Kui mõtlete sõnale "metallid", mõtlete igapäevaste esemete ja nende funktsiooni üle sama tõenäoliselt kui keemia või muu, mis on seotud teadusega. Enamik masinaid ja paljud konstruktsioonid on näiteks valmistatud mitmest metallist nende materjalide vastupidavuse ja jäikuse tõttu. Lisaks hinnatakse mõnda metalli oma välimuse järgi, see maksab palju raha massiühiku kohta ja liigitatakse sõna otseses mõttes "väärismetallide" hulka; kuld ja hõbe on võib-olla kõige tuntumad näited.
Kuid ka metallid esindavad keemias ühte kolmest elemendi tüübist, ülejäänud kaks on mittemetallid ja metalloidid. Metallid moodustavad looduses enamuse elementidest, ehkki olete tõenäoliselt kuulnud vaid väikesest murdosast neist. Enne metallide omaduste uurimist on kasulik mõista lihtsalt seda, mida tuntakse mõistega "element" ja kuidas perioodilisustabelit kasutatakse tabelis olevate elementide struktureerimiseks.
Mis on elemendid?
Igapäevaelus on "element" terviku komponent. Sõnal on keemias sarnane, kuid rangem määratlus: element on midagi, mis on valmistatud ühest konkreetsest aatomitüübist. Seda ei saa igapäevaste keemiliste tööriistade abil jagada lihtsamateks komponentideks. 2018. aasta seisuga olid keemikud tuvastanud 92 looduslikult esinevat elementi koos 11 laboris tingimustes tekkinud ebastabiilse elemendiga. Antud element eksisteerib kas tahke aine, vedeliku või gaasina oma loomulikul kujul.
Aatom on omakorda prootonite, neutronite ja elektronide mikroskoopiline kogum mõnes kombinatsioonis. Vesinik, lihtsaim aatom, koosneb ainult prootonist ja elektronist; kõige massiivsemas uraanis on ühes isotoopis 92 prootonit, 92 elektroni ja 146 neutronit. Aatomil on tavaliselt sama palju prootoneid, millel on positiivne laeng, ja elektrone, millel on võrdse suurusega negatiivne laeng. Neutronite arv, mis koos prootonitega moodustavad aatomite tuumad (ainsuse tuum) ja millel puudub elektriline laeng, on ligikaudne prootonite arv mingil määral, ehkki elementide suuruse kasvades kipuvad neutronid prootoneid aina enam ja rohkem ulatuses.
Elementide perioodiline tabel
Perioodiline tabel on keemiale, milline on koostisosade indekseeritud loetelu kokaraamatule. Mis tahes keemilist ühendit, mis teil on või võite mõelda, nii suur kui ka väike, võib taandada perioodilisustabeli mõneks kombinatsiooniks.
Sellel tabelil on 113 elementi paigutatud aatomnumbrite järgi kasvavas järjekorras. See arv on vaid elemendi prootonite arv. Kui see number muutub, muutub elemendi identiteet. See ei kehti neutronite ega elektronide kohta; nimetatakse erineva arvu neutroneid sisaldava elemendi variatsioone isotoopid selle elemendi kohta, samas kui elementi, millel on rohkem või vähem elektrone kui prootoneid, nimetatakse aniks ioon ja kannab positiivset või negatiivset elektrilaengut.
Perioodiline tabel saab oma nime, kuna see sisaldab elementide kategooriaid, mis korduvad perioodiliselt ja ennustatavalt. Perioodilist tabelit vaadates (interaktiivse näite leiate jaotisest Ressursid) näete, et see on olemas ülaosas olevates ridades on mõned uudishimulikud lüngad, kuid need kaovad suurema numbriga elemendid. Selle põhjuseks on asjaolu, et elemendid ei ole ainult aatomnumbri põhjal paigutatud; need on jaotatud tüüpidesse, lähtudes nende erinevatest aatom- ja keemilistest omadustest.
Perioodiliste tabelite rühmad
Rangelt võttes saab elemente rühmitada metallid ja mittemetallid, kuid traditsiooniliselt on kolm elementide rühma: metallid, mittemetallid ja metalloidid. Nagu nimetus "metalloidid" ütleb, on neil elementidel nii metallisarnaseid kui ka mittemetallilaadseid omadusi.
