Metaller

Minnesmetaller har den fantastiska egenskapen att de ”minns” sin form. Om du tar en minnesmetall som har en viss form och rätar ut den kan du få tillbaka den ursprungliga formen igen genom att tillföra lite energi. Det räcker att doppa den i varmt vatten. Minnesmetaller är inte rena metaller utan blandningar av två eller flera metaller. Blandningar av metaller kallas legeringar. Oftast används en legering av nickel (Ni) och titan (Ti) för att göra minnesmetaller.

 

Metaller har en bestämd struktur där atomerna sitter på bestämda platser. Det kallas för en metallkristall. Om vi värmer minnesmetallen till ett par hundra grader kan atomerna anta en annan struktur som inte är riktigt lika stabil som den första. Denna metallkristall är lite flexibel och atomerna kan flytta sig en smula. När de gör det så bildas tomrum. När vi böjer ut en tråd av en minnesmetall bildas många tomrum i strukturen. Med hjälp av lite energi kan vi få atomerna att återgå till sina ursprungliga platser. Eftersom alla atomer flyttar tillbaka till sin utgångspunkt så återtar minnesmetallen sin form.

En minnesmetall tillverkas genom att värma legeringen till ett par hundra grader så att kristallstrukturen övergår till den mindre stabila strukturen. När legeringen är varm formas den till den form den ska minnas. Sedan kyls legeringen väldigt fort så att atomerna inte hinner tillbaka till den första, mer stabila, kristallstrukturen. Därefter är det bara att böja och försiktigt värma för att låta minnesmetallen återgå till formen den ”minns”.  Minnesmetaller används i allt från robotar till förstärkning av blodkärl i kroppen.

De flesta grundämnen är metaller

 

De flesta grundämnen är faktiskt metaller. Av de 118 grundämnen vi känner till idag räknas 20 grundämnen som icke-metaller och 91 grundämnen som metaller. Resterande sju grundämnen brukar betecknas som halvmetaller eftersom de har egenskaper som ligger mellan metaller och icke-metaller. Men vad är det egentligen som bestämmer att ett ämne är en metall? Vilka speciella egenskaper har metaller?

Ofta säger vi att metaller har metallglans och leder ström och värme bra. Smycken av guld (Au) vet vi är blanka och det är det som menas med metallglans. Det kan vi hitta hos alla metaller. Men för de flesta metaller försvinner glansen med tiden. Ibland går det mycket fort. Det beror på att metallatomerna reagerar med syrgas (O2) i luften och bildar en oxid. På engelska heter syre oxygen. En oxid är därför en förening med syre. Om vi skulle titta på en bit av halvmetallen kisel (Si) så skulle vi se att den också är väldigt blank. Alltså räcker det inte med metallglans för att ett ämne ska definieras som en metall.

Många, men inte alla metaller leder värme bra. Ingen metall är dock lika bra på att leda värme som diamant. Diamant är ju en form av kol (C) och kol är en typisk icke-metall. Alltså räcker det inte med värmeledning för att ett ämne ska definieras som en metall.

Metaller är också väldigt bra på att leda elektrisk ström. Bland de bästa elektriska ledarna är silver (Ag) och koppar (Cu). Men grafit, den andra vanliga formen av kol (C), leder också ström väldigt bra. Men bara i två dimensioner. Grafitkristallen består av flera skikt av kolatomer. Varje skikt är bara en kolatom hög. Grafit leder ström inom varje skikt, men inte mellan olika skikt. Alltså kan vi säga att en typisk egenskap för metaller är bra elektrisk ledningsförmåga i tre dimensioner.

Nästan alla metaller är gråa i färgen. Det finns dock två undantag. Guld (Au) är gul-orange. Koppar (Cu) är orange-rosa. Alla andra metaller har någon nyans av grått. Det kan förklaras av hur elektronerna är ordnade i metallatomerna. När vitt ljus, alltså ljus med alla färger, lyser på metaller reflekteras det mesta av ljuset och metallerna upplevs som grå-vita. I kopparatomer och i guldatomer är elektronerna ordnade på ett sätt som gör att blått ljus absorberas av metallatomerna. Då reflekteras allt ljus utom det blåa. Det upplever våra ögon som en röd-gul färg. Eftersom guldatomer är tyngre än kopparatomer, kommer elektronerna i guldatomer och kopparatomer att vara lite olika ordnade vilket ger upphov till olika färg.

