Металлы – вид материалов, которые используются человеком с давних времен. Эта группа веществ очень многочисленна, но все они имеют общие физические характеристики, которые принято называть металлическими свойствами.
Свойства металлов
Железо и его сплавы (сталь, чугун), медь, алюминий... Применение этих материалов знаменовало рывки научно-технического прогресса на разных этапах развития цивилизации. У каждого из этих металлов есть характеристики, придающие ему уникальную практическую ценность. Общими признаками для них являются высокая тепло- и электропроводность, пластичность – способность сохранять целостность при деформации, металлический блеск.
Булатный клинок, разрубающий железные доспехи, и самый мягкий металл, на котором остаются следы от малейшего воздействия, имеют сходное внутреннее устройство. В его основе – кристаллическая решетка, в узлах которой – атомы с положительным и нейтральным зарядом, между которыми находится «электронный газ» - частицы, покинувшие внешние оболочки атомов из-за ослабления связи с ядром. Особая металлическая связь между положительными ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки, осуществляется за счет сил притяжения, возникающих в «электронном газе». Твердость, плотность, температура плавления металла зависят от концентрации этого «газа».
Критерии оценки
Ответ на вопрос о том, какой металл самый мягкий, всегда будет предметом обсуждения, если не согласовать критерии оценки и определить само понятие мягкости. Мнение об этой характеристике материала будет различным у специалистов разных отраслей. Металлург может понимать мягкость как повышенную ковкость, тенденцию воспринимать деформации от абразивных материалов и т. д.
Для материаловедов важно иметь возможность объективно сравнивать разные характеристики веществ. Мягкость также должна иметь общепринятые критерии оценки. Самый мягкий металл в мире должен иметь общепризнанные показатели, доказывающие его «рекордные» характеристики. Существует несколько методик, целью которых является измерение мягкости различных материалов.
Методы измерения
Большинство сертифицированных способов измерения твердости, основаны на измеряемом с помощью точных инструментов контактном воздействии на исследуемый материал со стороны более твердого тела, называемого индентором. В зависимости от вида индентора и от способов измерения различают несколько основных методов:
- Метод Бринелля. Определяется диаметр отпечатка, оставляемого металлическим шариком при вдавливании в поверхность исследуемого вещества.
- Метод Роквелла. Измеряется глубина вдавливания в поверхность шарика или алмазного конуса.
- Метод Виккерса. Определяется площадь отпечатка, оставляемого алмазной четырехгранной пирамидкой.
- Твердость по Шору. Есть свои шкалы для очень твердых и очень мягких материалов – измеряется глубина погружения специальной иглы или высота отскока от поверхности специального бойка.
Шкала твердости Мооса
Этот шкала для определения относительной твердости минералов и металлов была предложена в начале XIX века немцем Фридрихом Моосом. Она основан на методе царапания, когда более твердый образец оставляет отметку на более мягком, и очень удобна для выяснения - какой металл самый мягкий. По отношению к 10 эталонным минералам, которым присвоен условный показатель твердости, для испытываемого вещества определяется место в шкале и цифровой индекс. Самый мягкий эталонный минерал – тальк. Он имеет твердость по Моосу - 1, а самый твердый, алмаз – 10.
Оценка твердости по шкале Мооса происходит по принципу "мягче - тверже". Точно определить, во сколько раз, например, алюминий, имеющий индекс по шкале Мооса 2,75, мягче вольфрама (6,0), можно только имея результаты измерений, основанных на других методах. Но чтобы определить самый мягкий металл в таблице Менделеева этой таблицы вполне достаточно.
Самые мягкие – щелочные металлы
Из минералогической шкалы Мооса видно, что самыми мягкими являются вещества, относящиеся к щелочным металлам. Даже ртуть, знакомая многим по жидкости из градусника, имеет показатель твердости 1,5. Мягче её несколько веществ, обладающих сходными физико-механическими и химическими свойствами: литий (0,6 по шкале Мооса), натрий (0,5), калий (0,4), рубидий (0,3). Самый мягкий металл - это цезий, имеющий по шкале твердости Мооса показатель 0,2.
Физические и химические свойства щелочных металлов определяются их электронной конфигурацией. Она лишь слегка отличается от строения инертных газов. Электрон, расположенный на внешнем энергетическом уровне обладает подвижностью, которая определяет высокую химическую активность. Самым мягким металлам свойственна особая летучесть, их трудно добывать и сохранять в неизменном виде. Им присущи бурные химические взаимодействия с воздухом, водой, кислородом.
Элемент № 55
Название "цезий" происходит от латинского caesius – “небесно-голубой»: в спектре, излучаемом сильно нагретым веществом, в инфракрасном диапазоне видны две ярко-синие полоски. В чистом виде он хорошо отражает свет, похож на светлое золото и имеет серебристо – желтый цвет. Цезий - самый мягкий металл в мире, показатель твердости по Бринеллю – 0,15 Мн/м2 (0,015 кгс/см2). Температура плавления: +28,5°С, поэтому в обычных условиях, при комнатной температуре цезий находится в полужидком состоянии.
Это редкий, дорогой и чрезвычайно химически активный металл. В электронике, радиотехнике и химической промышленности высоких технологий цезий и сплавы на его основе находят всё большее применение и потребность в нем растет постоянно. Востребованы его химическая активность, способность образовывать соединения с высочайшей электропроводностью. Цезий – важный компонент производства специальных оптических приборов, светильников с уникальными свойствами и других высокотехнологических изделий. При этом мягкость – не самое его востребованное качество.
