Metal

  1 2   3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H     Hey
2 Li Ol   B VS DEĞİL Ö F Doğmuş
3 Yok Mg   Al Evet P S Cl Ar
4 K O   Sık iğne Ti V Cr Mn Fe Co Veya Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Pzt Tc Ru Rh Pd Ag CD İçinde Sn Sb Sen ben Xe
6 Cs Ba * Okuyun Hf Sizin W Yeniden Kemik Ir Pt Şurada: Hg Tl Pb Bi Po Şurada: Rn
7 Fr Ra *
*
Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt DS Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
     
 
*
La Bu Pr Nd Pm Sm Vardı Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
 
*
*
AC Th Baba U Np Abilir Am Santimetre Bk Cf Dır-dir Fm Md Hayır  
       
  Li   Metaller
  B   Metaloidler
  H   Metal olmayanlar
  Mt   Bilinmeyen kimyasal yapı

Olarak kimya , metaller olan maddeler olan atomu tarafından birleştirilmiştir metalik bağlar . Bunlar basit cisimler veya alaşımları en sık sert, opak, parlak, iyi ısı iletkenler ve elektrik . Genellikle yumuşaktırlar, yani çatlamadan veya kırılmadan şekillerini değiştirmek için dövülebilir veya sıkılabilirler. Atmosferik basınçta metalik olarak sınıflandırılmayan birçok madde, yüksek basınçlara maruz kaldığında metalik özellikler kazanabilir. Metallerin birçok ortak uygulaması vardır ve tüketimleri 1980'lerden bu yana bazılarının kritik mineral hammaddeleri haline gelene kadar dramatik bir şekilde artmıştır .

Gelen astrofizik ve özellikle yıldız fizik dediğimiz metal bir kimyasal element dışında hidrojen ve helyum . Bu elementler, yıldızlar tarafından salınan enerjiyi üreten bir süreç olan nükleer füzyon yoluyla hidrojen ve helyumdan yıldız nükleosenteziyle üretilir . Bu açıdan bakıldığında, metallik bir yıldızın onu oluşturan hidrojen ve helyum dışındaki diğer elementlerin oranıdır.

Metallerin metal bağı ve kristal yapıları

Elektronlar ve saf veya alaşımlı metal malzeme dağıtılır enerji seviyeleri arasında bir süreklilik oluşturulması valans tarafından işgal valans elektronları ve iletim bandı , termal ötesinde valans enjekte serbest elektronlar tarafından işgal Fermi seviyesi . Bu serbest elektronlar, malzemenin hacmi boyunca yerelleştirilmiş bir metalik bağ oluşturur. Bir metali , çok hareketli elektronlardan oluşan bir sıvıda yıkanmış üç boyutlu bir metal katyonlar ağı olarak hayal edebiliriz . Serbest elektron modeli hesaplamak için kullanılabilir elektriksel iletkenliği gibi elektron katkı ısı kapasitesi ve ısı iletkenlik bu model dikkate yapısını almaz, ancak metallerin metalin kristal kafes . Metaller arası gibi bazı malzemeler kısmen metalik bağlara sahiptir ve bu nedenle seramikler üzerinde sınır oluştururlar .

Bir metalik bağ, özellikle elektronik doğa açısından metallerin birkaç makroskopik özellikler sorumludur: serbest elektron sıvı hem de sağlamaktadır elektrik iletkenliği yüksek ve yüksek ısı iletkenliği , bir akışını sağlayarak elektrik akımı ve ilerlemesini teşvik. Fononlarını malzeme; diğer atomlararası bağları kıran deformasyon durumunda kohezyonunu koruyarak metallerin sünekliği , işlenebilirliği ve plastisitesini açıklar ; elektromanyetik dalgalarla etkileşimi ile metallere emiciliğini ve parlaklığını verir , ayrıca erime noktaları ve diğer atomlar arası bağları güçlendiren metal olmayanlardan daha yüksek kaynama noktaları verir . İkincisi, özellikle kovalent koordinasyon bağları , katı metallerin oluşturduğu farklı kristal yapılardan sorumludur : en sık olanı ortalanmış kübik yapıdır , ardından kompakt altıgen yapı ve yüz merkezli kübik yapı gelir .

Merkezlenmiş bir kübik yapıda, her atom, sekiz komşu atomun oluşturduğu bir küpün merkezinde yer alır. Yüz merkezli kübik ve altıgen kompakt yapılarda, her atom on iki başka atomla çevrelenmiştir, ancak bu atomların yığılması bu iki yapı arasında farklılık gösterir. Bazı metaller, maruz kaldıkları sıcaklık ve basınca bağlı olarak farklı kristal yapıları benimseyebilir.

Tüm metaller - özellikle alaşımlar - ancak, kristallidir ve amorf metal alaşımları oluşturulabilir ile hızlı söndürme erimiş metal alaşımlarının. Bu amaçla, atomları oldukça farklı boyutlara sahip olan ve hızlı soğutma sırasında kristalleşmeyi sınırlayan erimiş metaller kullanılır. Metalik cam olarak da adlandırılan amorf metal alaşımları , genel metallere kıyasla daha iyi tokluk , daha az kırılganlık ve ayrıca deformasyona ve korozyona karşı daha fazla direnç sergiler .

Bir metalik bağ mukavemeti metal atomu başına serbest elektron sayısına özellikle bağlıdır ve bir maksimuma ulaşır geçiş metali orta için bloğun en 5 inci  dönemi arasında ve ötesinde refrakter metaller . Metalik bağlar , diğer atomlararası bağların aksine sıvı halde kaldığından, belirli bir metalin metalik bağının gücünün en iyi göstergesi, erime noktasından ziyade kaynama noktasıdır.

