Articles

Megtanulni mindent a fémek tulajdonságairól

  • Megosztás
  • Megosztás a Facebookon
  • Megosztás a Twitteren
  • Megosztás a Pinteresten
  • Megosztás e-mailben
  • Megosztás a Google Classroomban

A legtöbb ember számára, a fém egy másik szó a vasra, acélra vagy hasonló kemény, fényes anyagra.

De vajon ez a meghatározás megfelel a fémek valódi tulajdonságainak?

Igen… és nem.

Mielőtt elmagyaráznánk, tudnod kell, hogy a periódusos rendszer legtöbb eleme fém.

A fémek a periódusos rendszer középső és bal oldalán találhatók. Tovább osztályozhatjuk őket alkálifémekre, alkáliföldfémekre, átmeneti fémekre és bázisfémekre.

Fémek természettudományos lecke

A fémek tulajdonságai

Az elem egyfajta atomból álló anyag; egyszerűbb részekre nem bontható. Például a hélium elem (gondoljunk csak a hőlégballonokra) kizárólag héliumatomokból áll.

Az elemeket általában fémek vagy nem fémek közé sorolják (bár néhány elem mindkettő tulajdonságával rendelkezik; ezeket nevezzük metalloidoknak).

A fémek három tulajdonsága:

  • Fényesség: A fémek fényesek, ha vágják, karcolják vagy polírozzák őket.
  • Formálhatóság: A fémek erősek, de képlékenyek, ami azt jelenti, hogy könnyen hajlíthatóak vagy alakíthatóak. A kovácsok évszázadok óta képesek fémtárgyakat alakítani a fém melegítésével és kalapáccsal való ütögetésével. Ha ezt nem fémekkel próbálták volna meg, az anyag összetört volna! A legtöbb fém képlékeny is, ami azt jelenti, hogy drótot lehet belőlük húzni.
  • Vezetőképesség: A fémek kiválóan vezetik az elektromosságot és a hőt. Mivel képlékenyek is, ideálisak elektromos vezetékekhez. (Ezt néhány háztartási tárgy segítségével tesztelheted. Olvass tovább, hogy megtudd, hogyan!)

A fémek további tulajdonságai

magas olvadáspont: A legtöbb fémnek magas az olvadáspontja, és a higany kivételével mindegyik szilárd anyag szobahőmérsékleten.

Szonikus: A fémek ütéskor gyakran csengő hangot adnak.

Reaktivitás: Egyes fémek önmagukban vagy más elemekkel kémiai változáson (reakción) mennek keresztül, és energiát szabadítanak fel. Ezek a fémek soha nem találhatók meg tiszta formában, és nehéz őket elválasztani az ásványoktól, amelyekben megtalálhatók. A kálium és a nátrium a legreaktívabb fémek. Heves reakcióba lépnek a levegővel és a vízzel; a kálium vízzel érintkezve meggyullad!

A többi fém egyáltalán nem reagál más fémekkel. Ez azt jelenti, hogy tiszta formában is megtalálhatók (példa erre az arany és a platina). Mivel a réz viszonylag olcsó és alacsony reakcióképességű, hasznos csövek és vezetékek készítéséhez.

A fémek öt csoportja:

A nemesfémek tiszta fémként találhatók meg, mert nem reagálnak, és más elemekkel nem egyesülnek vegyületekké. Mivel nem reakcióképesek, nem korrodálódnak könnyen. Ez teszi őket ideálissá ékszerek és érmék készítéséhez. A nemesfémek közé tartozik a réz, a palládium, az ezüst, a platina és az arany.

A lúgos fémek nagyon reaktívak. Alacsony olvadáspontjuk van, és elég puhák ahhoz, hogy késsel vágni lehessen őket. A kálium és a nátrium két alkálifém.

A lúgos földfémek számos különböző ásványi anyaggal vegyületben fordulnak elő. Kevésbé reaktívak, mint az alkálifémek, valamint keményebbek, és magasabb az olvadáspontjuk. Ebbe a csoportba tartozik a kalcium, a magnézium és a bárium.

Az átmeneti fémek azok, amelyekre általában gondolunk, amikor a fémekre gondolunk. Kemények és fényesek, erősek és könnyen alakíthatók. Számos ipari célra használják őket. Ebbe a csoportba tartozik a vas, az arany, az ezüst, a króm, a nikkel és a réz, amelyek közül néhány nemesfém is.

A gyengefémek meglehetősen puhák, és legtöbbjüket önmagukban nem nagyon használják. Nagyon hasznosakká válnak azonban, ha más anyagokhoz adják őket. A gyenge fémek közé tartozik az alumínium, a gallium, az ón, a tallium, az antimon és a bizmut.

