Articles

Învățați totul despre proprietățile metalelor

  • Share
  • Share on Facebook
  • Share on Twitter
  • Share on Pinterest
  • Share through Email
  • Share to Google Classroom

Pentru majoritatea oamenilor, metalul este un alt cuvânt pentru fier, oțel sau o substanță similară dură și strălucitoare.

Dar se potrivește această definiție cu adevăratele proprietăți ale metalelor?

Da… și nu.

Înainte de a vă explica, trebuie să știți că majoritatea elementelor din tabelul periodic sunt metale.

Metalele se găsesc în centrul și în partea stângă a tabelului periodic. Ei pot fi clasificați în continuare în metale alcaline, metale alcalino-pământoase, metale de tranziție și metale bazice.

Lecția de științe despre metale

Proprietăți ale metalelor

Un element este o substanță alcătuită dintr-un singur tip de atom; nu poate fi separat în părți mai simple. De exemplu, elementul heliu (gândiți-vă la baloane cu aer cald) este alcătuit exclusiv din atomi de heliu.

Elementele sunt în general clasificate ca metale sau nemetale (deși unele elemente au caracteristici ale ambelor; acestea se numesc metaloizi).

Trei proprietăți ale metalelor sunt:

  • Strălucirea: Metalele sunt strălucitoare atunci când sunt tăiate, zgâriate sau lustruite.
  • Maleabilitate: Metalele sunt puternice, dar maleabile, ceea ce înseamnă că pot fi ușor îndoite sau modelate. Timp de secole, fierarii au fost capabili să modeleze obiecte metalice prin încălzirea metalului și lovirea lui cu un ciocan. Dacă ar fi încercat acest lucru cu materiale nemetalice, materialul s-ar fi sfărâmat! Majoritatea metalelor sunt, de asemenea, ductile, ceea ce înseamnă că pot fi extrase pentru a face sârmă.
  • Conductibilitate: Metalele sunt excelenți conductori de electricitate și căldură. Deoarece sunt, de asemenea, ductile, ele sunt ideale pentru cabluri electrice. (Puteți testa acest lucru folosind câteva obiecte de uz casnic. Continuați să citiți pentru a afla cum!)

Proprietăți suplimentare ale metalelor

Punct de topire ridicat: Majoritatea metalelor au puncte de topire ridicate și toate, cu excepția mercurului, sunt solide la temperatura camerei.

Sonoritate: Metalele produc adesea un sunet de sonerie atunci când sunt lovite.

Reactivitate: Unele metale vor suferi o schimbare chimică (reacție), de la sine sau cu alte elemente, și vor elibera energie. Aceste metale nu se găsesc niciodată într-o formă pură și sunt greu de separat de mineralele în care se găsesc. Potasiul și sodiul sunt cele mai reactive metale. Ele reacționează violent cu aerul și apa; potasiul se va aprinde la contactul cu apa!

Alte metale nu reacționează deloc cu alte metale. Acest lucru înseamnă că ele pot fi găsite într-o formă pură (exemple sunt aurul și platina). Deoarece cuprul este relativ ieftin și are o reactivitate scăzută, este util pentru fabricarea țevilor și cablurilor.

Cinci grupe de metale:

Metalele nobile se găsesc sub formă de metale pure, deoarece sunt nereactive și nu se combină cu alte elemente pentru a forma compuși. Pentru că sunt atât de nereactive, ele nu se corodează ușor. Acest lucru le face ideale pentru bijuterii și monede. Metalele nobile includ cuprul, paladiul, argintul, platina și aurul.

Metalele alcaline sunt foarte reactive. Ele au puncte de topire scăzute și sunt suficient de moi pentru a fi tăiate cu un cuțit. Potasiul și sodiul sunt două metale alcaline.

Metalele alcaline terestre se găsesc în compuși cu multe minerale diferite. Ele sunt mai puțin reactive decât metalele alcaline, precum și mai dure, și au puncte de topire mai ridicate. Acest grup include calciul, magneziul și bariul.

Metalele de tranziție sunt cele la care ne gândim de obicei când ne gândim la metale. Ele sunt dure și strălucitoare, puternice și ușor de modelat. Ele sunt folosite în multe scopuri industriale. Acest grup include fierul, aurul, argintul, cromul, nichelul și cuprul, dintre care unele sunt, de asemenea, metale nobile.

Metalele slabe sunt destul de moi, iar cele mai multe nu sunt folosite foarte mult prin ele însele. Totuși, ele devin foarte utile atunci când sunt adăugate la alte substanțe. Printre metalele sărace se numără aluminiul, galiul, staniul, taliul, antimoniul și bismutul.

