A fémek
A fémek közé tartozik az ismert elemek nagyobbik része (négyötöde). Éles határ
nincs a fémek és a nemfémek tulajdonságai között, de elektromos vezetőképességük
hőmérsékletemelés hatására bekövetkező változása alapján az elemek e két csoportját
egymástól egyértelműen megkülönböztethetjük. A fémek elektromos vezetőképessége
a hőmérséklet emelésével csökken. A jellegzetesen fémes tulajdonságok csak cseppfolyós
és szilárd állapotban érvényesülnek.
A fémrács jellemzői
- a rácspontokban atomok vannak,
- a rács összetartásáért a vegyértékelektronok egy része vagy egésze felelős,
azok, amelyek delokalizálódnak a rácsban. A fémek jellegzetessége tehát, hogy
szilárd és cseppfolyós állapotban fémes kötés van az egyes atomok között.
A könnyen leszakadó elektronok nem tartoznak egyetlen atomhoz sem, hanem az
atomtörzsek között szabadon elmozdulhatnak.
- A szilárd, fémes elemek kivétel nélkül kristályosak. Üveges (amorf) szerkezet
nem jön létre.
Fémrácsú anyagok
- elemek:
kisebb EN-ú, külső héjukon kevés elektront tartalmazó elemek:
- az s-mező összes eleme (a hidrogén kivételével),
- a d-mező összes eleme, az f-mező összes eleme,
- a p-mező kisebb EN-ú elemei (Al, Sn, Pb, Bi).
|
- ötvözetek:
fémeknek fémekkel vagy más anyagokkal alkotott keverékei, melyek folyékony
állapotban homogének, szilárd állapotban bennük legfeljebb mikroszkóposan
tudunk határfelületeket megkülönböztetni.
- vegyületek:
- néhány fémvegyület, amelyek tulajdonságai megfelelnek a fémrács feltételeinek.
Ilyenek pl. egyes fém-szulfidok (kalkopirit: CuFeS2, antimonit:
Sb2S3).
A fémek részecskéi általában három kristályrácstípus valamelyikébe rendeződnek.
- Szabályos, lapon centrált kockarács.
Egy-egy fémiont azonos távolságban 12 másik fémion vesz körül, tehát a koordinációs
szám 12.
- Szabályos térben centrált kockarács.
Egy-egy fémion körül 8 másik fémion van, amelyek összekötve hexaéder (kocka)
alakot ad. A fémionok ezen a 8 ionon kívül további 6 ionnal is kapcsolatban
állnak.
- Hatszöges (hexagonális), legszorosabb illeszkedésű rács.
Minden fémiont 6 másik vesz körül egy síkban, alatta és felette pedig 3-3
fémion van, a koordinációs szám tehát 12. Ez a kristályrács a legtömörebb
szerkezetű, az ilyen kristályrácsot alkotó fémek sűrűsége viszonylag a legmagasabb.
A fémek fizikai tulajdonságai
- Fémfényűség. A rájuk eső fénynek nagyobb részét visszaverik, csak
kis részét nyelik el. Sima felületük tükrözőek, finom poruk azonban nem fémfényű,
hanem rendszerint fekete.
- Színük. általában szürkésfehér. Kivételt képez a rézcsoport két
eleme, a Cu vörös, az Ag sárga színűnek látszik. A fémek színét sokszor befolyásolja
a felületen kialakuló vékony oxidréteg, ezért mutat a króm kékes, az ólom
sötétszürke színt.
- Olvadáspont. A fémek szobahőmérsékleten általában szilárdak, kivétel
a higany. A szobahőmérséklethez több fémnek is közel áll az olvadáspontja
(Cs), egyes fémeké viszont igen magas (volfram: 3380°C).
- Forráspont. Minden fémé magas, még a higanyé is majdnem 360°C.
- Fizikai oldhatóság. A fémek legfeljebb egymásban tudnak oldódni
(amalgám), és szoros kivételként az alkálifémek és a berillium kivételével
az alkáliföldfémek bizonyos más anyagokban (cseppfolyós ammóniában) oldódnak.