Az ötvözetek: Erős kombinációk

A különböző fémek tulajdonságai kombinálhatók két vagy több fém összekeverésével. Az így kapott anyagot ötvözetnek nevezzük. Leghasznosabb építőanyagaink némelyike valójában ötvözet. Az acél például vas és kis mennyiségű szén és más elemek keveréke; ez a kombináció egyszerre erős és könnyen használható. (Ha krómot adunk hozzá, rozsdamentes acélt kapunk. Nézd meg a konyhai edényeidet, hogy mennyi készült rozsdamentes acélból!)

A többi ötvözet, például a sárgaréz (réz és cink) és a bronz (réz és ón) könnyen alakítható és szépen néz ki. A bronzot a hajóépítésben is gyakran használják, mert ellenáll a tengervíz okozta korróziónak.

A titán sokkal könnyebb és kevésbé sűrű, mint az acél, de ugyanolyan erős; és bár nehezebb, mint az alumínium, de kétszer olyan erős is. A korrózióval szemben is nagyon ellenálló. Mindezek a tényezők kiváló ötvözött anyaggá teszik. Titánötvözeteket használnak repülőgépekben, hajókban és űrhajókban, valamint festékekben, kerékpárokban és még laptopokban is!

Az arany, mint tiszta fém, olyan puha, hogy mindig más fémmel (általában ezüsttel, rézzel vagy cinkkel) keverik, amikor ékszereket készítenek belőle. Az arany tisztaságát karátban mérik. A legtisztább, amit ékszerekben kaphatunk, a 24 karátos, ami körülbelül 99,7% tiszta aranyat jelent. Az aranyat más fémekkel is lehet keverni, hogy megváltoztassák a színét; az ékszerekben kedvelt fehérarany arany és platina vagy palládium ötvözete.

Fémek ércből

Az ércek olyan kőzetek vagy ásványok, amelyekből értékes anyag – általában fém – nyerhető ki. Néhány gyakori érc közé tartozik a galenit (ólomérc), a bornit és a malachit (réz), a cinóber (higany) és a bauxit (alumínium). A leggyakoribb vasércek a magnetit és a hematit (vasból és oxigénből képződő rozsdaszínű ásvány), amelyek mindkettő körülbelül 70% vasat tartalmaz.

A vas ércből történő finomítására többféle eljárás létezik. A régebbi eljárás a vasérc elégetése faszénnel (szénnel) és fújtatóval biztosított oxigénnel. A szén és az oxigén, beleértve az ércben lévő oxigént is, egyesül és elhagyja a vasat. A vas azonban nem forrósodik fel eléggé ahhoz, hogy teljesen megolvadjon, és az ércből visszamaradt szilikátokat tartalmaz. Ezt lehet felmelegíteni és kovácsoltvasat kalapálni belőle.

A modernebb eljárás nagyolvasztó kemencében vasércet, mészkövet és kokszot (széntermék, nem az üdítőital) melegít. Az így létrejövő reakciók elválasztják a vasat az ércben lévő oxigéntől. Ezt a “nyersvasat” tovább kell keverni a kovácsoltvas előállításához. Egy másik fontos célra is felhasználható: ha szénnel és más elemekkel együtt hevítik, erősebb fémmé, acéllá válik.

A folyamatot figyelembe véve nem meglepő, hogy a vasat i. e. 1500 körülig nem használták. Néhány tiszta fémet – aranyat, ezüstöt és rezet – azonban már korábban is használtak, a bronz ötvözetét pedig feltehetően a sumérok fedezték fel i. e. 3500 körül. De az alumíniumot, az egyik leglényegesebb, ma használatos fémet csak Kr. u. 1825-ben fedezték fel, és csak a 20. században használták általánosan!

Korrózió: & Megelőzés

Láttál már olyan ezüstöt, amely elvesztette fényét, vagy vasat, amelyen a korrózió miatt vöröses színű rozsda vagy akár lyukak keletkeztek? Ez akkor történik, amikor az oxigén (általában a levegőből) reakcióba lép a fémmel. A nagyobb reakcióképességű fémek (például a magnézium, az alumínium, a vas, a cink és az ón) sokkal hajlamosabbak erre a fajta kémiai pusztulásra, vagyis korrózióra.

Amikor az oxigén reakcióba lép egy fémmel, a fém felületén oxidot képez. Egyes fémeknél, mint például az alumínium, ez jó dolog. Az oxid egy védőréteget képez, amely megakadályozza a fém további korrózióját.

