Metaller – en sammanfattning
De flesta av våra drygt hundra grundämnen är metaller – men alla metaller är inte
grundämnen – de kan också vara legeringar – en blandning av olika metaller. Vid
normalt tryck och rumstemperatur är alla metaller utom en i fast form. (Kvicksilver,
Hg, är en vätska).
Gemensamt för alla metaller är att de:
1. Leder elektrisk ström bra.
2. Är goda värmeledare.
3. Har metallglans
De flesta metaller är också:
Formbara
Hårda och tåliga
Har hög densitet
Har hög smältpunkt
Det finns några få metaller som inte gärna reagerar
med andra ämnen. Sådana metaller kallas
ädelmetaller. Hit hör guld Au, silver, Ag, och
platina, Pt, (ibland räknas även koppar, Cu, hit). De
ädla metallerna kan man finna i ren form i naturen
(även om koppar och silver oftast finns i mineral).
Guld är tungt, mjukt och segt. Används till smycken,
tankteknik och i elektroniska kretsar.
Ett smycke av 24 karat guld består enbart av guld. Ofta är guldet legerat med andra
metaller; Guld + silver ger ”gult” guld, guld + koppar ”rött guld” och guld + palladium
eller nickel ger ”vitt” guld. Om smycket istället är på 18 karat innehåller det 18/24 =
75% guld.
Silver reagerar med svavel och mörknar då av silversulfid (går att putsa bort). Silver
används för framställning av ljuskänslig film, smycken bestick osv. Silver är den
metall som är allra bäst på att leda elektrisk ström.
Platina används i smycken och klockor, i en del elektronik somt som elektroder och i
bilarnas katalysatorer. (En katalysator är ett ämne som påskyndar en kemisk reaktion
utan att själv förbrukas – passar ju en ädel metall!)
Koppar är rödaktig, mjuk och lätt att forma. Näst bästa strömledaren, rostar inte, men
kan reagera med luftens syre varvid en grön hinna av kopparoxid, ärg, bildas.
Används till elledningar och yttertak.
Alla andra metaller räknas som oädla. En oädel metall reagerar med andra ämnen
och finns därför inte i ren form i naturen. Metallhaltiga föreningar i jordskorpan kallas
för mineral.
När metallhalten är så hög att det kan vara lönt att utvinna
kallas mineralet för en malm. Gruvdrift är ofta dyr och
energikrävande, samt lämnar stora ekologiska avtryck i
naturen.
Därtill kommer koldioxidutsläpp vid processen då malmen
förädlas till metall, samt rest- och slaggprodukter. Man
vinner därför generellt på att återanvända och återvinna
metall, jämfört med att utvinna ny metall.
Från malm till metall – ofta innehåller processen följande steg:
1.
2.
3.
4.
Brytning (gruvor)
Krossning (krossas eller mals till småbitar)
Anrikning – mineral utan metall (gråberg) tas bort
Frigör metallatomerna – de ämnen metallen varit bunden till tas bort med hjälp
av kol eller syre.
5. Rening
6. Legering – iblandning av andra metaller för att få fram nya egenskaper.
Bly och Tenn
Båda är lätta att framställa, man upphettar metallernas oxider i närvaro av kol – så
bildas droppar av smält metall.
Bly har hög densitet och används till kölar på båtar, sänken och
lod, men även till ammunition och som skydd mot radioaktiv
strålning och röntgenstrålning, samt i bilbatterier.
Tenn är en halvmetall därför att den vid temperaturer under 13
grader kan omvandlas till ett icke-metalliskt pulver. (Sk Tennpest).
Tenn ”knakar” då det böjs och används som skyddande hölje på
konservburkar.
En legering av bly och tenn kallas lödtenn smälter lättare och är ännu mjukare än de
ingående metallerna.
Järn och stål
Järn är jordens vanligaste ämne (35 % av jordens massa) och finns inne i jordens
kärna där det orsakar jordens magnetfält. I jordskorpan finns järn bundet till syre i
olika oxider. Därur framställs järn genom upphettning tillsammans med kol, som då
tar hand om syreatomerna och järnet blir fritt. En del kol blandas med järnet – det har
bildats stål. Stål är vanligt och relativt sett billigt att framställa.
