metalai

metãlai (lot. metallum < gr. metallon – rūdynas), vieninės medžiagos, kurioms normaliomis sąlygomis būdingas didelis elektrinis ir šiluminis laidis, gebėjimas gerai atspindėti šviesą, įgauti tam tikrą formą veikiant išorinėms jėgoms; 83 cheminiai elementai (apie 75 % visų 21 a. pradžios žinomų elementų), kurie vykstant cheminėms reakcijoms yra linkę atiduoti išorinius (valentinius) elektronus. Skirstomi įvairiai: pagal fizikines savybes – į lengvuosius (Li, Be, Mg, Ti ir kiti) ir sunkiuosius (Mn, Fe, Co, Ni ir kiti), lengvalydžius, arba žemos lydymosi temperatūros, ir sunkialydžius, arba aukštos lydymosi temperatūros, tauriuosius (Ag, Au ir platinoidai), radioaktyviuosius (U, Th, Np, Pu ir kiti), pagal techninę klasifikaciją – į juoduosius (geležis ir jos lydiniai, pvz., ketus, plienas) ir spalvotuosius (visi kiti metalai ir jų lydiniai). Žemės plutoje labiausiai paplitę Al (8,8 %), Fe (5,1 %), Ca (3,38 %), Na (2,64 %), o daugelio retųjų metalų (Li, Ga, La, Nb, Rb, Zr, Ta, Mo, W, Re ir kiti) santykinis masės kiekis mažiau kaip 0,001 %. Pagal atomo sandarą ir vietą periodinėje elementų sistemoje skirstomi į šarminius (I A, arba 1 grupė), šarminių žemių (II A, arba 2) ir pereinamuosius (I B–VIII B, arba 3–12) metalus. Pereinamųjų metalų savybes lemia elektronai, esantys d arba f elektronų sluoksniuose. Jiems priklauso Sc, Y, La ir 14 elementų nuo 57 iki 71, vadinamų lantanoidais, taip pat aktinis ir aktinoidai (14 elementų nuo 89 iki 102). Įprastoje temperatūroje visi metalai (išskyrus geltoną auksą ir raudoną varį) yra nuo šviesiai pilkos (sidabro) iki tamsiai pilkos spalvos. Kai kurių metalų lydymosi temperatūra, tankis pateikti lentelėse. Metalams būdingos palyginti mažos jonizacijos energijos ir elektrinio neigiamumo vertės. Metalų atomams sunku prisijungti papildomus elektronus, todėl oksidacijos‑redukcijos reakcijose jie dalyvauja kaip reduktoriai (stipriausi reduktoriai yra šarminiai ir šarminių žemių metalai). Oksidacines‑redukcines metalų savybes rodo elektrocheminė įtampų eilė, kurioje jie išdėstyti pagal standartinio elektrodo potencialo vertes. Kai kurie metalai yra chemiškai aktyvūs: reaguoja su vandeniu (vieni kambario temperatūroje, kiti – tik kaitinant), su praskiestomis ir koncentruotomis neorganinėmis rūgštimis (auksas ir platina atsparūs rūgštims, jie tirpsta tik karališkajame vandenyje), su nemetalais (deguonimi, halogenais, siera, fosforu). Vienų metalų, pvz., aliuminio, titano, chromo, paviršiuje susidarę oksidai saugo juos nuo tolesnės oksidacijos, kiti metalai, atmosferos deguonies ir vandens veikiami, koroduoja (metalų korozija). Reaguodami vienas su kitu metalai sudaro intermetalinius junginius, tirpdami vienas kitame – kietuosius tirpalus ir metalų lydinius. Daugelį fizikinių ir cheminių metalų savybių lemia jų atomų elektroninė sandara. Metalų atomų išoriniuose elektronų sluoksniuose yra mažai valentinių elektronų (dažniausiai 1–3), jų sąveika su branduoliu palyginti silpna, todėl susidarius metalo kristalui jie gali laisvai judėti – tampa krūvininkais. Dėl laisvųjų elektronų sąveikos su teigiamaisiais jonais kristalo gardelės atomus sieja metališkasis ryšys. Nuo jo priklauso metalo kristalo gardelės tipas, lydymosi temperatūra, jis t. p. turi įtakos svarbiausioms mechaninėms savybėms – kietumui, tamprumui, plastiškumui. Kristalizuodamiesi metalų atomai sudaro tankiosios sanglaudos kristalo gardeles su centruotųjų paviršių kubiniu (Al, Cu, Ag, Au ir kiti), heksagoniniu (Be, Mg, Cd, Zn ir kiti), centruotojo tūrio kubiniu (Cr, V, Mo ir kiti) ir kitų struktūrinių tipų elementariaisiais narveliais. Kai kurie metalai kintant temperatūrai ar slėgiui gali įgyti dvi (Fe, Ni, Co, W, Ti ir kiti), tris (Cr, Ca, Li ir kiti) ir net keturias (Mn) skirtingas kristalines formas (polimorfizmas). Metalo šiluminį laidį χ su elektriniu laidžiu σ sieja Wiedemanno ir Franzo dėsnis: χ/σ = LT; čia L = (π²/3)(k/e) – Lorentzo skaičius, k – Boltzmanno konstanta, e – elektrono krūvis. Krūvininkų tankis nepriklauso nuo temperatūros ir yra artimas atomų tankiui kristalo gardelėje (10²⁸–10²⁹ m^–3). Kai kurie metalai, pvz., Bi, Sb, As, turintys palyginti mažą krūvininkų tankį (10²⁴–10²⁷ m^–3), dar vadinami pusmetaliais. Metalo elektrinė varža kylant temperatūrai didėja. Kai T > Θ_D (čia Θ_D – būdingoji Debye temperatūra), daugelio metalų savitosios elektrinės varžos ρ priklausomybė nuo temperatūros yra tiesinė ir reiškiama taip: ρ = ρ₀(1 + αT); čia α – temperatūrinis varžos koeficientas, ρ₀ – savitoji elektrinė varža 0 °C temperatūroje. Ši priklausomybė rodo lemiamą kristalo gardelės virpesių (fononas) įtaką kryptiniam krūvininkų judėjimui, taigi ir krūvininkų judriui. Atšaldžius žemiau tam tikros būdingosios krizinės temperatūros daugelio metalų, pvz., Nb (9,22 K), Pb (7,26 K), Hg (4,15 K), elektrinė varža sumažėja iki nebeišmatuojamos vertės – jie tampa superlaidininkais. Didelį metalų elektrinį laidį paaiškina elektrinio laidumo klasikinė (P. K. L. Drude, H. A. Lorentzas) ir kvantinė (A. Sommerfeldas) teorijos. Labai žemoje temperatūroje metalų šiluminę talpą lemia krūvininkai (C_e ~ T), temperatūrai kylant didėja gardelės šiluminė talpa (C_g ~ T³), o kambario ir aukštesnėje temperatūroje (T >> Θ_D) metalų šiluminė talpa nebepriklauso nuo temperatūros. Kai kurie pereinamieji metalai su ne visai užpildytais d ir f elektronų sluoksniais yra feromagnetikai (Fe, Ni, Co, Gd, Dy) arba antiferomagnetikai (Mn, Cr), bet visi jie tampa paramagnetikais temperatūrai viršijus būdingąsias Curie ir Néelio temperatūrų vertes. Mechanines metalų ir jų lydinių savybes galima keisti mechaniškai ir termiškai apdirbant. Idealios kristalinės sandaros metalų kristalai, daugiausia monokristalai, dažniausiai būna plastiški. Šią jų savybę lemia palyginti lengvai susidarantys linijiniai defektai – dislokacijos, bet polikristaliniai, legiruoti taip pat grūdinti ir deformuoti metalai, kuriuose dislokacijų yra daug, gali būti trapūs.