Metalik kimyasal elementler

  1 2   3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H     Hey
2 Li Ol   B VS DEĞİL Ö F Doğmuş
3 Yok Mg   Al Evet P S Cl Ar
4 K O   Sık iğne Ti V Cr Mn Fe Co Veya Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Pzt Tc Ru Rh Pd Ag CD İçinde Sn Sb Sen ben Xe
6 Cs Ba
*
Okuyun Hf Sizin W Yeniden Kemik Ir Pt Şurada: Hg Tl Pb Bi Po Şurada: Rn
7 Fr Ra
*
*
Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt DS Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
     
 
*
La Bu Pr Nd Pm Sm Vardı Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
 
*
*
AC Th Baba U Np Abilir Am Santimetre Bk Cf Dır-dir Fm Md Hayır  
       
  Li   Alkali metaller
  Ol   Alkali toprak metalleri
  La   Lantanitler
  AC   Aktinitler
  Sık iğne   Geçiş metalleri
  Al   Zayıf metaller
  B   Metaloidler
  VS   Çok atomlu ametaller
  Ö   İki atomlu metal olmayan
  Doğmuş   Tek atomlu ametaller
  Nh   Bilinmeyen kimyasal yapı

Olarak elementlerin periyodik tablonun , metaller ayrılır tablonun sağ, sol, orta ve kısmını işgal ametaller ile metaloıdlerın . Kimyasal özellikleri bir şekilde karakterize edilen 110 element arasında  yaklaşık 86 metal ve 7 metaloid vardır. Karşıt tablodaki metaller ve metal olmayanlar arasındaki ayrım çizgisi gelenekseldir: keyfidir ve metaller ile metal olmayanlar arasındaki geçişi nispeten sürekli olan ve üst üste binmeye neden olan elementler arasındaki makroskopik özelliklerde açık bir kırılmaya işaret etmez. bazı metaloidlerde metalik ve metalik olmayan özellikler. Buna ek olarak, aynı eleman birkaçına göre var olabilir alotropik çeşitleri diğerleri için bazı ve daha fazla non-metalik için daha fazla metalik özelliklere sahip: iyi bir örnektir kalay altında bir bir yandan mevcut, gri α faz arasında kübik yapısı arasında elmas türü , düşük sıcaklıklarda stabildir, metal olmayan özelliklere yakın metaloid özelliklere sahiptir ve diğer yandan, özellikleri zayıf bir metale ait olan tetragonal yapının beyaz fazı altında .

Metallerin özellikleri tekdüze değildir ve bunları, bu elementler arasındaki özelliklerdeki farklılıkları hesaba katan az çok gayri resmi aileler halinde sınıflandırmak gelenekseldir. Kimyasal bir bakış açısından, metalik karakter masanın soluna ve altına doğru hareket ettikçe daha da belirgindir. Bu nedenle, en metalik elementler alkali metallerdir , en az metalik ise diatomik metal olmayanlardır , özellikle halojenlerdir . Diğer iki element ailesi arasında geleneksel olarak alkali toprak metalleri , lantanitler , aktinitler , geçiş metali ve adı geçen metal "zayıf" olarak tanımlanır; ikincisi, metal özelliklerinin en az iddialı olduğu metallerdir.

Pratik bir bakış açısıyla, metalik element ve alaşım ailelerini belirten çok çeşitli terimler vardır. Sırasıyla ferrit içeren veya içermeyen alaşımları dikkate alıp almadığımıza bağlı olarak demir içeren ve içermeyen metallerden bahsediyoruz . Nemli havada korozyona ve oksidasyona dirençli metal elementleri belirtmek için asil metallerden söz ediyoruz : bunlar rutenyum , rodyum , gümüş , osmiyum , iridyum , platin ve altındır  ; cıva ise bazen de, bir asil metal olduğu kabul edilir , titanyum , niyobyum ve tantalum korozyona karşı çok dayanıklı olmaları, soy metaller olarak kabul edilmez. Her biri bir ISO 4217 para koduna sahip olan altın , gümüş , platin ve paladyum gibi en yüksek piyasa değerine sahip en nadir metalleri belirlemek için değerli metallerden söz ediyoruz  : sırasıyla XAU, XAG, XPT ve XPD; platinoidler ayrıca değerli metaller olarak kabul edilir. Özellikle yüksek sıcaklıklara ve aşınmaya dirençli metalleri belirtmek için refrakter metallerden söz ediyoruz  : bunlar tipik olarak niyobyum , molibden , tantal , tungsten ve renyumdur  ; teknetyum refrakter, ama genellikle çünkü böyle olarak adlandırılan değildir sentetik ve radyoaktif .

Metallerin özellikleri

Fiziki ozellikleri

Saf metaller genellikle elektrik iletkenliğine , termal iletkenliğe ve yüksek yoğunluğa sahiptir . Gümüş böylece en iyi elektrik iletkeninin (6.30 x 10 7  Sm -1 takiben), bakır (5.96 x 10 7  Sm -1 ), altın (4.10 x 10 7  Sm -1 ) ve alüminyum (3.50 x 10 7  S m −1 ). Elektriksel iletkenlik demir 10 7  Sm -1 , bu ise 1010 karbon çeliği (% 0,10 karbon demir ) Sadece 6.99 x 10 6  Sm -1 , metaller iletkenliğine yabancı maddelerin etkisini göstermektedir.

Çoğu metalin yoğunluğu metal olmayanların çoğundan daha büyük olmasına rağmen , bu, dikkate alınan malzemelere bağlı olarak çok değişkendir. Arasında basit bir metalik organları , lityum (daha az yoğun olan 0.534  g cm- -3 az 25  ° C iken) osmiyum en yoğun olduğu ( 22.59  g cm -3 ). Alkali metaller (lityum içerir) ve alkalin toprak metalleri metallerin daha az yoğun olan, ayrıca daha az serttirler ve alkali metallerin erime noktası çok düşüktür: lityumun yanı sıra 100  ° C'de hepsi sıvıdır . Çoğu metalin yüksek yoğunluğu, kompakt kristal yapılarından gelir .

