Kémia | Középiskola » A fémek általános jellemzése

A fémek általános jellemzése A fémek elektromos vezetőképessége a hőmérséklet emelésével csökken. Alacsony hőmérsékleten a vezetőképesség végtelen naggyá válik(szupravezetés).A jellegzetes fémes tulajdonságok csak cseppfolyós és szilárd állapotban érvényesülnek. A fémek jellemző kémiai kötése a f émes kötés. A fémes rácsban az atomok között delokalizált elektronok létesítenek kötést. A delokalizált elektronok könnyen, kis energia hatására elmozdulnak, ezért vezetik a fémek az áramot. A fémek elektronvezetők, vagyis elsőrendű vezetők Ideális fémrácsot alkotnak, kifejezetten fémes jellegűek az s-mező elemei és még néhány fém pl. az arany,az ezüst, mert rácsukban az atomok valamennyi vegyértékelektronja részt vesz a fémes kötésben, azaz delokalizálódik. A fémes rácsban az atomok legszorosabb illeszkedésre törekednek, koordinációs számuk nagy, többnyire 8- vagy 12. A fémrácsok háromféle típusba

sorolhatók: 1.A lapon középpontos kockarács elemi cellája egy olyan kocka, melyben az atomok a csúcsokban és a lapok középpontjában vannak. Minden atomot egyenlő távolságban 12 másik atom vesz körül. Ez a legjobban megmunkálható csoport Ide tartozik pl a réz és az arany 2. A hatszöges rács elemi cellája egy hatszögalapú egyenes hasáb, melynek alapján 7-7 atom, a hasáb közepén pedig 3 atom van. Ezek a fémek ridegebbek, keményebbek, nehezebb megmunkálni őket. Ilyen pl a magnézium és a cink 3. A térben középpontos kockarácsban az atomok a kocka csúcsaiban és a középpontjában helyezkednek el, illeszkedésük a l egkevésbé szoros a három rácstípus közül. Ezek a fémek egy része nagyon lágy, mint pl. az alkálifémek, a másikrésze nagyon kemény és rideg, mint a volfrám. A fémek fizikai sajátságait az atomjaik közötti kötés jellege és erőssége, valamint a fémrács szerkezete határozza meg. Kis erő hatására a fémek

rugalmasan viselkednek, nagyobb erő hatására a k ristályrács síkjai elcsúsznak egymáson, a fémek alakíthatók. A fémek halmazállapota szobahőmérsékleten szilárd. Olvadás és forráspontjuk igen változó A fémek sűrűsége az atomok méretétől, tömegétől és a kristályszerkezettől függően különbözik. A fémeknek közönséges értelemben vett oldószere nincs. Több fém oldódik higanyban és folyékony állapotban a fémek többnyire elegyednek egymással, így keletkezik az ötvözet. Az ötvözetek olyan fémes sajátságú összetett anyagok, melyek megolvasztva homogének, szilárd állapotban pedig,legalábbis makroszkopikusan,homogének. A szilárd anyagokat elektromos vezetőképességük alapján három csoportra bontjuk:vezető,szigetelő és félvezető. A fémek nagy vezetőképessége szoros összefüggésben van elektronszerkezetükkel. A fémekben a töltést szállító részecskék a d elokalizált elektronok, melyek szabadon

mozoghatnak a fémkristályban. A hőmérséklet emelésével a delokalizált elektronok gyakrabban ütköznek egymással és a rácspontokban levő,a magas hőmérséklet hatására erőteljesebben rezgő atomokkal. Az ütközések nehezítik az elektronok elmozgását, ezért nő a fémek ellenállása, illetve csökken a vezetőképessége. Az ún kovalens kristályokban nincsenek delokalizált elektronok,ezért az elektromosságot nem vezetik. Az anyagok egy részében vannak olyan lokalizált elektronok, melyek viszonylag kis energia befektetéssel delokalizált elektronokra jellemző állapotba kerülnek, ezek a félvezetők. A félvezetők vezetőképessége szennyezések jelenlétében növekedhet,pl. a germániumot szennyező elem atomja 5 vegyérték-elektronú, a kristályban elektronfelesleg lép felezek az n típusú félvezetők. Ha a szennyező atomok 3 vegyérték-elektromosak a kristályban elektronhiány lép felp típusú félvezetők. Korróziónak nevezzük a

