Metallit muodostavat suurimman osan jaksollisen järjestelmän kemiallisista alkuaineista, ja ne kuuluvat monipuolisimpien ja hyödyllisimpien tunnettujen aineiden joukkoon. Metallien työstötekniikoiden kehittäminen materiaalien luomiseksi oli todennäköisesti yksi ihmiskunnan historian tärkeimmistä edistysaskelista. Metallit ovat kaikkialla läsnä nykymaailmassa. Sillat, pilvenpiirtäjät, padot ja autot – useimmat teolliset ja suuret rakenteet koostuvat kokonaan tai ainakin osittain metalleista, ja metallit ovat olennainen komponentti useimmissa nykyaikaisissa elektroniikkalaitteissa.
Tämän sanottuaan termi ”metalli” on hyvin laaja, ja se kattaa useita aineita, joilla on erilaisia ominaisuuksia, kuten lyijyn (tiheä raskasmetalli), elohopean (nestemäinen metalli) ja natriumin (pehmeä metalli, jota voi leikata veitsellä). Mikä siis tekee metallista metallin, ja mitkä ovat metallien ominaisuuksia, jotka tekevät niistä niin käyttökelpoisia?
Mitä ovat metallit?
Kemiassa termillä ”metalli” viitataan tavallisesti alkuaineisiin, jotka sijoittuvat jaksollisen järjestelmän d-lohkon ryhmiin 3-12. Näitä alkuaineita kutsutaan joskus ”siirtymämetalleiksi”. Metallit erotetaan epämetalleista niiden ominaisuuksien perusteella. Metallien yleisiä ominaisuuksia ovat mm:
- Kovuus – metallit ovat yleensä kovia ja kestävät muodonmuutoksia
- Muovattavuus & Sitkeys – metallit pystyvät taipumaan ja muuttamaan muotoaan rikkoutumatta
- Johtavuus – metallit ovat yleensä hyviä lämmön- ja sähkönjohtimia
- Kiilto – metalleilla on ainutlaatuinen, kiiltävä ulkonäkö
- Magnetismi – monet metallit ovat ferromagneettisia tai paramagneettisia
Näiden fysikaalisten ominaisuuksien lisäksi metalleilla on myös erityisiä kemiallisia ominaisuuksia. Metalleilla on yleensä alhainen ionisaatioenergia ja ne muodostavat helposti positiivisia ioneja. Useimmilla metalleilla on emäksinen luonne, ja ne reagoivat happojen kanssa muodostaen suoloja ja vettä.
Metallit muodostavat valtaosan jaksollisen järjestelmän alkuaineista. Noin 91 tunnetuista 118 alkuaineesta luokitellaan metalleiksi. Kuusi alkua (boori, pii, germanium, arseeni, antimoni ja telluuri) luokitellaan yleisesti metalloideiksi, ja niillä on sekoitus metallisia ja epämetallisia ominaisuuksia.
Mikä tekee metallista metallin?
Esi-isäksi olemme vain luetelleet muutamia metallien yhteisiä ominaisuuksia. Lisäkysymys on: Miksi metalleilla on ne ominaisuudet, jotka niillä on? Toisin sanoen, mikä metallisten alkuaineiden rakenteessa selittää niiden yleisesti havaitut ominaisuudet?
Metallien ainutlaatuiset ominaisuudet voidaan selittää niiden atomi- ja elektronirakenteilla. Jaksollisen järjestelmän d-lohkossa olevilla alkuaineilla on yleensä useita tyhjiä orbitaaleja elektronikuoressa. Kun metalliatomit ryhmittyvät, niiden elektronit delokalisoituvat ja jakautuvat tasaisesti atomien kesken. Metallia voidaan ajatella positiivisesti varautuneiden kationien ristikkona, jota ympäröi elektronien ”meri”. Tyhjien elektroniorbitaalien suuri määrä tarkoittaa, että elektronit voivat liikkua atomista toiseen helposti. Metallisidosten delokalisoitunut luonne selittää metallien ainutlaatuiset ominaisuudet.
