Οι ιδιότητες και τα παράγωγα των μετάλλων

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Οι ιδιότητες και τα παράγωγα των μετάλλων Ερευνητική Εργασία Ομάδα Β Κυρατζής Γιάννης, Λάμπου Μαρία, Λουκάτος Βαγγέλης, Λυμπέρης Νικόλας, Μανέτος Νίκος, Μαρκόπουλος Γιώργος

2 Μέταλλα: Εισαγωγή Μεγάλη κατηγορία χημικών στοιχείων Μεγάλη αφθονία στη φύση (ελεύθερα ή με μορφή ενώσεων στο φλοιό της γης) Άνθρωπος και μέταλλα: 1. Ανάλυση των ιδιοτήτων τους 2. Κατάταξή τους στον Περιοδικό Πίνακα των στοιχείων 3. Ένωσή τους Δημιουργία κραμάτων 4. Εκμετάλλευση τους για την καθημερινή του ζωή 5. Εξέλιξη τεχνολογίας, πρόοδος ζωής

3 Μέταλλα Τα μέταλλα είναι μια μεγάλη κατηγορία χημικών στοιχείων που εμφανίζουν ορισμένες κοινές ιδιότητες. Μέταλλο < αρχαία ελληνική μέταλλον μέταλλον < αρχαία έκφραση Μετ άλλα, δηλαδή «εις αναζήτηση άλλων πραγμάτων» και ρήμα μεταλλάω, δηλαδή «ερευνώ».

4 Ιδιότητες Μετάλλων Φυσικές Ιδιότητες Στέρεα κατάσταση και θερμοκρασία περιβάλλοντος, εκτός από τον Υδράργυρο (Hg), ο οποίος βρίσκεται σε υγρή κατάσταση Χαρακτηριστική μεταλλική λάμψη και αργυρόλευκος χρωματισμός, με εξαιρέσεις τον χρυσό (κίτρινος) και το χαλκό (ερυθρός) Υψηλή πυκνότητα και υψηλό σημείο τήξεως Καλοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού Δυνατότητα μορφοποίησής τους χωρίς θέρμανση λόγω της πλαστικότητάς τους Ελατά / όλκιμα Κρυσταλλική δομή

5 Ιδιότητες Μετάλλων Χημικές Ιδιότητες Δραστικότητα Διαφορετική ένωση ατόμων στις μάζες τους

6 Οξείδωση Μετάλλων Η οξείδωση των μετάλλων είναι μία χημική διαδικασία, κατά την οποία τα επιφανειακά άτομα του μετάλλου, ενώνονται με άλλα άτομα που υπάρχουν στον ατμοσφαιρικό αέρα και δημιουργούν νέες ενώσεις. Παραδείγματα: Σίδηρος + O 2 καφέ σκουριά Ασήμι + θειάφι της ατμόσφαιρας μαύρισμα Μπρούτζος ή χαλκός + Ο 2 πρασινωποί

7 Δεσμοί των Μετάλλων Ελεύθερα Ηλεκτρόνια Ηλεκτρόνια εξωτερικής στοιβάδας του πυρήνα του ατόμου Σε ορισμένα στοιχεία δεν είναι δεσμευμένα αποκλειστικά με ένα άτομο, αλλά κυκλοφορούν ελεύθερα Προκαλούν την ηλεκτρική αγωγιμότητα στα στοιχεία Η ασκούμενη έλξη των πρωτονίων του πυρήνα είναι ασθενής με συνέπεια τα ηλεκτρόνια αυτά να ξεφεύγουν από την τροχιά τους και να γυρνούν ελεύθερα

8 Δεσμοί των Μετάλλων Τι είναι ο μεταλλικός δεσμός; Θεωρία «Ελεύθερων Ηλεκτρονίων»: Τα ηλεκτρόνια δεν ανήκουν σε οποιοδήποτε άτομο αλλά στον κρύσταλλο ως σύνολο, σ' όλη την έκταση του οποίου κινούνται με μορφή ηλεκτρονιακού νέφους. Το κρυσταλλικό πλέγμα ενός μετάλλου χαρακτηρίζεται από μια κανονική διάταξη θετικά φορτισμένων ατόμων. Μεταξύ των θετικά φορτισμένων ατόμων και των ελεύθερα κινουμένων ηλεκτρονίων δημιουργούνται δυνάμεις ηλεκτροστατικής φύσεως.

