Metalen behoren tot de meest veelzijdige en nuttige stoffen die bekend zijn en vormen het grootste deel van de chemische elementen op het periodiek systeem. De ontwikkeling van metaalbewerkingstechnieken om materialen te creëren was waarschijnlijk een van de belangrijkste vorderingen in de geschiedenis van de mensheid. Metalen zijn alomtegenwoordig in de moderne wereld. Bruggen, wolkenkrabbers, dammen en auto’s – de meeste industriële en grootschalige constructies bestaan geheel of tenminste gedeeltelijk uit metalen en metalen zijn een essentiële component in de meeste moderne elektronica.
Dat gezegd hebbende, de term “metaal” is zeer breed en omvat een aantal stoffen met verschillende eigenschappen, zoals lood (een dicht zwaar metaal), kwik (een metaal dat vloeibaar is), en natrium (een zacht metaal dat je met een mes kunt snijden). Dus wat maakt een metaal tot een metaal, en wat zijn enkele eigenschappen van metalen die ze zo nuttig maken?
Wat zijn metalen?
In de scheikunde wordt de term “metaal” gewoonlijk gebruikt om te verwijzen naar elementen die de groepen 3-12 bezetten in het d-blok van het periodiek systeem. Deze elementen worden ook wel “overgangsmetalen” genoemd. Metalen onderscheiden zich van niet-metalen op grond van hun eigenschappen. Enkele veel voorkomende eigenschappen van metalen zijn:
- Hardheid – metalen hebben de neiging hard te zijn en bestand tegen vervorming
- Buigbaarheid & Vervormbaarheid – metalen kunnen buigen en van vorm veranderen zonder te breken
- Geleidingsvermogen – metalen hebben de neiging goede geleiders van warmte en elektriciteit te zijn
- Glans – metalen hebben een uniek, glanzend uiterlijk
- Magnetisme – veel metalen zijn ferromagnetisch of paramagnetisch
Naast deze fysische eigenschappen hebben metalen ook specifieke chemische eigenschappen. Metalen hebben de neiging lage ionisatie-energieën te hebben en gemakkelijk positieve ionen te vormen. De meeste metalen hebben een basisch karakter en zullen met zuren reageren om zouten en water te vormen.
Metalen vormen de overgrote meerderheid van de elementen in het periodiek systeem. Ongeveer 91 van de 118 bekende elementen zijn geclassificeerd als metalen. 6 elementen (boor, silicium, germanium, arseen, antimoon en tellurium) worden algemeen geclassificeerd als metalloïden en hebben een mengeling van metallische en niet-metallische eigenschappen.
Wat maakt een metaal tot een metaal?
Tot nu toe hebben we slechts een paar gemeenschappelijke eigenschappen van metalen opgesomd. Een andere vraag is: Waarom hebben metalen de eigenschappen die ze hebben? Dat wil zeggen, wat is het aan de structuur van metaalelementen dat hun algemeen waargenomen eigenschappen verklaart?
De unieke eigenschappen van metalen kunnen worden verklaard door hun atomaire en elektronstructuren. Elementen in het d-blok van het periodiek systeem hebben de neiging om meerdere lege banen in de elektronenschil te hebben. Wanneer metaalatomen samenklonteren, worden hun elektronen gedelokaliseerd en worden ze gelijkmatig over de atomen verdeeld. Men kan een metaal zien als een raster van positief geladen kationen, omgeven door een “zee” van elektronen. Het grote aantal lege elektronenbanen betekent dat elektronen zich gemakkelijk van atoom tot atoom kunnen verplaatsen. Het gedelokaliseerde karakter van metaalbindingen verklaart de unieke eigenschappen van metalen.
In het volgende deel zullen we dieper ingaan op enkele belangrijke eigenschappen van metalen en uitleggen hoe ze uit hun atoom- en elektronstructuren tevoorschijn komen
5 Verbazingwekkende Eigenschappen Van Metalen
Hardheid
Strict genomen zijn niet alle metalen hard bij standaardtemperatuur en -druk. Kwik is vloeibaar bij kamertemperatuur en gallium smelt in de palm van je hand op een warme dag. Sommige metalen, zoals natrium en kalium, zijn zeer zacht en kunnen met een mes worden gesneden, zoals een cake.