 

 

Metallen i en elektrisk sladd leder elektroner

Att metaller leder ström kan vi förklara med bindningen mellan metallatomer i en metallkristall. De yttersta elektronerna i en atom kallas valenselektroner. Valenselektronerna från varje metallatom delas mellan alla atomerna i metallkristallen. Elektricitet, eller elektrisk ström, är ett flöde av dessa delade elektroner. Eftersom elektronerna i en metall rör sig lätt kommer den elektriska strömmen enkelt att flytta sig genom en metallkristall.

 

I vanliga sladdar, till exempel en laddsladd till mobilen, använder vi koppar (Cu). Koppar leder elektrisk ström väldigt bra. Koppar reagerar heller inte särskilt snabbt med luftens syrgas (O2). Det ser vi genom att kopparn i sladdar är blank en lång stund efter att vi har skalat av den isolerande plasten runt koppartrådarna. Koppar är visserligen dyrt, men ändå mycket billigare än silver (Ag). Silver är den bästa elektriska ledaren. Silver och guld används som ledare i en del elektronik - till exempel mobiltelefoner.

I andra metaller, som till exempel järn (Fe), rör sig elektronerna med mycket mera motstånd. Då blir metallen varm. Det skulle kunna starta en brand. Järn bildar dessutom en oxid betydligt enklare än koppar. Metalloxider är mycket dåliga elektriska ledare.

Metaller kan vara mjuka eller hårda

Att alla valenselektroner delas mellan alla atomer i metallkristallen förklarar också varför vi kan forma metaller. En tråd av metall är lätt att böja. Större stycken av metall kan vi forma genom att först värma dem och därefter slå på dem med en hammare. Det som händer när vi formar metallen är att atomerna flyttar sig i kristallen. Eftersom atomerna i metallkristallen delar på elektronerna, kan atomerna röra sig utan att behöva bryta och bilda bindningar till varandra.

 

De flesta metaller är väldigt hårda. Det gäller dock inte alla metaller. Natrium (Na) kan skäras med kniv och är inte mycket hårdare än kylskåpskallt smör. Andra vanliga mjuka metaller är bly (Pb) och tenn (Sn). Blyplåtar böjs enkelt och tenn användes förr som folie runt mat.

 

Legeringar är blandningar av metaller

Om vi tittar oss omkring och letar efter föremål gjorda av metall kommer vi troligen mest att hitta legeringar. Mynt görs till exempel av legeringar. Legeringar är blandningar av olika metaller eller metaller och icke-metaller. Legeringar används eftersom de ofta har andra egenskaper än de rena metallerna. Många legeringar är till exempel hårdare än de rena metallerna. Det är en viktig egenskap när vi tillverkar verktyg.

 

En historiskt sett väldigt viktig legering är brons. Brons är en blandning av koppar (Cu) och tenn (Sn). Brons görs genom att blanda bitar av koppar och tenn och sedan smälta dessa. När metallerna smälter blandas kopparatomer och tennatomer. När blandningen stelnar igen bildas en kristall med både kopparatomer och tennatomer. Atomerna är inte lika stora så de glider inte lika lätt mot varandra längre. Då blir kristallen hårdare. Brons var väldigt viktigt för mänskligheten under bronsåldern för tre tusen år sedan. Mässing är en legring mellan zink och koppar.

 

En legering som är enormt viktig för mänskligheten idag är stål. Stål är ett exempel på en legering mellan en metall och en icke-metall. Legeringen görs av järn (Fe) och kol (C). Järn är en ganska mjuk metall och inte alls lämplig att göra en järnvägsbro av. Men genom att smälta järn och blanda in lite kol och sedan låta blandningen svalna bildas en kristall där de små kolatomerna lägger sig mellan de större järnatomerna. Detta gör att atomerna får väldigt svårt att glida mot varandra i kristallen och vi får ett hårt stål.

Legeringar med metallen kvicksilver (Hg) kallas amalgam. Förr användes amalgam av kvicksilver (Hg), silver (Ag), tenn (Sn) koppar (Cu) och zink (Zn) för att laga hål i tänder. Detta var en bra lösning eftersom amalgamet blir ganska mjukt när metallerna blandas ihop för att sedan stelna. Det var alltså ganska lätt att få ner en liten amalgamklump i hålet som hade borrats i tanden. Men idag vet vi att kvicksilver är giftigt så numera lagar vi tänder med fyllningar utan metaller.

