Электропроводность металлов как определить по таблице менделеева
Перейти к содержимому

Электропроводность металлов как определить по таблице менделеева

  • автор:

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

Почему ремонтировать электропроводку, находящуюся под напряжением, можно только с применением отвертки с пластмассовой ручкой? Почему металлы проводят электрический ток, а пластмасса, керамика, стекло и другие материалы его не проводят? Это объясняется наличием в металлах особой связи, которую называют металлической. Прочитайте то, что написано ниже о металлической связи, с которой вы довольно хорошо знакомы по предыдущим курсам физики и химии.

Высокая электропроводимость веществ обусловлена, как говорили раньше, «не привязанными к атомам», нелокализованными электронами. Обычно это относится к металлам, которым можно дать такое самое простое определение: вещества, обладающие высокими электропроводностью (электропроводимостью) и теплопроводностью, а также ковкостью, «металлическим блеском» и другими свойствами. При обычных условиях металлы – твердые вещества. Но существуют исключения: ртуть при комнатной температуре – жидкость, однако относится к металлам; графит – кристаллическое вещество с высокой электропроводностью, но к металлам не принадлежит. Учтите, металл – не отдельный атом элемента, а кусок вещества. Мы привыкли называть металлами блестящие, твердые, не горящие на воздухе, тонущие в воде предметы. Но все эти признаки имеют исключения.
Металлы как элементы (простые вещества) расположены в основном в левой и нижней частях периодической таблицы элементов Д.И.Менделеева. Деление элементов на металлы и неметаллы также очень условно, и часто вещества, находящиеся на границе этих областей периодической таблицы, бывает трудно отнести к тому или иному классу веществ.
Кристаллическая решетка металлов состоит из прочно связанных между собой атомов. Согласно самой старой и простой теории строения металлов, атомы последних легко отдают электроны в межатомное пространство, где «свободные» электроны ведут себя как газовые частицы. Таким образом, в узлах кристаллической решетки металла главным образом находятся ионы. Свободно перемещающимися в межатомном пространстве электронами и обусловлена электропроводность металлов.
Подобные представления о природе металла – очень упрощенные и не объясняют многих его свойств. Например, повышение температуры металла вызывает снижение его электропроводности (это объясняют усилением колебательных движений атомов и ионов, что препятствует движению электронов).
Трудно предположить наличие совершенно свободных электронов в кристаллическом металле. Правильнее говорить, что даже при незначительном напряжении электроны отрываются от атомов и перемещаются в электрическом поле.
Очень приближенное представление о химических связях в металлах следующее. Частицы кристаллической решетки металла связаны между собой двумя типами связей: первый – перекрывание электронных облаков с образованием прочных ковалентных связей, обусловливающих твердость и высокую температуру плавления; второй – создание теми же электронными облаками единого во всем кристалле электронного облака, которое при наложении внешнего электрического поля легко (почти свободно) перемещается вдоль заданного полем направления в металле. Почти свободные электроны, как мы упоминали, называются нелокализованными (делокализованными). Связь между частицами в металле называется металлической.
Изоляторы отличаются от металлов тем, что для обеспечения проводимости следует приложить очень высокое напряжение. Полупроводники при низких напряжениях электрический ток не проводят, но при некоторых более высоких напряжениях становятся электропроводными. Характерной особенностью полупроводников является зависимость их электропроводности от температуры: возрастание при повышении температуры, а не понижение, как у металлов. (Вы замечали, что в жаркую погоду транзисторные приемники плохо работают?)

Список новых и забытых понятий и слов

Нелокализованные электроны;
металлическая связь;
изоляторы;
полупроводники.

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Как изменяется электропроводность металлов в группе магний – кальций – стронций – барий? Объясните причины.

2. Что экономически выгоднее использовать в качестве проводов для передачи электроэнергии – медь или алюминий? Объясните почему.

3. Переведите на русский язык.

