Металлургия

Металдар адамзат қоғамына ерте заманнан белгілі. Өркениетті өндірістің дамуына сәйкес және адамдардың металдарды игеруі мен қолданылуына орай, тарихта бүтіндей металл дәуірлерінің аты қалды. Геология мен металлургияның негізін салған, белгілі металдарды зерттеуші Георгий Агрикола ХVІ ғасырда былай деп жазды: «Адамдар металдарсыз өмір сүре алмайды... егер металдар болмаса... адамдар жабайы аңдардың арасында ең аянышты өмір сүрген болар еді.»  
Тас ғасырында-ақ алғашқы табылған металдар сом күйдегі тума алтын мен күміс болатын. «Металдар» деген сөздің өзі ертедегі гректің осыған үндес «іздеу» деген сөзінен шығуы мүмкін. Адамзат қоғамы бертін келе металдарды табиғи қосылыстарынан бөліп алуды үйренді. Мәселен, мыс біздің заманымызға дейінгі ІV мыңжылдықта алынса, келесі ІІІ мыңжылдықта оның орнына мысқа қарағанда беріктеу қоланы қолдана бастады. Сөйтіп, мыс дәуірінің орнын қола дәуірі басты.  
Адам алғаш рет таза темірмен аспаннан түскен метеориттің сынығы арқылы танысты. Темірді балқытып бөліп алудың құпиясы біздің заманымызға дейінгі 1500 жылдарда Кіші Азияда ашылды, содан бастап темір дәуірі басталды.  
Біздің заманымыздың бас кезінде небәрі жеті металл белгілі болса, ХVІІІ ғасырда оның оң жетісі ашылды.  
Басқа металдарды алу үшін ғылым мен техниканың, өнеркәсіптің дамуы қажет еді. Бұл процесс күні бүгінге дейін жалғасып келеді. Мәселен, ядролық реакциялардың көмегімен табиғатта кездеспейтін көптеген радиоактивті жасанды элементтер алынды [1].  
Сілтілік және сілтілік-жер металдарға литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций, магний, кальций, барий жатады. Бұл металдар – ең белсенді металдар, күшті тотықсыздандырғыштар.  
Натрий – арабша «натрун», грекше «табиғи сода» деген мағынаны білдіреді. Кальций «кальцис» - әк деген мағынаны білдіреді. Калий арабша «поташ», ол ертеде күл ретінде белгілі болған. Ол минералды тыңайтқыш ретінде қолданған. Калий – өсімдіктерді қоректендіру үшін қолданылатын маңызды элемент. Калий теріні күйдіреді, көзге өте аз мөлшері түссе соқыр болып қалады, сондықтан онымен жұмыс істегенде ұқыпты болу керек. Натрийді, калийді, кальцийді, литийді 1807 – 1808 жылдары ағылшын ғалымы Гемфри Дэви зерттеп ашқан.  
Темір (Ғе-феррум) – адам қоғамымен бірге туып, бірге жасасып келе жатқан элемент. 1749 жылы Сібір ұстасы Енисейден сом темірді тапқан. Темір адамды алғашқы құрал мен қару-жарақтан бастап бүгінгі ғарыш кеңістігіне көтерген жасампаз металл. Адамның денесі мен қанында 3 грамм темір болады. Қанның қызыл түсті болуы гемоглобинге байланысты. Темір иондары болмаса гемоглобин түзілмейді. Сондықтан, өкпеден жасушаларға оттек тасымалданбайды.  
Алтын (Аu-аурум) – латынша аурум сөзі «таңертеңгі таң шапағы» деген мағынаны білдіреді. Ертедегі қазақтар алтынды күнге теңеген. «Күн – көк жүзінің патшасы болса, алтын – жердегі тіршілік иесінің патшасы» деп ұқты. Ол негізгі тауар айналым құралы болды. Барлық зат, бұйым, мол байлықтың өлшемі алтын болды. Ең жоғарғы жетістік, ерліктерді алтынға балады және сонымен марапаттаған. Алтын үшін қиян-кескі ұрыстар, қан төгістер болды.  
Күміс (Аg-аргентум). Санскрит тілінде ашық ақ түс деген мағынаны білдіреді. Күміс адамзат баласына алтын мен мыстан кейін таныс болған. Өте ертедегі күміс ыдыс – Ур қаласындағы күміс құмыра. Күміс ыдыста құйылған су көпке дейін бұзылмайды. Себебі, күміс иондары судағы бактерияларды жояды. Құрамында күміс иондары бар минералды сулар асқазан ауруын жазатын бірден-бір дәрі. Қазақ күмісті айға теңеген. Күміс тұрмыста бұйымдар, әшекейлік заттар үшін қолданылады [2].  
Сынап (Нg-хидраргирум) – латыншадан аударғанда «күміс суы» деген мағынаны білдіреді. Ол ақ түсті сұйық металл. Ертеде «Сыр» киноварь деген минералдан өндірген. Бөлме температурасында буланады, буы өте улы. Көптеген металдар сынапта еріп, амальгама түзеді. Ертедегі ата-бабаларымыз сынапты ем үшін халық медицинасында пайдаланған.  