9 O Περιοδικός Πίνακας των στοιχείων

10

11 Τομέας s I. Ομάδες 1 (Αλκαλίων) και 2 (Αλκαλικών γαιών) II. Εύκολη αποβολή των ηλεκτρονίων σθένους. Τομέας p I. Ομάδες 13 (Βορίου), 14 (Άνθρακα), 15 (Αζώτου), 16 (Οξυγόνου), 17 (Αλογόνων) και 18 (Ευγενών αερίων) II. Τάση να αντιδρούν με αποβολή ηλεκτρονίων, πλην των Ευγενών Αερίων (αδρανή) ή να λειτουργούν ως δέκτες ηλεκτρονίων. Τομέας d I. Στοιχεία Μεταπτώσεως (Ομάδες 3 12) II. Κατά τις αντιδράσεις αποβάλλουν ηλεκτρόνια και εμφανίζουν θετικούς αριθμούς οξειδώσεως. III. Κοινή ηλεκτρονική διαμόρφωση της ηλεκτρονικής στιβάδας. Τομέας f Τομείς Περιοδικού Πίνακα I. Λανθανίδες και οι Ακτινίδες II. Εντυπωσιακές ομοιότητες των ιδιοτήτων των στοιχείων τους.

12 Χαρακτηριστικά Μέταλλα

13 Τάχιστη οξείδωση στον ατμοσφαιρικό αέρα Κ + Η 2 Ο Η 2 και έντονη θερμότητα Κάλιο (Κ) Το μεταλλικό κάλιο δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση (λόγω της αντίδρασής του με το νερό και άλλες ουσίες) Το ιόν του καλίου είναι απαραίτητο για τη λειτουργία όλων ζωντανών κυττάρων Βρίσκεται σε όλους τους φυτικούς και ζωικούς ιστούς Εξαιρετικά μεγάλες συγκεντρώσεις στο εσωτερικό των φυτικών κυττάρων και ιδιαίτερα στα φρούτα 7 ο πιο άφθονο στοιχείο στη λιθόσφαιρα του πλανήτη μας Μαλακό Ελάχιστες βιομηχανικές χρήσεις Χρησιμοποιείται συνήθως σε λιπάσματα και σε φαρμακευτικά σκευάσματα

14 Νάτριο (Na) Μαλακό, ασημόλευκο, πολύ δραστικό Ομάδα Αλκαλίων Πολύ διαδομένο στη φύση με τη μορφή χημικών ενώσεων, όπως το χλωριούχο νάτριο (NaCL κοινό αλάτι) Γρήγορη οξείδωση στον αέρα Διασπά το νερό εν ψυχρώ και δίνει υδρογόνο και καυστικό νάτριο Λόγω της δραστικότητάς του δεν απαντάται ελεύθερο στη φύση, παρά μόνο σε ενώσεις

15 Ασβέστιο (Ca) Ομάδα Αλκαλικών Γαιών Σημαντικότερες χημικές ενώσεις: Οξείδιο του ασβεστίου Υπεροξείδιο του ασβεστίου Άλατα του ασβεστίου Ρουβίδιο (Rb) Αλκαλιμέταλλα (Ομάδα 1 η, περίοδος 5 η ) Εμφανίζεται στη φύση, αλλά δε δημιουργεί ορυκτά Ελαφρώς ραδιενεργό Διάρκεια ημιζωής 4,88 x χρόνια (περίπου 49 εκατ. χρόνια), δηλαδή περισσότερο από τρεις φορές μεγαλύτερο από την υπολογισμένη ηλικία του σύμπαντος

16 Ομάδα Αλκαλικών Γαιών Μαγνήσιο (Mg) Ελαφρύ, παρόμοιο με το Αλουμίνιο 8 ο πιο άφθονο στοιχείο στη λιθόσφαιρα του πλανήτη 9 ο πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν 3 ο συχνότερα χρησιμοποιούμενο κατασκευαστικό μέταλλο 11 ο πιο άφθονο στοιχείο της μάζας του ανθρώπινου σώματος Αναφλέγεται με την επαφή του με Ο 2 εκπέμποντας έντονο φως Τα ιόντα του είναι απαραίτητα για όλα τα ζωντανά κύτταρα Εφαρμογή σε ζάντες αυτοκινήτων και ηλεκτρικές συσκευές