környezet hatására az anyagok felületéről kiinduló kémiai változást. A fémek állapotát passzívnak nevezzük, ha a levegő hatására védőréteg keletkezik. Galvánelem keletkezik, ha különböző fémek érintkeznek egymással és közös rétegükön elektrolin réteg van. A felületvédelemnek a védőanyag szerepétől függően két fajtája van: a passzív és az aktív. Passzív védelem:ha a felületet elzárjuk a környezettől,a bevonat sérülésétől azonban megszűnik a védelem,ilyen pl. az alumínium védő oxidrétegének növelése elektrolízis útjáneloxálás. Aktív felületvédelem:a védőhatás nem szűnik meg a bevonat sérülésével. Mivel a védendő fém ebben a rendszerben katód, a korrózióvédelemnek ezt a fajtáját katódos védelemnek nevezik. A fémvegyületek kötéstípusuk alapján 3csoportba soroljuk: - ionrácsos vegyületek - kovalens vegyületek - intermetalikus (fémeknek egymással képzett vegyületük) 1. Ionrácsos

vegyületek: Az ionvegyületek standardállapotban szilárd halmazállapotú,ionrácsot alkotnak. A hőt és az elektromosságot nem vezetik, csak ha a hőmérsékletet növeljük. Az ionrácsos vegyületek nagy keménységű, magas olvadás- és forráspontú anyagok. Minél kisebb méretűek és nagyobb töltésűek az ionok, annál nagyobb a vegyület rácsenergiája. Az ionrácsos anyagok vízben általában jól oldódnak 2. Kovalens vegyületek:A rétegrácsos kristályok rétegekből álnak A rétegben az atomok között elsőrendű kémiai kötés hat. A rétegek között pedig másodrendű kötések biztosítják a kapcsolatot. A kovalens fémvegyületekhez tartoznak a fémorganikus vegyületek, melyek többnyire alacsony olvadás-és forráspontú molekularácsos kristályok. 3. Intermetalikus vegyületek: E vegyületek jellemzője, hogy többnyire nem a vegyértéknek megfelelő összetételűek. A fémeket atomjaik elektronszerkezete alapján a következő

csoportokba sorolhatjuk: -s-mező fémei -p-mező fémei -d-mező elemei -f-mező elemei S-mező fémei: Alkálifémek, alkáliföldfémek:ezek a fémek tiszta állapotban ezüstfehér színű,fémfényű anyagok. Kis sűrűségű, lágy fémek, késsel vágható, illetve felületük könnyen karcolható Az elektromos áramot jól vezetik. Az oxigénnel tűztünemény közben reagálnak:4Li+O 2 =2Li 2 O, 2Ca+O 2 =2CaO. Halogénekkel olvadt állapotban tűztünemény közben lépnek reakcióba:2Na+Cl 2 = 2NaCl. Ezeknek a fémeknek jellegzetes tulajdonsága, hogy festik a színtelen lángot. Berillium és magnézium: A berillium nagyobb elektronegativitású, kevésbé reakcióképes, rideg, kemény fém. A magnézium elektron negativitása, standardpotenciája közel áll az alkáliföldfémekhez,ennek ellenére kevésbé reakcióképes. A magnézium magasabb hőmérsékleten vakító fénnyel egyesül az oxigénnel. Az égő Mg az égést Co 2 ban is folytatja: 2Mg+O 2

=2MgO 2Mg+CO 2 =2MgO+C. A forró vizet lassan bontja és H2-gáz fejlődik: Mg+2H 2 O=Mg(OH) 2 +H 2 Az s-mező elemeinek nagy része igen fontos szerepet játszik a biológiai rendszerekben