Мыс (Сu-купрум). Жерорта теңізіндегі Кипр аралында көп кені болғандықтан осындай ат берілген. Мыс – қызғылт түсті, жұмсақ металл. Иілгіш, созылғыш, электр тоғын жақсы өткізеді. Мыстың қоспалары, әсіресе, қола мен жез тұрмыста кеңінен қолданылады. Ертедегі ата-бабаларымыз оның емдік қасиетін білген. Аяғы сынған түйеге қамырға орап мысты жегізгенде, ол түйе екі-үш күннен кейін жазылып кетіпті. Сондай-ақ, мыстан алғаш тұрмыс құралдарын жасап, оның жұмсақ қасиетін білген соң, басқа металдармен қосып, құйма түрінде пайдаланса, қаттылық қасиетінің артатынын білді. Кейіннен темірдің ашылуы мысты пайдалануды тұрмыстан ығыстырып шығарды.  
Қалайы (Sn-станнум) – адамзат баласына ертеден таныс металл. Қалайының мыспен құймасы (қола) б.з.д. 6 мыңыншы жылдарда белгілі болған. Қалайы ерте кезден тұрмыстық бұйымдар, әсемдік заттар, қару жасауда қолданылған. Қалайы – күміс түсті ақ металл. Оны жайып, жұқа фольга жасауға болады.  
Қола – мыстың әр түрлі элементтер (қалайы, алюминий, берилий, қорғасын) қосылған қорытпасы. Ол әр түрлі болып келеді. Қышқыл әсерінен жасылдау, қою қызыл-қоңыр, кейде қара түске дейін өзгереді. Оны химиялық тәсілмен бояуға, алтын жалатуға, әрі жалтыратуға болады.  
Жез – құрамында 50 пайызға жуық мырыш пен басқа элементтер бар мыстың қорытпасы. Бұлар таза мыстан берік, қатты әрі коррозияға тұрақты. Ерте заманнан бері қазақтар жезді құман, қоңырау, ер-тұрман, қамшы т.б. бұйымдарды әшекейлеу үшін қолданып келеді. Жездің иілгіштік, созылғыштық қасиетін әдемілікпен байланыстыра теңеп, «Жез қармақтай майысып», «Жез таңдай, күміс көмей», «Жез қанат, күміс бауыр киік көрдім» деп ән-жырға қосқан.  
Қазіргі адамзат қоғамының дамуы үшін металдардың маңызы орасан зор. Бүгінгі күндері таңғажайып қасиеттері бар синтетикалық заттардың сан алуан түрі өмірге келгеніне қарамастан, металдар осы заманғы техникаға қажетті ең маңызды конструкциялық материал болып отыр. Олар автомобильдердің, ұшақтардың, ракеталардың, станоктардың, өте дәл құралдардың және электрондық техниканың негізі болып саналады. Металдар – құрылыстың, технологиялық конструкциялардың, химиялық реакторлардың, құбырлардың, мұнай өндіретін мұнаралардың және т.б. негізгі өзегі. Қазіргі кезде техникада 40-тан астам металдар кеңінен қолданылады [3].  
Металдар жай заттар ғана емес, олар химиялық элементтер. Осы элементтер тірі және өлі табиғаттың аса маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Жердің беткі қабаты – литосфера: алюминий, темір, кальций, магний, натрий, калий қосылыстарынан тұрады. Бұл химиялық элементтер оттек пен кремнийді қоса алғанда Жер массасының 99%-ін құрайды. Теңіздер мен мұхиттардың суында натрий, магний, кальций, стронций, алтын, т.б. металдардың катиондары бар.  
Металдар биосферада да орасан зор қызмет атқарады. Кальций сүйек ұлпасының негізін құрайды, темір қандағы гемоглобиннің, ал магний жасыл өсімдіктер хлорофилінің құрамына кіреді. Тірі организмдегі ең маңызды процестер: зат алмасу, оттек тасымалдау, фотосинтез металдардың қатысуымен жүреді.  
Алайда, адамдар металдарды ойланбастан, қалай болса солай қолданса, олар пайданың орнына зиянын тигізетін болады. Көптеген металдардың қосылыстары улы. Мысалы, қорғасын, сынап, стронций және кадмий тұздары. Радиоактивті металдардың, олардың қосылыстарының тірі клеткаларды бұзып жіберетін қасиеттері бар. Өнеркәсіптердің, әскери және ғарыштық технологияның қалдықтары түрінде табиғатта жинақталған металл қоқыстары адамдарға және қоршаған ортаға орасан зор зиян келтіреді. Сондықтан металдар да адам қолымен жасалған басқа заттар тәрізді орынсыз қолданылса, абайламай жұмсалса, аса қауіпті болып саналады