Metaller kan vara lätta eller tunga

Titan (Ti) är en metall som vi förknippar med lätta och starka saker. Många delar till extrema sportbilar byggs av titan. Titan är en väldigt lätt metall med en densitet på 4,5 kg per liter. Men ren titanmetall är också ganska mjuk. För att kunna använda titan legeras det med någon eller några av metallerna järn (Fe), vanadin (V), aluminium (Al) eller molybden (Mo). Olika titanlegeringar har olika egenskaper. En legering av titan och aluminium används för medicinska implantat. Konstgjorda höftleder och skruvar för att laga benbrott är ofta gjorda i titanlegeringar.

 

Aluminium är också en lätt metall som används för att bygga flygplan. Aluminium har en densitet på 2,7 kg per liter. Men precis som titan måste aluminium legeras med andra metaller för att kunna användas. De vanligaste metallerna vi legerar med aluminium (Al) är koppar (Cu), zink (Zn), magnesium (Mg) och mangan (Mn). I en vanlig läskburk av aluminium finns det mellan 92 och 99 % aluminium.

Densiteten hos metaller varierar väldigt mycket. Bland de allra lättaste metallerna hittar vi litium (Li) med en densitet på bara 0,5 kg per liter. Den flyter alltså på vatten, som har densiteten 1 kg per liter.

 

Den flytande metallen kvicksilver är betydligt tyngre än järn. En mutter flyter alltså i kvicksilver. De allra tyngsta metallerna är osmium (Os) och iridium (Ir). Osmium har en densitet på 22,6 kg per liter. Iridium har en densitet på 22,5 kg per liter. Ett mjölkpaket fyllt med osmium skulle alltså väga en bra bit över 20 kg. Sådana metaller kallas för tungmetaller.

Metaller kan vara ädla eller oädla

 

De flesta metaller reagerar med luftens syrgas (O2) och bildar metalloxider. Det är oxiderna som gör att metallglansen försvinner. Ett annat ord för metallers reaktion med syre är korrosion. En av de mest kända oxiderna är järnoxid. Den kallas för rost. Om vi lämnar cykeln, som ju är gjord av järnlegeringen stål, ute i regnet så blir den snart rostig. Det beror på att vattnet hjälper den kemiska reaktionen att ske. När järn (Fe) oxiderar, lämnar elektroner järnatomen. Järnatomen blir en positivt laddad järnjon. Samtidigt tar syre från luften upp elektroner. Syreatomen blir en negativt laddad syrejon. De positiva järnjonerna och de negativa syrejonerna bildar tillsammans järnoxid. Vatten är en relativt dålig elektrisk ledare. Om vi skulle lösa lite salt i vattnet så leder det ström bättre. För att järn ska rosta måste elektroner flyttas. Det sker lättare om vattnet leder ström. Det är därför cyklar rostar mer på vintern då vägarna saltas.

 

Vill vi skydda våra bilar och cyklar mot rost så måste vi täcka ytan så att inte syrgas (O2) kommer i kontakt med järnatomerna. Det gör vi vanligen genom att måla stålet i bilen eller cykeln. Men det är inte alltid praktiskt att måla. Då kan vi istället använda rostfritt stål. För att göra rostfritt stål blandas järn med lite krom (Cr). Kromatomer på det rostfria stålets yta kommer att reagera med syre och bilda kromoxid. Kromoxid är väldigt tät och när den har bildats kan inte syret längre komma åt järnatomerna. Kromoxiden blir alltså ett skyddande skal som hindrar rost. Rostfritt stål är dock mycket dyrare än vanligt stål. Aluminium (Al) är en annan metall som bildar en väldigt tät oxid med syre som hindrar att resten av aluminiumet bryts ner. Saker tillverkade av aluminium behöver inte målas på samma sätt som föremål av stål.  

Det är lätt att tänka på metaller som något beständigt. Och visst kan vi hitta mynt och verktyg gjorda av metall som är flera tusen år gamla. Men en del metaller är inte alls särskilt beständiga. Vissa metaller reagerar direkt med vatten.

 

Om vi lägger en bit natrium (Na) i vatten sker en väldigt snabb reaktion. Valenselektronerna lämnar natriumatomerna och tas istället upp av vattenmolekylerna. Vattenmolekylerna faller då sönder till vätgas (H2) och hydroxidjoner (OH-). Reaktionen avger vätgas som blandas med luften ovanför vattenytan. En blandning av luft och vätgas kallas för knallgas eftersom den ger upphov till en rejäl smäll när den antänds. Litium (Li), natrium (Na) och kalium (K) är exempel på alkalimetaller. En alkalisk lösning är en basisk lösning. Det är alltså en lösning med högt pH-värde. Det är hydroxidjonerna (OH-) som bildas när natrium reagerar med vatten som gör lösningen basisk.

