Metaller

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Metaller (fra oldgræsk μέταλλον metallon "mine, malm, metal") er de kemiske elementer , der findes i det periodiske system af elementerne til venstre og under en skillelinje fra bor til astatin . Det er omkring 80 procent af de kemiske grundstoffer, hvorved overgangen til ikke-metaller via halvmetalerne er flydende, og mange af dem kan danne modifikationer med metalliske og atomiske bindinger.

Udtrykket bruges også til legeringer og nogle intermetalliske faser ; det gælder for alle materialer, der i fast eller flydende form har følgende fire karakteristiske metalliske materialegenskaber :

  1. høj elektrisk ledningsevne , som falder med stigende temperatur,
  2. høj varmeledningsevne ,
  3. Duktilitet (deformerbarhed)
  4. metallisk glans (spejlfinish).

Alle disse egenskaber er baseret på det faktum, at de pågældende atomer holdes sammen af ​​den metalliske binding , hvis vigtigste træk er de frit bevægelige elektroner i gitteret.

Et enkelt atom af disse grundstoffer har ingen metalliske egenskaber; det er ikke metal. Først når flere sådanne atomer interagerer med hinanden, og der er en metallisk binding mellem dem, viser sådanne atomgrupper ( klynger ) metalliske egenskaber. [1]

Ved ekstremt hurtig afkøling kan atomer af disse elementer også samles amorft uden at danne et krystalgitter - se metallisk glas .

På den anden side kan atomer fra andre grundstoffer også danne metalliske bindinger under ekstreme forhold (tryk) og dermed antage de nævnte metalliske egenskaber - se metallisk brint .

Metaller har fundet forskellige anvendelser som materialer siden civilisationens begyndelse. Under betegnelsen metal fysik eller metal videnskab, fysikere og materialer forskere beskæftiger sig med alle de grundlæggende, se under faststoffysik , og med applikationer, se under materialevidenskab .

Klassifikation

Grundstofferne, opdelt i ikke-metaller, halvmetaller og metaller. Sidstnævnte differentierede efter tæthed (beregnet for Fm til Og) [2]
Ikke-metal: op til 5 g / cm³
(Semi) metal: op til 5 g / cm³ fra 5 g / cm³ fra 10 g / cm³ fra 20 g / cm³
H Hej
Li Være B. C. N O F. Ingen
Ikke relevant Mg Al Si P. S. Cl Ar
K Ca. Sc Ti V Kr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge Som Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Man Tc Ru Rh Pd Ag CD I Sn Sb Te JEG. Xe
Cs Ba La * Hf Ta W. re Os Ir Pt Au Ed Tl Pb Bi Po Marg
Fr. Ra Ac ** Rf Db Sg BH Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Over
* Ce Pr Nd Om eftermiddagen Sm Eu Gd Tb D y Ho Han Tm Yb Lu
** Th Pa U Np Puha Ved Cm Bk Jf Det Fm Md Ingen Lr

Traditionelt er metaller opdelt i tungmetaller og lette metaller i henhold til deres tæthed og i ædelmetaller og basismetaller efter deres reaktivitet, sidstnævnte er gode reduktionsmidler . Se også hovedartikelens metalliske materiale (samt reaktiviteten under redoxreaktion ).

Metaller dannes ud fra de elementer, der er til venstre og under en linje fra bor til astatin i elementernes periodiske system , hvor den metalliske karakter stiger fra top til bund eller fra højre til venstre. Øverst til højre er de ikke-metaller , med semimetalerne imellem. Undergruppeelementerne er alle metaller. Grænsen til ikke-metaller er flydende. For eksempel har antimon , arsen , cerium og tin både metalliske og ikke-metalliske modifikationer . [3]

Tilhørighed til hoved- eller undergrupper i det periodiske system er også afgørende for den kemiske adfærd.