A vas és az acél viszont komoly problémákat okoz, ha nem kezelik őket a korrózió megelőzése érdekében. A vason vagy acélon az oxigénnel való reakció során kialakuló vöröses színű oxidréteget rozsdának nevezzük. A rozsdaréteg folyamatosan lepattogzik, egyre több fémet téve ki a korróziónak, míg végül a fém át nem maródik.

A vas védelmének egyik gyakori módja, hogy speciális festékkel vonják be, amely megakadályozza, hogy az oxigén reakcióba lépjen a festék alatt lévő fémmel. Egy másik módszer a galvanizálás: ennél az eljárásnál az acélt cinkkel vonják be. A levegőben lévő oxigén, vízmolekulák és szén-dioxid reakcióba lép a cinkkel, és egy cink-karbonát réteget képez, amely megvéd a korróziótól. Nézzen körül háza, udvara és garázsa körül a korrózió példáiért, valamint a galvanizálásért és a fémek rozsdásodás elleni védelmének egyéb módozataiért.

Technológia: & Kémia

Ha július negyedikén tűzijátékot nézel, gyönyörű szín- és szikrakombinációkat láthatsz.

Hogyan működik ez a csodálatos pirotechnikai bemutató? A rövid válasz a kémia. A hosszabb a fémek tulajdonságainak összefoglalását foglalja magában.

A petárdák, a földi tűzijátékok és a légi tűzijátékok (amelyek az égen robbannak fel) egyik legfontosabb összetevője a fekete por, amelyet a kínaiak találtak fel körülbelül 1000 évvel ezelőtt. Ez kálium-nitrát (salétrom), faszén és kén keveréke 75:15:10 arányban. A feketeport léghajók kilövésére használják, és a speciális effektusokhoz, például a zajhoz vagy a színes fényhez szükséges robbanásokat is okozza.

A szikragyújtókban a feketeport fémporokkal és más kémiai vegyületekkel keverik olyan formában, hogy lassan, felülről lefelé égjen. Az egyszerű tűzijáték rakétákban a fekete port egy csőbe zárják egy gyújtózsinór köré. Amikor meggyújtják, a por olyan erőt hoz létre, amely egyenlő és ellentétes reakciót eredményez, amely ellöki a tűzijátékot a talajtól, majd a benne lévő vegyületek a levegőben felrobbannak.

A bonyolultabb tűzijáték-gránátokat mozsárból, egy fekete port tartalmazó csőből indítják, amely meggyújtáskor felszálló reakciót okoz. A tűzijátékhéj gyújtózsinórját aztán a levegőbe emelkedve meggyújtják, és a megfelelő pillanatban a héj belsejében bekövetkező robbanás hatására a különleges hatású töltetek felrobbannak.

A tűzijáték fényes, színes részét a különböző fém- és sókeverékek atomjaiban lévő “gerjesztett” elektronok okozzák. Ezek a vegyületek csillagoknak nevezett kis gömbökben vannak, amelyek hasonló vegyületből készülnek, mint ami a csillagszórót működteti.

A fémek mint színezőanyagok

A különböző fémek különböző színben égnek; ha például egy rézvegyületet meggyújtunk, a lángja kékeszöld színű lesz. A kalcium vörös színben, a kálium pedig lilában ég. A tűzijátékokban a fémeket kombinálják, hogy különböző színeket hozzanak létre.

Amikor a tűzijátékban lévő csillagvegyületeket felhevítik, a gerjesztett atomok fényenergiát bocsátanak ki. Ez a fény két kategóriába sorolható: izzás és lumineszcencia. Az izzás a hő hatására keletkező fény: a tűzijátékokban a reaktív fémek, mint az alumínium és a magnézium, nagyon erős fényt okoznak, amikor felforrósodnak – néha 5000 ° F feletti hőmérsékleten!

A kevésbé reaktív vegyületek nem forrósodnak fel annyira, ami halványabb szikrákat eredményez. A lumineszcencia viszont más forrásokból keletkezik, és hideg hőmérsékleten is előfordulhat. A vegyület elektronjai energiát vesznek fel, ezáltal “gerjesztődnek”. Az elektronok azonban nem tudják fenntartani ezt a magas szintet, ezért visszaugranak egy alacsonyabb szintre, és közben fényenergiát (fotonokat) szabadítanak fel.

A bárium-klorid olyan kémiai vegyület, amely a tűzijátékoknak lumineszcens zöld színt ad, a réz-klorid pedig kék színt. Mindkét fajta világításhoz fontos, hogy tiszta összetevőket használjunk, mivel más vegyületek nyomai elhomályosítják a színt.

További olvasmányok a fémekről:

  • Fonódó drótszobor
  • Kémiai tudományos projektek
  • Fizikai tudományos projektek
  • Áramköri tudományos projektek

Leave a Reply

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.