Articles

Leer alles over de eigenschappen van metalen

  • Delen
  • Delen op Facebook
  • Delen op Twitter
  • Delen op Pinterest
  • Delen via E-mail
  • Delen naar Google Classroom

Voor de meeste mensen, is metaal een ander woord voor ijzer, staal, of een soortgelijke harde, glanzende stof.

Maar klopt deze definitie met de werkelijke eigenschappen van metalen?

Ja… en nee.

Voordat we het uitleggen, moet je weten dat de meeste elementen in het periodiek systeem metalen zijn.

Metalen zijn te vinden in het midden en aan de linkerkant van het periodiek systeem. Ze kunnen verder worden ingedeeld in alkalimetalen, aardalkalimetalen, overgangsmetalen en basismetalen.

Metalen Wetenschapsles

Eigenschappen van metalen

Een element is een stof die bestaat uit één soort atoom; het kan niet worden gescheiden in eenvoudiger delen. Het element helium (denk aan heteluchtballonnen) bestaat bijvoorbeeld uitsluitend uit heliumatomen.

Elementen worden over het algemeen ingedeeld als metalen of niet-metalen (hoewel sommige elementen kenmerken van beide hebben; deze worden metalloïden genoemd).

Drie eigenschappen van metalen zijn:

  • Glans: Metalen glanzen wanneer ze worden gesneden, gekrast of gepolijst.
  • Buigbaarheid: Metalen zijn sterk maar kneedbaar, wat betekent dat ze gemakkelijk kunnen worden gebogen of gevormd. Eeuwenlang hebben smeden metalen voorwerpen kunnen vormen door metaal te verhitten en er met een hamer op te slaan. Als ze dit met niet-metalen zouden proberen, zou het materiaal versplinteren! De meeste metalen zijn ook buigzaam, wat betekent dat ze kunnen worden uitgetrokken om draad te maken.
  • Geleidingsvermogen: Metalen zijn uitstekende geleiders van elektriciteit en warmte. Omdat ze ook buigzaam zijn, zijn ze ideaal voor elektrische bedrading. (Je kunt dit testen met enkele huishoudelijke voorwerpen. Lees verder om te ontdekken hoe!)

Aanvullende eigenschappen van metalen

Hoog smeltpunt: De meeste metalen hebben een hoog smeltpunt en alle metalen behalve kwik zijn vast bij kamertemperatuur.

Zoetbaar: Metalen maken vaak een rinkelend geluid als ze worden geraakt.

Reactiviteit: Sommige metalen zullen een chemische verandering (reactie) ondergaan, uit zichzelf of met andere elementen, waarbij energie vrijkomt. Deze metalen worden nooit in zuivere vorm gevonden, en zijn moeilijk te scheiden van de mineralen waarin zij voorkomen. Kalium en natrium zijn de meest reactieve metalen. Zij reageren heftig met lucht en water; kalium ontbrandt bij contact met water!

Andere metalen reageren in het geheel niet met andere metalen. Dit betekent dat ze in zuivere vorm kunnen worden gevonden (voorbeelden zijn goud en platina). Omdat koper relatief goedkoop is en een lage reactiviteit heeft, is het nuttig voor het maken van buizen en bedrading.

Vijf groepen metalen:

Nobele metalen worden gevonden als zuivere metalen omdat ze niet reactief zijn en zich niet met andere elementen verbinden om verbindingen te vormen. Omdat ze zo niet-reactief zijn, roesten ze niet gemakkelijk. Dit maakt ze ideaal voor juwelen en munten. Edele metalen zijn onder meer koper, palladium, zilver, platina en goud.

Alkalimetalen zijn zeer reactief. Zij hebben een laag smeltpunt en zijn zacht genoeg om met een mes te worden gesneden. Kalium en natrium zijn twee alkalimetalen.

Alkalische aardmetalen komen voor in verbindingen met veel verschillende mineralen. Zij zijn minder reactief dan alkalimetalen, maar ook harder, en hebben een hoger smeltpunt. Tot deze groep behoren calcium, magnesium en barium.

Overgangsmetalen zijn datgene waaraan we gewoonlijk denken als we aan metalen denken. Zij zijn hard en glanzend, sterk, en gemakkelijk te vormen. Ze worden voor veel industriële doeleinden gebruikt. Tot deze groep behoren ijzer, goud, zilver, chroom, nikkel en koper, waarvan sommige ook edele metalen zijn.

Slechte Metalen zijn tamelijk zacht, en de meeste worden op zichzelf niet erg veel gebruikt. Zij worden zeer nuttig wanneer zij aan andere substanties worden toegevoegd, nochtans. Tot de slechte metalen behoren aluminium, gallium, tin, thallium, antimoon en bismut.

