Składające się z większości pierwiastków chemicznych w układzie okresowym, metale są jednymi z najbardziej wszechstronnych i użytecznych znanych substancji. Rozwój technologii obróbki metali w celu tworzenia materiałów był prawdopodobnie jednym z najważniejszych postępów w historii ludzkości. Metale są wszechobecne we współczesnym świecie. Mosty, drapacze chmur, tamy i samochody – większość konstrukcji przemysłowych i wielkoskalowych składa się w całości lub przynajmniej częściowo z metali, a metale są niezbędnym składnikiem większości nowoczesnych urządzeń elektronicznych.
Tak więc termin „metal” jest bardzo szeroki i obejmuje wiele substancji o różnych właściwościach, takich jak ołów (gęsty metal ciężki), rtęć (metal, który jest cieczą) i sód (miękki metal, który można ciąć nożem). Co więc sprawia, że metal jest metalem, i jakie są niektóre właściwości metali, które czynią je tak użytecznymi?
Czym są metale?
W chemii termin „metal” jest zwykle używany w odniesieniu do pierwiastków zajmujących grupy 3-12 w bloku d układu okresowego. Elementy te są czasami nazywane „metalami przejściowymi”. Metale są odróżniane od niemetali ze względu na ich właściwości. Niektóre wspólne właściwości metali obejmują:
- Twardość – metale mają tendencję do bycia twardymi i odpornymi na odkształcenia
- Kowalność & Plastyczność – metale mogą się zginać i zmieniać kształt bez łamania
- Przewodnictwo – metale mają tendencję do bycia dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności
- Połysk – metale mają unikalny, błyszczący wygląd
- Magnetyzm – wiele metali jest ferromagnetycznych lub paramagnetycznych
Oprócz tych właściwości fizycznych, metale mają również specyficzne właściwości chemiczne. Metale mają tendencję do posiadania niskich energii jonizacji i łatwo tworzą jony dodatnie. Większość metali ma charakter zasadowy i będzie reagować z kwasami tworząc sole i wodę.
Metale stanowią zdecydowaną większość pierwiastków w układzie okresowym. Około 91 ze 118 znanych pierwiastków zaliczanych jest do metali. 6 pierwiastków (bor, krzem, german, arsen, antymon i tellur) są powszechnie klasyfikowane jako metaloidy i mają mieszankę właściwości metalicznych i niemetalicznych.
What Makes A Metal A Metal?
Do tej pory wymieniliśmy tylko kilka wspólnych właściwości metali. Kolejne pytanie brzmi: Dlaczego metale mają takie właściwości, jakie mają? To znaczy, co jest w strukturze pierwiastków metalicznych, które wyjaśnia ich powszechnie obserwowane właściwości?
Unikalne właściwości metali mogą być wyjaśnione przez ich struktury atomowe i elektronowe. Pierwiastki w d-bloku układu okresowego mają tendencję do posiadania wielu pustych orbitali w powłoce elektronowej. Kiedy atomy metaliczne łączą się, ich elektrony stają się zdelokalizowane i są dzielone równomiernie pomiędzy atomy. Można myśleć o metalu jako o siatce dodatnio naładowanych kationów otoczonych „morzem” elektronów. Duża liczba pustych orbitali elektronowych oznacza, że elektrony mogą łatwo przemieszczać się z atomu do atomu. Zdelokalizowana natura wiązań metalicznych jest tym, co wyjaśnia unikalne właściwości metali.
W następnym rozdziale przyjrzymy się bliżej niektórym kluczowym właściwościom metali i wyjaśnimy, w jaki sposób wyłaniają się one z ich struktur atomowych i elektronowych
5 Niesamowitych właściwości metali
Twardość
Ściśle mówiąc, nie wszystkie metale są twarde w standardowych temperaturach i ciśnieniach. Rtęć jest cieczą w temperaturze pokojowej, a gal topi się w dłoni w gorący dzień. Niektóre metale, takie jak sód i potas, są bardzo miękkie i można je kroić nożem, jak ciasto.
Jednakże wiele metali jest znanych z tego, że są twarde i odporne na odkształcenia mechaniczne. Ta twardość jest jednym z powodów, dla których metale są tak przydatne w zastosowaniach przemysłowych i na dużą skalę. Twardość metali może być wyjaśnione przez sposób ich atomy są ułożone w stosunku do siebie. Większość metali ma bardzo silne przyciąganie międzycząsteczkowe, które powoduje, że ich atomy są bardzo blisko siebie. Ponieważ atomy znajdują się tak blisko siebie, jest między nimi bardzo mało miejsca i nie mogą się zbytnio poruszyć, gdy działa na nie zewnętrzna siła. Ta sama zasada wyjaśnia typowo wysoką wytrzymałość metali na rozciąganie.
Ciasno upakowany fizyczny układ atomów wyjaśnia również, dlaczego metale mają tendencję do bycia gęstymi i ciężkimi. Gęstość jest miarą ilości masy na jednostkę objętości. Kiedy atomy znajdują się bardzo blisko siebie, na jednostkę objętości przypada duża ilość masy, więc metale są gęste
KWALIFIKOWALNOŚĆ &KWALIFIKOWALNOŚĆ
Jedną z kluczowych właściwości metali, która czyni je tak użytecznymi, jest to, że mogą być kształtowane i formowane bez pękania lub utraty ciągliwości. Metale są bardzo plastyczne, co oznacza, że mogą być ściskane lub spłaszczane bez pękania lub kruszenia. Na przykład, złoto jest bardzo plastycznym metalem. Pojedyncza bryłka złota wielkości pudełka zapałek może zostać spłaszczona do postaci arkusza wielkości kortu tenisowego. Plastyczność odnosi się do zdolności substancji do formowania bez utraty twardości. Metale są plastyczne, ponieważ mogą być kształtowane w nowe struktury bez utraty wytrzymałości.
