2.3 ΜΕΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 

 

¨                Τα μέταλλα καταλαμβάνουν την αριστερή και μέση περιοχή του Περιοδικού Πίνακα Τα μέταλλα βρίσκονται στις πρώτες 12 ομάδες του Περιοδικού Πίνακα και στις τελευταίες θέσεις των ομάδων 13-16 του Περιοδικού Πίνακα Τα μέταλλα είναι περισσότερα από τα αμέταλλα (είναι περίπου τα ¾ των χημικών στοιχείων )

¨                Τα μέταλλα είναι μη ανανεώσιμοι φυσικοί πόροι και βρίσκονται στον στερεό φλοιό της Γης (στο υπέδαφος ) με την μορφή χημικών ενώσεων ενωμένα κυρίως με οξυγόνο (οξείδια ) και θείο (ως θειούχα άλατα) Ορισμένα μέταλλα που δεν είναι δραστικά βρίσκονται στην φύση σε ελεύθερη κατάσταση ως αυτοφυή π.χ χρυσός , άργυρος , λευκόχρυσος και σπανιότερα ο χαλκός Τα μέταλλα αυτά ήταν τα πρώτα που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος

¨                Τα μέταλλα χαρακτηρίζονται από ένα σύνολο κοινών ιδιοτήτων που ονομάζεται μεταλλικός χαρακτήρας .Οι κοινές ιδιότητες των μετάλλων είναι οι εξής

Α) είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού

Β) είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας

Γ) είναι ελατά και όλκιμα δηλαδή μπορούν να δώσουν ελάσματα ή σύρματα

Δ) είναι όλα  στερεά με εξαίρεση τον υδράργυρο που είναι υγρός

Ε) τα άτομα τους έχουν την τάση να αποβάλλουν ηλεκτρόνια και να μετατρέπονται σε θετικά ιόντα

Ζ) έχουν αργυρόλευκο χρώμα και μεταλλική λάμψη με εξαίρεση τον χρυσό που είναι κίτρινος και ο χαλκός που έχει κόκκινη απόχρωση

Η) έχουν μεγάλες πυκνότητες με εξαίρεση το Li, K , Na που έχουν πυκνότητα μικρότερη από το νερό

Θ) έχουν υψηλά σημεία τήξης και σημεία βρασμού

 

¨                Πείραμα : Οι αντιδράσεις των μετάλλων με αραιά διαλύματα οξέων Σε τέσσερις δοκιμαστικούς σωλήνες αριθμημένους από το 1 ως το 4 που περιέχουν διάλυμα HCl  προσθέτουμε ρινίσματα Mg, Al , Fe , Cu Στο στόμιο του δεύτερου δοκιμαστικού σωλήνα προσαρμόζουμε ένα μπαλόνι

Στο υδατικό διάλυμα του HCl υπάρχουν ιόντα Η+ και Cl- που σχηματίζονται από την διάλυση του HCl στο νερό  HCl → H⁺+Cl^–

Παρατηρούμε ότι στους σωλήνες 1,2 και 3 παράγονται φυσαλίδες αερίου και το μπαλόνι που έχουμε προσαρμόσει στο 2^ο σωλήνα φουσκώνει

Τα μέταλλα Mg, Al , Fe  αντιδρούν με τα ιόντα Η⁺ του διαλύματος και ελευθερώνεται αέριο Η₂ , ενώ σχηματίζονται τα αντίστοιχα ιόντα των μετάλλων Τα μόρια του αερίου Η₂ , το οποίο απομακρύνεται από το διάλυμα με την μορφή φυσαλίδων , ασκούν πίεση στα τοιχώματα του μπαλονιού , το οποίο φουσκώνει .Οι χημικές εξισώσεις που περιγράφουν τις αντιδράσεις είναι

Mg +2H⁺ → Mg²⁺ +H₂

2Al +6 H⁺ → Al³⁺ +H₂

Fe +2H⁺ → Fe²⁺ +H₂

Οι αντιδράσεις αυτές λέγονται αντιδράσεις απλής αντικατάστασης

Στον δοκιμαστικό σωλήνα 4 δεν παρατηρούμε κάποιο φαινόμενο , δηλαδή δεν πραγματοποιείται χημική αντίδραση  Αυτό συμβαίνει διότι ο χαλκός δεν αντιδρά με τα ιόντα Η+ του διαλύματος

