Metaller (jordens skatte) Vi starter med brugen af metal

Selv et lækkert træbord

Skal have benene monteret

Uden metaller – ingen køkkenmaskiner, surt 

Metaller, der bruges i en PC The metals contained in PC’s commonly include aluminum, antimony, arsenic, barium, beryllium, cadmium, chromium, cobalt, copper, gallium, gold, iron, lead, manganese, mercury, palladium, platinum, selenium, silver, and zinc.

Metal scarcity is pushing some of the world's biggest industries into a regular Battle Royale, as they struggle to obtain enough raw materials to continue operations. Metals are chemical elements, and prized for their unique properties; usually no synthetic replacement can be developed. New Scientist magazine reports that the world is running out of several rare metals used to form key components in high-tech devices, including cell phones and semiconductors. The article mentions that supplies of indium, used in liquid-crystal displays, and of hafnium, a critical element for next-generation semiconductors, could be exhausted by 2017.

Metaller (og deres legeringer) Pris kr/kg Fe 2 Zn 7 Pb (Bly) 8 Al 12 Cu 25 Sn (Tin) 67 Ni 94 Ag 2000 Pd 36200 Au 153700 Pt 175500 Metaller (og deres legeringer) De almindeligste brugsmetaller er jern, kobber, zink, aluminium, tin, bly Legeringer er blandinger af metaller for at opnå andre egenskaber Legeringer er, f.eks. stål, messing, bronze m.m. Messing er en blanding af kobber og zink De mest værdifulde metaller kaldes ædelmetaller, f.eks. platin, sølv og guld. Priserne er fundet d. 22 okt 2008. Disse ændres dagligt, især i en tid med finanskrise! (se næste side) Flere data: http://www.sloejd-kbh.dk/teknik/Metal/metaller.htm Ag, Pd, Au og Pt er jo ganske dyre. De handles derfor i en mindre “ounce” som er 28,35 g

Almindelige brugsmetaller Zink Kobber som tagbelægning vvs grej ledninger Guld Tin Jern Sølv Messing Natrium - eksposivt I vand Almindelige brugsmetaller – her flere eksempler på anvendelser af metaller

Metaller (og deres egenskaber) Gode elektriske ledere (altså strømledende) Gode varmeledere Reflekterer lys (metalglans) De fleste er relativt tunge (høj massefylde). Kan formes, bearbejdes og støbes Ved hærdning bliver metal hårdt og uformeligt Metalionerne sidder i et gitter Ligner i sin opbygning salte – og dog ikke! Metaller danner altid positive ioner – f.eks Cu++, Na+ Metaller opløses i syre og der udskilles brint – ikke de ædle metaller (til højre for H)‏

Metaller (fælles og næsten fælles egenskaber) Gode elektriske ledere (fælles metalegenskab) Gode varmeledere (fælles metalegenskab) Reflekterer lys (fælles metalegenskab) De fleste er relativt tunge (gælder netop de fleste …. ). Kan formes, bearbejdes og støbes (gælder de fleste ). Drejebænk Bukkemaskine Boring Svejsning Ekstrudering (aluminium)

Gode elektriske ledere Sættes der strøm (vandrende elektroner) til et metal vil strømmen (de vandrende elektroner) blot gå gennem metallets elektrongas. Det er derfor vigtigt at forstå, hvad en ”elektrongas” er – se det efterfølgende. Man kan sige, at valenselektronerne ved et metal, der ikke leder strøm, ”fiser tilfældigt rundt”. I et strømledende metal vil alle elektroner derimod vandre den samme vej. Se de følgende 5 dias.

23 11 Proton Neutron Elektron Na Et Na atom. Der er 11 protoner 12 neutroner. 11 elektroner, heraf 1 elektron i yderste skal (som er speciel interessant – kaldes valenselektron).

En leder Jeg bruger Na som eksempel, da den er let et tegne – I praksis er den ikke velegnet I ledninger, da den er ret ustabil. Valenselektronerne (den yderste) hænger sammen som en elektrongas.