- Rugalmasság. Mérsékelt alakváltozással szemben a fémek rugalmasan
viselkednek. A deformálhatóságból következik a fémekre jellemző kalapálhatóság,
nyújthatóság (a nemfémek ridegek, ütésre törnek). Az egyes tömegpontokat egymáshoz
nem kötik mereven közös elektronpárok, ütésre, nyomásra a rácspontok bármely
síkban elcsúszhatnak, egy másik fémion helyét foglalják el, végül ugyanolyan
kristályrács alakul ki (tiszta fémekre jellemző inkább). Ott, ahol más fémionok
is jelen vannak (elegykristály), a rácssíkok elcsúszása akadályozott, ezek
többé-kevésbé ridegek.
- Sűrűség. Gyakorlati szempontból meg szokás különböztetni könnyűfémeket
(5000kg/m3-es sűrűség alatt), és nehézfémeket (5000kg/m3-es
sűrűség felett).
- Mágnesesség.
- Diamágnesesség: a kisebb mágneses térerő irányába mozdulnak
(Sn, Pb, Ag, Au). A fémek többségének atomjai szimmetrikus kompenzált
spinű elektronpárokat, lezárt elektronhéjakat tartalmaznak, ezért
az egyes elektronok mozgása során keletkező mágneses momentumok
egymást kompenzálják. Külső mágneses tér az elektronok mozgását
megváltoztatja, az addig kompenzált mágneses momentumú részecskéket
átmenetileg aszimmetrikusan rendezi el. ún. indukált mágneses momentum
jön létre, amely taszítja a mágnest.
- Paramágnesesség: néhány elektron kompenzálatlan marad,
így az atomoknak saját mágneses momentumuk van, a nagyobb mágneses
térerő irányába tolódnak el (Al, Pb, Cr, Ti, Mn), amelyet csak külső
mágneses tér rendezhet el, orientálhatja az atomok mágneses tengelyeit
az erővonalakkal párhuzamosan.
- Ferromágnesesség: ha az atom kompenzálatlan mágneses momentuma
olyan nagy, hogy az atomok mágnesessége már a szomszédos atomokat
is bizonyos mértékben orientálja, mágneses szigetek jönnek létre,
ahol az egyes atomok mágneses erővonalai párhuzamosak. Külső erőtér
a mágneses szigetek egységesen orientálhatja, ezáltal erős, maradandó
mágnes jön létre. Minden ferromágneses anyagra van egy hőmérséklet
(Curie-féle pont), ahol a ferromágnesesség megszűnik.
|
- Vezetőképesség. Jól vezetik mind az elektromos áramot, mind a hőt.
Oka a fémrácsban szabadon elmozduló elektronok rendszere. A fémek elsőrendű
vezetők, az áramot ugyanis az elektronok vezetik bennük, a rácspontokban lévő
atomtörzsek a vezetésben nem vesznek részt. Magasabb hőmérsékleten a fémek
elektromos ellenállása nagyobb (az atomtörzsek fokozott hőmozgásukkal akadályozzák
a vezetést). Igen alacsony hőmérsékleten egyes fémek esetében hirtelen erősen
lecsökken az ellenállás, megnő a vezetőképesség, ez a szupravezetés jelensége.
Ötvözetek
Elnevezés |
Szerkezet |
Példa |
Tulajdonságok |
Szilárd oldat
a.) szubsztitúciós
b.) rácsközi
|
Közel azonos méretű atomok alkotta tetszőleges arányú elegy. |
Au – Ag
Fe – Ni
|
Kisebb vezetőképesség, az ellenállás kisebb hőmérsékletfüggése. |
A nagyobb méretű atomok közé beékelődő kis atomok |
fém és H, C, B, N, O |
Keményebb, ridegebb, kisebb vezetőképesség, az ellenállás
kisebb hőmérsékletfüggése |
Vegyülettípusú ötvözet |
Eltérő tulajdonságú fémek, vagy fém + nemfém közötti, nem
sztöchiometrikus képletnek megfelelő anyagok (pl. Fe3C) |
Kemények, ridegek |
Eutektikus ötvözetek |
Határozott összetételű elegykristályok (eutektikumok) + a
fölöslegben lévő fém kristályai (mikrokristályos szerkezet) |
Fe + grafit; szürke nyersvas |
Igen alacsony olvadáspont |
A fémek kémiai tulajdonságai
- A reakciókban az elemi állapotú fémek oxidálódnak, tehát redukálószerek!
