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Impara tutto sulle proprietà dei metalli

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Per molte persone, metallo è un’altra parola per ferro, acciaio, o una simile sostanza dura e brillante.

Ma questa definizione corrisponde alle vere proprietà dei metalli?

Sì… e no.

Prima di spiegare, devi sapere che la maggior parte degli elementi della tavola periodica sono metalli.

I metalli si trovano al centro e a sinistra della tavola periodica. Possono essere ulteriormente classificati come metalli alcalini, metalli alcalino-terrosi, metalli di transizione e metalli di base.

Lezione di scienze sui metalli

Proprietà dei metalli

Un elemento è una sostanza composta da un tipo di atomo; non può essere separato in parti più semplici. Per esempio, l’elemento elio (si pensi alle mongolfiere) è composto esclusivamente da atomi di elio.

Generalmente gli elementi sono classificati come metalli o non metalli (sebbene alcuni elementi abbiano caratteristiche di entrambi; questi sono chiamati metalloidi).

Tre proprietà dei metalli sono:

  • Lucentezza: I metalli sono brillanti quando vengono tagliati, graffiati o lucidati.
  • Malleabilità: I metalli sono forti ma malleabili, il che significa che possono essere facilmente piegati o modellati. Per secoli, i fabbri sono stati in grado di modellare oggetti metallici riscaldando il metallo e battendolo con un martello. Se avessero provato a farlo con i non metalli, il materiale si sarebbe frantumato! La maggior parte dei metalli sono anche duttili, il che significa che possono essere estratti per fare del filo metallico.
  • Conducibilità: I metalli sono eccellenti conduttori di elettricità e calore. Poiché sono anche duttili, sono ideali per il cablaggio elettrico. (Puoi testare questo usando alcuni oggetti domestici. Continua a leggere per scoprire come!)

Proprietà aggiuntive dei metalli

Alto punto di fusione: La maggior parte dei metalli ha un alto punto di fusione e tutti, tranne il mercurio, sono solidi a temperatura ambiente.

Sonoro: I metalli spesso producono un suono squillante quando vengono colpiti.

Reattività: Alcuni metalli subiscono un cambiamento chimico (reazione), da soli o con altri elementi, e rilasciano energia. Questi metalli non si trovano mai in forma pura e sono difficili da separare dai minerali in cui si trovano. Il potassio e il sodio sono i metalli più reattivi. Reagiscono violentemente con l’aria e l’acqua; il potassio si infiamma a contatto con l’acqua!

Altri metalli non reagiscono affatto con altri metalli. Questo significa che possono essere trovati in forma pura (esempi sono l’oro e il platino). Poiché il rame è relativamente poco costoso e ha una bassa reattività, è utile per fare tubi e cablaggi.

Cinque gruppi di metalli:

I metalli nobili si trovano come metalli puri perché non sono reattivi e non si combinano con altri elementi per formare composti. Poiché sono così non reattivi, non si corrodono facilmente. Questo li rende ideali per gioielli e monete. I metalli nobili includono rame, palladio, argento, platino e oro.

I metalli alcalini sono molto reattivi. Hanno bassi punti di fusione e sono abbastanza morbidi da essere tagliati con un coltello. Il potassio e il sodio sono due metalli alcalini.

I metalli della Terra alcalina si trovano in composti con molti minerali diversi. Sono meno reattivi dei metalli alcalini, oltre che più duri, e hanno punti di fusione più alti. Questo gruppo include calcio, magnesio e bario.

I metalli di transizione sono quelli a cui pensiamo di solito quando pensiamo ai metalli. Sono duri e lucenti, forti e facili da modellare. Sono usati per molti scopi industriali. Questo gruppo comprende ferro, oro, argento, cromo, nichel e rame, alcuni dei quali sono anche metalli nobili.

I metalli poveri sono abbastanza morbidi, e la maggior parte non sono usati molto da soli. Diventano però molto utili quando vengono aggiunti ad altre sostanze. I metalli poveri includono alluminio, gallio, stagno, tallio, antimonio e bismuto.