En elektron på rejse. Vi holder øje med en elektron. Elektronen kan vandre frit mellem de forskellige “3-skaller”.

Elektroner på rejse. Når mange elektroner “fiser rundt” på denne måde taler vi om en elektrongas. Vi bruger ordet “gas” fordi elektronerne – på samme måde som molekylerne i en gas – kan bevæge sig frit rundt. Vi har nu “reserveret” alle de yderste elektroner (valenselektroner) til elektrongassen. Det betyder at det tilbageværende skal opfattes som en positiv ion (metalionen) metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion metal-ion

Elektron-gassen, nochmal. Her et profbillede, hvor elektrongassen vises med respekt for den faktiske elektronfordelingen, og her et, hvor elektron- gassen netop vises som en ensartet gas. Og her endeligt bogens billede….

Metalionerne (Na+) holdes på plads af elektrongassen/de andre metalioner. Elektrongassen holdes tilsvarende på plads af metalionerne. Denne gensidige ”holden på plads” er en metalbinding.

Sammenligning Na+ ioner Metallet natrium Saltet NaCl Metallet er sejt og leder strøm Saltet er sprød og leder ikke strøm Na+ ioner

En god leder har en lille modstand. Et materiales Resistivitet er lig modstanden i ohm i en tråd, der er 1 meter lang og som har tværsnitsarealet 1 mm2 og temperaturen 20°C En god leder har en lille modstand. Når du trykker på en kontakt vil elektronerne “strømme rundt i kredsløbet”. Derved afsættes en del at deres energi i lederen som varme (dog ikke i superledere). Jo mindre modstand der er i metallet (se tabellen), jo bedre en leder er metallet – og jo mindre energi afsættes I metallet. I kan se hvorfor vi bruger kobber til ledninger (bl.a. fordi kobber er næsten lige så godt som sølv, og ikke så dyrt!). Superledere, f.eks. Hg (superledende ved 4 K, dvs. -269 oC) eller Yttrium barium copper oxide, (superledende ved 77K, dvs. ved -196oC )

Varmelednings-koefficient Gode varmeledere. Varmelednings-koefficient (W/m · K) Sølv 406 Kobber 385 Guld 314 Aluminum 205 Messing 109 Jern 79,5 Steel 50,2 Bly 34,7 Is 1,6 Beton 0,8 Glas Mursten, massiv 0,6 Vand v Mursten, hul 0,15 Træ ca. 0,1 Asbest 0,08 Fiberglass 0,04 Kork Rockwool Uld Flamingo 0,033 Air at 0° C 0,024 Når et del af metallet opvarmes vil metalionerne/elektronerne i dette område vibrere begynde at vibrere. (… eller mere præcist: begynde at vibrere kraftigere……..alle atomer, der ikke er nedkølet til det absolutte nulpunkt, vil altid vibrere lidt). Elektronerne (og til dels metalionerne) vil nu sætte de nærliggende elektroner (og metal ioner) i vibrationer, og energien forplantes således. Det ses af tabellen at metallerne er langt bedre til at lede varme, end de øvrige materialer. Gryden har håndtag af et materiale med en lav varmeledningsevne (en dermed en lav varmeledningskoefficient).

Transformeren har fået en køleplade. Den er lavet af aluminium Transformeren har fået en køleplade. Den er lavet af aluminium. Aluminium har en rimelig god varmeledningsevne. ”Pladen” har ribber, der skal sikre en stor overflade, så ”kølepladen” kan overføre varmen til luften. Et andet materialevalg kunne have været kobber, men valget er sandsynligvis faldet på aluminium da dette er billigt (kobber er dobbelt så dyrt) og let at forme (det kan estruderes).

Varmeledningskoefficienterne, Her vist grafisk.

Det kan være farligt at omgås rustfrit stål !

