Параграф 1.1 (Anorgaanilised ained)

Metallide füüsikalised omadused

  • Mille järgi tunneme metalle?
  • Millest on tingitud metallide ühised omadused?
  • Mis määrab metallide kõvaduse ja sulamistemperatuuri?
Peatüki taustapilt: elav­hõbeda valamine

Metallide mitmekesisus

Metallid on olnud inim­konna jaoks väga tähtsad materjalid juba üle nelja tuhande aasta (alates pronksi­ajast).

Metallidel on mitmeid ühiseid omadusi, mille järgi saab neid kergesti ära tunda ja teistest materjalidest eristada. Ometi võivad nad olla kohati lausa vastandlike omadustega: näiteks naatrium on tuhmi kollakas­halli kihiga kaetud kerge ja pehme metall, volfram aga väga kõva ja raskesti töödeldav rask­metall. Kuld on kaunis ja kalli­hinnaline vääris­metall, raud on aga üsna odav ja vahel ka roostes, kuid samas tugev ning lisaks ka magnetiliste omadustega metall. On isegi üks metall, mis on tava­tingimustes vedel – elav­hõbe.

Omaduste suur mitme­kesisus võimaldab kasutada metalle väga erinevates vald­kondades. Metallide tähtsus on ajas järjest kasvanud, eriti seoses masina­ehituse arengu ja elektri kasutusele­võtuga. 

Kullakangid
Roostes raudese

Metallide ise­loomulikke omadusi

Kuna metallilisi elemente on väga palju, on palju ka vastavaid liht­aineid – metalle. Metallide omadused varieeruvad küll väga laiades piirides, kuid sellegi­poolest tunneme metalle kergesti ära nende ise­loomulike omaduste järgi.

Tavatingimustes on metallid tahked ained (peale elav­hõbeda). Nad on head elektri- ja soojus­juhid ning sile metalli­pind peegeldab hästi valgust. Enamik metalle on küllaltki plastilised ja kergesti töödeldavad.

Metallide ise­loomulikud füüsikalised omadused on tingitud aatomeid ühendavast metallilisest sidemest, mis võimaldab aatomite väliskihi­elektronidel suhteliselt kergesti liikuda ühe aatomi juurest teise juurde üle kogu metalli­kristalli.

Metalliline side annab metallidele plastilisuse – see side ei katke ka aatomi­kihtide nihkumisel üks­teise suhtes. Metallilise sideme tõttu on metallid head elektri- ja soojus­juhid – kergesti liikuvad elektronid kannavad hästi edasi nii laengut kui ka soojust.

Metalli deformeerimisel aatomikihid küll nihkuvad, kui metalliline side nende vahel ei katke.
Kuld on väga plastiline metall. Ühest grammist kullast saab valtsida kuni 1 m2 suuruse lehe, paksusega vaid mõni­sada aatomit.
Vismut on halli, kergelt roosaka värvusega metall, kuid õhuke oksiidi­kiht tema pinnal võib talle anda küütleva vikerkaare­värvilise helgi.

Ühistele iseloomulikele omadustele vaatamata võivad metallid üks­teisest siiski tugevasti erineda. Enamik metalle on hallid, kuid mõned on värvilised (kuld ja vask). Magnetilised omadused on vaid mõnel metallil, tuntuimad neist on raud, koobalt ja nikkel. Ka sulamis­temperatuurilt, tiheduselt jt füüsikalistelt omadustelt võivad metallid üks­teisest tugevasti erineda.

Metallide füüsikaliste omaduste suur varieeruvus on tingitud erinevustest nii elementide aatomi­ehituses (erinev aatomi­raadius, välis­kihi elektronide arv jm) kui ka metallide kristalli­võre ehituses.

Eriti tugevad magnetilised omadused on mõningate haruldaste muld­metallide sulamitel. Tuntuim nn super­magnet on neodüüm­magnet (raua, boori ja neodüümi sulam), mida kasutatakse nt arvuti kõva­ketastes.

