Metaller utgör huvuddelen av de kemiska grundämnena i det periodiska systemet och är bland de mest mångsidiga och användbara kända ämnena. Utvecklingen av teknik för metallbearbetning för att skapa material var sannolikt ett av de viktigaste framstegen i mänsklighetens historia. Metaller är allestädes närvarande i den moderna världen. Broar, skyskrapor, dammar och bilar – de flesta industriella och storskaliga konstruktioner består helt eller åtminstone delvis av metaller, och metaller är en viktig komponent i de flesta moderna elektronikprodukter.
Med detta sagt är begreppet ”metall” mycket brett och omfattar ett antal ämnen med olika egenskaper, t.ex. bly (en tät tungmetall), kvicksilver (en metall som är en vätska) och natrium (en mjuk metall som man kan skära med en kniv). Så vad är det som gör en metall till en metall, och vilka egenskaper hos metaller är det som gör dem så användbara?
Vad är metaller?
I kemin används begreppet ”metall” vanligen för att hänvisa till grundämnen som upptar grupperna 3-12 i d-blocket i det periodiska systemet. Dessa grundämnen kallas ibland ”övergångsmetaller”. Metaller skiljer sig från icke-metaller på grund av deras egenskaper. Några vanliga egenskaper hos metaller är bland annat följande:
- Hårdhet – metaller tenderar att vara hårda och motståndskraftiga mot deformation
- Formbarhet & Duktilitet – metaller kan böjas och ändra form utan att gå sönder
- Ledningsförmåga – metaller tenderar att vara goda ledare för värme och elektricitet
- Lyster – metaller har en unik, glänsande utseende
- Magnetism – många metaller är ferromagnetiska eller paramagnetiska
Förutom dessa fysikaliska egenskaper har metaller också specifika kemiska egenskaper. Metaller tenderar att ha låga joniseringsenergier och bildar lätt positiva joner. De flesta metaller har en basisk karaktär och reagerar med syror för att bilda salter och vatten.
Metaller utgör den stora majoriteten av grundämnena i det periodiska systemet. Ungefär 91 av de 118 kända grundämnena klassificeras som metaller. Sex grundämnen (bor, kisel, germanium, arsenik, antimon och tellur) klassificeras vanligen som metalloider och har en blandning av metalliska och icke-metalliska egenskaper.
Vad gör en metall till en metall?
Sedan tidigare har vi bara listat några gemensamma egenskaper som delas av metaller. En ytterligare fråga är: Varför har metaller de egenskaper som de har? Det vill säga, vad är det för struktur hos metalliska grundämnen som förklarar deras gemensamt observerade egenskaper?
Metallernas unika egenskaper kan förklaras av deras atom- och elektronstrukturer. Element i d-blocket i det periodiska systemet tenderar att ha flera tomma banor i elektronskalet. När metalliska atomer konglomerar blir deras elektroner delokaliserade och delas jämnt mellan atomerna. Man kan tänka sig en metall som ett gitter av positivt laddade katjoner som omges av ett ”hav” av elektroner. Det stora antalet tomma elektronorbitaler innebär att elektronerna lätt kan förflytta sig från atom till atom. Metallbindningarnas delokaliserade karaktär är det som förklarar metallernas unika egenskaper.
I nästa avsnitt kommer vi att ta en djupgående titt på några viktiga egenskaper hos metaller och förklara hur de framträder ur deras atom- och elektronstrukturer
5 fantastiska egenskaper hos metaller
Hårdhet
Strängt taget är inte alla metaller hårda vid standardtemperaturer och standardtryck. Kvicksilver är en vätska vid rumstemperatur och gallium smälter i handflatan en varm dag. Vissa metaller, t.ex. natrium och kalium, är mycket mjuka och kan skäras med en kniv, som en tårta.
Många metaller är dock kända för att vara hårda och motståndskraftiga mot mekanisk deformation. Denna seghet är en av anledningarna till att metaller är så användbara för industriella och storskaliga tillämpningar. Metallernas hårdhet kan förklaras av hur deras atomer är arrangerade i förhållande till varandra. De flesta metaller har mycket starka intermolekylära attraktioner, vilket gör att deras atomer ligger mycket nära varandra. Eftersom atomerna ligger så nära varandra finns det mycket litet utrymme mellan dem och de kan inte röra sig särskilt mycket när en yttre kraft utövas. Samma princip förklarar metallernas vanligtvis höga draghållfasthet.
Det tätt packade fysiska arrangemanget av atomer förklarar också varför metaller tenderar att vara täta och tunga. Densitet är ett mått på mängden massa per volymenhet. När atomerna ligger mycket nära varandra finns det en stor mängd massa per volymenhet, så metaller är täta
Målbarhet &Duktilitet
En viktig egenskap hos metaller som gör dem så användbara är att de kan formas och gjutas utan att gå sönder eller förlora sin seghet. Metaller är mycket formbara, vilket innebär att de kan komprimeras eller plattas till utan att spricka eller splittras. Guld är till exempel en mycket formbar metall. En enda guldklump som är lika stor som en tändsticksask kan plattas till en platta som är lika stor som en tennisbana. Duktilitet avser ett ämnes förmåga att formas utan att förlora sin seghet. Metaller är duktila eftersom de kan formas till nya strukturer utan att förlora styrka.
