast, in an ionic compound like table salt, when the planes of an ionic bond slide past one another, the resultant change in location shifts ions of the same charge closer, resulting in the cleavage of the crystal. Such a shift is not observed in a covalently bonded crystal, such as a diamond, where fracture and crystal fragmentation occurs.^[7] Reversible elastic deformation in metals can be described by Hooke’s Law for restoring forces, where the stress is linearly proportional to the strain.

Heat or forces larger than a metal’s elastic limit may cause a permanent (irreversible) deformation, known as plastic deformation or plasticity. An applied force may be a tensile (pulling) force, a compressive (pushing) force, or a shear, bending, or torsion (twisting) force. A temperature change may affect the movement or displacement of structural defects in the metal such as grain boundaries, point vacancies, line and screw dislocations, stacking faults and twins in both crystalline and non-crystalline metals. Internal slip, creep, and metal fatigue may ensue.

The atoms of metallic substances are typically arranged in one of three common crystal structures, namely body-centered cubic (bcc), face-centered cubic (fcc), and hexagonal close-packed (hcp). In bcc, each atom is positioned at the center of a cube of eight others. In fcc and hcp, each atom is surrounded by twelve others, but the stacking of the layers differs. Some metals adopt different structures depending on the temperature.^[8]

• 

  Body-centered cubic crystal structure, with a 2-atom unit cell, as found in e.g. chromium, iron, and tungsten

• 

  Face-centered cubic crystal structure, with a 4-atom unit cell, as found in e.g. aluminum, copper, and gold

• 

  Hexagonal close-packed crystal structure, with a 6-atom unit cell, as found in e.g. titanium, cobalt, and zinc

The unit cell for each crystal structure is the smallest group of atoms which has the overall symmetry of the crystal, and from which the entire crystalline lattice can be built up by repetition in three dimensions. In the case of the body-centered cubic crystal structure shown above, the unit cell is made up of the central atom plus one-eight of each of the eight corner atoms.

Electrical and thermal

The electronic structure of metals means they are relatively good conductors of electricity. Electrons in matter can only have fixed rather than variable energy levels, and in a metal the energy levels of the electrons in its electron cloud, at least to some degree, correspond to the energy levels at which electrical conduction can occur. In a semiconductor like silicon or a nonmetal like sulfur there is an energy gap between the electrons in the substance and the energy level at which electrical conduction can occur. Consequently, semiconductors and nonmetals are relatively poor conductors.

The elemental metals have electrical conductivity values of from 6.9 × 10³ S/cm for manganese to 6.3 × 10⁵ S/cm for silver. In contrast, a semiconducting metalloid such as boron has an electrical conductivity 1.5 × 10⁻⁶ S/cm. With one exception, metallic elements reduce their electrical conductivity when heated. Plutonium increases its electrical conductivity when heated in the temperature range of around −175 to +125 °C.

Metals are relatively good conductors of heat. The electrons in a metal’s electron cloud are highly mobile and easily able to pass on heat-induced vibrational energy.

The contribution of a metal’s electrons to its heat capacity and thermal conductivity, and the electrical conductivity of the metal itself can be calculated from the free electron model. However, this does not take into account the detailed structure of the metal’s ion lattice. Taking into account the positive potential caused by the arrangement of the ion cores enables consideration of the electronic band structure and binding energy of a metal. Various mathematical models are applicable, the simplest being the nearly free electron model.

Chemical

Metals are usually inclined to form cations through electron loss.^[6] Most will react with oxygen in the air to form oxides over various timescales (potassium burns in seconds while iron rusts over years). Some others, like palladium, platinum, and gold, do not react with the atmosphere at all. The oxides of metals are generally basic, as opposed to those of nonmetals, which are acidic or neutral. Exceptions are largely oxides with very high oxidation states such as CrO₃, Mn₂O₇, and OsO₄, which have strictly acidic reactions.

Painting, anodizing, or plating metals are good ways to prevent their corrosion. However, a more reactive metal in the electrochemical series must be chosen for coating, especially when chipping of the coating is expected. Water and the two metals form an electrochemical cell and, if the coating is less reactive than the underlying metal, the coating actually promotes corrosion.

Periodic table distribution

The elements that form metallic structures under ordinary conditions are shown in yellow on the periodic table below. The remaining elements either form giant covalent structures (light blue), molecular covalent structures (dark blue), or remain as single atoms (violet).^[9] Astatine (At), francium (Fr), and the elements from fermium (Fm) onwards are shown in gray because they are extremely radioactive and have never been produced in bulk. Theoretical and experimental evidence suggests that almost all these uninvestigated elements should be metals,^[10] though there is some doubt for oganesson (Og).^[11]

v t e Bonding of simple substances in the periodic table
	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Group →
↓ Period
1	H		He
2	Li	Be		B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg		Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca		Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr		Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og

The situation can change with pressure: at extremely high pressures, all elements (and indeed all substances) are expected to metallize.^[10] Arsenic (As) has both a stable metallic allotrope and a metastable semiconducting allotrope at standard conditions.

Elements near the border between metals and nonmetals often have intermediate chemical behavior. As such, a category of metalloids is often used for such in-between elements, but there is no consensus in the literature as to which elements should qualify.^[12]

Alloys

An alloy is a substance having metallic properties and which is composed of two or more elements at least one of which is a metal. An alloy may have a variable or fixed composition. For example, gold and silver form an alloy in which the proportions of gold or silver can be freely adjusted; titanium and silicon form an alloy Ti₂Si in which the ratio of the two components is fixed (also known as an intermetallic compound).

Most pure metals are either too soft, brittle, or chemically reactive for practical use. Combining different ratios of metals as alloys modifies the properties of pure metals to produce desirable characteristics. The aim of making alloys is generally to make them less brittle, harder, resistant to corrosion, or have a more desirable color and luster. Of all the metallic alloys in use today, the alloys of iron (steel, stainless steel, cast iron, tool steel, alloy steel) make up the largest proportion both by quantity and commercial value. Iron alloyed with various proportions of carbon gives low-, mid-, and high-carbon steels, with increasing carbon levels reducing ductility and toughness. The addition of silicon will produce cast irons, while the addition of chromium, nickel, and molybdenum to carbon steels (more than 10%) results in stainless steels.

Other significant metallic alloys are those of aluminum, titanium, copper, and magnesium. Copper alloys have been known since prehistory—bronze gave the Bronze Age its name—and have many applications today, most importantly in electrical wiring. The alloys of the other three metals have been developed relatively recently; due to their chemical reactivity they require electrolytic extraction processes. The alloys of aluminum, titanium, and magnesium are valued for their high strength-to-weight ratios; magnesium can also provide electromagnetic shielding.^{[citation needed]} These materials are ideal for situations where high strength-to-weight ratio is more important than material cost, such as in aerospace and some automotive applications.

Alloys specially designed for highly demanding applications, such as jet engines, may contain more than ten elements.

Categories

Metals can be categorised according to their physical or chemical properties. Categories described in the subsections below include ferrous and non-ferrous metals; brittle metals and refractory metals; white metals; heavy and light metals; and base, noble, and precious metals. The Metallic elements table in this section categorises the elemental metals on the basis of their chemical properties into alkali and alkaline earth metals; transition and post-transition metals; and lanthanides and actinides. Other categories are possible, depending on the criteria for inclusion. For example, the ferromagnetic metals—those metals that are magnetic at room temperature—are iron, cobalt, and nickel.

Ferrous and non-ferrous metals

The term «ferrous» is derived from the Latin word meaning «containing iron». This can include pure iron, such as wrought iron, or an alloy such as steel. Ferrous metals are often magnetic, but not exclusively. Non-ferrous metals and alloys lack appreciable amounts of iron.

Brittle metal

While nearly all metals are malleable or ductile, a few—beryllium, chromium, manganese, gallium, and bismuth—are brittle.^[13] Arsenic and antimony, if admitted as metals, are brittle. Low values of the ratio of bulk elastic modulus to shear modulus (Pugh’s criterion) are indicative of intrinsic brittleness.

Refractory metal

In materials science, metallurgy, and engineering, a refractory metal is a metal that is extraordinarily resistant to heat and wear. Which metals belong to this category varies; the most common definition includes niobium, molybdenum, tantalum, tungsten, and rhenium. They all have melting points above 2000 °C, and a high hardness at room temperature.

• 

  Niobium crystals and a 1 cm³ anodized niobium cube for comparison

• 

  Molybdenum crystals and a 1 cm³ molybdenum cube for comparison

• 

  Tantalum single crystal, some crystalline fragments, and a 1 cm³ tantalum cube for comparison

• 

  Tungsten rods with evaporated crystals, partially oxidized with colorful tarnish, and a 1 cm³ tungsten cube for comparison

• 

  Rhenium single crystal, a remelted bar, and a 1 cm³ rhenium cube for comparison

White metal

A white metal is any of range of white-coloured metals (or their alloys) with relatively low melting points. Such metals include zinc, cadmium, tin, antimony (here counted as a metal), lead, and bismuth, some of which are quite toxic. In Britain, the fine art trade uses the term «white metal» in auction catalogues to describe foreign silver items which do not carry British Assay Office marks, but which are nonetheless understood to be silver and are priced accordingly.

Heavy and light metals

A heavy metal is any relatively dense metal or metalloid.^[14] More specific definitions have been proposed, but none have obtained widespread acceptance. Some heavy metals have niche uses, or are notably toxic; some are essential in trace amounts. All other metals are light metals.

Base, noble, and precious metals

In chemistry, the term base metal is used informally to refer to a metal that is easily oxidized or corroded, such as reacting easily with dilute hydrochloric acid (HCl) to form a metal chloride and hydrogen. Examples include iron, nickel, lead, and zinc. Copper is considered a base metal as it is oxidized relatively easily, although it does not react with HCl.

The term noble metal is commonly used in opposition to base metal. Noble metals are resistant to corrosion or oxidation,^[15] unlike most base metals. They tend to be precious metals, often due to perceived rarity. Examples include gold, platinum, silver, rhodium, iridium, and palladium.

In alchemy and numismatics, the term base metal is contrasted with precious metal, that is, those of high economic value.^[16]
A longtime goal of the alchemists was the transmutation of base metals into precious metals including such coinage metals as silver and gold. Most coins today are made of base metals with low intrinsic value; in the past, coins frequently derived their value primarily from their precious metal content.

Chemically, the precious metals (like the noble metals) are less reactive than most elements, have high luster and high electrical conductivity. Historically, precious metals were important as currency, but are now regarded mainly as investment and industrial commodities. Gold, silver, platinum, and palladium each have an ISO 4217 currency code. The best-known precious metals are gold and silver. While both have industrial uses, they are better known for their uses in art, jewelry, and coinage. Other precious metals include the platinum group metals: ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum, of which platinum is the most widely traded.

The demand for precious metals is driven not only by their practical use, but also by their role as investments and a store of value.^[17] Palladium and platinum, as of fall 2018, were valued at about three quarters the price of gold. Silver is substantially less expensive than these metals, but is often traditionally considered a precious metal in light of its role in coinage and jewelry.

Valve metals

In electrochemistry, a valve metal is a metal which passes current in only one direction.

Lifecycle

Formation

Metals in the Earth’s crust: v t e
abundance and main occurrence or source, by weight[n 2]
	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	H		He
2	Li	Be		B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg				Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca		Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr		Y	Zr	Nb	Mo		Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba		Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi
7
		La	Ce	Pr	Nd		Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb
			Th		U
Most abundant (up to 82000 ppm)
Abundant (100–999 ppm)
Uncommon (1–99 ppm)
Rare (0.01–0.99 ppm)
Very rare (0.0001–0.0099 ppm)
Metals left of the dividing line occur (or are sourced) mainly as lithophiles; those to the right, as chalcophiles except gold (a siderophile) and tin (a lithophile).

This sub-section deals with the formation of periodic table elemental metals since these form the basis of metallic materials, as defined in this article.