Seuraavassa osiossa tarkastelemme perusteellisesti eräitä metallien keskeisiä ominaisuuksia ja selitämme, miten ne syntyvät niiden atomi- ja elektronirakenteista
5 Metallien hämmästyttäviä ominaisuuksia
Kovuus
Suoraan sanottuna kaikki metallit eivät ole kovia tavanomaisissa lämpötiloissa ja paineissa. Elohopea on huoneenlämmössä nestemäistä ja gallium sulaa kämmenelläsi kuumana päivänä. Jotkin metallit, kuten natrium ja kalium, ovat hyvin pehmeitä ja niitä voi leikata veitsellä kuin kakkua.
Mutta monet metallit ovat tunnetusti sitkeitä ja kestävät mekaanista muodonmuutosta. Tämä sitkeys on yksi syy siihen, miksi metallit ovat niin käyttökelpoisia teollisissa ja laajamittaisissa sovelluksissa. Metallien kovuus voidaan selittää tavalla, jolla niiden atomit on järjestetty toisiinsa nähden. Useimmilla metalleilla on hyvin voimakkaita molekyylien välisiä vetovoimatekijöitä, jotka saavat niiden atomit pakkautumaan hyvin tiiviisti yhteen. Koska atomit ovat niin lähellä toisiaan, niiden välissä on hyvin vähän tilaa, eivätkä ne voi juurikaan liikkua, kun niihin kohdistetaan ulkoinen voima. Sama periaate selittää metallien tyypillisesti suuren vetolujuuden.
Atomien tiivis fyysinen sijoittelu selittää myös sen, miksi metallit ovat yleensä tiheitä ja raskaita. Tiheys on massan määrän mitta tilavuusyksikköä kohti. Kun atomit ovat hyvin lähellä toisiaan, massaa tilavuusyksikköä kohti on paljon, joten metallit ovat tiheitä
Muovattavuus & Muovattavuus
Yksi metalleihin liittyvä keskeinen ominaisuus, joka tekee niistä niin käyttökelpoisia, on se, että metalleja voidaan muotoilla ja muokata murtumatta tai menettämättä sitkeyttä. Metallit ovat hyvin muovattavia, mikä tarkoittaa, että niitä voidaan puristaa tai litistää murtumatta tai pirstoutumatta. Esimerkiksi kulta on hyvin muokattava metalli. Tulitikkurasian kokoinen kultakimpale voidaan litistää tenniskentän kokoiseksi levyksi. Muovattavuudella tarkoitetaan aineen kykyä muovautua menettämättä sitkeyttä. Metallit ovat sitkeitä, koska ne voidaan muovata uusiksi rakenteiksi lujuutta menettämättä.
Metallien muovattavuus ja sitkeys selittyvät metallisten sidosten delokalisoituneella luonteella. Koska elektronit ovat delokalisoituneita, metalliatomien levyt voivat liukua toisiaan vasten rikkomatta kemiallisia sidoksia. Tämä on täysin päinvastaista kuin mitä esimerkiksi hauraassa ioniyhdisteessä voisi tapahtua. Ioniyhdisteessä atomit on lukittu jäykkään rakenteeseen, jossa positiiviset ja negatiiviset ionit ovat linjassa keskenään. Kun yksi kerros siirtyy voiman vaikutuksesta, positiiviset ja negatiiviset ionit muuttuvat epäkohdistetuiksi ja hylkivät toisiaan. Torjunta aiheuttaa aineen murtumisen.
Lämpö & Sähkönjohtavuus
Metallit tunnetaan myös johtavina eli ne pystyvät varastoimaan ja siirtämään hyvin lämpöä ja sähköä. Metallien kykyä varastoida ja siirtää lämpöä ja sähköä kutsutaan vastaavasti lämmönjohtavuudeksi ja sähkönjohtavuudeksi.
Lämmönjohtavuus
Metallien tiedetään olevan hyviä lämmönjohtajia. Lämmönjohtavuus selittää, miksi voit lämmittää metallipannun liedellä ja käyttää sitä ruoanlaittoon. Lämpö liedeltä siirtyy metallipannuun. Tuo lämpö siirtyy sitten ruokaan, kun se kypsennetään. Metallit ovat hyviä lämmönjohtimia, koska niiden tiivis atomirakenne absorboi liike-energiaa erittäin tehokkaasti. Pohjimmiltaan lämpö on vain molekyylien liikettä. Jonkin asian lämmittäminen on sama kuin sen muodostavien molekyylien nopeampi liike. Koska metalliatomit ovat pakkautuneet hyvin tiiviisti yhteen, minkä tahansa atomin liike (lämpö) siirtyy helposti naapureihinsa.
