Metallid ja mittemetallid (2)

METALLID JA MITTEMETALLID
Metallid
Asukoht perioodilisussüsteemis ja aatomi ehitus
Enamik nüüdisajal tuntud 118 keemilisest elemendist on metallid. Perioodilisuse tabelis asuvad nad vasak- ja keskosas ( tabeli parempoolse osa täidavad mittemetallid). Kui vaadelda perioodilisust süsteemi rühmade kaupa, siis esimene, teine ja kolmas(va. Boor) peaalarühm(A- alarühm) koosnevad ainult metallidest. Kuna peaalarühma (A- alarühm) number näitab ka välimisel elektronkihil olevate elektronide arvu, neis asuvate metallide oksüdatsioniaste ühendites on vastavalt +I, +II ja + III. Kõrvalalarühmades (B- alarühm) asuvate metallide välisel elektronkihihtidel on samuti peamiselt 1-2 elektroni. Siit järeldus- metalliaatomite välisel elektronkihil on peamiselt 1-3 elektroni. Eranditeks on Ge, Sn, Pb- väliskihil 4 elektroni; Sb, Bi- 5 elektroni.
Liikumisel perioodis vasakult paremale suureneb tuumalaeng ja viimasel kihil olevate elektronide arv. Tänu tuumalaengu suurenemisele hoitakse viimase kihi elektrone tugevamini kinni ja metalli keemiline aktiivsus väneneb (aktiivsemad metallid asuvad perioodide alguses). Liikumisel rühmas ülalt alla suureneb aatomi raadius ja tuumalaengu mõju väliskihi elektronidele väheneb st. aktiivsus suureneb. Järeldus- kõige metallilisem element on frantsium (Fr).
1 Metalliline side Metalli kristallivõres paiknevad aatomid üksteisele nii lähedal, et välised elektronkihid kattuvad osaliselt. Nõrgalt seotud väliskihi elektronid võivad väga kergesti liikuda ühe tuuma mõjusfäärist teise aatomi mõjusfääri ja nii üle kogu kristalli. Väliskihi elektronid on ühistatud kõigi aatomite vahel ja niiviisi tekibki omapärane keeemiline side- metalliline side. Ühe aatomi mõjusfäärist teise aatomi mõjusfääri liikuvaid elektrone nimetatakse ka elektrongaasiks.
Enamik metallide füüsikalisi omadusi (sooju- ja elektrijuhtivus , plastilisus jne.) on tingitud metallilisest sidemest . Vabalt liikuvad elektronid annavad võimaluse juhtida hästi soojust ja elektrit. Et elektronid ei liigu kõikides metallides ühesuguse vabadusega , siis on ka soojus - ja elektrijuhtivus, plastilisus, soojuspaisuvus erinevad.
2 Metallide füüsikaliselised omadused Läige- metallidel on iseloomulik läige ja peegeldusvõime, mis avaldub pärast metalli poleerimist. Parema peegeldusvõimega on Ag, In, Al, Rh, Pd.
Värvus- enamik metalle on hõbevalged, Cu- roosakspunane, Au- kollane, Zn- sinakasvalge.
Plastilisus ja haprus- enamik metalle on plastilised, eriti plastiline on Au. Haprad metallid on Sb, Mn, Ru.
Kõvadus- Leelismetallid , Sn,Pb ja Au on pehmed . Kõige kõvem metall on Cr. Kõvadus sõltub metalli töötlusest ja puhtusest.
Sulamistemperatuur - selle alusel liigitatakse metallid kerg- ja rasksulavateks metallideks. Piiriks on 1000o C. Kõige madalama sulamistemperatuuriga on Hg (- 38o C ) ja kõrgema sulamistemperatuuriga W (3410o C ).
Tihedus- selle järgi liigitatakse metallid kerge- ja raskemetallideks. Piiriks on 5 g/cm3 . Kõige kergem on Li ( = 0,5 g/cm3 ) NB! Veest poole kergem! Kergemetallid on veel leelis- ja leelismuldmetallid , Al, Ti jne. Kõige raskem on Ir ( = 22.49 g/cm3 ).
Soojuspaisuvus- metallide ruumala suureneb metalli soojendamisel.
