Compunând cea mai mare parte a elementelor chimice din tabelul periodic, metalele sunt unele dintre cele mai versatile și utile substanțe cunoscute. Dezvoltarea tehnologiilor de prelucrare a metalelor pentru a crea materiale a fost probabil unul dintre cele mai importante progrese din istoria omenirii. Metalele sunt omniprezente în lumea modernă. Poduri, zgârie-nori, baraje și mașini – majoritatea construcțiilor industriale și la scară mare sunt compuse în întregime sau cel puțin parțial din metale, iar metalele sunt o componentă esențială în majoritatea produselor electronice moderne.
Astfel spus, termenul „metal” este foarte larg și cuprinde o serie de substanțe cu proprietăți diferite, cum ar fi plumbul (un metal greu și dens), mercurul (un metal care este un lichid) și sodiul (un metal moale pe care îl poți tăia cu un cuțit). Așadar, ce anume face ca un metal să fie un metal și care sunt unele proprietăți ale metalelor care le fac atât de utile?
Ce sunt metalele?
În chimie, termenul „metal” este utilizat în mod normal pentru a se referi la elementele care ocupă grupele 3-12 din blocul d al tabelului periodic. Aceste elemente sunt numite uneori „metale de tranziție”. Metalele se deosebesc de nemetale în virtutea proprietăților lor. Unele proprietăți comune ale metalelor includ:
- Duritatea – metalele tind să fie dure și rezistente la deformare
- Maleabilitatea & Ductilitatea – metalele se pot îndoi și își pot schimba forma fără a se rupe
- Conductibilitatea – metalele tind să fie buni conductori de căldură și electricitate
- Strălucirea – metalele au un aspect unic, aspect vizual strălucitor unic
- Magnetism – multe metale sunt feromagnetice sau paramagnetice
În plus față de aceste proprietăți fizice, metalele au, de asemenea, proprietăți chimice specifice. Metalele tind să aibă energii de ionizare scăzute și formează cu ușurință ioni pozitivi. Majoritatea metalelor au un caracter bazic și vor reacționa cu acizii pentru a forma săruri și apă.
Metalele alcătuiesc marea majoritate a elementelor din tabelul periodic. Aproximativ 91 din cele 118 elemente cunoscute sunt clasificate ca metale. 6 elemente (borul, siliciul, germaniul, arsenicul, antimoniul și telurul) sunt clasificate în mod obișnuit ca metaloizi și au un amestec de proprietăți metalice și nemetalice.
Ce face ca un metal să fie metal?
Până acum am enumerat doar câteva proprietăți comune împărtășite de metale. O altă întrebare este: De ce au metalele proprietățile pe care le au? Adică, ce anume din structura elementelor metalice explică proprietățile lor observate în mod obișnuit?
Proprietățile unice ale metalelor pot fi explicate prin structurile lor atomice și electronice. Elementele din blocul d al tabelului periodic au tendința de a avea mai mulți orbitali goi în învelișul electronic. Atunci când atomii metalici se conturează, electronii lor devin delocalizați și sunt împărțiți în mod egal între atomi. Ne putem gândi la un metal ca la o rețea de cationi încărcați pozitiv înconjurați de o „mare” de electroni. Numărul mare de orbitali electronici goi înseamnă că electronii se pot deplasa cu ușurință de la un atom la altul. Natura delocalizată a legăturilor metalice este cea care explică proprietățile unice ale metalelor.
În secțiunea următoare, vom analiza în profunzime câteva proprietăți cheie ale metalelor și vom explica cum acestea reies din structurile lor atomice și electronice
5 Proprietăți uimitoare ale metalelor
Duritate
Strict vorbind, nu toate metalele sunt dure la temperaturi și presiuni standard. Mercurul este un lichid la temperatura camerei, iar galiul se va topi în palmă într-o zi călduroasă. Unele metale, cum ar fi sodiul și potasiul, sunt foarte moi și pot fi tăiate cu un cuțit, ca o prăjitură.
Cu toate acestea, multe metale sunt cunoscute pentru că sunt dure și rezistente la deformări mecanice. Această tenacitate este unul dintre motivele pentru care metalele sunt atât de utile pentru aplicații industriale și la scară largă. Duritatea metalelor poate fi explicată prin modul în care atomii lor sunt dispuși unul față de celălalt. Majoritatea metalelor au atracții intermoleculare foarte puternice, ceea ce face ca atomii lor să se grupeze foarte strâns. Deoarece atomii sunt atât de apropiați, există foarte puțin spațiu între ei și nu se pot mișca prea mult atunci când se aplică o forță externă. Același principiu explică rezistența la tracțiune de obicei ridicată a metalelor.
Dispoziția fizică foarte strânsă a atomilor explică, de asemenea, de ce metalele tind să fie dense și grele. Densitatea este o măsură a cantității de masă pe unitatea de volum. Atunci când atomii sunt foarte apropiați unii de alții, există o cantitate mare de masă pe unitatea de volum, astfel încât metalele sunt dense
Maleabilitate & Ductilitate
O proprietate cheie a metalelor care le face atât de utile este aceea că pot fi modelate și turnate fără a se rupe sau a-și pierde duritatea. Metalele sunt foarte maleabile, ceea ce înseamnă că pot fi comprimate sau aplatizate fără a se crăpa sau a se sparge. De exemplu, aurul este un metal foarte maleabil. O singură bucată de aur de mărimea unei cutii de chibrituri poate fi aplatizată într-o foaie de mărimea unui teren de tenis. Ductilitatea se referă la capacitatea unei substanțe de a fi modelată fără a-și pierde duritatea. Metalele sunt ductile pentru că pot fi modelate în structuri noi fără a-și pierde rezistența.
