A) Szerkezet
A fémek helye a periódusos rendszerben
A periódusos rendszer elemeinek túlnyomó többsége fém. A fémek a rendszer bal oldalán és középső, alsó részén helyezkednek el: az s-mező (a hidrogén kivételével), a teljes d-mező és f-mező elemei mind fémek, és fém a p-mező kisebb elektronegativitású elemeinek egy része is (pl. Al, Sn, Pb, Bi).
A fématomoknak kevés (jellemzően 1–3, ritkán 4) lazán kötött vegyértékelektronjuk van, amelyeket viszonylag kis energiával le tudnak adni. Ezért a fémek tipikus redukálószerek: könnyen pozitív ionná (kationná) alakulnak.
A fémes jelleg változása
A fémes jelleg (az elektronleadási hajlam) szabályosan változik a periódusos rendszerben — éppen ellentétesen a nemfémes jelleggel:
A fémes kötés és a fémrács
A fémes tulajdonságok titka egyetlen szerkezeti modellben rejlik. A fématomok kis ionizációs energiájuk miatt leadják a lazán kötött vegyértékelektronjaikat, és a visszamaradó pozitív atomtörzsek szabályos rácsba (fémrácsba) rendeződnek. A leadott elektronok azonban nem tartoznak egyetlen atomhoz sem: az egész rácsban szabadon mozognak.
A fémrács rácspontjaiban pozitív atomtörzsek ülnek, körülöttük a leadott vegyértékelektronok delokalizált elektronfelhőt (közismert néven „elektrongázt") alkotnak. A fémes kötés ennek a delokalizált elektronfelhőnek és a pozitív atomtörzseknek az elektrosztatikus vonzása. Ez a modell minden fémes tulajdonságot megmagyaráz.
B) Tulajdonságok
A fémek fizikai tulajdonságai
A fémek jellegzetes fizikai tulajdonságai mind a fémrács és az elektrongáz közvetlen következményei. Vegyük sorra őket!
Elektromos és hővezetés
A fémek jól vezetik az elektromos áramot és a hőt — a szabadon mozgó delokalizált elektronok (az elektrongáz) szállítják a töltést és az energiát. Fontos finomság a vezetés hőmérsékletfüggése:
Fémes fény
A fémek jellegzetes fémes fénye (csillogása) szintén az elektrongázé: a delokalizált elektronfelhő a ráeső fényt szinte teljesen visszaveri. Ezért tükröződő, fényes a friss, tiszta fémfelület.
Jó alakíthatóság (nyújthatóság, hengerelhetőség)
A fémek jól alakíthatók: kovácsolhatók, nyújthatók, hengerelhetők, dróttá húzhatók. Ennek oka, hogy a fémes kötés irányítatlan: ha a rácssíkokat egymáson elcsúsztatjuk, az elektrongáz „követi" az atomtörzseket, és a kötés nem szakad meg.
Sűrűség
A fémek sűrűsége tág határok között változik. A hagyományos felosztás:
| Csoport | Sűrűség | Példák |
|---|---|---|
| Könnyűfém | < 5 g/cm³ | Li, Na, K, Mg, Al, Ca, Ti |
| Nehézfém | > 5 g/cm³ | Fe, Cu, Zn, Pb, Ag, Au, Hg, W, Os |
Olvadáspont és keménység
Az olvadáspont és a keménység is rendkívül széles tartományt fog át — a fémes kötés erőssége (és a rács szerkezete) szerint:
| Szélsőség | Fém | Adat | Megjegyzés |
|---|---|---|---|
| Legalacsonyabb op. | higany (Hg) | ≈ −39 °C | az egyetlen szobahőmérsékleten folyékony fém |
| Legmagasabb op. | volfrám (W) | ≈ 3400 °C | ezért készül belőle pl. az izzólámpa izzószála |
| Lágy fémek | Na, K (alkálifémek) | — | késsel vághatók, kicsi a fémes kötés erőssége |
| Kemény fémek | Cr, W | — | erős fémes kötés, magas op. |
C) Kémiai viselkedés
A redukáló jelleg és az aktivitási sor
A fémek legjellemzőbb kémiai sajátossága a redukáló jelleg: kémiai reakcióban elektronleadással pozitív ionná (kationná) alakulnak. Ez közvetlen következménye a kevés, lazán kötött vegyértékelektronnak.
