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

1. 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).

   
   
   
2. ötvözetek:
   
   fémeknek fémekkel vagy más anyagokkal alkotott keverékei, melyek folyékony állapotban homogének, szilárd állapotban bennük legfeljebb mikroszkóposan tudunk határfelületeket megkülönböztetni.
   
   
3. vegyületek:
   
   
4. 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.

1. Szabályos, lapon centrált kockarács.
   
   Egy-egy fémiont azonos távolságban 12 másik fémion vesz körül, tehát a koordinációs szám 12.
   
   
   
2. 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.
   
   
   
   
3. 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

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:

1. 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.
   
   
2. A redukció folyamata: pl. az Al-ot elektrolízissel, a Fe-t szenes redukcióval redukálják.
   
   
3. 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 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

1. 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).
  

2. 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 -