Metals up to the vicinity of iron (in the periodic table) are largely made via stellar nucleosynthesis. In this process, lighter elements from hydrogen to silicon undergo successive fusion reactions inside stars, releasing light and heat and forming heavier elements with higher atomic numbers.^[18]

Heavier metals are not usually formed this way since fusion reactions involving such nuclei would consume rather than release energy.^[19] Rather, they are largely synthesised (from elements with a lower atomic number) by neutron capture, with the two main modes of this repetitive capture being the s-process and the r-process. In the s-process («s» stands for «slow»), singular captures are separated by years or decades, allowing the less stable nuclei to beta decay,^[20] while in the r-process («rapid»), captures happen faster than nuclei can decay. Therefore, the s-process takes a more-or-less clear path: for example, stable cadmium-110 nuclei are successively bombarded by free neutrons inside a star until they form cadmium-115 nuclei which are unstable and decay to form indium-115 (which is nearly stable, with a half-life 30000 times the age of the universe). These nuclei capture neutrons and form indium-116, which is unstable, and decays to form tin-116, and so on.^{[18][21][n 3]} In contrast, there is no such path in the r-process. The s-process stops at bismuth due to the short half-lives of the next two elements, polonium and astatine, which decay to bismuth or lead. The r-process is so fast it can skip this zone of instability and go on to create heavier elements such as thorium and uranium.^[23]

Metals condense in planets as a result of stellar evolution and destruction processes. Stars lose much of their mass when it is ejected late in their lifetimes, and sometimes thereafter as a result of a neutron star merger,^{[24][n 4]} thereby increasing the abundance of elements heavier than helium in the interstellar medium. When gravitational attraction causes this matter to coalesce and collapse new stars and planets are formed.^[26]

Abundance and occurrence

The Earth’s crust is made of approximately 25% of metals by weight, of which 80% are light metals such as sodium, magnesium, and aluminium. Nonmetals (~75%) make up the rest of the crust. Despite the overall scarcity of some heavier metals such as copper, they can become concentrated in economically extractable quantities as a result of mountain building, erosion, or other geological processes.

Metals are primarily found as lithophiles (rock-loving) or chalcophiles (ore-loving). Lithophile metals are mainly the s-block elements, the more reactive of the d-block elements, and the f-block elements. They have a strong affinity for oxygen and mostly exist as relatively low-density silicate minerals. Chalcophile metals are mainly the less reactive d-block elements, and the period 4–6 p-block metals. They are usually found in (insoluble) sulfide minerals. Being denser than the lithophiles, hence sinking lower into the crust at the time of its solidification, the chalcophiles tend to be less abundant than the lithophiles.

On the other hand, gold is a siderophile, or iron-loving element. It does not readily form compounds with either oxygen or sulfur. At the time of the Earth’s formation, and as the most noble (inert) of metals, gold sank into the core due to its tendency to form high-density metallic alloys. Consequently, it is a relatively rare metal. Some other (less) noble metals—molybdenum, rhenium, the platinum group metals (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum), germanium, and tin—can be counted as siderophiles but only in terms of their primary occurrence in the Earth (core, mantle, and crust), rather the crust. These metals otherwise occur in the crust, in small quantities, chiefly as chalcophiles (less so in their native form).^{[n 5]}

The rotating fluid outer core of the Earth’s interior, which is composed mostly of iron, is thought to be the source of Earth’s protective magnetic field.^{[n 6]} The core lies above Earth’s solid inner core and below its mantle. If it could be rearranged into a column having a 5 m² (54 sq ft) footprint it would have a height of nearly 700 light years. The magnetic field shields the Earth from the charged particles of the solar wind, and cosmic rays that would otherwise strip away the upper atmosphere (including the ozone layer that limits the transmission of ultraviolet radiation).

Metals are often extracted from the Earth by means of mining ores that are rich sources of the requisite elements, such as bauxite. Ore is located by prospecting techniques, followed by the exploration and examination of deposits. Mineral sources are generally divided into surface mines, which are mined by excavation using heavy equipment, and subsurface mines. In some cases, the sale price of the metal(s) involved make it economically feasible to mine lower concentration sources.

Once the ore is mined, the metals must be extracted, usually by chemical or electrolytic reduction. Pyrometallurgy uses high temperatures to convert ore into raw metals, while hydrometallurgy employs aqueous chemistry for the same purpose. The methods used depend on the metal and their contaminants.

When a metal ore is an ionic compound of that metal and a non-metal, the ore must usually be smelted—heated with a reducing agent—to extract the pure metal. Many common metals, such as iron, are smelted using carbon as a reducing agent. Some metals, such as aluminum and sodium, have no commercially practical reducing agent, and are extracted using electrolysis instead.^[27][28]

Sulfide ores are not reduced directly to the metal but are roasted in air to convert them to oxides.

Uses

Metals are present in nearly all aspects of modern life. Iron, a heavy metal, may be the most common as it accounts for 90% of all refined metals; aluminum, a light metal, is the next most commonly refined metal. Pure iron may be the cheapest metallic element of all at cost of about US$0.07 per gram. Its ores are widespread; it is easy to refine; and the technology involved has been developed over hundreds of years. Cast iron is even cheaper, at a fraction of US$0.01 per gram, because there is no need for subsequent purification. Platinum, at a cost of about $27 per gram, may be the most ubiquitous given its very high melting point, resistance to corrosion, electrical conductivity, and durability. It is said to be found in, or used to produce, 20% of all consumer goods. Polonium is likely to be the most expensive metal that is traded, at a notional cost of about $100,000,000 per gram,^{[citation needed]} due to its scarcity and micro-scale production.

Some metals and metal alloys possess high structural strength per unit mass, making them useful materials for carrying large loads or resisting impact damage. Metal alloys can be engineered to have high resistance to shear, torque, and deformation. However the same metal can also be vulnerable to fatigue damage through repeated use or from sudden stress failure when a load capacity is exceeded. The strength and resilience of metals has led to their frequent use in high-rise building and bridge construction, as well as most vehicles, many appliances, tools, pipes, and railroad tracks.

Metals are good conductors, making them valuable in electrical appliances and for carrying an electric current over a distance with little energy lost. Electrical power grids rely on metal cables to distribute electricity. Home electrical systems, for the most part, are wired with copper wire for its good conducting properties.

The thermal conductivity of metals is useful for containers to heat materials over a flame. Metals are also used for heat sinks to protect sensitive equipment from overheating.

The high reflectivity of some metals enables their use in mirrors, including precision astronomical instruments, and adds to the aesthetics of metallic jewelry.

Some metals have specialized uses; mercury is a liquid at room temperature and is used in switches to complete a circuit when it flows over the switch contacts. Radioactive metals such as uranium and plutonium are fuel for nuclear power plants, which produce energy via nuclear fission. Shape-memory alloys are used for applications such as pipes, fasteners, and vascular stents.

Metals can be doped with foreign molecules—organic, inorganic, biological, and polymers. This doping entails the metal with new properties that are induced by the guest molecules. Applications in catalysis, medicine, electrochemical cells, corrosion and more have been developed.^[29]

Recycling

Demand for metals is closely linked to economic growth given their use in infrastructure, construction, manufacturing, and consumer goods. During the 20th century, the variety of metals used in society grew rapidly. Today, the development of major nations, such as China and India, and technological advances, are fuelling ever more demand. The result is that mining activities are expanding, and more and more of the world’s metal stocks are above ground in use, rather than below ground as unused reserves. An example is the in-use stock of copper. Between 1932 and 1999, copper in use in the U.S. rose from 73 g to 238 g per person.^[30]

Metals are inherently recyclable, so in principle, can be used over and over again, minimizing these negative environmental impacts and saving energy. For example, 95% of the energy used to make aluminum from bauxite ore is saved by using recycled material.^[31]

Globally, metal recycling is generally low. In 2010, the International Resource Panel, hosted by the United Nations Environment Programme published reports on metal stocks that exist within society^[32] and their recycling rates.^[30] The authors of the report observed that the metal stocks in society can serve as huge mines above ground. They warned that the recycling rates of some rare metals used in applications such as mobile phones, battery packs for hybrid cars and fuel cells are so low that unless future end-of-life recycling rates are dramatically stepped up these critical metals will become unavailable for use in modern technology.

Biological interactions

The role of metallic elements in the evolution of cell biochemistry has been reviewed, including a detailed section on the role of calcium in redox enzymes.^[33]

One or more of the elements iron, cobalt, nickel, copper, and zinc are essential to all higher forms of life. Molybdenum is an essential component of vitamin B12. Compounds of all other transition elements and post-transition elements are toxic to a greater or lesser extent, with few exceptions such as certain compounds of antimony and tin. Potential sources of metal poisoning include mining, tailings, industrial wastes, agricultural runoff, occupational exposure, paints, and treated timber.

History

Prehistory

Copper, which occurs in native form, may have been the first metal discovered given its distinctive appearance, heaviness, and malleability compared to other stones or pebbles. Gold, silver, and iron (as meteoric iron), and lead were likewise discovered in prehistory. Forms of brass, an alloy of copper and zinc made by concurrently smelting the ores of these metals, originate from this period (although pure zinc was not isolated until the 13th century). The malleability of the solid metals led to the first attempts to craft metal ornaments, tools, and weapons. Meteoric iron containing nickel was discovered from time to time and, in some respects this was superior to any industrial steel manufactured up to the 1880s when alloy steels become prominent.^[34]

• 

• 

  Gold crystals

• 

  Crystalline silver

• 

  A slice of meteoric iron

• 

• 

  A brass weight (35 g)

Antiquity

The discovery of bronze (an alloy of copper with arsenic or tin) enabled people to create metal objects which were harder and more durable than previously possible. Bronze tools, weapons, armor, and building materials such as decorative tiles were harder and more durable than their stone and copper («Chalcolithic») predecessors. Initially, bronze was made of copper and arsenic (forming arsenic bronze) by smelting naturally or artificially mixed ores of copper and arsenic.^[35] The earliest artifacts so far known come from the Iranian plateau in the fifth millennium BCE.^[36] It was only later that tin was used, becoming the major non-copper ingredient of bronze in the late third millennium BCE.^[37] Pure tin itself was first isolated in 1800 BCE by Chinese and Japanese metalworkers.

Mercury was known to ancient Chinese and Indians before 2000 BCE, and found in Egyptian tombs dating from 1500 BCE.

The earliest known production of steel, an iron-carbon alloy, is seen in pieces of ironware excavated from an archaeological site in Anatolia (Kaman-Kalehöyük) and are nearly 4,000 years old, dating from 1800 BCE.^[38][39]

From about 500 BCE sword-makers of Toledo, Spain, were making early forms of alloy steel by adding a mineral called wolframite, which contained tungsten and manganese, to iron ore (and carbon). The resulting Toledo steel came to the attention of Rome when used by Hannibal in the Punic Wars. It soon became the basis for the weaponry of Roman legions; their swords were said to have been «so keen that there is no helmet which cannot be cut through by them.»^{[citation needed][n 8]}

In pre-Columbian America, objects made of tumbaga, an alloy of copper and gold, started being produced in Panama and Costa Rica between 300 and 500 CE. Small metal sculptures were common and an extensive range of tumbaga (and gold) ornaments comprised the usual regalia of persons of high status.

At around the same time indigenous Ecuadorians were combining gold with a naturally-occurring platinum alloy containing small amounts of palladium, rhodium, and iridium, to produce miniatures and masks composed of a white gold-platinum alloy. The metal workers involved heated gold with grains of the platinum alloy until the gold melted at which point the platinum group metals became bound within the gold. After cooling, the resulting conglomeration was hammered and reheated repeatedly until it became as homogenous as if all of the metals concerned had been melted together (attaining the melting points of the platinum group metals concerned was beyond the technology of the day).^{[40][n 9]}

• 

  A droplet of solidified molten tin

• 

• 

  Electrum, a natural alloy of silver and gold, was often used for making coins. Shown is the Roman god Apollo, and on the obverse, a Delphi tripod (circa 310–305 BCE).

• 

  A plate made of pewter, an alloy of 85–99% tin and (usually) copper. Pewter was first used around the beginning of the Bronze Age in the Near East.

• 

  A pectoral (ornamental breastplate) made of tumbaga, an alloy of gold and copper

Middle Ages

Arabic and medieval alchemists believed that all metals and matter were composed of the principle of sulfur, the father of all metals and carrying the combustible property, and the principle of mercury, the mother of all metals^{[n 10]} and carrier of the liquidity, fusibility, and volatility properties. These principles were not necessarily the common substances sulfur and mercury found in most laboratories. This theory reinforced the belief that all metals were destined to become gold in the bowels of the earth through the proper combinations of heat, digestion, time, and elimination of contaminants, all of which could be developed and hastened through the knowledge and methods of alchemy.^{[n 11]}

Arsenic, zinc, antimony, and bismuth became known, although these were at first called semimetals or bastard metals on account of their immalleability. All four may have been used incidentally in earlier times without recognising their nature. Albertus Magnus is believed to have been the first to isolate arsenic from a compound in 1250, by heating soap together with arsenic trisulfide. Metallic zinc, which is brittle if impure, was isolated in India by 1300 AD. The first description of a procedure for isolating antimony is in the 1540 book De la pirotechnia by Vannoccio Biringuccio. Bismuth was described by Agricola in De Natura Fossilium (c. 1546); it had been confused in early times with tin and lead because of its resemblance to those elements.