Ακόμη από την ένδειξη του θερμομέτρου παρατηρούμε ότι ο σωλήνας θερμαίνεται επειδή η αντίδραση που πραγματοποιείται είναι εξώθερμη

Η αντίδραση δεν πραγματοποιείται με την ίδια ζωηρότητα (ένταση ) σε όλους τους σωλήνες Η παραγωγή φυσαλίδων και η άνοδος της θερμοκρασίας είναι πιο έντονη στον δοκιμαστικό σωλήνα που περιέχει το Mg από ότι στον σωλήνα με το Al και αυτή με την σειρά της πιο έντονη από ότι στον σωλήνα με το Fe

¨                Αντιδράσεις απλής αντικατάστασης ονομάζονται οι αντιδράσεις στις οποίες ένα μέταλλο (Μ) αντικαθιστά κατιόντα υδρογόνου (Η+) σε ορισμένα διαλύματα οξέων ή τα ιόντα ενός άλλου μετάλλου (Μ΄^+χ) λιγότερο δραστικού από αυτό σε διαλύματα του

Η ηλεκτροχημική σειρά (σειρά δραστικότητας ) των μετάλλων είναι

Li, K, Ba , Ca, Na, Mg , Al , Zn, Fe , H₂ , Cu , Hg , Ag , Pt, Au

Κάθε μέταλλο (Μ) μπορεί να αντικαταστήσει σε ένα διάλυμα

Α) τα ιόντα των μετάλλων (Μ΄^+χ) που είναι λιγότερο δραστικά από αυτό

Β) τα κατιόντα υδρογόνου σε ορισμένα διαλύματα οξέων εφόσον το μέταλλο είναι δραστικότερο από το υδρογόνο

Οι κυριότερες περιπτώσεις αντιδράσεων απλής αντικατάστασης είναι

Α) μέταλλο + οξύ → κατιόν μετάλλου + Η₂    Μ + Η⁺ → Μ^+χ +Η₂

Τα μέταλλα  (Μ) που είναι δραστικότερα από το υδρογόνο αντικαθιστούν τα κατιόντα Η⁺ σε ορισμένα διαλύματα οξέων και ελευθερώνουν αέριο Η₂ Ως οξέα χρησιμοποιούνται το διάλυμα HCl και το αραιό διάλυμα Η₂SO₄

Παραδείγματα

Mg +2H⁺ → Mg²⁺ +H₂

2Al +6 H⁺ → Al³⁺ +H₂

Fe +2H⁺ → Fe²⁺ +H₂

Cu +2H⁺ → δεν αντιδρά διότι ο Cu είναι λιγότερο δραστικός από το Η₂

Ag + 2H⁺ → δεν αντιδρά διότι ο Cu είναι λιγότερο δραστικός από το Η₂

Β) Μέταλλο + κατιόν μετάλλου ΄→ κατιόν μετάλλου + μέταλλο ΄

Μ + Μ΄^+χ → Μ^+y +M΄

Ένα μέταλλο Μ αντικαθιστά τα ιόντα ορισμένων μετάλλων σε διαλύματα εφόσον το μέταλλο Μ είναι δραστικότερο από το μέταλλο Μ΄

Παραδείγματα

Mg +Cu²⁺ → Mg²⁺ +Cu

Cu +2Ag⁺ → Cu²⁺ +2Ag

Zn +2Ag⁺ → Zn²⁺ +2Ag

2Al +3Cu²⁺ → 2Al³⁺ +3Cu

Zn +Al³⁺ → δεν αντιδρά διότι ο Zn είναι λιγότερο δραστικός από το Al

 

¨                Πείραμα : Σύγκριση της δραστικότητας σιδήρου – χαλκού

Σε ένα ποτήρι ζέσης που περιέχει απιονισμένο νερό (pH=7) ρίχνουμε μικρά κομμάτια γαλαζόπετρας ( ένυδρος θειικός χαλκός ) και ανακατεύουμε μέχρι να διαλυθεί ολόκληρη η ποσότητα Παρατηρούμε ότι το διάλυμα αποκτά μπλέ χρώμα (γαλάζιο ) διότι ο θειικός χαλκός CuSO₄ διαλύεται στο νερό δίνοντας ιόντα Cu²⁺  : CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2-