Allegeringen: Sterke Combinaties

De eigenschappen van deze verschillende metalen kunnen worden gecombineerd door twee of meer van hen met elkaar te mengen. De resulterende stof wordt een legering genoemd. Sommige van onze nuttigste bouwmaterialen zijn eigenlijk legeringen. Staal, bijvoorbeeld, is een mengsel van ijzer en kleine hoeveelheden koolstof en andere elementen; een combinatie die zowel sterk als gemakkelijk te gebruiken is. (Voeg chroom toe en je krijgt roestvrij staal. Kijk maar eens in je keukenpotten en -pannen hoeveel er van roestvrij staal zijn gemaakt!)

Andere legeringen zoals messing (koper en zink) en brons (koper en tin) zijn gemakkelijk te vormen en mooi om te zien. Brons wordt ook veel gebruikt in de scheepsbouw omdat het bestand is tegen corrosie door zeewater.

Titanium is veel lichter en minder dicht dan staal, maar even sterk; en hoewel zwaarder dan aluminium, is het ook twee keer zo sterk. Het is ook zeer goed bestand tegen corrosie. Al deze factoren maken het tot een uitstekend legeringsmateriaal. Titaanlegeringen worden gebruikt in vliegtuigen, schepen en ruimtevaartuigen, maar ook in verf, fietsen en zelfs laptopcomputers!

Goud, als zuiver metaal, is zo zacht dat het altijd met een ander metaal (meestal zilver, koper of zink) wordt gemengd wanneer er sieraden van worden gemaakt. De zuiverheid van goud wordt gemeten in karaat. Het zuiverste goud dat je in juwelen kunt krijgen is 24 karaat, dat is ongeveer 99,7% zuiver goud. Goud kan ook met andere metalen worden gemengd om de kleur te veranderen; wit goud, dat populair is voor sieraden, is een legering van goud en platina of palladium.

Metalen uit erts

Ertsen zijn gesteenten of mineralen waaruit een waardevolle stof – meestal metaal – kan worden gewonnen. Enkele veel voorkomende ertsen zijn galena (looderts), borniet en malachiet (koper), cinnaber (kwik), en bauxiet (aluminium). De meest voorkomende ijzerertsen zijn magnetiet en hematiet (een roestkleurig mineraal gevormd door ijzer en zuurstof), die beide ongeveer 70% ijzer bevatten.

Er zijn verschillende processen om ijzer uit erts te raffineren. Het oudste proces is het verbranden van ijzererts met houtskool (koolstof) en zuurstof die door blaasbalgen wordt geleverd. De koolstof en de zuurstof, ook de zuurstof in het erts, verbinden zich en laten het ijzer achter. Het ijzer wordt echter niet heet genoeg om volledig te smelten en het bevat nog silicaten die uit het erts zijn overgebleven. Het kan worden verhit en uitgehamerd om smeedijzer te vormen.

Het modernere proces maakt gebruik van een hoogoven om ijzererts, kalksteen en cokes (een steenkoolproduct, niet de frisdrank) te verhitten. De resulterende reacties scheiden het ijzer van de zuurstof in het erts. Dit “ruwijzer” moet verder worden gemengd om smeedijzer te maken. Het kan ook voor een ander belangrijk doel worden gebruikt: wanneer het met koolstof en andere elementen wordt verhit, wordt het een sterker metaal dat staal wordt genoemd.

Gezien het betrokken proces is het niet verwonderlijk dat ijzer tot ongeveer 1500 v.C. niet werd gebruikt. Maar sommige zuivere metalen – goud, zilver en koper – werden reeds vóór die tijd gebruikt, en de legering brons zou door de Sumeriërs rond 3500 v. Chr. zijn ontdekt. Maar aluminium, een van de meest essentiële metalen in het moderne gebruik, werd pas ontdekt in 1825 AD, en werd pas algemeen gebruikt in de 20ste eeuw!

Corrosie: Proces & Preventie

Heb je ooit een stuk zilver gezien dat zijn glans verloor, of ijzer met roodgekleurde roest erop of zelfs gaten erin veroorzaakt door corrosie? Dit gebeurt wanneer zuurstof (meestal uit de lucht) reageert met een metaal. Metalen met een hogere reactiviteit (zoals magnesium, aluminium, ijzer, zink en tin) zijn veel vatbaarder voor dit soort chemische vernietiging, of corrosie.

Wanneer zuurstof met een metaal reageert, vormt het een oxide op het oppervlak van het metaal. Bij sommige metalen, zoals aluminium, is dit een goede zaak. Het oxide vormt een beschermende laag die voorkomt dat het metaal verder corrodeert.