Жай заттар – металдар кристалдар түзеді. Бұл кезде химиялық байланыстың  ерекше түрі – металдық байланыс пайда  болады. Аз валентті электрондары бар  және радиусы үлкен болғандықтан әлсіз ұстасатын металл атомдары бұл электрондарды жеңіл жоғалтып, иондарға айналады (бұл айналулар  қайтымды):  
Ме0 - nе → Меn+  
Босанған электрондар кристалдың барлық құрылымдық бөлшектерінде ортақ қолдануға өтеді де, кристалдың ішінде жеңіл қозғалады және барлық бөлшектердің арасында байланысты жүзеге асырады.  
Атомдар мен иондардың арасындағы кеңістікте еркін қозғалатын ортақ электрондарды электрон газы деп атайды.  
Металдық байланыс электрондардағы ортақтасуынан тұратындықтан коваленттік байланысқа ұқсас. Бірақ металдық байланыс жағдайында бұл электрондар металдық кристалдың барлық атомдарын байланыстырады.  
Бос электрондардан тұратын металдық кристалдық тордың атомдарымен оң иондардың және электрон газының арасында пайда болатын химиялық байланысты металдық байланыс деп атайды.  
Теріс зарядталған ортақ электрондардың жиынтығы оң зарядталған металдардың иондарын (катиондар) тордың белгілі түйіндерінде оның атомдарымен бірге тартып ұстап тұрады. Осылай металдық кристалдық тор түзіледі. Металдардың кристалдық торлары екі типті болады: кубтық (үш түрлі – бүйірлі орталықтанған, көлемді орталықтанған) және гексагональді.  
Металдың кристалында құрылымдық бөлшектер – иондар мен атомдардың өзара орналасуы, қысқарта алсақ шар тәрізді, оларды кеңістіктік тығыздалу деп атайды. Бөлшектердің тығыз орналасуы кубтық бүйірлі орталықтанған және гексагональды кристалдық металдық торларда болады. Бұл екі жағдайда да жалпы көлемнің 74 %-і бөлшектермен толтырылған. Техникалық маңызды көптеген металдарға осы екі түрлі орналасу тән. Көп металдарда аз тығыздалған кубтық көлемдік орталықтанған тор болады. Мұндай торда жалпы көлемнің 68 %-і бөлшектермен толтырылған. Тек жеке металдарда едәуір күрделі торлардың басқа түрлері (тығыздау) байқалады.  
Кейбір металдардың кристалдық торлары бір түрден басқа түрге топтастырылуы мүмкін. Әдетте бұл температуралық жағдай өзгергенде жүреді. Мұндай жағдайларда сол элемент әр түрлі аллотропиялық пішінде немесе түр өзгерісте болады. Бір металдың әр түрлі аллотропиялық түр өзгерістері өздерінің қасиеттерімен және тұрақтылығымен ерекшеленеді. Бір түр өзгерістен басқаға ауысуы жылудың бөлінуімен немесе сіңірілуімен жүреді.  
Бұған қалайының екі аллотропиялық түр өзгерістерінің өзара ауысуы мысал болады:  
α – Sn ↔ β – Sn ΔН ≤ 0  
Әрбір аллотропиялық модификацияның өзінің оңтайлы сыртқы (көбірек қолайлырақ) жағдайлары бар: температура мен қысым.  
Кристалда жылжымалы электрондардың болуы жай заттарға – тек металдарға тән қасиеттерді көрсетеді. Бірақ бұл қасиеттер әр түрлі металдарда, кристалдық торларының (металдық) типі бірдей болғанына қарамастан кең аумақта ауытқиды. Өйткені металдың табиғатына, оның атомының құрылысына, құрылымдық бөлшектерінің өлшеміне, олардың жинақталуының тығыздығына тәуелді.  
Электр және жылу өткізгіштік. Электр өрісінде байланыспаған электрондар бағытталған қозғалыста болады, яғни электр тогы пайда болады. Күміс және мыстың электрөткізгіштігі жоғары, содан кейін алтын, алюминий және темір келеді. Сынаптың электрөткізгіштігі сияқты өзгереді. Жылуөткізгіштік электрондардың қозғалғыштығымен және кристалдағы бөлшектердің тербелмелі қозғалысымен байланысты. Осындай құбылыстың әсерінен металл кесегінде температураның жылдам теңесуі жүреді. Шыны стақанға қарағанда күміс қасық 500 есе жылдам қазады.  