Metaller ayrıca genel olarak iyi işlenebilirlik ve kırılmadan deforme olmalarına izin veren yüksek süneklik ile karakterize edilir . Böylece, saf bakır gerilerek elektrik telleri , borular ( sıhhi tesisat ) oluşturulabilir, tabağa konulabilir ve tava şeklinde dövülebilir  ; saf altın da çok ince tabakalar şeklinde konulabilir . Tersine, bazı alaşım elementleri metali sertleştirmeyi mümkün kılar: bu, örneğin çeliği vermek için demiri sertleştiren karbon , bronz vermek için bakırı sertleştiren kalay veya daha fazla gümüş ve altını sertleştiren bakırdır.

Metalik bağların gücü, yapılarında çok sayıda delokalize elektrona sahip oldukları için , geçiş metalleri ailesinin merkezine , refrakter metallerin seviyesine yakın en yüksektir . Bununla birlikte, atom yarıçapı , atom numarası , yörünge bağının sayısı , yörünge enerjisinin üst üste gelmesi ve kristal yapının tipi gibi başka faktörler de devreye girer ; ortalanmış kübik yapılar böylece ortalanmış yüzlere ve kompakt altıgene sahip kübik yapılara göre daha az güçlü metalik bağlar sağlar, çünkü ikincisi daha yüksek bir koordinasyona sahiptir , yani birincisinden daha fazla komşu atomu bağlarlar.

Metaller genellikle parlak bir yüzeye sahiptir ve kalınlıkları birkaç mikrometreyi aştığında opaktırlar  ; altın yaprakları yine de yeşil ışık iletir.

Mekanik özellikler

Elastik gerilme metallerin tarafından modellenebilir Hook kanununa zaman gerginlik bir olan doğrusal fonksiyon arasında stres . Akma dayanımının üzerinde kuvvetlerin uygulanması veya ısıtma, nesnede plastik deformasyona karşılık gelen kalıcı deformasyona yol açabilir . Malzemenin atomlarının düzenindeki bu geri dönüşü olmayan değişiklik, uygulamadan kaynaklanabilir:

Örneğin, tane sınırları etrafındaki viskoz akış, metalin sürünmesine veya yorulmasına neden olabilir . Ayrıca, tanecikler arası gözenekliliği ortadan kaldırarak, tane büyümesi ve malzeme yoğunluğundaki bölgesel artış gibi mikro yapıdaki önemli değişikliklere de katkıda bulunabilir. Ek olarak, metal bağların yönsüz doğası , katı metallerin sünekliğine önemli ölçüde katkıda bulunabilir.

Manyetik özellikler

Bazı metaller, ferromanyetizma gibi dikkat çekici manyetik özellikler sergiler . Bunlar özellikle oda sıcaklığında demir , kobalt ve nikeldir . Bazı nadir toprak elementleri ( lantanidler olarak periyodik tablonun ) aynı zamanda düşük sıcaklıklarda ferromanyetik bulunmaktadır. Manyetik özellikler , güçlü mıknatıslar oluşturmak veya demir gibi bir metalin manyetizmasını geçersiz kılmak için kullanılabilen alaşımlara göre değişir .

Oksitlerin özellikleri

Metaller elektron kaybederek katyon oluşturma eğilimindedir . Sodyum ve böylece katyon Na oluşturmak için bir elektron kaybeder + , kalsiyum iki elektron katyon Ca oluşturmak için + 2 , demir demir katyon Fe oluşturmak üzere iki elektron 2+ ferrik katyon Fe oluşturmak üzere ya da üç elektron 3+ . Bu metal iyonları çözeltide veya lityum klorür LiCl veya gümüş sülfür Ag 2 S gibi tuzlarda bulunur..

Metaller havadaki oksijenle tepkimeye girerek oksitler oluşturur : demir birkaç ay, hatta yıllar içinde pas oluşturur , potasyum ise saniyeler içinde yanar. Aşağıdaki reaksiyonlar , metal oksidasyon örnekleridir:

4 Na + O 2→ 2 Na 2 O ; 2 Ca + O 2→ 2 CaO (sönmemiş kireç); 4 Al + 3 O 2→ 2 Al 2 O 3( korindon ).

Geçiş metalleri, örneğin, demir , kobalt ve nikel daha yavaş oksidasyon bir tabaka oluşturur çünkü oksitlenir pasifleştirme malzemenin iç korumak için. Bazıları, oksidasyonun ilerlemesini tamamen engelleyen ve hem metalik parlaklığını hem de iyi elektriksel iletkenlik özelliklerini on yıllar boyunca korumalarına izin veren geçirimsiz bir katman oluşturur: bunlar örneğin alüminyum , magnezyum , paslanmaz çelik ve titanyumdur . Oldukça asidik olan metal olmayan oksitlerin aksine metal oksitler genellikle baziktir  ; asidik metal oksitler, krom trioksit CrO 3 gibi çok yüksek oksidasyon durumlarında bulunur., dimanganez heptoksit Mn 2 O 7ve osmiyum tetroksit OsO 4, kesinlikle asidik reaksiyonlar sergileyen. Paladyum , platin ve altın gibi diğer metaller açık havada hiçbir şekilde reaksiyona girmezler: bu nedenle asil metaller olarak adlandırılırlar .

Metallerin korozyonu boyanarak , anotlanarak veya kaplanarak önlenebilir . Bu bir elektrokimyasal reaksiyon olduğundan , korumanın etkili olabilmesi için metale göre daha indirgeyici bir metal kullanılması gerekir , aksi takdirde kaplama, özellikle çizilme durumunda korozyonu artırabilir.

Alaşımlar

Bir alaşım , ana bileşeni bir metal olan iki veya daha fazla kimyasal elementin bir karışımıdır . Saf metallerin çoğu, oldukları gibi kullanılamayacak kadar yumuşak, çok kırılgan veya çok reaktiftir. Farklı bileşenlerinin göreceli oranlarını değiştirerek alaşımların özelliklerini değiştirmek mümkündür. Bu genellikle onları daha az kırılgan, daha sert, korozyona karşı daha dirençli hale getirmeyi veya onlara daha çekici bir renk ve parlaklık vermeyi içerir. Günümüzde kullanılan tüm metal alaşımları arasında, demir - çelik , alaşımlı çelik  (inç) , takım çeliği , karbon çeliği , paslanmaz çelik , dökme demir gibi olanlar, hem değer hem de hacim olarak değer olarak üretimin büyük kısmını hesaba katmak için. Demir alaşımlı karbon daha az ve daha az yumuşak ve dayanıklı karbon içeriği arttıkça olan çelikler ile sonuçlandığını göstermektedir. İlavesi, silikon verir ferrosilikon , genellikle dökme demirden ile alaşım, ıken, krom , nikel ve molibden karbon çelikleri (% 10'dan fazla) paslanmaz çelikten sonuçları.

