Articles

Lär dig allt om metallers egenskaper

  • Dela
  • Dela på Facebook
  • Dela på Twitter
  • Dela på Pinterest
  • Dela via e-post
  • Dela på Google Classroom

För de flesta människor, metall är ett annat ord för järn, stål eller ett liknande hårt, glänsande ämne.

Men stämmer den här definitionen överens med metallernas verkliga egenskaper?

Ja… och nej.

För att vi ska förklara bör du veta att de flesta grundämnena i det periodiska systemet är metaller.

Metaller återfinns i mitten och på vänster sida av det periodiska systemet. De kan vidare klassificeras som alkalimetaller, alkaliska jordartsmetaller, övergångsmetaller och basiska metaller.

Metaller Science Lesson

Metallers egenskaper

Ett grundämne är ett ämne som består av en sorts atom; det kan inte delas upp i enklare delar. Till exempel består grundämnet helium (tänk på varmluftsballonger) uteslutande av heliumatomer.

Grundämnen klassificeras i allmänhet som metaller eller icke-metaller (även om vissa grundämnen har egenskaper från båda; dessa kallas metalloider).

Tre egenskaper hos metaller är:

  • Glans: Metaller är blanka när de skärs, repas eller poleras.
  • Formbarhet: Metaller är blanka när de skärs, repas eller poleras: Metaller är starka men formbara, vilket innebär att de lätt kan böjas eller formas. I århundraden har smeder kunnat forma metallföremål genom att värma metall och slå på den med en hammare. Om de försökte göra detta med icke-metaller skulle materialet splittras! De flesta metaller är också formbara, vilket innebär att de kan dras ut för att göra tråd.
  • Ledningsförmåga: Metaller är utmärkta ledare för elektricitet och värme. Eftersom de också är duktila är de idealiska för elektriska ledningar. (Du kan testa detta med hjälp av några hushållsföremål. Fortsätt läsa för att ta reda på hur!)

Metaller har ytterligare egenskaper

Hög smältpunkt: De flesta metaller har hög smältpunkt och alla utom kvicksilver är fasta vid rumstemperatur.

Sonorösa: Metaller ger ofta ifrån sig ett klingande ljud när de träffas.

Reaktivitet: Vissa metaller genomgår en kemisk förändring (reaktion), av sig själva eller tillsammans med andra grundämnen, och frigör energi. Dessa metaller finns aldrig i ren form och är svåra att separera från de mineraler de finns i. Kalium och natrium är de mest reaktiva metallerna. De reagerar våldsamt med luft och vatten; kalium antänds vid kontakt med vatten!

Andra metaller reagerar inte alls med andra metaller. Detta innebär att de kan hittas i ren form (exempel är guld och platina). Eftersom koppar är relativt billigt och har en låg reaktivitet är det användbart för att göra rör och ledningar.

Fem grupper av metaller:

Noble Metals återfinns som rena metaller eftersom de inte reagerar och inte förenas med andra grundämnen för att bilda föreningar. Eftersom de är så icke-reaktiva korroderar de inte lätt. Detta gör dem idealiska för smycken och mynt. Ädelmetaller är bland annat koppar, palladium, silver, platina och guld.

Alkalimetaller är mycket reaktiva. De har låg smältpunkt och är tillräckligt mjuka för att kunna skäras med en kniv. Kalium och natrium är två alkalimetaller.

Alkaliska jordartsmetaller finns i föreningar med många olika mineraler. De är mindre reaktiva än alkalimetaller samt hårdare och har högre smältpunkt. I denna grupp ingår kalcium, magnesium och barium.

Transition Metals är vad vi vanligtvis tänker på när vi tänker på metaller. De är hårda och glänsande, starka och lätta att forma. De används för många industriella ändamål. I denna grupp ingår järn, guld, silver, krom, nickel och koppar, varav vissa också är ädelmetaller.

Sämre metaller är ganska mjuka, och de flesta används inte särskilt mycket i sig själva. De blir dock mycket användbara när de tillsätts till andra ämnen. Fattiga metaller är bland annat aluminium, gallium, tenn, tallium, antimon och vismut.

