12 paskaita

Metalų fizikinės savybės
Iš žinomų 104 elementų 82 yra metalai.
Kambario temperatūroje metalai yra
kietos kristalinės medžiagos, išskyrus
Hg (skystas).
Grynų metalų paviršius yra blizgus.
Metalų tankis yra labai įvairus:
ρ < 1 g/cm 3 – Li, Na, K,
ρ > 5 g/cm 3 – dauguma techniškai
svarbių metalų (Fe, Zn, Sn ir Cu),
Os ρ = 22,6 g/cm³ (sunkiausias metalas)
Metalų skirstymas:
juodieji (Fe, jos lydiniai ir šių
lydinių komponentai - Mn, Cr),
spalvotieji (Cu, jo lydiniai ir šių
lydinių komponentai Zn, Sn),
taurieji (Pt, Au, Ag) labai atsparūs
oksidacijai,
retieji (gamtoje mažai paplitę,
lantanoidai, W, Mo, Re ir kt.).
Metalų fizikinės savybės yra:
• laidumas elektrai;
• laidumas šilumai;
• blizgesys;
• plastiškumas
Daugelis metalo savybių priklauso
nuo gardelės struktūros.
Elektros ir šiluminis laidumas priklauso
nuo esančių metaluose laisvų elektronų,
kurie lengvai juda nuo vieno atomo link
kito.
Temperatūrai kylant elektrinis laidumas
mažėja.
Kai kurie metalai labai žemose
temperatūrose pasižymi superlaidumu
(mažėja elektronų svyravimai).
Didžiausią laidumą elektrai ir
šilumai turi: Ag, Au,Cu, Al,
mažiausią – Pb, Hg
Metalų garai nelaidūs elektrai ir
šilumai (nes yra pavieniai
atomai).
Metalai pasižymi metaliniu blizgesiu.
Metalų milteliai sugeria šviesos bangas,
todėl atrodo juodi arba tamsiai pilki.
Lygus metalo paviršius gerai atspindi
šviesos bangas ir blizga. Labiausiai
blizga Ag ir Pd.
Cu ir Au geriau sugeria trumpąsias
šviesos bangas, nei ilgąsias, todėl jie
atrodo geltoni.
1

Metalų plastiškumas - kai
deformacijos metu (kalant, tempiant)
išlaikoma įgyta forma. Kambario
temperatūroje labiausiai plastiški
taurieji metalai, mažiausiai – Cr,
Sb,Bi, Mn. Kuo grynesnis metalas,
tuo jis plastiškesnis.
Aukštu plastiškumu pasižymi
taurieji metalai. Au iškalamas į
0,0001 mm foliją, Ag – 0,00025
mm.
Kiečiausias metalas – chromas
Patys minkščiausi – šarminiai
metalai, juos lengva pjaustyti
peiliu
Metalų savybes paaiškina metališkasis
ryšys
Kiekvienas atomas metalo kristale netenka
savo valentinių elektronų.
Metalų gardelėse yra taisyklingai išsidėstę
teigiami jonai, o tarp jų juda elektronai
Valentiniai elektronai yra susiję ne su vienu
branduoliu, o yra bendri visiems metalo
atomams ir juda visame metalo tūryje.
Šis elektronų judėjimas yra netvarkingas
ir vadinamas elektronų dujomis.
Elektrono orbitinis magnetinis
momentas – tai besisukančio elektrono
aplink branduolį sukuriamas magnetinis
laukas, kuris eina išilgai elektrono
skridimo kryptimi.
Laikoma, kad elektrono orbitinis
magnetinis momentas eina per orbitos,
kuria skrieja elektronas, ašį.
Vaizduojamas kaip ‘sukinys’ ↓ ar ↑
Diamagnetikai yra medžiagos, kurių
atomai neturi sukinių (Bi, Sb). Jų visi
elektronai turi poras.
Į magnetinį lauką patalpintą
diamagnetiką magnetinis laukais veikia
labai silpnai.
2

