Metallisidos

Olet varmaan kuullut raudan takomisesta. Se liittyy yhteen metallien ominaisuuteen eli muokattavuuteen. Sähköjohdot ovat metallia, koska metalleilla on kyky johtaa sähköä. Lämpö johtuu hyvin teräs- tai alumiinikattiloissa ja rautaesineiden ruostuminen on tunnetusti vaikea ongelma.

Metallien ominaisuudet voidaan selittää niiden sitoutumisella. Ne luovuttavat helposti uloimmat elektroninsa atomien yhteiseen käyttöön, jolloin syntyy positiivisesti varautuneita ioneja ja niiden välissä uiskentelevia vapaita elektroneja. Koska elektronit ovat negatiivisesti varautuneita, syntyy ionien ja elektronien välille vetovoimia, jotka ovat riittävän vahvoja pitämään elektronit ionien läheisyydessä ja näin muodostuu metallisidos.

Koska elektronit ovat pieniä, ne liikkuvat helposti ionien muodostamassa hilassa ja voivat siirtää energiaa elektronilta toiselle. Tästä elektronien liikkeestä syntyy sähkövirta, mikä selittää metallien hyvän sähkönjohtokyvyn.

Kun metallihilaan tuodaan lämpöä, hila alkaa värähdellä. Lämmön vaikutuksesta myös elektronien nopeus kasvaa ja näistä värähtelyistä johtuen lämpö siirtyy hyvin metallissa. Alla olevasta kuvasta näet kuinka lämmönjohtavuus vaihtelee eri aineiden välillä. Kuvassa on kuusi eri materiaaleista valmistettua tankoa. Tangon toinen pää on laitettu kuumaan vesiastiaan ja loppuosa tangosta on vahattu. Huomataan, kuinka kuparitangossa vahaa on sulanut kaikkein eniten ja muovitangossa ei ollenkaan. Kuparilla on siis hyvä lämmönjohtokyky. Kuparin jälkeen kuvassa ovat järjestyksessä alumiini-, rauta-, teräs-, lasi- ja muovitangot.

(Institute of Physics, Nicolas Copernicus University, Torun, Poland)

Metallien muokkautuvuus perustuu sekin ionien ja elektronien välisiin vahvoihin vuorovaikutuksiin. Lyötäessä metallia ionikerrokset liukuvat toistensa päällä, mutta vetovoimien ansiosta sidokset eivät katkea ja siksi metallit ovat kovia ja vahvoja. Näin ollen tarvitaan paljon voimaa ja energiaa niiden hajottamiseen, esimerkiksi kierrätyslaitoksella auton murskaamiseen.

Myös korkea sulamispiste selittyy vahvoilla ja joustavilla sidoksilla.

Koska metallit luovuttavat helposti elektroneja ja näin hapettuvat, muodostavat ne usein ilman hapen kanssa oksideja, esimerkiksi alumiinioksidia Al₂O₃.

Yhteisistä ominaisuuksista huolimatta, metalleilla on hyvinkin erilaisia ominaisuuksia ja käyttökohteen perusteella valitaan siihen sopiva vaihtoehto. Esimerkiksi rautaa käytetään rakennusmateriaaleissa johtuen sen kovuudesta. Kromi reagoi helposti hapen kanssa muodostaen tiiviin oksidikerroksen. Tätä ominaisuutta käytetään valmistettaessa ruostumatonta terästä.

Ruostuminen

Yksi huomattavimmista metallien ongelmista on raudan hapettuminen eli ruostuminen. Rauta reagoi ilman hapen kanssa muodostaen rautaoksidihydroksia eli ruostetta, joka on hyvin haurasta ja näin syöpyminen etenee kerros kerrokselta yhä syvemmälle rautakappaleeseen haurastuttaen esineen.

Joskus hapettumisesta on hyötyäkin. Alumiinin hapettuessa syntyy alumiinioksidia Al₂O₃, joka on suhteellisen tiivistä ja kovaa, jolloin hapettunut pinta estää jatkosyöpymisen.

Raudan magneettisuus

Tiheys

Olet varmaan huomannut, että kivi painaa enemmän kuin samankokoinen pala puuta. Olet saattanut myös havaita, että eri kivilajien välillä on massaeroja. Mistä tämä johtuu? Saman aineen massan ja tilavuuden suhde on aina sama ja sitä sanotaan tiheydeksi. Eli, jos otetaan samaa kiveä erikokoiset palat ja mitataan niiden massat ja tilavuudet, saadaan kummankin palan suureiden suhteeksi sama luku. Sitä sanotaan kappaleen tiheydeksi. Sen yksikkö on kg/dm³. Vastaavasti puunkappaleelle voidaan määrittää tiheys. Mitä isompi luku saadaan, sitä isompi tiheys kappaleella on ja sitä enemmän se painaa. Alumiinin tiheys erittäin pieni, 2,7 kg/ dm³, eli se on metalliksi kevyttä. Osittain juuri keveyden takia alumiinitölkit ja alumiinivanteet ovat suosittuja.

                                                                   Takaisin ylös