Reakcióik:
- Nemfémes elemekkel: halogenidekké, szulfidokká, oxidokká alakulnak.
- Nemfémes elemek olyan vegyületeivel, melyben az adott nemfémes
elem oxidált alakja szerepel, és képes oxidálni a fémet: salétromsav, kénsav.
- Másik fém oxidált alakjával: pl. a vas a nála nagyobb standardpotenciálú
fémek ionjaival (Cu2+), vagy olvadékban az alumínium a vas-oxidokkal
(termitreakciók).
- 1-es oxidációs számú hidrogénnel, ezen belül
a.) vízzel: Na, K, Ca stb.,
b.) híg savoldatokkal: Zn, Fe, Al.
A fémek jellemzői vegyületeikben
Oxidációs számuk: az atomok vegyértékelektronjai által meghatározott, így az…
- s-mező fémei: +1 (alkálifémek) +2 (alkáliföldfémek);
- p-mező fémei: Al +3, Sn és Pb +2 vagy +4;
- d-mező fémei: változó. Ezen belül a …
- III.B csoport: [ns2(n-1)d1], az összes
vegyértékelektron leszakadásával nemesgázszerkezet alakul ki, így
+3;
- VIII.B csoport: pl. Fe, Co, Ni (4s23d6-8).
A d-alhéj telítődésével egyre stabilabbá válik a +2-es oxidációs
szám (vagyis a 4s-elektronok leszakadásával képződő kationok), de
a vas esetében még igen gyakori a +3-a oxidációs számú alak is.
- I.B csoport: [ns1(n-1)d10], rendhagyó vegyértékelektron-szerkezet.
Mindegyik fémnek előfordul az (n-1)d10-es elektronszerkezetű
+1-es oxidációs számú alakja, de egyes esetekben a d-alhéj is megbontható
(pl. Cu2+, Au3+).
- II.B csoport: [ns2(d-1)d10]. A várható
+2-es oxidációs szám a leggyakoribb. A higany esetén sajátos szerkezetű,
kovalens kötéssel összekapcsolódott is létezik
(+1-es
oxidációs számmal).
|
Fémek előállítása vegyületeikből
- A fém szempontjából mindig redukció.
- Történhet:
- elektrolízissel: általában a nehezen redukálható, kis EN-ú (negatív
standardpotenciálú) állítják elő kloridjaik olvadékelektrolízisével.
- kémiai redukcióval: megfelelően megválasztott redukálószerrel
történik (ls. később).
- termikus bontással: olyan fémeknél (főként a nemesfémek esetében),
amelyek vegyületei melegítés hatására elbomlanak:
HgO
Hg +
(COO)
2Fe
Fe + 2CO
|
A fémek előállítása kémiai redukcióval
Fontosabb redukálószerek:
- Hidrogén: CuO + H2
Cu + H2O.
- Szén: PbO + C
Pb + CO.
- Fémek (termitreakció): Fe2O3 + 2Al
Al2O3 + 2Fe.
Az ipari előállítás részfolyamatai:
- Az érc előkészítése és átalakítása (érc: az adott fém valamely vegyületét
és egyéb anyagokat - ún. meddőkőzet - tartalmazó, a természetben előforduló
keverék, amelyből a fém gazdaságosan kinyerhető).
- Őrlés: az érc aprítása.
- Darabosítás: az érc apró szemcséinek nagyobb szemcsékké történő alakítása.