Maleabilitatea și ductilitatea metalelor se explică prin natura delocalizată a legăturilor metalice. Deoarece electronii sunt delocalizați, foile de atomi de metal pot aluneca unele față de altele fără a rupe nicio legătură chimică. Acest lucru este exact opusul a ceea ce s-ar putea întâmpla într-un compus ionic fragil, de exemplu. Într-un compus ionic, atomii sunt blocați într-o structură rigidă în care ionii pozitivi și negativi sunt aliniați unul cu celălalt. Atunci când un strat este deplasat de o forță, ionii pozitivi și negativi devin nealiniați și se resping reciproc. Repulsia face ca substanța să se fractureze.
Conductibilitate termică &Conductibilitate electrică
Metalele sunt, de asemenea, cunoscute ca fiind conductoare, ceea ce înseamnă că pot stoca și transfera bine căldura și electricitatea. Capacitățile metalelor de a stoca și de a transmite căldura și electricitatea se numesc conductivitate termică și, respectiv, electrică.
Conductivitatea termică
Metalele sunt cunoscute ca fiind buni conductori termici. Conductivitatea termică explică de ce puteți încălzi o tigaie metalică pe aragaz și o puteți folosi pentru a găti. Căldura de la aragaz este transferată către tigaia de metal. Această căldură este apoi transferată mâncării atunci când aceasta este gătită. Metalele sunt buni conductori termici, deoarece structura lor atomică foarte compactă absoarbe foarte eficient energia cinetică. În esență, căldura este doar mișcarea moleculelor. Încălzirea unui lucru este același lucru cu a face ca moleculele care îl compun să se miște mai repede. Deoarece atomii metalelor sunt împachetați foarte strâns între ei, mișcarea (căldura) oricărui atom este transferată cu ușurință la vecinii săi.
Conductibilitate electrică
Metalele sunt buni conductori de electricitate datorită electronilor lor delocalizați care se mișcă liber. Atunci când se aplică o tensiune electrică unui metal, un câmp electric declanșează mișcarea sarcinilor electronice. Deoarece electronii sunt delocalizați, aceștia se deplasează foarte ușor sub influența unui câmp electronic. În metalele conductoare, electronii circulă întotdeauna de la terminalul negativ la terminalul pozitiv.
Luminozitate
Metalele sunt cunoscute și pentru aspectul lor vizual unic. Sub lumină, metalele au un aspect strălucitor caracteristic. Această strălucire plăcută din punct de vedere estetic a metalelor precum aurul, argintul și platina explică valoarea lor și utilizarea lor în bijuterii și ornamente.
Strălucirea metalelor poate fi explicată prin interacțiunea dintre lumină și electroni. În metale, electronii sunt delocalizați și liberi să se deplaseze. Când lumina (orice radiație EM) lovește suprafața, electronii absorb fotoni și intră într-o stare energetică excitată. Când electronul revine la starea fundamentală, el eliberează o parte din energie sub forma unui foton. Deoarece cantitatea de energie din sistem trebuie să rămână constantă, fotonul emis de electron are aceeași frecvență ca și fotonul care a fost absorbit inițial de electron. Ochiul uman percepe acest proces ca strălucirea strălucitoare și reflectorizantă asociată cu metalele.
Magnetism
O altă proprietate caracteristică a metalelor este capacitatea lor de a produce și de a fi afectate de câmpuri magnetice. Un aspect fundamental al electronilor este faptul că aceștia produc un dipol magnetic; de exemplu, o regiune de influență magnetică cu un pol pozitiv și unul negativ. În condiții normale, electronii din metale sunt amestecați astfel încât dipolii lor nu se aliniază unul cu celălalt.
Dar, sub influența unui câmp magnetic extern, electronii se vor orienta astfel încât toți dipolii lor să fie îndreptați în aceeași direcție. Acțiunea cumulativă a dipolilor are ca rezultat un câmp magnetic macroscopic care poate împinge și trage obiecte. Metalele sunt predispuse să fie magnetizate deoarece au numeroși orbitali electronici deschiși. Deoarece există mulți orbitali deschiși în metale, electronii se pot deplasa și își pot schimba mult orientarea, astfel încât este mai ușor să se alinieze câmpurile lor magnetice.
Materialele care devin magnetice sub influența unui câmp magnetic extern se numesc paramagnetice. Încercați acest experiment acasă: Luați o șurubelniță, câteva ace și un magnet de bucătărie. Atingerea acelor de vârful șurubelniței nu face nimic, deoarece nu există atracție. Apoi, țineți acele lipite de magnetul de bucătărie timp de un minut sau două. Când scoateți acele, ar trebui să constatați că acestea sunt acum atrase de vârful șurubelniței. Acest lucru se datorează faptului că câmpul magnetic al magnetului de bucătărie realiniază electronii din ac, astfel încât polii lor magnetici să fie toți aliniați.
Majoritatea materialelor paramagnetice nu vor rămâne magnetizate la nesfârșit. Fluctuațiile termice aleatorii din material vor determina în cele din urmă ca dipolii să devină din nou nealiniați. Unele materiale sunt capabile să-și păstreze proprietățile magnetice după ce câmpul magnetic este îndepărtat. Aceste tipuri de materiale se numesc feromagnetice. Nichelul și fierul sunt două tipuri de metale feromagnetice.
.