Istorija

Žmonės naudojo ir išmoko iš metalų gaminti įvairius dirbinius anksčiau negu buvo atrastas raštas. Auksinius, sidabrinius papuošalus, varinius iečių antgalius mokėta gaminti prieš aštuonis tūkstančius metų. Kasinėjant senas gyvenvietes randama metalinių darbo, žūklės, medžioklės įrankių. Senovėje manyta, kad Žemėje yra tik 7 metalai – auksas, sidabras, varis, alavas, švinas, geležis ir gyvsidabris (tapatinti su 7 planetomis). Žmonės pirmiausia išmoko lydyti varį, vėliau – bronzą ir galiausiai geležį. Pirmąją knygą apie metalų kasybą ir metalurgiją 1556 parašė G. Agricola. 18 a. buvo atrasta 14, 19 a. – 38, 20 a. – 25 metalai. Aliuminio, vanadžio, volframo, molibdeno, titano, urano, cirkonio 20 a. pradžioje buvo gaminama ir naudojama dar palyginti nedaug, 20 a. viduryje pradėti sintetinti gamtoje nesantys radioaktyvieji metalai, nuo 20 a. 8 dešimtmečio pramonėje naudojami beveik visi metalai. 21 a. pradžioje didžiausią dalį (apie 95 %) iš visų išgaunamų metalų sudaro geležis ir jos lydiniai.

1

*Pagal H. H. Binderio Cheminių elementų žinyną (Lexikon der chemischen Elemente 1999)

2

*Pagal H. H. Binderio Cheminių elementų žinyną (Lexikon der chemischen Elemente 1999)

3