Både järn och stål har nackdelen att det kan rosta, dvs
reagera med luftens syre och bilda järnoxid. I rostfritt stål
har man legerat in krom som bildar en skyddande hinna.
Rost bildas lättare ju fuktigare och ju mer saltmättad luften
är.
Lättmetaller
Hit hör de metaller som har en densitet lägre än 4,5 kg/ dm 3. Mest använda är
aluminium, magnesium och titan. De är oädla och finns som oxider i jordskorpan.
Aluminium, Al, är den vanligaste metallen i jordskorpan. Den reagerar lätt med syre
och får då ett tätt och starkt oxidskikt (aluminiumoxid Al2O3) Den leder värme och
ström bra och används i högspänningsledningar – som ju inte blir så tunga eftersom
Al är en lättmetall. Aluminium används också som folie och till läskburkar.
Magnesium, Mg, är extremt lätt och brinner med starkt vit-blå låga (användes förr till
fotoblixtar). Utvinns ur havsvatten.
Titan, Ti, är lika hårt som stål, men rostar inte. Att vi inte använder det mer än vi gör
beror på att det är dyrt att framställa. Titan stöts inte bort av kroppen så ”spik” vid
benbrott är ofta gjorda av titan.
Framställning av stål
Stålframställning är en viktig del av svenskt näringsliv och stål var länge en av våra
största exportvaror. Järn förekommer som svartmalm (Fe3O4) vilken är magnetisk,
och som blodstensmalm (Fe2O3) som är röd. I en stor masugn fås kol att reagera
gasen kolmonoxid CO, men denna reagerar vidare med syre, som finns i ett överflöd
och det bildas slutligen koldioxid, som visserligen bidrar till växthuseffekten, men som
åtminstone inte alls är giftig.
2C + O2
2CO
Fe3O4 + 4CO
3 Fe + 4 CO2
Det järn som bildas i en masugn innehåller ca 4 % kol och är hart och sprött. För att
det ska kallas stål ska kolhalten sänkas till under 2 %. Detta görs genom färskning,
då syre blåses in och reagerar med kolet för att bilda koldioxid. Det stål som nu
uppkommit är formbart och starkt.
Framställning av koppar
Kopparmalmerna är kopparkis CuFeS2 och kopparglans Cu2 S. De krossas och mals
och anrikas genom flotation – fås att flyta upp tillsammans med bubblor i en smälta.
Man tillför syre och svavlet som varit bundet till kopparn vill hellre vara med syret, så
kopparn frigörs:
Cu2S + O2
2Cu + SO2
Framställning av Aluminium
Aluminium är en mycket oädel metall och därför kan metoden att låta kolatomer stjäla
syre från aluminiumoxiden inte tillämpas. Istället måste man dela oxiden genom att
använda en metod som kallas elektrolys – sönderdelning med hjälp av ström.
Metallbindningar
I en metall har valenselektronerna förlorat kontakten med sin atom och bildar istället
ett gemensamt elektronmoln. De kan därför röra sig fritt i hela metallbiten.
Metallatomerna hålls samman av det gemensamma elektronmolnet. Den
sammanhållande kraften kallas metallbindning. Atomerna ligger tätt – densiteten blir
hög och rörelse på atomnivå – värmerörelse – sprids lätt genom metallbiten –
metaller är goda ledare av såväl ström som värme.
Metaller förorenar naturen
Metaller som sprids i naturen är ett av våra stora miljöproblem. De flesta tungmetaller
som bly, kadmium och kvicksilver är giftiga men även andra metaller kan skada
ekosystemen allvarligt.
Det är inte metallerna i atomär form som är farliga, men syror och andra ämnen kan
få metallatomerna att reagera och bilda elektriskt laddade joner. Dessa är mer
reaktionsbenägna och giftiga och kan tas upp av levande varelser och ställa till stor
skada. Detta är ytterligare ett skäl till att försurning är så allvarligt – försurningen löser
upp mer metalljoner som kan förgifta vår natur.
Metalljoner sprids i marken(t ex slagg från gruvor), med vattnet (erosion, spolas med
regnvatten) och via luften (förbränning).