diamagnetikas; paramagnetikas; feromagnetikas
Paramagnetikai – tai medžiagos, kurių
atomai turi sukinius, t.y. turi nesuporintų
elektronų (Au, Ag). Juose vieno atomo ar
jono nesuporuoti elektronai neveikia kitų
atomų ar jonų nesuporintų elektronų.
Magnetiniame lauke visų nesuporuotų
elektronų orbitiniai magnetiniai momentai
išsidėsto maždaug vienodai, tačiau
nustojus veikti magnetiniam laukui jie to
išsidėstymo nebeišlaiko.
Feromagnetikai – medžiagos turinčios
kristalinę gardelę atomų, kurie turi
sukinius.
Juose vieno atomo ar jono nesuporinti
elektronai veikia gretimų atomų ar jonų
nesuporintus elektronus.
Kai feromagnetikas patalpinamas į
magnetinį lauką, elektronai išsidėsto
išilgai magnetiniam laukui, o pašalinus
magnetinį lauką, orbitinių magnetinių
momentų išsidėstymas išlieka
Feromagnetikas pats tampa
magnetu
Feromagnetikai yra:
metalai (Fe, Co ir Ni);
lydiniai (daugelis geresni feromagnetikai
negu gryni metalai);
metalų oksidai (CrO 2 , Fe 3 O 4 ).
Metalų rūdos ir metalų gavimo būdai
Mineralai, iš kurių gaminami metalai,
vadinami rūdomis. Rūdos skirstomos į :
monometalines (vieno metalo): Cu 2 S, Ag 2 S,
BaSO 4 , SnO 2
polimetalines (mineralai turi po kelis
metalus): krokoitas PbCrO 4 , volframitas
(Fe,Mn)WO 4 , chalkopiritas CuFeS 2
kompleksines (kuomet rūdose, be metalų,
yra ir yra kitų techniškai svarbių nemetalų):
As, P, F
Pramoninės reikšmės rūdos:
Gryni metalai: Au, Ag, Pt, Cu.
Oksidai: Fe, Mn, Al, Sn, Ti.
Sulfidai: Co, Ni, Zn, Pb, Hg, Sb, Bi, Ag.
Karbonatai: Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Zn.
Chloridai (dažniausiai vandeniniuose
tirpaluose): Na, K, Mg, Ca.
Daugelis metalų egzistuoja kaip silikatai, tačiau išgauti metalus iš silikatų yra labai
sudėtinga ir brangu, todėl paprastai jie nėra naudojami kaip rūdos.
3

Oksidinės rūdos
MnO 2 – piroliuzitas; Mn 2 O 3 – braunitas;
Fe 2 O 3 – hematitas
Fe 3 O 4 (Fe 2 O 3 · FeO ) – magnetitas
• Karbonatinės rūdos lengvai skyla į
oksidus jas kaitinant. Lietuvoje
randamos:
CaCO 3 – klintys (kreida, marmuras)
MgCO 3 – mergelis
CaCO 3 · MgCO 3 – dolomitas
CaCO 3 (k) → CaO(k)+ CO 2 (d)
Sulfatinės ir fosfatinės rūdos paprastai
nenaudojamos metalų gamybai, nes
sunku pašalinti S ir P priemaišas:
CaSO 4 · 2H 2 O – gipsas, iš jo gaunamas
statybinis ir medicininis gipsas –
alebastras CaSO 4 · 0,5H 2 O
Ca 3 (PO 4 ) 2 – apatitas, fosforitas
• Sulfidinės rūdos :
polimetalinės CuS · FeS arba CuFeS 2 –
piroliuzitas
monometalinės ZnS – sfaleritas (cinko
blizgis), PbS – galenitas (švino blizgis)
Rūdos aptinkamos didesniais ar
mažesniais telkiniais susimaišiusios su
uolienomis. Kuomet rūdose pašalinių
medžiagų būna labai daug, tuomet rūdos
praturtinamos naudingu komponentu, t.y.
sodrinamos mechaniniu, elektromagnetiniu bei
fizikiniu ir cheminiu būdu.
Mechaninis rūdų sodrinimas pagrįstas
skirtingu rūdos ir priemaišų tankiu,
elektromagnetinis – tuo,kad rūdos daleles
elektromagnetas traukia, o nenaudingų uolienų
– ne.
Iš fizikinių ir cheminių būdų svarbiausias
– flotacija. Jis pagrįstas skirtingomis
rūdos ir nenaudingos uolienos
adsorbcinėmis savybėmis (rūdos
dalelės vandenyje nešlampa, o
nenaudingos uolienos šlampa).
Susmulkinta uoliena suberiama į didelį indą su
vandeniu ir reikiamais priedais. Indo turinys
maišomas, kartu leidžiant oro srautą. Prie rūdos
dalelių prilimpa oro burbuliukai, iškeliantys jas į
viršų, į putų sluoksnį. Tuščioji uoliena nusėda indo
dugne.
Pagrindiniai metalų gavimo būdai:
1) metalurginis
2) hidrometalurginis
Metalurginis būdas
karboterminis metaloterminis
Taikant karboterminį būdą,vykdoma metalų
oksidinių rūdų redukcija anglimi, anglies
monoksidu:
SnO
2
+ C →
Sn
+
CO
2;
PbO
+
CO
→
Pb
+
CO
2
Jeigu rūda – sulfidas, tai pradžioje ją reikia
apdeginti(deginama, kartu pučiant ir traukiant orą
per lydalą):
2ZnS
+
3O
→
2ZnO
+
2SO
2
2PbS
+
3O
→
2PbO
+
2SO
2
2
2
4