Metallers formbarhet och duktilitet förklaras av metallbindningarnas delokaliserade natur. Eftersom elektroner är delokaliserade kan plåtar av metallatomer glida mot varandra utan att bryta några kemiska bindningar. Detta är raka motsatsen till vad som skulle kunna hända i en spröd jonisk förening, till exempel. I en jonisk förening är atomerna låsta i en stel struktur där positiva och negativa joner är i linje med varandra. När ett skikt förskjuts av en kraft blir positiva och negativa joner ojusterade och stöter bort varandra. Avstötningen gör att ämnet spricker.
Thermisk & Elektrisk ledningsförmåga
Metaller är också kända för att vara ledande, vilket innebär att de kan lagra och överföra värme och elektricitet på ett bra sätt. Metallers förmåga att lagra och överföra värme och elektricitet kallas termisk respektive elektrisk konduktivitet.
Termisk konduktivitet
Metaller är kända för att vara goda värmeledare. Värmekonduktivitet förklarar varför du kan värma en metallpanna på spisen och använda den för att laga mat. Värmen från spisen överförs till metallpannan. Den värmen överförs sedan till maten när den tillagas. Metaller är goda värmeledare eftersom deras tätt packade atomstruktur absorberar kinetisk energi mycket effektivt. I grund och botten är värme bara molekylers rörelse. Att värma upp något är detsamma som att få dess molekyler att röra sig snabbare. Eftersom metallatomer är packade mycket tätt intill varandra överförs rörelsen (värmen) hos en atom lätt till dess grannar.
Elektrisk ledningsförmåga
Metaller är goda ledare för elektricitet på grund av sina fritt rörliga delokaliserade elektroner. När en elektrisk spänning läggs på en metall utlöser ett elektriskt fält elektronladdningarnas rörelse. Eftersom elektronerna är delokaliserade rör de sig mycket lätt under påverkan av ett elektronfält. I ledande metaller flödar elektronerna alltid från den negativa terminalen till den positiva terminalen.
Lyster
Metaller är också kända för sitt unika visuella utseende. I ljus har metaller ett karakteristiskt glänsande utseende. Denna estetiskt tilltalande lyster hos metaller som guld, silver och platina förklarar deras värde och deras användning i smycken och prydnadsföremål.
Metallers lyster kan förklaras av interaktionen mellan ljus och elektroner. I metaller är elektronerna delokaliserade och fria att röra sig fritt. När ljus (vilken EM-strålning som helst) träffar ytan absorberar elektronerna fotoner och går in i ett exciterat energitillstånd. När elektronen faller tillbaka till sitt grundtillstånd frigör den en del energi i form av en foton. Eftersom energimängden i systemet måste vara konstant är den foton som avges av elektronen av samma frekvens som den foton som ursprungligen absorberades av elektronen. Det mänskliga ögat uppfattar denna process som det glänsande reflekterande skimmer som förknippas med metaller.
Magnetism
En annan karakteristisk egenskap hos metaller är deras förmåga att producera och påverkas av magnetfält. En grundläggande aspekt av elektroner är att de producerar en magnetisk dipol, dvs. ett område med magnetisk påverkan med en positiv och en negativ pol. Under normala förhållanden är elektroner i metaller röriga så att deras dipoler inte står i linje med varandra.
Under påverkan av ett yttre magnetfält kommer elektronerna emellertid att orientera sig så att alla deras dipoler pekar i samma riktning. Den kumulativa verkan av dipolerna resulterar i ett makroskopiskt magnetfält som kan skjuta och dra föremål. Metaller är benägna att magnetiseras eftersom de har många öppna elektronorbitaler. Eftersom det finns många öppna orbitaler i metaller kan elektronerna flytta runt och ändra orientering mycket, så det är lättare att få deras magnetfält riktade.
Material som blir magnetiska under påverkan av ett yttre magnetfält kallas paramagnetiska. Prova det här experimentet hemma: Ta en skruvmejsel, några nålar och en köksmagnet. Att röra nålarna vid skruvmejselns spets gör ingenting eftersom det inte finns någon attraktionskraft. Håll sedan nålarna mot köksmagneten i en minut eller två. När du tar bort nålarna bör du märka att de nu dras till skruvmejselspetsen. Detta beror på att köksmagnetens magnetfält omorienterar elektronerna i nålen så att alla deras magnetiska poler är i linje.
De flesta paramagnetiska material kommer inte att förbli magnetiserade på obestämd tid. Slumpmässiga termiska fluktuationer i materialet kommer så småningom att få dipolerna att bli ojusterade igen. Vissa material kan behålla sina magnetiska egenskaper efter att magnetfältet tagits bort. Dessa typer av material kallas ferromagnetiska. Nickel och järn är två typer av ferromagnetiska metaller.