Металдық жылтыр. Барлық металдар жылтырайды, мөлдір емес, көбінесе сұр түсті болады, өйткені олардың кристалдарының ішіндегі кеңістік электрон газымен толтырылған. Электрондар жарықты сіңіргенде тербеле бастайды және адамның көзіне көрінетін өзінің сәуле толқындарын шығарады. Металдар радиотолқындары үшін де мөлдір емес: олар оны шағылдырады. Радиолокация, металдық денелерді анықтау осыған негізделген.  
Пластикалық (иілгіштік). Металдарды соққанда ұсақталмайды, олар пішінін өзгертіп жұқарады, яғни созылғыш болады. Бұл металл кристалында жекелеген атомдар мен иондардың қабаттары металдық байланысты бұзбай бір-біріне салыстырмалы ығысатындықтан болады. Электрондар металдың бүкіл кесегінде қозғалады және ығысқан қабаттарды байланыстырады. Металдардың пластикалығы мынадай қатарда кемиді: Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe. Мысалы, алтынды әр түрлі заттарды алтындандыруға қолданатын қалыңдығы 0,003 мм қабықшаға дейін созуға болады. Металдардың пластикалығы кристалдық торлардың әр түрлі құрылысымен түсіндіріледі. Кубтық торлары бар металдардың пластикалығы басым, өйткені, атом қабаттары жоғары, төмен және горизонталь (көлденең) бағытта ығысады. Гексагональді торда металдарда атомдардың тек бір сырғанау жазықтығы бар және пластикалығы төмен.  
Металдардың жалпы қасиеттерімен бірге ерекше қасиеттері де бар. Бұл металдарда әр түрлі өлшемді иондар мен атомдардың болуымен, олардың кеңістікте әр түрлі орналасумен түсіндіріледі; валенттік электрондар саны және металдық байланыстың беріктігі де әр түрлі.  
Балқу температурасы. 1000°С-тан жоғары температурада балқитын металдарды қиын балқитын, 1000°С-тан төмен балқитын металдарды жеңіл балқитын металдар деп атайды.  
Элементтердің периодтық жүйесінде период бойынша солдан оңға қарай балқу температурасы алдымен өседі, содан кейін төмендейді. Максимум V және VІ периодтың V – VІ – VІІ топ металдарына келеді. V және VІ период металдарының балқу температураларынан әжептәуір жоғары. Балқу температурасы жоғары элементтер: вольфрам – 3370°С, рений – 3170°С, тантал – 3000°С, осмий – 2700°С. Балқу температурасы төмен элементтер: галий – 30°С, цезий – 28°С, сынап – минус 39°С.  
Тығыздық. Металдар жеңіл (тығыздығы 5г/см3-тен аз) және ауыр деп бөлінеді.  
Ең жеңіл металдар – сілтілік металдар. Мысалы, литий судан екі есе жеңіл, ең ауыр металл – осмий, оның тығыздығы судың тығыздығынан 22 есе артық.  
Период бойынша солдан оңға тығыздық алғашында өседі, содан кейін төмендейді. ІV және V период металдарының тығыздықтары салыстырмалы түрде бір-біріне жақын, VІ период металдарының тығыздықтары жоғары. Барлық периодта тығыздықтың максимумы VІІ – VІІІ топ металдарына келеді. Тығыздықтары жоғары металдар: тантал – 16,5, вольфрам – 19,3, рений – 20,9, осмий – 22,5, иридий – 22,4, платина – 21,5, алтын – 19,3. Тығыздығы төмен сілтілік металл литий – 0,5.  
Тығыздығы төмен металдар, мысалы, Мg, Аl және Ті зымыран, ұшақ, автомобиль өндірісінде қолданылады.  
Қаттылығы. Сілтілік металдар өте жұмсақ, олар пышақпен оңай кесіледі, ал осмий, тантал, вольфрам қиын өңделеді. Металдардан ең қаттысы – хром, оны кесетін құралдарды дайындауда қолданады.  
Қазіргі кезде адам өмірінде металдың рөлі ерекше. Металдар техникада маңызды конструкциялық материалдар болып табылады. Олар автомобильдің, ұшақтың, зымыранның, станоктың, нақты аспаптың, электрондақ техниканың негізі. Металдар – бұл құрылыс конструкциясы, химиялық реакторлар, құбырлар, мұнай мұнарасы және т.б. Қазіргі техникада қырықтан астам металл қолданылады. Бірақ адам үшін қандай да бір пайдалы қасиеті болса да металдарда бүгін ғалымдар мен конструкторларға қажет қасиеттердің жиынтығы жоқ. Мысалы, алюминий электр тогын жақсы өткізеді, жеңіл, бірақ өте жұмсақ. Сондықтан таза металдар сирек қолданылады. Көп жағдайларда қазіргі машиналарды, аспаптарды және конструкцияларды жасау үшін құймалар қолданылады [7].

