Мы будем часто обращаться за справками в «адресный стол» периодической системы элементов. Но для нас, интересующихся не столько самими металлами, сколько тем, что они дают человеку и что смогут дать, вряд ли будет целесообразно рассматривать по очереди все металлы. И осмотр их мы поведем, начиная с более важных для современного человечества. Поэтому нам удобнее другие, не общепринятые в технике классификации, хотя и менее точные и строгие, чем в таблице Менделеева.
Прежде всего разделим металлы на две неравные группы — черные и цветные.
К черным металлам относится одно железо и его многочисленные сплавы. Действительно, деление явно неравное: один против семидесяти девяти. Но в человеческой культуре этот один металл играет, пожалуй, не меньшую роль, чем все остальные. Да вот лучшая иллюстрация: около 94 процентов по весу от веса всех добываемых на земном шаре металлов падает на железо. Убедительная цифра!
Отделив от могучего братства металлов черный металл, мы сделали огромное дело. Но нелегко разобраться и в оставшихся семидесяти девяти цветных металлах и их сплавах. (Кстати, они действительно цветные: голубовато-серый свинец, желтое золото, красная медь, белый никель и т. д. Но есть среди цветных металлов и значительно более темные, чем сталь. Название черные и цветные поэтому надо считать чисто условным.)
Обычно цветные металлы делят на две группы: тяжелые и легкие. В обеих группах есть и очень важные для человека металлы, и почти или совсем в настоящее время не используемые.
К тяжелым металлам относятся медь, никель, свинец, олово, цинк, хром, марганец и другие металлы, имеющие удельный вес более 5 г на куб. см.
К легким относятся тринадцать металлов. Среди них натрий, калий, бериллий, магний, кальций, стронций, алюминий, титан.
Помимо этого основного деления, цветные металлы нередко подразделяются и на более мелкие семейства. Так, из тяжелых металлов нередко выделяют группу благородных металлов. К ним относятся золото, серебро, платина, осмий, иридий, палладий, рутений и родий. Все эти металлы отличает большая химическая стойкость, они не окисляются, не ржавеют не только на воздухе, но и не растворяются при действии большинства кислот.
В специальное семейство нередко выделяют и рассеянные элементы— те, которые не образуют самостоятельных залежей руд, а рассеяны по всей земной коре. К ним относятся литий, рубидий, иттрий, цезий, германий, радий и многие другие. Эти металлы обычно добывают из руд других элементов, которым они в какой-то мере сопутствуют.
Выделяют в самостоятельные семейства редкоземельные элементы, радиоактивные металлы, заурановые металлы… Мы еще будем встречаться с такими группами или семействами элементов, объединенных по какому-нибудь одному признаку или качеству.
В жизни мы почти не имеем дела с чистыми металлами. Значительно чаще нам приходится встречаться с их самыми различными сплавами. То, что мы называем железом, — это, как правило, сплавы железа с углеродом и многими другими веществами. Медь (если только это не проволока) — обычно или бронза или латунь, то есть сплав с оловом или цинком. Даже золото украшений обычно имеет примесь серебра или меди.
Это понятно: чистые металлы не только трудно получить, но и качества их в большинстве случаев оказываются менее полезными для нас, чем качества сплавов.
Сплавы
Смешайте гречневую крупу и рис. В этой смеси вы легко можете увидеть и отделить отдельные крупинки гречки и риса. Это — механическая смесь.
Возьмите щепотку обыкновенной поваренной соли. Химики давным-давно установили, что в ее состав входят два химических элемента — натрий и хлор. Однако и в самый сильный микроскоп вы не сможете различить и отделить частицы металла натрия и пузырьки газообразного элемента — хлора. Каждый атом хлора непременно связан в кристаллах поваренной соли с атомом натрия. Это — химическое соединение.
В стакан воды всыпьте ложку сахарного песку. Размешайте. Сахарный песок растает, даже намеков на присутствие в воде сахара не сможете вы заметить с помощью увеличительного стекла или микроскопа. Молекулы сахара затерялись среди молекул воды. Это — раствор.
А что же такое сплав?
Если вы зададите этот вопрос специалисту, он ответит вопросом же:
— Какой конкретно сплав вы имеете в виду? Какие элементы и в каких количествах входят в него?
А в некоторых случаях он попросит еще уточнить, как был получен этот сплав. Ибо сплавы могут быть и механической смесью, и химическим соединением, и твердым раствором.
Металлурги брали сурьму и свинец, сливали два расплава и тщательнейшим образом перемешивали. Сплав застывал. Ученые помещали под микроскоп кусочек сплава, и перед ними возникала мозаика крохотных кристаллов. Причем одни из них были образованы сурьмой, другие — свинцом. Типичная механическая смесь кристаллов двух металлов. Механические смеси образуются также при сплавлении алюминия с кремнием, висмута с кадмием и т. д.