Demir alaşımlarının yanı sıra bakır , alüminyum , titanyum ve magnezyum alaşımları da ekonomik açıdan önemlidir. Bakır alaşımları Tunç Çağı'ndan beri bronz olarak biliniyor . Sırt kadar kullanılan bir alaşım olduğunu Ortaçağ para yapmak ve biraz öncelikle bakır çoğunlukla, para ve zaman zaman cıva . Günümüzde, bronz özellikle bir bakır ve kalay alaşımını ifade ederken, pirinç bir bakır ve çinko alaşımıdır ve nikel gümüş bir bakır, çinko ve nikel alaşımıdır . Bu alaşımlar, özellikle elektrik tesisatlarında çeşitli endüstriyel kullanımlara sahiptir . Alüminyum, titanyum ve magnezyum alaşımları daha yakın zamanda geliştirilmiştir ve oldukça düşük bir yoğunluk için yüksek mekanik mukavemetleri nedeniyle avantajlıdır ; Ancak maliyet fiyatları yüksektir, bu da kullanımlarını performansın maliyetten daha önemli olduğu yüksek teknoloji uygulamalarıyla sınırlar. Çeşitli alüminyum alaşımları arasında, ferforje ve dökümhane için olanlardan bahsedilebilir . Çinko alaşımı çinko oluşan alüminyum, magnezyum ve bakır alaşım haline.

Olağanüstü mekanik özelliklere ek olarak alaşımlar, metallerin, özellikle ötektiklerin erimesini kolaylaştırmayı da mümkün kılar . Örneğin, otomotiv endüstrisinde kullanılan yaklaşık% 78 alüminyum,% 17 silikon,% 4 bakır ve% 1 magnezyumda hipereutektik alüminyum - silikon sistemi ve alaşım kalay - kurşun Sn 63 Pb durumudur. 37183  ° C'de erir - kalay ve kurşunun 232  ° C ve 327  ° C olan ilgili erime noktalarını karşılaştırmak için . En düşük erime noktasına sahip metal alaşımlarından biri , kütle bileşimi tipik olarak% 68 galyum ,% 22 indiyum ve% 10 kalay olan ve oda sıcaklığında sıvı olan galinstandır . Bu aynı zamanda, % 77 potasyum ve% 23 sodyumdan oluşan , ancak aşındırıcı ve özellikle nemin varlığında açık havada çok yanıcı olan ve çok özel uygulamalar için kullanımını sınırlayan NaK ötektiği için de geçerlidir.

Jet motorlarındakiler gibi süper alaşımlar olarak adlandırılan gelişmiş uygulamalar için tasarlanmış özel alaşımlar , ondan fazla farklı element içerebilir. Şekil bellekli alaşımlar, uygulamaların alaşımlar, başka bir türü Fe - Mn - ıf , Cu - Zn - Al ve Cu - Al - Ni , örneğin, oldukça ucuz, fakat bir çok çeşitli vardır.

Cevher

Metaller çoğunlukla pozitif bir oksidasyon durumu sergilerler , yani doğal olarak katyonlar oluşturma eğilimindedirler . Bununla birlikte, negatif oksidasyon durumuna sahip metal anyonları vardır , örneğin Fe (CO) 5 - gibi belirli karbonil kompleksleri ileveya sodyum anyonu Na - ile .

Etimolojik olarak metal, eski Yunanca'da bir madenden çıkarılan bir maddedir - μέταλλον . Pratikte, metaller genellikle istenen elementleri içeren cevherler şeklinde çıkarılır . Bu cevherlerin doğası kimyasal olarak çok çeşitli olabilir. Bunlar genellikle boksit ( alüminyum cevheri ), ilmenit ( titanyum cevheri ), hematit ve manyetit ( demir cevheri ) veya pitchblend ( uranyum cevheri ) gibi oksitlerdir . Ayrıca içerebilir sülfatlar gibi kalkopirit (cevher bakır ), sfalerit (cevher çinko ), molibden (cevher molibden ) ya da zinober (cevher cıva ). Vardır silikatlar gibi, Beril ( berilyum cevheri ), karbonatlar gibi dolomit ( magnezyum cevheri ), ve bileşiklerin diğer birçok türde.

Madenlerden çıkarıldıktan sonra , mineraller, çoğunlukla kimyasal veya elektrolitik indirgeyerek istenen metali izole etmek için işlenir . Pirometalurjik yükseltilmiş sıcaklıklardan kullanımları sırasında, ham metal cevherleri dönüştürmek için hidrometallürjik geçiş metali olup, burada en az bir aşamada solvatlanmış olarak su . Kullanılan yöntemler, metallere ve safsızlıklarına bağlıdır.

Cevher, metal olmayan bir metalin iyonik bir bileşiğinden oluştuğunda , cevherin genellikle eritilmesi , yani saf metali ondan çıkarmak için bir indirgeme ajanı varlığında ısıtılması gerekir. Gibi bir çok sık görülen metaller demir varlığında eritildiği karbon indirgeyici bir madde olarak faydalıdır. Diğer metaller ise bu şekilde indirgenemez ve elektrolizle saflaştırılır  : özellikle alüminyum ve sodyum için durum böyledir . Sülfitler doğrudan indirgenmiş değildir, ancak ilk olarak daha önce daha sonra geleneksel bir şekilde tedavi edilir oksitler, çevrilmek üzere açık havada kavrulur.