Kowalność i ciągliwość metali są wyjaśnione przez zdelokalizowaną naturę wiązań metalicznych. Ponieważ elektrony są zdelokalizowane, arkusze atomów metalu mogą ślizgać się po sobie bez zrywania jakichkolwiek wiązań chemicznych. Jest to dokładne przeciwieństwo tego, co może się zdarzyć na przykład w kruchym związku jonowym. W związku jonowym atomy są zamknięte w sztywnej strukturze, w której jony dodatnie i ujemne są ustawione względem siebie. Gdy jedna z warstw zostanie przesunięta przez siłę, jony dodatnie i ujemne przestają być wyrównane i odpychają się wzajemnie. Odpychanie powoduje pęknięcie substancji.
Termiczna &Przewodnictwo elektryczne
Metale są również znane jako przewodzące, co oznacza, że mogą przechowywać i przenosić ciepło i energię elektryczną dobrze. Zdolności metali do przechowywania i przekazywania ciepła i energii elektrycznej nazywane są przewodnością cieplną i elektryczną, odpowiednio.
Przewodnictwo cieplne
Metale są znane jako dobre przewodniki cieplne. Przewodnictwo cieplne wyjaśnia, dlaczego można podgrzać metalową patelnię na kuchence i używać jej do gotowania. Ciepło z kuchenki jest przekazywane do metalowej patelni. Ciepło to jest następnie przekazywane do żywności podczas gotowania. Metale są dobrymi przewodnikami ciepła, ponieważ ich ciasno upakowana struktura atomowa bardzo skutecznie pochłania energię kinetyczną. Zasadniczo, ciepło jest po prostu ruchem cząsteczek. Podgrzewanie czegoś jest tożsame z przyspieszeniem ruchu cząsteczek, z których się składa. Ponieważ atomy metalu są upakowane bardzo blisko siebie, ruch (ciepło) każdego atomu jest łatwo przenoszone do jego sąsiadów.
Przewodnictwo elektryczne
Metale są dobrymi przewodnikami elektryczności z powodu ich swobodnie poruszających się zdelokalizowanych elektronów. Kiedy napięcie elektryczne jest stosowane do metalu, pole elektryczne wyzwala ruch ładunków elektronowych. Ponieważ elektrony są zdelokalizowane, poruszają się one bardzo łatwo pod wpływem pola elektronowego. W metalach przewodzących elektrony zawsze przepływają z bieguna ujemnego do bieguna dodatniego.
Luster
Metale są również znane ze swojego unikalnego wyglądu wizualnego. Pod światło, metale mają charakterystyczny błyszczący wygląd. Ten estetyczny połysk metali takich jak złoto, srebro i platyna wyjaśnia ich wartość i ich zastosowanie w biżuterii i ornamentyce.
Lustro metali może być wyjaśnione przez interakcję światła i elektronów. W metalach, elektrony są delokalizowane i wolne, aby poruszać się wokół. Kiedy światło (jakiekolwiek promieniowanie EM) uderza w powierzchnię, elektrony absorbują fotony i wchodzą w stan wzbudzonej energii. Kiedy elektron spada z powrotem do stanu podstawowego, uwalnia część energii w postaci fotonu. Ponieważ ilość energii w układzie musi pozostać stała, foton emitowany przez elektron ma taką samą częstotliwość jak foton, który został początkowo zaabsorbowany przez elektron. Oko ludzkie postrzega ten proces jako błyszczący odbijający światło blask związany z metalami.
Magnetyzm
Inną charakterystyczną właściwością metali jest ich zdolność do wytwarzania i podlegania wpływowi pól magnetycznych. Podstawowym aspektem elektronów jest to, że wytwarzają one dipol magnetyczny; np. obszar oddziaływania magnetycznego z dodatnim i ujemnym biegunem. W normalnych warunkach, elektrony w metalach są pomieszane wokół tak, że ich dipole nie są zgodne ze sobą.
Jednakże pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, elektrony będą orientować się tak, że wszystkie ich dipole są skierowane w tym samym kierunku. Skumulowane działanie dipoli powoduje powstanie makroskopowego pola magnetycznego, które może popychać i ciągnąć obiekty. Metale są podatne na namagnesowanie, ponieważ mają liczne otwarte orbitale elektronowe. Ponieważ istnieje wiele otwartych orbitali w metalach, elektrony mogą poruszać się i zmieniać orientację dużo, więc łatwiej jest uzyskać ich pola magnetyczne wyrównane.
Materiały, które stają się magnetyczne pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego są nazywane paramagnetycznych. Wypróbuj ten eksperyment w domu: Weź śrubokręt, kilka igieł i magnes kuchenny. Dotknięcie igieł do końcówki śrubokręta nic nie da, ponieważ nie ma żadnego przyciągania. Następnie przytrzymaj igły przy magnesie kuchennym przez minutę lub dwie. Kiedy zdejmiesz igły, powinieneś zauważyć, że teraz są one przyciągane do końcówki śrubokręta. Dzieje się tak dlatego, że pole magnetyczne magnesu kuchennego wyrównuje elektrony w igle tak, że ich bieguny magnetyczne są wyrównane.
Większość materiałów paramagnetycznych nie pozostanie namagnesowana w nieskończoność. Losowe fluktuacje termiczne w materiale w końcu spowodują, że dipole znów staną się niewyrównane. Niektóre materiały są w stanie zachować swoje właściwości magnetyczne po usunięciu pola magnetycznego. Tego rodzaju materiały nazywane są ferromagnetykami. Nikiel i żelazo są dwoma rodzajami metali ferromagnetycznych.
.