Металл атомдарының құрылысы (валенттік электрондар саны аз, радиусы үлкен) олардың химиялық қасиеттерін анықтайды. Реакцияларда металл атомдары өздерінің валенттік  электрондарын жеңіл беріп, оң зарядталған  иондарға айналады, Усанович теориясы бойынша негіздік қасиет көрсетеді:  
Ме0 - nе → Меn+  
Металл атомдары үнемі тотықсыздандырғыш қасиет көрсетеді. Электрондарды қабылдайтын атомдар немесе иондар тотықтырғыштар болады. Металдар қатысатын реакциялар және металдар әрекеттесе алатын тотықтырғыш заттар бірінші кестеде берілген.  
2 – Кесте  
Химиялық қасиеттері  
 
Ме – тотықсыздандырғыштар  
Қосылу реакциясы Орын басу реакциясы  
Бейметалдармен әрекеттеседі: Күрделі заттармен әрекеттеседі:  
a) Оттекпен – оксидтер:  
0 0  
2Мg + О2 = 2МgО  
b) Күкіртпен – сульфидтер:  
0 0 +3 -2  
2Аl + 3S = Аl2S3  
c) Галогендермен – галогенидтер:  
0 0 +1 -1  
2Nа + Сl2 = 2NаСl  
d) Азотпен – нитридтер:  
0 0 +2 -3  
3Са + N2 = Са3N2  
e) Көміртекпен – карбидтер:  
0 0 +3 -4  
4Аl + 3С = 2Аl4С3  
f) Сутекпен – гидридтер:  
0 0 +1 -1  
2Nа + Н2 = 2NаН а) сумен:  
0 +1 +1 0  
2Lі + 2Н2О = 2LіОН + Н2↑  
b) оксидтермен:  
0 +3 +3 0  
2Аl + Ғе2О3 = Аl2О3 + 2Ғе  
с) қышқылдармен:  
0 +1 +2 0  
Zn + Н2SО4 = ZnSО4 + Н2↑  
d) тұздармен:  
0 +2 +2 0  
Ғе + СuSО4 = ҒеSО4 + Сu  
е) сілтілермен екідайлы қасиет көрсететін металдармен:  
0 +1 +3  
2Аl + 6Н2О + 2NаОН = Nа[Аl(ОН)4]  
0  
+ 3Н2↑  
f) тотықтырғыш-заттармен: (НNО3, Н2SО4(конц):  
0 +5 +2 +4  
Сu + 4НNО3 = Сu(NО3)2 + 2NО2 + 2Н2О  
 
Егер бұл реакцияларды қышқылдар мен негіздер теориясы тұрғысымен қарастырса, онда металдар үнемі негіздік қасиет көресетеді деп айтуға болады.  
Металдардың тотықсыздандырғыштық қабілеті әр түрлі: натрий ауадағы оттекпен жылдам, ал мыс тек қыздырғанда тотығады. Темір шеге мыс купоросының ерітіндісінде (СuSО4) қызғылт мыс қабатымен қапталады, ал мыс сымы темір купоросының (ҒеSО4) ерітіндісінде өзгермейді. Металдардың әр түрлі тотықсыздандырғыштық қасиетін ескеріп, орыс ғалымы Н.Н.Бекетов 1865 жылы активті металдардың ығыстыру қатарын құрастырды. Оны қазіргі кезде металдардың электрохимиялық кернеу қатары деп атайды.  
 
Lі К Са Nа Мg Аl Zn Ғе Nі Sn Рb Н Сu Нg Аg Рt Аu  
металдардың тотықсыздандырғыштық қасиеті  
күшейеді әлсірейді  
Металдардың активтілігі оның тұзының ерітіндісіне металл пластинкасын салғанда пайда болатын кернеумен анықталатыны дәлелденді. Мұндай жүйені электрод деп атайды. Металл/ерітінді бөліну шекарасында пайда болған потенциалдың айырымы электрод потенциалы деп аталады. Жеке электродтың потенциалын тікелей өлшеуге болмайды. Сондықтан электродты потенциалды кез келген температурада шартты түрде потенциалы нөл деп алынған салыстырмалы стандартты сутектік электродпен өлшейді.  
Зерттелетін электрод пен стандартты сутектік электродтан құрастырылған тізбекте пайда болған кернеуді электродтық потенциал деп атайды.  
Электродтық потенциалды әдетте Е әрпімен белгілейді. Сонымен бірге оны тотығу-тотықсыздану потенциалы деп те атайды. Стандартты жағдайдағы электродтың потенциалын стандарттық электродтық потенциал деп атайды және Е0 деп белгілейді (стандартты жағдай: температура – 298 К, қысым – 101,325 Па және ерітіндідегі барлық компоненттердің концентрациясы – 1 моль/л).  
Стандартты электродтық потенциалды белгілегенде Е0 таңбасы берілген сол потенциал жататын жүйені көрсетеді. Мысалы, Е0 Lі+/Lі Lі+ + ē ↔ Lі0 жүйесіне жатады. Е0 2Н+/Н2 жазуы стандартты сутектік потенциалды білдіреді.  
Металдарды стандартты электродтық потенциалдарының алгебралық шамаларының ретімен орналастырса, екінші кестеде келтірілгендей қатар алынады.  
 