Fysiske egenskaber

Generel

Et stykke jern med høj renhed med en renhed på 99,97%
Kropscentreret kubisk enhedscelle af en jernkrystal

Følgende egenskaber ved atomer er nødvendige for dannelsen af ​​metallisk tilstand:

Resultatet er, at sådanne atomer ikke kan forbinde hinanden via atomiske bindinger for at danne molekyler eller gitter. Højst forekommer atombindinger i metaldampe, f.eks. B. natrium damp består af ca. 1% Na 2 molekyler.

Metalatomer organiserer sig snarere i et metalgitter , som består af positivt ladede atomkerner , mens valenselektronerne er fordelt over hele gitteret; ingen af ​​disse elektroner tilhører længere en bestemt kerne. Disse frit bevægelige elektroner kan forestilles som partikler af en gas, der fylder rummet mellem atomkernerne. Da denne elektrongas blandt andet er ansvarlig for metallernes gode elektriske ledningsevne , er energiniveauet, ved hvilket de frie elektroner er placeret, kendt som " ledningsbåndet ". De præcise energiske forhold er beskrevet af bandmodellen baseret på orbitalmodellen .

Følgende typiske egenskaber for metaller skyldes denne type binding og denne gitterstruktur :

  • Skinne (spejlglans): De frit bevægelige elektroner kan genudsende næsten al den indfaldende elektromagnetiske stråling op til bølgelængder af røntgenstrålingen; sådan opstår glansen og refleksionen ; Derfor er spejle lavet af glatte metaloverflader.
  • Uigennemsigtighed: Den ovenfor beskrevne refleksion, der finder sted på metaloverfladen, og absorptionen af ​​den ikke-reflekterede del betyder, at lys for eksempel næppe kan komme ind i metal. Metaller er derfor kun lidt gennemskinnelige i de tyndeste lag og fremstår grå eller blå, når de ses igennem.
  • God elektrisk ledningsevne : Migrationen af ​​de frit bevægelige elektroner i en retning er den elektriske strøm .
  • God varmeledningsevne : de let forskydelige elektroner deltager i varmebevægelsen. De transmitterer også den termiske korrekte bevægelse af atomkernerne (vibrationer) og bidrager dermed til transport af varme, se varmeledning .
  • God deformerbarhed ( duktilitet ): Der er korngrænser og dislokationer i metallet, som kan bevæge sig, selv når de strækkes under forlængelsen ved brud , det vil sige uden at miste samhørigheden; Afhængigt af gittertypen deformeres et metal, før det går i stykker.
  • Relativt højt smeltepunkt : Det skyldes de allround-bindende kræfter mellem kationerne og de frit bevægelige elektroner, men en effekt, der er mindre stærk end de elektrostatiske tiltrækningskræfter mellem ioner i saltkrystaller.

Smelte- og kogetemperaturer

Højsmeltende metaller er dem, hvis smeltepunkt TE er over 2000 K eller over platinets smeltepunkt (T E -platin = 2045 K = 1772 ° C). Disse inkluderer ædle metaller ruthenium , rhodium , osmium og iridium og metaller fra gruppe IVB ( zirconium , hafnium ), VB ( vanadium , niobium , tantal ), VIB ( chrom , molybdæn , wolfram ) og VIIB ( technetium , rhenium ).

Termisk ledningsevne egenskaber

De egenskaber, der er relevante for varmeledning, såsom densitet , varmekapacitet , varmeledningsevne og termisk diffusivitet, varierer meget. For eksempel har sølv ved 427 W / (m · K) en varmeledningsevne, der er omkring 50 gange højere end mangan, se værdiliste .