Taikant metaloterminį būdą, metalai iš
oksidų, chloridų ir sulfidų redukuojami,
kaitinant juos su aktyviais metalais ( Na ,
Al,Mg,Fe) . Pvz.:
Cr O3
+
2Al
→
Al
2O
3
2
+
2Cr
Kuomet vykdoma metalų oksidų
redukcija aliuminiu, šis procesas
vadinamas aliumotermija.
Brangiems ir retiems metalams
išgauti reduktoriumi naudojamas
vandenilis:
WO 3 (k) + 3H 2 (d) → W(k) + 3H 2 O(d)
MoO 3 (k) + 3H 2 (d) → Mo(k) +3H 2 O(d)
Geležies metalurgija
Geležies šaltiniai – geležies oksidų
mineralai:
Hematitas Fe 2 O 3 ,
Magnetitas Fe 3 O 4 (FeO· Fe 2 O 3 )
Geležies oksidų redukcija anglies
monoksidu CO, kuris gaunamas
degant koksui C, vykdoma
aukštakrosnėse.
Geležies metalurgijos procesas
Reduktorių sudarymas:
2C + O 2 → 2CO
C + CO 2 → 2CO
C + H 2 O → CO + H 2
geležies oksido redukavimas (900-1000°C):
Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2
Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O
Šlako susidarymas:
CaCO 3 → CaO + CO 2
CaO +SiO 2 → CaSiO 3(k)
6CaO + P 4 O 10 → 2Ca 3 (PO 4 ) 2(k)
priemaišų šaltiniai:
MnO + C → Mn + CO
SiO 2 + C → Si + 2CO
P 4 O 10 + C → 4P + 10CO
5

Šlako susidarymas: redukcijos proceso
metu aukštos lydimosi temperatūros
priemaišos smėlis (SiO 2 ; lyd.t. ~1720 o C)
bei aliuminio oksidas (Al 2 O 3 , lyd.t. 2072
o
C) pašalinami kaip šlakas, kurio lyd.t.
žemesnė (~1200 o C), tam panaudojant
degtas kalkes CaO:
CaO + SiO 2 → CaSiO 3 ,
3CaO + Al 2 O 3 →Ca 3 (AlO 3 ) 2
Aukštakrosnėje gaunama geležis
nėra gryna. Fe ir įvairių priemaišų
lydinys, vadinamas ketumi:
93 – 95 % Fe
3 – 4% C
0,5 – 3,5 % Si
0,4 – 1,0 % Mn
0,05 – 2,0% P
0,05 – 0,15 % S
Šaltas ketus trapus, bet kalus
virš 250 °C.
Naudojamas:
automobilių varikliams,
boileriams,
krosnims,
virtuvės reikmenims gaminti
Kalusis ketus gaunamas kalant ketų
800-900 °C temperatūroje.
Dalis likusio šlako ir kietų priemaišų
mechaniškai išspaudžiamos, o dalis
likusios anglies išdega.
Naudojamas:
dekoratyvinėms tvorelėms,
vartams,
kepimo grotelėms.
Plienas gaunamas ketuje esančias priemaišas
oksiduojant konverteryje
2C + O 2 → 2CO (d)
S + O 2 → SO 2(d)
Pabaigoje į plieną pridedami legiruojantys priedai
2Mn + O 2 → 2MnO
Si + O 2 → SiO 2
4P + 5O 2 → P 4 O 10
Šlakas:
MnO+SiO 2 →MnSiO 3
6CaO+ P 4 O 10 →2Ca 3 (PO 4 ) 2
Anglinio plieno sudėtis:
97- 99,8 % Fe

Mažai C
Plačiausiai vartojami plienai
Vidutiniškai C
Anglies kiekis
< 0,25% C
0,25-0,70% C
Naudojama
Sijos, strypai
įvairiems
sujungimams
Mašinų komponentai,
reikalaujantys didelio
atsparumo jėgai
Didelio greičio
M apdirbimo
įrankiai
Nerūdijantis
plienas
Elementų
priedai
0.6-0.8% C,
4.0% Cr,
10.0% W,
0.8-1.0% Mo
0.18% C,
18% Cr, 8% Ni
Tipinis
panaudojimas
Pjovimo, gręžimo
įrankiai, pjūklai metalui
Chemijos gamyklų
įrengimai, stalo įrankiai
peiliai šakutės,
ornamentiniai dirbiniai
architektūrai.
Daug C
>0,70% C
Geležinkelio bėgiai ir
kitos detalės
atsparios dilimui
Silicis
0.6-5.0 % Si
Transformatoriai,
motorai, generatoriai
Hidrometalurginis būdas – metalų
gavimas veikiant rūdas rūgštimis,
šarmais ar chemikalų vandeniniais
tirpalais :
prask. H
SO
,KCN(NaCN),
NH
OH,Fe
Fe(SO
Ag
S +
4NaCN
→
2Na[Ag(CN)]
+
Na
S
2
2 4
4
2 4
)
3
2Na[Ag(CN)]
+
Zn
→
Na
[Zn(CN)]
+
2Ag
2
Hidrometalurginis būdas plačiausiai
naudojamas brangiųjų ir spalvotųjų
metalų gamyboje.
2
2
4
2
7