17 Λείο, μαλακό, ελαφρύ, αργυρόλευκο Πυκνότητα ίση με το μισό της πυκνότητας του νερού 1 η ομάδα Π.Π. με ιδιότητες της 2 ης Ασταθής πυρήνας Λίθιο (Li) Δε συναντάται ελεύθερο στη φύση Αντιδρά εύκολα με το νερό (εύφλεκτο, εκρηκτικό) Όταν τοποθετείται πάνω από φλόγα αποκτά ένα εντυπωσιακό πορφυρό χρώμα, αλλά όταν καεί έντονα η φλόγα γίνεται εκτυφλωτικά λευκή 25 ο σε αφθονία στο ηλιακό σύστημα Πυρηνικό καύσιμο σε θερμοπυρηνικά όπλα, σε κράματα μεταφοράς θερμότητας, στις μπαταρίες και σε σταθεροποιητές διάθεσης

18 Βηρύλλιο (Be) 1 ο μέταλλο των Αλκαλικών Γαιών Γκρίζο, ελαφρύ, εύθραυστο, τοξικό Μεγάλη θερμική αγωγιμότητα Αντιστέκεται στην οξείδωση όταν εκτίθεται στον αέρα Χρησιμοποιείται ως σκληρυντής σε ορισμένα κράματα Ενσωματώνεται σε ορισμένα ειδικά κράματα Συναντάται στα μπαστούνια του γκολφ, τα ελατήρια ρολογιών, και σε διαστημικές και αεροναυτικές εφαρμογές

19 Αλκαλιμέταλλο Φράγκιο (Fr) Μικρότερη ηλεκτραρνητικότητα από όλα τα γνωστά χημικά στοιχεία 2 ο σπανιότερο στοιχείο στη φύση Πολύ ραδιενεργό μέταλλο Ασταθές φυσικό στοιχείο (το σταθερότερο ισότοπό του έχει μέγιστη διάρκεια ζωής μόλις 22 λεπτά) Όλα τα ισότοπα του μετατρέπονται σε Άστατο ή σε Ραδόνιο (Rn) ή και σε Ράδιο (Ra)

20 Αλκάλια Καίσιο (Cs) Εντοπίζεται σε πολλές ιαματικές πηγές και σε κοιτάσματα αλάτων Αργυρόλευκο, εύτηκτο, μαλακό (σαν το κερί) Αναφλέγεται ερχόμενο σε επαφή με τον αέρα Αντιδρά ερχόμενο σε επαφή με το νερό Χρησιμοποιείται: 1. Στα φωτοηλεκτρικά κύτταρα 2. Στα ηλεκτρικά τηλεσκόπια 3. Στην παρασκευή τεχνιτών ιαματικών υδάτων 4. Στην ιατρική, τη φαρμακευτική, την αισθητική και την κεραμευτική

21 Κράματα

22 Ορισμός Κράμα καλείται κάθε μείγμα δύο ή περισσότερων στοιχείων από τα οποία το ένα τουλάχιστον είναι μέταλλο. Η λέξη προέρχεται από το ουσιαστικό «κράσις» που σημαίνει ανάμιξη (ετυμολογικά συγγενές με το «κρασί»).

23 Πείραμα Επαργύρωση Χαλκού Θερμαίνουμε το διάλυμα με τη σκόνη ψευδαργύρου, που έχει τοποθετηθεί σε διάλυμα καυστικού νατρίου, ανακατεύοντας με γυάλινη ράβδο μέχρι να εμφανισθούν οι πρώτες φυσαλίδες. Χαμηλώνουμε τη φωτιά και με μια λαβίδα τοποθετούμε στο διάλυμα ένα καθαρισμένο με ξύδι χάλκινο νόμισμα. Μετά από 3 4 λεπτά το αφαιρούμε (παρατηρούμε ότι το νόμισμα μετατρέπεται σε ασημένιο) Το απομακρύνουμε με τη λαβίδα, το ξεπλένουμε και το σκουπίζουμε. Επιχρύσωση Αργύρου Παίρνουμε με τη λαβίδα το ασημένιο, πλέον, νόμισμα και το πλησιάζουμε στο έξω μέρος της φλόγας του λύχνου. Απομακρύνουμε το νόμισμα από τη φλόγα μόλις αυτό αλλάξει χρώμα και γίνει χρυσό. Το ξεπλένουμε με νερό μέχρι να έρθει στη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

