Metale - podstawowe informacje

Wydaje nam się, że wiemy, co to jest metal. Okazuje się jednak, że chemik może określić mianem metalu większość pierwiastków nie wszystkie pasują do naszych wyobrażeń.

Co to jest metal? Pytanie z pozoru wydaje nam się banalne. Czysty metal posiada połysk, ale niektóre z nich korodują tak szybko, że nie jest to zauważalne w zwykłych warunkach. Jest stosunkowo twardy, cechuje się dość wysoką temperaturą topnienia, dzięki obróbce cieplnej można mu nadać odpowiedni kształt. Jest dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności.. Prawie wszystkie metale w temperaturze pokojowej są ciałami stałymi, za wyjątkiem rtęci, która jest cieczą.

Na 111 znanych obecnie pierwiastków 88 stanowią metale. Zależnie od gęstości metale dzieli się na metale lekkie oraz metale ciężkie. Z uwagi na położenie w układzie okresowym pierwiastków (wynikające z budowy ich atomów) można je podzielić na metale grup głównych, wraz z cynkowcami, oraz metale przejściowe. Nie wszystkie metale posiadają wszystkie opisane powyżej cechy. Istnieje też grupa pierwiastków, które ze względu na ich właściwości – nazywają się półmetalami. Spośród wszystkich znanych nam pierwiastków około 20 można uznać za niemetale.

Metale posiadają elektrony, które łatwo odłączyć od atomu, w wyniku czego powstaje jon. Mając strukturę metaliczną łatwo przewodzą prąd dzięki tym właśnie oddanym elektronom.

Istnieją też pierwiastki, takie jak krzem czy german, które przewodzą prąd znacznie gorzej niż metale, lecz lepiej niż niemetale. Te półmetale nazywane są półprzewodnikami. Zdolność do przewodzenia elektryczności przez czysty półprzewodnik wzrasta wraz z temperaturą. Inaczej zachowuje się kryształ półprzewodnika, gdy jest zanieczyszczony atomami innego pierwiastka. Taki kontrolowany proces zanieczyszczenia nazywany domieszkowaniem. Gdy do krzemu dodamy nieco fosforu bądź boru, to w krysztale pojawią się swobodne elektrony lub dziury – swego rodzaju "swobodne braki elektronów", czyli swobodne dodatnie nośniki ładunków. Gdy wytworzymy w krysztale granicę między obszarami domieszkowanymi elektronowo i dziurowo, to powstanie na niej bariera elektrostatyczna wytworzona przez jony. Prąd może przepływać wtedy tylko w jednym kierunku. Zjawisko to jest wykorzystywane w diodach, tranzystorach i układach scalanych. Metalizacja, metalizowanie, nakładanie na powierzchnię przedmiotów warstwy metali w celu uzyskania powłok odpornych na korozję i ścieranie lub w celach dekoracyjnych. Rozróżnia się metalizację galwaniczną (galwanostegia), metalizację natryskową, metalizację ogniową (warstwa metalu nakładana jest przez zanurzenie przedmiotu w ciekłym metalu), metalizację dyfuzyjną, metalizację próżniową i metalizację kontaktową. Do metalizacji zalicza się m.in. aluminiowanie, chromowanie, cynkowanie, cynowanie, kadmowanie, miedziowanie, niklowanie, ołowiowanie, srebrzenie i złocenie

Metale szlachetne srebro, złoto, platyna w warunkach normalnych nie reagują z tlenem. Metale nieszlachetne reagują z tlenem w warunkach normalnych. Metale ciężkie, metale uznane (na obecnym etapie rozwoju tzw. biochemii nieorganicznej) za zbędne lub nawet toksyczne (tzw. biocydy) dla żywych organizmów. Rozproszenie związków metali ciężkich w biosferze jest zazwyczaj produktem ubocznym działalności technologicznej i eksploracyjnej człowieka. Należą tu m.in.: rtęć (choroba Minamata), ołów (czteroetyloołów), kadm (choroba Itai-Itai), tal, bar, beryl i uran. Do tak rozumianych metali ciężkich zalicza się też czasem niektóre półmetale, jak arsen czy tellur.

Metale lekkie, tytan (gęstość = 4,50 g/cm³) i metale o mniejszej od niego gęstości: lit, sód, potas, rubid, wapń, magnez, beryl, cez, stront, glin, skand, bar oraz itr. Tylko magnez, beryl, glin i tytan, jako trwałe w warunkach atmosferycznych, znajdują zastosowania konstrukcyjne.

Korozja, proces stopniowego niszczenia zachodzący na powierzchni metali i ich stopów oraz tworzyw niemetalowych (np. betonu, drewna) wskutek chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania środowiska. Korozja chemiczna polega na chemicznym oddziaływaniu ośrodka na tworzywo (np. tworzeniu się związków chemicznych metalu z pierwiastkami otoczenia), korozja elektrochemiczna, niszcząca metale, wywoływana jest przepływem ładunków elektrycznych przez granicę metal - elektrolit. Ze względu na fizykochemiczny charakter środowiska rozróżnia się korozję gazową, w elektrolitach, w nieelektrolitach, atmosferyczną, ziemną i biologiczną (biokorozja). Proces korozji może zachodzić także w wyniku równoczesnego działania środowiska i in. czynników, np. korozja cierna (fretting) - korozja metali wywołana jednoczesnym oddziaływaniem środowiska i tarcia. Przykładem korozji jest rdzewienie żelaza, śniedzenie mosiądzu i miedzi, czernienie srebra. Korozji zapobiega się m.in. przez wytworzenie na powierzchni przedmiotu cienkich warstewek ochronnych tlenkowych lub fosforanowych, pokrywanie farbami, emaliami i tworzywami sztucznymi lub przez stosowanie odpowiednich stopów.