The nature of the majority of chemicals can be described in terms of ionic or covalent bonds. The situation in metals requires, however, the postulation of a special type of metallic bond.
Metals have very distinctive properties and to account for them, particularly for the electrical conductivity, the idea of a special metallic bond is necessary. The general picture of the state of affairs in crystal of a metal is that atoms of the metal are packed in regular array within the crystal and that the atoms are surrounded by electrons which are relatively mobile. The cause of the mobility of the electrons is interpreted in terms of the band model of electronic energy levels in metallic crystals.
Electrical conductivity is associated, then, with either partially filled bands or with the overlapping of an unfilled band with a full one. It might be expected that increase in temperature would cause more electrons to be promoted into conducting bands with a consequent increase in conductivity or decrease in resistance. In general, however, the conductivity of a metal decreases with increase in temperature, i.e. the resistance increases. This is because increasing temperature produces increased thermal vibration within a metal crystal. This upsets the regularity within the crystal and interferes with the ease of movement of electrons through the crystal. It is rather like comparing movement through the ranks of battalion of soldiers on parade with that through a London crowd. Similarly, the introduction of an impurity may upset the regular array and so cause decreased conductivity or increased resistance. The resistance of copper, for example, is greatly increased by even traces of impurities.

  • Используя таблицу, расскажите о связях: С–Н в молекуле метана СН4, между атомами углерода в молекулах этана С2Н6, этилена С2Н4 и ацетилена С2Н2.
  • Подробно и научно обсудите структуры молекул этана, этилена и ацетилена, тип связи между атомами углерода (одинарная, двойная, тройная, а также -связь, -связь).

Углы между связями Н–С–С в молекулах этана, этилена и ацетилена приблизительно равны:

Угол Н–С–Н в молекулах этана и этилена составляет соответственно ~109° и ~120°. Нарисуйте модели этих молекул.

Для закрепления материала переведите на русский язык.

The nature of chemical bond, the formation of molecules from atoms, and the structure of the molecules themselves are among the most important problems of chemistry, and have long attracted attention. However, as long as the complex structure of the atom remained unknown and the atom was considered to be indivisible, it was impossible to have a correct approach to these problems. In the course of the XIX century extremely valuable experimental material had been accumulated and important generalizations had been made, but their physical meaning became apparent only in our time. The concept of chemical equivalent was established and valence was introduced as a formal numerical characteristic of the ability of the atoms of one element to combine with a definite number of atoms of another element.
The study of electrolysis (in the first half of the XIX century) led to the hypothesis of electrical nature of valence forces and to the establishment of their difference in sign. It was natural to assign a negative charge and hence negative valence in the compound to the elements (oxygen or chlorine) which in electrolysis are discharged at the anode, and, on the contrary, a positive charge and positive valence to the elements (hydrogen, metals) which are discharged at the cathode. It was tried persistently to apply these ideas to all compounds. However, this approach was for the most part unsuccessful in the case of organic compounds.

Таблица

Свойства металлов

Все чистые (с химической точки зрения) металлы — это простые вещества, состоящие из атомов одного химического элемента. В таблице Менделеева металлические свойства элементов возрастают справа налево. Все чистые металлы (как элементы) — являютя простыми веществами.

Свойства металлов

Сверхчистые металлы кремний кристаллический фотоэффект

Различают физические и химические свойства металлов. В общем случае, свойства металлов достаточно разнообразны. Различают металлы щелочные, щелочноземельные, чёрные, цветные, лантаноиды (или редкоземельные — близкие по химическим свойствам к щелочноземельным), актиноиды (большинство из них — радиоактивные элементы), благородные и платиновые металлы. Кроме того, отдельные металлы проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Такие металлы — амфотерные (или как говорят — переходные).

Почему блестят металлы

Свойства металлов

В узлах кристаллической решётки металлов содержатся атомы. Электроны, движущиеся вокруг атомов, образуют «электронный газ» который свободно может перемещаться в разных направлениях. Это свойство объясняет высокую электропроводность и теплопроводность металлов.

Электронный газ отражает почти все световые лучи. Именно поэтому металлы так сильно блестят и чаще всего имеют серый или белый цвет. Связи между отдельными слоями металла невелики, что позволяет перемещать эти слои под нагрузкой в разных направлениях (по-другому — деформировать металл). Уникальным металлом является чистое золото. С помощью ковки из чистого золота можно сделать фольгу толщиной 0,002 мм! такой тончайший листочек металла полупрозрачен и имеет зелёный оттенок если смотрень через него на солнечный свет.