Reflekterer lys Alle metaller har jo metalglans. Du hapser en jernstang, der er lidt gusten og uregelmæssig. Du saver stangen over, og voila, du har metalglans. Det skyldes at metalioner sidder i et regelmæssig gitter, og dermed tilsvarende kan sende lyset ”regelmæssigt” tilbage (=metalglans).

Efter et styrt kan metalglansen tydeligt ses. Metallet er aluminium.

De fleste er relativt tunge 419 7,1 Zink 659 2,7 Aluminium 1535 7,8 Jern 940 8,4 Messing 1083 8,9 Kobber 961 10,5 Sølv 327 11,3 Bly 1063 19,3 Guld Massefylde g/cm3 Smeltepunkt oC Massefylden kan findes ved: Eller den enkle udgave: Du finder en centicube af det aktuelle metal, f.eks. aluminium ….og vejer den!. Du har fundet massefylden.

Massefylde Grundstoffernes massefylde. Her vist grafisk.

Kan formes, bearbejdes og støbes Udgangspunktet er en alm. Jernstang, her vist ved vores metalmodel.

Jernstangen varmes op i essen, og kan efterfølgende bearbejdes

Jernstangen vises her med vores metalmodel Jernstangen vises her med vores metalmodel. Det ses at jernet er fleksibelt da elektrongassen blot vil ændre form. Elektrongassen er ”ligeglad” med om geometrien ændres. Jernet siges at være ”sejt” – det kan ændre form uden at der kommer brud.

Tilsvarende kan jernstangen bøjes. Elektrongassen indretter sig……. Endnu et eksempel på at jernet er ”sejt” (modsat ”sprødt” – se de følgende sider).

Metaller kan også formes mere avanceret, her ved dybttrækning. Et rustfri stålplade formes til en håndvask.

Et saltkrystal (modsat et metal) Metallernes ”fleksibilitet” (se de forudgående sider) er ganske forskellig fra et saltkrystals egenskaber. Et saltkrystal er sprødt – det går let i stykker. Saltets ioner sidder i et fast gitter. Det er stabilt, men kun hvis krystallet ikke udsættes for slag. Her er tiltrækningskræfterne mellem ionerne vist.

Saltkrystallet får et slag, og ionerne forskubber sig – og kommer derved til at frastøde hinanden

Saltkrystallet får et slag, og ionerne forskubber sig – og kommer derved til at frastøde hinanden og krystallet går i stykker…… KNÆK ….så derfor laver man cykelstel af metaller… (KNÆK-lyden er ubehagelig)….

Legeringer 18 % krom og 8 % nikkel Woods metal, smeltepunkt på 70 oC 50% bismuth, 26.7% bly, 13.3% tin, and 10% cadmium Stål. Kulstofindholdet i moderne stål er normalt omkring 0,50%. (varierer dog) Bronze. normalt 90% kobber og 10% tin Hvid guld – guld med nikkel/palladium. Rustfrit stål (mindst 10% krom). Bestikket her indeholder 74% Fe, 18 % krom og 8 % nikkel Legeringer

Spændingsrækken Spændingsrækken fortæller om hvilke metaller, der afgiver elektroner til hinanden. Dem længst til venstre afgiver lettest ioner – dvs går i opløsning.

Et stykke magnesium og et stykke kobber puttes ned i saltsyre. Der er rigtig mange Mg++ioner, der går ud i væsken. Det gør den tilbageværende stykke magnesium meget negativ – ses ved de mange elektroner, der er tilbage. Der er nogle få Cu++ioner, der går ud i væsken. Det gør den tilbageværende stykke kobber en smule negativ – ses ved de ganske få elektroner, der er tilbage. Magnesium er mere tilbøjelig til at gå i opløsning end kobber – vi siger det er mindre ædelt. Elektronerne sidder tæt på vores stykke magnesium, og de vil gerne have lov til at strømme over til kobberet, hvor der kun er ganske få elektroner. Hvis elektronerne får lov til at strømme over til kobberet gennem ledningen så vil pæren lyse. Metal-ion. Mere præcis Mg++ Elektronsky. Når metalionerne ”hopper ud af metallet” vil der være en overvægt af elektroner, og metalstykket bliver negativt.