Alegeri: Combinații puternice

Proprietățile acestor metale diferite pot fi combinate prin amestecarea a două sau mai multe dintre ele. Substanța rezultată se numește aliaj. Unele dintre cele mai utile materiale de construcție ale noastre sunt de fapt aliaje. Oțelul, de exemplu, este un amestec de fier și cantități mici de carbon și alte elemente; o combinație care este atât puternică, cât și ușor de utilizat. (Adăugați crom și veți obține oțel inoxidabil. Verificați oalele și tigăile din bucătăria dvs. pentru a vedea câte sunt fabricate din oțel inoxidabil!)

Alte aliaje precum alama (cupru și zinc) și bronzul (cupru și staniu) sunt ușor de modelat și frumoase la vedere. Bronzul este, de asemenea, utilizat frecvent în construcția de nave, deoarece este rezistent la coroziunea provocată de apa de mare.

Titaniul este mult mai ușor și mai puțin dens decât oțelul, dar la fel de rezistent; și, deși este mai greu decât aluminiul, este, de asemenea, de două ori mai rezistent. Este, de asemenea, foarte rezistent la coroziune. Toți acești factori îl fac un excelent material de aliaj. Aliajele de titan sunt folosite la avioane, nave și nave spațiale, precum și la vopsele, biciclete și chiar la calculatoare portabile!

Aurul, ca metal pur, este atât de moale încât este întotdeauna amestecat cu un alt metal (de obicei argint, cupru sau zinc) atunci când este transformat în bijuterii. Puritatea aurului se măsoară în carate. Cea mai pură pe care o puteți obține în bijuterii este de 24 de carate, care reprezintă aproximativ 99,7% aur pur. Aurul poate fi, de asemenea, amestecat cu alte metale pentru a-și schimba culoarea; aurul alb, care este popular pentru bijuterii, este un aliaj de aur și platină sau paladiu.

Metal din minereu

Minerele sunt roci sau minerale din care poate fi extrasă o substanță valoroasă – de obicei metal -. Unele minereuri comune includ galena (minereu de plumb), bornitul și malachitul (cupru), cinabrul (mercur) și bauxita (aluminiu). Cele mai comune minereuri de fier sunt magnetita și hematita (un mineral de culoare ruginie format din fier și oxigen), care ambele conțin aproximativ 70% fier.

Există mai multe procese de rafinare a fierului din minereu. Cel mai vechi procedeu constă în arderea minereului de fier cu cărbune de lemn (carbon) și oxigen furnizat de burdufuri. Carbonul și oxigenul, inclusiv oxigenul din minereu, se combină și lasă fierul. Cu toate acestea, fierul nu se încălzește suficient pentru a se topi complet și conține silicați rămași din minereu. Acesta poate fi încălzit și prelucrat cu ciocanul pentru a forma fier forjat.

Procesul mai modern folosește un furnal pentru a încălzi minereul de fier, calcarul și cocsul (un produs din cărbune, nu băutura răcoritoare). Reacțiile rezultate separă fierul de oxigenul din minereu. Acest „fontă brută” trebuie să fie amestecat în continuare pentru a crea fier forjat. De asemenea, poate fi folosit pentru un alt scop important: atunci când este încălzit cu carbon și alte elemente, devine un metal mai rezistent numit oțel.

Considerând procesul implicat, nu este surprinzător faptul că fierul nu a fost folosit până în jurul anului 1500 î.Hr. Dar unele metale pure – aurul, argintul și cuprul – au fost folosite înainte de această dată, iar aliajul de bronz se crede că a fost descoperit de sumerieni în jurul anului 3500 î.Hr. Dar aluminiul, unul dintre cele mai esențiale metale folosite în zilele noastre, nu a fost descoperit până în 1825 d.Hr. și nu a fost folosit în mod obișnuit până în secolul XX!

Coroziunea: Proces & Prevenire

Ați văzut vreodată o bucată de argint care și-a pierdut strălucirea, sau fier cu rugină de culoare roșiatică pe el sau chiar găuri în el cauzate de coroziune? Acest lucru se întâmplă atunci când oxigenul (de obicei din aer) reacționează cu un metal. Metalele cu o reactivitate mai mare (cum ar fi magneziul, aluminiul, fierul, zincul și staniul) sunt mult mai predispuse la acest tip de distrugere chimică, sau coroziune.

Când oxigenul reacționează cu un metal, formează un oxid pe suprafața metalului. La unele metale, cum ar fi aluminiul, acesta este un lucru bun. Oxidul oferă un strat protector care împiedică metalul să se corodeze în continuare.