Elektri- ja soojusjuhtivus- metallid on head soojuse ja elektrijuhid. Eriti head on Ag, Au, Cu, Pt, Al,Fe. (vt. Metalliline side)
Magnetiseeritavus- magnetväljasse suhtuvad metallid erinevalt: ferromagneerilised- magnetiseeruvad nõrgas magnetväljas- Fe, Co, Ni. Nendest metallidest valmistatakse magneteid. paramagneetilised- magnetiseeruvad nõrgalt- A, Cr, Ti. diamagneetilised- Sn, Cu, Bi- tõukuvad magnetväljas.
3 Metallide keemilised omadused Metallid reageerivad paljude ainetega, sealhulgas peaaegu kõikide mittemetallidega. Keemilistes reaktsioonides on metallide redutseerijad , mis loovutavad oma viimase kihi elektronid:
Me ­ ne- Me+n
Parema ülevaate saamiseks paigutatakse metallid aktiivsuse alusel pingeritta. Mida vasemal pingereas metall asub, seda aktiivsem ta keemilistes reaktsioonides on. Kuna enamik keemilisi reaktsioone toimum vesilahustes, siis on pingeritta asetatud ka vesinik . Enamik metallidega toimuvaid keemilisi reaktsioone toimub pingerea alusel.
Metallide pingerida ( Allpool toodud metallide pingereas on väljatoodud ainult levinumad metallid)
Keskmise Aktiivsed metallid Väheaktiivsed metallid aktiivsusega Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au Tõrjuvad lahjendatud hapetest välja vesiniku (reag. hapetega) Ei tõrju hapetest Mg + H2SO4 MgSO4 + H2 vesinikku välja (ei reageeri hapetega) Reag. veeauruga, Reag. toatemperatuuril tekib oksiid ja veega, tekib alus ja vesinik vesinik Ei reageeri veega 2K + 2H2O 2KOH + H2 Zn+ H2O ZnO+ H2 Kõik metallid reageerivad hapnikuga, tekivad oksiidid 4Al + 3O2 2Al2 O3 Metallid reageerivad väävliga (v.a. Au), tekivad sulfiidid Fe + S FeS Kõik metallid reageerivad halogeenidega, tekivad halogeniidid 2Na + Cl2 2NaCl Metall tõrjub temast vähemaktiivsed(pingeres paremal) metallid nende ühendist välja Zn + NiSO4 ZnSO4 + Ni Ni + ZnSO4 ei reageeri
4 Metallide korrosioon
www.npl.co.uk/lmm/ schools /slides/03_corrosion
Korrosiooni all mõistetakse metallide hävinemist ümbritseva väliskeskkonna toimel.
Korrosioon on alumiiniumi tuhmumine , raua roostetamine, hõbeda kattumine tumeda kihiga , vase muutumine rohekaks jne.
Miks metallid korrodeeruvad? Metallid esinevad looduses peamiselt ühenditena, sest need on püsivamad kui puhtad metallid. Metallid on keemilistelt omadustelt redutseerijad ja nende oksüdeerumisel eraldub energijat. Korrosioonil tekkivad ühendid on energiavaesemad ja seetõttu püsivamad. Metallide tootmisel ühenditest kulutatakse energiat ning seepärast võib korrosiooni vaadelda kui tootmise vastandprotsessi.
Korrosiooniprotsessi tunnused: 1. korrosioon on oksüdatsioonireaktsioon- metalli aatom muutub iooniks (vt. Ioonid). 2. korrosioon on peamiselt metalli pinnal toimuv protsess 3. korrosiooni lõpptulemus sõltub sellest, milliste omadustega ühendikiht tekib protsessi käigus metalli pinnale 4. korrosioon on iseeneslik protsess.
Korrosiooni liigid
Keemiline korrosioon toimub kuivade gaaside (hapnik jne.) reageerimisel metalliga. Tegemist on tegelikult metalli ühinemisega keskkonnas olevate gaasidega.
4Al + 3O2 2Al2O3
5 Alumiiniumi korrodeerumisel õhuhapnikus tekib tema pinnale üliõhuke, kui väga tugev oksiidikihe, mis takistab metalli edasist korrodeerumist. Raua korrodeerumisel (roostetamisel) tekkiv oksiidikiht on aga väga poorne ning metall hävineb täielikult.
Elektrokeemiline korrosioon toimub elektrolüütides (vt. Elektrolüütide lahused ). See korrosiooniliik toimub siis, kui kaks erinevat metalli on kontaktis elektrolüüdi lahusega. Kahe metalli vahel tekib galvaanielement ning aktiivsem metall korrodeerub (hävineb).