Vele metalen staan er echter om bekend taai te zijn en bestand tegen mechanische vervorming. Deze taaiheid is een van de redenen waarom metalen zo nuttig zijn voor industriële en grootschalige toepassingen. De hardheid van metalen kan worden verklaard door de wijze waarop hun atomen ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt. De meeste metalen hebben zeer sterke intermoleculaire aantrekkingskrachten, waardoor hun atomen zeer dicht op elkaar zitten. Omdat de atomen zo dicht op elkaar zitten, is er zeer weinig ruimte tussen hen en kunnen zij niet veel bewegen wanneer een externe kracht wordt uitgeoefend. Hetzelfde principe verklaart de typisch hoge treksterkte van metalen.
De dicht opeengepakte fysieke ordening van atomen verklaart ook waarom metalen de neiging hebben dicht en zwaar te zijn. De dichtheid is een maat voor de hoeveelheid massa per volume-eenheid. Wanneer atomen zeer dicht bij elkaar liggen, is er een grote hoeveelheid massa per volume-eenheid, dus zijn metalen dicht
Vormbaarheid & Buigzaamheid
Een belangrijke eigenschap van metalen die ze zo bruikbaar maakt, is dat ze kunnen worden gevormd en gekneed zonder te breken of hun taaiheid te verliezen. Metalen zijn zeer buigzaam, wat betekent dat ze kunnen worden samengedrukt of platgedrukt zonder te barsten of te versplinteren. Goud bijvoorbeeld is een zeer kneedbaar metaal. Een goudklompje ter grootte van een luciferdoosje kan worden platgedrukt tot een vel ter grootte van een tennisbaan. Vervormbaarheid verwijst naar het vermogen van een stof om te worden vervormd zonder aan taaiheid in te boeten. Metalen zijn buigzaam omdat ze in nieuwe structuren kunnen worden gevormd zonder aan sterkte te verliezen.
De vervormbaarheid en vervormbaarheid van metalen worden verklaard door de gedelokaliseerde aard van metaalbindingen. Omdat elektronen gedelokaliseerd zijn, kunnen platen van metaalatomen tegen elkaar schuiven zonder chemische bindingen te verbreken. Dit is precies het tegenovergestelde van wat bijvoorbeeld in een brosse ionische verbinding zou kunnen gebeuren. In een ionische verbinding zijn de atomen opgesloten in een starre structuur waarin positieve en negatieve ionen op één lijn liggen. Wanneer één laag door een kracht wordt verschoven, komen de positieve en negatieve ionen niet meer op één lijn te liggen en stoten ze elkaar af. Door de afstoting breekt de stof.
Thermische & Elektrische geleidbaarheid
Metalen staan er ook om bekend geleidend te zijn, wat betekent dat ze warmte en elektriciteit goed kunnen opslaan en overdragen. Het vermogen van metalen om warmte en elektriciteit op te slaan en over te brengen wordt respectievelijk thermisch en elektrisch geleidingsvermogen genoemd.
Thermisch geleidingsvermogen
Metalen staan bekend als goede warmtegeleiders. Warmtegeleiding verklaart waarom je een metalen pan op het fornuis kunt verhitten en ermee kunt koken. De warmte van het fornuis wordt overgebracht op de metalen pan. Die warmte wordt vervolgens overgedragen op het voedsel wanneer het wordt gekookt. Metalen zijn goede warmtegeleiders omdat hun dicht opeengepakte atomaire structuur zeer efficiënt kinetische energie absorbeert. In wezen is warmte gewoon de beweging van moleculen. Iets opwarmen is hetzelfde als de samenstellende moleculen sneller laten bewegen. Aangezien metaalatomen zeer dicht opeen zijn gepakt, wordt de beweging (warmte) van elk atoom gemakkelijk overgedragen op zijn buren.