Bazı mineraller doğal elementlerdir , en önemlisi doğal bakır , doğal gümüş , doğal altın veya meteorik demirdir , ancak doğal demir , doğal nikel (kayalarda orijinal göktaşı ( nikel - demir )), yerli kadmiyum , yerli indiyum , yerli kalay , yerli antimon , yerli tellür , yerli cıva , yerli kurşun , bizmut . Bu cevherler sıvı halde meydana cıva hariç, katı, yukarıda -39  ° C de genel olarak bir metal birkaç kilogram aşmayan ve en çok ilişkili olmayan küçük cepler asal metallerin. , Hangi ile meydana amalgam . Platin grubu metaller olarak da mineral formda ya da daha az saf ana kadar doğal rutenyum , doğal rodyum , doğal paladyum , doğal osmiyum , doğal iridyum ve doğal platin .

Başvurular

Bazı metaller ve alaşımlar , birim kütle başına yüksek yapısal dayanıma sahiptir, bu da onları ağır yükleri taşımak ve şiddetli darbelere dayanmak için yararlı kılar. Metal alaşımları, kayma , eğilme ve deformasyon gerilimlerine karşı yüksek dirence sahip olacak şekilde tasarlanabilir . Bununla birlikte, aynı metal, tekrarlanan gerilim veya maksimum gerilimi aşmanın bir sonucu olarak yorulmaya maruz kalabilir . Metallerin mukavemeti ve esnekliği , gökdelenlerin ve yapıların yanı sıra her tür araç , aparat ve cihaz, alet , boru veya demiryolu raylarının yapımında ortak kullanımlarına yol açmıştır .

En çok kullanılan iki metal, demir ve alüminyum , aynı zamanda yer kabuğunda en çok bulunan metallerdir . Demir, ikisinin en yaygın kullanılanıdır: tüm büyük metal yapıların (kiriş, ray, gemi gövdesi) temelidir. Alüminyum hemen hemen her zaman bu demirden daha az yaygın olduğu yararlanarak uygulamalarda, mekanik özelliklerini geliştirmek amacıyla diğer metallerle alaşım kullanılan edilir ( 2.70  g cm -3 karşı 7.87  g cm -3 ) ve daha iyi elektrik iletkeni (3.50 × 10 7  S m −1'e karşı 10 7  S m −1 ); alüminyum için de tercihen kullanılabilir, örneğin bir bakır içinde yüksek gerilim havai elektrik kabloları .

Bakır hala iletkeni olarak onun iyi özelliklerinden en başta kullanılan elektriğin içinde elektrik kabloları ve aynı termal iletken içinde mutfak eşyaları . Isı iletken özellikleri, bazı metalleri aşırı ısınmayı önlemek için ısı emiciler yapmak için ilginç malzemeler haline getirir . Daha az miktarda bulunan metaller alaşımlarda ( krom , manganez , titanyum ) kullanılır ve en nadir olanlar genellikle katalizör ( özellikle platinoidler ) ve bazen finansal yatırımlar veya mücevherat ( değerli metaller ) olarak müdahale eder . Yüksek yansıtma gibi belirli metallerin gümüş , yapımı için onlara seçim malzemelerini yapmak aynalar , özellikle de teleskop . Kuyumculukta kullanılan bazı metallerin estetik çekiciliğinin de kökenindedir. Uranyum sonra, bir metal izotop ayrılması , tedarik etmek için kullanılır nükleer reaktör kendi enerji serbest bırakmak için fisyon . Hava ve / veya suya çok reaktif olan diğer metaller metal haldeyken nadiren kullanılır ( sodyum , potasyum , kalsiyum ).

Bazı durumlarda, genellikle hafiflik ( polimerler , kompozitler , seramikler ) veya korozyon veya aşınmaya karşı direnç (seramikler) nedeniyle metaller başka malzemelerle değiştirilme eğilimindedir . Bununla birlikte, bu malzemelerin metallere kıyasla sınırları da vardır, özellikle polimerler ve polimer matrisli kompozitler yüksek sıcaklıklarda kullanılamaz ve genellikle daha esnektir, seramikler ise zayıf darbe direncine sahiptir.

Metaller, organik , mineral , biyolojik ve hatta polimerler olabilen yabancı moleküller ile takviye edilebilir . Bu moleküller metale, katalizörler , tıp , elektrokimya ve korozyon direnci gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabilecek yeni özellikler verir .

Kimyasal şartname

Farklı oksidasyon durumları, konformasyonları, kompleksleri veya geçici formlar, bir elementin farklı kimyasal türlerini temsil eder ve bunların gelişiminde, korozyonunda ve ayrıca bunların biyoyararlanımı ve toksisiteleri veya ekotoksisitelerinde önemli bir rol oynar. Bazı metalik eser element türleri (TME), organizmalar tarafından diğerlerine göre daha kolay asimile edilir, bu da metalin doğasına ve konsantrasyonuna (temel element veya değil) bağlı olarak faydalı veya zararlı etkiler oluşturur.

Bir elementin kimyasal türü, parçalanması veya bölünmesi ile karıştırılmamalıdır. Bilimsel literatür bazen bu kavramları karıştırır ve bu da bu alanlardaki araştırmayı karmaşıklaştırır.

Bu bölüm bu nedenle TME'lerle ilgili kimyasal türlerin ana kategorilerini açıklar ve çeşitli toksik seviyelerdeki kimyasal türlerin örneklerini sunar.

Oksidasyon ve indirgeme

Yukarıda belirtildiği gibi, metaller genellikle cevherlerde doğal olarak bulunur; oksitlenmiş durumdadırlar. Örneğin, demir hematitte Fe (III) durumunda , Fe (II) durumunda ve Fe (III) manyetitte , Al (III) durumunda alüminyum boksitte bulunur ... Birincil metalurji esasen cevherin indirgenmesinden ibarettir . bir oksidasyon durumu elde etmek için (0).

Tersine, çevre ile reaksiyona girerek, metal suda oksitlenecek ve çözünecek veya diğer atomlara veya iyonlara, özellikle oksijen ve hidroksil iyonuna bağlanacaktır . Korozyonun ana mekanizmalarından biridir.