24

25 Είδη Κραμάτων Κράματα Σιδήρου Κράματα Αλουμινίου Υπερκράματα Κράματα Μολύβδου Κράματα Ψευδαργύρου Χάλυβες Ακατέργαστος Χυτοσίδηρος Ντουραλουμίνιο Κράματα με βάση το σίδηρο και το νικέλιο Κράματα με βάση το νικέλιο Αντιμόνιο Κασσίτερος Κράματα Ψευδαργύρου Αλουμινίου, που μπορεί να περιέχουν σε μικρό ποσοστό και χαλκό ή μαγνήσιο Χυτοσίδηρος Κράματα με βάση το κοβάλτιο Αρσενικό

26 Χάλυβες Ανάλυση Κράματα σιδήρου 1. Αποτελούνται από κράματα Fe και άνθρακα (C) με περιεκτικότητα σε άνθρακα μικρότερη ή ίση με 1.5%. 2. Περιέχουν, ανάλογα με τον τρόπο χρήσης για τον οποίο προορίζονται, σε μικρές ποσότητες, άλλα στοιχεία κραμάτωσης τα οποία επηρεάζουν τις ιδιότητές τους. 3. Διακρίνονται σε: Κοινούς ή ανθρακούχους χάλυβες Κραματωμένους ή ειδικούς χάλυβες

27 Ανάλυση Κράματα σιδήρου Ακατέργαστος χυτοσίδηρος 1. Προέρχεται απευθείας από την υψικάμινο σε ακατέργαστη μορφή, με τυχαία σχήματα. 2. Ο χυτοσίδηρος παρουσιάζεται ενωμένος με άνθρακα σε: Ενώσεις σιδήρου Μορφή καρβιδίου + Χρώμα που τείνει προς το άσπρο Ενώσεις σιδήρου Μορφή σφαιροειδούς γραφίτη + χρώμα στάχτης

28 Ανάλυση Κράματα σιδήρου Χυτοσίδηρος 1. Εύθραυστος σε σύγκριση με τον χάλυβα 2. Καλή αντίσταση στην τριβή και την διάβρωση Επιπλέον, οι χυτοσίδηροι παρουσιάζουν τα εξής χαρακτηριστικά: Χαμηλό κόστος παραγωγής Χαμηλό σημείο τήξης ( C) Ευκολία χύτευσης σε συγκεκριμένες διαστάσεις Ευκολία μηχανουργικής κατεργασίας Υψηλή ικανότητα απορρόφησης κραδασμών, και σχετικά καλή μηχανική αντοχή ( MPa)

29 Ανάλυση Κράματα χαλκού Ορείχαλκος Χαμηλή περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο (Zn) Καφεκόκκινο χρώμα (κεραμιδί χρώμα χαλκού) Περίπου 30% κ.β. περιεκτικότητα σε Zn Χρώμα χρυσού Υψηλή περιεκτικότητα σε Zn Καφεκόκκινο χρώμα Αναλυτικότερα: a) Περιεκτικότητα Zn < 35% Καλή μηχανική αντοχή και καλή αντοχή στην διάβρωση. b) Περιεκτικότητα 32% <Zn< 39% Ακόμα καλύτερη μηχανική αντοχή, μεγαλύτερη ελαστικότητα και μεγαλύτερη ολκιμότητα, αλλά κάπως μειωμένη αντοχή στην διάβρωση σε σύγκριση με τους ορείχαλκους α. c) Περιεκτικότητα Zn > 39% Μεγάλη μηχανική αντοχή, αλλά είναι ευκατέργαστοι μόνον εν θερμώ σε χαμηλές θερμοκρασίες έχουν μικρή ολκιμότητα.

