A periódusos rendszer kémiai elemeinek nagy részét alkotó fémek a legsokoldalúbb és leghasznosabb ismert anyagok közé tartoznak. A fémmegmunkálási technológiák kifejlesztése az anyagok előállítására valószínűleg az emberiség történelmének egyik legfontosabb vívmánya volt. A fémek mindenütt jelen vannak a modern világban. Hidak, felhőkarcolók, gátak és autók – a legtöbb ipari és nagyméretű építmény teljesen vagy legalábbis részben fémből áll, és a fémek a legtöbb modern elektronikai eszköz alapvető alkotóelemei.
Ezzel együtt a “fém” kifejezés nagyon tág, és számos különböző tulajdonságú anyagot foglal magában, mint például az ólom (sűrű nehézfém), a higany (folyékony fém) és a nátrium (késsel vágható lágy fém). Mitől lesz tehát egy fém fém, és milyen tulajdonságai vannak a fémeknek, amelyek miatt olyan hasznosak?
Mik a fémek?
A kémiában a “fém” kifejezést általában a periódusos rendszer d-blokkjának 3-12. csoportját elfoglaló elemekre használják. Ezeket az elemeket néha “átmeneti fémeknek” nevezik. A fémeket tulajdonságaik alapján különböztetik meg a nem fémektől. A fémek néhány gyakori tulajdonsága a következő:
- Keménység – a fémek általában kemények és ellenállnak a deformációnak
- Formálhatóság & Forgékonyság – a fémek törés nélkül hajlíthatók és alakot változtathatnak
- Vezetőképesség – a fémek általában jól vezetik a hőt és az elektromosságot
- Fényesség – a fémeknek egyedi, fényes vizuális megjelenés
- Mágnesesség – sok fém ferromágneses vagy paramágneses
A fizikai tulajdonságok mellett a fémek sajátos kémiai tulajdonságokkal is rendelkeznek. A fémek általában alacsony ionizációs energiával rendelkeznek, és könnyen képeznek pozitív ionokat. A legtöbb fém bázikus jellegű, és savakkal reakcióba lépve sókat és vizet képeznek.
A fémek alkotják a periódusos rendszer elemeinek túlnyomó többségét. A 118 ismert elem közül mintegy 91-et a fémek közé sorolnak. Hat elemet (bór, szilícium, germánium, arzén, antimon és tellúr) általában a metalloidok közé sorolnak, és a fémes és nem fémes tulajdonságok keverékével rendelkeznek.
Mitől lesz egy fém fém fém?
Eleddig csak néhány, a fémek közös tulajdonságát soroltuk fel. További kérdés: Miért rendelkeznek a fémek azokkal a tulajdonságokkal, amelyekkel rendelkeznek? Azaz, mi az, ami a fémes elemek szerkezetében magyarázza általánosan megfigyelt tulajdonságaikat?
A fémek egyedi tulajdonságait atom- és elektronszerkezetükkel magyarázhatjuk. A periódusos rendszer d-blokkjába tartozó elemek elektronhéjában általában több üres pálya található. Amikor a fématomok konglomerálódnak, elektronjaik delokalizálódnak, és egyenletesen oszlanak meg az atomok között. A fémet úgy is elképzelhetjük, mint pozitív töltésű kationok rácsát, amelyet elektronok “tengere” vesz körül. Az üres elektronpályák nagy száma azt jelenti, hogy az elektronok könnyen mozoghatnak atomról atomra. A fémek kötéseinek delokalizált jellege magyarázza a fémek egyedülálló tulajdonságait.
A következő részben részletesen megvizsgáljuk a fémek néhány kulcsfontosságú tulajdonságát, és elmagyarázzuk, hogyan alakulnak ki az atom- és elektronszerkezetükből
5 A fémek csodálatos tulajdonságai
Keménység
Szigorúan véve nem minden fém kemény a szokásos hőmérsékleten és nyomáson. A higany szobahőmérsékleten folyékony, a gallium pedig egy forró napon megolvad a tenyeredben. Néhány fém, mint például a nátrium és a kálium, nagyon puha, és késsel vágható, mint egy sütemény.
Mégis sok fém arról ismert, hogy szívós és ellenáll a mechanikai deformációnak. Ez a szívósság az egyik oka annak, hogy a fémek olyan hasznosak az ipari és nagyipari alkalmazásokban. A fémek keménysége az atomjaik egymáshoz viszonyított elrendeződésével magyarázható. A legtöbb fémnek nagyon erős a molekulák közötti vonzása, ami miatt az atomok nagyon szorosan egymáshoz tapadnak. Mivel az atomok ennyire közel vannak egymáshoz, nagyon kevés hely van közöttük, és külső erő hatására nem tudnak nagymértékben elmozdulni. Ugyanez az elv magyarázza a fémek jellemzően nagy szakítószilárdságát.
Az atomok szoros fizikai elrendeződése magyarázza azt is, hogy a fémek általában miért sűrűek és nehezek. A sűrűség a térfogategységre jutó tömeg mennyiségének mértékegysége. Ha az atomok nagyon szorosan helyezkednek el egymás mellett, akkor nagy mennyiségű tömeg jut egy térfogategységre, ezért a fémek sűrűek
Kovácsolhatóság & Szívósság
A fémek egyik legfontosabb tulajdonsága, ami annyira hasznossá teszi őket, hogy alakíthatók és formálhatók anélkül, hogy eltörnének vagy elveszítenék szívósságukat. A fémek nagyon képlékenyek, ami azt jelenti, hogy összenyomhatók vagy ellapíthatók anélkül, hogy megrepednének vagy összetörnének. Az arany például nagyon jól alakítható fém. Egy gyufásdoboz méretű aranydarabot teniszpálya méretű lemezzé lehet lapítani. A képlékenység egy anyag azon képességére utal, hogy a szívósság elvesztése nélkül alakítható. A fémek képlékenyek, mert új szerkezetekké alakíthatók anélkül, hogy szilárdságukat elveszítenék.