Oksidasyon durumu bir sistemde metallerin organizmalar üzerinde etkilerini etkilemektedir. Örneğin, krom (III) temel bir elementtir (yani organizmanın düzgün çalışması için gereklidir) ve hücrelerin lipit zarlarına nüfuz etmekte güçlük çeker. Bazı genler için toksik olan Cr (VI) ise kanserojendir ve spesifik taşıyıcılar sayesinde hücrelere kolayca nüfuz eder. Diğer durumlarda, toksik olan daha az oksitlenmiş formlardır, örneğin arsenikle, toksisitesi As (III) için As (V) için olduğundan daha fazladır.

Bazı elementlerin izotopik bileşimi, çevrelerindeki bolluklarını veya toksisitelerini etkiler. Örneğin kurşun , dördü stabil olan yaklaşık yirmi izotop içerir : 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb ve 208 Pb. 206 Pb ve 207 Pb, uranyumun degradasyonundan ve 208 Pb degradasyondan kaynaklanır. Toryum, iki radyoaktif element; bu nedenle, bu izotopların bolluğu zamanla artar ve bu nedenle kurşunun izotopik bileşimi, uyarılan emisyon kaynaklarına göre değişir. Toksisitedeki bir başka ilginç varyasyon örneği, suyun izotopik bileşimi (H 2 O) ile bağlantılıdır: kemirgenlerin vücudundaki suyun% 60'ının H 2 18 O ile değiştirilmesi hiçbir etkiye sahip değilken, bunun% 30-40 ikamesi etkisizdir. D 2 O ile su bu hayvanların ölümüne neden olur.

Uranyumun nükleer yakıt üretmek için zenginleştirilmesi durumunda olduğu gibi, örneğin radyoaktif izotoplardaki materyali zenginleştirmek için izotopları sınıflandırmaya çalışılabilir . Tersine, tükenmiş uranyum mühimmatında olduğu gibi metali inceltmek mümkündür .

Metal izotopları, difüzyon fenomeni için izleyiciler olarak kullanılır  : önemli miktarda radyoaktif izotop içeren bir metal üretilir ve radyoaktivite profili, bu atomların ilerlemesini takip etmeyi mümkün kılar.

Bileşik ve inorganik kompleks

Metaller, farklı fizikokimyasal özelliklere sahip inorganik bileşikler veya kompleksler oluşturmak için genellikle inorganik ligandlarla birleşir. Örneğin, bu bileşiklerin yükü, çözünürlük, difüzyon katsayısı veya bağlanma kuvveti, organizmalardaki metallerin taşınmasını ve dolayısıyla biyoyararlanımını ve toksisitesini etkiler. Örneğin, bir nikel klorürler gibi tuzları (NiCl 2 ) ve sülfatlar (Niso 4 nikel sülfit (Ni ise), su ve düşük oral toksisite çözünür olan 3 S 2 ) su. Suda hemen hemen çözünür olmayan, fakat kanserojendir.

Organik bileşik

Şekerler, organik asitler, lipitler veya düşük moleküler ağırlıklı diğer organik bileşikler gibi organik bileşikler, metallerle az çok önemli afinitelere sahiptir. Bunların bazıları, sitrik asit ve malik asit gibi organik asitler , metallere kolayca bağlanan ve biyoyararlanımlarını azaltan bir fonksiyonel grup (hidroksilkarboksil) içerir; Bu bileşikler, topraktaki metallerin toksisitesini azaltan bir sinerji yaratarak topraktaki bitki ve mikroorganizmaların kökleri tarafından atıldıkları için karasal ekotoksikolojide geniş çapta incelenmiştir.

EDTA gibi şelatör adı verilen bazı özel organik bileşikler , metallerle çok kararlı kompleksler oluşturur. Şelatörler, termodinamik olarak güçlü şelatör-metal kompleksleri oluşturan zayıf asidik, çok dişli çözünür ligandlardır; bazen metallerle kirlenmiş su ve toprağın restorasyonu için veya bir matristen metalleri çıkarmak için kimyasal analitik yöntemlerde kullanılırlar.

Organometalik bileşik

Organometalik bileşikler , karbon ve metal arasında bir bağ içerir. Bu bağ, kovalent veya iyonik yapıya sahip olabilir; örneğin, karbon-sodyum ve karbon-potasyum bağları güçlü bir şekilde iyoniktir, karbon-kalay, karbon-kurşun ve karbon-cıva bağları güçlü bir şekilde kovalenttir ve karbon-lityum ve karbon-magnezyum bağları iyonik bağ ile kovalent bağ arasında bulunur. .

Örneğin, bioalkylation olduğunu, bir alkil (CH oluşumu x belirli mikroorganizmalar tarafından bir metal ile), toprak ve tortular ortak bir süreçtir. Bununla birlikte, metal metilasyonu (CH, ancak 3 -metal bağı) insanlar ve diğer canlılar metabolizması detoks oldukça toksik bileşikler, arsenik bazı metal alkiller ve selenyum oluşturur. Bununla birlikte, biyoalkilasyondan kaynaklanan çoğu organometalik ürün, belirli fungisitler veya benzin yanma ürünleri gibi antropojenik kökenlidir ve belirli organizmaların merkezi sinir sistemi için çok toksiktir (kalay, kurşun veya cıva ve altın gibi alkil türevleri).

Makromoleküler bileşik veya kompleks

Makromoleküler bileşikler veya kompleksler, kimyasal türlerin temsil sınırındadır. Yine de ayrı bir kategori oluştururlar çünkü canlı organizmalar için metallerin biyoyararlanımında özellikle önemli bir rol oynarlar. Aslında, organik maddenin biyolojik olarak parçalanmasından kaynaklanan hümik ve fülvik asitler, toprakta ve suda bulunan TME'leri harekete geçiren anyonlardır. Hümik ve fulvik asitlerin çok değişken ve karmaşık yapıları ve bileşimleri vardır, ancak metal türleşmesinde önemli bir rol oynadıklarına inanılmaktadır.