Fierul și oțelul, pe de altă parte, au probleme serioase dacă nu sunt tratate pentru a preveni coroziunea. Stratul de oxid roșiatic care se formează pe fier sau oțel atunci când acesta reacționează cu oxigenul se numește rugină. Stratul de rugină se desprinde continuu, expunând tot mai mult metalul la coroziune, până când metalul este în cele din urmă mâncat.

O modalitate obișnuită de a proteja fierul este acoperirea acestuia cu o vopsea specială care împiedică oxigenul să reacționeze cu metalul de sub vopsea. O altă metodă este galvanizarea: în acest proces, oțelul este acoperit cu zinc. Oxigenul, moleculele de apă și dioxidul de carbon din aer reacționează cu zincul, formând un strat de carbonat de zinc care protejează împotriva coroziunii. Uitați-vă în jurul casei, în curte și în garaj pentru a găsi exemple de coroziune, precum și de galvanizare și alte mijloace de protejare a metalului de rugină.

Tehnologie: Focuri de artificii & Chimie

Dacă vă uitați la focurile de artificii pe 4 iulie, veți vedea combinații frumoase de culori și scântei.

Cum funcționează acest uimitor spectacol pirotehnic? Răspunsul scurt este chimia. Cel mai lung implică o recapitulare a proprietăților metalelor.

Unul dintre ingredientele cheie pentru petarde, artificii la sol și artificii aeriene (cele care explodează pe cer) este pulberea neagră, inventată de chinezi în urmă cu aproximativ 1000 de ani. Este un amestec de nitrat de potasiu (salpetru), cărbune de lemn și sulf într-un raport 75:15:10. Pulberea neagră este folosită pentru a lansa antene și, de asemenea, provoacă exploziile necesare pentru efecte speciale, cum ar fi zgomotul sau lumina colorată.

În scântei, pulberea neagră este amestecată cu pulberi metalice și alți compuși chimici într-o formă care va arde încet, de sus în jos. În rachetele artizanale simple, pulberea neagră este confinată într-un tub în jurul unui fitil. Când este aprinsă, pulberea creează o forță care are ca rezultat o reacție egală și opusă, împingând artificiul de la sol și apoi determinând compușii din interiorul său să explodeze în aer.

Artificii de artificii mai complexe sunt lansate dintr-un mortar, un tub cu pulbere neagră care provoacă o reacție de ridicare atunci când este aprins. Fitilul proiectilului de artificii este apoi aprins în timp ce se ridică în aer, iar la momentul potrivit o explozie în interiorul proiectilului face ca încărcăturile sale cu efecte speciale să explodeze.

Partea luminoasă și colorată a focului de artificii este cauzată de electronii „excitați” din atomii diferiților compuși metalici și de sare. Acești compuși se află în mici bile numite stele, realizate dintr-un compus similar cu ceea ce face să funcționeze o scânteie.

Metalele ca agenți de colorare

Diferite metale ard în culori diferite; de exemplu, dacă se aprinde un compus de cupru, flacăra sa va avea o culoare albastru-verzui. Calciul arde de culoare roșie, iar potasiul arde de culoare purpurie. În focurile de artificii, metalele sunt combinate pentru a crea diferite culori.

Când compușii stelari din interiorul unui foc de artificii sunt încălziți, atomii excitați degajă energie luminoasă. Această lumină se împarte în două categorii: incandescență și luminescență. Incandescența este lumina produsă de căldură: în focurile de artificii, metalele reactive, cum ar fi aluminiul și magneziul, provoacă o explozie de lumină foarte strălucitoare atunci când se încălzesc – uneori la temperaturi de peste 5000 ° F!

Compușii care sunt mai puțin reactivi nu se încălzesc la fel de mult, ceea ce duce la scântei mai slabe. Luminescența, pe de altă parte, este produsă din alte surse și poate apărea chiar și la temperaturi scăzute. Electronii din compus absorb energie, ceea ce îi face să fie „excitați”. Electronii nu pot însă să mențină acest nivel ridicat, așa că sar înapoi la un nivel mai scăzut, eliberând energie luminoasă (fotoni) în acest proces.

Clorura de bariu este un compus chimic care dă focurilor de artificii o culoare verde luminescentă, iar clorura de cupru dă o culoare albastră. Pentru oricare dintre cele două tipuri de lumină, este important să folosiți ingrediente pure, deoarece urmele de alți compuși vor întuneca culoarea.

Lecturi suplimentare despre metale:

  • Sculptură din sârmă învârtită
  • Proiecte pentru Târgul de Științe Chimice
  • Proiecte pentru Târgul de Științe Fizice
  • Proiecte de Științe pentru circuite

.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.