Электрофизическое свойство металлов

Электрофизическое свойство металлов выражено в его электропроводности. Принято считать, что все металлы имеют высокую электропроводность, то есть хорошо проводят ток! Но это не так, да и к тому же, всё зависит от температуры, при которой замеряют ток. Представим себе кристаллическую решётку металла, в которой ток передаётся с помощью движения электронов. Электроны движутся от одного узла кристаллическрой решётки к другому. Один электрон «выталкивает» из узла решётки другой электрон, который продолжает двигаться к другому узлу решётки и т.д. То есть электропроводность также зависит от того, насколько легко электроны могут перемещаться между узлов решётки. Можно сказать, что электропроводность металла зависит от кристаллического строения решётки и плотности расположения в ней частиц. Частицы в узлах решётки имеют колебания, и эти колебания тем больше, чем выше температура металла. Такие кролебания значительно препятствуют перемещению электронов в кристаллической решётке. Таким образом, чем ниже температура металла, тем выше его способность проводить ток!

Отсюда вытекает понятие сверхпроводимости, которое наступает в металле при температуре близкой к абсолютному нулю! При абсолютном нуле (-273 0 C) колебания частиц в кристаллической решётке металла полностью затухают!

Электрофизическое свойство металлов, связанное с прохождением тока, называют температурным коэффициентом электросопротивления!

электрофизическое свойство металлов

Электрофизическое свойство металлов

Установлен интересный факт, что, например у свинца (Pb) и ртути (Hg) при температуре, которая выше абсолютного нуля всего на несколько градусов, почти полностью исчезает электросопротивление, то есть наступает условие сверхпроводимости.

Самую высокую электропроводность имеет серебро (Ag), затем медь (Cu), далее идёт золото (Au) и алюминий (Al). С высокой электропроводностью этих металлов связано их использование в электротехнике. Иногда, для обеспечения химической стойкости и антикоррозионных свойств используют именно золото (позолоченные контакты).

Надо отметить, что электропроводность металлов значительно выше, чем электропроводность неметаллов. Вот например, углерод (С — графит) или кремний (Si) имеют электропроводность в 1000 раз меньше, чем, например, у ртути. Кроме того, неметаллы, в своём большинстве не являются проводниками электричества. Но среди неметаллов встречаются полупроводники: германий (Ge), кремний кристаллический, а также некоторые оксиды, фосфиты (химические соединения металла с фосфором) и сульфиды (химические соединения металла и серы).

Вам, наверное, знакомо явление фотоэффекта — это свойство металлов под действием температуры или света отдавать электроны.

Что касается теплопроводности металлов, то её можно оценить из таблицы Менделеева, — она распределяется точно также, как электроотрицательность металлов. (Металлы, находящиеся слева вверху имеют наибольшую электроотрицательность, например, электроотрицательность натрия Na равна -2,76 В). В вою очередь, теплопроводность металлов объясняется наличием свободных электронов, которые переносят тепловую энергию.

Электропроводность металлов: от чего зависит и как используется в производстве

Электропроводность металлов и сплавов – физическое свойство, которое учитывается при производстве разных видов изделий. Например, для изготовления электрических кабелей, микросхем используют металлы с высокими показателями электропроводности.

Данный параметр зависит от факторов окружающей среды: температуры, давления, агрегатного состояния, наличия магнитных полей и т. д. Если говорить о чистых металлах и влиянии температуры на их электропроводность, то с ростом она падает. Подробнее о том, что собой представляет электропроводность металлов, вы узнаете из нашего материала.

Природа электропроводности металлов

Электропроводностью называют способность тела, вещества проводить ток. Кроме того, этим термином обозначается физическая величина, которая численно характеризует данную способность. Электропроводность металла определяется числом свободных ионов в проводнике – их движение и является электрическим током. Данный показатель исчисляется в сименсах, а в международной системе единиц для его обозначения используется буква «S».

