Մետաղ

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Գալիումի բյուրեղ

Մետաղը (լատ.՝ metallum բառից, նշանակում է «հանքահոր») առանձնահատուկ մետաղե հատկություններ տարրերի մի խումբ է, որոնք ունեն բարձր էլեկտրա և ջերմահաղորդականություն, դիմադրության դրական ջերմաստիճանային գործակից, բարձր գեղակերտություն և այլն։ Այսօր բացահայտված է միայն 98 մետաղատեսակ։

Բնության մեջ[խմբագրել]

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

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

Արդյունահանումը[խմբագրել]

Մետաղի հանքաքար

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

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

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

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

Մետաղների հատկությունները[խմբագրել]

Մետաղների բնորոշ հատկություններ[խմբագրել]

Մետաղների ֆիզիկական հատկություններ[խմբագրել]

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

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

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

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

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

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

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

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

Մետաղների աղյուսակ ըստ կարծրության[խմբագրել]

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

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

Մետաղների քիմիական հատկություններ[խմբագրել]

Լիթիումի քլորիդ

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

Պարզ նյութերի հետ փոխազդեցությունը

\mathrm{4Li+O_2=2Li_2O} լիթիումի օքսիդ
\mathrm{2Na+O_2=Na_2O_2} նատրիումի պերօքսիդ
\mathrm{K+O_2=KO_2} կալիումի գերրօքսիդ
Պերօքսիդից օքսիդ ստանալու համար պերօքսիդը վերականգնվում է մետաղի միջոցով.
\mathrm{Na_2O_2+2Na=2Na_2O}
Միջին և ցածր ակտիվության մետաղների հետ ռեակցիան անցնում է տաքացման միջոցով.
\mathrm{3Fe+2O_2=Fe_3O_4}
\mathrm{2Hg+O_2=2HgO}
\mathrm{2Cu+O_2=2CuO}

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

\mathrm{6Li+N_2=2Li_3N}
Տաքացման ժամանակ՝
\mathrm{2Al+N_2=2AlN}
\mathrm{3Ca+N_2=Ca_3N_2}

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

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

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

\mathrm{2Na+H_2=2NaH}
\mathrm{Mg+H_2=MgH_2}

\mathrm{2Na+2C=Na_2C_2}
\mathrm{Na_2C_2+2H_2O=2NaOH+C_2H_2}

Թթուների փոխազդեցությունը մետաղների հետ[խմբագրել]

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

Չօքսիդացող թթուների փոխազդեցությունը էլեկտրաքիմիական շարքում մինչև ջրածինը ընկած մետաղների հետ[խմբագրել]

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

\mathsf{Mg + 2HCl = MgCl_2 + H_2\uparrow}
\mathsf{2Al+2H_3PO_4 = 2AlPO_4 + 3H_2\uparrow}

Ծծմբական թթվի՝ H2SO4 փոխազդեցությունը մետաղների հետ[խմբագրել]

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

\mathsf{Cu + 2H_2SO_4 = CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2 H_2O}

Շատ նոսրեցված թթուն փոխազդում է մետաղի հետ դասական դրույթներին համապատասխան.

\mathsf{Mg + H_2SO_4 = MgSO_4 + H_2\uparrow}

Թթվի կոնցենտրացիայի մեծացման դեպքում կազմվում են տարբեր ելանյութեր.

\mathsf{Mg + 2H_2SO_4 = MgSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O}
\mathsf{3Mg + 4H_2SO_4 = 3MgSO_4 + S\downarrow + 4H_2O}
\mathsf{4Mg + 5H_2SO_4 = 4MgSO_4 + H_2S\uparrow + 4H_2O}

Ազոտական թթվի (HNO3) փոխազդեցությունը[խմբագրել]

\mathsf{Cu + 4HNO_3 (60%) = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}
\mathsf{3Cu + 8HNO_3 ( 30%)= 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}

Ակտիվ մետաղների հետ փոխազդեցության դեպքում ռեակցիաների տարբերակները ավելի են շատանում.

\mathsf{Zn + 4HNO_3 (60%)= Zn(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}
\mathsf{3Zn + 8HNO_3 (30%)= 3Zn(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}
\mathsf{4Zn + 10HNO_3 (20%)= 4Zn(NO_3)_2 + N_2O\uparrow + 5H_2O}
\mathsf{5Zn + 12HNO_3 (10%)= 5Zn(NO_3)_2 + N_2\uparrow + 6H_2O}
~\mathsf{4Zn + 10HNO_3 (3%)= 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O}

Լեգիրում[խմբագրել]

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

Արտաքին հղումներ[խմբագրել]

Ծանոթագրություններ[խմբագրել]

  1. Յուրի Կուշկին «Մեզ շրջապատող քիմիան»
  2. (անգլերեն) «Los Alamos National Laboratory – Sodium»։ Արխիվացված օրիգինալից 2012-08-04-ին։ http://www.webcitation.org/69fbIIDQN։ 
  3. (անգլերեն) «Los Alamos National Laboratory – Aluminum»։ Արխիվացված օրիգինալից 2012-08-04-ին։ http://www.webcitation.org/69fbIm7Or։ 
  4. Պովարեննիխ Ա. Ս. // Միներալների կարծրություն (Твердость минералов) // {{}}: АН УССР, 1963. — էջ 197-208.. — 304 էջ.

Տես նաև[խմբագրել]