Метали – вид матеріалів, які використовуються людиною з давніх часів. Ця група речовин дуже численна, але всі вони мають загальні фізичні характеристики, які прийнято називати металевими властивостями.
Твердість серед них – звичайне, але не визначальний. Більш специфічні інші, якими володіє і м’який метал. Ці властивості визначаються особливостями їх будови на молекулярному рівні.
Властивості металів
Залізо і його сплави (сталь, чавун), мідь, алюміній… Застосування цих матеріалів знаменувало прискорення науково-технічного прогресу на різних етапах розвитку цивілізації. У кожного з цих металів є характеристики, які надають йому унікальну практичну цінність. Загальними ознаками для них є висока тепло – і електропровідність, пластичність – здатність зберігати цілісність при деформації, металевий блиск.
Булатний клинок, розрубує залізні обладунки, і самий м’який метал, на якому залишаються сліди від найменшого впливу, мають подібне внутрішнє пристрій. В його основі – кристалічна сітка, у вузлах якої – атоми з позитивним і нейтральним зарядом, між якими знаходиться «електронний газ» – частки, що покинули зовнішні оболонки атомів із-за ослаблення зв’язку з ядром. Особлива металева зв’язок між позитивними іонами, розташованими у вузлах кристалічної решітки, здійснюється за рахунок сил притягання, що виникають в «електронному газі». Твердість, щільність, температура плавлення металу залежать від концентрації цього газу».
Критерії оцінки
Відповідь на питання про те, який метал м’який, завжди буде предметом обговорення, якщо не узгодити критерії оцінки і визначити саме поняття м’якості. Думка про цю характеристиці матеріалу буде різним у фахівців різних галузей. Металург може розуміти м’якість як підвищену ковкість, тенденцію сприймати деформації від абразивних матеріалів і т. д.
Для матеріалознавців важливо мати можливість об’єктивно порівнювати різні характеристики речовин. М’якість також повинна мати загальноприйняті критерії оцінки. Самий м’який метал у світі повинен мати загальновизнані показники, що доводять його «рекордні» характеристики. Існує кілька методик, метою яких є вимірювання м’якості різних матеріалів.
Методи вимірювання
Більшість сертифікованих засобів вимірювання твердості, засновані на вимірюваному з допомогою точних інструментів контактному впливі на досліджуваний матеріал з боку більш твердого тіла, званого індентором. В залежності від виду індентора і від способів вимірювання розрізняють кілька основних методів:
– Метод Брінелля. Визначається діаметр відбитка, що залишається металевою кулькою при вдавлюванні в поверхню досліджуваного речовини.
– Метод Роквелла. Вимірюється глибина вдавлювання кульки в поверхню або алмазного конуса.
– Метод Віккерса. Визначається площа відбитка, що залишається алмазної чотиригранної пірамідкою.
– Твердість по Шору. Є свої шкали для дуже твердих і дуже м’яких матеріалів – вимірюється глибина занурення спеціальної голки або висота відскоку від поверхні спеціального бойка.
Шкала твердості Мооса
Цей шкала для визначення відносної твердості мінералів і металів було запропоновано на початку XIX століття німцем Фрідріхом Моосом. Вона базується на методі дряпання, коли більш твердий зразок залишає відмітку на більш м’якому, і дуже зручна для з’ясування – який метал самий м’який. По відношенню до 10 еталонним мінералам, яким присвоєно умовний показник твердості, для випробуваного речовини визначається місце в шкалі і цифровий індекс. Самий м’який еталонний мінерал – тальк. Він має твердість по Моосу – 1, а самий твердий, алмаз – 10.
Оцінка твердості за шкалою Мооса відбувається за принципом “м’якше – твердіше”. Точно визначити, у скільки разів, наприклад, алюміній, який має індекс за шкалою Мооса 2,75, м’якше вольфраму (6,0), можна тільки маючи результати вимірювань, заснованих на інших методах. Але щоб визначити найбільш м’який метал в таблиці Менделєєва цієї таблиці цілком достатньо.
Найбільш м’які – лужні метали
З мінералогічної шкали Мооса видно, що найбільш м’якими є речовини, що відносяться до лужних металів. Навіть ртуть, знайома багатьом по рідини з градусника, має показник твердості 1,5. М’якше її кілька речовин, що володіють подібними фізико-механічними і хімічними властивостями: літій (0,6 за шкалою Мооса), натрій (0,5), калій (0,4), рубідій (0,3). Самий м’який метал – це цезій, має за шкалою твердості Мооса показник 0,2.
Фізичні і хімічні властивості лужних металів визначаються їх електронною конфігурацією. Вона лише злегка відрізняється від будови інертних газів. Електрон, розташований на зовнішньому енергетичному рівні володіє рухливістю, яка визначає високу хімічну активність. Самим м’яким металів властива особлива летючість, їх важко добувати і зберігати в незмінному вигляді. Їм притаманні бурхливі хімічні взаємодії з повітрям, водою, киснем.
Елемент № 55
Назва “цезій” походить від латинського caesius – “небесно-блакитний»: в спектрі, випромінюваному сильно нагрітою речовиною, в інфрачервоному діапазоні видно дві яскраво-сині смужки. У чистому вигляді він добре відбиває світло, схожий на світле золото і має сріблясто – жовтий колір. Цезій – самий м’який метал у світі, показник твердості за Брінеллем – 0,15 Мн/м2 (0,015 кгс/см2). Температура плавлення: +28,5°С, тому в звичайних умовах, при кімнатній температурі цезій знаходиться в напіврідкому стані.
Це рідкісний, дорогий і надзвичайно хімічно активний метал. В електроніці, радіотехніці та хімічної промисловості високих технологій цезій і сплави на його основі знаходять все більше застосування і потреба в ньому зростає постійно. Затребувані його хімічна активність, здатність утворювати сполуки з високою електропровідністю. Цезій – важливий компонент виробництва спеціальних оптичних приладів, світильників з унікальними властивостями і інших високотехнологічних виробів. При цьому м’якість – не саме його затребуване якість.