Leghe: Combinazioni forti

Le proprietà di questi diversi metalli possono essere combinate mescolando due o più di loro insieme. La sostanza risultante è chiamata lega. Alcuni dei nostri materiali da costruzione più utili sono in realtà leghe. L’acciaio, per esempio, è una miscela di ferro e piccole quantità di carbonio e altri elementi; una combinazione che è sia forte che facile da usare. (Aggiungete il cromo e otterrete l’acciaio inossidabile. Controlla le pentole e le padelle della tua cucina per vedere quante sono in acciaio inossidabile!

Altre leghe come l’ottone (rame e zinco) e il bronzo (rame e stagno) sono facili da modellare e belle da vedere. Il bronzo è anche usato frequentemente nella costruzione di navi perché è resistente alla corrosione dell’acqua di mare.

Il titanio è molto più leggero e meno denso dell’acciaio, ma altrettanto forte; e sebbene più pesante dell’alluminio, è anche due volte più forte. È anche molto resistente alla corrosione. Tutti questi fattori lo rendono un eccellente materiale di lega. Le leghe di titanio sono usate in aerei, navi e veicoli spaziali, così come vernici, biciclette e persino computer portatili!

L’oro, come metallo puro, è così morbido che è sempre mescolato con un altro metallo (di solito argento, rame o zinco) quando viene trasformato in gioielli. La purezza dell’oro si misura in carati. Il più puro che si può ottenere in gioielleria è 24 carati, che è circa il 99,7% di oro puro. L’oro può anche essere mescolato con altri metalli per cambiare il suo colore; l’oro bianco, che è popolare per i gioielli, è una lega di oro e platino o palladio.

Il metallo dai minerali

I minerali sono rocce o minerali da cui si può estrarre una sostanza di valore – di solito metallo. Alcuni minerali comuni includono galena (minerale di piombo), bornite e malachite (rame), cinabro (mercurio), e bauxite (alluminio). I minerali di ferro più comuni sono la magnetite e l’ematite (un minerale color ruggine formato da ferro e ossigeno), che contengono entrambi circa il 70% di ferro.

Ci sono diversi processi per raffinare il ferro dai minerali. Il processo più vecchio consiste nel bruciare il minerale di ferro con carbone di legna (carbonio) e ossigeno fornito da mantici. Il carbonio e l’ossigeno, compreso l’ossigeno del minerale, si combinano e lasciano il ferro. Tuttavia, il ferro non si scalda abbastanza per fondersi completamente e contiene silicati rimasti dal minerale. Può essere riscaldato e martellato per formare ferro battuto.

Il processo più moderno usa un altoforno per riscaldare il minerale di ferro, il calcare e il coke (un prodotto del carbone, non la bibita). Le reazioni risultanti separano il ferro dall’ossigeno del minerale. Questo “ferro grezzo” deve essere ulteriormente mescolato per creare il ferro battuto. Può anche essere usato per un altro scopo importante: se riscaldato con carbonio e altri elementi, diventa un metallo più forte chiamato acciaio.

Considerando il processo coinvolto, non è sorprendente che il ferro non sia stato usato fino al 1500 a.C. circa. Ma alcuni metalli puri – oro, argento e rame – furono usati prima di allora, e la lega del bronzo si pensa sia stata scoperta dai Sumeri intorno al 3500 a.C. Ma l’alluminio, uno dei metalli più essenziali nell’uso moderno, non è stato scoperto fino al 1825 d.C., e non è stato comunemente usato fino al 20° secolo!

Corrosione: Processo & Prevenzione

Hai mai visto un pezzo d’argento che ha perso la sua lucentezza, o del ferro con della ruggine di colore rossastro o persino dei buchi causati dalla corrosione? Questo accade quando l’ossigeno (di solito dall’aria) reagisce con un metallo. I metalli con una maggiore reattività (come magnesio, alluminio, ferro, zinco e stagno) sono molto più inclini a questo tipo di distruzione chimica, o corrosione.

Quando l’ossigeno reagisce con un metallo, forma un ossido sulla superficie del metallo. In alcuni metalli, come l’alluminio, questa è una buona cosa. L’ossido fornisce uno strato protettivo che impedisce al metallo di corrodersi ulteriormente.

Il ferro e l’acciaio, d’altra parte, hanno seri problemi se non sono trattati per prevenire la corrosione. Lo strato di ossido rossastro che si forma sul ferro o sull’acciaio quando reagisce con l’ossigeno è chiamato ruggine. Lo strato di ruggine si sfalda continuamente, esponendo sempre di più il metallo alla corrosione fino a quando il metallo non viene consumato.

