Структура и свойства различных металлов в металлургии.

Атомы большинства металлов имеют на внешней орбите, или, как еще говорят, на внешнем энергетическом уровне, сравнительно малое число электронов (один, два, три). Самыми устойчивыми внешними электронными оболочками, как известно, обладают инертные газы: у гелия здесь два электрона, у всех остальных газов по восьми. Во время химических реакций атомы всех элементов «стремятся» получить именно такую внешнюю оболочку. Это можно сделать двумя путями: отдав все электроны своей наружной орбиты и обнажив ту, что лежит под ней, или достроив внешнюю орбиту до восьми электронов. Естественно, что металлам, у которых во внешнем слое малое число электронов, легче отдать их, а неметаллам, у которых соответственно четыре и больше электронов, приобрести. Однако олово и свинец имеют во внешнем слое по четыре электрона, сурьма и висмут — по пяти, а полоний даже шесть электронов, и все же это скорее металлы, чем неметаллы. Почему?

С химической точки зрения единичный атом является тем более металлическим, чем легче он отдает электроны своего внешнего слоя. А это зависит не только от их числа здесь, но и от размеров самого атома: чем он больше, тем с меньшей силой удерживает ядро электроны своей далекой внешней орбиты. Энергия, которую нужно затратить на отрыв от атома одного электрона из внешнего слоя, называется потенциалом ионизации. Он меньше всего у франция, у которого на самой далекой от ядра орбите всего один электрон. Вот почему франций — самый металлический из всех известных пока элементов. Конечно это редкий металл и в промышленности применяется крайне редко, но прочие более распространенные металлы применяются чаще и ими торгует лондонская биржа цветных металлов.

Самый большой потенциал ионизации (не считая инертных газов) у фтора — самого неметаллического из всех элементов. Так и должно быть: атом у него маленький — всего два электронных уровня, и на близкой к ядру орбите целых семь электронов. Не хватает всего одного до «великолепной восьмерки», и фтор яростно отнимает недостающий электрон почти у любого элемента.

Благодаря большому удалению электронной оболочки от ядра величина потенциала ионизации у олова, свинца, сурьмы, висмута и даже полония сравнительно невелика, и они имеют много металлических свойств, несмотря на большое число электронов на внешней орбите.

Глядя на периодическую таблицу, легко узнать строение атома любого элемента. Порядковый номер каждого элемента в таблице численно равен положительному заряду ядра. Номер периода показывает, сколько электронных слоев имеется вокруг ядра, номер группы — число валентных электронов. В каждой клетке таблицы указано число электронов на всех энергетических уровнях. Вглядитесь в эти столбики цифр повнимательнее. Самая нижняя показывает число электронов в ближайшем к ядру слое, а самая верхняя — во внешнем.

Согласно законам квантовой механики на каждом энергетическом уровне может быть не больше определенного числа электронов: в ближайшем к ядру — два, в следующем — восемь, затем соответственно 18,32 и т. д. Максимально возможное число электронов в любом слое равно 2п-кв, где п — номер слоя. При этом электронная оболочка каждого последующего элемента полностью включает в себя электронные оболочки предыдущего элемента в таблице.

Давайте проследим, как застраиваются электронные оболочки у разных элементов. Во втором и третьем периодах периодической таблицы застройка идет только во внешних оболочках. Пока не закончится строительство нижней оболочки, верхняя не начинает строиться. Каждый новый электрон в оболочке резко изменяет свойства элемента. В результате кислород совсем не похож на азот, хлор — на серу. С каждым новым электроном во внешней оболочке усиливаются неметаллические свойства элемента, но цена металла в первую очередь формируется спросом на этот металл в промышленности и металлургическом рынке и в первую очередь стоимость определяет лондонская биржа цена на металл которой и учитывается всем миром.