Nogle metals fysiske egenskaber. De højeste og laveste værdier er markeret med farve.
element lithium aluminium krom jern kobber zink sølv tin Cæsium wolfram osmium guld kviksølv at føre
Smeltepunkt i ° C (1013 hPa) [4] 180,54 660,2 1907 1538 1084,62 419,53 961,78 231,93 28.44 3422 3130 1064,18 -38,83 327,43
Kogepunkt i ° C (1013 hPa) [4] 1330 2470 2482 3000 2595 907 2210 2602 690 5930 5000 2970 357 1744
Massefylde i g / cm 3 (20 ° C, 1013 hPa) [4] 0,534 2.6989 7.14 7.874 8,92 7.14 10,49 a-tin: 5,769

β-tin: 7,265

1,90 19.25 22.59 19.32 13.5459 11.342
Mohs hårdhed 0,6 2,75 8.5 4.0 3.0 2.5 2.5 1.5 0,2 7.5 7,0 2.5 1.5
Elektrisk ledningsevne i 10 6 S / m 10.6 37.7 7,87 10,0 58.1 16.7 61,35 8,69 4,76 18.52 10.9 45,5 1.04 4,76
Varmeledningsevne i W / ( m K ) 85 235 94 80 400 120 430 67 36 170 88 320 8.3 35
Atom nummer 3 13. 24 26 29 30. 47 50 55 74 76 79 80 82
Atommasse i u 6,94 26.982 51.996 55.845 63.546 65,38 107.868 118,710 132,905 183,84 190,23 196.967 200,592 207,2
Elektronegativitet 0,98 1,61 1,66 1,83 1.9 1,65 1,93 1,96 0,79 2,36 2.2 2.54 2.0 2,33
Krystal system (1) cl cl cl cl cF hcp cF α-tin: A4

β-tin: tl

cl cl hcp cF P 3 cF

Kemiske egenskaber

I forbindelse med ikke-metaller fremstår metallerne generelt som kationer , dvs. de ydre elektroner opgives fuldstændigt til ikke-metalatomerne, og der dannes en ionisk forbindelse ( salt ). I et iongitter holdes ionerne kun sammen af elektrostatiske kræfter .

I forbindelser med overgangsmetaller og i tilfælde af større anioner (f.eks. Sulfidionen ) kan alle overgangstrin til atombinding forekomme.

Med ikke-metaller, såsom hydrogen , carbon og nitrogen dannes også interkaleringsforbindelser , hvor de ikke-metalliske atomer er placeret i huller i metalgitteret uden væsentligt at ændre det. Disse interkaleringsforbindelser bevarer de typiske metalegenskaber, såsom elektrisk ledningsevne .

Metalkationer, især dem i undergruppemetallerne, danner komplekse forbindelser med baser ( vand , ammoniak , halogenider , cyanider osv.), Hvis stabilitet ikke kan forklares ved elektrostatisk tiltrækning alene.

Metaller i højere oxidationstilstande danner også komplekse anioner, f.eks. B.:

Chromtrioxid opløses i kaliumhydroxidopløsning med dannelse af kaliumchromat og vand.

Legeringer

Blandinger af et metal og et eller flere andre elementer, som kan være metalliske eller ikke-metalliske, kaldes legeringer, hvis denne blanding har de typiske metalliske egenskaber (duktilitet, elektrisk ledningsevne, ...), dvs. hvis der stadig er en metallisk binding .

Legeringer har ofte helt andre fysiske og kemiske egenskaber end rene metaller. Især hårdheden og styrken er undertiden størrelsesordener højere. Korrosionsbestandigheden kan også stige betydeligt. Legeringers smeltepunkt er derimod ofte under rene metals; med en bestemt sammensætning nås det laveste smeltepunkt, det eutektiske .

Bronze , en legering af 80 til 95% kobber og 5 til 20% tin, blev brugt som den første specifikt fremstillede legering i menneskets historie. Stål har længe været den mest udbredte legering; det er en blanding af jern med andele af kulstof og nogle andre elementer (→ stållegering ).

Ske

Jordens kerne består for det meste af jern , da det for det første forekommer i meget store mængder, fordi det er det mest stabile element med hensyn til atomfysik , og for det andet på grund af dets høje densitet.

I jordskorpen dominerer derimod ikke-metaller; relativt almindelige metaller er aluminium , jern , mangan , titanium , calcium , magnesium , natrium og kalium . Imidlertid forekommer mange sjældne metaller i deres minedriftssteder på en meget beriget måde. Stenarter, der indeholder anvendelige metaller i udvindelige koncentrationer, kaldes malme . De vigtigste malme omfatter:

Metallerne ekstraheres metallurgisk fra de respektive malme.