Az aktivitási (standardpotenciál-) sor
A fémeket redukálóképességük szerint sorba állíthatjuk — ez az aktivitási sor (más néven a standardpotenciálok sora vagy a feszültségi sor). Aki előrébb áll, az erősebb redukálószer (negatívabb standardpotenciál), könnyebben oldódik, és kiszorítja a sorban mögötte állókat a vegyületeikből.
Reakció híg savval — a hidrogén a választóvonal
A hidrogén ELŐTTI fémek (a sorban előrébb állók) a híg savakból (pl. sósav, híg kénsav) hidrogéngázt fejlesztve oldódnak:
A hidrogén UTÁNI (nemes)fémek a híg savban nem oldódnak hidrogénfejlődéssel — őket csak oxidáló sav (pl. salétromsav, tömény kénsav) támadja meg, ahol nem hidrogén, hanem a sav nemfémes eleme redukálódik:
Reakció oxigénnel (égés, oxidképződés)
A fémek az oxigénnel fém-oxidokat képeznek (a fém redukálószer, az oxigén oxidálószer):
Reakció vízzel
A legaktívabb fémek (az alkáli- és alkáliföldfémek) már a vizet is redukálják, hidrogénfejlődés közben, és a megfelelő hidroxid keletkezik:
Passziválás — a látszólagos kivétel
A fémek reakciói — interaktív aktivitási sor
Próbáld ki az aktivitási sort működés közben! Válassz egy fémet, és nézd meg, hol áll a sorban, reagál-e híg savval (és ad-e hidrogént), illetve milyen sav vagy körülmény szükséges az oldásához.
D) Korrózió
A korrózió (elektrokémiai)
A korrózió a fémek környezeti hatásra bekövetkező, nem kívánt kémiai elváltozása (tönkremenetele). A leggyakoribb és legfontosabb a vas rozsdásodása, amely tipikus elektrokémiai folyamat.
A rozsdásodás egy elektrokémiai cellaként (helyi elemként) írható le: a fémfelület egyik pontja anódként (negatív pólus), másik pontja katódként (pozitív pólus) viselkedik. Az anódon a vas oxidálódik, a katódon az oxigén redukálódik:
A keletkező Fe²⁺-ionok a levegő oxigénjével tovább oxidálódnak, és vízzel reagálva létrejön a laza, lemezes szerkezetű rozsda — összetétele kb. FeO(OH), illetve Fe₂O₃·xH₂O (hidratált vas(III)-oxid). A rozsda nem véd: porózus, leválik, így a vas alatta tovább korrodál.
A korrózióvédelem
A korrózió ellen kétféle elven védekezhetünk. A különbség elektrokémiai: az számít, hogy a bevonat fémes melyik oldalra esik az aktivitási sorban a védett vashoz képest.
| Védelem típusa | Elv | Példák |
|---|---|---|
| Passzív (elszigetelő) | a fémet elzárjuk a levegőtől és a víztől | mázolás, lakkozás, zománcozás, eloxálás (Al) |
| Aktív (elektrokémiai) | egy nálánál aktívabb fém „feláldozza magát" | horganyzott bádog (Zn a vason), katódos védelem |
A döntő különbség: fehérbádog vs. horganyzott bádog
A vasat be lehet vonni ónnal (fehérbádog) vagy cinkkel/horgannyal (horganyzott bádog). Amíg a bevonat ép, mindkettő véd. A különbség akkor derül ki, ha a bevonat megsérül és a vas kiszabadul:
A védendő fémszerkezethez (pl. földbe fektetett vascsőhöz, hajótesthez) egy nálánál aktívabb fémet (pl. cink- vagy magnéziumtömböt, áldozati anódot) kötnek. Ez lesz az anód, ez oldódik el — a védett vas a katód, ezért nem korrodál.