Legeringar: Starka kombinationer

Dessa olika metallers egenskaper kan kombineras genom att blanda två eller flera av dem. Det resulterande ämnet kallas för en legering. Några av våra mest användbara byggmaterial är faktiskt legeringar. Stål är till exempel en blandning av järn och små mängder kol och andra element; en kombination som är både stark och lätt att använda. (Lägg till krom och du får rostfritt stål. Kontrollera dina köksgrytor och stekpannor för att se hur många som är gjorda av rostfritt stål!)

Andra legeringar som mässing (koppar och zink) och brons (koppar och tenn) är lätta att forma och vackra att se på. Brons används också ofta inom skeppsbyggandet eftersom det är motståndskraftigt mot korrosion från havsvatten.

Titan är mycket lättare och mindre tätt än stål, men lika starkt; och även om det är tyngre än aluminium är det också dubbelt så starkt. Det är också mycket motståndskraftigt mot korrosion. Alla dessa faktorer gör det till ett utmärkt legeringsmaterial. Titanlegeringar används i flygplan, fartyg och rymdfarkoster samt i färger, cyklar och till och med bärbara datorer!

Guld är som ren metall så mjukt att det alltid blandas med en annan metall (vanligtvis silver, koppar eller zink) när det görs till smycken. Guldets renhet mäts i karat. Det renaste man kan få i smycken är 24 karat, vilket är ungefär 99,7 % rent guld. Guld kan också blandas med andra metaller för att ändra färg; vitguld, som är populärt för smycken, är en legering av guld och platina eller palladium.

Metall från malm

Malm är stenar eller mineraler från vilka ett värdefullt ämne – vanligtvis metall – kan utvinnas. Några vanliga malmer är galena (blymalm), bornit och malakit (koppar), cinnober (kvicksilver) och bauxit (aluminium). De vanligaste järnmalmerna är magnetit och hematit (ett rostfärgat mineral som bildas av järn och syre), som båda innehåller cirka 70 % järn.

Det finns flera processer för att raffinera järn från malm. Den äldre processen är att bränna järnmalm med träkol (kol) och syre som tillhandahålls av bälgar. Kolet och syret, inklusive syret i malmen, förenas och lämnar järnet. Järnet blir dock inte tillräckligt varmt för att smälta helt och hållet och det innehåller silikater som finns kvar från malmen. Det kan värmas upp och hamras ut för att bilda smidesjärn.

Den modernare processen använder en masugn för att värma järnmalm, kalksten och koks (en kolprodukt, inte läskedrycken). De resulterande reaktionerna separerar järnet från syret i malmen. Detta ”råjärn” måste blandas ytterligare för att skapa smidesjärn. Det kan också användas för ett annat viktigt ändamål: när det upphettas med kol och andra element blir det en starkare metall som kallas stål.

Med tanke på den process som krävs är det inte förvånande att järn inte användes förrän omkring 1500 f.Kr. Men vissa rena metaller – guld, silver och koppar – användes före det, och legeringen brons tros ha upptäckts av sumererna omkring 3500 f.Kr. Men aluminium, en av de mest väsentliga metallerna i modern användning, upptäcktes inte förrän 1825 e.Kr. och användes inte allmänt förrän på 1900-talet!

Korrosion: Process & Förebyggande

Har du någonsin sett en silverbit som förlorat sin glans, eller järn med rödfärgad rost på sig eller till och med hål i det som orsakats av korrosion? Detta sker när syre (vanligtvis från luften) reagerar med en metall. Metaller med högre reaktivitet (t.ex. magnesium, aluminium, järn, zink och tenn) är mycket mer benägna att drabbas av denna typ av kemisk förstörelse, eller korrosion.

När syre reagerar med en metall bildar det en oxid på metallens yta. I vissa metaller, som aluminium, är detta en bra sak. Oxiden utgör ett skyddande skikt som hindrar metallen från att korrodera ytterligare.

