5.1 Metallisidos ja metallien ominaisuudet Flashcards
(8 cards)
Miksi metallien riittävyydestä kannetaan huolta ja miten tilannetta voidaan helpottaa?
Metallien riittävyydestä on kannettu jo pitkään huolta, sillä elektroniikkateollisuuden tuotteiden lisääntynyt määrä ja energiantuotantotapojen monipuolistuminen ovat lisänneet harvinaisten metallien tarvetta. Niiden puhdistus maaperän mineraaleista on pallista ja paljon energiaa vievää.
Teollisuudessa ollaan alettu uusiokäyttämään metalleja kierrättämällä niitä, sekä korvaamalla metalleja aivan muilla materiaaleilla. Mutta myös kuluttajien tulee olla vastuullisia ja kierrättää elektronikkalaitteemme asianmukaisesti.
Mitä eri käyttösovelluksia metalleilla on, ja mihin metallien ominaisuuteen ne viittaavat? Mistä asioista metallien ominaisuudet riippuvat.
Metalleja käytetään esimerkiksi:
- keittoastiat: hyvä lämmönjohtokyky ja korkea sulamispiste
- korut, tölkit, johtimet jne: hyvä muokattavuus ja kiiltäviä
- elektronisten laitteiden liittimet (Au) ja sähköjohdot (Al tai Cu), sillä metallit johtavat sähköä hyvin.
Metallien ominaisuudet ovat seurausta niiden ulkoelektronirakenteesta ja sitä kautta niiden muodostamista metallisidoksista sekä metallihilasta.
Miten metallit sitoutuvat toisiinsa?
Metalliatomien sitoutuessa tosiinsa, ne luovuttavat niiden ulkoelektronit yhteiseen käyttöön. Näitä metalliatomien välillä vapaasti liikkuvia elektroneita kutsutaan delokalisoituneiksi elektroneiksi. Metallisidos on vahva sähköinen vetovoima, joka muodostuu metalliatomien positiivisten atomiytimien ja näiden negatiivisesti varautuneiden vapaasti liikkuvien delokalisoituneiden elektronien välille. Delokalisoituneet elektronit eivät paikannu minkään tiettyjen metalliatomien välille, joten yksittäisen metallisidoksen tarkkaa sijaintia ei voida osoittaa. Vahva sähköinen vetovoima sitoo metalliatomit tiiviiksi metallihilaksi.
Mikä on hila? Entä minkälainen on metallihila?
Hila on kiinteässä olomuodossa olevan aineen säännöllinen kiderakenne. Metallihila koostuu metalliatomeista. Metallihilaa mallinnettaessa esimerkiksi piirtämällä, metalliatomeja merkitään + merkillä. Metallihila ei kuitenkaan sisällä metalli-ioneja, sillä delokalisoituneet vapat elektronit kuuluvat yhä metalliatomien rakenteeseen. Plus merkintä kuvaa metalliatomin ytimen protonien, sekä muiden kuin ulkoelektronien yhteenlaskettua sähkövarausta, joka on positiivinen. Jokaisella metalliatomilla on tyypillisesti 4-6 naapuriatomia.
Miten voi selittää metallien korkean sulamispisteen?
Metallien korkea sulamispiste, johtuu metallihilassa metalliatomien atomiydinten ja delkalisoituneiden elektronien välille muodostuvista vahvoista sähköisistä vetovoimista -> metallisidoksista. Metallisidokset ovat niin vahvoja, että niiden voittamiseen vaaditaan runsas määrä (lämpö)energiaa, jonka vuoksi metallien sulamispisteet ovat hyvin korkeita.
Miksi eri metalleilla on eri sulamispisteet, ja miksi ne ovat keskenään eri kovuisia?
Metalleilla saattaa olla keskenään erilaisia sulamispisteitä, joka on seurausta eri vahvuisista metallisiodoksista. Eri metallien metalliatomien (ja delokalisoituneiden elektronien) välille muodostuvat sidokset ovat nimittäin eri vahvuisia. Metallisidoksen vahvuus riippuu yhteiseen käyttöön jaettujen ulkoelektronien määrästä, sekä metalliatomin koosta (vähemmän elektronikuoria -> elektronit pääsevät lähemmäs atomiydintä, jolloin niiden välille mudoostuu suurempi sähköinen vetovoima. Lisäksi mitä enemmän atomilla on protoneita ja jaettuja delokalisoituneita elektroneita, sitä vahvempia metallisidoksia muodostuu).
Miksi metallit ovat hyviä sähkönjohteita?
Miksi metallit ovat lämmönjohteita?
Metallit ovat hyviä sähkönjohteita, sillä metallihilassa vapaana kulkevat delokalisoituneet elektronit toimivat sähkövarauksen kuljettajina.
Metallien hyvä lämmönjohtavuus johtuu siitä, että metalliesinettä kuumentaessa metalliatomien värätely, sekä delokalisoituneiden elektronien liike ja samalla kineettinen energia lisääntyvät, jolloin lämpö pääsee siirtymään metallihilassa.
Miksi metallit ovat kiiltäviä?
Miksi metalleja voidaan muokata?
Metallien kiiltävyys johtuu metallihilan pinnalla olevasta delokalisoituneiden elektronien merestä, joka heijastaa valon takaisin metallin pinnasta.
Metalleja voidaan muokata ilman niiden rakenteen rikkoutumista, sillä metalliatomit pääsevät liikkumaan toistensa ohi hilarakenteen delokalisoituneiden elektronien meressä. Tällöin metalliatomien positiivisten ytimien välille ei pääse muodostumaan hylkimisvoimia, jotka rikkoisivat hilarakenteen.