В зависимости от того, какой электропроводностью обладают металлы и иные вещества, среди них выделяют проводники, диэлектрики и полупроводники. Правда, между данными группами практически не существует четкого разграничения.

Чем обусловлена высокая электропроводность металлов-проводников? Они имеют большое количество свободных ионов. Среди веществ этой группы выделяют два рода, исходя из физической природы протекания тока. К первому относятся металлы с электронной проводимостью, по которым ток проходит благодаря движению свободных электронов.

Ко второму причисляют растворы кислот, щелочей, солей или электролиты, имеющие ионную проводимость. Иными словами, здесь интересующий нас процесс связан с движением положительных и отрицательных ионов. Уровень электропроводности проводников превышает 106(Ом·м)-1.

Диэлектрики обладают малым числом свободных ионов, поэтому отличаются низкой электропроводностью, практически не проводят ток. Такими материалами являются дерево, смолы, пластмассы, стекло, пр. Для них данный показатель составляет менее 106(Ом·м)-1.

По своим проводящим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между материалами описанных выше групп. К ним относятся германий, кремний, селен, прочие соединения, получаемые искусственно.

1-min.jpg

Существует зависимость электропроводности металлов и иных веществ от температуры, но она является индивидуальной для каждого материала. Повышение степени нагрева металлов приводит к сокращению времени свободного пробега электронов. Увеличение температуры влечет за собой возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны, что вызывает уменьшение электропроводности.

Полупроводникам свойственна другая зависимость электропроводности металлов от температуры: ее повышение провоцирует рост электропроводности, поскольку увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. У диэлектриков электропроводность тоже может возрастать, однако для этого требуется очень высокое электрическое напряжение.

Металлы способны проводить ток, поскольку воздействие электромагнитного поля вызывает потерю связи между электроном и атомом из-за высокой степени ускорения.

Электрическое сопротивление металлов

Электрическое сопротивление является частью закона Ома и исчисляется в омах (Ом). Нужно понимать, что электрическое и удельное сопротивление являются разными явлениями. Если первое представляет собой свойство объекта, то второе характеризует материал.

Так, электрическое сопротивление резистора зависит от формы и удельного сопротивления материала, использованного для изготовления данного элемента электрической цепи.

2-min.jpg

Допустим, проволочный резистор состоит из длинной тонкой проволоки и обладает более высоким сопротивлением, чем аналогичный элемент, но выполненный из короткой и толстой проволоки. При этом оба они сделаны из одного металла.

Если сравнить два резистора из проволоки одинаковой длины и диаметра, то большим электрическим сопротивлением будет обладать тот, который состоит из материала с высоким удельным сопротивлением. А его аналогу из материала с низким удельным сопротивлением будет свойственно меньшее электрическое сопротивление.

В этом случае работает тот же принцип, что и в гидравлической системе, прокачивающей воду по трубам:

  • Чем больше длина трубы и меньше ее толщина, тем с более высоким сопротивлением сталкивается жидкость.
  • Вода будет испытывать на себе меньшее сопротивление в пустой трубе, чем в заполненной песком.

Под удельным сопротивлением понимают способность материала препятствовать прохождению электрического тока. В физике существует и обратная величина, известная как проводимость. Она выглядит таким образом:

Σ = 1/ρ, где ρ – удельное сопротивление вещества.

Электропроводность металлов и других веществ зависит от свойств носителей зарядов. В металлах присутствуют свободные электроны – на внешней оболочке их число доходит до трех. Во время химических реакций с элементами из правой части таблицы Менделеева атом металла отдает их. С электропроводностью чистых металлов все несколько иначе. В их кристаллической структуре эти наружные электроны общие и переносят заряд под действием электрического поля.

В случае с растворами в качестве носителей заряда выступают ионы.

Степень электропроводности разных металлов и сплавов

Развитием электронной теории электропроводности металлов занимался немецкий физик Пауль Друде. Именно благодаря его исследованиям стало известно о сопротивлении, наблюдаемом при прохождении электрического тока через проводник. В результате удалось разделить вещества на группы, исходя из степени их проводимости.

