Właściwości i zastosowanie metali

Właściwości i charakterystyka:

Metale są najliczniejszą grupą pierwiastków chemicznych. Zamieszkują bowiem one wszystkie bloki układu okresowego (s, d, p oraz f). W związku z występowaniem w całym Układzie Mendelejewa, cechy poszczególnych metali mogą różnić się od siebie, jednak ogólnymi cechami metali są: kowalność, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne oraz połysk. Niektóre metale ulegają pasywacji. Niektóre również wypierają wodór z kwasów (jeśli ich standardowy potencjał redox jest bardziej ujemny niż potencjał wodoru). Metale, które znajdują się na prawo od wodoru w szeregu napięciowym nie wypierają go, więc co za tym idzie, nie może on być ich utleniaczem. Jedynymi utleniaczami dla tych metali może być wyłącznie pierwiastek zawarty w anionie kwasu, np. ClO₄^-.

Generalnie można wyodrębnić kilka kolumn metali, które charakteryzują się szczególnymi właściwościami. Cechy chemiczne metali należących do bloku s, czyli litowców i berylowców, opierają się na łatwej jonizacji oraz tworzeniu najprostszych dodatnich jonów. Ich cechy metaliczne wzmagają się idąc w dół tej grupy (co wiąże się z maleniem energii jonizacji). Litowce i berylowce tworzą typowe dla metali sieci jonowe, a ich wodorotlenki są silnymi zasadami. Wyjątki stanowią, ku ironii, sam lit, beryl oraz magnez (powodem jest wysoki stopień kowalencyjności wiązań). Metalem ziemi alkalicznej (berylowcem) jest także wapń, pierwiastek, który tylko pozornie nie jest metalem. W rzeczywistości wapń to srebrzystobiały, wyjątkowo kruchy metal, który stanowi aż 4% skorupy ziemskiej. Bardzo charakterystycznymi metalami alkalicznymi (litowcami) są bardzo reaktywne: sód oraz potas, które bardzo gwałtownie reagują z tlenem i wodą wydzielając duże ilości ciepła. Są tak aktywne, że wypierają wodór nawet z wody. Reaktywność wzrasta wraz z przesuwaniem się w dół układu.

Cechy metaliczne reprezentują też pierwiastki grupy 13. Typowymi metalami tej grupy są ind, gal oraz tal. Aluminium (glin) również należy do rodziny metali, ale wykazuje właściwości amfoteryczne i jest najlżejszym z metali tej grupy.

Następnie w grupie 14. właściwościami metalicznymi obdarzone są wyłącznie cyna i ołów, w grupie 15. bizmut, a w grupie 16. – polon..

Wszystkie pierwiastki grup d i f są wyłącznie metalami. W bloku d znajdują się pierwiastki lekkich metali, wśród których istnieje tendencja do tworzenia jonów na niższych stopniach utlenienia, podczas gdy na wyższych stopniach tworzą tlenki amfoteryczne, bądź o charakterze kwasowym (tu przykład: Mn₂O₇, CrO₃). Tworzenie tlenków o charakterze kwasowym bardziej widoczne jest u przedstawicieli cięższych metali, gdzie najtrwalsze są wysokie stopnie utlenienia (np. WO₃, OsO₄). Blok d zawiera tzw. metale szlachetne (chodzi tu m.in. o platynę, złoto, srebro, ren), które charakteryzują się małą reaktywnością i kowalnością. Złoto i platyna, zwane metalami bardzo szlachetnymi (o wyjątkowo słabej reaktywności) potrzebują dodatkowych czynników kompleksujących, aby ulec utlenieniu (tu przykład wody królewskiej).

Metale bloku f są w większości bardzo radioaktywne. Prawie wszystkie odkryte zostały sztucznie w doświadczalnych reaktorach jądrowych (np. einstein, ameryk). Pierwiastki te są promieniotwórcze oraz ulegają samorzutnemu rozpadowi w stosunkowo krótkim czasie, wydzielając przy tym spore ilości energii.

Zastosowanie.

W związku z szeroką gamą różnych cech, metale służą w prawie każdej dziedzinie przemysłu.

Przedstawiciele litowców, sód i potas, służyć mogą w wyrobie mydeł. Zastosowanie znalazły również przy wyrobie szkła (szkło sodowe, szkło kryształowe) oraz jako chłodziwo w reaktorach jądrowych. Rodzina berylowców swoimi reprezentantami: magnezem i strontem, zainteresowała przemysł chemiczny – pierwiastki te służą przy wyrobie sztucznych ogni. Magnez wykorzystywany jest również przy wyrobie leków i lekkich stopów. Wapń zaś rozpowszechniony jest w formie CaCO₃, jako chociażby kreda szkolna, cement, czy lekarstwa wzmacniające kości.

Ciekawostką może być fakt, że bar wykorzystywany jest jako kontrast podczas robienia zdjęć rentgenowskich żołądka. Ostatni metal grupy s, rad, stosowany jest głównie jako źródło neutronów oraz w radioterapii podczas leczenia nowotworów.