E) Ötvözetek és előállítás
Az ötvözetek
A tiszta fémek tulajdonságai sokszor nem ideálisak (túl lágyak, túl korrózióérzékenyek). Az ötvözet két vagy több fém (vagy fém és nemfém) összeolvasztásával készült, fémes jellegű anyag. Az ötvözetek általában keményebbek és kevésbé nyújthatók, mint az alkotó tiszta fémek (a rácsban a más méretű atomok gátolják a rácssíkok elcsúszását), és gyakran az olvadáspontjuk is alacsonyabb.
Az ötvözetek típusai (szerkezet szerint)
Válassz egy ötvözettípust, és nézd meg, hogyan rendeződnek a rácsban az atomok, és milyen valódi példák tartoznak hozzá!
| Típus | Szerkezet | Példák |
|---|---|---|
| Szilárd oldat — helyettesítéses | az egyik fém atomjai a másik rácspontjait foglalják el (hasonló méret) | arany–ezüst, réz–nikkel (Cu–Ni) |
| Szilárd oldat — rácsközi | kis atom a fémrács hézagaiba épül be | acél = Fe + C |
| Eutektikus | a komponensek finom keveréke; meghatározott összetételnél a legalacsonyabb az op. | forrasztóón (Sn + Pb) |
| Vegyülettípusú | az atomok meghatározott arányú vegyületet (intermetallikus fázist) alkotnak | cementit (Fe₃C) |
Néhány fontos ötvözet
- Acél — vas és szén (rácsközi); a legfontosabb szerkezeti anyag. A rozsdamentes acél króm (≥ ~12%) hozzáadásával készül.
- Bronz — réz és ón (Cu + Sn); kemény, jól önthető, korrózióálló.
- Sárgaréz — réz és cink (Cu + Zn).
- Amalgám — higany és más fém ötvözete (Hg + fém); régen fogtömés.
- Forrasztóón — ón és ólom (Sn + Pb) eutektikus ötvözete, alacsony olvadásponttal.
- Emlékező (alakemlékező) ötvözet — deformálás után melegítve „visszaemlékszik" az eredeti alakjára (pl. nitinol, Ni–Ti).
A fémek előállítása — kohászat
A fémek a természetben többnyire nem elemi állapotban, hanem vegyületeikben, ércekben fordulnak elő (oxidok, szulfidok, karbonátok stb.). Csak a legnemesebb fémek (Au, Pt, esetenként Ag, Cu) találhatók meg elemi, termésfém formában is.
Az érc a hasznos fémvegyületet (és a haszontalan kőzetet, a meddőt) tartalmazza. Először dúsítják (a meddő nagy részét eltávolítják), majd a fémvegyületből a fémet redukcióval nyerik ki — hiszen a fém a vegyületében pozitív oxidációs számú, és elektronfelvétellel lesz belőle elemi fém.
A redukció módszerei
Hogy melyik módszer kell, azt a fém helye dönti el az aktivitási sorban: minél aktívabb (negatívabb) egy fém, annál „erélyesebb" redukció szükséges. Válaszd ki a módszert!
A módszerek egyenletei
Összefoglalás — minden egy modellből
A fémek általános jellemzői egyetlen szerkezeti képből, a fémrács + delokalizált elektrongáz modellből vezethetők le. Foglaljuk össze a tulajdonság → magyarázat párokat:
| Tulajdonság | Magyarázat (a fémrács / elektrongáz alapján) |
|---|---|
| Elektromos és hővezetés | a szabadon mozgó delokalizált elektronok; a vezetés hő hatására csökken |
| Fémes fény | az elektronfelhő szinte teljesen visszaveri a fényt |
| Alakíthatóság | az irányítatlan kötés miatt a rácssíkok elcsúszhatnak, a fém nem törik |
| Redukáló jelleg | kevés, lazán kötött vegyértékelektron → könnyen leadja (M = Mⁿ⁺ + n e⁻) |
| Op., keménység, sűrűség | a fémes kötés erőssége és a rács szerkezete szerint igen tág tartomány |
| Korrózió | elektrokémiai folyamat (anód oldódik, katód véd); víz + O₂ szükséges |