Järn och stål har å andra sidan allvarliga problem om de inte behandlas för att förhindra korrosion. Det rödaktiga oxidskikt som bildas på järn eller stål när det reagerar med syre kallas rost. Rostlagret flagnar kontinuerligt bort och utsätter mer av metallen för korrosion tills metallen till slut äts upp.

Ett vanligt sätt att skydda järn är att belägga det med specialfärg som hindrar syre från att reagera med metallen under färgen. En annan metod är galvanisering: i denna process beläggs stål med zink. Syret, vattenmolekylerna och koldioxiden i luften reagerar med zinken och bildar ett lager av zinkkarbonat som skyddar mot korrosion. Se dig omkring i huset, på gården och i garaget för att hitta exempel på korrosion samt galvanisering och andra sätt att skydda metall från rost.

Teknik: Om du tittar på fyrverkerier den fjärde juli ser du vackra kombinationer av färger och gnistor.

Hur fungerar denna fantastiska pyrotekniska uppvisning? Det korta svaret är kemi. Det längre innebär en sammanfattning av metallernas egenskaper.

En av huvudingredienserna i smällare, fyrverkerier på marken och flygfyrverkerier (sådana som exploderar i luften) är svartkrut, som uppfanns av kineserna för cirka 1000 år sedan. Det är en blandning av kaliumnitrat (salpeter), träkol och svavel i förhållandet 75:15:10. Svartkrut används för att skjuta upp luftfarkoster och orsakar också de explosioner som krävs för specialeffekter som buller eller färgat ljus.

I gnistor blandas svartkrut med metallpulver och andra kemiska föreningar i en form som kommer att brinna långsamt, uppifrån och ner. I enkla fyrverkeriraketer är svartkrutet inneslutet i ett rör runt en stubin. När krutet antänds skapar krutet en kraft som resulterar i en lika stor och motsatt reaktion, som skjuter fyrverkeripjäsen från marken och sedan får föreningarna i den att explodera i luften.

Mer komplexa fyrverkeripjäsgranater avfyras från en mortel, ett rör med svartkrut som orsakar en avlyftningsreaktion när det antänds. Fyrverkeriutrustningens stubin tänds sedan när den går upp i luften, och vid rätt tidpunkt orsakar en explosion inuti utrustningen att dess laddningar med specialeffekter exploderar.

Den ljusa, färgglada delen av fyrverkeriet orsakas av ”exciterade” elektroner i atomerna i olika metall- och saltföreningar. Dessa föreningar finns i små bollar som kallas stjärnor och är gjorda av en liknande förening som den som får en tändsticka att fungera.

Metaller som färgämnen

Olika metaller brinner i olika färger; om till exempel en kopparförening tänds kommer dess låga att ha en blågrön färg. Kalcium brinner rödfärgat och kalium brinner lila. I fyrverkerier kombineras metaller för att skapa olika färger.

När stjärnföreningarna i ett fyrverkeri värms upp avger de exciterade atomerna ljusenergi. Detta ljus kan delas in i två kategorier: glöd och luminescens. Glödning är ljus som produceras av värme: i fyrverkerier orsakar reaktiva metaller som aluminium och magnesium en explosion av mycket starkt ljus när de blir varma – ibland vid temperaturer över 5 000 °F!

Föreningar som är mindre reaktiva blir inte lika varma, vilket resulterar i svagare gnistor. Luminescens å andra sidan produceras från andra källor och kan uppstå även vid kalla temperaturer. Elektronerna i föreningen absorberar energi, vilket gör dem ”exciterade”. Elektronerna kan dock inte bibehålla denna höga nivå, så de hoppar tillbaka till en lägre nivå och frigör ljusenergi (fotoner) i processen.

Bariumklorid är en kemisk förening som ger fyrverkerier en luminescerande grön färg, och kopparklorid ger en blå färg. För båda typerna av ljus är det viktigt att använda rena ingredienser eftersom spår av andra föreningar kommer att skymma färgen.

Fortsatt läsning om metaller:

  • Spinning Wire Sculpture
  • Chemistry Science Fair Projects
  • Physics Science Fair Projects
  • Circuit Science Projects

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.