• 

  Arsenic, sealed in a container to prevent tarnishing

• 

  Zinc fragments and a 1 cm³ cube

• 

  Antimony, showing its brilliant lustre

• 

  Bismuth in crystalline form, with a very thin oxidation layer, and a 1 cm³ bismuth cube

The Renaissance

The first systematic text on the arts of mining and metallurgy was De la Pirotechnia (1540) by Vannoccio Biringuccio, which treats the examination, fusion, and working of metals.

Sixteen years later, Georgius Agricola published De Re Metallica in 1556, a clear and complete account of the profession of mining, metallurgy, and the accessory arts and sciences, as well as qualifying as the greatest treatise on the chemical industry through the sixteenth century.

He gave the following description of a metal in his De Natura Fossilium (1546):

Metal is a mineral body, by nature either liquid or somewhat hard. The latter may be melted by the heat of the fire, but when it has cooled down again and lost all heat, it becomes hard again and resumes its proper form. In this respect it differs from the stone which melts in the fire, for although the latter regain its hardness, yet it loses its pristine form and properties.

Traditionally there are six different kinds of metals, namely gold, silver, copper, iron, tin, and lead. There are really others, for quicksilver is a metal, although the Alchemists disagree with us on this subject, and bismuth is also. The ancient Greek writers seem to have been ignorant of bismuth, wherefore Ammonius rightly states that there are many species of metals, animals, and plants which are unknown to us. Stibium when smelted in the crucible and refined has as much right to be regarded as a proper metal as is accorded to lead by writers. If when smelted, a certain portion be added to tin, a bookseller’s alloy is produced from which the type is made that is used by those who print books on paper.

Each metal has its own form which it preserves when separated from those metals which were mixed with it. Therefore neither electrum nor Stannum [not meaning our tin] is of itself a real metal, but rather an alloy of two metals. Electrum is an alloy of gold and silver, Stannum of lead and silver. And yet if silver be parted from the electrum, then gold remains and not electrum; if silver be taken away from Stannum, then lead remains and not Stannum.

Whether brass, however, is found as a native metal or not, cannot be ascertained with any surety. We only know of the artificial brass, which consists of copper tinted with the colour of the mineral calamine. And yet if any should be dug up, it would be a proper metal. Black and white copper seem to be different from the red kind.

Metal, therefore, is by nature either solid, as I have stated, or fluid, as in the unique case of quicksilver.

But enough now concerning the simple kinds.^[42]

Platinum, the third precious metal after gold and silver, was discovered in Ecuador during the period 1736 to 1744, by the Spanish astronomer Antonio de Ulloa and his colleague the mathematician Jorge Juan y Santacilia. Ulloa was the first person to write a scientific description of the metal, in 1748.

In 1789, the German chemist Martin Heinrich Klaproth isolated an oxide of uranium, which he thought was the metal itself. Klaproth was subsequently credited as the discoverer of uranium. It was not until 1841, that the French chemist Eugène-Melchior Péligot, prepared the first sample of uranium metal. Henri Becquerel subsequently discovered radioactivity in 1896 by using uranium.

In the 1790s, Joseph Priestley and the Dutch chemist Martinus van Marum observed the transformative action of metal surfaces on the dehydrogenation of alcohol, a development which subsequently led, in 1831, to the industrial scale synthesis of sulphuric acid using a platinum catalyst.

In 1803, cerium was the first of the lanthanide metals to be discovered, in Bastnäs, Sweden by Jöns Jakob Berzelius and Wilhelm Hisinger, and independently by Martin Heinrich Klaproth in Germany. The lanthanide metals were largely regarded as oddities until the 1960s when methods were developed to more efficiently separate them from one another. They have subsequently found uses in cell phones, magnets, lasers, lighting, batteries, catalytic converters, and in other applications enabling modern technologies.

Other metals discovered and prepared during this time were cobalt, nickel, manganese, molybdenum, tungsten, and chromium; and some of the platinum group metals, palladium, osmium, iridium, and rhodium.

Light metals

All metals discovered until 1809 had relatively high densities; their heaviness was regarded as a singularly distinguishing criterion. From 1809 onward, light metals such as sodium, potassium, and strontium were isolated. Their low densities challenged conventional wisdom as to the nature of metals. They behaved chemically as metals however, and were subsequently recognised as such.

Aluminium was discovered in 1824 but it was not until 1886 that an industrial large-scale production method was developed. Prices of aluminium dropped and aluminium became widely used in jewelry, everyday items, eyeglass frames, optical instruments, tableware, and foil in the 1890s and early 20th century. Aluminium’s ability to form hard yet light alloys with other metals provided the metal many uses at the time. During World War I, major governments demanded large shipments of aluminium for light strong airframes. The most common metal in use for electric power transmission today is aluminium-conductor steel-reinforced. Also seeing much use is all-aluminium-alloy conductor. Aluminium is used because it has about half the weight of a comparable resistance copper cable (though larger diameter due to lower specific conductivity), as well as being cheaper. Copper was more popular in the past and is still in use, especially at lower voltages and for grounding.

While pure metallic titanium (99.9%) was first prepared in 1910 it was not used outside the laboratory until 1932. In the 1950s and 1960s, the Soviet Union pioneered the use of titanium in military and submarine applications as part of programs related to the Cold War. Starting in the early 1950s, titanium came into use extensively in military aviation, particularly in high-performance jets, starting with aircraft such as the F-100 Super Sabre and Lockheed A-12 and SR-71.

Metallic scandium was produced for the first time in 1937. The first pound of 99% pure scandium metal was produced in 1960. Production of aluminium-scandium alloys began in 1971 following a U.S. patent. Aluminium-scandium alloys were also developed in the USSR.

• 

  Chunks of sodium

• 

  Potassium pearls under paraffin oil. Size of the largest pearl is 0.5 cm.

• 

  Strontium crystals

• 

  Aluminium chunk,
  2.6 grams, 1 x 2 cm

• 

  A bar of titanium crystals

• 

  Scandium, including a 1 cm³ cube

The age of steel

The modern era in steelmaking began with the introduction of Henry Bessemer’s Bessemer process in 1855, the raw material for which was pig iron. His method let him produce steel in large quantities cheaply, thus mild steel came to be used for most purposes for which wrought iron was formerly used. The Gilchrist-Thomas process (or basic Bessemer process) was an improvement to the Bessemer process, made by lining the converter with a basic material to remove phosphorus.

Due to its high tensile strength and low cost, steel came to be a major component used in buildings, infrastructure, tools, ships, automobiles, machines, appliances, and weapons.

In 1872, the Englishmen Clark and Woods patented an alloy that would today be considered a stainless steel. The corrosion resistance of iron-chromium alloys had been recognized in 1821 by French metallurgist Pierre Berthier. He noted their resistance against attack by some acids and suggested their use in cutlery. Metallurgists of the 19th century were unable to produce the combination of low carbon and high chromium found in most modern stainless steels, and the high-chromium alloys they could produce were too brittle to be practical. It was not until 1912 that the industrialisation of stainless steel alloys occurred in England, Germany, and the United States.

The last stable metallic elements

By 1900 three metals with atomic numbers less than lead (#82), the heaviest stable metal, remained to be discovered: elements 71, 72, 75.

Von Welsbach, in 1906, proved that the old ytterbium also contained a new element (#71), which he named cassiopeium. Urbain proved this simultaneously, but his samples were very impure and only contained trace quantities of the new element. Despite this, his chosen name lutetium was adopted.

In 1908, Ogawa found element 75 in thorianite but assigned it as element 43 instead of 75 and named it nipponium. In 1925 Walter Noddack, Ida Eva Tacke, and Otto Berg announced its separation from gadolinite and gave it the present name, rhenium.

Georges Urbain claimed to have found element 72 in rare-earth residues, while Vladimir Vernadsky independently found it in orthite. Neither claim was confirmed due to World War I, and neither could be confirmed later, as the chemistry they reported does not match that now known for hafnium. After the war, in 1922, Coster and Hevesy found it by X-ray spectroscopic analysis in Norwegian zircon. Hafnium was thus the last stable element to be discovered, though rhenium was the last to be correctly recognized.

• 

  Lutetium, including a 1 cm³ cube

• 

  Rhenium, including a 1 cm³ cube

• 

  Hafnium, in the form of a 1.7 kg bar

By the end of World War II scientists had synthesized four post-uranium elements, all of which are radioactive (unstable) metals: neptunium (in 1940), plutonium (1940–41), and curium and americium (1944), representing elements 93 to 96. The first two of these were eventually found in nature as well. Curium and americium were by-products of the Manhattan project, which produced the world’s first atomic bomb in 1945. The bomb was based on the nuclear fission of uranium, a metal first thought to have been discovered nearly 150 years earlier.

Post-World War II developments

Superalloys

Superalloys composed of combinations of Fe, Ni, Co, and Cr, and lesser amounts of W, Mo, Ta, Nb, Ti, and Al were developed shortly after World War II for use in high performance engines, operating at elevated temperatures (above 650 °C (1,200 °F)). They retain most of their strength under these conditions, for prolonged periods, and combine good low-temperature ductility with resistance to corrosion or oxidation. Superalloys can now be found in a wide range of applications including land, maritime, and aerospace turbines, and chemical and petroleum plants.

Transcurium metals

The successful development of the atomic bomb at the end of World War II sparked further efforts to synthesize new elements, nearly all of which are, or are expected to be, metals, and all of which are radioactive. It was not until 1949 that element 97 (berkelium), next after element 96 (curium), was synthesized by firing alpha particles at an americium target. In 1952, element 100 (fermium) was found in the debris of the first hydrogen bomb explosion; hydrogen, a nonmetal, had been identified as an element nearly 200 years earlier. Since 1952, elements 101 (mendelevium) to 118 (oganesson) have been synthesized.

Bulk metallic glasses

A metallic glass (also known as an amorphous or glassy metal) is a solid metallic material, usually an alloy, with a disordered atomic-scale structure. Most pure and alloyed metals, in their solid state, have atoms arranged in a highly ordered crystalline structure. Amorphous metals have a non-crystalline glass-like structure. But unlike common glasses, such as window glass, which are typically electrical insulators, amorphous metals have good electrical conductivity. Amorphous metals are produced in several ways, including extremely rapid cooling, physical vapor deposition, solid-state reaction, ion irradiation, and mechanical alloying. The first reported metallic glass was an alloy (Au₇₅Si₂₅) produced at Caltech in 1960. More recently, batches of amorphous steel with three times the strength of conventional steel alloys have been produced. Currently, the most important applications rely on the special magnetic properties of some ferromagnetic metallic glasses. The low magnetization loss is used in high-efficiency transformers. Theft control ID tags and other article surveillance schemes often use metallic glasses because of these magnetic properties.

Shape-memory alloys

A shape-memory alloy (SMA) is an alloy that «remembers» its original shape and when deformed returns to its pre-deformed shape when heated. While the shape memory effect had been first observed in 1932, in an Au-Cd alloy, it was not until 1962, with the accidental discovery of the effect in a Ni-Ti alloy that research began in earnest, and another ten years before commercial applications emerged. SMA’s have applications in robotics and automotive, aerospace, and biomedical industries. There is another type of SMA, called a ferromagnetic shape-memory alloy (FSMA), that changes shape under strong magnetic fields. These materials are of particular interest as the magnetic response tends to be faster and more efficient than temperature-induced responses.

Quasicyrstalline alloys

In 1984, Israeli chemist Dan Shechtman found an aluminum-manganese alloy having five-fold symmetry, in breach of crystallographic convention at the time which said that crystalline structures could only have two-, three-, four-, or six-fold symmetry. Due to fear of the scientific community’s reaction, it took him two years to publish the results for which he was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2011. Since this time, hundreds of quasicrystals have been reported and confirmed. They exist in many metallic alloys (and some polymers). Quasicrystals are found most often in aluminum alloys (Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-V, etc.), but numerous other compositions are also known (Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, In-Ag-Yb, Pd-U-Si, etc.). Quasicrystals effectively have infinitely large unit cells. Icosahedrite Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃, the first quasicrystal found in nature, was discovered in 2009. Most quasicrystals have ceramic-like properties including low electrical conductivity (approaching values seen in insulators) and low thermal conductivity, high hardness, brittleness, and resistance to corrosion, and non-stick properties. Quasicrystals have been used to develop heat insulation, LEDs, diesel engines, and new materials that convert heat to electricity. New applications may take advantage of the low coefficient of friction and the hardness of some quasicrystalline materials, for example embedding particles in plastic to make strong, hard-wearing, low-friction plastic gears. Other potential applications include selective solar absorbers for power conversion, broad-wavelength reflectors, and bone repair and prostheses applications where biocompatibility, low friction, and corrosion resistance are required.

