Articles

Opi kaikki metallien ominaisuuksista

  • Jaa
  • Jaa Facebookissa
  • Jaa Twitterissä
  • Jaa Pinterestissä
  • Jaa sähköpostitse
  • Jaa Google-luokkahuoneeseen

Useimmille, metalli on toinen sana raudalle, teräkselle tai vastaavalle kovalle, kiiltävälle aineelle.

Mutta sopiiko tämä määritelmä yhteen metallien todellisten ominaisuuksien kanssa?

Kyllä… ja ei.

Ennen kuin selitämme, sinun on hyvä tietää, että suurin osa jaksollisen järjestelmän alkuaineista on metalleja.

Metallit löytyvät jaksollisen järjestelmän keskeltä ja vasemmalta puolelta. Ne voidaan luokitella edelleen emäksisiin metalleihin, maa-alkalimetalleihin, siirtymämetalleihin ja emäksisiin metalleihin.

Metallien luonnontiedon oppitunti

Metallien ominaisuudet

Elementti on aine, joka koostuu yhdenlaisesta atomista; sitä ei voi erottaa yksinkertaisempiin osiin. Esimerkiksi alkuaine helium (ajattele kuumailmapalloja) koostuu yksinomaan helium-atomeista.

Elementit luokitellaan yleensä metalleihin tai epämetalleihin (vaikka joillakin alkuaineilla on molempien ominaisuuksia; näitä kutsutaan metalloideiksi).

Metallien kolme ominaisuutta ovat:

  • Kiilto: Metallit ovat kiiltäviä, kun niitä leikataan, naarmutetaan tai kiillotetaan.
  • Muovattavuus: Metallit ovat vahvoja, mutta muovattavia, mikä tarkoittaa, että niitä voidaan helposti taivuttaa tai muotoilla. Vuosisatojen ajan sepät ovat pystyneet muokkaamaan metalliesineitä kuumentamalla metallia ja lyömällä sitä vasaralla. Jos he yrittäisivät tehdä näin ei-metallien kanssa, materiaali pirstoutuisi! Useimmat metallit ovat myös sitkeitä, mikä tarkoittaa, että niistä voidaan vetää lankaa.
  • Johtavuus: Metallit johtavat erinomaisesti sähköä ja lämpöä. Koska ne ovat myös sitkeitä, ne sopivat erinomaisesti sähköjohtoihin. (Voit testata tämän käyttämällä joitakin kotitaloustavaroita. Jatka lukemista saadaksesi tietää miten!)

Metallien muita ominaisuuksia

korkea sulamispiste: Useimmilla metalleilla on korkea sulamispiste ja kaikki muut paitsi elohopea ovat kiinteitä huoneenlämmössä.

Saostunut: Metallit pitävät usein soivaa ääntä, kun niitä lyödään.

Reaktiivisuus: Jotkin metallit käyvät läpi kemiallisen muutoksen (reaktion) itsessään tai muiden alkuaineiden kanssa ja vapauttavat energiaa. Näitä metalleja ei koskaan esiinny puhtaassa muodossa, ja niitä on vaikea erottaa mineraaleista, joissa niitä esiintyy. Kalium ja natrium ovat reaktiivisimpia metalleja. Ne reagoivat rajusti ilman ja veden kanssa; kalium syttyy palamaan joutuessaan kosketuksiin veden kanssa!

Muut metallit eivät reagoi lainkaan muiden metallien kanssa. Tämä tarkoittaa, että niitä löytyy puhtaassa muodossa (esimerkkejä ovat kulta ja platina). Koska kupari on suhteellisen edullista ja sillä on alhainen reaktiivisuus, siitä on hyötyä putkien ja johtojen valmistuksessa.

Viisi metalliryhmää:

Nobeleita metalleja löytyy puhtaina metalleina, koska ne eivät reagoi eivätkä yhdisty muiden alkuaineiden kanssa yhdisteiksi. Koska ne ovat niin ei-reaktiivisia, ne eivät ruostu helposti. Tämä tekee niistä ihanteellisia koruihin ja kolikoihin. Jalometalleja ovat esimerkiksi kupari, palladium, hopea, platina ja kulta.