            Metale bloku d, z racji na najliczniejsze występowanie, mają rozmaite zastosowania. Metale bardzo wytrzymałe, jak tytan, czy żelazo występują w formie stopów (np. żelazo i węgiel tworzą stal) i służą jako główny materiał szkieletów budowlanych. Żelazo stosuje się też m.in. jako rdzenie elektromagnesów oraz katalizator w procesach chemicznych. Tytan z kolei, jest materiałem służącym do budowy rakiet, okrętów i turbin parowych. Używa się go też do wyrobu farb o kolorze białym i w chirurgii jako tworzywo łączące złamane kości.

Niektóre metale wykorzystuje się do pokrywania wykończeń w budownictwie i metalurgii. Przykładem takiego metalu jest chrom, który tworzy powłoki antykorozyjne.

Metalami używanymi do wyrobu specjalistycznych narzędzi oraz części precyzyjnych są: molibden, tantal, hafn, rod oraz itr.

Szczególną rolę w życiu codziennym odgrywają metale szlachetne. Prócz takich ról, jak pokrywanie końcówek przewodników (złoto, srebro), czy udział w analizie chemicznej (platyna), stosowane są one w jubilerstwie. Platyna, złoto, srebro oraz pallad są najczęściej używanymi tam metalami. Spowodowane jest to ich trwałością, kolorem, kowalnością, wyjątkową prezencją.

Wśród metali grupy d znajduje się również jedyny metal będący cieczą w temperaturze pokojowej. Ze względu na swą temperaturę topnienia i wrzenia, rtęć stosuje się do wyrobu termometrów lekarskich. Ponadto używana jest też w elektronice.

Innymi przykładami powszechnego zastosowania metali bloku d mogą być: kadm (baterie elektryczne), cynk (farby, blachy, ferromagnetyki), cyrkon (sztuczne diamenty, ogniotrwałe naczynia), wolfram (żarniki w żarówkach), ren (produkcja elementów w samolotach ponaddźwiękowych), iryd (wyrób żyletek i igieł do strzykawek).

            Metale bloku p, czyli grup 13-17 mają następujące zastosowania (na wybranych przykładach): glin – przewody wysokiego napięcia, folie aluminiowe, stop do budowy korpusów samolotów. Cyna – stopy lutownicze, powłoki antykorozyjne. Ołów – elektrody w akumulatorach, stopy drukarskie, zabezpieczenie przed promieniami rentgenowskimi. Tal – składnik stopów łożyskowych, składnik trutni na gryzonie, izotopowa diagnostyka medyczna. Polon – źródło promieniowania alfa, źródło neutronów w mieszaninie z berylem, baterie izotopowe.

            Pozostałe metale w układzie okresowym zajmują cały blok f. Ze względu na wysoką radioaktywność (aktynowce) stosuje się je zarówno w technice, jak i medycynie. Lantanowce jednak, jako metale mniej radioaktywne stosowane są w bardziej „przyziemnych” dziedzinach, niż aktynowce. Przykładami mogą być: cer (pigmenty do porcelany), prazeodym (żółty barwnik szkła), neodym (szkło do okularów ochronnych, elementy laserów), samar (szkła optyczne pochłaniające promieniowanie podczerwone, pręty kontrolne w reaktorze jądrowym, barwnik szkła i porcelany), europ (pokrywanie ekranów telewizorów, osłony przed neutronami), holm (dodatek do stopów magnetycznych, używany w technice jądrowej), erb (dodatek do stopów wanadu, różowy barwnik szkła, porcelany i emalii) oraz iterb (dodatek do stopów aluminiowych, ferryty, radiotechnika).

Aktynowce, w większości odkryte w połowie XX wieku, w reaktorach chemicznych, mają w większości zastosowanie bardzo specjalistyczne. Jednak powszechnie stosowane są również: tor – w lampach elektronowych, w pochłaniaczach gazów; uran – fotografika, barwienie szkła, paliwo w reaktorach jądrowych; neptun – źródło promieniowania neutronowego; pluton – paliwo jądrowe, materiał w bombach atomowych; kiur – paliwo w generatorach termicznych GPHS RTG (General Purpose Heater System   Radioisotope Thermoelectric Generator); kaliforn – źródło neutronów w reaktorach.

            Jak widać, metale znalazły zastosowanie w każdej dziedzinie naszego życia. Wiele z nich nie zostało wymienionych, a wyszczególnione zostały wyłącznie najważniejsze z nich. Z metalami spotkać można się na każdym kroku, świadomie, bądź nie. Rozpowszechnienie metali jest ogromne, a wraz z postępem technicznym zwiększa się wykładniczo do czasu.

Bibliografia:

- Słownik encyklopedyczny: Chemia; wydawnictwo Europa, wydanie I, 1999r.

- Grzegorz Jezierski: „Energia jądrowa wczoraj i dziś”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005r.

- Układ okresowy pierwiastków, wydawnictwo Nowa Era