Bly, Pb. Blyjoner (från bilbatterier, kristallglas, ammunition mm) tas upp i kroppen och
påverkar hjärnan med fördröjd utveckling, lägre IQ och beteendestörningar som följd.
Kvicksilver, Hg, (gamla termometrar, lågenergilampor, vissa batterier, amalgam
(tandfyllning)) skadar hjärna och njurar. Kvicksilvret samlar sig lättast i sjöar och
därför bör man undvika fisk fångad i sjöar med hög kvicksilverhalt. Eftersom den
flytande metallen lätt förångas sprids den lätt globalt.
Kadmium, Cd, finns i uppladdningsbara batterier och i metaller som ska lödas. Även
handelsgödsel kan innehålla kadmium, som löses upp av vattnet och tas upp av
grödorna. Vår största kadmiumkälla är potatis och vete! Rökare får i sig extra doser
kadmium. Kadmiumet lagras i lever och njurar och orsakar skador på dessa organ.
Dessutom kan det leda till benskörhet eftersom skelettet tar upp kadmium istället för
kalk– men kadmiumet stärker inte skelettet så som kalk skulle gjort.
Koppar, Cu, sprids från tak, vattenledningar och bromsbelägg på bilar. Koppar är inte
lika giftigt som de tidigare metallerna, men i större mängd orsakar det kräkningar och
förgiftning.
Aluminium, Al, är den vanligaste metallen i jordskorpan, men i jonform skadar den
gälarna hos fiskar och trädens rötter. Försurningen gör nu att de negativa effekterna
av aluminium ökar i naturen.
Reaktioner mellan metaller och syre
De flesta metaller reagerar med syre och bildar oxider. Vissa metaller reagerar
snabbt, tex magnesium som brinner i luft reagerar och bildar magnesiumoxid (vitt
pulver), medan andra tar lång tid på sig – t ex järn som rostar.
Vill man påskynda reaktionen kan man finfördela metallen. Håller du in en järnplåt i
en låga brinner den inte, men om du strör järnpulver i en låga kommer de att brinna
och gnistra (som ett tomtebloss). Kontaktytan mellan metall och syret blir större när
metallen finfördelas – det är anledningen till att den då lättare brinner.
Aluminium reagerar också med syre och bildar en oxid som heter aluminiumoxid. Till
skillnad från järnoxiden (rost) bildar den ett tätt, kompakt skikt som hindrar vidare
angrepp. Samma sak händer med zink och krom, därför kan ett skal av dessa
metaller utanpå järn hindra järnet från att rosta.
När koppar oxiderar kan det bildas två olika oxider. Den rödbruna, matta Cu 2O och
den svarta CuO. När kopparoxiden reagerar med fukt kan ärg bildas. Ärg är grönt
och syns ofta på koppartak och statyer av koppar.
Metaller och syror
Metaller kan lösas upp av syror. De oädla metallerna löses upp av vätejoner, H +, och
elektroner går över från metallatomen till vätejonen. Då bildas metalljoner och vätgas.
De oädla metallerna kallas därför väteutdrivande . Koncentrerad svavelsyra liksom
koncentrerad salpetersyra löser upp koppar och silver, men inte guld och platina. För
att lösa upp dessa båda krävs en blandning av koncentrerad saltsyra och
koncentrerad salpetersyra som kallas kungsvatten.
Historiskt om metaller
Den första metallen människan kom att använda var guld som ju är en ädelmetall
som finns i ren form i naturen. Dess glittrande gula metallglans anses vacker och
guld har blivit värdefullt eftersom tillgången är liten, efterfrågan stor. Används till
smycken och mynt.
Koppar blev den första metall som kom att
framställas på kemisk väg. Det är lite
hårdare än guld och kunde användas till en
del verktyg. När man sedan kom på att
blanda kopparn med tenn till legeringen
brons hade man plötsligt en metall som
fungerade bra att göra diverse vapen och
verktyg av.
500 år f Kr började vi använda järn till vapen och verktyg. Det är hårdare och starkare
än brons. Det går dessutom att smida, dvs det kan då det är glödande varmt
bearbetas till annan form eller slipas vasst. Järn blev vår viktigaste metall –
järnåldern började.