Complex metallic alloys

Complex metallic alloys (CMAs) are intermetallic compounds characterized by large unit cells comprising some tens up to thousands of atoms; the presence of well-defined clusters of atoms (frequently with icosahedral symmetry); and partial disorder within their crystalline lattices. They are composed of two or more metallic elements, sometimes with metalloids or chalcogenides added. They include, for example, NaCd2, with 348 sodium atoms and 768 cadmium atoms in the unit cell. Linus Pauling attempted to describe the structure of NaCd₂ in 1923, but did not succeed until 1955. At first called «giant unit cell crystals», interest in CMAs, as they came to be called, did not pick up until 2002, with the publication of a paper called «Structurally Complex Alloy Phases», given at the 8th International Conference on Quasicrystals. Potential applications of CMAs include as heat insulation; solar heating; magnetic refrigerators; using waste heat to generate electricity; and coatings for turbine blades in military engines.

High-entropy alloys

High-entropy alloys (HEAs) such as AlLiMgScTi are composed of equal or nearly equal quantities of five or more metals. Compared to conventional alloys with only one or two base metals, HEAs have considerably better strength-to-weight ratios, higher tensile strength, and greater resistance to fracturing, corrosion, and oxidation. Although HEAs were described as early as 1981, significant interest did not develop until the 2010s; they continue to be the focus of research in materials science and engineering because of their potential for desirable properties.

MAX phase alloys

In a MAX phase alloy, M is an early transition metal, A is an A group element (mostly group IIIA and IVA, or groups 13 and 14), and X is either carbon or nitrogen. Examples are Hf₂SnC and Ti₄AlN₃. Such alloys have some of the best properties of metals and ceramics. These properties include high electrical and thermal conductivity, thermal shock resistance, damage tolerance, machinability, high elastic stiffness, and low thermal expansion coefficients.^[43] They can be polished to a metallic luster because of their excellent electrical conductivities. During mechanical testing, it has been found that polycrystalline Ti₃SiC₂ cylinders can be repeatedly compressed at room temperature, up to stresses of 1 GPa, and fully recover upon the removal of the load. Some MAX phases are also highly resistant to chemical attack (e.g. Ti₃SiC₂) and high-temperature oxidation in air (Ti₂AlC, Cr₂AlC₂, and Ti₃AlC₂). Potential applications for MAX phase alloys include: as tough, machinable, thermal shock-resistant refractories; high-temperature heating elements; coatings for electrical contacts; and neutron irradiation resistant parts for nuclear applications. While MAX phase alloys were discovered in the 1960s, the first paper on the subject was not published until 1996.

See also

Notes

References

Further reading

• Choptuik M. W., Lehner L. & Pretorias F. 2015, «Probing strong-field gravity through numerical simulation», in A. Ashtekar, B. K. Berger, J. Isenberg & M. MacCallum (eds), General Relativity and Gravitation: A Centennial Perspective, Cambridge University Press, Cambridge, ISBN 978-1-107-03731-1.
• Cox, P. A. (1997). The elements: Their origin, abundance and distribution. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855298-7.
• Crow J. M. 2016, «Impossible alloys: How to make never-before-seen metals», New Scientist, 12 October
• Hadhazy A. 2016, «Galactic ‘Gold Mine’ Explains the Origin of Nature’s Heaviest Elements», Science Spotlights, 10 May 2016, accessed 11 July 2016.
• Hofmann S. 2002, On Beyond Uranium: Journey to the End of the Periodic Table, Taylor & Francis, London, ISBN 978-0-415-28495-0.
• Padmanabhan T. 2001, Theoretical Astrophysics, vol. 2, Stars and Stellar Systems, Cambridge University Press, Cambridge, ISBN 978-0-521-56241-6.
• Parish R. V. 1977, The metallic elements, Longman, London, ISBN 978-0-582-44278-8
• Podosek F. A. 2011, «Noble gases», in H. D. Holland & K. K. Turekian (eds), Isotope Geochemistry: From the Treatise on Geochemistry, Elsevier, Amsterdam, pp. 467–492, ISBN 978-0-08-096710-3.
• Raymond R. 1984, Out of the fiery furnace: The impact of metals on the history of mankind, Macmillan Australia, Melbourne, ISBN 978-0-333-38024-6
• Rehder D. 2010, Chemistry in Space: From Interstellar Matter to the Origin of Life, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN 978-3-527-32689-1.
• Russell A. M. & Lee K. L. 2005, Structure–property relations in nonferrous metals, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, ISBN 978-0-471-64952-6
• Street A. & Alexander W. 1998, Metals in the service of man, 11_th ed., Penguin Books, London, ISBN 978-0-14-025776-2
• Wilson A. J. 1994, The living rock: The tory of metals since earliest times and their impact on developing civilization, Woodhead Publishing, Cambridge, ISBN 978-1-85573-154-7

External links

• Official website of ASM International (formerly the American Society for Metals)
• Official website of The Minerals, Metals & Materials Society

A metal (from Greek μέταλλον métallon, «mine, quarry, metal») is a material that, when freshly prepared, polished, or fractured, shows a lustrous appearance, and conducts electricity and heat relatively well. Metals are typically ductile (can be drawn into wires) and malleable (they can be hammered into thin sheets). These properties are the result of the metallic bond between the atoms or molecules of the metal.

A metal may be a chemical element such as iron; an alloy such as stainless steel; or a molecular compound such as polymeric sulfur nitride.^[1]

In physics, a metal is generally regarded as any substance capable of conducting electricity at a temperature of absolute zero.^[2] Many elements and compounds that are not normally classified as metals become metallic under high pressures. For example, the nonmetal iodine gradually becomes a metal at a pressure of between 40 and 170 thousand times atmospheric pressure. Equally, some materials regarded as metals can become nonmetals. Sodium, for example, becomes a nonmetal at pressure of just under two million times atmospheric pressure.

In chemistry, two elements that would otherwise qualify (in physics) as brittle metals—arsenic and antimony—are commonly instead recognised as metalloids due to their chemistry (predominantly non-metallic for arsenic, and balanced between metallicity and nonmetallicity for antimony). Around 95 of the 118 elements in the periodic table are metals (or are likely to be such). The number is inexact as the boundaries between metals, nonmetals, and metalloids fluctuate slightly due to a lack of universally accepted definitions of the categories involved.

In astrophysics the term «metal» is cast more widely to refer to all chemical elements in a star that are heavier than helium, and not just traditional metals. In this sense the first four «metals» collecting in stellar cores through nucleosynthesis are carbon, nitrogen, oxygen, and neon, all of which are strictly non-metals in chemistry. A star fuses lighter atoms, mostly hydrogen and helium, into heavier atoms over its lifetime. Used in that sense, the metallicity of an astronomical object is the proportion of its matter made up of the heavier chemical elements.^[3][4]

Metals, as chemical elements, comprise 25% of the Earth’s crust and are present in many aspects of modern life. The strength and resilience of some metals has led to their frequent use in, for example, high-rise building and bridge construction, as well as most vehicles, many home appliances, tools, pipes, and railroad tracks. Precious metals were historically used as coinage, but in the modern era, coinage metals have extended to at least 23 of the chemical elements.^[5]

The history of refined metals is thought to begin with the use of copper about 11,000 years ago. Gold, silver, iron (as meteoric iron), lead, and brass were likewise in use before the first known appearance of bronze in the fifth millennium BCE. Subsequent developments include the production of early forms of steel; the discovery of sodium—the first light metal—in 1809; the rise of modern alloy steels; and, since the end of World War II, the development of more sophisticated alloys.

Properties

Form and structure

Metals are shiny and lustrous, at least when freshly prepared, polished, or fractured. Sheets of metal thicker than a few micrometres appear opaque, but gold leaf transmits green light.

The solid or liquid state of metals largely originates in the capacity of the metal atoms involved to readily lose their outer shell electrons. Broadly, the forces holding an individual atom’s outer shell electrons in place are weaker than the attractive forces on the same electrons arising from interactions between the atoms in the solid or liquid metal. The electrons involved become delocalised and the atomic structure of a metal can effectively be visualised as a collection of atoms embedded in a cloud of relatively mobile electrons. This type of interaction is called a metallic bond.^[6] The strength of metallic bonds for different elemental metals reaches a maximum around the center of the transition metal series, as these elements have large numbers of delocalized electrons.^{[n 1]}

Although most elemental metals have higher densities than most nonmetals,^[6] there is a wide variation in their densities, lithium being the least dense (0.534 g/cm³) and osmium (22.59 g/cm³) the most dense. (Some of the 6d transition metals are expected to be denser than osmium, but predictions on their densities vary widely in the literature, and in any case their known isotopes are too unstable for bulk production to be possible.) Magnesium, aluminium and titanium are light metals of significant commercial importance. Their respective densities of 1.7, 2.7, and 4.5 g/cm³ can be compared to those of the older structural metals, like iron at 7.9 and copper at 8.9 g/cm³. An iron ball would thus weigh about as much as three aluminum balls of equal volume.

Metals are typically malleable and ductile, deforming under stress without cleaving.^[6] The nondirectional nature of metallic bonding is thought to contribute significantly to the ductility of most metallic solids. In contrast, in an ionic compound like table salt, when the planes of an ionic bond slide past one another, the resultant change in location shifts ions of the same charge closer, resulting in the cleavage of the crystal. Such a shift is not observed in a covalently bonded crystal, such as a diamond, where fracture and crystal fragmentation occurs.^[7] Reversible elastic deformation in metals can be described by Hooke’s Law for restoring forces, where the stress is linearly proportional to the strain.

Heat or forces larger than a metal’s elastic limit may cause a permanent (irreversible) deformation, known as plastic deformation or plasticity. An applied force may be a tensile (pulling) force, a compressive (pushing) force, or a shear, bending, or torsion (twisting) force. A temperature change may affect the movement or displacement of structural defects in the metal such as grain boundaries, point vacancies, line and screw dislocations, stacking faults and twins in both crystalline and non-crystalline metals. Internal slip, creep, and metal fatigue may ensue.

The atoms of metallic substances are typically arranged in one of three common crystal structures, namely body-centered cubic (bcc), face-centered cubic (fcc), and hexagonal close-packed (hcp). In bcc, each atom is positioned at the center of a cube of eight others. In fcc and hcp, each atom is surrounded by twelve others, but the stacking of the layers differs. Some metals adopt different structures depending on the temperature.^[8]

• 

  Body-centered cubic crystal structure, with a 2-atom unit cell, as found in e.g. chromium, iron, and tungsten

• 

  Face-centered cubic crystal structure, with a 4-atom unit cell, as found in e.g. aluminum, copper, and gold

• 

  Hexagonal close-packed crystal structure, with a 6-atom unit cell, as found in e.g. titanium, cobalt, and zinc

The unit cell for each crystal structure is the smallest group of atoms which has the overall symmetry of the crystal, and from which the entire crystalline lattice can be built up by repetition in three dimensions. In the case of the body-centered cubic crystal structure shown above, the unit cell is made up of the central atom plus one-eight of each of the eight corner atoms.

Electrical and thermal

The electronic structure of metals means they are relatively good conductors of electricity. Electrons in matter can only have fixed rather than variable energy levels, and in a metal the energy levels of the electrons in its electron cloud, at least to some degree, correspond to the energy levels at which electrical conduction can occur. In a semiconductor like silicon or a nonmetal like sulfur there is an energy gap between the electrons in the substance and the energy level at which electrical conduction can occur. Consequently, semiconductors and nonmetals are relatively poor conductors.

The elemental metals have electrical conductivity values of from 6.9 × 10³ S/cm for manganese to 6.3 × 10⁵ S/cm for silver. In contrast, a semiconducting metalloid such as boron has an electrical conductivity 1.5 × 10⁻⁶ S/cm. With one exception, metallic elements reduce their electrical conductivity when heated. Plutonium increases its electrical conductivity when heated in the temperature range of around −175 to +125 °C.

Metals are relatively good conductors of heat. The electrons in a metal’s electron cloud are highly mobile and easily able to pass on heat-induced vibrational energy.

The contribution of a metal’s electrons to its heat capacity and thermal conductivity, and the electrical conductivity of the metal itself can be calculated from the free electron model. However, this does not take into account the detailed structure of the metal’s ion lattice. Taking into account the positive potential caused by the arrangement of the ion cores enables consideration of the electronic band structure and binding energy of a metal. Various mathematical models are applicable, the simplest being the nearly free electron model.

Chemical

Metals are usually inclined to form cations through electron loss.^[6] Most will react with oxygen in the air to form oxides over various timescales (potassium burns in seconds while iron rusts over years). Some others, like palladium, platinum, and gold, do not react with the atmosphere at all. The oxides of metals are generally basic, as opposed to those of nonmetals, which are acidic or neutral. Exceptions are largely oxides with very high oxidation states such as CrO₃, Mn₂O₇, and OsO₄, which have strictly acidic reactions.