Alkalimetallit ovat hyvin reaktiivisia. Niillä on alhainen sulamispiste ja ne ovat tarpeeksi pehmeitä, jotta niitä voi leikata veitsellä. Kalium ja natrium ovat kaksi alkalimetallia.

Alkalimetalleja esiintyy yhdisteissä monien eri mineraalien kanssa. Ne ovat vähemmän reaktiivisia kuin alkalimetallit sekä kovempia ja niillä on korkeammat sulamispisteet. Tähän ryhmään kuuluvat kalsium, magnesium ja barium.

Transitiometallit ovat niitä, joita yleensä ajattelemme, kun ajattelemme metalleja. Ne ovat kovia ja kiiltäviä, vahvoja ja helposti muotoiltavia. Niitä käytetään moniin teollisiin tarkoituksiin. Tähän ryhmään kuuluvat rauta, kulta, hopea, kromi, nikkeli ja kupari, joista osa on myös jaloja metalleja.

Kehnot metallit ovat melko pehmeitä, eikä useimpia käytetä kovin paljon sellaisenaan. Niistä tulee kuitenkin erittäin käyttökelpoisia, kun niitä lisätään muihin aineisiin. Huonoja metalleja ovat mm. alumiini, gallium, tina, tallium, antimoni ja vismutti.

seokset: Vahvat yhdistelmät

Näiden eri metallien ominaisuuksia voidaan yhdistää sekoittamalla kahta tai useampaa niistä keskenään. Tuloksena syntyvää ainetta kutsutaan seokseksi. Jotkut hyödyllisimmistä rakennusmateriaaleistamme ovat itse asiassa seoksia. Esimerkiksi teräs on raudan ja pienten määrien hiilen ja muiden alkuaineiden seos; yhdistelmä, joka on sekä vahva että helppokäyttöinen. (Lisää kromia, niin saat ruostumatonta terästä. Tarkista keittiön kattiloista ja pannuista, kuinka monet niistä on valmistettu ruostumattomasta teräksestä!)

Muut seokset, kuten messinki (kupari ja sinkki) ja pronssi (kupari ja tina), ovat helppoja muotoilla ja kauniita katsella. Pronssia käytetään usein myös laivanrakennuksessa, koska se kestää meriveden aiheuttamaa korroosiota.

Titaani on paljon kevyempää ja vähemmän tiheää kuin teräs, mutta yhtä vahvaa; ja vaikka se on raskaampaa kuin alumiini, se on myös kaksi kertaa niin vahvaa. Se kestää myös hyvin korroosiota. Kaikki nämä tekijät tekevät siitä erinomaisen seosmateriaalin. Titaaniseoksia käytetään lentokoneissa, laivoissa ja avaruusaluksissa sekä maaleissa, polkupyörissä ja jopa kannettavissa tietokoneissa!

Kulta on puhtaana metallina niin pehmeä, että siihen sekoitetaan aina jokin toinen metalli (yleensä hopea, kupari tai sinkki), kun siitä tehdään koruja. Kullan puhtaus mitataan karateissa. Puhtain koruissa käytettävä kulta on 24 karaattia, joka on noin 99,7 % puhdasta kultaa. Kultaa voidaan myös sekoittaa muiden metallien kanssa sen värin muuttamiseksi; koruissa suosittu valkokulta on kullan ja platinan tai palladiumin seos.

Metallia malmista

Malmit ovat kiviä tai mineraaleja, joista voidaan louhia arvokasta ainetta – yleensä metallia. Joitakin yleisiä malmeja ovat esimerkiksi galeniini (lyijymalmi), borniitti ja malakiitti (kupari), sinooppi (elohopea) ja bauksiitti (alumiini). Yleisimmät rautamalmit ovat magnetiitti ja hematiitti (raudan ja hapen muodostama ruosteenvärinen mineraali), jotka molemmat sisältävät noin 70 % rautaa.