Bioloogiline korrosioon. Korrosioonist võivad osa võtta ka bakterid , vetikad , seened jne. Elutegevuseks vajaliku energia saavad nad metallide oksüdeerumisprotsessist. Lisaks sellele avaldavad metallidele mõju ka biokorrosioonil tekkivad mikroorganismide elutegevussaadused( happed , alused jne.). Biokorrosioonist on eriti ohustatud laevad ja veesolevad metallkonstruktsioonid.
Korrosioonikaitse korrosioonikindlad sulamid - näiteks roostevaba teras korrosioonikindlad metallkatted- kroomimine , nikeldamine, tsinkimine jne. mittemetalsed kaitsekihid- värv, lakk , email, õli jne. protektorkaitse - kaitstava metalli külge kinnitatakse aktiivsemast metallist plaat. Tekib galvaanielement, plaat hävineb ning põhimetall säilib.
6 Mittemetallid Aatomi ehitus
Mittemetallid asuvad perioodilisuse süsteemi neljandas kuni kaheksandas peaalarühmas st. välisel elektronkihil on 4- 8 elektroni. Eranditeks on vesinik, mille väliskihil on 1 elektron , heeliumil on 2 ja booril 3 elektroni. Kuna väliskihi elektronid tuumaga tugevalt seotud, siis keemilistes reaktsioonides mittemetallid liidavad elektrone või moodustavad teise aatomi väliskihi elektroniga ühise elektronpaari. Elektronide liitumisel väliselektronkihile kuni 8- elektronilise väliskihi moodustumiseni tekib negatiivse laenguga ioon- anioon (vt. Ioon).
O +2e- O2-
Füüsikalised omadused
Agregaatolek - 22 mittemetallist on 10 normaaltingimustel tahked ( P, C, S, B, Si, As, Te, At, Se, I2 ), 11on gaasid ( H2 ,O2 , N2 ,F2 , Cl2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) ja 1 vedelik (Br2).
Kõvadus- kõvadus sõltub ehitusest. Molekulaarsed mittemetallid on kas gaasilised ( H2, O2 , N2 ,F2 , Cl2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) või tahke ainena pehmed ja haprad (P, S, As, Te, At, Se, I2 ). Mittemolekulaarsed (C, Si ,B) mittemetallid koosnevad aatomvõrega kristallidest ning need on suure kõvadusega ja kõrge sulamistemperatuuriga.
Elektrijuhtivus- mittemetallid on erinevalt metallidest isolaatorid ( ei juhi) või pooljuhid . Erandiks on jood ja grafiit ( süsinik). Samuti juhivad nad halvasti soojust.
Värvus- mittemetallid on erineva värvusega ja neil puudub läige
Allotroopia
Allotroopia on nähtus, kus üks keemiline element esineb mitme erineva lihtainena. Allotroopia esineb peaaegu kõikide mittemetallide puhul ja on tingitud kahest põhjusest.
1. Molekulis on erinev aatomite arv: Harilik hapnik- O2 Osoon - O3 Monohapnik - O
7 2. Erinev kristallstruktuur: Fosfor - punane ja valge fosfor Väävel- rombiline ja monokliinne väävel Süsinik- teemant , grafiit, karbüün ja fullereenid .
Ühe ja sama elemendi allotroopsed teisendid on erinevate omadusega . Osoon on tugevam oksüdeerija kui harilik hapnik; teemant suure kõvadusega, grafiit aga pehme.
Adsorptsioon
Puidu kuumutamisel õhus (hapnikus) ta süttib. Kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta puit söestub ja tekib puidusüsi. Selle aurutamisel veeauruga tekib aktiivsüsi. Aktiivsüsi on adsorbent ja tal on adsorbeerivad omadused.
Adsorbsioon- aine omadus siduda oma pinnaga teisi aineid ( gaase , vedelikke, vedelikus lahustunud aineid). Selliseid aineid nimetatakse adsorbentideks.
Aktiivsöe adsrbeerivaid omadusi kasutatakse ainete puhastamsel, gaasitorbikus, toidumürgituste ravil jne.
