Чего в природе больше: металлов или неметаллов? Анализ с точки зрения металлообработки

Вопрос о соотношении металлов и неметаллов кажется простым только на первый взгляд. Для мастера, работающего с металлоконструкциями, сварщика или технолога термообработки понимание этой пропорции критично: оно влияет на выбор материалов, прогнозирование коррозионной стойкости и даже на экономику производства. В периодической таблице Менделеева на сегодняшний день 118 подтверждённых элементов, но их распределение по классам не так однозначно, как может показаться.

Если открыть любой учебник по химии, вы увидите, что металлы занимают львиную долю таблицы — от щелочных в первой группе до лантаноидов и актиноидов внизу. Но здесь кроется подвох: многие элементы проявляют промежуточные свойства (полуметаллы), а некоторые неметаллы, как например углерод, образуют аллотропные модификации с металлическими характеристиками (графит vs. алмаз). Даже в рамках одной группы — скажем, IVA (кремний, германий, олово, свинец) — переход от неметалла к металлу происходит плавно, что усложняет точный подсчёт.

В этой статье мы не только посчитаем количество металлов и неметаллов по последним данным IUPAC, но и разберём:

• 🔬 Как классифицируют элементы на металлы, неметаллы и полуметаллы — и почему границы между ними размыты.
• 📊 Точное соотношение с учётом последних открытий (2016–2026 гг.) и спорных случаев (например, астат или теннессин).
• ⚙️ Практическое значение для металлообработки: какие неметаллы критичны в сплавах, а какие металлы ведут себя как неметаллы.
• ⚠️ Распространённые заблуждения, которые ведут к ошибкам при выборе материалов для сварки или литья.

1. Официальная классификация: сколько металлов в таблице Менделеева?

По данным Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) на 2026 год, из 118 элементов 94–96 считаются металлами (в зависимости от классификации полуметаллов). Это примерно 80% всех известных элементов. Однако цифра варьируется из-за спорных случаев:

• 🟢 Чистые металлы: 70–75 элементов (от лития до урана, плюс трансурановые металлы). Сюда входят все щелочные (Li, Na, K…), щелочноземельные (Be, Mg, Ca…), переходные (Fe, Cu, Zn…), лантаноиды и актиноиды.
• 🟡 Полуметаллы (металлоиды): 7–9 элементов (B, Si, Ge, As, Sb, Te, At, а также иногда включают Po и Ts). Их свойства зависят от аллотропной модификации и условий.
• 🔴 Неметаллы: 17–20 элементов. Классические примеры: H, C, N, O, F, P, S, Se, Cl, Br, I, а также инертные газы (He, Ne, Ar…).

Важно понимать, что классификация не абсолютна. Например, олово (Sn) при комнатной температуре существует в виде β-олова (металл), но при охлаждении ниже 13°C переходит в α-олово (полуметалл, известный как"серое олово"). А йод (I) в газообразном состоянии ведёт себя как неметалл, но в твёрдой форме проявляет металлический блеск.

⚠️ Внимание: В некоторых источниках астат (At) и теннессин (Ts) относят к неметаллам, но их свойства изучены недостаточно из-за радиоактивности. Для практических целей (например, при работе со сплавами) их обычно игнорируют.

Категория	Количество элементов	Примеры	Доля от общего числа (%)
Металлы	94–96	Fe, Al, Cu, Ti, W, Au	79–81%
Полуметаллы	7–9	Si, Ge, As, Sb, Te	6–8%
Неметаллы	17–20	C, N, O, F, S, Cl	14–17%
Не классифицированы чётко	2–4	At, Ts, Og	1–3%

2. Почему металлов больше: физические причины

Преобладание металлов в таблице Менделеева не случайно. Это следствие квантово-механических свойств атомов:

1. Электронная конфигурация: У металлов внешние электроны слабо связаны с ядром и легко образуют"электронный газ", обеспечивающий тепло- и электропроводность. Неметаллы, напротив, имеют завершённые или почти завершённые внешние оболочки (например, ns²np⁵ у галогенов).
2. Радиус атома: Металлы, как правило, имеют больший атомный радиус, что облегчает отрыв электронов. Исключение — бериллий (Be) и алюминий (Al), которые несмотря на малый радиус, проявляют металлические свойства.
3. Электроотрицательность: У неметаллов она высокая (например, у фтора — 3.98 по шкале Полинга), а у металлов — низкая (у цезия — 0.79). Это определяет их химическое поведение.

Интересно, что в космосе неметаллы распространены шире, чем на Земле. Например, водород (H) и гелий (He) составляют ~98% видимой Вселенной по массе, но на нашей планете они встречаются преимущественно в связанном состоянии (вода, органика, атмосфера). Металлы же, благодаря геологическим процессам, концентрируются в земной коре и ядре.

3. Неметаллы в металлообработке: где они скрываются?