Izer en staal daarentegen hebben ernstige problemen als ze niet worden behandeld om corrosie te voorkomen. De roodachtige oxidelaag die zich op ijzer of staal vormt wanneer het met zuurstof reageert, wordt roest genoemd. De roestlaag schilfert voortdurend af, waardoor meer van het metaal aan corrosie wordt blootgesteld totdat het metaal uiteindelijk is doorgevreten.

Een gangbare manier om ijzer te beschermen is het te coaten met speciale verf die voorkomt dat zuurstof reageert met het metaal onder de verf. Een andere methode is galvaniseren: in dit proces wordt staal bekleed met zink. De zuurstof, watermoleculen en kooldioxide in de lucht reageren met het zink, waardoor een laag zinkcarbonaat wordt gevormd die beschermt tegen corrosie. Kijk rond in uw huis, tuin en garage voor voorbeelden van corrosie, galvanisatie en andere middelen om metaal tegen roest te beschermen.

Technologie: Vuurwerk & Chemie

Als je op de vierde juli naar vuurwerk kijkt, zie je prachtige combinaties van kleur en vonken.

Hoe werkt dit verbazingwekkende pyrotechnische vertoon? Het korte antwoord is chemie.

Een van de hoofdingrediënten van rotjes, grondvuurwerk en luchtvuurwerk (dat in de lucht ontploft) is zwart buskruit, dat ongeveer 1000 jaar geleden door de Chinezen werd uitgevonden. Het is een mengsel van kaliumnitraat (salpeter), houtskool en zwavel in een verhouding 75:15:10. Zwart buskruit wordt gebruikt om antennes te lanceren en veroorzaakt ook de explosies die nodig zijn voor speciale effecten zoals lawaai of gekleurd licht.

In vuurwerk wordt zwart buskruit gemengd met metaalpoeders en andere chemische verbindingen in een vorm die langzaam, van boven naar beneden, zal branden. In eenvoudige vuurwerkraketten wordt zwart poeder opgesloten in een buis rond een lont. Bij het aansteken creëert het poeder een kracht die resulteert in een gelijke en tegengestelde reactie, waardoor het vuurwerk van de grond wordt geduwd en de verbindingen erin vervolgens in de lucht exploderen.

Meer complexe vuurwerkgranaten worden gelanceerd vanuit een mortier, een buis met zwart poeder die bij het aansteken een lift-off reactie veroorzaakt. De lont van de vuurwerkhuls wordt dan aangestoken terwijl hij de lucht in gaat, en op het juiste moment zorgt een explosie in de huls ervoor dat de ladingen met speciale effecten uiteenspatten.

Het heldere, kleurrijke deel van het vuurwerk wordt veroorzaakt door “aangeslagen” elektronen in de atomen van verschillende metaal- en zoutverbindingen. Deze verbindingen zitten in kleine balletjes, sterretjes genoemd, die gemaakt zijn van een soortgelijke samenstelling als die waardoor een glittertje werkt.

Metalen als kleurstoffen

Verschillende metalen branden in verschillende kleuren; als bijvoorbeeld een koperverbinding wordt aangestoken, zal de vlam een blauwgroene kleur hebben. Calcium brandt roodgekleurd en kalium brandt paars. In vuurwerk worden metalen gecombineerd om verschillende kleuren te creëren.

Wanneer de sterverbindingen in een vuurwerk worden verhit, geven de aangeslagen atomen lichtenergie af. Dit licht valt in twee categorieën uiteen: gloei- en luminescentie. Gloei-ontsteking is licht dat door hitte wordt geproduceerd: in vuurwerk veroorzaken reactieve metalen zoals aluminium en magnesium een uitbarsting van zeer helder licht wanneer ze heet worden – soms bij temperaturen van meer dan 5000 ° F!

Samenstellingen die minder reactief zijn, worden niet zo heet, wat resulteert in zwakkere vonken. Luminescentie daarentegen wordt geproduceerd door andere bronnen en kan zelfs bij koude temperaturen optreden. De elektronen in de verbinding absorberen energie, waardoor ze “aangeslagen” worden. De elektronen kunnen dit hoge niveau echter niet handhaven, zodat zij terugspringen naar een lager niveau, waarbij lichtenergie (fotonen) vrijkomt.

Bariumchloride is een chemische verbinding die vuurwerk een lichtgevende groene kleur geeft, en koperchloride maakt een blauwe kleur. Voor beide soorten licht, is het belangrijk om zuivere ingrediënten te gebruiken, omdat sporen van andere verbindingen de kleur zal vertroebelen.

Verder lezen over metalen:

  • Spinning Wire Sculpture
  • Chemie Science Fair Projects
  • Natuurkunde Science Fair Projects
  • Circuit Science Projects

Laat een antwoord achter

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.