Metaller, der udgør hovedparten af de kemiske grundstoffer i det periodiske system, er blandt de mest alsidige og nyttige stoffer, der kendes. Udviklingen af metalbearbejdningsteknologier til at skabe materialer var sandsynligvis et af de vigtigste fremskridt i menneskets historie. Metaller er allestedsnærværende i den moderne verden. Broer, skyskrabere, dæmninger og biler – de fleste industrielle og store konstruktioner består helt eller i det mindste delvist af metaller, og metaller er en væsentlig komponent i det meste moderne elektronik.
Det sagt er udtrykket “metal” meget bredt og omfatter en række stoffer med forskellige egenskaber, f.eks. bly (et tæt tungmetal), kviksølv (et metal, der er flydende) og natrium (et blødt metal, man kan skære i med en kniv). Så hvad er det, der gør et metal til et metal, og hvad er nogle af metallernes egenskaber, der gør dem så nyttige?
Hvad er metaller?
I kemi bruges udtrykket “metal” normalt til at henvise til grundstoffer i gruppe 3-12 i d-blokken i det periodiske system. Disse grundstoffer kaldes undertiden “overgangsmetaller”. Metaller adskiller sig fra ikke-metaller i kraft af deres egenskaber. Nogle almindelige egenskaber ved metaller omfatter:
- Hårdhed – metaller har en tendens til at være hårde og modstandsdygtige over for deformation
- Formbarhed & Duktilitet – metaller kan bøjes og ændre form uden at gå i stykker
- Ledningsevne – metaller har en tendens til at være gode ledere af varme og elektricitet
- Lyst – metaller har en unik, skinnende visuelt udseende
- Magnetisme – mange metaller er ferromagnetiske eller paramagnetiske
Ud over disse fysiske egenskaber har metaller også specifikke kemiske egenskaber. Metaller har tendens til at have lave ioniseringsenergier og danner let positive ioner. De fleste metaller har en basisk karakter og vil reagere med syrer for at danne salte og vand.
Metaller udgør langt størstedelen af grundstofferne i det periodiske system. Omkring 91 af de 118 kendte grundstoffer er klassificeret som metaller. 6 grundstoffer (bor, silicium, germanium, arsen, antimon og tellur) klassificeres almindeligvis som metalloider og har en blanding af metalliske og ikke-metalliske egenskaber.
Hvad gør et metal til et metal?
Så langt har vi blot oplistet nogle få fælles egenskaber, som metaller har til fælles. Et andet spørgsmål er: Hvorfor har metaller de egenskaber, som de har? Det vil sige, hvad er det ved metalelementernes struktur, der forklarer deres almindeligt observerede egenskaber?
De unikke egenskaber ved metaller kan forklares ved deres atom- og elektronstrukturer. Elementer i d-blokken i det periodiske system har en tendens til at have flere tomme orbitaler i elektronskallen. Når metalliske atomer er sammenklumpede, bliver deres elektroner delokaliseret og deles jævnt mellem atomerne. Man kan forestille sig et metal som et gitter af positivt ladede kationer omgivet af et “hav” af elektroner. Det store antal tomme elektronorbitaler betyder, at elektronerne let kan bevæge sig rundt fra atom til atom. Den delokaliserede karakter af metalbindinger er det, der forklarer metallernes unikke egenskaber.
I næste afsnit vil vi se nærmere på nogle af metallernes vigtigste egenskaber og forklare, hvordan de fremkommer ud fra deres atom- og elektronstrukturer
5 fantastiske egenskaber ved metaller
Hårdhed
Strengt taget er det ikke alle metaller, der er hårde ved standardtemperaturer og -tryk. Kviksølv er flydende ved stuetemperatur, og gallium smelter i din håndflade på en varm dag. Nogle metaller, f.eks. natrium og kalium, er meget bløde og kan skæres med en kniv, ligesom en kage.
Men mange metaller er kendt for at være hårde og modstandsdygtige over for mekanisk deformation. Denne sejhed er en af grundene til, at metaller er så nyttige til industrielle og storstilede anvendelser. Metallernes hårdhed kan forklares ved den måde, hvorpå deres atomer er anbragt i forhold til hinanden. De fleste metaller har meget stærke intermolekylære tiltrækninger, som får deres atomer til at ligge meget tæt sammen. Fordi atomerne sidder så tæt sammen, er der meget lidt plads mellem dem, og de kan ikke bevæge sig meget, når der påføres en ydre kraft. Det samme princip forklarer metallernes typisk høje trækstyrke.
Den tætpakkede fysiske placering af atomerne forklarer også, hvorfor metaller har en tendens til at være tætte og tunge. Densitet er et mål for mængden af masse pr. volumenenhed. Når atomerne sidder meget tæt sammen, er der en stor mængde masse pr. volumenenhed, så metaller er tætte
Malleability & Duktilitet
En vigtig egenskab ved metaller, der gør dem så nyttige, er, at de kan formes og støbes uden at gå i stykker eller miste deres sejhed. Metaller er meget formbare, hvilket betyder, at de kan komprimeres eller fladtrykkes uden at knække eller splintre. Guld er f.eks. et meget formbart metal. En enkelt klump guld på størrelse med en tændstikæske kan fladtrykkes til en plade på størrelse med en tennisbane. Duktilitet henviser til et stofs evne til at blive formet uden at miste sin sejhed. Metaller er duktile, fordi de kan formes til nye strukturer uden at miste styrke.
