Что такое металлы?

Еще 200 лет назад М. В. Ломоносов дал определение: «Металлы суть тела светлые, которые ковать можно». Они имеют специфический блеск и высокую пластичность, кроме того, обладают и другими важными физическими и химическими свойствами: высокой электропроводностью, теплопроводностью, сверхпроводимостью при определенных условиях.

Во всяком твердом теле, чтобы оно было компактным и прочным, необходимы внутренние силы между микрочастицами (атомами, ионами, электронами) и определенная химическая связь. По современным взглядам атомы представляют собой конструкцию, в центре которой находится положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны. Электроны движутся на разных энергетических уровнях, так называемых электронных оболочках. Для металлов характерно то, что, во-первых, внешние электроны слабо связаны с ядром, а во-вторых, на наружных электронных оболочках немного электронов — один-два, тогда как у неметаллов — пять-шесть.

Вследствие этого металлические элементы, вступая во взаимодействие с другими элементами, отдают им довольно легко свои внешние (валентные) электроны. Перемещающиеся между ионами свободные электроны принадлежат не одному какому-либо атому, а связаны со многими атомами («коллективизированы»), что обеспечивает веществу так называемый металлический тип связи. Свободный «электронный газ» играет роль цементирующей связки, соединяющей отдельные «кирпичики» — ионы металлов.

Высокая электропроводность металлов, за редким исключением, и объясняется именно тем, что благодаря слабой связи электронов с ядром даже уже небольшая разность потенциалов может вызвать перемещение электронов, т. е. создать электрический ток. По этим же причинам чистые металлы характеризуются высокой теплопроводностью и высокой пластичностью.

Важнейшая особенность внутреннего строения металлов в отличие от аморфных веществ (смола, янтарь, стекло, полимеры и др.) состоит в том, что они являются кристаллическими телами, в которых атомы располагаются в пространстве в строго определенном порядке. Систематически повторяющееся расположение атомов в металлах образует пространственную кристаллическую решетку. Каждому металлу присуща своя кристаллическая решетка. Типы и размеры (межатомное расстояние) решеток определяются рентгеноструктурным анализом.

В технике металл — понятие в известной мере обобщенное. Под ним понимают и чистые металлы, и более сложные вещества, состоящие из нескольких элементов,— металлические сплавы, например железо, никель, алюминий и другие металлы, и множество их сплавов. Сплавы создаются сплавлением нескольких металлов для получения в одном материале разных свойств, например жаростойкости и коррозионной стойкости, усиления полезных и ослабления нежелательных качеств. Чугун, сталь, бронза, сложнолегированные алюминиевые сплавы — это композиции, в которых содержится до десяти элементов. Сплавы — это союз металлов.