Sähkönjohtavuus
Metallit ovat hyviä sähkönjohtimia, koska niissä on vapaasti liikkuvia delokalisoituneita elektroneja. Kun metalliin kytketään sähköjännite, sähkökenttä käynnistää elektronien varausten liikkeen. Koska elektronit ovat delokalisoituneita, ne liikkuvat hyvin helposti elektronikentän vaikutuksesta. Johtavissa metalleissa elektronit virtaavat aina negatiivisesta napasta positiiviseen napaan.
Hohto
Metallit tunnetaan myös niiden ainutlaatuisesta ulkonäöstä. Valossa metalleille on ominainen kiiltävä ulkonäkö. Tämä kullan, hopean ja platinan kaltaisten metallien esteettisesti miellyttävä kiilto selittää niiden arvon ja käytön koruissa ja koristeissa.
Metallien kiilto voidaan selittää valon ja elektronien vuorovaikutuksella. Metalleissa elektronit ovat delokalisoituneita ja liikkuvat vapaasti. Kun valo (mikä tahansa EM-säteily) osuu pintaan, elektronit absorboivat fotoneja ja siirtyvät kiihdytettyyn energiatilaan. Kun elektroni palaa takaisin perustilaansa, se vapauttaa energiaa fotonin muodossa. Koska systeemin energiamäärän on pysyttävä vakiona, elektronin emittoiman fotonin taajuus on sama kuin elektronin alun perin absorboiman fotonin taajuus. Ihmissilmä havaitsee tämän prosessin metalleihin liittyvänä kiiltävänä heijastavana hohtona.
Magnetismi
Metalleille ominainen ominaisuus on myös niiden kyky tuottaa magneettikenttiä ja vaikuttaa niihin. Elektronien perustavanlaatuinen ominaisuus on, että ne tuottavat magneettisen dipolin; eli magneettisen vaikutusalueen, jossa on positiivinen ja negatiivinen napa. Normaalioloissa metallien elektronit ovat sekaisin niin, että niiden dipolit eivät ole linjassa toistensa kanssa.
Ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta elektronit kuitenkin suuntautuvat niin, että kaikki niiden dipolit osoittavat samaan suuntaan. Dipolien kumulatiivinen vaikutus johtaa makroskooppiseen magneettikenttään, joka voi työntää ja vetää esineitä. Metallit ovat alttiita magnetoitumaan, koska niissä on lukuisia avoimia elektroniorbitaaleja. Koska metalleissa on paljon avoimia orbitaaleja, elektronit voivat liikkua ja vaihtaa suuntaa paljon, joten niiden magneettikentät on helpompi saada kohdistettua.
Materiaaleja, jotka muuttuvat magneettisiksi ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta, kutsutaan paramagneettisiksi. Kokeile tätä koetta kotona: Ota ruuvimeisseli, muutama neula ja keittiömagneetti. Neulojen koskettaminen ruuvimeisselin kärkeen ei tee mitään, koska vetovoimaa ei ole. Pidä seuraavaksi neuloja keittiömagneettia vasten minuutin tai kaksi. Kun otat neulat pois, sinun pitäisi huomata, että ne vetävät nyt puoleensa ruuvimeisselin kärkeä. Tämä johtuu siitä, että keittiömagneetin magneettikenttä kohdistaa neulan elektronit uudelleen niin, että niiden magneettiset navat ovat kaikki samassa linjassa.
Useimmat paramagneettiset materiaalit eivät pysy magneettisina loputtomiin. Materiaalin satunnaiset lämpövaihtelut aiheuttavat lopulta sen, että dipolit muuttuvat jälleen epäkohdistuneiksi. Jotkut materiaalit pystyvät säilyttämään magneettiset ominaisuutensa sen jälkeen, kun magneettikenttä on poistettu. Tällaisia materiaaleja kutsutaan ferromagneettisiksi. Nikkeli ja rauta ovat kahdenlaisia ferromagneettisia metalleja.