Металите (, „мина, метал“) са група вещества, които в чист вид имат блестяща повърхност и провеждат относително добре електричество и топлина. Те обикновено са ковки (могат да се изковат в тънки листове) или дуктилни (могат да се изтеглят в телове). Металите могат да бъдат химични елементи като желязото, сплави като неръждаемата стомана или молекулярни съединения като политиазила.
В науката няма твърдо определена дефиниция за металите, като границите между метали, неметали и металоиди варира до известна степен в различни интерпретации. В химията обикновено около 95 от 118-те елемента в периодичната таблица се смятат за метали – най-често се приема, че те са разположени наляво и под диагоналната линия от бор до полоний (вдясно и над нея се намират неметалите, а по самата граница – металоидите). В кристалните решетки на металите всеки атом е обкръжен от максимално геометрично допустим брой атоми, между които валентните електрони се движат свободно – така нареченият електронен газ.
Във физиката за метали се смятат всички вещества, които провеждат електричество при абсолютната нула на температурата. В този смисъл много неметални вещества могат да се преобразуват в метални при високо налягане. Например, неметалът йод постепенно се превръща в метал при налягане между 40 и 170 хиляди атмосфери. Обратното, някои метални вещества могат да се трансформират в неметали – така натрият става неметал при налягане малко по-ниско от 2 милиона атмосфери.
В астрофизиката терминът „метал“ има още по-широко значение и обхваща всички химични елементи в звездите, които са по-тежки от двата най-леки – водород и хелий. В това значение първите четири метала, формиращи се в звездните ядра чрез нуклеосинтез, са въглеродът, азотът, кислородът и неонът, които са стриктно неметални в химията. За астрофизиците металичността на даден астрономически обект е делът в състава му на по-тежките химични елементи.
Металите като химични елементи съставляват 25% от земната кора и присъстват в много страни на съвременния живот. На Земята се срещат най-често във вид на руди, най-често оксиди, сулфиди и карбонати, от които чистият метал се извлича чрез редукция при високи температури. Якостта и устойчивостта на някои метали е довела до честата им употреба в строителството, повечето превозни средства, много битови уреди, инструменти, тръби. Благородните метали са използвани в миналото за изработката на монети, но в наши дни монетните метали обхващат най-малко 23 от химичните елементи. Около 3% от човешкия организъм се състои от метали.
Смята се, че историята на рафинираните метали започва с използването на медта преди около 11 хиляди години. Златото, среброто, желязото (като метеоритно желязо), оловото и месингът също се използват преди първата известна поява на бронза през V хилядолетие пр. Хр. Впоследствие се започва производството на първите ранни форми на стомана, откриването на натрия, първият лек метал, през 1809 година, развитието на съвременните легирани стомани и от средата на XX век разработването на по-сложни и усъвършенствани сплави.
Характеристики + Характеристики на някои метали Метал Относителнотегло Температурана топене Злато 19,32 1063 °C Платина 21,6 1780 °C Олово 11,3 327 °C Живак 13,5 - 39 °C Сребро 10,5 960 °C Мед 8,9 1083 °C Желязо 7,9 1539 °C Калай 7,3 232 °C Цинк 7,14 419 °C Алуминий 2,7 660 °C
Строеж
Металната кристална решетка е изградена само от катиони. Стабилността ѝ е обособена от особен вид химична връзка, присъща само на металите в твърдо и течно агрегатно състояние. Металите притежават редица общи свойства: висока електро- и топлопроводимост, висока пластичност, способност да отразяват голяма част от падналите върху тях светлинни лъчи, които не са присъщи на останалите кристални тела. Тези физични характеристики на металите се дължат на свободно движещите се в металните кристали електрони.
Атомите на металните вещества обикновено са подредени в една от три основни кристални стурктури – кубична обемноцетрирана, кубична стенноцентрирана и хексагонална. При кубичната обемноцентрирана решетка всеки атом е разположен в центъра на куб, образуван от осем други атома, в другите два варианта всеки атом е ограден от дванадесет други, като разположението им е различно. Някои метали имат различна структура в зависимост от температурата.
Свойствата на металите произтичат от способността на съответните метални атоми лесно да губят външната си електронна обвивка. Като цяло силите, задържащи на място външната електронна обвивка на отделния атом, са по-слаби от привличащите сили, действащи върху същите електрони в резултат на взаимодействията между атомите в твърдия или течен метал. Тези електрони се делокализират и структурата на метала може да се опише като сбор от атоми, потопени в облак от относително подвижни електрони. Такова взаимодействие се нарича метална връзка. Силата на металните връзки за различните елементни метали достига своя максимум в средата на подгрупата на преходните метали, където елементите имат голям брой делокализирани електрони. Освен положението в периодичната система влияние върху силата на металните връзки оказват и други фактори, като атомния радиус, заряда на ядрото, броят на свързаните орбитали, застъпването на орбиталните енергии и кристалната структура.
Физични свойства
Металите са твърди вещества (с изключение на живака) с висока електропроводимост и топлопроводимост, ковкост и пластичност. Повечето имат висока температура на топене, но например калаят и оловото могат да се разтопят на обикновен котлон. Имат характерен метален блясък, когато са произведени, полирани или отчупени. В прахообразно състояние обаче металите загубват блясъка си, с изключение на алуминий и магнезий, които го запазват дори в това състояние. Най-добре отразяват светлината алуминият, среброто и паладият, затова те се използват при направата на огледала. Цветът на повечето метали е един и същ – светлосив със синкави оттенъци. Изключение са златото – с жълтеникав цвят, медта с червеникав и цезия със светложълт. Металните листове с дебелина повече от няколко микрометра са непрозрачни, но златният варак пропуска зелена светлина.