3 – Кесте  
Сулы ерітінділердегі стандартты электродтық потенциалдың қатары  
 
Электрод  
 
То-  
тық-  
қан  
түрі  
 
Тотықтырғыш қасиеттерінің күшеюі  
 
Lі+  
К+  
Са+  
Nа+  
Мg2+  
Аl3+  
Мn2+  
Zn2+  
Сr3+  
Ғе2+  
Nі2+  
Sn2+  
Рd2+  
2Н+  
Сu2+  
Нg2+  
Аg+  
Рt2+  
Аu3+  
 
То-  
тық-сыз-дан-ған түрі  
Lі  
К  
Са  
Nа  
Мg  
Аl  
Мn  
Zn  
Сr  
Ғе  
Nі  
Sn  
Рd  
Н2  
Сu  
Нg  
Аg  
Рt  
Аu  
 
Тотықтырғыш күштерінің күшеюі  
 
Е0, В  
-3,05  
-2,93  
-2,87  
-2,71  
-2,36  
-1,66  
-1,18  
-0,76  
-0,74  
-0,44  
-0,25  
-0,14  
-0,13  
0  
0,34  
0,79  
0,80  
1,20  
1,50  
 
Көптеген металдар үшін стандартты электродтық потенциал эксперимент жүзінде анықталған. Бірақ сілтілік және сілтілік-жер металдардың Е0 шамасын тек теориялық жолмен есептейді, өйткені бұл металдар сумен әрекеттеседі.  
Стандартты электродтық потенциал қатары металдардың химиялық қасиеттерін сипаттайды. Потенциалдың алгебралық шамасы неғұрлым аз болса, бұл металдың тотықсыздандырғыштық қабілеті соғұрлым төмен болады.  
Сулы ортада жүретін тотығу-тотықсыздану процестерін кристалдық тордың бұзылу энергиясына, атомнан электронды үзіп алу энергиясына, сондай-ақ иондардың гидраттану энергиясына тәуелді. Осымен неліктен металдардың электрохимиялық кернеу қатарында бірінші орында франций емес (ең активті сілтілік металл) литий тұрғаны түсіндіріледі. Периодтық жүйеде жеке элементтердің қасиетінің өзгеру заңдылықтары көрсетілген, ал электрохимиялық кернеу қатары сулы ортадағы металдардың активтілігін сипаттайды. Бұл қатарға енгізілген сутек, сумен және қышқылдармен реакцияларда металдар мен сутектің тотықсыздандырғыштық активтіліктерін салыстыруға мүмкіндік береді.  
4 – Кесте  
Металдар мен сутектің тотықсыздандырғыштық заңдылықтары  
 
Lі К Са Nа Мg Аl Мn Zn Сr Ғе Nі Sn Рd Н2 Сu Нg Аg Рt Аu  
 
Кәдімгі жағдайда тотығады Қыздырғанда тотығады Тотықпайды  
Кәдімгі жағдайда сумен әрекеттеседі. Н2 және Ме(ОН)n түзіледі Қыздыранда сумен әрекеттеседі. Н2 және металл оксиді түзіледі Сумен әрекеттеспейді  
Сутекті бөліп, қышқылдармен (концентрлі Н2SО4 және НNО3-тен басқасы) әрекеттеседі: 
Мg° + 2Н+ → Мg2+ + Н°2 Қышқалдармен әрекеттеспейді (концентрлі Н2SО4 және НNО3-тен басқасы)  
Едәуір активті металдар олардың тұздарының ерітінділерінен активтілігі аз металдарды ығыстырады:  
о +2 о +2  
Zn + СuСl2 → Сu + ZnСl2  
Табиғатта тек қосылыстар түрінде кездеседі (сульфидтер, оксидтер, хлоридтер және т.б.) Қосылыстар және бос күйінде кездеседі  
 