8 Süsinik Mittemetallidest vaatleme lähemalt süsinikku ja tema ühendite omadusi. Süsininikku leidub nii paljude anorgaaniliste kui ka kõikide elusorganismis leiduvate orgaaniliste ühendite koostises.
Süsinik lihtainena
Looduses leidub süsinikku peamiselt kahe allotroopse teisendina- teemanti ja grafiidina.
Teemant on värvuseta, väga kõva kristalne aine. On seepärast kõva, et teemanti kristallis paiknevad süsinike aatomid rangelt korrapäraselt ja on omavahel seotud kovalentse sidemega.
http://www.indigo.com/models/gphmodel/diamond-unit-M.jpg
http://www.crystalclassics.co.uk/UserFiles/Image/articles/diamonds/641_002_crop.jpg
Teemant kõige kõvem looduslik mineraal ja seepärast kasutakse teda lõikeinstrumentide valmistamisel. Teemanti lihvimisel saadakse kõige hinnalisem vääriskivi- briljant .
9 http://www.bradleygoughdiamonds.com/pictures/diamond.jpg
Grafiit on hallika värvusega väga pehme kristalne aine. On seepärast pehme, et kristallis paiknevad süsiniku aatomid kihiti ning kihtidevaheline kaugus on suurem kui aatomite vaheline kaugus kihis. Erinevalt teemandist juhib grafiit elektrit.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/50/Graphit_gitter.png/180px - Graphit_gitter.png
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/et/thumb/7/75/Grafiit.jpg/120px-Grafiit.jpg
Grafiidi kristallidest koosnevad tahm, nõgi ja süsi. Grafiidi mõjutamisel kõrge temperatuuri ja rõhuga tekivad (tehis)teemandid. Grafiiti kasutatakse pliiatsisüdamike , määrdeainete, patareide jne valmistamisel.
10 Süsiniku oksiidid
Süsinikul on kaks oksiidi ja mõlemad tekivad süsinikurikaste ainete põlemisel.
Kui põlemisel on hapnikku (õhku) piisavalt, siis toimub täielik põlemine ja tekib süsinikdioksiid e. süsihappegaas.
C + O2 CO2
Kui aga põlemine toimub hapniku puudusel (mittetäielik põlemine) siis tekib süsinikoksiid e. vingugaas .
2C + O2 2CO
Süsinikoksiid e. vingugaas on värvuseta väga mürgine gaas . Sissehingatud CO ühineb vere hemoglobiiniga ja veri kaotab tänu sellele õhuhapniku sidumise võime ning organism hukkub.
Kõrgel temperatuuril CO oksüdeerub ja tekib CO2.
2CO + O2 2CO2 Seda omadust kasutatakse metallide tootmisel oksiidsetest metallimaakidest
FeO + CO CO2 + Fe
Süsinikdioksiid e. süsihappegaas on värvuseta õhust raskem gaas nõrgalt hapuka lõhnaga, mis tekib süsinikurikaste kütuste põlemisel. Veel tekib teda hingamisel, käärimisel, orgaaniliste jäätmete kõdunemisel jne. Õhus on CO2 ligikaudu 0,035% ja ta on " kasvuhooneefekti" peamine põhjustaja.
Ei põle ega soodusta põlemist. Tänu sellele omadusele kasutatakse CO2 tulekustutites ja metallide keevitamisel.
Vees lahustub CO2 väga vähe. Lahustuvus suureneb rõhu suurenemisel . Karastusjookides on süsihappegaas rõhu all. Pudeli avamisel rõhk langeb ja lahustunud gaas hakkab eralduma mullidena. Kuna CO2 on keemilistelt omadustelt happeline oksiid, siis reageerimisel (gaseerimisel) veega( NB! Karastusjookide põhikomponent!) tekib süsihape. Olgugi, et süsihape on väga nõrk hape , tekitab ta nõrgalt happelise keskkonna, mis aitab kaasa karastusjoogi säilimisele ja annab nõrgalt hapuka maitse. Pudeli avamisel rõhk langeb ja sealolev süsihape laguneb uuesti süsihappegaasiks ja veeks .
Rõhu all kokkusurumisel süsihappegaas veeldub , mille aurustumisel tekib valge tahke aine- nn. "kuiv jää". Tänu tahke CO2 aurustumisel tekkivale temperatuuri langusele kasutatakse " kuiva jääd" toidukaupade jahutamisel ja säilitamisel.
11