Metalers formbarhed og duktilitet forklares ved metallernes delokaliserede karakter af metalliske bindinger. Fordi elektroner er delokaliserede, kan plader af metalatomer glide mod hinanden uden at bryde nogen kemiske bindinger. Dette er det stik modsatte af, hvad der f.eks. kan ske i en skør ionisk forbindelse. I en ionisk forbindelse er atomerne låst fast i en stiv struktur, hvor positive og negative ioner er rettet ind efter hinanden. Når et lag forskydes af en kraft, bliver de positive og negative ioner ikke justeret og støder hinanden fra hinanden. Denne frastødning får stoffet til at briste.
Thermisk & Elektrisk ledningsevne
Metaller er også kendt for at være ledende, hvilket betyder, at de kan lagre og overføre varme og elektricitet godt. Metallers evne til at lagre og overføre varme og elektricitet kaldes henholdsvis termisk og elektrisk ledningsevne.
Termisk ledningsevne
Metaller er kendt for at være gode termiske ledere. Varmeledningsevne forklarer, hvorfor du kan opvarme en metalpande på komfuret og bruge den til at lave mad. Varmen fra komfuret overføres til metalpanden. Denne varme overføres derefter til maden, når den tilberedes. Metaller er gode varmekonduktorer, fordi deres tæt pakkede atomstruktur absorberer kinetisk energi meget effektivt. Grundlæggende er varme blot molekylernes bevægelse. Opvarmning af noget er det samme som at få dets molekyler til at bevæge sig hurtigere. Da metalatomer er pakket meget tæt sammen, overføres bevægelsen (varmen) fra et atom let til dets naboer.
Elektrisk ledningsevne
Metaller er gode ledere af elektricitet på grund af deres frit bevægelige, delokaliserede elektroner. Når der påføres en elektrisk spænding på et metal, udløser et elektrisk felt bevægelsen af elektronladninger. Fordi elektronerne er delokaliserede, bevæger de sig meget let under påvirkning af et elektronfelt. I ledende metaller flyder elektronerne altid fra den negative terminal til den positive terminal.
Lyst
Metaller er også kendt for deres unikke visuelle udseende. Under lys har metaller et karakteristisk skinnende udseende. Denne æstetisk tiltalende glans hos metaller som guld, sølv og platin forklarer deres værdi og deres anvendelse til smykker og udsmykning.
Metalers glans kan forklares ved interaktionen mellem lys og elektroner. I metaller er elektronerne delokaliserede og kan bevæge sig frit rundt. Når lys (enhver EM-stråling) rammer overfladen, absorberer elektronerne fotoner og går ind i en exciteret energitilstand. Når elektronen falder tilbage til sin grundtilstand, frigiver den noget energi i form af en foton. Da energimængden i systemet skal forblive konstant, har den foton, der udsendes af elektronen, samme frekvens som den foton, der oprindeligt blev absorberet af elektronen. Det menneskelige øje opfatter denne proces som det skinnende reflekterende glimt, der er forbundet med metaller.
Magnetisme
En anden karakteristisk egenskab ved metaller er deres evne til at producere og blive påvirket af magnetfelter. Et grundlæggende aspekt ved elektroner er, at de producerer en magnetisk dipol; dvs. et område med magnetisk påvirkning med en positiv og en negativ pol. Under normale forhold er elektroner i metaller rodet rundt, så deres dipoler ikke står på linje med hinanden.
Men under påvirkning af et ydre magnetfelt vil elektronerne orientere sig, så alle deres dipoler peger i samme retning. Den kumulative virkning af dipolerne resulterer i et makroskopisk magnetfelt, som kan skubbe og trække objekter. Metaller er tilbøjelige til at blive magnetiseret, fordi de har mange åbne elektronorbitaler. Fordi der er mange åbne orbitaler i metaller, kan elektronerne bevæge sig meget rundt og ændre orientering, så det er lettere at få deres magnetfelter rettet ud.
Materialer, der bliver magnetiske under påvirkning af et ydre magnetfelt, kaldes paramagnetiske. Prøv dette eksperiment derhjemme: Tag en skruetrækker, nogle nåle og en køkkenmagnet. Hvis du rører nålene ved spidsen af skruetrækkeren, sker der ikke noget, da der ikke er nogen tiltrækning. Hold derefter nålene mod køkkenmagneten i et minut eller to. Når du tager nålene af, bør du opdage, at de nu tiltrækkes af skruetrækkerens spids. Det skyldes, at det magnetiske felt fra køkkenmagneten omjusterer elektronerne i nålen, så deres magnetiske poler alle er justeret.
De fleste paramagnetiske materialer forbliver ikke magnetiserede i det uendelige. Tilfældige termiske fluktuationer i materialet vil til sidst få dipolerne til at blive ujusteret igen. Nogle materialer er i stand til at bevare deres magnetiske egenskaber, efter at det magnetiske felt er fjernet. Disse typer materialer kaldes ferromagnetiske. Nikkel og jern er to slags ferromagnetiske metaller.