Слово “металл” заимствовано из немецкого языка и окончательно усвоено в Петровскую эпоху. Первоначально имело общее значение “минерал, руда, металл”, а разграничение этих понятий произошло во времена М. В. Ломоносова.
Немецкое слово “metall” произошло от латинского “metallum” – “рудник, металл”. В латинский язык слово пришло из греческого – μεταλλον: “рудник, копь”.
В современном понимании, металлы – группа химических элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами: высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Однако в астрофизике термин “металл” может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия.
Как химические элементы металлы очень распространены. Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:
- 6 элементов в группе щелочных металлов,
- 6 в группе щёлочноземельных металлов,
- 38 в группе переходных металлов,
- 11 в группе лёгких металлов,
- 7 в группе полуметаллов,
- 14 в группе лантаноиды + лантан,
- 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
вне определённых групп – бериллий и магний.
Таким образом, к металлам относится 96 элементов из всех открытых.
Свойства металлов
Характерные свойства металлов
Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
Хорошая электропроводность (из неметаллов электропроводностью обладает также углерод)
Возможность лёгкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, например, германий и висмут, непластичны)
Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
Большая теплопроводность
В реакциях чаще всего являются восстановителями
Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.
Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:
| Металл | Твёрдость | Металл | Твёрдость |
| Цезий | 0,2 | Торий | 3,0 |
| Рубидий | 0,3 | Скандий | 3,17 |
| Калий | 0,4 | Платина | 3,5 |
| Натрий | 0,5 | Кобальт | 3,75 |
| Литий | 0,6 | Палладий | 3,75 |
| Индий | 1,2 | Цирконий | 3,75 |
| Таллий | 1,2 | Гафний | 4,0 |
| Барий | 1,25 | Железо | 4,0 |
| Галлий | 1,5 | Марганец | 4,0 |
| Олово | 1,5 | Никель | 4,0 |
| Ртуть (тв.) | 1,5 | Ванадий | 4,5 |
| Свинец | 1,5 | Молибден | 4,5 |
| Стронций | 1,5 | Родий | 4,5 |
| Кальций | 1,75 | Титан | 4,5 |
| Кадмий | 2,0 | Ниобий | 4,75 |
| Висмут | 2,25 | Иридий | 5,0 |
| Золото | 2,5 | Рутений | 5,0 |
| Лантан | 2,5 | Тантал | 5,0 |
| Магний | 2,5 | Технеций | 5,0 |
| Серебро | 2,5 | Хром | 5,0 |
| Цинк | 2,5 | Бериллий | 5,5 |
| Иттрий | 2,59 | Осмий | 5,5 |
| Алюминий | 2,75 | Рений | 5,5 |
| Медь | 3,0 | Вольфрам | 6,0 |
| Сурьма | 3,0 | β-Уран | 6,0 |
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39°C (ртуть) до 3410°C (вольфрам). За исключением щелочных, металлы плавятся при высокой температуре, однако некоторые, 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 затруднительно: требуется полностью очистить металлы, так как 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 проволока из цинка или олова хрустит при сгибании, марганец и висмут почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла. Очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.
Все металлы хорошие проводники. 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.
Металлы в природе
Большая часть металлов присутствует в природе в виде руды и различных соединений: оксидов, сульфидов, карбонатов и т.д.
В малых количествах металлы присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах, играя при этом важную роль. Известно, что организм человека на 3% состоит из металлов. Большая часть приходится на кальций (в костях) и натрий, выступающего в роли электролита в межклеточной жидкости и цитоплазме. В мышцах и нервной системе накапливается магний, в печени – медь, в крови – железо.
Добыча и обогащение
Металлы извлекают из земли в процессе добычи полезных ископаемых. Добытые руды служат относительно богатым источником необходимых элементов. Для выяснения нахождения руд в земной коре используются специальные поисковые методы, включающие разведку и исследование рудных месторождений. Месторождения руд разрабатываются открытым или карьерным способом и подземным или шахтным способом. Иногда применяется комбинированный (открыто-подземный) способ разработки рудных месторождений.
Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам.
После извлечения руд они, как правило, подвергаются обогащению. Основные процессы обогащения предназначены для выделения из исходного минерального сырья одного или нескольких полезных компонентов. Исходный материал в процессе обогащения разделяется на соответствующие продукты – концентрат(ы), промпродукты и отвальные хвосты. В процессах обогащения используют отличия минералов полезного компонента и пустой породы в плотности, магнитной восприимчивости, смачиваемости, электропроводности, крупности, форме зёрен, химических свойствах и др.
Из добытой и обогащённой руды металлы извлекаются, как правило, с помощью химического или электролитического восстановления. В пирометаллургии для преобразования руды в металлическое сырьё используются высокие температуры, в гидрометаллургии применяют для тех же целей водную химию. Используемые методы зависят от вида металла и типа загрязнения.
Когда металлическая руда является ионным соединением металла и неметалла, для извлечения чистого металла она обычно подвергается выплавлению — нагреву с восстановителем. Многие распространенные металлы, такие, как железо, плавят с использованием в качестве восстановителя углерода. Некоторые металлы, такие как алюминий и натрий, не имеют ни одного экономически оправданного восстановителя и извлекаются с применением электролиза.
Сульфидные руды не улучшаются непосредственно до получения чистого металла, но обжигаются на воздухе, с целью преобразования их в окислы.