Металдардың кернеу қатарын қолданып, олардың ерекше қасиеттерін еске сақтау керек. Мысалы, активтілігі жоғары металдарды Lі, Nа, К, Са, Ва, активтілігі төмен металдарды тұздарының ерітінділерінен ығыстыру реакциясы үшін пайдалануға болмайды.  
Қорғасын сұйылтылған күкірт қышқылымен әрекеттеспейді. Өйткені, оның бетінде бірден аз еритін қорғасын сульфаты РbSО4 тұзынан қорғаныш қабат түзіледі.  
Келтірілген мысалдар көрсеткендей, стандартты электродтық потенциал қатарында қарастырылған процестердің ерекшеліктерін ескеру қажет. Бұл қатар сулы ортада жүретін тотығу-тотықсыздану реакцияларындағы металдардың химиялық активтілігін сипаттайды [8].

Табиғатта жер қыртысында салыстырмалы түрде атомдық массалары  үлкен емес бірден алпыс беске  дейін жеңіл элементтер едәуір мөлшерде болады. Негізгі топша элементтерінің металдарынан натрий, калий, магний, кальций  және алюминий басқаларына қарағанда  жиі кездеседі. Қосымша топша  элементтерінің металдарынан скандий, титан, ванадий, хром, марганец, темір, кобальт, никель, мыс, мырыш, яғни жоғары орналасқан қосымша топша элементтері  кең таралған. Осы аталып өткен  элементтердің едәуір ауыр аналогтары жер қыртысында аздаған мөлшерде болады.  
Табиғатта металдар қосылыстар түрінде кездеседі. Бірақ активті ең төмен металдар табиғи кристалдар – сом тумалар түзеді (Сu, Ag, Au және платина топшасының металдары: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Платина топшасының элементтері әдетте бірімен-бірі қоспада және шашыраңқы күйде кездеседі.  
Кернеу қатарында Li-ден Mg-ге дейін тұрған өте активті металдар табиғатта тұздар түрінде, хлоридтер, сульфаттар, корбонаттар, әсіресе, силикаттар түрінде кең таралған.  
Орташа активті металдар (Mg-ден Нg-қа дейін) жер қыртысында көбінесе, оксидтер және сульфидтер түрінде болады, бірақ олардың басқа минералдары – сульфаттар, фосфаттар, силикаттар да кездеседі.  
Металдарды өнеркәсіпте алу үшін жарамды минералдарды кендер (руда) деп атайды. Егер кендерде бірнеше металдардың қосылыстары болса, онда оларды полиметалдық деп атайды (мысалы, қорғасын-мырыш кендері).  
Еліміздің қойнауы металл кендеріне өте бай. Мамандар Қазақстан жерінде табиғатта кездесуі мүмкін периодтық жүйенің барлық элементтері бар деп есептейді. Алтай тауларында полиметалдық кендердің 900-ге жуық кен орындары анықталған, сондықтан оны Кенді Алтай деп атайды.  
Кендерден металдарды бөліп алумен металлургия айналысады.  
Металлургия – бұл табиғи шикізаттардан металдарды өнеркәсіптік жолмен алу сонымен қатар техника, өндіріс және ғылым саласы.  
Металлургияны қара және түсті деп екіге бөледі. Қара металлургия темір және оның құймаларының өндірісімен айналысады, сондықтан қара металдар өнеркәсібі деп аталады.  
Қалған барлық металдардың өндірісі түсті металдар өнеркәсібі деп аталады.  
Елімізде қара металлургия өндірісімен Қарағандыдағы ірі металлургия комбинаты және Ақтөбе ферроқұйма заводы, Қостанай облысындағы Соколов-Сарыбай және Лисаков кен-байыту комбинаттары айналысады.  
Елімізде түсті металлургия жетекші өндіріс болып табылады. Түсті металдар өндірісімен Балқаш және Жезқазған кен-металлургия комбинаттары, Өскемен қорғасын-мырыш және титан-магний комбинаттары, Риддер (бұрынғы Лениногор) полиметалл және Үлбі металлургия комбинаттары, Шымкент қорғасын, Павлодар алюминий заводтары айналысады [5].  
Металлургия - адамзат іс-әрекетінің ертедегі саласы. Кендерден металдарды алудың негізгі жолдары - өртеу және балқыту көп ғасырдан бері белгілі. Бірақ қазіргі металлургия басқаша. Бұл адамға қажетті металдар мен құймалардың санының артуына байланысты. Қазіргі кезде металлургиялық өнеркәсіптерден 75 металл және қасиеттері әр түрлі 5000 құйма алынады.  
Авиациялық және ғарыштық техникалар үшін көп мөлшерде алюминий және титан алады. Қазіргі жаңа техникада, өнеркәсіпте алынуы туралы бұрын сөз болмаған металдар қолданылады. Бұл цирконий, бериллий, индий, гафний, ниобий және т.б. Көптеген металдарды алу үшін дәстүрлі балқыту әдісі қолайлы болмай отыр. Сондықтан кендерден металдарды алудың жаңа тәсілдерін жасау қажет болды. Қазіргі металлургия металдарды бөлуде қолданылатын әдістеріне байланысты бірнеше салаға бөлінеді. Кендерден металдарды бөлудің кез келген тәсілдерін қолданғанда металл ионының бос атомға дейін тотықсыздану процесі жүреді:  
Меn+ + nе → Ме0  
Металл неғұрлым активті болса, бұл реакция соғұрлым қиын жүреді. Кернеу қатарында магнийге дейін тұрған, ең активті металдар тек электролиз көмегімен алынады. Бұл жағдайда электр тогы тотықсыздандырғыш болып табылады.  
Пирометаллургия. Металдарды жоғары температурада тотықсыздандыру. Тотықсыздандырғыштар: С, СО, Н2, СН4  
Мысты куприттен Сu2О алу:  
Сu2О + С → 2Сu + СО  
Сu2О + СО → 2Сu + СО2  
Сутегімен (Н2) тотықсыздандыру:  
МоО3 + 3Н2 → 3Н2О + Мо  
Гидрометаллургия. Металдарды тұздарының ерітінділерінен алу. Кенді қышқылда еріту:  
СuО + Н2SО4 → СuSО4 + Н2О  
Ерітіндіден металды бөлу:  
СuSО4 + Ғе → Сu + ҒеSО4  
Электрометаллургия. Электр тоғы көмегімен металдарды алу. Активті металдарды (Li-ден Аl-ге дейін) қосылыстарының балқымаларын электролиздеп, ал қалған металдарды – ерітінділерін электролиздеп алады.  
Металлотермия. Металдарды активті металдармен тотықсыздандыру (Mg, Al, Ca, Na және т.б.)  
Магнийтермия:  
ТіО2 + 2Mg → 2MgО + Ті  
Алюминотермия:  
Сr2О3 + 2Al → Al2О3 + 2Сr  
Көміртекпен (кокспен) тотықсыздандыруды металдар карбидтер (көміртекпен қосылысы) түзбеген немесе берік емес карбидтер түзген жағдайда қолданады. Мұндай жолмен темірді, мысты, мырышты, қалайыны, қорғасынды және т.б. алады.  
Металлотермия әдісімен кокстеу және көміртектің басқа қосылыстарын тотықсыздандыру арқылы алынбайтын металдарды алады, себебі, олар берік карбидтер түзеді. Бұл: марганец, хром, титан, молибден, вольфрам.  
Сутекпен тотықсыздандыру әдісін металдарды жоғары тазалықта алуда қолданады.  
Гидрометаллургия әдісін алтын, күміс, мырыш, кадмий, уран және т.б. алу үшін қолданады. Жеңіл металдарды олардың балқытылған оксидтері мен хлоридтерін электролиздеп алады.  
Металлургиялық процестер өндірістің бірнеше сатыларынан тұрады (кесте).  
 