- Dúsítás: a meddőkőzet mennyiségének csökkentése.
- Feltárás: az eljárás során egy oldhatatlan anyagot kémiai reakció során
oldhatóvá alakítanak.
- Pörkölés: oxidációs vagy hőbontási folyamat, amely során az érc fémtartalma
a redukcióra alkalmassá válik: pl.
FeS2 + 11O2
2Fe2O3 + 8SO2
vagy a karbonátos érc hőbomlása és oxidációja:
FeCO3
FeO + CO2
4FeO + O2
2Fe2O3
mely folyamatok során keletkező oxidok már alkalmasak a szenes redukcióra.
- A redukció folyamata: pl. az Al-ot elektrolízissel, a Fe-t szenes redukcióval
redukálják.
- Az előállított fém további átalakítása: szennyező anyagainak, illetve a
fémrács szerkezetének megváltoztatásával utólag módosíthatjuk a fém tulajdonságait.
Az acélgyártásnál a széntartalmat csökkentik, ezzel rugalmasabb fémet kapnak;
ötvözéssel jelentősen megváltoztathatók a fémeknek nemcsak a fizikai, hanem
a kémiai sajátságai is.
A fémek korróziója
Korrózió:
A környezet hatására az anyagok felületéről kiinduló változás, mely
végül az egész tárgyat tönkreteheti. A fémek korróziója oxidáció, mely a
fémeknek a levegő különböző komponensei hatására következik be. |
A korrózióra való hajlamot több tényező befolyásolja. Így a
- fém elektródpotenciálja: elvileg a kisebb potenciálú fémek hajlamosabbak
a korrózióra.
- a fém felületén esetlegesen kialakuló védőréteg: meggátolják a fémtárgyak
teljes korrózióját (Al, Mg, Zn, Pb, Sn, Co, Cr, Ni: védő oxidréteg).
Korrózió alakul ki ún. helyi elem képződésekor. Ha két fém egymással és közös
elektroliton keresztül is érintkezik (pl. vékony, közös folyadékréteg vonja
be az érintkező fémeket), akkor
- a negatívabb potenciálú fém oxidálódik (ez a galvánelem negatív pólusa)
és oldatba megy,
- a pozitívabb potenciálú fém felületén redukció mehet végbe. Mivel az oldat
az adott fém ionját nem tartalmazza, az onnan nem válhat ki, tehát a víz alkotórészei
redukálódnak:
2H3O+ + 2e-
H2 + 2H2O
Eltérő potenciálú helyek lehetnek rácshibákat vagy szennyező anyagokat tartalmazó
fémek felületén is, tehát a helyi elem kialakulásának nem feltétele két különböző
fém érintkezése!
Korrózióvédelem
- Passzív: olyan védőbevonat kialakítása a fém felületén, amely csak
a bevonat megsérüléséig jelent tökéletes védelmet:
- lakk, műanyag, zománc, festék
- eloxálás: ha a védendő fémet anódnak kapcsolva elektrolízissel megvastagítjuk
a védő oxidréteget.
- passzív fémbevonat: ha a védőréteg nagyobb potenciálú, mint a védendő fém
(fehérbádog: ónnal bevont vaslemez; nikkelezett acéltárgyak). Ekkor a védő
bevonat megsérülése után még gyorsabb a korrózió (helyi elem alakul ki).
- Aktív: a védendő fémet nála kisebb elektródpotenciálú fémmel érintkezésbe
hozva olyan helyi elem alakul ki, amelyben a védőfém oldódik! Ekkor a védőfém
gyakorlatilag a teljes oxidációjáig védi a másikat a korróziótól.
- Aktív fémbevonat: ha a védőréteg kisebb potenciálú, mint a védendő
fém: horganyzott bádog (cinkkel bevont vaslemez). Ekkor a védőréteg a megsérülése
után megvédi a fémet.
- Katódos fémvédelem: a képződő helyi elemben a védendő fém a pozitív
pólus, amelyen redukció történik, vagyis a katód.
- archívum -
- vissza a tematikához -