Painting, anodizing, or plating metals are good ways to prevent their corrosion. However, a more reactive metal in the electrochemical series must be chosen for coating, especially when chipping of the coating is expected. Water and the two metals form an electrochemical cell and, if the coating is less reactive than the underlying metal, the coating actually promotes corrosion.

Periodic table distribution

The elements that form metallic structures under ordinary conditions are shown in yellow on the periodic table below. The remaining elements either form giant covalent structures (light blue), molecular covalent structures (dark blue), or remain as single atoms (violet).^[9] Astatine (At), francium (Fr), and the elements from fermium (Fm) onwards are shown in gray because they are extremely radioactive and have never been produced in bulk. Theoretical and experimental evidence suggests that almost all these uninvestigated elements should be metals,^[10] though there is some doubt for oganesson (Og).^[11]

v t e Bonding of simple substances in the periodic table
	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Group →
↓ Period
1	H		He
2	Li	Be		B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg		Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca		Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr		Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og

The situation can change with pressure: at extremely high pressures, all elements (and indeed all substances) are expected to metallize.^[10] Arsenic (As) has both a stable metallic allotrope and a metastable semiconducting allotrope at standard conditions.

Elements near the border between metals and nonmetals often have intermediate chemical behavior. As such, a category of metalloids is often used for such in-between elements, but there is no consensus in the literature as to which elements should qualify.^[12]

Alloys

An alloy is a substance having metallic properties and which is composed of two or more elements at least one of which is a metal. An alloy may have a variable or fixed composition. For example, gold and silver form an alloy in which the proportions of gold or silver can be freely adjusted; titanium and silicon form an alloy Ti₂Si in which the ratio of the two components is fixed (also known as an intermetallic compound).

Most pure metals are either too soft, brittle, or chemically reactive for practical use. Combining different ratios of metals as alloys modifies the properties of pure metals to produce desirable characteristics. The aim of making alloys is generally to make them less brittle, harder, resistant to corrosion, or have a more desirable color and luster. Of all the metallic alloys in use today, the alloys of iron (steel, stainless steel, cast iron, tool steel, alloy steel) make up the largest proportion both by quantity and commercial value. Iron alloyed with various proportions of carbon gives low-, mid-, and high-carbon steels, with increasing carbon levels reducing ductility and toughness. The addition of silicon will produce cast irons, while the addition of chromium, nickel, and molybdenum to carbon steels (more than 10%) results in stainless steels.

Other significant metallic alloys are those of aluminum, titanium, copper, and magnesium. Copper alloys have been known since prehistory—bronze gave the Bronze Age its name—and have many applications today, most importantly in electrical wiring. The alloys of the other three metals have been developed relatively recently; due to their chemical reactivity they require electrolytic extraction processes. The alloys of aluminum, titanium, and magnesium are valued for their high strength-to-weight ratios; magnesium can also provide electromagnetic shielding.^{[citation needed]} These materials are ideal for situations where high strength-to-weight ratio is more important than material cost, such as in aerospace and some automotive applications.

Alloys specially designed for highly demanding applications, such as jet engines, may contain more than ten elements.

Categories

Metals can be categorised according to their physical or chemical properties. Categories described in the subsections below include ferrous and non-ferrous metals; brittle metals and refractory metals; white metals; heavy and light metals; and base, noble, and precious metals. The Metallic elements table in this section categorises the elemental metals on the basis of their chemical properties into alkali and alkaline earth metals; transition and post-transition metals; and lanthanides and actinides. Other categories are possible, depending on the criteria for inclusion. For example, the ferromagnetic metals—those metals that are magnetic at room temperature—are iron, cobalt, and nickel.

Ferrous and non-ferrous metals

The term «ferrous» is derived from the Latin word meaning «containing iron». This can include pure iron, such as wrought iron, or an alloy such as steel. Ferrous metals are often magnetic, but not exclusively. Non-ferrous metals and alloys lack appreciable amounts of iron.

Brittle metal

While nearly all metals are malleable or ductile, a few—beryllium, chromium, manganese, gallium, and bismuth—are brittle.^[13] Arsenic and antimony, if admitted as metals, are brittle. Low values of the ratio of bulk elastic modulus to shear modulus (Pugh’s criterion) are indicative of intrinsic brittleness.

Refractory metal

In materials science, metallurgy, and engineering, a refractory metal is a metal that is extraordinarily resistant to heat and wear. Which metals belong to this category varies; the most common definition includes niobium, molybdenum, tantalum, tungsten, and rhenium. They all have melting points above 2000 °C, and a high hardness at room temperature.

• 

  Niobium crystals and a 1 cm³ anodized niobium cube for comparison

• 

  Molybdenum crystals and a 1 cm³ molybdenum cube for comparison

• 

  Tantalum single crystal, some crystalline fragments, and a 1 cm³ tantalum cube for comparison

• 

  Tungsten rods with evaporated crystals, partially oxidized with colorful tarnish, and a 1 cm³ tungsten cube for comparison

• 

  Rhenium single crystal, a remelted bar, and a 1 cm³ rhenium cube for comparison

White metal

A white metal is any of range of white-coloured metals (or their alloys) with relatively low melting points. Such metals include zinc, cadmium, tin, antimony (here counted as a metal), lead, and bismuth, some of which are quite toxic. In Britain, the fine art trade uses the term «white metal» in auction catalogues to describe foreign silver items which do not carry British Assay Office marks, but which are nonetheless understood to be silver and are priced accordingly.

Heavy and light metals

A heavy metal is any relatively dense metal or metalloid.^[14] More specific definitions have been proposed, but none have obtained widespread acceptance. Some heavy metals have niche uses, or are notably toxic; some are essential in trace amounts. All other metals are light metals.

Base, noble, and precious metals

In chemistry, the term base metal is used informally to refer to a metal that is easily oxidized or corroded, such as reacting easily with dilute hydrochloric acid (HCl) to form a metal chloride and hydrogen. Examples include iron, nickel, lead, and zinc. Copper is considered a base metal as it is oxidized relatively easily, although it does not react with HCl.

The term noble metal is commonly used in opposition to base metal. Noble metals are resistant to corrosion or oxidation,^[15] unlike most base metals. They tend to be precious metals, often due to perceived rarity. Examples include gold, platinum, silver, rhodium, iridium, and palladium.

In alchemy and numismatics, the term base metal is contrasted with precious metal, that is, those of high economic value.^[16]
A longtime goal of the alchemists was the transmutation of base metals into precious metals including such coinage metals as silver and gold. Most coins today are made of base metals with low intrinsic value; in the past, coins frequently derived their value primarily from their precious metal content.

Chemically, the precious metals (like the noble metals) are less reactive than most elements, have high luster and high electrical conductivity. Historically, precious metals were important as currency, but are now regarded mainly as investment and industrial commodities. Gold, silver, platinum, and palladium each have an ISO 4217 currency code. The best-known precious metals are gold and silver. While both have industrial uses, they are better known for their uses in art, jewelry, and coinage. Other precious metals include the platinum group metals: ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum, of which platinum is the most widely traded.

The demand for precious metals is driven not only by their practical use, but also by their role as investments and a store of value.^[17] Palladium and platinum, as of fall 2018, were valued at about three quarters the price of gold. Silver is substantially less expensive than these metals, but is often traditionally considered a precious metal in light of its role in coinage and jewelry.

Valve metals

In electrochemistry, a valve metal is a metal which passes current in only one direction.

Lifecycle

Formation

Metals in the Earth’s crust: v t e
abundance and main occurrence or source, by weight[n 2]
	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	H		He
2	Li	Be		B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg				Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca		Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr		Y	Zr	Nb	Mo		Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba		Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi
7
		La	Ce	Pr	Nd		Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb
			Th		U
Most abundant (up to 82000 ppm)
Abundant (100–999 ppm)
Uncommon (1–99 ppm)
Rare (0.01–0.99 ppm)
Very rare (0.0001–0.0099 ppm)
Metals left of the dividing line occur (or are sourced) mainly as lithophiles; those to the right, as chalcophiles except gold (a siderophile) and tin (a lithophile).

This sub-section deals with the formation of periodic table elemental metals since these form the basis of metallic materials, as defined in this article.

Metals up to the vicinity of iron (in the periodic table) are largely made via stellar nucleosynthesis. In this process, lighter elements from hydrogen to silicon undergo successive fusion reactions inside stars, releasing light and heat and forming heavier elements with higher atomic numbers.^[18]

Heavier metals are not usually formed this way since fusion reactions involving such nuclei would consume rather than release energy.^[19] Rather, they are largely synthesised (from elements with a lower atomic number) by neutron capture, with the two main modes of this repetitive capture being the s-process and the r-process. In the s-process («s» stands for «slow»), singular captures are separated by years or decades, allowing the less stable nuclei to beta decay,^[20] while in the r-process («rapid»), captures happen faster than nuclei can decay. Therefore, the s-process takes a more-or-less clear path: for example, stable cadmium-110 nuclei are successively bombarded by free neutrons inside a star until they form cadmium-115 nuclei which are unstable and decay to form indium-115 (which is nearly stable, with a half-life 30000 times the age of the universe). These nuclei capture neutrons and form indium-116, which is unstable, and decays to form tin-116, and so on.^{[18][21][n 3]} In contrast, there is no such path in the r-process. The s-process stops at bismuth due to the short half-lives of the next two elements, polonium and astatine, which decay to bismuth or lead. The r-process is so fast it can skip this zone of instability and go on to create heavier elements such as thorium and uranium.^[23]

Metals condense in planets as a result of stellar evolution and destruction processes. Stars lose much of their mass when it is ejected late in their lifetimes, and sometimes thereafter as a result of a neutron star merger,^{[24][n 4]} thereby increasing the abundance of elements heavier than helium in the interstellar medium. When gravitational attraction causes this matter to coalesce and collapse new stars and planets are formed.^[26]

Abundance and occurrence

The Earth’s crust is made of approximately 25% of metals by weight, of which 80% are light metals such as sodium, magnesium, and aluminium. Nonmetals (~75%) make up the rest of the crust. Despite the overall scarcity of some heavier metals such as copper, they can become concentrated in economically extractable quantities as a result of mountain building, erosion, or other geological processes.

Metals are primarily found as lithophiles (rock-loving) or chalcophiles (ore-loving). Lithophile metals are mainly the s-block elements, the more reactive of the d-block elements, and the f-block elements. They have a strong affinity for oxygen and mostly exist as relatively low-density silicate minerals. Chalcophile metals are mainly the less reactive d-block elements, and the period 4–6 p-block metals. They are usually found in (insoluble) sulfide minerals. Being denser than the lithophiles, hence sinking lower into the crust at the time of its solidification, the chalcophiles tend to be less abundant than the lithophiles.

On the other hand, gold is a siderophile, or iron-loving element. It does not readily form compounds with either oxygen or sulfur. At the time of the Earth’s formation, and as the most noble (inert) of metals, gold sank into the core due to its tendency to form high-density metallic alloys. Consequently, it is a relatively rare metal. Some other (less) noble metals—molybdenum, rhenium, the platinum group metals (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum), germanium, and tin—can be counted as siderophiles but only in terms of their primary occurrence in the Earth (core, mantle, and crust), rather the crust. These metals otherwise occur in the crust, in small quantities, chiefly as chalcophiles (less so in their native form).^{[n 5]}

The rotating fluid outer core of the Earth’s interior, which is composed mostly of iron, is thought to be the source of Earth’s protective magnetic field.^{[n 6]} The core lies above Earth’s solid inner core and below its mantle. If it could be rearranged into a column having a 5 m² (54 sq ft) footprint it would have a height of nearly 700 light years. The magnetic field shields the Earth from the charged particles of the solar wind, and cosmic rays that would otherwise strip away the upper atmosphere (including the ozone layer that limits the transmission of ultraviolet radiation).

Metals are often extracted from the Earth by means of mining ores that are rich sources of the requisite elements, such as bauxite. Ore is located by prospecting techniques, followed by the exploration and examination of deposits. Mineral sources are generally divided into surface mines, which are mined by excavation using heavy equipment, and subsurface mines. In some cases, the sale price of the metal(s) involved make it economically feasible to mine lower concentration sources.

Once the ore is mined, the metals must be extracted, usually by chemical or electrolytic reduction. Pyrometallurgy uses high temperatures to convert ore into raw metals, while hydrometallurgy employs aqueous chemistry for the same purpose. The methods used depend on the metal and their contaminants.