Metallide sulamis­temperatuur

Metallide sulamistemperatuur (Tsul) oleneb nii vastava elemendi aatomi­ehitusest kui ka metallilise sideme osatähtsusest keemilises sidemes. Metalliline side on küllaltki nõrk ja seetõttu on valdavalt metallilise sidemega metallide sulamis­temperatuur suhteliselt madal. Seepärast ongi leelis­metallide sulamis­temperatuur reeglina oluliselt madalam kui teistel sama perioodi metallidel. A-rühmade metallide sulamis­temperatuur perioodis vasakult paremale reeglina kasvab, sest samas suunas kasvab ka välis­kihi­elektronide arv ja kovalentse sideme osa­tähtsus. (Erandiks on vaid IIIA rühma metallid alates galliumist, mille sulamis­temperatuur on oluliselt madalam kui eelnevatel leelismuld­metallidel. Üks olulisimaid kõrvale­kalde põhjusi on see, et nende vahel asuvad siirde­metallid.)

Gallium on metall, mis võib sulada isegi soojas peo­pesas (sulamis­temperatuur ligi 30 ℃).

Kõige suurem on kovalentse sideme osatähtsus siirde­metallides, eriti 5. ja 6. perioodi kesk­osas. Seetõttu ongi kõrgeima sulamis­temperatuuriga metallid volfram (Tsul>3400 ) ja tema lähi­naabrid perioodilisus­tabelis (Ta, Re, Nb, Mo jt). Praktikas tähtsaim metall – raud – kuulub samuti küllaltki kõrge sulamis­temperatuuriga metallide hulka (Tsul>1500 ). Suur erand on elav­hõbe, milles aatomite­vaheline keemiline side on väga nõrk ja mille sulamis­temperatuur on seetõttu eriti madal ​(Tsul-39 ).

Praktikas on ots­tarbekas jaotada metalle madala, keskmise ja kõrge sulamis­temperatuuriga metallideks.

Volframit kasutatakse tema kõrge sulamistem­peratuuri tõttu hõõg­niidina elektri­lampides. Hõõglambi­pirnid on täidetud lämmastiku või vääris­gaasiga vältimaks hõõg­niidi kiiret oksüdeerumist.

Metallide sulamistemperatuure

Tähistused: punane – kuni 100 ℃; ​ oranž – 100 kuni 500 ℃; ​kollane​ – 500 kuni 1100 ℃; ​ roheline – 1100 kuni 1500 ℃; ​sinine – 1500 kuni 2000 ℃; ​ lilla – üle 2000 ℃​.

Mõtlemist

Perioodilisustabeli A-rühmades metallide sulamis­temperatuur rühmas ülevalt alla üldiselt väheneb. Mida võiks selle põhjal järeldada metallilise sideme tugevuse muutumise kohta rühmas?

Selgitus. Sulamis­temperatuuri vähenemine rühmas ülevalt alla viitab aatomite­vahelise metallilise sideme nõrgenemisele. Metallilise sideme nõrgenemist põhjustab aatomir­aadiuse kasv rühmas ülevalt alla.

a. Temperatuuril 100 :

  • Al
  • Hg
  • Sn
  • Fe
  • Na

b. Temperatuuril 500 :

  • Al
  • W
  • Sn
  • Fe
  • Na

c. Temperatuuril 1000 :

  • Al
  • W
  • Sn
  • Fe
  • Cu

Metallide tihedus

Metalli tihedus on üld­reeglina seda suurem, mida suurem on vastava elemendi aatommass ja mida väiksem on aatomi raadius. Perioodilisus­tabeli rühmades ülevalt alla metallide tihedus üldiselt kasvab, sest aatom­mass selles suunas suureneb (kuigi ka aatomi­raadius selles suunas suureneb, on selle mõju tihedusele väiksem kui aatommassi muutusel).