 
1 – Кесте  
Металлургиялық үрдістердің сатылары  
 
1  
Кенді ұсақтау  
 
2  
Кендерді байыту (бос жынысты шығару)  
 
3  
Агломерация (белгілі өлшемді кендердің кесегін дайындау)  
 
4  
Металды тотықсыздандыру  
 
5  
Металды тазалау  
 
6  
Термиялық өңдеу (металды босату)  
 
7  
Механикалық өңдеу (прокаттау, іріктеу, металды штамповкалау)  
 
Табиғатта мүлдем жоқ элементтер-металдар атап айтқанда: технеций (№43), прометий (№61), франций (№87), сонымен бірге трансуран элементтері, нептунийден (№93) №115-элементке дейін (1937 жылдан бастап) ядролық реакциялардың көмегімен алынған.  
Ядролық реакциялардың негізі – ол бастапқы элементтің ядросын әр түрлі бөлшектермен атқылағанда ядроның құрамы өзгеріп, алынатын элементтің ядросына сәйкес келуі. «Снарядтар» ретінде нейтрондар, сутек изотоптары (дейтерий 12D), гелий ядросы 42Не, сонымен бірге ауыр элементтердің ядросы: 126С, 168О, 2210Nе қолданылады. Бұл «снарядтардың» барлығын үлкен жылдамдықта ерекше қондырғыларда – ядролық күшейткіштерде алады. Бұл реакциялардың жазылу жүйесі технецийді алу мысалында көрсетілген:  
9642Мо + 21D = 10n↑ + 9743Тс  
нысана снаряд негізгі өнім  
(жоғары цифрлар – атомдардың массалары, төменгі цифрлар – ядро зарядтары) [6].