When a metal ore is an ionic compound of that metal and a non-metal, the ore must usually be smelted—heated with a reducing agent—to extract the pure metal. Many common metals, such as iron, are smelted using carbon as a reducing agent. Some metals, such as aluminum and sodium, have no commercially practical reducing agent, and are extracted using electrolysis instead.^[27][28]

Sulfide ores are not reduced directly to the metal but are roasted in air to convert them to oxides.

Uses

Metals are present in nearly all aspects of modern life. Iron, a heavy metal, may be the most common as it accounts for 90% of all refined metals; aluminum, a light metal, is the next most commonly refined metal. Pure iron may be the cheapest metallic element of all at cost of about US$0.07 per gram. Its ores are widespread; it is easy to refine; and the technology involved has been developed over hundreds of years. Cast iron is even cheaper, at a fraction of US$0.01 per gram, because there is no need for subsequent purification. Platinum, at a cost of about $27 per gram, may be the most ubiquitous given its very high melting point, resistance to corrosion, electrical conductivity, and durability. It is said to be found in, or used to produce, 20% of all consumer goods. Polonium is likely to be the most expensive metal that is traded, at a notional cost of about $100,000,000 per gram,^{[citation needed]} due to its scarcity and micro-scale production.

Some metals and metal alloys possess high structural strength per unit mass, making them useful materials for carrying large loads or resisting impact damage. Metal alloys can be engineered to have high resistance to shear, torque, and deformation. However the same metal can also be vulnerable to fatigue damage through repeated use or from sudden stress failure when a load capacity is exceeded. The strength and resilience of metals has led to their frequent use in high-rise building and bridge construction, as well as most vehicles, many appliances, tools, pipes, and railroad tracks.

Metals are good conductors, making them valuable in electrical appliances and for carrying an electric current over a distance with little energy lost. Electrical power grids rely on metal cables to distribute electricity. Home electrical systems, for the most part, are wired with copper wire for its good conducting properties.

The thermal conductivity of metals is useful for containers to heat materials over a flame. Metals are also used for heat sinks to protect sensitive equipment from overheating.

The high reflectivity of some metals enables their use in mirrors, including precision astronomical instruments, and adds to the aesthetics of metallic jewelry.

Some metals have specialized uses; mercury is a liquid at room temperature and is used in switches to complete a circuit when it flows over the switch contacts. Radioactive metals such as uranium and plutonium are fuel for nuclear power plants, which produce energy via nuclear fission. Shape-memory alloys are used for applications such as pipes, fasteners, and vascular stents.

Metals can be doped with foreign molecules—organic, inorganic, biological, and polymers. This doping entails the metal with new properties that are induced by the guest molecules. Applications in catalysis, medicine, electrochemical cells, corrosion and more have been developed.^[29]

Recycling

Demand for metals is closely linked to economic growth given their use in infrastructure, construction, manufacturing, and consumer goods. During the 20th century, the variety of metals used in society grew rapidly. Today, the development of major nations, such as China and India, and technological advances, are fuelling ever more demand. The result is that mining activities are expanding, and more and more of the world’s metal stocks are above ground in use, rather than below ground as unused reserves. An example is the in-use stock of copper. Between 1932 and 1999, copper in use in the U.S. rose from 73 g to 238 g per person.^[30]

Metals are inherently recyclable, so in principle, can be used over and over again, minimizing these negative environmental impacts and saving energy. For example, 95% of the energy used to make aluminum from bauxite ore is saved by using recycled material.^[31]

Globally, metal recycling is generally low. In 2010, the International Resource Panel, hosted by the United Nations Environment Programme published reports on metal stocks that exist within society^[32] and their recycling rates.^[30] The authors of the report observed that the metal stocks in society can serve as huge mines above ground. They warned that the recycling rates of some rare metals used in applications such as mobile phones, battery packs for hybrid cars and fuel cells are so low that unless future end-of-life recycling rates are dramatically stepped up these critical metals will become unavailable for use in modern technology.

Biological interactions

The role of metallic elements in the evolution of cell biochemistry has been reviewed, including a detailed section on the role of calcium in redox enzymes.^[33]

One or more of the elements iron, cobalt, nickel, copper, and zinc are essential to all higher forms of life. Molybdenum is an essential component of vitamin B12. Compounds of all other transition elements and post-transition elements are toxic to a greater or lesser extent, with few exceptions such as certain compounds of antimony and tin. Potential sources of metal poisoning include mining, tailings, industrial wastes, agricultural runoff, occupational exposure, paints, and treated timber.

History

Prehistory

Copper, which occurs in native form, may have been the first metal discovered given its distinctive appearance, heaviness, and malleability compared to other stones or pebbles. Gold, silver, and iron (as meteoric iron), and lead were likewise discovered in prehistory. Forms of brass, an alloy of copper and zinc made by concurrently smelting the ores of these metals, originate from this period (although pure zinc was not isolated until the 13th century). The malleability of the solid metals led to the first attempts to craft metal ornaments, tools, and weapons. Meteoric iron containing nickel was discovered from time to time and, in some respects this was superior to any industrial steel manufactured up to the 1880s when alloy steels become prominent.^[34]

• 

• 

  Gold crystals

• 

  Crystalline silver

• 

  A slice of meteoric iron

• 

• 

  A brass weight (35 g)

Antiquity

The discovery of bronze (an alloy of copper with arsenic or tin) enabled people to create metal objects which were harder and more durable than previously possible. Bronze tools, weapons, armor, and building materials such as decorative tiles were harder and more durable than their stone and copper («Chalcolithic») predecessors. Initially, bronze was made of copper and arsenic (forming arsenic bronze) by smelting naturally or artificially mixed ores of copper and arsenic.^[35] The earliest artifacts so far known come from the Iranian plateau in the fifth millennium BCE.^[36] It was only later that tin was used, becoming the major non-copper ingredient of bronze in the late third millennium BCE.^[37] Pure tin itself was first isolated in 1800 BCE by Chinese and Japanese metalworkers.

Mercury was known to ancient Chinese and Indians before 2000 BCE, and found in Egyptian tombs dating from 1500 BCE.

The earliest known production of steel, an iron-carbon alloy, is seen in pieces of ironware excavated from an archaeological site in Anatolia (Kaman-Kalehöyük) and are nearly 4,000 years old, dating from 1800 BCE.^[38][39]

From about 500 BCE sword-makers of Toledo, Spain, were making early forms of alloy steel by adding a mineral called wolframite, which contained tungsten and manganese, to iron ore (and carbon). The resulting Toledo steel came to the attention of Rome when used by Hannibal in the Punic Wars. It soon became the basis for the weaponry of Roman legions; their swords were said to have been «so keen that there is no helmet which cannot be cut through by them.»^{[citation needed][n 8]}

In pre-Columbian America, objects made of tumbaga, an alloy of copper and gold, started being produced in Panama and Costa Rica between 300 and 500 CE. Small metal sculptures were common and an extensive range of tumbaga (and gold) ornaments comprised the usual regalia of persons of high status.

At around the same time indigenous Ecuadorians were combining gold with a naturally-occurring platinum alloy containing small amounts of palladium, rhodium, and iridium, to produce miniatures and masks composed of a white gold-platinum alloy. The metal workers involved heated gold with grains of the platinum alloy until the gold melted at which point the platinum group metals became bound within the gold. After cooling, the resulting conglomeration was hammered and reheated repeatedly until it became as homogenous as if all of the metals concerned had been melted together (attaining the melting points of the platinum group metals concerned was beyond the technology of the day).^{[40][n 9]}

• 

  A droplet of solidified molten tin

• 

• 

  Electrum, a natural alloy of silver and gold, was often used for making coins. Shown is the Roman god Apollo, and on the obverse, a Delphi tripod (circa 310–305 BCE).

• 

  A plate made of pewter, an alloy of 85–99% tin and (usually) copper. Pewter was first used around the beginning of the Bronze Age in the Near East.

• 

  A pectoral (ornamental breastplate) made of tumbaga, an alloy of gold and copper

Middle Ages

Arabic and medieval alchemists believed that all metals and matter were composed of the principle of sulfur, the father of all metals and carrying the combustible property, and the principle of mercury, the mother of all metals^{[n 10]} and carrier of the liquidity, fusibility, and volatility properties. These principles were not necessarily the common substances sulfur and mercury found in most laboratories. This theory reinforced the belief that all metals were destined to become gold in the bowels of the earth through the proper combinations of heat, digestion, time, and elimination of contaminants, all of which could be developed and hastened through the knowledge and methods of alchemy.^{[n 11]}

Arsenic, zinc, antimony, and bismuth became known, although these were at first called semimetals or bastard metals on account of their immalleability. All four may have been used incidentally in earlier times without recognising their nature. Albertus Magnus is believed to have been the first to isolate arsenic from a compound in 1250, by heating soap together with arsenic trisulfide. Metallic zinc, which is brittle if impure, was isolated in India by 1300 AD. The first description of a procedure for isolating antimony is in the 1540 book De la pirotechnia by Vannoccio Biringuccio. Bismuth was described by Agricola in De Natura Fossilium (c. 1546); it had been confused in early times with tin and lead because of its resemblance to those elements.

• 

  Arsenic, sealed in a container to prevent tarnishing

• 

  Zinc fragments and a 1 cm³ cube

• 

  Antimony, showing its brilliant lustre

• 

  Bismuth in crystalline form, with a very thin oxidation layer, and a 1 cm³ bismuth cube

The Renaissance

The first systematic text on the arts of mining and metallurgy was De la Pirotechnia (1540) by Vannoccio Biringuccio, which treats the examination, fusion, and working of metals.

Sixteen years later, Georgius Agricola published De Re Metallica in 1556, a clear and complete account of the profession of mining, metallurgy, and the accessory arts and sciences, as well as qualifying as the greatest treatise on the chemical industry through the sixteenth century.

He gave the following description of a metal in his De Natura Fossilium (1546):

Metal is a mineral body, by nature either liquid or somewhat hard. The latter may be melted by the heat of the fire, but when it has cooled down again and lost all heat, it becomes hard again and resumes its proper form. In this respect it differs from the stone which melts in the fire, for although the latter regain its hardness, yet it loses its pristine form and properties.

Traditionally there are six different kinds of metals, namely gold, silver, copper, iron, tin, and lead. There are really others, for quicksilver is a metal, although the Alchemists disagree with us on this subject, and bismuth is also. The ancient Greek writers seem to have been ignorant of bismuth, wherefore Ammonius rightly states that there are many species of metals, animals, and plants which are unknown to us. Stibium when smelted in the crucible and refined has as much right to be regarded as a proper metal as is accorded to lead by writers. If when smelted, a certain portion be added to tin, a bookseller’s alloy is produced from which the type is made that is used by those who print books on paper.

Each metal has its own form which it preserves when separated from those metals which were mixed with it. Therefore neither electrum nor Stannum [not meaning our tin] is of itself a real metal, but rather an alloy of two metals. Electrum is an alloy of gold and silver, Stannum of lead and silver. And yet if silver be parted from the electrum, then gold remains and not electrum; if silver be taken away from Stannum, then lead remains and not Stannum.

Whether brass, however, is found as a native metal or not, cannot be ascertained with any surety. We only know of the artificial brass, which consists of copper tinted with the colour of the mineral calamine. And yet if any should be dug up, it would be a proper metal. Black and white copper seem to be different from the red kind.

Metal, therefore, is by nature either solid, as I have stated, or fluid, as in the unique case of quicksilver.

But enough now concerning the simple kinds.^[42]

Platinum, the third precious metal after gold and silver, was discovered in Ecuador during the period 1736 to 1744, by the Spanish astronomer Antonio de Ulloa and his colleague the mathematician Jorge Juan y Santacilia. Ulloa was the first person to write a scientific description of the metal, in 1748.

In 1789, the German chemist Martin Heinrich Klaproth isolated an oxide of uranium, which he thought was the metal itself. Klaproth was subsequently credited as the discoverer of uranium. It was not until 1841, that the French chemist Eugène-Melchior Péligot, prepared the first sample of uranium metal. Henri Becquerel subsequently discovered radioactivity in 1896 by using uranium.

In the 1790s, Joseph Priestley and the Dutch chemist Martinus van Marum observed the transformative action of metal surfaces on the dehydrogenation of alcohol, a development which subsequently led, in 1831, to the industrial scale synthesis of sulphuric acid using a platinum catalyst.

In 1803, cerium was the first of the lanthanide metals to be discovered, in Bastnäs, Sweden by Jöns Jakob Berzelius and Wilhelm Hisinger, and independently by Martin Heinrich Klaproth in Germany. The lanthanide metals were largely regarded as oddities until the 1960s when methods were developed to more efficiently separate them from one another. They have subsequently found uses in cell phones, magnets, lasers, lighting, batteries, catalytic converters, and in other applications enabling modern technologies.

