Un metal este un material care, atunci cand este proaspat prelucrat, lustruit sau fracturat, prezinta un aspect stralucitor si poate conduce electricitatea si caldura relativ bine.
Metalele sunt de obicei maleabile (pot fi prelucrate in foi subtiri) sau ductile (pot fi trase in fire). Un metal poate fi un element chimic, cum ar fi fierul; un aliaj, cum ar fi otelul inoxidabil; sau un compus molecular cum ar fi nitrura de sulf polimerica.
In fizica, un metal este in general privit ca orice substanta capabila sa conduca electricitatea la o temperatura de zero absolut. Multe elemente si compusi care nu sunt clasificati in mod normal ca metale devin metalice la presiuni ridicate.
De exemplu, iodul nemetalic devine treptat un metal la o presiune cuprinsa intre 40 si 170 de mii de ori presiunea atmosferica. De asemenea, unele materiale considerate metale pot deveni nemetale. Sodiul, de exemplu, devine un nemetal la o presiune de putin sub doua milioane de ori presiunea atmosferica.
In chimie, doua elemente care altfel s-ar califica (in fizica) drept metale fragile – arsenul si antimoniul – sunt in schimb recunoscute ca metaloizi datorita chimiei lor (predominant nemetalice pentru arsen si echilibrate intre metalicitate si nemetalicitate pentru antimoniu).
Aproximativ 95 din cele 118 elemente din tabelul periodic sunt metale (sau este posibil sa fie astfel). Numarul este inexact deoarece granitele dintre metale, nemetale si metaloizi, fluctueaza usor din cauza lipsei de definitii universal acceptate ale categoriilor implicate.
In astrofizica, termenul „metal” este exprimat mai larg pentru a se referi la toate elementele chimice dintr-o stea care sunt mai grele decat heliul, si nu doar metalele traditionale. In acest sens, primele patru „metale” colectate in miezurile stelare prin nucleosinteza sunt carbonul, azotul, oxigenul si neonul, toate fiind strict nemetale in chimie.
O stea fuzioneaza atomi mai usori, in principal hidrogen si heliu, in atomi mai grei de-a lungul vietii sale. Folosita in acest sens, metalicitatea unui obiect astronomic este proportia materiei sale formata din elementele chimice mai grele.
Metalele, ca elemente chimice, cuprind 25% din scoarta terestra si sunt prezente in multe aspecte ale vietii moderne. Rezistenta si durabilitatea unor metale au condus la utilizarea lor frecventa, de exemplu, in constructiile de cladiri inalte si de poduri, precum si in majoritatea vehiculelor, multe aparate electrocasnice, unelte, tevi si sine de cale ferata.
Se crede ca istoria metalelor rafinate incepe cu utilizarea cuprului in urma cu aproximativ 11.000 de ani. Aurul, argintul, fierul (ca fier meteoric), plumbul si alama au fost de asemenea utilizate inainte de prima aparitie cunoscuta a bronzului in mileniul al V-lea i.Hr. Evolutiile ulterioare includ productia de forme timpurii de otel; descoperirea sodiului — primul metal usor — in 1809; ascensiunea otelurilor aliate moderne; si, la sfarsitul celui de-al Doilea Razboi Mondial, dezvoltarea unor aliaje mai sofisticate.
Proprietati
Forma si structura
Metalele sunt stralucitoare, cel putin atunci cand sunt proaspat prelucrate, lustruite sau fracturate. Foile de metal mai groase de cativa micrometri par opace, dar foita de aur transmite lumina verde.
Starea solida sau lichida a metalelor isi are originea in mare parte din capacitatea atomilor de metal implicati de a-si pierde cu usurinta electronii din invelisul exterior. In linii mari, fortele care mentin electronii invelisului exterior ai unui atom individual sunt mai slabe decat fortele atractive asupra acelorasi electroni, care decurg din interactiunile dintre atomi din metalul solid sau lichid.
Electronii implicati devin delocalizati, iar structura atomica a unui metal poate fi vizualizata efectiv ca o colectie de atomi incorporati intr-un nor de electroni relativ mobili. Acest tip de interactiune se numeste legatura metalica. Forta legaturilor metalice pentru diferite metale elementare atinge un maxim in jurul centrului seriei metalelor de tranzitie, deoarece aceste elemente au un numar mare de electroni delocalizati.
Desi majoritatea metalelor elementare au densitati mai mari decat majoritatea nemetalelor, exista o mare variatie in densitatile lor, litiul fiind cel mai putin dens (0,534 g/cm cubi) si osmiul (22,59 g/cm cubi) cel mai dens. Magneziul, aluminiul si titanul sunt metale usoare de importanta comerciala semnificativa.
Densitatile lor respective de 1,7, 2,7 si 4,5 g/cm cubi, pot fi comparate cu cele ale metalelor structurale mai vechi, cum ar fi fierul la 7,9 si cuprul la 8,9 g/cm cubi. Astfel, o minge de fier ar cantari aproximativ trei bile de aluminiu de volum egal.
Metalele sunt de obicei maleabile si ductile, deformandu-se sub stres fara a se scinda. Se crede ca natura nedirectionala a legaturilor metalice contribuie in mod semnificativ la ductilitatea majoritatii solidelor metalice. In schimb, intr-un compus ionic cum ar fi sarea de masa, atunci cand planurile unei legaturi ionice aluneca unul pe langa celalalt, schimbarea rezultata a locatiei schimba ionii cu aceeasi sarcina in imediata apropiere, ducand la scindarea cristalului.