Raudan jalostamiseen malmista on useita prosesseja. Vanhimmassa prosessissa rautamalmia poltetaan puuhiilen (hiilen) ja palkeista saatavan hapen avulla. Hiili ja happi, myös malmissa oleva happi, yhdistyvät ja jättävät rautaa. Rauta ei kuitenkaan kuumene niin kuumaksi, että se sulaisi kokonaan, ja se sisältää malmista jääneitä silikaatteja. Sitä voidaan kuumentaa ja vasaroida, jolloin siitä muodostuu takorautaa.

Nykyaikaisemmassa prosessissa rautamalmia, kalkkikiveä ja koksia (kivihiilituote, ei virvoitusjuoma) kuumennetaan masuunissa. Syntyvät reaktiot erottavat raudan malmissa olevasta hapesta. Tämä ”raakarauta” on edelleen sekoitettava, jotta saadaan takorautaa. Sitä voidaan käyttää myös toiseen tärkeään tarkoitukseen: kun sitä kuumennetaan hiilen ja muiden alkuaineiden kanssa, siitä tulee vahvempaa metallia, jota kutsutaan teräkseksi.

Valmistusprosessin huomioon ottaen ei ole yllättävää, että rautaa käytettiin vasta noin vuonna 1500 eaa. Joitakin puhtaita metalleja – kultaa, hopeaa ja kuparia – käytettiin kuitenkin jo sitä ennen, ja seospronssin uskotaan löytyneen sumerilaisilta noin vuonna 3500 eaa. Mutta alumiini, yksi tärkeimmistä nykyisin käytössä olevista metalleista, löydettiin vasta vuonna 1825 jKr. ja sitä käytettiin yleisesti vasta 1900-luvulla!

Korroosio: Prosessi & Ennaltaehkäisy

Oletko koskaan nähnyt hopeapalaa, joka on menettänyt kiiltonsa, tai rautaa, jossa on punertavaa ruostetta tai jopa korroosion aiheuttamia reikiä? Tämä tapahtuu, kun happi (yleensä ilmasta) reagoi metallin kanssa. Metallit, joilla on suurempi reaktiivisuus (kuten magnesium, alumiini, rauta, sinkki ja tina), ovat paljon alttiimpia tällaiselle kemialliselle tuhoutumiselle eli korroosiolle.

Kun happi reagoi metallin kanssa, se muodostaa metallin pinnalle oksidin. Joissakin metalleissa, kuten alumiinissa, tämä on hyvä asia. Oksidi muodostaa suojakerroksen, joka estää metallia syöpymästä entisestään.

Raudalla ja teräksellä sen sijaan on vakavia ongelmia, jos niitä ei käsitellä korroosion estämiseksi. Punertavaa oksidikerrosta, joka muodostuu rautaan tai teräkseen sen reagoidessa hapen kanssa, kutsutaan ruostekerrokseksi. Ruostekerros hilseilee jatkuvasti pois, jolloin yhä enemmän metallia altistuu korroosiolle, kunnes metalli lopulta syöpyy läpi.

Yksi yleinen tapa suojata rautaa on päällystää se erikoismaalilla, joka estää happea reagoimasta maalin alla olevan metallin kanssa. Toinen menetelmä on galvanointi: tässä prosessissa teräs pinnoitetaan sinkillä. Ilman happi, vesimolekyylit ja hiilidioksidi reagoivat sinkin kanssa muodostaen sinkkikarbonaattikerroksen, joka suojaa korroosiolta. Katso ympärilläsi talossasi, pihallasi ja autotallissasi esimerkkejä korroosiosta sekä galvanoinnista ja muista keinoista suojata metallia ruosteelta.

Tekniikka: Ilotulitteet & Kemia

Jos katselet ilotulitteita itsenäisyyspäivänä, näet kauniita väri- ja kipinäyhdistelmiä.

Miten tämä hämmästyttävä pyrotekninen näytös toimii? Lyhyt vastaus on kemia. Pidempi sisältää metallien ominaisuuksien kertauksen.