Other metals discovered and prepared during this time were cobalt, nickel, manganese, molybdenum, tungsten, and chromium; and some of the platinum group metals, palladium, osmium, iridium, and rhodium.

Light metals

All metals discovered until 1809 had relatively high densities; their heaviness was regarded as a singularly distinguishing criterion. From 1809 onward, light metals such as sodium, potassium, and strontium were isolated. Their low densities challenged conventional wisdom as to the nature of metals. They behaved chemically as metals however, and were subsequently recognised as such.

Aluminium was discovered in 1824 but it was not until 1886 that an industrial large-scale production method was developed. Prices of aluminium dropped and aluminium became widely used in jewelry, everyday items, eyeglass frames, optical instruments, tableware, and foil in the 1890s and early 20th century. Aluminium’s ability to form hard yet light alloys with other metals provided the metal many uses at the time. During World War I, major governments demanded large shipments of aluminium for light strong airframes. The most common metal in use for electric power transmission today is aluminium-conductor steel-reinforced. Also seeing much use is all-aluminium-alloy conductor. Aluminium is used because it has about half the weight of a comparable resistance copper cable (though larger diameter due to lower specific conductivity), as well as being cheaper. Copper was more popular in the past and is still in use, especially at lower voltages and for grounding.

While pure metallic titanium (99.9%) was first prepared in 1910 it was not used outside the laboratory until 1932. In the 1950s and 1960s, the Soviet Union pioneered the use of titanium in military and submarine applications as part of programs related to the Cold War. Starting in the early 1950s, titanium came into use extensively in military aviation, particularly in high-performance jets, starting with aircraft such as the F-100 Super Sabre and Lockheed A-12 and SR-71.

Metallic scandium was produced for the first time in 1937. The first pound of 99% pure scandium metal was produced in 1960. Production of aluminium-scandium alloys began in 1971 following a U.S. patent. Aluminium-scandium alloys were also developed in the USSR.

• 

  Chunks of sodium

• 

  Potassium pearls under paraffin oil. Size of the largest pearl is 0.5 cm.

• 

  Strontium crystals

• 

  Aluminium chunk,
  2.6 grams, 1 x 2 cm

• 

  A bar of titanium crystals

• 

  Scandium, including a 1 cm³ cube

The age of steel

The modern era in steelmaking began with the introduction of Henry Bessemer’s Bessemer process in 1855, the raw material for which was pig iron. His method let him produce steel in large quantities cheaply, thus mild steel came to be used for most purposes for which wrought iron was formerly used. The Gilchrist-Thomas process (or basic Bessemer process) was an improvement to the Bessemer process, made by lining the converter with a basic material to remove phosphorus.

Due to its high tensile strength and low cost, steel came to be a major component used in buildings, infrastructure, tools, ships, automobiles, machines, appliances, and weapons.

In 1872, the Englishmen Clark and Woods patented an alloy that would today be considered a stainless steel. The corrosion resistance of iron-chromium alloys had been recognized in 1821 by French metallurgist Pierre Berthier. He noted their resistance against attack by some acids and suggested their use in cutlery. Metallurgists of the 19th century were unable to produce the combination of low carbon and high chromium found in most modern stainless steels, and the high-chromium alloys they could produce were too brittle to be practical. It was not until 1912 that the industrialisation of stainless steel alloys occurred in England, Germany, and the United States.

The last stable metallic elements

By 1900 three metals with atomic numbers less than lead (#82), the heaviest stable metal, remained to be discovered: elements 71, 72, 75.

Von Welsbach, in 1906, proved that the old ytterbium also contained a new element (#71), which he named cassiopeium. Urbain proved this simultaneously, but his samples were very impure and only contained trace quantities of the new element. Despite this, his chosen name lutetium was adopted.

In 1908, Ogawa found element 75 in thorianite but assigned it as element 43 instead of 75 and named it nipponium. In 1925 Walter Noddack, Ida Eva Tacke, and Otto Berg announced its separation from gadolinite and gave it the present name, rhenium.

Georges Urbain claimed to have found element 72 in rare-earth residues, while Vladimir Vernadsky independently found it in orthite. Neither claim was confirmed due to World War I, and neither could be confirmed later, as the chemistry they reported does not match that now known for hafnium. After the war, in 1922, Coster and Hevesy found it by X-ray spectroscopic analysis in Norwegian zircon. Hafnium was thus the last stable element to be discovered, though rhenium was the last to be correctly recognized.

• 

  Lutetium, including a 1 cm³ cube

• 

  Rhenium, including a 1 cm³ cube

• 

  Hafnium, in the form of a 1.7 kg bar

By the end of World War II scientists had synthesized four post-uranium elements, all of which are radioactive (unstable) metals: neptunium (in 1940), plutonium (1940–41), and curium and americium (1944), representing elements 93 to 96. The first two of these were eventually found in nature as well. Curium and americium were by-products of the Manhattan project, which produced the world’s first atomic bomb in 1945. The bomb was based on the nuclear fission of uranium, a metal first thought to have been discovered nearly 150 years earlier.

Post-World War II developments

Superalloys

Superalloys composed of combinations of Fe, Ni, Co, and Cr, and lesser amounts of W, Mo, Ta, Nb, Ti, and Al were developed shortly after World War II for use in high performance engines, operating at elevated temperatures (above 650 °C (1,200 °F)). They retain most of their strength under these conditions, for prolonged periods, and combine good low-temperature ductility with resistance to corrosion or oxidation. Superalloys can now be found in a wide range of applications including land, maritime, and aerospace turbines, and chemical and petroleum plants.

Transcurium metals

The successful development of the atomic bomb at the end of World War II sparked further efforts to synthesize new elements, nearly all of which are, or are expected to be, metals, and all of which are radioactive. It was not until 1949 that element 97 (berkelium), next after element 96 (curium), was synthesized by firing alpha particles at an americium target. In 1952, element 100 (fermium) was found in the debris of the first hydrogen bomb explosion; hydrogen, a nonmetal, had been identified as an element nearly 200 years earlier. Since 1952, elements 101 (mendelevium) to 118 (oganesson) have been synthesized.

Bulk metallic glasses

A metallic glass (also known as an amorphous or glassy metal) is a solid metallic material, usually an alloy, with a disordered atomic-scale structure. Most pure and alloyed metals, in their solid state, have atoms arranged in a highly ordered crystalline structure. Amorphous metals have a non-crystalline glass-like structure. But unlike common glasses, such as window glass, which are typically electrical insulators, amorphous metals have good electrical conductivity. Amorphous metals are produced in several ways, including extremely rapid cooling, physical vapor deposition, solid-state reaction, ion irradiation, and mechanical alloying. The first reported metallic glass was an alloy (Au₇₅Si₂₅) produced at Caltech in 1960. More recently, batches of amorphous steel with three times the strength of conventional steel alloys have been produced. Currently, the most important applications rely on the special magnetic properties of some ferromagnetic metallic glasses. The low magnetization loss is used in high-efficiency transformers. Theft control ID tags and other article surveillance schemes often use metallic glasses because of these magnetic properties.

Shape-memory alloys

A shape-memory alloy (SMA) is an alloy that «remembers» its original shape and when deformed returns to its pre-deformed shape when heated. While the shape memory effect had been first observed in 1932, in an Au-Cd alloy, it was not until 1962, with the accidental discovery of the effect in a Ni-Ti alloy that research began in earnest, and another ten years before commercial applications emerged. SMA’s have applications in robotics and automotive, aerospace, and biomedical industries. There is another type of SMA, called a ferromagnetic shape-memory alloy (FSMA), that changes shape under strong magnetic fields. These materials are of particular interest as the magnetic response tends to be faster and more efficient than temperature-induced responses.

Quasicyrstalline alloys

In 1984, Israeli chemist Dan Shechtman found an aluminum-manganese alloy having five-fold symmetry, in breach of crystallographic convention at the time which said that crystalline structures could only have two-, three-, four-, or six-fold symmetry. Due to fear of the scientific community’s reaction, it took him two years to publish the results for which he was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2011. Since this time, hundreds of quasicrystals have been reported and confirmed. They exist in many metallic alloys (and some polymers). Quasicrystals are found most often in aluminum alloys (Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-V, etc.), but numerous other compositions are also known (Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, In-Ag-Yb, Pd-U-Si, etc.). Quasicrystals effectively have infinitely large unit cells. Icosahedrite Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃, the first quasicrystal found in nature, was discovered in 2009. Most quasicrystals have ceramic-like properties including low electrical conductivity (approaching values seen in insulators) and low thermal conductivity, high hardness, brittleness, and resistance to corrosion, and non-stick properties. Quasicrystals have been used to develop heat insulation, LEDs, diesel engines, and new materials that convert heat to electricity. New applications may take advantage of the low coefficient of friction and the hardness of some quasicrystalline materials, for example embedding particles in plastic to make strong, hard-wearing, low-friction plastic gears. Other potential applications include selective solar absorbers for power conversion, broad-wavelength reflectors, and bone repair and prostheses applications where biocompatibility, low friction, and corrosion resistance are required.

Complex metallic alloys

Complex metallic alloys (CMAs) are intermetallic compounds characterized by large unit cells comprising some tens up to thousands of atoms; the presence of well-defined clusters of atoms (frequently with icosahedral symmetry); and partial disorder within their crystalline lattices. They are composed of two or more metallic elements, sometimes with metalloids or chalcogenides added. They include, for example, NaCd2, with 348 sodium atoms and 768 cadmium atoms in the unit cell. Linus Pauling attempted to describe the structure of NaCd₂ in 1923, but did not succeed until 1955. At first called «giant unit cell crystals», interest in CMAs, as they came to be called, did not pick up until 2002, with the publication of a paper called «Structurally Complex Alloy Phases», given at the 8th International Conference on Quasicrystals. Potential applications of CMAs include as heat insulation; solar heating; magnetic refrigerators; using waste heat to generate electricity; and coatings for turbine blades in military engines.

High-entropy alloys

High-entropy alloys (HEAs) such as AlLiMgScTi are composed of equal or nearly equal quantities of five or more metals. Compared to conventional alloys with only one or two base metals, HEAs have considerably better strength-to-weight ratios, higher tensile strength, and greater resistance to fracturing, corrosion, and oxidation. Although HEAs were described as early as 1981, significant interest did not develop until the 2010s; they continue to be the focus of research in materials science and engineering because of their potential for desirable properties.

MAX phase alloys

In a MAX phase alloy, M is an early transition metal, A is an A group element (mostly group IIIA and IVA, or groups 13 and 14), and X is either carbon or nitrogen. Examples are Hf₂SnC and Ti₄AlN₃. Such alloys have some of the best properties of metals and ceramics. These properties include high electrical and thermal conductivity, thermal shock resistance, damage tolerance, machinability, high elastic stiffness, and low thermal expansion coefficients.^[43] They can be polished to a metallic luster because of their excellent electrical conductivities. During mechanical testing, it has been found that polycrystalline Ti₃SiC₂ cylinders can be repeatedly compressed at room temperature, up to stresses of 1 GPa, and fully recover upon the removal of the load. Some MAX phases are also highly resistant to chemical attack (e.g. Ti₃SiC₂) and high-temperature oxidation in air (Ti₂AlC, Cr₂AlC₂, and Ti₃AlC₂). Potential applications for MAX phase alloys include: as tough, machinable, thermal shock-resistant refractories; high-temperature heating elements; coatings for electrical contacts; and neutron irradiation resistant parts for nuclear applications. While MAX phase alloys were discovered in the 1960s, the first paper on the subject was not published until 1996.