Kõige suurema tihedusega metall on osmium (ρ=22,6  g/cm3). Ka teised 6. perioodi rea keskosas olevad metallid on väga suure tihedusega (ka sulamistemperatuur on neil enamasti üsna kõrge). Kõige väiksema tihedusega, s.t „kõige kergem“ metall on liitium (ρ=0,53  g/cm3).

Kuna praktikas on metallide tihedus väga oluline, siis on ots­tarbekas jaotada metalle väikese, keskmise ja suure tihedusega metallideks. Igapäeva­elus nimetatakse metalle tavaliselt kerg­metallideks (ρ<5 g/cm3) ja rask­metallideks (ρ>5 g/cm3). Tuntuimad kerg­metallid on magneesium, alumiinium ja titaan.

Volframi tihedus on peaagu sama suur kui kullal (19,3 g/cm3). See on võimaldanud kasutada kullaga kaetud volframit võlts­kullana.

Metallide tihedusi

Tähistused: p​unane – kuni 2,0 g/cm3; oranž – 2,0 kuni 5,0 g/cm3; roheline – 5,0 kuni 10,0 g/cm3; sinine –10,0 kuni 15,0 g/cm3; violetne – üle 15,0 g/cm3.

Mõtlemist

Miks on kuld palju suurema tihedusega kui hõbe, kuigi nende aatomi­raadiused on lähedased?

Selgitus. Kuna kulla aatom­mass on oluliselt suurem kui hõbedal, on ka kulla tihedus palju suurem.

        • Ni
        • Ti
        • Cu
        • Li
        • W
        • Zn
        • Fe
        • Al
        • Au
        • Ag
        • Mg

        Metallide elektrijuhtivus

        Tänu heale elektri­juhtivusele on metallid olnud ligi kaks sajandit asendamatu materjal nii elektri­juhtmete valmistamiseks kui ka kasutamiseks elektri- ja elektroonika­seadmetes. Ilma metallideta ei oleks võimalik käivitada autosid või lennukeid, jälgida tele- või raadio­saateid, kasutada mobiil­telefone jne.

        Kõigist metallidest parim elektri­juht on hõbe, paremuselt teine on vask. Paremate elektri­juhtide hulka kuuluvad ka kuld ja alumiinium.

        Praktikas kasutatakse elektri­juhtidena kõige enam vaske ja alumiiniumi. Alumiinium juhib elektrit vasest märgatavalt halvemini, pealegi kipuvad alumiiniumi ühendused vähem­aktiivsete metallidega (nt vasega) kergesti korrodeeruma, mis halvendab elektri­juhtivust veelgi. Seepärast eelistatakse elektri­juhtmete materjalina enamasti vaske, hoolimata tema märgatavalt kõrgemast hinnast.

        Hõbedat ja kulda nende kõrge hinna tõttu tavalistes elektri­juhtmetes ei kasutata. Korrosiooni­kindluse tõttu on hõbe ja eriti kuld aga asendamatud materjalid kontaktide loomiseks elektroonika­seadmetes. Kuigi ka mitmed s-metallid on küllaltki head elektri­juhid, ei sobi nad elektri­juhtmetena kasutamiseks oma suure keemilise aktiivsuse tõttu.

        Tavaline nuti­telefon sisaldab umbes sadak­ond milli­grammi hõbedat ja mõni­kümmend milli­grammi kulda.
        Vask

        Metallide kõvadus

        Metalli kõvadus iseloomustab tema vastu­pidavust kriimustamise suhtes. Metallid, milles aatomite vahel on valdavalt metalliline side, on üsna pehmed ja plastilised. Seetõttu on leelis­metallid ja mõnevõrra ka leelismuld­metallid küllaltki pehmed. Leelis­metalle saab üsna kergesti noaga lõigata. Suhteliselt pehmed on ka mõned p-metallid ja siirde­metallid – tuntuimad neist on plii ja kuld, mida saab isegi küünega kriimustada.