Yksi tärkeimmistä ainesosista ilotulitteissa, maa-ilotulitteissa ja ilmailotulitteissa (jotka räjähtävät taivaalla) on mustaruuti, jonka kiinalaiset keksivät noin 1000 vuotta sitten. Se on sekoitus kaliumnitraattia (salpeteriä), puuhiiltä ja rikkiä suhteessa 75:15:10. Mustaruutia käytetään ilma-alusten laukaisemiseen ja se aiheuttaa myös räjähdyksiä, joita tarvitaan erikoistehosteisiin, kuten kohinaan tai värilliseen valoon.

Kipinöitsijöissä mustaruuti sekoitetaan metallijauheiden ja muiden kemiallisten yhdisteiden kanssa sellaiseen muotoon, että se palaa hitaasti ylhäältä alaspäin. Yksinkertaisissa ilotulitusraketeissa mustaruuti on suljettu putkeen sytyttimen ympärille. Kun ruuti sytytetään, se synnyttää voiman, joka johtaa yhtä suureen ja vastakkaiseen reaktioon, joka työntää ilotulitteen irti maasta ja saa sitten sen sisällä olevat yhdisteet räjähtämään ilmassa.

Monimutkaisemmat ilotulitusvälineet laukaistaan kranaatinheittimestä, putkesta, jossa on mustaa ruutia, joka sytytettäessä saa aikaan nostoreaktion. Ilotulituskuoren sytytyslanka syttyy sitten sen noustessa ilmaan, ja oikeaan aikaan kuoren sisällä tapahtuva räjähdys saa sen erikoistehosteiden lataukset räjähtämään.

Kirkkaan, värikkään osan ilotulitusnäytöksestä aiheuttavat erilaisten metalli- ja suola-yhdisteiden atomeissa olevat ”innostuneet” elektronit. Nämä yhdisteet ovat pienissä tähdiksi kutsutuissa palloissa, jotka on tehty samanlaisesta yhdisteestä kuin se, mikä saa tuikkukynttilän toimimaan.

Metallit väriaineina

Erilaiset metallit palavat erivärisinä; jos esimerkiksi kupariyhdiste sytytetään, sen liekki on sinivihreä. Kalsium palaa punaisen värisenä ja kalium palaa violettina. Ilotulitteissa metalleja yhdistellään eri värien aikaansaamiseksi.

Kun ilotulitteen sisällä olevia tähtiyhdisteitä kuumennetaan, innostuneet atomit luovuttavat valoenergiaa. Tämä valo jakautuu kahteen luokkaan: hehkumiseen ja luminesenssiin. Hehkuminen on kuumuudesta syntyvää valoa: ilotulitteissa reaktiiviset metallit, kuten alumiini ja magnesium, aiheuttavat erittäin kirkkaan valonpurkauksen kuumentuessaan – joskus jopa yli 5000 ° F:n lämpötiloissa!

Myös vähemmän reaktiiviset yhdisteet eivät kuumene yhtä paljon, jolloin kipinät ovat himmeämpiä. Luminesenssi taas syntyy muista lähteistä ja voi esiintyä myös kylmissä lämpötiloissa. Yhdisteen elektronit absorboivat energiaa, jolloin ne ”innostuvat”. Elektronit eivät kuitenkaan pysty ylläpitämään tätä korkeaa tasoa, joten ne hyppäävät takaisin matalammalle tasolle vapauttaen samalla valoenergiaa (fotoneja).

Bariumkloridi on kemiallinen yhdiste, joka antaa ilotulitteille vihreän luminesenssivärin, ja kuparikloridi saa aikaan sinisen värin. Kummassakin valossa on tärkeää käyttää puhtaita ainesosia, sillä muiden yhdisteiden jäämät peittävät värin.

Lisälukemista metalleista:

  • Kehräävän langan veistos
  • Kemian tiedekilpailuprojektit
  • Fysiikan tiedekilpailuprojektit
  • Piirilevyjen tiedeprojektit

Jätä vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.