30 Ανάλυση Κράματα χαλκού Χαλκοβηρύλλιο Κράμαχαλκού (Cu) και βηρυλλίου (Be). Μαλακό και όλκιμο κράμα Διαμορφώνεται μετά από επεξεργασία βαφής Μετά από επαναφορά καθίσταται σκληρό και ελαστικό Τα εργαλεία που κατασκευάζονται με αυτό το κράμα δεν παράγουν σπινθήρες Χρησιμοποιούνται σε ορυχεία, πυριτιδοποιεία και σε χώρους όπου παρατηρούνται επικίνδυνα αέρια

31 Ανάλυση Κράματα αλουμινίου Ντουραλουμίνιο Εξαιρετική αντοχή σε σύγκριση με το καθαρό αλουμίνιο. Με πυκνότητα περίπου 2,7 g/cm 3, το ντουραλουμίνιο είναι εξίσου ελαφρύ με το καθαρό αλουμίνιο και σχεδόν τρεις φορές ελαφρύτερο από τον χάλυβα.

32 Ιδιότητες Κράματα μαγνησίου Κατηγορία ελαφρών μετάλλων Χαμηλή πυκνότητα Εφαρμογές στην αεροναυπηγική Το μαγνήσιο σχηματίζει κράματα με το αλουμίνιο (κουτάκια αναψυκτικών) Χρησιμοποιούνται σε ανταλλακτικά αυτοκινήτων και φορτηγών και σε ηλεκτρονικές συσκευές (κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, φωτογραφικές μηχανές) Η χρήση τους αυξάνεται και στον αεροδιαστημικό τομέα

33 Ιδιότητες Κραμάτων Κράματα Τιτανίου Κατηγορία ελαφρών μετάλλων Μεγάλη μηχανική αντοχή Καλή αντίσταση σε διάβρωση Εφαρμογή στην αεροναυπηγική, στην αεροδιαστημική, στην προσθετική ιατρική και στη χημική βιομηχανία Υπερκράματα Κράματα με μεγάλα ποσοστά κραματικών στοιχείων Επίτευξη μεγάλης αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες. Δυνατή χρήση υπό εξαιρετικά δυσμενείς συνθήκες (υψηλή θερμοκρασία, αέρας, καυσαέρια, χημικά υγρά και άλατα κλπ) Ελάχιστη φθορά

34 Ιδιότητες Κραμάτων Κράματα Ψευδαργύρου Μέτριες μηχανικές ιδιότητες Ευρεία χρήση στην κατασκευή: τμημάτων αυτοκινήτων οικιακών ηλεκτρικών συσκευών υδραυλικών εγκαταστάσεων φωτογραφικών μηχανών γραφομηχανών ωρολογίων, κλπ. Κράματα Μολύβδου Εφαρμογές στην κατασκευή: ηλεκτρικών συσσωρευτών επενδύσεων δοχείων χημικών αντιδραστηρίων θωρακίσεων συσκευών που λειτουργούν με ακτίνες Χ και Γ τυπογραφικών στοιχείων σκαγιών κυνηγίου

35 Τα κράματα στην καθημερινή μας ζωή Κράματα αλουμινίου: Πόρτες αλουμινίου Παράθυρα αλουμινίου Κάγκελα αλουμινίου Κράματα σιδήρου: Αυλόπορτες σιδήρου Κάγκελα παραθύρων από σίδηρο Σκάλες σιδήρου Τέλος, χρησιμοποιώντας σκληρά και ανθεκτικά μέταλλα (π.χ. Χάλυβας) κατασκευάζονται πολύτιμα για εμάς χρηματοκιβώτια.

36 Συμπεράσματα Ρόλος των μετάλλων στην καθημερινή μας ζωή: Κάλυψη βασικών αναγκών του σύγχρονου κόσμου. Σημαντική θέση στην κατασκευή δημόσιων και ιδιωτικών έργων, στον τομέα παραγωγών, στην ιατρική, στη διατροφή ή ακόμα και στον ίδιο τον ανθρώπινο οργανισμό. Κάλυψη ακόμα πιο απαιτητικών αναγκών με τα κράματα. Συμβολή και στον επιστημονικό τομέα, αφού προωθούν και εξελίσσουν την έρευνα, αλλά και συμμετέχουν στην παρασκευή φαρμάκων, των οποίων ο ρόλος αναβαθμίζει το επίπεδο ζωής των ανθρώπων.