Nogle ædle metaller, især guld , forekommer også i fast form , dvs. i ren form og ikke som en forbindelse (malm eller mineral ).

brug

"Eichbaum" sølvmønt
Fem rigsmærker (1927–1933)
Kobbertag i Dresden
Priser på metaller

Mange metaller er vigtige materialer. Den moderne verden ville være umulig uden metaller. Det er ikke uden grund, at faser af menneskelig udvikling omtales som stenalderen , bronzealderen og jernalderen i henhold til de anvendte materialer.

Rene metaller bruges til fremstilling af elektriske kabler, fordi de har den største ledningsevne. Til dette bruges hovedsageligt ulegeret kobber og aluminium og sjældent guld . Ellers bruges rene metaller praktisk talt aldrig.

Følgende liste indeholder de vigtigste metaller og legeringskomponenter , ikke forbindelser:

Metal i astrofysik

I astrofysik defineres metal forskelligt, se metallicitet ; her beskriver det hvert kemisk element over et bestemt atomnummer (normalt højere end helium ). Disse er alle elementer skabt ved atomfusion i stjerner eller af supernovaer , hvorimod hydrogen og helium (sammen med nogle spor af lithium ) menes at være skabt af big bang . Metalliciteten af ​​en stjerne er relateret til den tid den blev dannet (se befolkning ).

Det antages, at brint i det indre af tilstrækkeligt tunge gasplaneter kan skifte til metallisk tilstand (i betydningen af ​​den kemiske metaldefinition); dette metalliske brint er sandsynligvis også ansvarligt for det ekstremt stærke magnetfelt i Jupiter . Imidlertid bidrager metallisk brint ikke til den astrofysiske metallicitet af objektet, hvor det forekommer.

Metal i kinesisk filosofi

Metal betegner her et element i den traditionelle femelementsteori .

heraldik

I heraldik omtales tinkturerne (våbenskjoldets farver) guld og sølv som metaller . I tilfælde af heraldiske malerier bruges farven gul som en erstatning for guld, og farven hvid bruges som en erstatning for sølv.

Se også

litteratur

Om metals historie
  • Karl Otto Henseling : bronze, jern, stål. Betydning af metaller i historien (= Rororo. Rororo-Sachbuch 7706 = kulturhistorie inden for naturvidenskab og teknologi. Bind 6). Rowohlt, Reinbek nær Hamburg 1981, ISBN 3-499-17706-4 .
  • Franz Zippe : Metals historie. Wien 1857; Genoptryk Wiesbaden 1967.
  • Adelbert Rössing: Metals historie. Berlin 1901.
Til metallerne
  • Erhard Hornbogen, Hans Warlimont: Metaller-Metallers og legeringers struktur og egenskaber , Springer, 6. udgave, 2016, ISBN 978-3-662-47952-0 .
  • Wolfgang Glöckner, Walter Jansen, Rudolf Georg Weissenhorn (red.): Håndbog i eksperimentel kemi. Videregående niveau bind 5: kemi af brugsmetaller. Aulis-Verlag Deubner, Köln 2003, ISBN 3-7614-2384-5 .

Weblinks

Wiktionary: Metal - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Commons : Metaller - samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. Uwe Kreibig: Hvornår er guld et metal? I: Physik-Journal . Bind 1, nr. 1, 2002, ISSN 1617-9439 , s. 20-21, online (PDF; 461 kB) .
  2. Burkhard Fricke (1975), Superheavy -elementer: en forudsigelse af deres kemiske og fysiske egenskaber
  3. ^ Römpp Lexikon Chemie , 9. udgave, bind 4, side 2709
  4. a b c P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Noble Gases. I: Ullmanns encyklopædi for industriel kemi . Wiley-VCH, Weinheim 2006 ( doi : 10.1002 / 14356007.a17_485 ).