Biyokütle ve kolloidler gibi diğer organik ve inorganik partiküller metalleri adsorbe eder ve böylece biyoyararlanımlarını azaltarak toksisitelerini azaltır. Öte yandan, canlı organizmalardaki belirli nükleik asitler veya glikozaminoglikanlar gibi diğer anyonik makromoleküller, istem dışı olarak TME'lere bağlanır ve organizmaya zararlı olan mutageneze neden olur.

Metal türleşmesini etkileyen parametreler

Metallerin sulu ve katı fazlarda türleşmesi çeşitli parametrelerden etkilenir (ayrıca bu sayfanın Çevre bölümüne bakın):

Bu türleşme, kimyasal dengeye ulaşıldığını ifade eder. Bununla birlikte, metallerin inorganik ligandlarla kompleksleşmesi çok hızlıdır çünkü bunların birçoğu sulu fazda bulunur, ancak metallerin organik ligandlarla kompleksleşmesi daha fazla zaman gerektirir çünkü adsorpsiyon veya bağlanma bölgelerine daha az erişilebilir. Bu nedenle, birkaç yıldır stabil olan kontamine bir matriste metal kontaminasyonunun türleşmesini analiz etmek, kimyasal dinamikleri gelişen yeni kontamine bir matristen daha iyidir, aksi takdirde analizler önyargılı olabilir.

Ek olarak, kimyasal denge kavramıyla ilgili denge sabiti reaksiyonla gösterilebilir:

Metal n + + Ligand n- → Metal-Ligand

Denge sabiti K eşdeğer Bu denklemde ilişkili bağlantı tipine bağlı olarak değişebilir:

Bu nedenle Keq , iyonik çiftler için nispeten düşük ve kompleksler için daha yüksek olduğundan, metaller uzun vadede daha düşük bağlanma enerjisine sahip iyonik çiftlere göre kararlı komplekslerle birleşmeyi tercih eder.

Ekonomi ve jeopolitik

Kaynak kıtlığı

Elektronik, bilgi ve iletişim teknolojileri ve havacılık gibi çok sayıda endüstrinin gelişimi ve verim ve verimlilik arayışında "tüm teknolojik" iddiası, metallerin üretiminde ve tüketiminde benzeri görülmemiş bir artışa yol açmıştır. 1990'dan 2010'a büyüme dönemi, ana metal üretiminin iki katına çıkmasına yol açtı. 1970'lerde Mendeleev'in masasında 20'den az metal kullanılırken, 2000'lerden bu yana 60 civarında metal tüketildi.

Ortalama mineral konsantrasyonunda düşüş eğilimi var. Örneğin, çıkarılan bakır cevherlerinin ortalama konsantrasyonu 1930'larda% 1.8'den 2010'da% 0.8'e düşmüştür. Aynı zamanda, 2008 üretim seviyesinde ifade edilen rezervler, 20 ila 100 yıllık yıllık üretim arasındaki çoğu metal içindir.

Jeopolitik

Çok uzun bir süre, belirli metallerin madenleri (kıymetli veya yaygın ancak endüstri için gerekli), arıtma tesisleri ve hatta belirli ticari sırlar, Devletler tarafından stratejik ilgi alanı olarak görülüyordu . Askeri nedenler ve metalik silahların ve mühimmatın ortaya çıkması, ardından enerji ve nükleer silahlar, bazı metallerin önemini artırmıştır. Bakır gibi jeolojik olarak nadir olmayan, ancak dalgalı bir pazara maruz kalan metaller için bile, bakırdaki keskin artışlar metal hırsızlığındaki artışa da yansıyor (örneğin, Fransa'da, 2010'da, RFF ve SNCF, 2.100 bakır hırsızlığına maruz kaldı (dört SNCF için işlevsizliklere ve yılda on milyonlarca avro zarara neden olan 2009'dakinden kat daha fazla) .

Bazı metaller tüketimi değersiz bir kez hızlı bir artış XX inci  örneğin yüzyılın uranyum (yüksek askeri kullanım ve sivil için istenen), grup metalleri platin (endüstriyel bir katalizör olarak veya için, esas olarak, katalitik egzoz için kullanılan anti-kanser kemoterapi ) En erişilebilir veya "saf" madencilik kaynaklarının aşırı kullanılması ve kullanım ömrü dolan ürünleri oluşturan metallerin bir kısmının geri dönüştürülmesiyle veya atık üretimi ile sağlanan tasarruflara rağmen, stratejik metal kavramı hala önemlidir. Bu nedenle, 2011 yılında Fransa  , bakanlığın özellikle daha güvenli tedarikler yoluyla bu metallerin yönetimi için yenilenmiş bir politika geliştirmesine ve uygulamasına yardımcı olmaktan sorumlu bir " Stratejik Metaller Komitesi " oluşturdu  . Hammaddeden sorumlu bakan üç koleje (idareler, teknik kuruluşlar ve profesyonel ve endüstriyel federasyonlar) başkanlık eder. FEDEREC (Geri dönüşüm şirketlerin Federasyonu) ve FEDEM (madenler, endüstriyel mineraller ve demir dışı metallerin federasyonu) katılıyor.

Çevre

Organik bileşiklerin aksine, metaller mikroorganizmalar tarafından biyolojik olarak parçalanamaz. Bu özellik, metal kontaminasyonunun yönetiminde bazı sorunlara yol açar. Nitekim, çevredeki metallerin kaderi büyük analitik zorluklar ortaya çıkarmaktadır; metaller toprakta ve suda çeşitli şekillerde bulunur (topraktaki organik maddelerle, minerallerle, çökeltilerle, serbest iyonlarla  vb . karmaşık) toksisite ve ekotoksisite tahminlerini daha karmaşık hale getirir.