        Mida suurem on kovalentsete sidemete osatähtsus, seda kõvem on ka vastav metall. Sellepärast tüüpilised siirde­metallid ongi väga kõvad, eriti need, mis asuvad d-metallide reas suhteliselt keskel.

        Kuldehete valmistamiseks kasutatakse kulla sulameid, sest puhas kuld on selleks liiga pehme. Levinumad kulla sulamid on prooviga 585 ja 750 (sisaldavad vastavalt 585‰ ja 750‰ kulda).

        Lisandid enamasti tõstavad metallide kõvadust. Puhas raud pole nt kaugeltki nii kõva kui malm ja teras. Kuigi kroomi peetakse sageli kõige kõvemaks metalliks – ta kriimustab isegi klaasi –, on temagi suur kõvadus tingitud põhiliselt lisanditest. Väga puhas kroom on suhteliselt plastiline ja hästi töödeldav metall.

        Metalli kõvadust saab mõjutada ka vastava töötlusega. Hästi tuntud on raua (terase) „karastamine“ – tugevasti (punase hõõguseni) kuumutatud raud­ese visatakse järsult külma vette. Kiirel jahtumisel metalli struktuur muutub ja ta kõvadus suureneb.

        Terase karastamine
        • Na
        • Fe
        • Pb
        • W
        • Cu
        • Cr
        • Ni
        • Au

        a. Elektri­juhtmete materjal:

        • Na
        • Fe
        • Cu
        • Hg
        • Al

        b. Kergete sulamite koostis­metall (nt lennuki­ehituses):

        • Ca
        • Mg
        • Ti
        • W
        • Al

        c. Lampide hõõg­niitide materjal (rask­sulav materjal):

        • K
        • Fe
        • W
        • Ga
        • Sn

        d. Õnne­valamine:

        • Na
        • Hg
        • Fe
        • Sn
        • Ag

        Kokkuvõtteks

        • Metallide ise­loomulikud omadused on tingitud metallilisest sidemest.
        • Metalliline side moodustub aatomitele ühiseks muutunud väliskihi­elektronide abil, mis saavad suhteliselt kergesti liikuda ühe aatomi juurest teise juurde.​ 

         

        • Perioodis vasakult paremale:
          ​A-rühmade metallide sulamis­temperatuur reeglina kasvab,
          ​siirde­metallidel algul kasvab, seejärel kahaneb.
        • Rühmas ülevalt alla:
          ​A-rühmade metallide sulamis­temperatuur reeglina kahaneb,
          ​siirde­metallidel reeglina kasvab.

        Metallide sulamis­temperatuuri kasvu üldine suund perioodilisus­tabelis:

         

        • Kui üle­kaalus on metalliline side, on metalli sulamis­temperatuur küllaltki madal ja metall suhteliselt
          pehme.
        • ­Kui üle­kaalus on kovalentne side (siirde­metallidel), on metalli sulamis­temperatuur kõrge ja metall suure kõvadusega

         

        • Rühmas ülevalt alla metallide tihedus tavaliselt
          kasvab (aatom­massi suurenemise tõttu).

        Küsimused

        1. Kuidas on moodustunud metalliline side metallides?
        2. Kuidas muutub A-rühmade metallide sulamis­temperatuur rühmas ülevalt alla?
        3. Miks on tüüpiliste siirde­metallide sulamis­temperatuur eriti kõrge?
        4. Milline on kõige kõrgema ja milline kõige madalama sulamis­temperatuuriga metall?
        5. Millised on praktikas olulised kerg­metallid?
        6. Milline on kõige väiksema ja milline kõige suurema tihedusega metall?
        7. Miks juhivad metallid hästi elektrit?
        8. Millised on parima elektri­juhtivusega metallid?
        9. Miks on metallid küllaltki plastilised (hästi töödeldavad)?
        10. Miks on leelis­metallid üsna pehmed?
        11. Miks on kõige kõvemad metallid just siirde­metallid?
        Пожалуйста, подождите