Et batteri. Se videoen ” Galvanic cell” !

Metaller i opløsning Vi har et (forholdsvis) ædelt metal i opløsning (f.eks. CuSO4). Hvis du putter et mindre ædelt metal (f.eks. jern) ned i opløsningen vil det ædle metal lægge sig som et lag (kobber i eksemplet) på det mindre ædle. Kobberionerne i opløsningen “stjæler” elektroner fra jernet, som derved bliver til jern ioner. Se………billederne Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu Reaktionen ses med det samme. Ved sølvnitrat og kobber dannes frit sølv på kobberets overflade Cu + 2AgNO3 → 2Ag + Cu(NO3)2

Vi har igen et (forholdsvis) ædelt metal i opløsning (CuSO4) Vi har igen et (forholdsvis) ædelt metal i opløsning (CuSO4). Du putter et mindre metal (zink) ned i opløsningen, og det ædle metal vil lægge sig som et lag på det mindre ædle. Når kobberet har lagt sig som et lag på zinkén er der kun ganske lidt kobber tilbage I vandet, og den blå farve forsvinder.

Uddybning af reaktionen fra forrige side

Ved processen, der er beskrevet på de to forudgående sider, afgiver zink elektronerne til kobber uden at der frigives elektrisk energi. Dette skyldes at de er i fysisk kontakt med hinanden. Her ses det afgørende sekund, hvor elektronerne overgives. Hvis vi havde tvunget elektronerne til at vandre fra zinken til kobberet gennem en ledning, ja så havde vi mulighed for at indfange en elektrisk energi

Glas med CuSO4 (for at sammenligne farven med næste glas), og næste dias. CuSO4 med Fe-søm. Cu sætter sig som et lag på sømmet. Hvis glasset ”dunkes” falder Cu ned i bunden. Den blå farve er forsvundet da Cu++ ionerne i CuSO4 opløsningen nu er omdannet til et Cu lag. Processen finder sted da Cu er mere ædel end Fe (Cu ligger til højre for Fe på spændingsrækken, se side 51 i bogen) FeSO4 med Cu-tråd. Der sker intet, da Cu-tråden er mere ædel end Fe++ ionerne En Cu-tråd i en AgNO3-opløsning (AgNO3 = sølvnitrat). Overvej selv hvad der er sket…! … læg især mærke til farven i bunden af glasset

Samme forsøg som på forrige side…… CuSO4 bliver først blandet i et bægerglas, den samme opløsning hældes derefter op i to minireagensglas. De to minireagensglas har således samme farve fra starten af. Der kommes et jernsøm ene glas, og efter 15 minutter ses dette resultat. Opløsningen er nu blevet til FeSO4

Et lille stykke natrium puttes ned i vand. Der er i forvejen puttet phenolphtalein i vandet – så da der opstår OH- ioner bliver vandet rødt. H+ ionerne forsvinder som H2-gasser, derfor krydset over H+

4 Fe + 3 O2 + 6 H2O → 4Fe(OH)3

Rust og rustbeskyttelse Forskellige korrosionsmiljøer = forskellige rust angreb. Fx syre, forskellige konc. af saltvand, demineraliseret vand, kogt vand (luftboblerne er væk)‏ Kan også vises ved at have forskellige metaller sammen. Spændingsrækken gør sit indtog Rustbeskyttelse: Vi lægger kobberlag ved en elektrolyse – på samme måde kan galvanisering foregå. Elektrolyse bruges også til at få metallerne til at se dyre ud – forkromning f.x. (fx kølergitter på mercedesbiler)‏ Husk at se videoen ”Fysik til søs ”, den nederste blandt de fem.

Spændingsrækken, de ædle metaller øverst