Даже если неметаллов меньше, их роль в металлургии и обработке сплавов трудно переоценить. Вот где они встречаются:

• 🔥 Углерод (C): Основной легирующий элемент в сталях и чугунах. От его содержания зависит твёрдость (например, Fe₃C — цементит) и возможность термообработки.
• 💎 Кремний (Si): Используется как раскислитель в производстве стали (до 0.35%) и как основной компонент в силицидах (например, MoSi₂ для высокотемпературных печей).
• 🧪 Сера (S) и фосфор (P): Вредные примеси в стали, но в малых дозах улучшают обрабатываемость резанием (автоматные стали).
• ⚡ Азот (N): Легирующий элемент в азотистых сталях (например, 38Х2МЮА) для повышения износостойкости.
• 🛡️ Бор (B): Микролегирование (0.001–0.005%) резко повышает прокаливаемость стали.

Особняком стоит графит — аллотропная модификация углерода, которая используется:

• В качестве смазки для резьбовых соединений при высоких температурах.
• Как электродный материал в электроэрозионной обработке.
• В составе композитов (например, карбид кремния SiC для абразивов).

⚠️ Внимание: При сварке нержавеющих сталей даже следовые количества серы (S) и фосфора (P) могут приводить к горячим трещинам. Контролируйте их содержание в присадочных материалах!

Почему вольфрам (W) ведёт себя как металл, но имеет высокую твёрдость?

Вольфрам относится к переходным металлам, но его атомы связаны ковалентными связями внутри кристаллической решётки, что придаёт ему твёрдость, сравнимую с неметаллами (2500–3000 HV). Это делает его идеальным для изготовления режущих инструментов и электродов для аргонодуговой сварки.

4. Полуметаллы: почему их сложно классифицировать?

Полуметаллы (или металлоиды) — это элементы, которые проявляют свойства как металлов, так и неметаллов в зависимости от условий. Их ключевые особенности:

Элемент	Металлические свойства	Неметаллические свойства	Применение в металлообработке
Кремний (Si)	Блеск, электропроводность (в кристаллической форме)	Хрупкость, полупроводниковые свойства	Легирование алюминиевых сплавов (например, силумин)
Германий (Ge)	Металлический блеск	Полупроводник, хрупкий	Термопары, детекторы излучения
Мышьяк (As)	Электропроводность (в серой модификации)	Ядовит, неметаллический блеск	Легирование свинцовых сплавов (подшипники)
Сурьма (Sb)	Хорошая теплопроводность	Хрупкость, низкая электропроводность	Сплавы с оловом (например, баббит)

На практике полуметаллы часто используются как легирующие добавки для свойств сплавов. Например:

• Сурьма (Sb) вводится в оловянно-свинцовые припои для повышения прочности.
• Кремний (Si) в алюминиевых сплавах (серия 4XXX) улучшает литейные свойства.
• Телур (Te) добавляют в медь и нержавеющую сталь для улучшения обрабатываемости резанием.

Однако с полуметаллами нужно работать осторожно: многие из них токсичны (As, Sb, Te) или требуют специальных условий обработки (Ge, Si).

5. Редкие и спорные случаи: астат, теннессин, оганесон

Некоторые элементы таблицы Менделеева до сих пор вызывают споры среди химиков. Рассмотрим три самых проблемных:

1. Астат (At, Z=85):
   • 🔬 Теоретически должен быть галогеном (как F, Cl, Br, I), но его металлические свойства проявляются сильнее из-за релятивистских эффектов.
   • ⚛️ Все изотопы радиоактивны (период полураспада самого стабильного — 8.1 часа), поэтому его свойства изучены плохо.
   • 🛠️ В металлообработке не применяется, но интересен как объект исследований в ядерной физике.
2. Теннессин (Ts, Z=117):
   • 🧪 Предсказан как галоген, но расчёты показывают, что он может проявлять металлические свойства.
   • ⏳ Синтезирован в 2010 году, свойства изучены только теоретически.

Оганесон (Og, Z=118):

• 🎯 Должен быть инертным газом, но релятивистские эффекты делают его полупроводником или даже металлом.
• 🔍 Экспериментально подтверждён только в количестве нескольких атомов.

Эти элементы не имеют практического применения в металлообработке, но их изучение помогает понять границы между металлами и неметаллами. Например, открытие того, что оганесон может быть металлом, заставляет пересмотреть теории о влиянии релятивистских эффектов на химические свойства.

⚠️ Внимание: Если вы встречаете утверждения о"новых сверхтяжёлых металлах" в составе сплавов — это либо ошибка, либо мошенничество. На сегодняшний день ни один элемент тяжелее урана (Z=92) не используется в промышленности из-за крайне малого времени жизни и сложности синтеза.

6. Практические выводы для металлообработки

Знание соотношения металлов и неметаллов помогает в следующих ситуациях:

Проверьте содержание неметаллов (C, S, P) в стали — они влияют на свариваемость

Учитывайте полуметаллы (Si, B) как легирующие добавки для улучшения свойств

Избегайте сплавов с токсичными полуметаллами (As, Sb) без защиты

Контролируйте содержание водорода (H) и азота (N) при сварке высокопрочных сталей

Используйте неметаллы (графит, SiC) для абразивной и электроэрозионной обработки-->

Примеры из практики:

• 🔧 Сварка нержавеющей стали: Высокое содержание хрома (металл) требует использования присадочных материалов с низким содержанием углерода (неметалл), чтобы избежать межкристаллитной коррозии.
• 🔥 Литьё алюминиевых сплавов: Добавка кремния (полуметалл) улучшает текучесть, но требует модифицирования натрием (Na) для измельчения структуры.
• ⚡ Термообработка инструментальной стали: Азот (N) в составе азотистых сталей (например, 40ХФА) повышает твёрдость, но требует точного контроля температуры, чтобы избежать хрупкости.