Elektrisch geleidingsvermogen
Metalen zijn goede geleiders van elektriciteit vanwege hun vrij bewegende gedelokaliseerde elektronen. Wanneer een elektrische spanning op een metaal wordt toegepast, brengt een elektrisch veld de beweging van elektronladingen teweeg. Omdat de elektronen gedelokaliseerd zijn, bewegen zij zeer gemakkelijk onder invloed van een elektronenveld. In geleidende metalen stromen de elektronen altijd van het negatieve uiteinde naar het positieve uiteinde.
Luster
Metalen staan ook bekend om hun unieke visuele verschijning. Onder licht hebben metalen een karakteristiek glanzend uiterlijk. Deze esthetisch aangename glans van metalen als goud, zilver en platina verklaart hun waarde en hun gebruik in sieraden en ornamenten.
De glans van metalen kan worden verklaard door de wisselwerking van licht en elektronen. In metalen, zijn de elektronen gedelokaliseerd en vrij om zich rond te bewegen. Wanneer licht (om het even welke EM-straling) het oppervlak raakt, absorberen de elektronen fotonen en gaan een aangeslagen energietoestand binnen. Wanneer het elektron terugvalt naar zijn grondtoestand, geeft het enige energie af in de vorm van een foton. Omdat de hoeveelheid energie in het systeem constant moet blijven, heeft het foton dat door het elektron wordt uitgezonden dezelfde frequentie als het foton dat aanvankelijk door het elektron werd geabsorbeerd. Het menselijk oog neemt dit proces waar als de glanzende reflecterende glans die met metalen wordt geassocieerd.
Magnetisme
Een andere karakteristieke eigenschap van metalen is hun vermogen om magnetische velden te produceren en door magnetische velden te worden beïnvloed. Een fundamenteel aspect van elektronen is dat zij een magnetische dipool produceren, d.w.z. een gebied van magnetische invloed met een positieve en een negatieve pool. Onder normale omstandigheden liggen de elektronen in metalen door elkaar, zodat hun dipolen niet op één lijn staan.
Onder invloed van een extern magnetisch veld zullen de elektronen zich echter zo oriënteren dat al hun dipolen in dezelfde richting wijzen. De cumulatieve werking van de dipolen resulteert in een macroscopisch magnetisch veld dat voorwerpen kan duwen en trekken. Metalen zijn geneigd gemagnetiseerd te worden omdat zij talrijke open elektronenbanen hebben. Omdat er in metalen veel open banen zijn, kunnen elektronen veel bewegen en van oriëntatie veranderen, zodat het gemakkelijker is om hun magnetische velden op één lijn te krijgen.
Materialen die magnetisch worden onder invloed van een extern magnetisch veld, worden paramagnetisch genoemd. Probeer dit experiment thuis eens uit: Neem een schroevendraaier, wat naalden, en een keukenmagneet. Als je de naalden tegen de punt van de schroevendraaier houdt, levert dat niets op omdat er geen aantrekkingskracht is. Houd de naalden vervolgens een minuut of twee tegen de keukenmagneet. Als u de naalden nu weghaalt, zult u merken dat ze nu wel worden aangetrokken door de punt van de schroevendraaier. Dit komt omdat het magnetische veld van de keukenmagneet de elektronen in de naald opnieuw uitlijnt, zodat hun magnetische polen allemaal uitgelijnd zijn.
De meeste paramagnetische materialen zullen niet onbeperkt gemagnetiseerd blijven. Willekeurige thermische fluctuaties in het materiaal zullen er uiteindelijk toe leiden dat de dipolen weer uitgelijnd raken. Sommige materialen zijn in staat hun magnetische eigenschappen te behouden nadat het magneetveld is verwijderd. Dergelijke materialen worden ferromagnetisch genoemd. Nikkel en ijzer zijn twee soorten ferromagnetische metalen.