A fémek alakíthatóságát és képlékenységét a fémkötések delokalizált természete magyarázza. Mivel az elektronok delokalizáltak, a fématomok lapjai kémiai kötések felbontása nélkül csúszhatnak egymáson. Ez pontosan az ellenkezője annak, ami például egy rideg ionos vegyületben történhet. Egy ionos vegyületben az atomok merev szerkezetbe vannak zárva, ahol a pozitív és negatív ionok egymáshoz igazodnak. Ha az egyik réteget erő hatására eltoljuk, a pozitív és negatív ionok nem igazodnak egymáshoz, és taszítják egymást. A taszítás hatására az anyag törik.
Thermikus & Elektromos vezetőképesség
A fémekről az is ismert, hogy vezetőképesek, ami azt jelenti, hogy jól tárolják és továbbítják a hőt és az elektromosságot. A fémek hő- és elektromos vezetőképességét hő- és elektromos vezetőképességnek nevezzük.
Thermikus vezetőképesség
A fémek köztudottan jó hővezetők. A hővezető képesség magyarázza, hogy miért lehet egy fémserpenyőt a tűzhelyen felmelegíteni és főzésre használni. A hő a tűzhelyről átkerül a fémserpenyőbe. Ez a hő aztán átadódik az ételnek, amikor az megfő. A fémek azért jó hővezetők, mert szorosan elhelyezkedő atomszerkezetük nagyon hatékonyan elnyeli a mozgási energiát. A hő alapvetően nem más, mint a molekulák mozgása. Valamit felmelegíteni annyi, mint az azt alkotó molekulákat gyorsabb mozgásra késztetni. Mivel a fématomok nagyon szorosan egymáshoz vannak csomagolva, bármely atom mozgása (hője) könnyen átadódik a szomszédos atomoknak.
Elektromos vezetőképesség
A fémek a szabadon mozgó delokalizált elektronjaik miatt jó elektromos vezetők. Amikor egy fémre elektromos feszültséget kapcsolunk, elektromos tér váltja ki az elektrontöltések mozgását. Mivel az elektronok delokalizáltak, nagyon könnyen mozognak az elektronmező hatására. A vezető fémekben az elektronok mindig a negatív pólusról a pozitív pólus felé áramlanak.
Fényesség
A fémek egyedi vizuális megjelenésükről is ismertek. Fényben a fémeknek jellegzetes fényes megjelenésük van. A fémek, például az arany, az ezüst és a platina ilyen esztétikus csillogása magyarázza értéküket, valamint ékszerekben és dísztárgyakban való felhasználásukat.
A fémek csillogása a fény és az elektronok kölcsönhatásával magyarázható. A fémekben az elektronok delokalizáltak és szabadon mozognak. Amikor fény (bármilyen EM-sugárzás) éri a felületet, az elektronok elnyelik a fotonokat, és gerjesztett energiaállapotba kerülnek. Amikor az elektron visszahull az alapállapotba, foton formájában energiát szabadít fel. Mivel a rendszerben lévő energiamennyiségnek állandónak kell maradnia, az elektron által kibocsátott foton frekvenciája megegyezik azzal a fotonnal, amelyet az elektron eredetileg elnyelt. Az emberi szem ezt a folyamatot a fémekhez társított fényes, tükröződő csillogásként érzékeli.
Mágnesesség
A fémek másik jellemző tulajdonsága, hogy képesek mágneses tereket létrehozni és mágneses terek hatása alá kerülni. Az elektronok alapvető tulajdonsága, hogy mágneses dipólust hoznak létre; azaz egy pozitív és egy negatív pólussal rendelkező mágneses hatású területet. Normál körülmények között a fémekben az elektronok összezavarodnak, így dipólusaik nem állnak egymással egy vonalban.
A külső mágneses tér hatására azonban az elektronok úgy orientálódnak, hogy minden dipólusuk ugyanabba az irányba mutat. A dipólusok együttes hatása makroszkopikus mágneses teret eredményez, amely képes tárgyakat nyomni és húzni. A fémek hajlamosak a mágnesezettségre, mivel számos nyitott elektronpályával rendelkeznek. Mivel a fémekben sok a nyitott pálya, az elektronok sokat mozoghatnak és változtathatják az orientációjukat, így könnyebb a mágneses mezőjüket összehangolni.
A külső mágneses tér hatására mágnesessé váló anyagokat paramágnesesnek nevezzük. Próbáld ki ezt a kísérletet otthon: Vegyünk egy csavarhúzót, néhány tűt és egy konyhai mágnest. Ha a tűket a csavarhúzó hegyéhez érintjük, nem történik semmi, mivel nincs vonzás. Ezután tartsa a tűket a konyhai mágneshez egy-két percig. Amikor leveszed a tűket, azt kell tapasztalnod, hogy azok most már vonzódnak a csavarhúzó hegyéhez. Ez azért van, mert a konyhamágnes mágneses mezeje átrendezi a tűben lévő elektronokat, így azok mágneses pólusai mind egy vonalba kerülnek.
A legtöbb paramágneses anyag nem marad a végtelenségig mágnesezve. Az anyagban fellépő véletlenszerű hőingadozások hatására a dipólusok előbb-utóbb ismét kiegyenlítetlenek lesznek. Egyes anyagok a mágneses mező megszüntetése után is képesek megtartani mágneses tulajdonságaikat. Az ilyen anyagokat ferromágnesesnek nevezzük. A nikkel és a vas a ferromágneses fémek két fajtája.