3-min.jpg

Данная информация необходима, например, чтобы выбрать наиболее подходящий металл для производства кабеля, обладающего определенным набором свойств. Ошибка в этом случае чревата перегревом под действием тока избыточного напряжения и последующим возгоранием.

Серебро – это металл, обладающий самой высокой электропроводностью. При +20 °C этот показатель равен 63,3×104 см-1. Тем не менее, производство серебряной проводки является нерентабельным, поскольку речь идет о достаточно редком металле. В большинстве случаев он идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, монет.

Среди неблагородных цветных металлов самая высокая электропроводность характеризует медь – она составляет 57×104 см-1 при +20 °C. Помимо этого, медь хорошо справляется с постоянными электрическими нагрузками, долговечна, надежна, имеет высокую температуру плавления, поэтому может долго работать в нагретом состоянии. Все названные свойства позволяют активно применять данный металл для бытовых целей и на производстве.

Не реже меди используется алюминий, ведь по электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту. Его температура плавления практически в два раза ниже, чем у меди, из-за чего алюминий не может выдерживать предельные нагрузки. По этой причине его применяют в сетях с невысоким напряжением. Узнать электропроводность остальных металлов можно в соответствующей таблице.

По проводимости любой сплав значительно уступает чистому металлу, что объясняется слиянием структурной сетки, вызывающим нарушение нормального функционирования электронов. Так, медные провода изготавливают только из металла с максимальной долей примесей 0,1 % или даже 0,05 %, если речь идет об отдельных разновидностях кабеля.

Приведенные показатели – это удельная электропроводность металлов, которая представляет собой отношение плотности тока к величине электрического поля в проводнике.

Опасность металлов с высокой электропроводностью

Щелочные металлы имеют крайне высокую электропроводность, объясняют этот факт тем, что в них электроны практические не привязаны к ядру и могут быть без труда выстроены в требуемой последовательности. Еще одна особенность этих металлов состоит в низкой температуре плавления в сочетании со значительной химической активностью, что обычно не позволяет использовать их в качестве материалов для кабелей.

Находясь в незащищенном виде, металлы с высокой электропроводностью несут в себе большую опасность. Прикосновение к оголенным проводам вызывает электрический ожог, разряд воздействует на внутренние органы, что нередко становится причиной мгновенной смерти человека.

Поэтому металл закрывают специальными изоляционными материалами, которые могут быть жидкими, твердыми, газообразными – конкретный тип подбирается в соответствии со сферой использования изделия. Вне зависимости от агрегатного состояния защиты она призвана изолировать электрический ток в цепи, чтобы не допустить его воздействия на окружающую среду.

Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Проводимость не является постоянной величиной. В таблицах приведены сведения, характерные для нормальных условий или при температуре +20 °С. В реальной жизни сложно обеспечить идеальные условия для работы цепи. Удельное сопротивление, а значит, и проводимость, определяется такими характеристиками:

  • температурой;
  • давлением;
  • наличием магнитных полей;
  • светом;
  • агрегатным состоянием вещества.

Изменения интересующего нас параметра зависят от условий среды и свойств конкретного материала. Электропроводность ферромагнетиков, в число которых входят железо и никель, увеличивается при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля. Зависимость электропроводности от теплопроводности металлов и окружающей температуры практически линейная, даже есть понятие температурного коэффициента сопротивления – данную величину можно уточнить в таблицах.

Правда, направление зависимости определяется конкретным веществом: у металлов оно при увеличении температуры повышается, у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается в пределах одного агрегатного состояния.

Полупроводники характеризуются гиперболической и обратной зависимостью электропроводности от температуры: рост степени нагрева приводит к повышению электропроводности металлов. Данная особенность качественно отличает проводники от полупроводников. Зависимость ρ проводников от температуры выглядит следующим образом:

4-min.jpg

На графике отображено удельное сопротивление меди, платины, железа. Некоторые металлы характеризуются иначе: ртуть при понижении температуры до 4°K становится сверхпроводимой, почти полностью теряя удельное сопротивление.