Det finns metaller som knappt reagerar med något alls. Dessa metaller brukar vi kalla ädla metaller. Guld (Au), silver (Ag), platina (Pt) och palladium (Pd) är de mest ädla metallerna. Det gör att vi gärna använder dem för smycken eftersom deras glans inte försvinner. Men de är också väldigt bra som elektriska ledare i väldigt små elektriska komponenter.

Metaller kan ha hög eller låg smältpunkt

Kvicksilver (Hg) är ett av två grundämnen som är flytande vid rumstemperatur, det andra är icke-metallen brom (Br). Det beror mest på hur vi har definierat rumstemperatur, 20–25 °C. Om vi hade tänkt oss rumstemperatur som bara lite varmare hade metallen cesium (Cs) också varit flytande vid rumstemperatur. Cesium smälter vid 28 °C och vid 30 °C smälter metallen gallium (Ga). Cesium reagerar med vatten på samma sätt som natrium (Na), fast ännu mera våldsamt. Gallium är en ganska ofarlig metall och det går utan problem att smälta en bit i handen. Metallen med högst smältpunkt är wolfram (W) som smälter vid 3410 °C.

 

Alla metaller har väldigt höga kokpunkter. Kvicksilver kokar vid 357 °C, gallium vid 2403 °C medan wolfram kokar först vid 5660 °C. Metallernas höga smältpunkter och kokpunkter visar hur starka bindningarna är mellan metallatomerna.

Sammanfattningsvis kännetecknas metaller av att de har:

  • bra elektrisk ledningsförmåga i tre dimensioner
  • oftast god värmeledningsförmåga
  • oftast metallglans
  • höga kokpunkter.
Quiz - Metaller

Denna legering är en blandning av koppar och tenn.

Vad innebär korrosion?

Detta material är en legering av en metall och en icke-metall.

Vad är stål?

Många metaller har metallglans. Vad innebär det?

Oxiden av denna metall är väldigt tät och gör så att rostfritt stål inte rostar.

Detta är en tungmetall.

Vad innebär en basisk lösning?

Vad är en oxid?

Metallerna silver och guld är bäst på detta.

Uppgifter - Metaller

Förklara och beskriv
  1. Förklara hur en minnesmetall fungerar.

  2. Ta fram ett periodiskt system och undersök vilka ämnen som är metaller.

  3. Vilka egenskaper har de flesta metaller?

  4. Vad innebär det att ett ämne kan leda ström i två dimensioner?

  5. Vad innebär det att ett ämne kan leda ström i tre dimensioner?

  6. Hur går det till när en metall leder ström?

  7. Förklara varför det är lätt att forma och omforma metaller.

  8. Vilka egenskaper har metallen titan?

  9. Vilka egenskaper har metallen aluminium?

  10. Vad är en tungmetall?

  11. Beskriv den kemiska reaktionen som sker när järn rostar.

  12. Vad är det för kemisk skillnad på stål och rostfritt stål?

  13. Förklara skillnaden mellan järnoxid och aluminiumoxid.

  14. Vad är alkalimetaller?

  15. Vilka egenskaper har en ädelmetall?

  16. Vilka metaller räknas till ädelmetallerna?

  17. Varför har metaller hög kokpunkt och smältpunkt?

Argumentera och resonera
  1. Hur skiljer sig egenskaperna hos ämnen som är metaller, halvmetaller och icke-metaller?

  2. Varför är det svårt att definiera exakt vilka egenskaper en metall har?

  3. Vilka sammanhang kan du komma på när det är bra att använda ett material som bara leder ström i två dimensioner? 

  4. Varför tror du att det finns så många olika legeringar?

  5. Vilka naturvetenskapliga argument finns det för och emot följande påståenden?

    a) Bilar rostar mer på västkusten än i andra delar av landet.

    b) Kvicksilverhalten är hög i jorden på kyrkogårdar.

    c) Silverkablar i högtalarna ger bästa ljudkvaliteten.

Ta reda på
  1. Jämför densiteten hos några olika metaller.

  2. Lär dig känna igen våra vanligaste metaller.

  3. Ta reda på varför silver är en bättre ledare än järn.

  4. Ta reda på hur kvicksilver påverkar växt- och djurliv. 

  5. Ta reda på varför just titan passar så bra i medicinska implantat.

  6. Ta reda på vilka användningsområden det finns för alkalimetaller.