See also

Notes

References

Further reading

• Choptuik M. W., Lehner L. & Pretorias F. 2015, «Probing strong-field gravity through numerical simulation», in A. Ashtekar, B. K. Berger, J. Isenberg & M. MacCallum (eds), General Relativity and Gravitation: A Centennial Perspective, Cambridge University Press, Cambridge, ISBN 978-1-107-03731-1.
• Cox, P. A. (1997). The elements: Their origin, abundance and distribution. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855298-7.
• Crow J. M. 2016, «Impossible alloys: How to make never-before-seen metals», New Scientist, 12 October
• Hadhazy A. 2016, «Galactic ‘Gold Mine’ Explains the Origin of Nature’s Heaviest Elements», Science Spotlights, 10 May 2016, accessed 11 July 2016.
• Hofmann S. 2002, On Beyond Uranium: Journey to the End of the Periodic Table, Taylor & Francis, London, ISBN 978-0-415-28495-0.
• Padmanabhan T. 2001, Theoretical Astrophysics, vol. 2, Stars and Stellar Systems, Cambridge University Press, Cambridge, ISBN 978-0-521-56241-6.
• Parish R. V. 1977, The metallic elements, Longman, London, ISBN 978-0-582-44278-8
• Podosek F. A. 2011, «Noble gases», in H. D. Holland & K. K. Turekian (eds), Isotope Geochemistry: From the Treatise on Geochemistry, Elsevier, Amsterdam, pp. 467–492, ISBN 978-0-08-096710-3.
• Raymond R. 1984, Out of the fiery furnace: The impact of metals on the history of mankind, Macmillan Australia, Melbourne, ISBN 978-0-333-38024-6
• Rehder D. 2010, Chemistry in Space: From Interstellar Matter to the Origin of Life, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN 978-3-527-32689-1.
• Russell A. M. & Lee K. L. 2005, Structure–property relations in nonferrous metals, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, ISBN 978-0-471-64952-6
• Street A. & Alexander W. 1998, Metals in the service of man, 11_th ed., Penguin Books, London, ISBN 978-0-14-025776-2
• Wilson A. J. 1994, The living rock: The tory of metals since earliest times and their impact on developing civilization, Woodhead Publishing, Cambridge, ISBN 978-1-85573-154-7

External links

• Official website of ASM International (formerly the American Society for Metals)
• Official website of The Minerals, Metals & Materials Society

• Энциклопедия
• География
• Металлы

На сегодняшний день благодаря открытиям многих ученых, нам известны многие химические элементы. Большую часть этих элементов составляют металлы. Их можно обнаружить в самых разных местах, и это не всегда недра земли. Металлы могут находиться в океанах, и даже реках. То, что металлы сильно отличаются от неметаллов, определили еще Ломоносов. Он давно знал, что все металлы имеют твердую основу и отблеск. Сегодня почти все виды металлов люди научились применять в технике. Большой популярностью пользуется железо и его сплавы. Многие металлические сплавы имеют хорошую прочность и устойчивость от коррозии.  

Металл всегда обладал особенными металлическими свойствами. Самым распространенным металлом, который люди научились добывать из недр земли — является алюминий. Единственная отрасль, которая занимается добычей, и изготовлением продукции из металлов — называется металлургия. Почти все металлы, имеющиеся в природе, предстают перед человеком в виде соединений и руд. Единственная задача правильно их обнаружить, достать и применить. Достаточно кропотливый процесс отделения и чистки, металлических руд, имеющихся в природе. А все это для получения потом, чистого металла. Любой металл в нормальных условиях, всегда будет твердым. Плавится, металлы начинают уже при достаточно высокой температуре. Все металлы различают по многим характеристикам. Есть виды тяжелых металлов и легких.

Современное цивилизованное общество широко применяет металлы и их сплавы. Это связано с их высокой прочностью и непроницаемостью. Многие металлы люди научились использовать в виде проводников электричества. А другие применяют как состав резисторов во многих электронагревательных элементах. Металлы хорошо поддаются деформациям. При высокой температуре они гнутся и куются. Это дает возможность изготовить из них проволоку и железные листы. Каждый день люди всего мира заняты добычей металла. Есть такие металлы, которые встречаются в природе в свободном состоянии. Весь процесс добычи таких металлов, заключается в разъединении основного металла от приставшей к нему породы. Каждый добытый, и полученный металл, играет большую роль и пользу для многих отраслей.

Доклад Металлы сообщение

История человечества получила огромный толчок вперед, с тех времен, когда люди научились получать металлы.  В связи с этим нам сегодня известны этапы развития промышленности и науки, новые эры человечества. Данные материалы и сегодня используются во всех отраслях жизнедеятельности человека.

Металлы имеют множество свойств, которые также люди постигали на протяжении истории. Основные свойства это прочность и пластичность, также ковкость. Металлы могут пропускать через себя тепло  и электричество. Электропроводность зависит от температуры. Основа металлов это состав атомов и кристаллическая решетка. Металлы устроены так, что электроны могут осуществлять движение по всему металлу. Далее люди выяснили, что металлы также могут сплавляться друг с другом. В таком случае образуется сплав, основой которого являются несколько металлов.

Металлы можно разделить на два типа, которыми является черные металлы и цветные металлы. Сплавы из этих металлов можно  получать благодаря тому, что каждый из этих типов имеет множество разнообразных и уникальных свойств. Также существуют металлиды и интерметаллиды. К черным металлам относятся сталь, чугун, а также другие элементы, имеющие в основе своего строения железо. 

Цветные металлы включат в себя золото, платину, серебро. Также более редкие виды как титан и вольфрам. Более тяжелые как свинец, цинк и ртуть, а также легкие, как магний и алюминий.

В промышленности и других отраслях могут использовать многие из выше перечисленных металлов. А другие используют меньше или вообще нашли замену, ведь металл может быть очень редким или доступным в мизерном количестве. В изготовлении металлопроката в основном используют черный сплав, который пока является доступным и имеет довольно хорошие показатели при его эксплуатации. Из цветных металлов самый распространенный металл, который используется в промышленности это алюминий. Данные детали из алюминия используются во многих отраслях.

Сплавы и металлы, отличимые друг от друга. Это заметно по внешним признакам, но и не только. Также их можно различить по физическим свойствам.  К железным сплавам относят такие отличимые черты, как проводимость электричества и тепла, а также плавление при очень высокой температуре и намагничивание. Как уже сказано выше, электропроводность зависит от температуры, когда она падает, то одни из видов металлов могут получить электропроводность гораздо выше, чем при высокой температуре. Также разные металлы по-своему реагируют на окружающую их среду. То есть ржавчина по-разному может проявляться на разных видах металлов.

Что касается металлов относящихся к цветным, то их можно различать по прочности, твердости и пластичности. Электро и теплопроводность, а также плотность являются составляющими, которые помогают различить металлы по физическим характеристикам. Широкое распространение имеют алюминий, титан, бронза и латунь. Все эти металлы используются в производстве различных деталей и составляющих используемых в различных отраслях промышленности.

Если брать, в общем, то все металлы разделяют по их области применения и назначению. Существуют специально разработанные стандарты, которые называются ГОСТ.  Перед тем как выбрать тот или иной металл, следует тщательно разобраться в стандартах, чтоб понимать правильность выбора.

4, 7, 9 класс, кратко по химии

Металлы

Популярные темы сообщений

• Творчество Солженицына

  Александр Исаевич Солженицын это один из важнейших русских писателей XX века, которого в СССР признали диссидентом, врагом советского строя, за свои убеждения он отсидел в тюрьме.

• Геоцентрическая система мира

  Геоцентрическая система мира основывается на представлении, что все планеты вращаются вокруг Земли, в том числе и Солнце. Вселенная считалась ограниченной, а Земля ее центром. Такое описание мироустройства появилось еще до нашей эры.

• Антарктида

  Географическое расположение территории Антарктиды описывалось задолго до ее научного подтверждения как материка. Всемирно известные морепроходцы М. П. Лазарев и Ф. Ф. Беллинсгаузен, совершив очередную экспедицию,

• Творчество Самуила Маршака

  В 1887 году в Воронеже родился Самуил Яковлевич Маршак. С самого детства Самуил любил читать, с четырех лет у него присутствовали стихи собственного сочинения. В гимназии его навыки заметил учитель литературы.

• Всемирное наследие

  Многие древние памятники культуры смогли сохраниться до нашего времени, только благодаря тому, что они стали Всемирным наследием. Время беспощадно ко многим вещам. И перед человечеством давно стоит такая задача, чтобы сохранить для своих

Металлы – химические элементы, которые имеют свойство высокой электропроводимости. Они широко распространены в морях, реках, горах, полях, в недрах земли и даже в телах живых организмов.

На сегодня, люди открыли 114 элементов, из которых 96 занимают металлы. Чтобы выяснить принадлежность вещества к металлам или неметаллам, нужно воспользоваться таблицей Менделеева. Нужно всего лишь провести диагональ с Астата к Бору. Все что находиться слева металлы. Все что справа неметаллы.

Они играют незаменимую роль в жизни. Они постоянно участвуют в процессах живых организмов. Именно поэтому отказаться от металлов нельзя.

Многие из металлов окисляются на свежем воздухе. Есть группа металлов, они называются благородные, воздух на них никак не влияет. В эту группу входят: золото, платина, серебро и многие другие. Некоторые со временем делают оксидную пленку и после этого реакция не продолжается.

Металлы можно поделить на 2 вида: цветные металлы и сплавы, черные металлы и его сплавы.

Первая группа, а именно золото, серебро, олово, медь, никель, называется так, потому что имеет разнообразный цвет. Его широко используют в ювелирных делах, для сознания украшений.

Черные элементы и сплавы. Сплавы получаются за счет легирования. Это добавление в металл другие элементы для придания новых свойств: прочность, гибкость, хрупкость, коррозионная устойчивость. Самым распространённым сплавом считается чугун и сталь.

Самой главным химическим свойством является, способность атомов отдавать электроны. Тем самым они становиться положительно заряженными ионами. Именно это изучал Бекетов. Он изобрел электрохимический ряд напряжений. Выглядит он так: Li, К, Ва, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb (H₂) Bi, Cu, Hg, Ag, Pt, Au. Чем раньше стоит вещество, тем его активность сильнее.

Металлы используются в строительстве, потому как они прочны и не пропускают газы и жидкость. Также они являются хорошими проводниками. Этим активно пользуется человек. Их используют для электронагревательных элементов и резервистов как материал с сопротивлением. Еще из металлов и сплавов делают инструменты. В основном это сталь, алмаз, керамика.

Вариант 2

Металлы, это обширная часть элементов или просто веществ, имеющих определенные характеристики — большой коэффициент  электропроводности, достаточный запас пластичности и прочности, специфический цвет и большую степень ковки.

Первыми металлами, известными людям с глубоко древности, стали золото и серебро, доступно  встречающиеся  на поверхности земли.

В жизни металлы очень разнообразны, представлены в больших объемах и различных видах. Можно выделить несколько групп состояний металлов:

1. Ag, Au, Rt, Cu – самородный вид.
2. Fe₃O₄, Fe₂O₃, (NaK)₂O×AlO₃  — оксиды.
3. KCl, BaSO₄, Ca₃(PO₄)₂),- соли.
4. Cd – , Nb, Tl – сопутствующие минералы

Одними из часто находящихся на поверхности всей земли металлами являются алюминий и железо, а самыми редкими – калий и титан. 

Можно выделить и рассмотреть основные свойства металлов:

1. Температура плавления, у большинства веществ достаточна высокая, но есть металлы, которые легко плавятся даже на обычной газовой горелке, например олово.
2. Такой показатель как плотность, позволяет разделить металлы на две категории: легкие, например литий, и тяжелые, например осмий или иридий.  Это свойство позволяет применять металлы и их разнообразные сплавы для изготовления инструментов и станков, автомобилей и военной техники.
3. Такое свойство как  пластичность, позволяет использовать предметы из металлов в тех областях промышленности, где требуются особые гибкие и прочные на разрыв изделия.
4. Электропроводность, обусловлена присутствием подвижных электронов в кристаллических решетках металлов. Медь и алюминий обычно используют  при производстве проводниковой продукции, так как они имеют самую высокую электропроводность. Нихром, материал с повышенным сопротивлением, используют при производстве резисторов и в электронагревательных приборах.
5. Высокая теплопроводность металлов, например натрия, позволяет использовать предметы из металла в устройствах, требующих быстрого охлаждения.
6. Большинство металлов имеют примерно одинаковый светлый цвет  — серого, голубого или желто-красного оттенка.

В современном мире все большее развитие приобретают изделия из металла, обработанного специальными методами, изготовленными по специальным технологиям с добавлением инновационных добавок. Свойства таких материалов улучшаются с каждым годом, хотя в этой области науки ученых ждет еще много открытий.

Металлы

Интересные темы

• Тюльпан — сообщение доклад (2, 3, 4 класс Окружающий мир)

  Тюльпан – многолетнее травянистое растение, принадлежащие к семейству Лилейных. Как все представители семейства, основным запасающим органом цветка служит луковичное корневище. Род насчитывает более 80 видов.

• Степной хорек — доклад сообщение (4 класс Окружающий мир)

  Степной хорёк – млекопитающее, принадлежащее у семейству куньих. Активность проявляет ночью. К жилищам людей приближается очень редко. Ареал его обитания довольно широкий

• Река Дон — доклад сообщение

  Доном называется большая река протяженностью около двух тысяч километров, протекающая по средней полосе России, включая Воронежскую, Тульскую, Рязанскую, Липецкую, Волгоградскую, Ростовскую области, и впадающая в Азовское море.

• Доклад про Софийский собор

  Князь Ярослав Мудрый на месте своей победы над печенегами возвел красивейшее сооружение — Софийский Собор. Этот факт отображен в «Повести временных лет»

• Растения