Samuti on olemas kolm põhitüüpi metalle: leelismetallid, leelismuldmetallid ja siirdemetallid. Üleminekumetallid hõlmavad mitmeid oma alamkategooriaid, mida kirjeldatakse hiljem.
Rangelt mittemetallideks klassifitseeritud elemente on arvult üllatavalt vähe ja ainult seitse neist (H, C, N, O, P, S ja Se) tähistavad perioodilist tabelit. See klassifikatsioon aga välistab mittemetallid, mis on teeninud oma kategooriad, sealhulgas viis halogeenid (F, Cl, Br, I ja At) ja kuus väärisgaasid (Tema, Ne, Ar, Kr, Xe ja Ra).
Metallide omadused
Kuna seal on seitse metalloidi ja 18 mingisugust mittemetalli (seitse mittemetalli per se, kuus väärisgaasi ja viis halogeeni), 88 perioodilisustabeli 113 elemendist on liigitatud teatud tüüpi elementideks metallist. Ehkki nende omadused erinevad selgelt märkimisväärselt, on metallidel mitmeid ühiseid omadusi.
Metallid on toatemperatuuril tahked, välja arvatud märkimisväärselt elavhõbe, vanemates termomeetrites kasutatav vedelik. Neil on läige, see tähendab, et nad peegeldavad valgust, omadust, mis annab neile sageli väärtuse (nt vask, hõbe). Need on vormitavad, mis tähendab, et neid saab füüsiliselt õhukesteks lehtedeks vormida ilma purunemiseta. Need on tavaliselt kõvad, kuigi kaaliumi ja naatriumi, mis toimivad inimese vereringes bioloogiliselt aktiivsete ioonidena, saab lõigata tavalise noaga. Need on plastilised, mis on uhke viis öelda, et metallidest saab teha traate; see omadus on mugav, kuna enamik metalle on head elektri- ja soojusjuhid, mistõttu on need kaasaegse tööstuse jaoks üliolulised. Nende juhtivus on elektronide olemasolu, mis pole tuumadega tihedalt seotud, tagajärg. Lõpuks on metallid tavaliselt tihedad (see tähendab, et nende mass ruumalaühiku kohta on suur) ning nende keemis- ja sulamistemperatuurid on kõrged. Volframil on erakordselt kõrge sulamistemperatuur ja pole juhus, et seda elementi kasutatakse laialdaselt lambipirnides.
Metallide tüübid
Metallide kolm kategooriat on leelismetallid, leelismuldmetallid ja siirdemetallid. Perioodilise tabeli paigutus tuleb kasuks nende tihedas rühmituses hoidmisel; leelismetallid on kuus elementi, mis asuvad otse vesiniku (H) all tabeli vasakpoolses vasakpoolses veerus, mis on tähistatud IA-ga. Leelismuldmetallid on laual olevate leelismetallide kuus "naabernaabrit", mis hõivavad kogu IIA veeru.
Siirdemetallid hõivavad perioodilisustabeli veerud III kuni XII ja read 3 kuni 6, kokku 40 elementi. 14 lantaniidid (elemendid 58 kuni 71) ja 14 aktiniidid (elemendid 90 kuni 103) peetakse haruldaste muldmetallideks. Lõpuks peetakse enamikus skeemides kaheksat elementi metallideks, mida pole teisiti täpsustatud, mis toob kokku summa metallide arv kuni 6 (leelis) + 6 (leelismuld) + 40 (üleminekuaeg) +28 (haruldane muldmetall) + 8 (täpsustamata) = 88.
Metalloidid ja mittemetallid
Need seitse elementi, millel on nii metallisarnased kui ka mittemetallilaadsed omadused, hõivavad perioodilisustabeli osad ridadest 3 kuni 6 ja sisaldavad:
- B
- Si
- Ge
- As
- Sb
- Te
- Po
Need on toatemperatuuril tahked ja kasulikud pooljuhttehnoloogia vallas ning sageli ka vormis sulamidvõi metallide kombinatsioonid koos muude metallelementidega.