§ 9. Физические свойства металлов

Определения и обозначения

Металлический блеск — способность гладкой поверхности металла отражать свет. Он особенно заметен, когда поверхность чистая и отполированная: лучи отражаются от неё направленно, и предмет выглядит блестящим. По этому свойству часто можно узнать металл, хотя блеск сам по себе не объясняет, для чего материал подходит.

Электропроводность — способность вещества проводить электрический ток. В металлах электрический заряд переносят подвижные электроны, поэтому ток может проходить через металлический провод. Это свойство нужно учитывать, когда металл выбирают для проводов и электрических контактов.

Теплопроводность — способность вещества передавать тепло от более нагретых частей к менее нагретым. Металлы обычно хорошо проводят тепло, но у разных металлов это свойство выражено неодинаково. Оно помогает понять, почему металлическая посуда нагревается, а предметы из разных металлов могут нагреваться с разной скоростью.

Пластичность — способность металла изменять форму под нагрузкой без разрушения. Её проявления — ковкость, то есть способность раскатываться в листы, и тягучесть, то есть способность вытягиваться в проволоку. Эти понятия нужны, чтобы описывать, как металл можно обработать.

Как это устроено

При обычных условиях большинство металлов находятся в твёрдом состоянии. В металлической кристаллической решётке частицы расположены упорядоченно и удерживаются взаимодействием между ними, поэтому металл сохраняет форму. Ртуть — исключение: при обычных условиях она жидкая, так как температура её плавления ниже обычной комнатной температуры.

Отражение света от металла связано не только с ровностью поверхности. На свет откликаются свободные электроны у поверхности: они взаимодействуют с падающими световыми волнами и переизлучают энергию, часть которой возвращается наружу. Гладкая поверхность помогает отражённым лучам идти упорядоченно, поэтому блеск заметен лучше, чем на шероховатой или покрытой загрязнением поверхности.

В металлической решётке часть электронов не принадлежит одной определённой частице и может перемещаться по всему кристаллу. Если к металлу приложить напряжение, возникает электрическое поле, которое заставляет эти электроны двигаться направленно. Их движение переносит электрический заряд, поэтому металлы проводят ток; в изоляторе свободных носителей заряда значительно меньше.

Тепло передаётся от нагретой части металла к более холодной, потому что частицы в горячей области обладают большей энергией и взаимодействуют с соседними частицами. В металлах перенос ускоряют подвижные электроны: они перемещаются и передают энергию другим участкам. Так нагревается часть предмета, удалённая от источника тепла. Способность передавать тепло неодинакова у разных металлов.

При надавливании или ударе слои частиц в металлической структуре могут смещаться. При этом подвижные электроны продолжают связывать частицы, так что структура не обязательно распадается, а металл меняет форму. Этим объясняется пластичность: металл можно раскатать в лист или вытянуть в проволоку. Насколько легко это сделать, зависит от самого металла и условий обработки.

Физические свойства металлов и их проявления

В таблице удобно сравнивать проявление каждого свойства с его причиной. Если нужно объяснить применение металла, сначала найдите подходящее свойство, а затем свяжите его с примером. Учитывайте, что одно свойство может быть выражено у разных металлов неодинаково.

Разбор задач

Почему медный провод проводит электрический ток?

Условие: нужно объяснить электропроводность медного провода. Важно связать наблюдаемое свойство с устройством металла, а не только назвать медь проводником. Рассуждаем последовательно.

1. Определяем свойство: способность пропускать электрический ток называется электропроводностью.
2. Вспоминаем строение меди: в её металлической решётке есть подвижные электроны.
3. При подключении к источнику электрическое поле направляет движение электронов, и они переносят заряд по проводу.

Ответ: медный провод проводит ток благодаря подвижным электронам, которые переносят электрический заряд.

Почему металлическую кастрюлю с нагретой ручкой опасно брать без прихватки?

Условие: кастрюля нагрета, и её ручка тоже может стать горячей. Нужно определить, какое физическое свойство объясняет перенос тепла от корпуса к ручке. Для ответа проследим направление передачи энергии.

1. Нагретая часть кастрюли получает энергию от плиты и имеет более высокую температуру.
2. Металл передаёт тепло от горячих участков к более холодным; в переносе участвуют частицы и подвижные электроны.
3. Энергия доходит до ручки, поэтому при прикосновении можно обжечься; прихватка уменьшает передачу тепла к руке.

Ответ: брать кастрюлю без прихватки опасно из-за теплопроводности металла — ручка нагревается вместе с корпусом.

Какие свойства показывает обработка меди?

Условие: медь раскатывают в тонкий лист и вытягивают в проволоку. Нужно различить два способа изменения формы, а затем объяснить, что у них общего. Не следует называть оба проявления одним словом без уточнения.

1. Раскатывание меди в лист показывает ковкость: металл можно расплющивать и придавать ему плоскую форму.
2. Вытягивание в проволоку показывает тягучесть: металл можно вытянуть в длинную тонкую нить.
3. Оба явления относятся к пластичности. Слои частиц в металлической структуре смещаются, но связь между ними сохраняется, поэтому медь меняет форму без разрушения.

Ответ: раскатывание демонстрирует ковкость, вытягивание — тягучесть; обе способности являются проявлениями пластичности меди.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все металлы твёрдые при обычных условиях. Так думают, потому что большинство знакомых металлических предметов действительно сохраняют форму. Проверьте себя: вспомните ртуть — она жидкая, значит, утверждение о всех металлах неверно.

Ошибка: смешивать электропроводность и теплопроводность. Оба свойства связаны с переносом, поэтому их легко перепутать, но в одном случае переносится электрический заряд, а в другом — тепло. Проверка простая: спросите, что именно передаётся — заряд или энергия нагрева.

Ошибка: объяснять блеск только гладкостью поверхности. Гладкость помогает свету отражаться упорядоченно, однако характерное отражение связано и со свободными электронами металла. Чтобы проверить объяснение, назовите обе стороны явления: взаимодействие света с электронами и состояние поверхности.

Ошибка: считать пластичный металл слабым. Её допускают, потому что представляют изменение формы как признак непрочности, хотя пластичность означает деформацию без разрушения, а прочность — сопротивление разрушению. Проверьте себя: эти свойства отвечают на разные вопросы и не являются синонимами.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить свойства металлов, нужно знать строение металлической кристаллической решётки и роль обобществлённых подвижных электронов. Эти сведения связывают устройство вещества с наблюдаемыми признаками: блеском и способностью проводить ток и тепло. Дальше физические свойства помогают понимать применение металлов в технике и быту. Сравнивая свойства, можно выбрать материал для конкретного изделия.

Что запомнить

• При обычных условиях большинство металлов — твёрдые вещества; ртуть — исключение.
• Металлический блеск особенно заметен на чистой гладкой поверхности.
• Подвижные электроны обеспечивают электропроводность металлов.
• Металлы обычно хорошо проводят тепло.
• Пластичность позволяет металлам деформироваться без разрушения.
• Ковкость — способность металла раскатываться в листы, тягучесть — вытягиваться в проволоку.
• Физические свойства различаются у разных металлов и определяют области их применения.