Un modo comune per proteggere il ferro è quello di rivestirlo con una vernice speciale che impedisce all’ossigeno di reagire con il metallo sotto la vernice. Un altro metodo è la galvanizzazione: in questo processo, l’acciaio è rivestito di zinco. L’ossigeno, le molecole d’acqua e l’anidride carbonica nell’aria reagiscono con lo zinco, formando uno strato di carbonato di zinco che protegge dalla corrosione. Guarda intorno alla tua casa, al tuo cortile e al tuo garage per trovare esempi di corrosione e di galvanizzazione e altri mezzi per proteggere il metallo dalla ruggine.

Tecnologia: Fuochi d’artificio & Chimica

Se guardi i fuochi d’artificio il 4 luglio, vedrai bellissime combinazioni di colori e scintille.

Come funziona questo incredibile spettacolo pirotecnico? La risposta breve è la chimica. La più lunga implica una ricapitolazione delle proprietà dei metalli.

Uno degli ingredienti chiave per i petardi, i fuochi d’artificio di terra e quelli aerei (quelli che esplodono nel cielo) è la polvere nera, inventata dai cinesi circa 1000 anni fa. È una miscela di nitrato di potassio (salnitro), carbone e zolfo in un rapporto 75:15:10. La polvere nera è usata per lanciare antenne e provoca anche le esplosioni necessarie per effetti speciali come il rumore o la luce colorata.

Nelle scintille, la polvere nera è mescolata con polveri metalliche e altri composti chimici in una forma che brucia lentamente, dall’alto verso il basso. Nei razzi pirotecnici semplici, la polvere nera è confinata in un tubo intorno a una miccia. Quando viene accesa, la polvere crea una forza che provoca una reazione uguale e contraria, spingendo il fuoco d’artificio da terra e poi facendo esplodere i composti al suo interno in aria.

Gli involucri pirotecnici più complessi sono lanciati da un mortaio, un tubo con polvere nera che provoca una reazione di sollevamento quando viene acceso. La miccia del guscio pirotecnico viene poi accesa mentre sale in aria, e al momento giusto un’esplosione all’interno del guscio fa scoppiare le sue cariche di effetti speciali.

La parte luminosa e colorata dello spettacolo pirotecnico è causata da elettroni “eccitati” negli atomi di diversi composti di metallo e sale. Questi composti sono in piccole sfere chiamate stelle, fatte di un composto simile a quello che fa funzionare una scintilla.

Metalli come agenti coloranti

Metalli diversi bruciano in colori diversi; per esempio, se un composto di rame è acceso, la sua fiamma sarà di colore blu-verde. Il calcio brucia di colore rosso e il potassio brucia viola. Nei fuochi d’artificio, i metalli sono combinati per creare diversi colori.

Quando i composti stellari all’interno di un fuoco d’artificio sono riscaldati, gli atomi eccitati emettono energia luminosa. Questa luce rientra in due categorie: incandescenza e luminescenza. L’incandescenza è la luce prodotta dal calore: nei fuochi d’artificio, i metalli reattivi come l’alluminio e il magnesio causano un’esplosione di luce molto brillante quando si scaldano – a volte a temperature superiori a 5000 ° F!

I composti che sono meno reattivi non si scaldano così tanto, dando luogo a scintille più deboli. La luminescenza, invece, è prodotta da altre fonti e può verificarsi anche a basse temperature. Gli elettroni nel composto assorbono energia, rendendoli “eccitati”. Gli elettroni non possono mantenere questo alto livello, però, così saltano indietro a un livello più basso, rilasciando energia luminosa (fotoni) nel processo.

Il cloruro di bario è un composto chimico che dà ai fuochi d’artificio un colore verde luminescente, e il cloruro di rame fa un colore blu. Per entrambi i tipi di luce, è importante usare ingredienti puri poiché tracce di altri composti oscureranno il colore.

Altra lettura sui metalli:

  • Scultura di filo che gira
  • Progetti per la fiera della chimica
  • Progetti per la fiera della fisica
  • Progetti di scienza dei circuiti

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