Также полезно помнить, что некоторые металлы в определённых условиях ведут себя как неметаллы. Например:

• Ртуть (Hg) — жидкий металл, но не проводит тепло так хорошо, как твёрдые металлы.
• Галлий (Ga) — плавится при 29.8°C, что ближе к поведению неметаллов.
• Висмут (Bi) — хрупкий и имеет низкую теплопроводность, как полуметалл.

7. Мифы и заблуждения о металлах и неметаллах

В среде металлообработчиков бытует несколько стойких мифов, которые могут вести к ошибкам:

1. "Все блестящие элементы — металлы":

   ❌ Йод (I) и графит (C) имеют металлический блеск, но являются неметаллами. А вольфрам (W) — металл, но в порошковой форме выглядит как серый неметалл.

2. "Неметаллы всегда хрупкие":

   ❌ Графит пластичен (используется как смазка), а алмаз (тоже углерод) — самый твёрдый природный материал.

3. "Полуметаллы не важны для сплавов":

   ❌ Без кремния (Si) не было бы большинства алюминиевых сплавов, а без бора (B) — высокопрочных сталей.

4. "Металлы всегда проводят электричество":

   ❌ Оксиды металлов (например, Al₂O₃) — диэлектрики. А ртуть (Hg) в парообразном состоянии теряет проводимость.

Ещё одно распространённое заблуждение — что "в природе металлов больше, чем неметаллов". На самом деле:

• В земной коре по массе преобладают неметаллы: кислород (46%), кремний (28%), алюминий (8%). Металлы (Fe, Ca, Na…) занимают второе место.
• Во Вселенной доминируют водород (75%) и гелий (23%) — оба неметаллы.
• В техносфере (созданной человеком среде) металлы преобладают из-за активного использования в конструкциях.

💡

Не верьте упрощённым классификациям! Например, олово может быть и металлом, и полуметаллом, а углерод — и неметаллом (алмаз), и проводником (графит). Всегда проверяйте свойства конкретного материала в заданных условиях.

FAQ: Частые вопросы о металлах и неметаллах

🔍 Почему в таблице Менделеева металлы расположены слева и внизу, а неметаллы — справа и вверху?

Это связано с электронной конфигурацией атомов. Слева и внизу находятся элементы с малым числом валентных электронов (1–3), которые легко отдают — это типичное металлическое поведение. Справа и вверху — элементы с почти завершёнными оболочками (5–7 валентных электронов), которые стремятся принять электроны (неметаллическое поведение). Исключение — водород (H), который стоит отдельно.

⚡ Какие неметаллы наиболее опасны для качества стали?

Три главных"врага" стали:

1. Сера (S): Вызывает красноломкость (хрупкость при высоких температурах).
2. Фосфор (P): Приводит к хладноломкости (хрупкости при низких температурах).
3. Водород (H): Вызывает флокены (микротрещины) в высокопрочных сталях.

Допустимое содержание: S < 0.02%, P < 0.025%, H < 0.0005% для ответственных конструкций.

🛠️ Можно ли сваривать металлы с неметаллами?

Прямая сварка металла с неметаллом (например, стали с графитом) невозможна из-за разницы в температурах плавления и отсутствия взаимной растворимости. Однако есть косвенные методы:

• 🔥 Пайка: Использование припоев (например, медь-серебро) для соединения металла с керамикой.
• 🧲 Диффузионная сварка: Соединение под давлением при высокой температуре (например, титан с графитом).
• 🔗 Механическое крепление: Болты, заклепки, клеи (например, эпоксидные смолы для металла и пластика).

Для промышленных целей часто применяют промежуточные слои (например, металлизация керамики никелем перед пайкой).

🌍 Какой неметалл самый распространённый в земной коре?

Кислород (O) — он составляет 46% массы земной коры, главным образом в виде силикатов и оксидов. Следом идёт кремний (28%), который тоже неметалл (хотя и полуметалл в чистом виде). Металлы начинаются только с третьего места — алюминий (8%).

💰 Как соотношение металлов и неметаллов влияет на цену материалов?

Цена зависит не столько от классификации, сколько от распространённости и сложности добычи:

• 💎 Дорогие неметаллы: Алмаз (C), германий (Ge), селен (Se) — из-за редкости или трудоёмкости очистки.
• 🪙 Дорогие металлы: золото (Au), платина (Pt), рений (Re) — из-за низкой концентрации в рудах.
• ⚖️ Дешёвые металлы: железо (Fe), алюминий (Al) — благодаря высокому содержанию в коре и отработанным технологиям добычи.

Например, кремний (Si) дешёв в виде песка, но очищенный до 99.9999% для электроники стоит в сотни раз дороже.