У полупроводников зависимость будет представлена так:

5-min.jpg

Когда металл переходит в жидкое агрегатное состояние, его ρ повышается, а дальнейшее изменение свойств может быть разным. Так, висмут в расплавленном виде имеет более низкое удельное сопротивление, чем при комнатной температуре, а у жидкой меди оно повышается в десять раз. Никелю свойственно выходить из линейного графика уже при достижении температуры +400 °C, но далее ρ падает.

Температурная зависимость вольфрама так высока, что приводит к перегоранию ламп накаливания: ток нагревает спираль, из-за чего ее сопротивление многократно возрастает.

Удельное сопротивление сплавов зависит от задействованной при производстве технологии. Данное свойство простой механической смеси определяется как средний показатель ее компонентов. Тогда как для сплава замещения оно окажется иным и обычно отличается в большую сторону.

Рекомендуем статьи

  • Сплав железа и меди: область применения
  • Углерод в металле и его влияние на свойства материала
  • Легированные конструкционные стали: характеристики и применение

Стоит пояснить, что под сплавом замещения понимают такой, в котором несколько элементов формируют одну кристаллическую решетку. Данная особенность прослеживается у нихрома, используемого для изготовления спиралей электроплит. Удельное сопротивление, а значит, и электропроводность этого металла совпадает с показателем проводников, а при подключении к сети он нагревается до красноты.

Выше были представлены только основные теории, касающиеся физических свойств металлов, а именно электропроводности, сопротивления. Например, не была затронута квантовая теория проводимости Зоммерфельда. Этого краткого знакомства вполне достаточно, чтобы понять, что сопротивление является сложным и комплексным понятием, которое невозможно полностью разобрать на основе простейшего закона Ома.

Автор статьи

Макаров Максим

Руководитель отдела продаж

Электропроводность металлов

Наиболее важным фактором, определяющим проводимость вещества, является количество электронов на конечной орбите его атомов. Свободные электроны в проводниках легко переносят электрический ток из одной точки в другую. Все металлы являются проводниками, каждый из них может иметь по несколько атомов на разных энергетических уровнях. Например, атом меди имеет только один электрон на своей конечной орбите.

Факторы, влияющие на проводимость:

  • тип материала
  • формула проводимости.
  • температура.
  • химический состав — состояние легирования.

Чем обеспечивается электрическая проводимость в металлах?

Электрическое поле создается в проводнике, когда источник постоянного тока, такой как батарея, подключается между двумя концами металлического провода. Это электрическое поле заставляет свободные электроны в металле дрейфовать в направлении, противоположном полю. Электроны, движущиеся больше, чем в одном направлении, в среднем, создали бы электрический ток.

Какой лучший проводник в металлах?

Серебро, медь и золото — считаются наилучшими проводниками. Металлы, атомы которых имеют 1 валентный электрон, являются хорошими проводниками. Серебро — лучший проводник, вторым лучшим проводником является медь, следующим — золото.

Как изменяется электропроводность металлов с температурой?

По мере повышения температуры металлов их проводимость уменьшается. Причина этого — вибрация. Когда температура повышается, валентность и полоса проводимости заканчиваются друг с другом, и поскольку электроны вибрируют слишком сильно, они теряют энергию, ударяясь друг о друга, что приводит к снижению проводимости.

Как достигается проводимость электрического тока в металлах?

Металлы — это элементы, которые содержат 1, 2 или 3 электрона в своих конечных слоях и образуют катион (положительный ион). Небольшое количество электронов в конечных слоях металлов создает множество электронов, благодаря чему металлы могут легко проводить электрический ток.

В чем причина электрической проводимости в металлах?

В металлах электропроводность является результатом движения электрически заряженных частиц. Атомы металлических элементов выражаются движением валентных электронов на конечной орбите атома. Именно свободные электроны, находящиеся на конечной орбите атома, позволяют металлам проводить электрический ток.

Таблица удельного сопротивления и проводимости при 20°C

Материал

ρ (Ом•м) при 20 °C
Удельное сопротивление

σ (См/м) при 20 °C
Проводимость

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *