§ 41. Фізичні властивості металів

• До змісту відповідей

Чому серед інструментів для ремонту транспортних засобів або різних механізмів немає жодного, зробленого з деревини чи пластмаси, а є лише ті, які виготовлені з металів?

Інструменти для ремонту виготовляють виключно з металів, оскільки ці матеріали мають високу механічну міцність, твердість та зносостійкість. Це дозволяє їм витримувати значні навантаження без деформації та руйнування, чого не можуть забезпечити деревина чи пластмаса.

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Які фізичні властивості є спільними для металів?

Спільними фізичними властивостями для більшості металів є характерний металічний блиск, висока електропровідність, добра теплопровідність, а також ковкість і пластичність.

Які метали істотно відрізняються від інших за фізичними властивостями?

Від більшості металів істотно відрізняються:

• ртуть ($\text{Hg}$) — єдина рідка за звичайних умов;
• вольфрам ($\text{W}$) — має найвищу температуру плавлення ($3422^\circ\text{C}$);
• літій ($\text{Li}$) та осмій ($\text{Os}$) — мають відповідно найменшу та найбільшу густину;
• хром ($\text{Cr}$) — найтвердіший метал;
• золото ($\text{Au}$), цезій ($\text{Cs}$) та мідь ($\text{Cu}$) — мають забарвлення, відмінне від сріблясто-білого (жовте або червоне).

Як можна довести, що зображені на малюнку 107 блискучі ґудзики виготовлено не з металу, а з пластику (вони мають лише тонесеньке металеве покриття)?

Перевірити матеріал можна шляхом порівняння теплопровідності (пластик на дотик здаватиметься теплішим за метал через низьку теплопровідність) або за допомогою вимірювання густини виробу, яка у пластику значно менша, ніж у металів. Також можна спробувати подряпати виріб у непомітному місці — під тонким шаром напилення буде видно інший матеріал.

За матеріалами з інтернету дізнайтеся, які метали є крихкими.

До крихких металів, які руйнуються під механічним впливом без помітної пластичної деформації, належать манган ($\text{Mn}$), бісмут ($\text{Bi}$), стибій (сурма, $\text{Sb}$), а також хром ($\text{Cr}$) за певних умов.

ДОСЛІДЖУЄМО БУДОВУ ТА ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

Запропонуйте гіпотезу щодо зміни густин металів у ряду $\text{Na} - \text{Mg} - \text{Al}$.

Можна припустити, що густина металів у ряду $\text{Na} - \text{Mg} - \text{Al}$ зростатиме. Це зумовлено тим, що відносна атомна маса цих елементів збільшується ($A_r(\text{Na})=23, A_r(\text{Mg})=24, A_r(\text{Al})=27$), а радіус їхніх атомів у періоді зменшується, що призводить до більш щільного пакування частинок у кристалічних ґратках.

Правильність гіпотези перевірте, відшукавши в інтернеті значення густин цих речовин. Який метал є легшим за воду?

Гіпотеза підтверджується даними:

• густина натрію становить $\rho \approx 0,97 \text{ г/см}^3$;
• густина магнію — $\rho \approx 1,74 \text{ г/см}^3$;
• густина алюмінію — $\rho \approx 2,70 \text{ г/см}^3$.

Легшим за воду ($\rho(\text{H}_2\text{O}) = 1 \text{ г/см}^3$) є натрій.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про загальні фізичні властивості металів та специфічні властивості деяких із них.

Загальними властивостями для більшості металів є металічний блиск, висока електро- та теплопровідність, ковкість і пластичність. До специфічних властивостей належать рідкий агрегатний стан ртуті, здатність заліза до намагнічування (феромагнетизм), надзвичайна твердість хрому, а також характерне забарвлення золота та міді.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Запитання: «Чому алюмінієва фольга на кухні зберігає блиск, хоча алюміній є активним металом і має швидко окиснюватися на повітрі?»
Правильна відповідь: На поверхні алюмінію миттєво утворюється дуже тонка, міцна і прозора плівка оксиду алюмінію ($Al_2O_3$), яка захищає метал від подальшого окиснення і не приховує його металічний блиск.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

429. Назвіть типові фізичні властивості металів.

Типовими фізичними властивостями металів є:

• металічний блиск;
• висока електропровідність і теплопровідність;
• пластичність (здатність змінювати форму без руйнування);
• ковкість.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

430. Поясніть, чому метали проводять електричний струм.

Метали проводять електричний струм завдяки наявності в їхніх кристалічних ґратках вільних електронів («електронного газу»), які під дією електричного поля починають рухатися впорядковано.

ПОМІРКУЙМО

431. Вам потрібно виявити метали серед твердих речовин, що містяться в посудинах без етикеток. На що передусім звернете увагу або що перевірите?

Насамперед слід звернути увагу на наявність характерного металічного блиску. Також можна перевірити електропровідність (за допомогою тестера) та пластичність (спроба деформувати зразок механічно — метал розплющується, а не розсипається).

432. Чим зумовлена втрата з часом металічного блиску виробами із заліза, міді, срібла?

Втрата блиску (тьмяніння) зумовлена хімічною взаємодією поверхні металів із компонентами довкілля ($O_2, H_2O, H_2S, CO_2$), внаслідок чого утворюються плівки оксидів, сульфідів або карбонатів.

433. Які фізичні властивості мають метали, з яких виготовляють вогнепальну зброю?

Метали для виготовлення зброї повинні мати високу механічну міцність, твердість, тугоплавкість (високу температуру плавлення) та стійкість до корозії, щоб витримувати високий тиск і температуру під час пострілу.

У КОМАНДІ

434. Серед металів, які найчастіше використовують, мідь найкраще проводить електричний струм. Але раніше в електромережах житлових будинків часто застосовували алюмінієвий дріт. Як ви думаєте, чому?

Алюміній використовували через його значно меншу вартість і густину (він легший) порівняно з міддю, що робило масштабну електрифікацію економічно вигіднішою та технічно простішою (менше навантаження на опори ліній електропередач).

У КОМАНДІ

Яка, на ваш погляд, причина того, що згодом спеціалісти почали відмовлятися від використання алюмінію в електричних дротах?

Від алюмінію почали відмовлятися через його недоліки в експлуатації:

1. Плинність: Під тиском контактів алюміній «тече», що послаблює з’єднання.
2. Окиснення: Алюміній швидко вкривається плівкою діелектрика ($Al_2O_3$), що збільшує опір у місцях з’єднання та спричиняє перегрівання.
3. Крихкість: Алюмінієві дроти ламаються після кількох згинань, що ускладнює ремонт.

ШАНС ДЛЯ ТВОРЧОСТІ

435. За матеріалами з інтернету підготуйте повідомлення про метал з особливими властивостями та його застосування.

Вольфрам ($\text{W}$) — унікальний метал, який має найвищу температуру плавлення серед усіх металів ($3422^\circ\text{C}$). Завдяки цьому його використовують для виготовлення ниток розжарювання в лампах та як електроди для електродугового зварювання. Також вольфрам має високу густину (близьку до золота), тому його сплави використовують для виготовлення противаг, гіроскопів та бронебійних осердь снарядів.

436. Складіть інструкцію для виконання експерименту з визначення густини металу. В експерименті, крім зразка металу, необхідно використати електронні ваги, мензурку з поділками і воду.

1. Увімкніть електронні ваги та визначте масу сухого металевого зразка ($m$), результат запишіть у грамах.
2. Налийте в мензурку воду до певного рівня так, щоб зразок міг повністю зануритися. Запишіть початковий об’єм води ($V_1$).
3. Обережно занурте метал у воду (щоб не розбити мензурку і не розхлюпати воду). Запишіть новий рівень об’єму ($V_2$).
4. Обчисліть об’єм металевого зразка за формулою:
   $V = V_2 - V_1$
5. Обчисліть густину металу за формулою:
   $\rho = \dfrac{m}{V}$
6. Порівняйте отриманий результат із табличними даними для ідентифікації металу.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

437. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Фізичні властивості — Physical properties
• Металічний зв’язок — Metallic bond
• Металічний блиск — Metallic luster
• Електропровідність — Electrical conductivity
• Теплопровідність — Thermal conductivity
• Ковкість — Malleability
• Пластичність — Plasticity
• Температура плавлення — Melting point
• Густина — Density
• Феромагнетики — Ferromagnets

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

438. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

Приклад заповнення таблиці самооцінки: