Metall

Metaller kalles kjemiske grunnstoffer karakterisert ved å være gode ledere av varme og elektrisitet . De har høy tetthet og er faste ved romtemperatur (unntatt kvikksølv og gallium (element); deres salter danner elektropositive ioner ( kationer ) i løsning. [ 1 ]

Materialvitenskap definerer et metall som et materiale der det er en overlapping mellom valensbåndet og ledningsbåndet i dets elektroniske struktur ( metallisk binding ). [ 2 ] Dette gir den muligheten til lett å lede varme og elektrisitet (akkurat som kobber ) og generelt evnen til å reflektere lys, noe som gir den dens karakteristiske glans. I fravær av en kjent elektronisk struktur brukes begrepet for å beskrive oppførselen til de materialene der den elektriske ledningsevnen avtar over visse trykk- og temperaturområder med økende temperatur, i motsetning til halvledere . De reagerer kjemisk med ikke-metaller, de er ikke reaktive med hverandre mesteparten av tiden, selv om noen danner legeringer med hverandre.

Blant metallene er alkalimetallene (som natrium) og jordalkalimetallene (som magnesium), som har lav tetthet, er gode ledere av varme og elektrisitet, i tillegg til at de er svært reaktive. [ 3 ] Også inkludert er overgangsmetallene (som utgjør flertallet av metaller), de som finnes i ulike grupper, og lantanidene , aktinidene og transaktinidene . [ 4 ] Teoretisk sett ville resten av grunnstoffene som gjenstår å bli oppdaget og syntetisert være metaller.

Begrepet metall refererer til både rene elementer så vel som legeringer med metalliske egenskaper, som stål og bronse . Metaller utgjør det meste av grunnstoffenes periodiske system , og er atskilt fra ikke- metaller med en diagonal linje mellom bor og polonium . [ 5 ] Sammenlignet med ikke-metaller har de lav elektronegativitet og lav ioniseringsenergi , noe som gjør det lettere for metaller å gi fra seg elektroner og vanskeligere for dem å få dem.

I astrofysikk brukes begrepet "metall" bredere for å referere til alle kjemiske grunnstoffer i en stjerne som er tyngre enn helium , og ikke bare de tradisjonelle metallene. I denne forstand er de fire første "metallene" som samler seg i stjernekjerner gjennom nukleosyntese karbon , nitrogen , oksygen og neon , som alle er strengt tatt ikke-metaller i kjemi. En stjerne smelter sammen lettere atomer, hovedsakelig hydrogen og helium, til tyngre atomer i løpet av sin levetid. Brukt i den forstand er metallisiteten til et astronomisk objekt andelen av stoffet som består av de tyngre kjemiske elementene. [ 6 ]​ [ 7 ]​ [ 8 ]

De er hentet fra mineralene som inneholder dem, kalt metalliske malmer.

Historie

Forhistorie

Kobber, som forekommer naturlig, kan ha vært det første metallet som ble oppdaget, gitt dets særegne utseende, dets tyngde og dets formbarhet sammenlignet med andre steiner eller småstein. Gull, sølv, jern (i form av meteorisk jern ) og bly ble også oppdaget i forhistorien. Fra denne tiden kommer former for messing , en legering av kobber og sink laget ved samtidig smelting av malmene av disse metallene (selv om ren sink ikke ble isolert før på 1200-tallet ). Formbarheten til solide metaller ga opphav til tidlige forsøk på å lage metallpynt, verktøy og våpen. Meteorisk jern som inneholder nikkel ble oppdaget fra tid til annen og var på noen måter overlegent ethvert industrielt stål som ble laget frem til 1880-tallet, da legert stål ble fremtredende.

Metaller som gull , sølv , jern og kobber har vært brukt siden forhistorisk tid . Til å begynne med ble bare de som lett ble funnet i ren tilstand (i form av innfødte elementer) brukt, men gradvis ble den nødvendige teknologien utviklet for å skaffe nye metaller fra malmene deres , ved å varme dem opp i en ovn ved å bruke trekull .

Antikken

Det første store fremskrittet fant sted med oppdagelsen av bronse , et resultat av bruken av kobbermalm med innfall av tinn , mellom 3500 e.Kr. C. og 2000 e.Kr. C. , i forskjellige regioner av planeten, fremkommer den såkalte bronsealderen , som etterfølger steinalderen . Oppdagelsen av bronse (en legering av kobber med arsen eller tinn) tillot mennesket å lage hardere og mer holdbare metallgjenstander enn før. Bronseverktøy, våpen, rustninger og byggematerialer som dekorative fliser var hardere og mer holdbare enn deres forgjengere av stein og kobber (" kalkolittisk "). Opprinnelig ble bronse laget av kobber og arsen (dannet arsenisk bronse ) ved å smelte naturlig eller kunstig blandet kobber- og arsenmalm. [ 9 ]

En annen viktig hendelse i historien var bruken av jern , rundt 1400 f.Kr. Hetittene var et av de første folkene som brukte det til å lage våpen , for eksempel sverd , og sivilisasjoner som fortsatt var i bronsealderen, for eksempel egypterne .

Men i gamle tider var det ikke kjent å nå den temperaturen som var nødvendig for å smelte jern, så det ble oppnådd et urent metall som måtte hamres i form. Rundt år 1400 begynte man å bruke ovner utstyrt med belg , [ 10 ] som lar jernets smeltetemperatur nås, rundt 1535  °C .

Middelalder

Arabiske og middelalderske alkymister mente at alle metaller og materie var sammensatt av svovelprinsippet, faren til alle metaller og bærer av egenskapen til brensel, og kvikksølvprinsippet, alle metallers mor – i oldtiden ble bly ansett. alle metallers far – og bærer av egenskapene likviditet, smelteevne og volatilitet. Disse prinsippene var ikke nødvendigvis de vanlige svovel- og kvikksølvstoffene som finnes i de fleste laboratorier. Denne teorien forsterket troen på at alle metaller var bestemt til å bli gull i jordens tarmer gjennom de rette kombinasjonene av varme, fordøyelse, tid og fjerning av forurensninger, som alle kunne utvikles og akselereres gjennom kunnskapen og metodene til alkymi Paracelsus , en senere tysk renessanseforfatter , la til det tredje saltprinsippet , som bærer de ikke-flyktige og ikke-brennbare egenskapene, i sin tria prima -doktrine . Disse teoriene holdt de fire klassiske elementene som grunnlag for sammensetningen av svovel , kvikksølv og salt .

Arsen, sink, antimon og vismut var kjent, selv om de først ble kalt halvmetaller eller bastardmetaller på grunn av deres ubevegelige natur. Det er mulig at alle fire ble brukt tilfeldigvis i tidligere tider uten å erkjenne deres natur. Albertus Magnus antas å ha vært den første som isolerte arsen fra en forbindelse i 1250, ved å varme såpe sammen med arsen trisulfid. Metallisk sink, som er sprø hvis den er uren, ble isolert i India rundt 1300. Den første beskrivelsen av en prosedyre for å isolere antimon finnes i boken De la pyrotechnics fra 1540 av Vannoccio Biringuccio . Vismut ble beskrevet av Agricola i De natura fossilium (ca. 1546); det hadde i tidlige tider blitt forvekslet med tinn og bly på grunn av dets likhet med disse elementene.

Renessanse

Den første systematiske teksten om gruvedrift og metallurgi var De la pirotechnia (1540) (1540) av Vannoccio Biringuccio , som omhandler undersøkelse, smelting og bearbeiding av metaller.

Seksten år senere publiserte Georgius Agricola i 1556 De re metallica , en klar og omfattende beretning om yrket gruvedrift, metallurgi og tilbehørskunst og vitenskap, samt kvalifisert som den største avhandlingen om kjemisk industri gjennom tidene. 16 . århundre .

I sitt De natura fossilium ga han følgende beskrivelse av et metall (1546):

Metall er et minerallegeme, av natur flytende eller noe hardt. Sistnevnte kan smeltes av varmen fra bålet, men når den har avkjølt seg igjen og mistet all varmen, blir den hard igjen og får tilbake sin egen form. I dette aspektet skiller den seg fra steinen som smelter i ilden, fordi selv om den gjenvinner hardheten, mister den formen og uberørte egenskaper.

Det finnes tradisjonelt seks forskjellige typer metaller, nemlig gull, sølv, kobber, jern, tinn og bly. Det finnes faktisk andre, for kvikksølv er et metall, selv om alkymistene er uenige med oss ​​om dette, og det samme er vismut. Antikke greske forfattere ser ut til å ha ignorert vismut, så Ammonius uttaler med rette at det er mange arter av metaller, dyr og planter som er ukjente for oss. Stirbium, når det smeltes i digelen og raffineres, har like mye rett til å bli sett på som et eget metall, som forfattere gir til bly. Hvis det ved smelting tilsettes en viss del til tinnet, produseres en bokhandlerlegering, som den typen som brukes av de som trykker bøker på papir er laget av.

Hvert metall har sin egen form som det beholder når det skilles fra metallene som ble blandet med det. Derfor er verken elektrum eller stannum [refererer ikke til vårt tinn] i seg selv et ekte metall, men en legering av to metaller. Elektrumet er en legering av gull og sølv, Stannum av bly og sølv. Men hvis sølvet skilles fra elektrumet, forblir gullet og ikke elektrumet; hvis sølvet fjernes fra Stannum, forblir blyet og ikke Stannum.

Det kan imidlertid ikke fastslås med sikkerhet om messing er et naturlig metall eller ikke. Vi kjenner kun til kunstig messing, som består av kobber farget med fargen til mineralet calamin. Og likevel, hvis noen ble avdekket, ville det være et egentlig metall. Hvitt og svart kobber ser ut til å være forskjellig fra rødt.

Metallet er derfor av natur enten fast, som jeg har sagt, eller flytende, som i det unike tilfellet med kvikksølv.

Men nok med å snakke om de enkle typene . [ 11 ]

Platina , det tredje edle metallet etter gull og sølv, ble oppdaget i Ecuador mellom 1736 og 1744 av den spanske astronomen Antonio de Ulloa og hans kollega matematikeren Jorge Juan y Santacilia . Ulloa var den første som skrev en vitenskapelig beskrivelse av metallet, i 1748.

I 1789 lyktes den tyske kjemikeren Martin Heinrich Klaproth med å isolere et uranoksid , som han trodde var selve metallet. Senere ble Klaproth anerkjent som oppdageren av uran. Det var først i 1841 at den franske kjemikeren Eugène-Melchior Péligot var i stand til å forberede den første prøven av metallisk uran. Deretter oppdaget Henri Becquerel radioaktivitet i 1896 ved bruk av uran.

På 1790-tallet observerte Joseph Priestley og den nederlandske kjemikeren Martinus van Marum den transformative virkningen av metalloverflater i dehydrogeneringen av alkohol, en utvikling som senere førte, i 1831, til industriell skalasyntese av svovelsyre ved bruk av en katalysator . platina

I 1803 var cerium det første av lantanidmetallene som ble oppdaget, i Bastnäs (Sverige) av Jöns Jakob Berzelius og Wilhelm Hisinger, og uavhengig av Martin Heinrich Klaproth i Tyskland. Lantanidmetallene ble i stor grad ansett som rariteter frem til 1960-tallet, da det ble utviklet metoder for å skille dem mer effektivt. De har senere blitt brukt i mobiltelefoner, magneter, lasere, belysning, batterier, katalytiske omformere og andre applikasjoner aktivert av moderne teknologi.

Andre metaller som ble oppdaget og fremstilt i løpet av denne tiden inkluderte kobolt , nikkel , mangan , molybden , wolfram og krom ; og noen av metallene fra platinagruppen , palladium , osmium , iridium og rhodium .

Samtidstid

Henry Bessemer oppdaget en måte å produsere stål i store mengder til en rimelig pris. Etter en rekke mislykkede forsøk kom han opp med en ny ovnsdesign ( Thomas-Bessemer-omformeren ) og forbedret deretter konstruksjonen av strukturer i bygninger og broer, og satte jern i bakgrunnen.

Kort tid etter ble aluminium og magnesium brukt , noe som tillot utviklingen av mye lettere og sterkere legeringer, mye brukt i luftfart , landtransport og bærbare verktøy.

Titan er det siste av de rikelige og stabile metallene som arbeides med, og det forventes at titanteknologi snart vil bli mye brukt.

De metalliske elementene, så vel som resten av elementene, er ordnet i et system som kalles det periodiske system . De fleste elementene i denne tabellen er metaller.

Metaller skiller seg fra resten av grunnstoffene , grunnleggende i hvilken type binding atomene deres utgjør . Det er en metallisk binding og i den danner elektronene en "sky" som beveger seg og omgir alle kjernene . Denne typen koblinger er det som gir dem egenskapene til elektrisk ledning , lysstyrke , etc.

Det finnes alle typer metaller: tungmetaller , edle metaller, jernholdige metaller, ikke-jernholdige metaller, etc., og metallmarkedet er veldig viktig i verdensøkonomien .

Egenskaper til metaller

Metaller har karakteristiske fysiske egenskaper, inkludert å være ledere av elektrisitet. De fleste av dem er gråaktige i fargen, men noen har forskjellige farger; vismut ( Bi ) er rosa, kobber (Cu) rødlig og gull (Au) gul. I andre metaller vises mer enn én farge; dette fenomenet kalles polykromisme .

Andre egenskaper vil være:

De er vanligvis ugjennomsiktige eller har en metallisk glans , har høy tetthet, er formbare og formbare, har et høyt smeltepunkt , er harde og er gode ledere (varme og elektrisitet).

Materialvitenskap definerer et metall som et materiale der det er en overlapping mellom valensbåndet og ledningsbåndet i dets elektroniske struktur ( metallisk binding ). Dette gir den muligheten til lett å lede varme og elektrisitet, og generelt evnen til å reflektere lys, noe som gir den dens karakteristiske glans.

Elektrongassteori

Metaller har visse karakteristiske fysiske egenskaper: (med unntak av kvikksølv) de er faste under normale miljøforhold, er vanligvis ugjennomsiktige og skinnende, har høy tetthet, er formbare og formbare, har et høyt smeltepunkt, er harde og er gode ledere av varme og elektrisitet.

Disse egenskapene skyldes det faktum at de ytre elektronene bare er "løst" bundet til atomene , og danner en slags gass (også kalt "elektrongass", "elektronsky" eller "elektronhav"), som er kjent som metallisk . binding . Drude og Lorentz foreslo denne modellen rundt 1900. [ 12 ]

Ved å bruke teorien om 'elektronisk gass' kan vi forklare hvorfor metaller er så gode ledere av varme og elektrisitet, men det er nødvendig å forstå bindingen mellom atomene deres.

Et tidlig forsøk på å forklare metallisk binding var å vurdere en modell der valenselektronene til hvert metall kunne bevege seg fritt i krystallgitteret . På denne måten anses det metalliske gitteret å bestå av et sett med positive ioner (kjernene omgitt av elektronskallet deres) og elektroner (valensen), i stedet for å være bygd opp av nøytrale atomer.

Kort fortalt anses et metallisk grunnstoff å bestå av regelmessig fordelte metalliske kationer nedsenket i en delokalisert valens «elektronisk gass», og fungerer som et elektrostatisk bindemiddel som holder de metalliske kationene sammen.

"Elektronisk gass"-modellen gir mulighet for en enkel kvalitativ forklaring av den elektriske og termiske ledningsevnen til metaller. Siden elektroner er mobile, kan de bevege seg fra den negative til den positive elektroden når metallet utsettes for en forskjell i elektrisk potensial . Mobile elektroner kan også lede varme ved å transportere kinetisk energi fra en del av krystallen til en annen. Den duktile og formbare karakteren til metaller tillates av det faktum at den delokaliserte bindingen strekker seg i alle retninger; det vil si at det ikke er begrenset til en viss orientering, slik tilfellet er for faste stoffer med kovalente nettverk.

Når en metallisk krystall deformeres, brytes ingen lokaliserte bindinger; i stedet tilpasser havet av elektroner seg ganske enkelt til den nye fordelingen av kationene, energien til den deformerte strukturen ligner på originalen. Energien som trengs for å deformere et metall som litium er relativt lav, og er selvfølgelig mye høyere enn den som trengs for å deformere et overgangsmetall, fordi sistnevnte har mange flere valenselektroner som er det elektrostatiske bindemiddelet til kationer.

Ved hjelp av "elektrongass"-teorien kan mange egenskaper til metaller forklares tilfredsstillende, men det er ikke tilstrekkelig å forklare andre aspekter, for eksempel den detaljerte beskrivelsen av variasjonen i konduktivitet mellom metalliske elementer.

Skaffer

Noen metaller finnes i form av innfødte elementer , som gull , sølv og kobber , selv om det ikke er den vanligste tilstanden.

Mange metaller finnes i form av oksider . Oksygen , som finnes i store mengder i atmosfæren , kombineres veldig lett med metaller, som er reduserende elementer, og danner forbindelser som korund (Al 2 O 3 ) og hematitt (Fe 2 O 3 ).

Sulfider er den vanligste typen metallisk malm . Bemerkelsesverdig i denne gruppen er kobber(I)sulfid, Cu 2S , kvikksølv(II)sulfid, HgS , blysulfid, PbS og vismut(III)sulfid, Bi 2S 3 .

Alkalimetaller , i tillegg til beryllium og magnesium , utvinnes vanligvis fra klorider avsatt på grunn av fordampning fra hav og innsjøer , selv om det også utvinnes fra sjøvann . Det mest karakteristiske eksemplet er natriumklorid eller vanlig salt, NaCl.

Noen jordalkalimetaller , kalsium , strontium og barium , oppnås fra de uløselige karbonatene de er innebygd i.

Til slutt er lantanidene og aktinidene vanligvis oppnådd fra fosfater , som er salter som de kan inkluderes i.

Bruk i industrien

Metaller som er beregnet for spesiell bruk er antimon , kadmium eller litium .

De gule og oransje pigmentene av kadmium er svært ettertraktet for sin store stabilitet , som beskyttelse mot korrosjon , for loddemetaller og tilsvarende legeringer og ved fremstilling av nikkel- og kadmiumbatterier , ansett som utmerket for sikker drift. Den brukes også som stabilisator i plastmaterialer ( PVCsad ) og som en legering for å forbedre de mekaniske egenskapene til kobbertråd . [ 13 ] Produksjonen foregår på tidspunktet for raffinering av sink , som det er knyttet til, det er en farlig forurensning.

Litium , et lettmetall , brukes hovedsakelig i keramikk og krystaller , som polymerisasjonskatalysator og som smøremiddel , samt for å oppnå aluminium ved elektrolyse . Den brukes også til sveising, i batterier og klokkebatterier , i medisin (behandling for manisk-depressive) og i kjemi .

Nikkel , på grunn av sin høye motstand mot korrosjon , brukes til nikkelbelagte metallgjenstander, for å beskytte dem mot oksidasjon [ 14 ] og for å gi dem en uforanderlig glans i det fri.

Såkalt "hvitt jern" er egentlig en plate av bløtt stål som har blitt badet i smeltet sinkklorid og deretter gitt et spesielt tinnbelegg .

Ekspansjon av metaller

Metaller er materialer som har høy ekspansjon , delvis på grunn av deres ledningsevne. Utvidelsene er noen ganger merkbare selv med endringer i omgivelsestemperaturen. De måles lineært og lengdeenheten er fastsatt for variasjonen på 1 °C i temperatur.

Formbarhet er egenskapen til metaller for å kunne modifiseres i form og til og med reduseres til tynne plater ved romtemperatur, ved kontinuerlig trykk, hamring eller strekking. Produserer modifikasjonene i metallet, nås et øyeblikk der elastisitetsgrensen overskrides, noe som gjør metallet hardt og sprøtt; det vil si at den gjennomgår krystallinske deformasjoner som gjør den sprø. Formbarheten kan gjenopprettes ved gløding , som består i å varme opp metallet til høy temperatur etter rulling eller trekking, og la det avkjøles sakte. Formbarheten er verdsatt av laminatets subtilitet. Med gull som grunnlag, blir følgende klassifisering vanligvis laget:

1. Gull .
2. Sølv .
3. Kobber .
4. Aluminium .
5. Tinn .

6. Platina .
7. Bly .
8. Sink .
9. Strykejern .
10. Nikkel .

Definisjoner av begreper som brukes i støperier

legeringer

Metaller kan danne legeringer med hverandre og er klassifisert som: [ 15 ]

Se også klassifisering av metaller i det periodiske systemet .

Brudd i metalliske materialer [ 16 ]

Duktilt brudd

Det forekommer vanligvis i transgranulær form, det vil si gjennom kornene, i duktile metaller og med god seighet.

Deformasjonen skjer før det endelige bruddet, en deformasjon kan observeres, den synlige modifikasjonen som vises som en hals, hakk eller innhaling akkurat i den delen der feilen oppstod. Disse bruddene kan være forårsaket av enkle overbelastninger eller ved å påføre materialet en svært stor belastning.

Hvis en strekktest utføres i en enkel test, vil bruddprosessen være med kjernedannelse, vekst og koalescens av mikrohulrom, dannet når en stor spenning skaper en separasjon ved korngrensene, ettersom spenningen øker separasjonen av kornene skaper større hulrom hvor kontaktområdet med metallet er veldig lite og ikke kan bære lasten, og til slutt forårsaker brudd.

Sprøbrudd

Det skjer i høymotstandsmetaller og legeringer eller kan oppstå hos de med dårlig duktilitet og seighet, uansett om metallene har duktilitet innenfor sine egenskaper når de utsettes for lave temperaturer, de kan svikte på grunn av sprøhet, også i tykke seksjoner eller pga. ufullkommenheter.

Sprø brudd observeres ofte når det er støtet og ikke overbelastningen som forårsaker feilen. Prosessen begynner med å danne en liten sprekk, en ufullkommenhet, hvor stresset er konsentrert. Sprekken kan forlenges med en hastighet nær lyden, som forplanter seg lettere langs spesifikke krystallografiske plan.

Se også

Referanser

  1. [ https://books.go s/books?id=VmdvQfFbq9UC&pg=PA546&dq=metals+++salts++electropositive+ions&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwj_p9jY5YfZAhWL7RQKHUWL7RQKHUIN%2ADQ#20sone%vAEINpage%2ADq#20sone%vAEINpagejCH0Q6s=2 20%20elektropositive ioner&f=false Dictionary of Chemistry ]. Complutense Publisher. 2003. ISBN  9788489784727 . Hentet 2. februar 2018 . 
  2. Rivera, José María Teijón; Teijon, Jose Maria (2006). Kjemi i trøbbel . Utgiver Tebar. ISBN  9788473602266 . Hentet 2. februar 2018 . 
  3. ^ Gillespie, Ronald J. (august 1988). Kjemi . omvendt. ISBN  9788429171884 . Hentet 2. februar 2018 . 
  4. Kjemiprinsipper . omvendt . Hentet 2. februar 2018 . 
  5. Daub, G. William; Seese, William S. (1996). Kjemi . PearsonEducation. ISBN  9789688807903 . Hentet 2. februar 2018 . 
  6. Martin, John C. "Hva vi lærer av en stjernes metallinnhold" . John C. Martins hjemmeside . Hentet 25. mars 2021 . 
  7. Martin, John C.; Morrison, Heather L. (18. mai 1998). "En ny analyse av RR Lyrae kinematikk i solområdet" . The Astronomical Journal ( The American Astronomical Society , publisert 1. oktober 1998) 116 (4): 1724-1735. doi : 10.1086/300568/fulltekst/tal-innhold . 
  8. Scientists, SINC News and Information Service (23. mars 2015). IZw18, galaksen som avslører universets fortid . Hentet 2. februar 2018 . 
  9. ^ Tylecote, RF (1992). A History of Metallurgy, andre utgave . London: Maney Publishing, for Institute of Materials. ISBN 978-1-902653-79-2 . Arkivert fra originalen 2. april 2015.   
  10. Metalldetektorer i historiske områder: Metalldetektorene i ... på Google books
  11. Georgius Agricola, De Re Metallica (1556) Tr. Herbert Clark Hoover og Lou Henry Hoover (1912); Fotnote som siterer De Natura Fossilium (1546), s. 180
  12. Élie Lévy, 1993. Akal Dictionary of Physics. Side 380.
  13. Vademecum of electricity , side 29, i Google-bøker
  14. Nikkelholdige ventiler for å motstå rust
  15. Domínguez, Esteban José; Ferrer, Julian (6. oktober 2014). Grunnleggende FP - Maskinering og sveising . Editex. ISBN  9788490039632 . Hentet 3. februar 2018 . 
  16. ^ Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven R. (2002). Produksjon, engineering og teknologi . PearsonEducation. ISBN  9789702601371 . Hentet 3. februar 2018 . 

Eksterne lenker