Ученые заметили, что, как правило, такие сплавы — механические смеси — при изменении процентного содержания входящих в них компонентов изменяют свою температуру плавления, причем она всегда ниже, чем температура самого тугоплавкого компонента. Сплав с таким процентным содержанием компонентов, при котором он имеет минимальную температуру плавления, называют эвтектическим.
Сплав замещения.
Сплавы — механические смеси — очень широко применяются в технике. Ведь они состоят из кристалликов, имеющих разные физические свойства, и это позволяет получать, казалось бы, немыслимые обычно сочетания полезных качеств.
Возьмем, к примеру, широко распространенные антифрикционные подшипниковые сплавы, представляющие механическую смесь свинца, олова, меди и сурьмы. В мягкой, податливой основной массе свинца и олова располагаются твердые, износостойкие кристаллы сурьмы. Такое сочетание свойств обеспечивает длительную службу, хорошую прирабатываемость и малый коэффициент трения в подшипниках, залитых таким сплавом.
Словно повинуясь беспощадному зову, устремлялось судно к магнитной скале…
Многие металлы обладают неограниченной возможностью растворения друг в друге. Так, в меди может быть растворено неограниченное количество никеля, в алюминии — магния. Однако нередко встречаются и сочетания металлов, обладающих весьма ограниченной растворимостью друг в друге. Так, свинец плохо растворяется в цинке. Если слить расплавленные цинк и свинец, то образуются два слоя: сверху — цинк с растворенным в нем свинцом, снизу — свинец, в котором растворен цинк.
Чтобы разобраться, в чем тут причина, заглянем в кристаллическую структуру сплавов.
Когда сплав находится в жидком состоянии, нам ясно: молекулы одного металла находятся между молекулами другого в хаотическом общем движении.
Но вот сплав застывает. Атомы начинают образовывать кристаллы.
И оказывается, что в таком растворе атомы растворенного металла просто-напросто становятся на места атомов растворителя в образуемой ими кристаллической решетке.
Сплав внедрения.
Но так происходит только в тех случаях, когда величины атомов растворенного металла и металла-растворителя близки по размерам, не отличаются друг от друга диаметром, скажем, больше чем на 15 процентов. Такие сплавы и называют твердыми растворами замещения.
Таких сплавов современная металлургия знает множество. К ним относятся сплавы железа с хромом и никелем, кобальта с железом, меди с никелем.
Наши монеты, которые мы называем никелевыми, в действительности представляют собой раствор меди в никеле. Медь добавляется, чтобы монета меньше истиралась, изнашивалась. Медные монеты — тоже раствор, но уже алюминия в меди. Качество такого сплава также лучше, чем чистой меди.
В тех случаях, когда в металле со сравнительно крупными атомами растворяется вещество со значительно меньшими атомами, последние внедряются в кристаллическую решетку металла-растворителя на свободные места. Так же в ящике, в котором уложены крупные футбольные мячи, может между ними разместиться значительное количество крохотных мячиков для настольного тенниса. Такие сплавы называются растворами внедрения. К этому виду сплавов относится, например, сплав железа с азотом.
Иногда компоненты сплава вступают между собой в химическую реакцию. Таков, например, сплав вольфрама с углеродом. В этом сплаве возникает новое химическое вещество — кристаллы карбида вольфрама— со своими собственными и химическими и физическими свойствами. Оно образует с остальным металлом сплава механическую смесь.
Таким образом, один и тот же сплав может сочетать в себе и механическую смесь элементов и химическое соединение их — раствор друг в друге. Причем не только состав определяет ту или другую форму состояния сплава, но и то, как происходила его кристаллизация, каким термообработкам он был подвергнут, и так далее.
Вот почему не сразу можно ответить на вопрос, что же такое представляют собой сплавы. Вот почему требуются дополнительные конкретные данные.
Сплавов, применяемых в технике и промышленности, сегодня огромное количество.
Мы уже говорили, что сплавами железа с углеродом является все то, что мы в общежитии называем железом, чугуном сталью.
Бронзы — это сплавы меди с оловом, или алюминием, или свинцом.
Латуни — это сплавы меди с цинком.
Твердые сплавы, которыми токари-скоростники режут металл, — также сплавы вольфрама, углерода, кобальта.
Спиралька вашей электроплитки — это тоже сплав никеля с хромом.
И так далее и так далее.
Как и металлы, сплавы также объединяют нередко в своеобразные семейства. Так, существуют семейства легких, антифрикционных, магнитных, проводниковых, типографских сплавов, сплавов с высоким электрическим сопротивлением… Со многими из них нам еще придется встречаться.
А теперь поговорим и о чистых металлах.
Изгнание примесей
Что же они, дающие жизнь гигантским семействам сплавов, ничем и не могут быть полезны человеку в чистом виде? Если уже первобытные металлурги предпочитали сплав меди с оловом чистым меди й олову то, наверное, нам вообще не могут быть полезны чистые металлы?