Oppimistavoite
- kuvaile metallisia kiteitä.
avainkohdat
- metallien atomit menettävät elektroneja muodostaen kationeja. Delokalisoituneet elektronit ympäröivät ioneja. Metalliset sidokset (ionien ja elektronipilven väliset sähköstaattiset vuorovaikutukset) pitävät metallisen kiinteän aineen koossa. Atomit ovat järjestäytyneet kuin tiiviisti pakatut pallot.
- koska metalliatomien uloimmat elektronit ovat delokalisoituneita ja hyvin liikkuvia, metalleilla on sähkö-ja lämmönjohtavuus. Vapaaelektronimallin avulla voidaan laskea sähkönjohtavuus sekä elektronien osuus metallien lämpökapasiteetista ja lämmönjohtavuudesta.
- metallit ovat sitkeitä eli kykenevät plastiseen muodonmuutokseen. Hooken laki kuvaa metallien palautuvaa elastista muodonmuutosta, jossa jännitys on lineaarisesti verrannollinen rasitukseen. Kimmorajaa suuremmat voimat eli lämpö voivat aiheuttaa kappaleen peruuttamattoman muodonmuutoksen.
- yleensä metallit ovat tiheämpiä kuin epämetallit. Tämä johtuu metallisen rakenteen tiiviistä kidehilasta. Mitä suurempia määriä delokalisoituneita elektroneja on, sitä vahvempia metalliset sidokset ovat.
termit
- metalania useista jaksollisen järjestelmän alkuaineista, jotka muodostavat metallisen sidoksen muiden metalliatomien kanssa. Se on yleensä kiiltävä, muokattava ja lämmön ja sähkön johdin.
- metallinen bondA kemiallinen sidos, jossa liikkuvat elektronit ovat jakautuneet monille ytimille; tämä johtaa sähköiseen johtumiseen.
metallien ominaisuudet
metallissa atomit menettävät helposti elektroneja muodostaen positiivisia ioneja (kationeja). Näitä ioneja ympäröivät delokalisoituneet elektronit, jotka vastaavat johtavuudesta. Tuotettu kiinteä aine pysyy koossa ionien ja elektronipilven välisillä sähköstaattisilla vuorovaikutuksilla. Näitä vuorovaikutuksia kutsutaan metallisidoksiksi. Metalliset sidokset selittävät monia metallien fysikaalisia ominaisuuksia, kuten lujuutta, muokattavuutta, sitkeyttä, lämpö-ja sähkönjohtavuutta, sameutta ja kiiltoa.
ymmärretään ”vapaiden” elektronien jakautumisena positiivisesti varautuneiden ionien (kationien) hilan kesken, metallista sidosta verrataan joskus sulien suolojen sidokseen; tämä yksinkertainen näkemys pätee kuitenkin hyvin harvoihin metalleihin. Kvanttimekaanisessa katsannossa johtavat elektronit levittävät tiheytensä tasaisesti kaikille atomeille, jotka toimivat neutraaleina (varaamattomina) entiteetteinä.
metallien atomit ovat järjestäytyneet tiiviisti pakattujen pallojen tavoin, ja erityisen yleisiä ovat kaksi pakkauskuviota: kehokeskeinen kuutiollinen, jossa jokaista metallia ympäröi kahdeksan ekvivalenttista metallia, ja kasvokeskeinen kuutiollinen, jossa metalleja ympäröi kuusi naapuriatomia. Useat metallit omaksuvat molemmat rakenteet lämpötilasta riippuen.
metalleilla on yleensä korkea sähkönjohtavuus, korkea lämmönjohtavuus ja korkea tiheys. Ne ovat tyypillisesti muotoutuvia (muokattavia) rasituksessa, ilman halkeamista. Joillakin metalleilla (alkali-ja maa-alkalimetalleilla) on alhainen tiheys, alhainen kovuus ja alhaiset sulamispisteet. Optisilta ominaisuuksiltaan metallit ovat läpinäkymättömiä, kiiltäviä ja kiiltäviä.
sulamispiste ja lujuus
metallin lujuus johtuu positiivisten ionien hilan ja valenssielektronien ”meren” välisestä sähköstaattisesta vetovoimasta, johon ne upotetaan. Mitä suurempi atomiytimen ydinvaraus (järjestysluku) ja mitä pienempi atomin koko on, sitä suurempi tämä vetovoima on. Yleensä siirtymämetallit, joiden valenssitasot ovat D-elektroneja, ovat vahvempia ja niillä on korkeammat sulamispisteet:
- Fe, 1539°C
- Re, 3180 °C
- Os, 2727 °C
w, 3380°C.
suurimmalla osalla metalleista on suurempi tiheys kuin suurimmalla osalla epämetalleista. Metallien tiheydessä on kuitenkin suurta vaihtelua. Litium (Li) on vähiten tiheä kiinteä alkuaine ja osmium (Os) tihein. Ryhmien IA ja IIA metalleja kutsutaan kevytmetalleiksi, koska ne ovat poikkeuksia tähän yleistykseen. Useimpien metallien suuri tiheys johtuu metallirakenteen tiiviistä kidehilasta.
sähkönjohtavuus: miksi metallit ovat hyviä johtimia?
jotta aine johtaisi sähköä, sen on sisällettävä varattuja hiukkasia (varauksenkantajia), jotka ovat riittävän liikkuvia liikkuakseen sovelletun sähkökentän vaikutuksesta. Vesiliuoksissa olevien ioniyhdisteiden tapauksessa ionit itse palvelevat tätä tehtävää. Sama pätee ioniyhdisteisiin sulaessa. Ionisissa kiintoaineissa on samat varauskantajat, mutta koska ne ovat paikallaan, nämä kiintoaineet ovat eristeitä.
metalleissa varauskantajina toimivat elektronit, ja koska ne liikkuvat vapaasti hilan läpi, metallit ovat hyvin johtavia. Elektronien hyvin pieni massa ja inertia mahdollistavat sen, että ne voivat johtaa korkeataajuisia vaihtovirtoja, mihin elektrolyyttiset ratkaisut eivät pysty.
sähkönjohtavuus sekä elektronien osuus metallien lämpökapasiteetista ja lämmönjohtavuudesta voidaan laskea vapaaelektronimallista, jossa ei oteta huomioon ionihilan yksityiskohtaista rakennetta.
mekaanisia ominaisuuksia
metallien mekaanisia ominaisuuksia ovat muokattavuus ja sitkeys eli kyky plastiseen muodonmuutokseen. Metallien palautuvia elastisia muodonmuutoksia voidaan kuvata Hooken voimien palautuslailla, jossa jännitys on lineaarisesti verrannollinen rasitukseen. Sovellettu lämpö tai kimmorajaa suuremmat voimat voivat aiheuttaa kappaleen peruuttamattoman muodonmuutoksen, jota kutsutaan plastiseksi muodonmuutokseksi tai plastisuudeksi.
metallisia kiintoaineita tunnetaan ja arvostetaan näiden ominaisuuksien vuoksi, jotka johtuvat atomiytimien ja elektronien meren välisten houkutusten suuntaamattomuudesta. Ionisten tai kovalenttisten kiintoaineiden sidos voi olla voimakkaampi, mutta se on myös suuntaava, jolloin nämä kiintoaineet ovat hauraita ja alttiita murtumaan esimerkiksi vasaralla iskettäessä. Metalli sen sijaan on todennäköisemmin vain epämuodostunut tai lommoutunut.
vaikka metallit ovat mustia, koska ne kykenevät absorboimaan kaikkia aallonpituuksia yhtä hyvin, kullalla (Au) on erottuva väri. Erityisen suhteellisuusteorian mukaan hyvin suuren liikemäärän omaavien sisäkuoren elektronien lisääntynyt massa saa orbitaalit supistumaan. Koska ulkoelektronit vaikuttavat vähemmän, sinisen valon absorptio lisääntyy, mikä lisää keltaisen ja punaisen valon heijastumista.