Макар повечето елементни метали да имат по-висока плътност от повечето неметали, плътността им варира в широки граници – от лития с плътност 0,534 g/cm³ до осмия с плътност 22,59 g/cm³. Магнезият, алуминият и титанът са леки метали с голямо стопанско значение – техните плътности, съответно 1,7, 2,7 и 4,5 g/cm³, са значително по-ниски от тези на други конструктивни метали като желязото със 7,9 g/cm³ или медта с 8,9 g/cm³. Друго свойство на металите е способността им към взаимно разтваряне или свързване, при което се получават сплави.
Това, че металите са добри проводници на електрически ток, се дължи на наличието на подвижни електрони, които се придвижват под действието на електрическото поле. Електроните в материята могат да имат само определени енергийни нива, а при металите техните енергийни нива в електронния облак, поне до известна степен, съответстват на енергийните нива, при които може да се провежда електричество. При полупроводниците като силиция и неметалите като сярата съществува енергийна празнина между електроните на съответното вещество и енергийното ниво, при което възниква електропроводимост, поради което полупроводниците и неметалите са относително лоши проводници.
Елементните метали имат специфична електропроводимост, варираща от 6,9 × 103 S/cm при мангана до 6,3 × 105 S/cm при среброто. За сравнение полупроводниковият металоид бор има специфична електропроводимост 1,5 × 10−6 S/cm. Металите с най-висока електропроводимост, наред със среброто, са мед, злато и алуминий. Металите намаляват електропроводимостта си при загряване, с изключение на плутония, чиято електропроводимост нараства при нагряване в интервала от −175 до +125 °C.
Високата топлопроводимост на металите също произтича от подвижността на електроните в електронния облак и тяхната способност лесно да предават създаваната от топлината вибрационна енергия. По тази причина най-добрият проводник на топлина е също среброто.
По отношение на магнитните си свойства биват диамагнитни, парамагнитни или феромагнитни. В твърдо състояние металите имат високосиметричен кристален строеж.
Механични свойства Повечето метали са ковки и дуктилни, деформиращи се под напрежение без цепене. Смята се, че неориентираната в пространството природа на металните връзки допринася значително за дуктилността на повечето твърди метали. Обратно, при йонни съединения, като готварската сол, където равнините на йонната връзка се приплъзват една спрямо друга, се получава промяна във взаимното положение на близко разположени йони с еднакъв заряд, което води до цепене на кристала. Такова изместване не се наблюдава при ковалентно свързани кристали, като диаманта, при които обаче се получава крехко разрушение и фрагментиране на кристала. Обратимите еластични деформации на металите могат да се опишат със закона на Хук (линейна връзка между напрежения и деформации).
Напрежения, надхвърлящи границата на еластичност, могат да предизвикат постоянни (необратими) деформации, наричани пластични. Подобни ефекти могат да се получат и при нагряване, като температурата може да предизвика изместване на структурни дефекти в метала, като междузърнести граници, дислокации, двойници, които да доведат до пълзене и умора.
Друга механична характеристика на металите е якостта. Теоретичната якост на металите се установява като се използва аналог между структурата на металите и йонната кристална решетка от типа на NaCl. Различието се състои в това, че колективизираните електрони не са съсредоточени в една точка, а са равномерно разпределени в областите между положителните йони. Техническата якост (експерименталната) е на 2 – 4 порядъка по-ниска от теоретично определената.
Химични свойства
За повечето метали е характерна склонността им да отдават електрони при химичното си взаимодействие с неметалите (имат 1 – 4 валентни електрона), при което преминават в положително натоварени йони (катиони). С кислорода образуват главно основни оксиди, повечето от които са анхидриди на съответни основи. 4 Na + O2 → 2 Na2O (динатриев оксид) 2 Ca + O2 → 2 CaO (калциев оксид) 4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 (диалуминиев триоксид) Изключение са оксидите с много високи степени на окисление като CrO3, Mn2O7 и OsO4, които са силно киселинни.
Повечето метали реагират със съдържащия се във въздуха кислород, макар и с различна скорост – калият се запалва за секунди, докато желязото ръждясва в продължение на години. Други метали като паладия, платината и златото изобщо не реагират с атмосферата. При някои метали, най-вече желязото и неговите сплави, оксидацията при контакт с въздуха предизвиква корозия, за предотвратяването на която те се обработват чрез боядисване, анодиране или плакиране.
Някои метали като титан, алуминий или цинк образуват тънък и плътен оксиден слой на повърхността, който служи като бариера за по-нататъшното проникване на кислородните атоми и по-този начин предотвратяват корозията. При използването на метално покритие за корозионна защита върху основния метал трябва да се нанесе по-реактивен метал, особено когато е възможно нараняване на покритието. Така водата и двата метала образуват електрохимична клетка, при което, докато по-реактивният метал оксидира, по-нереактивният остава защитен от оксидация.
Всички метали се разтварят в киселини, а някои и в основи. Някои метали са силно реактивни и предизвикват бурни реакции с вода.
Сплави