O astfel de schimbare nu este observata intr-un cristal legat covalent, cum ar fi un diamant, unde are loc fractura si fragmentarea cristalului. Deformarea elastica reversibila a metalelor poate fi descrisa prin Legea lui Hooke pentru fortele de restabilire, unde solicitarea este liniar proportionala cu deformarea.
Caldura sau fortele mai mari decat limita elastica a unui metal pot provoca o deformare permanenta (ireversibila), cunoscuta sub numele de deformare plastica sau plasticitate.
O forta aplicata poate fi o forta de tractiune (de tragere), o forta de compresiune (impingere) sau o forta de forfecare, incovoiere sau torsiune (rasucire).
O schimbare de temperatura poate afecta miscarea sau deplasarea defectelor structurale ale metalului, cum ar fi limitele granulelor, punctele libere, dislocarea liniilor, defecte de stivuire, atat in metalele cristaline cat si necristaline. Poate aparea alunecarea interna, fluajul si oboseala metalica.
Atomii substantelor metalice sunt in mod obisnuit aranjati intr-una dintre cele trei structuri cristaline comune, si anume cubici, centrati pe corp (bcc), cubici centrati pe fata (fcc) si compactati hexagonal (hcp). In bcc, fiecare atom este pozitionat in centrul unui cub de alti opt. In fcc si hcp, fiecare atom este inconjurat de alti doisprezece, dar stivuirea straturilor difera. Unele metale adopta structuri diferite in functie de temperatura.
Celula unitara pentru fiecare structura cristalina este cel mai mic grup de atomi care are simetria generala a cristalului si din care intreaga retea cristalina poate fi construita prin repetare in trei dimensiuni. In cazul structurii cristaline cubice centrate pe corp prezentata mai sus, celula unitara este formata din atomul central plus unu-opt din fiecare dintre cei opt atomi de colt.
Distributia tabelului periodic
In chimie, elementele care sunt de obicei considerate a fi metale in conditii obisnuite sunt afisate cu galben in tabelul periodic. Elementele ramase sunt fie metaloizi (B, Si, Ge, As, Sb si Te fiind recunoscute in mod obisnuit ca atare) sau nemetale. Astatinul (At) este de obicei clasificat fie ca nemetal, fie ca metaloid, dar unele predictii se asteapta ca acesta sa fie un metal; ca atare, a fost lasat necompletat din cauza starii neconcludente a cunostintelor experimentale.
Celelalte elemente aratate ca avand proprietati necunoscute sunt probabil metale, dar exista unele indoieli pentru coperniciu (Cn) si oganesson (Og).
Ce sunt aliajele?
Un aliaj este o substanta cu proprietati metalice si care este compusa din doua sau mai multe elemente dintre care cel putin unul este un metal. Un aliaj poate avea o compozitie variabila sau fixa. De exemplu, aurul si argintul formeaza un aliaj in care proportiile de aur sau argint pot fi ajustate liber; titanul si siliciul formeaza un aliaj Ti2Si in care raportul dintre cele doua componente este fix (cunoscut si ca compus intermetalic).
Majoritatea metalelor pure sunt fie prea moi, fragile, fie reactive chimic pentru utilizare practica. Combinarea diferitelor rapoarte de metale ca aliaje, modifica proprietatile metalelor pure pentru a produce caracteristici dorite. Scopul fabricarii aliajelor este, in general, de a le face mai putin fragile, mai dure, rezistente la coroziune sau sa aiba o culoare si un luciu mai dorite.
Dintre toate aliajele metalice utilizate in prezent, aliajele de fier (otel, otel inoxidabil, fonta, otel pentru scule, otel aliat) reprezinta cea mai mare proportie atat in functie de cantitate, cat si ca valoare comerciala. Fierul aliat cu diferite proportii de carbon da oteluri cu carbon scazut, mediu si ridicat, cu niveluri crescute de carbon reducand ductilitatea si duritatea. Adaugarea de siliciu va produce fonte, in timp ce adaugarea de crom, nichel si molibden la otelurile carbon (mai mult de 10%) are ca rezultat oteluri inoxidabile.
Alte aliaje metalice semnificative sunt cele de aluminiu, titan, cupru si magneziu. Aliajele de cupru sunt cunoscute inca din preistorie – bronzul a dat numele epocii bronzului – si au multe aplicatii si astazi, cel mai important rol al lor fiind in cablarea electrica.
Aliajele celorlalte trei metale au fost dezvoltate relativ recent; datorita reactivitatii lor chimice necesita procese de extractie electrolitica. Aliajele de aluminiu, titan si magneziu sunt apreciate pentru raporturile lor ridicate rezistenta-greutate; magneziul poate oferi, de asemenea, ecranare electromagnetica.
Aceste materiale sunt ideale pentru situatiile in care raportul mare rezistenta-greutate este mai important decat costul materialului, cum ar fi in industria aerospatiala si in unele aplicatii auto.
Aliajele special concepute pentru aplicatii foarte solicitante, cum ar fi motoarele cu reactie, pot contine mai mult de zece elemente.
Categorii de metale
Metalele pot fi clasificate in functie de proprietatile lor fizice sau chimice. Categoriile includ metale feroase si neferoase; metale casante si metale refractare; metale albe; metale grele si usoare; si metale comune, nobile si pretioase.
In general, se clasifica metalele elementare pe baza proprietatilor lor chimice in metale alcaline si alcalino-pamantoase; metale de tranzitie si post-tranzitie; si lantanide si actinide. Sunt posibile si alte categorii, in functie de criteriile de includere. De exemplu, metalele feromagnetice – acele metale care sunt magnetice la temperatura camerei – sunt fierul, cobaltul si nichelul.