Στην συνέχεια βάζουμε στο διάλυμα ένα σιδερένιο καρφί έτσι ώστε ένα μέρος του να εξέχει από το διάλυμα Μετά από 5 περίπου λεπτά παρατηρούμε ότι το τμήμα του σιδερένιου καρφιού που είναι βυθισμένο στο διάλυμα αποκτά ένα καστανοκόκκινο χρώμα ενώ το διάλυμα αποκτά μια πράσινη απόχρωση Οι αλλαγές οφείλονται στο γεγονός ότι τα ιόντα χαλκού αντικαθίστανται στο διάλυμα από ιόντα σιδήρου  Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

Τα άτομα χαλκού που παράγονται επικάθονται στο σιδερένιο καρφί και το επιχαλκώνουν Έτσι τα ιόντα χαλκού ελαττώνονται ενώ αυξάνονται τα ιόντα σιδήρου και το μπλε χρώμα του διαλύματος που οφείλεται στα ιόντα χαλκού μετατρέπεται σε πρασινωπό που οφείλεται στα ιόντα σιδήρου

 

¨                Κράματα είναι τα υλικά που αποτελούνται από δυο ή περισσότερα χημικά στοιχεία , από τα οποία το ένα τουλάχιστον είναι μέταλλο και εμφανίζουν τις ιδιότητες των μετάλλων

Τα κράματα σχηματίζονται συνήθως με θέρμανση των στοιχείων που τα αποτελούν σε θερμοκρασία υψηλότερη από τα σημεία τήξης τους , οπότε τήκονται Στην συνέχεια το υγρό μέίγμα ψύχεται , οπότε στερεοποιείται και σχηματίζει το κράμα

Οι ιδιότητες των κραμάτων διαφέρουν σημαντικά από τις ιδιότητες των συστατικών τους

Με την μετατροπή των μετάλλων σε κράματα βελτιώνονται σημαντικά οι ιδιότητες τους (μηχανικές , φυσικές και χημικές ) Έτσι δημιουργούμε υλικά με επιθυμητές ιδιότητες όπως μεγάλη σκληρότητα , αντοχή στην διάβρωση και την σκουριά κ.λ.π

Ορισμένα σημαντικά κράματα είναι

Α) ο μπρούντζος : κράμα χαλκού και κασσίτερου . Χρήση σε αγάλματα , καμπάνες , υδραυλικά εξαρτήματα κ.λ.π

Β) ο ορείχαλκός : κράμα χαλκού και ψευδαργύρου Είναι πιο σκληρός από τον καθαρό χαλκό και από τον καθαρό Zn Χρήση σε αγάλματα , σωλήνες , ναυπηγικές εργασίες Είναι φθηνότερος από τον μπρούτζο , έχει όμως μικρότερη αντοχή και διαβρώνεται εύκολα

Γ) Ο χάλυβας (ατσάλι) είναι κράμα σιδήρου και άνθρακα σε ποσοστό (0,2- 1,8%w/w)  είναι πιο σκληρός και ανθεκτικός από τον καθαρό σίδηρο Αν έχει χρώμιο είναι ανοξείδωτος , αν έχει νικέλιο γίνεται ελατός και όλκιμος Χρησιμοποιείται ως οικοδομικό υλικό και για κατασκεύη αντικειμένων π.χ μαχαίρια , αντλίες , ελατήρια κ.λ.π

Δ)κράματα αλουμινίου  όπως του ντουαραλουμίνιο που περιέχει  αλουμίνιο και σε μικρές ποσότητες  χαλκό , μαγνήσιο και μαγγάνιο Τα κράματα του αλουμινίου είναι ελαφριά και σκληρά και δεν σκουριάζουν  , αλλά είναι πολύ πιο ακριβά από το ατσάλι Χρησιμοποιούνται στην αεροναυπηγική και στην κατασκευή παραθυρόφυλλων

Ε) Αμαγάλματα είναι τα κράματα του υδραργύρου Είναι σκληρά και ανθεκτικά και χρησιμοποιούνται στην Οδοντιατρική για σφραγίσματα δοντιών