Karasal toksisite ve ekotoksisite

Topraktaki metallerin toksisitesi ve ekotoksisitesi, spesifik özellikleri ( olası radyoaktivite ve radyoaktivite türü, ağır metal , kimyasal toksisite , mikro veya nanopartiküller ,  vb. ), Kimyasal türleşme ve biyoyararlanım ile yakından bağlantılıdır  ; Metalik tür ne kadar özgür ve hareketli olursa, biyolojik olarak o kadar çok kullanılabilir ve canlı organizmalar üzerinde toksisite riski o kadar artar. Genel olarak, serbest metal iyonları (çözelti halinde) organizmalar için en uygun kimyasal formdur ve bu nedenle toksik olma olasılığı en yüksektir. Bununla birlikte, diğer metal türleri veya fraksiyonları kararsız ve hareketli olabilir (örneğin, kararsız fraksiyon veya serbest oksitlere bağlı) ve organizmalar için bir risk oluşturabilir.

Bazı metaller (özellikle demir, bakır ve çinko) temel unsurlardır. Belirli bir dozun ötesinde toksiktirler, ancak bir eksiklik ciddi metabolik bozukluklara yol açar.

Bu nedenle, topraktaki metallerin toksisitesini birkaç parametre etkiler:

Enerji ayak izi

Bir madenden bir eser haline gelmek için birçok aşamadan geçmeniz ve çok fazla enerji tüketen ekipman kullanmanız gerekir . Metallerin pratikte doğası gereği oksitler veya sülfitler formunda olması, karşılık gelen kimyasal bağları koparmak için gerekli enerjiyi sağlamak için metalik formda elde etmek gerekir.

Bir metalin enerji ayak izi, saf metal elde etmek için gereken enerji miktarıdır. Aşağıda, bir ton saf metal için enerji miktarı ayak olarak ölçülür ( ton petrol eşdeğeri ).

Cevherin ilk dönüşümünden kaynaklanan, "yeni" bir metalde "bulunan" enerjiyi elde etmek için, aşağıdakileri hesaba katmak gerekir:

Farklı kaynaklar tarafından verilen metal enerjisi

( toe olarak - ton petrol eşdeğeri - ton ham metal başına)

Metal Norgate ve Rankine
(2002)
JC Prevot (*)
(2005)
ADEME (**)
(2006)
BRGM
(2007)
RU Ayres (*)
(2002)
Titanyum 10.5-13.6 9.9
Magnezyum 10.0-10.2 8.6
Alüminyum 5.0 6.4-7.4 3.8 5.8 2,5 (***)
Teneke 4.6
Nikel 2.7-4.6 3.3
Bakır 0.8-1.5 2.4-3.6 1.0 1.9 1.1-1.5 (***)
Çinko 0.9-1.1 1.7-1.9 1.0 1.6 1,5 (***)
Çelik 0.5 0.8-1.4 0.4 0.8
Öncülük etmek 0.5-0.8 0.8-1.1 0.8 0.5 0.7 (***)

(*) Kaynak MJ / kg ve 1  MJ = 2,38  × 10 −5  ayak .
(**) Kaynak olarak tec (ton karbon eşdeğeri); kullanılan dönüşüm: 1 tec = 1.3  tep (Avrupa ortalama değeri).
(***) Yalnızca proseslere enjekte edilen enerji: ekstraksiyondan, girdilerden (asitler, çözücüler, vb. ), Nakliyeden gelen enerji hariçtir  .

Ham metal üretimi için toplam enerji tüketimi 730 ila 1.070  Mtoe veya dünyanın birincil enerjisinin% 7 ila 10'udur . Çelik ve alüminyum büyük payı veya sırasıyla 544- temsil 680  MTEP ve 147- 288  MTEP .

Geri dönüşümün etkisi

Neyse ki, büyük metaller genellikle geri dönüştürülebilir olduğundan, geri dönüşüm için gereken enerji, yeni metal üretimi için gereken enerjiden çok daha azdır. Örneğin, çelik için geri dönüşüm için gereken enerji, birincil metalin üretimi için gereken enerjinin% 25 ila 40'ını temsil eder. Birincil üretimi çok fazla enerji gerektiren alüminyum için bu oran sadece% 4 ila 5'tir.

Astronomi

Planetoloji

Düzlem biliminde metaller, kayalık gezegenlerin kalbini oluşturan demir veya nikel gibi "en ağır" malzemelerdir . Bu, "gazlar" (hidrojen, helyum), "buz" (su, metan ve amonyak gibi karbon, nitrojen ve / veya oksijen içeren bileşikler) ve "kayalar" (silikatlar) yanındaki en ağır malzemeler kategorisidir .

Kozmoloji

Gelen kozmolojisinde , hidrojen ve helyum dışındaki tüm elemanlar metaller olarak adlandırılır. Bu içeriği “metallerden” bu nedenle adı metalliğe gösterilen Z (X ve Y, sırasıyla, hidrojen ve helyum oranını temsil eder).

Notlar ve referanslar

  1. (inç) James L. Dye , "  Alkali metal anyonları. Olağandışı bir oksidasyon durumu  ” , J. Chem. Educ. , cilt.  54, n o  6,1977, s.  332
  2. (in) David Avnir , Moleküler Katkılı Metaller  " , Accounts of Chemical Research , Cilt.  47, n o  2 18 Şubat 2014, s.  579-592 ( PMID  24283194 , DOI  10.1021 / ar4001982 , çevrimiçi okuyun )
  3. CH Walker , SP Hopkin ve diğerleri. , Ekotoksikoloji İlkeleri , Boca Raton: CRC PRESS, Taylor ve Francis Group,2006, 315  s.
  4. DM Templeton , F. Ariese ve diğerleri. , "  Kimyasal Türleşme ve Elementlerin Parçalanmasına İlişkin Terimler için Yönergeler. Tanımlar, Yapısal Yönler ve Metodolojik Yaklaşımlar  ”, Pure Applied Chemistry , cilt.  72, n o  8,2000, s.  1453-1470
  5. döteryum bir hidrojen izotop
  6. karbon atomu olmadan
  7. S. Sauvé ve DR Parker , "14: Toprak Çözeltisindeki Eser Elementlerin Kimyasal Türleri" , Toprakta Kimyasal İşlem , cilt.  8, Madison, Amerika Toprak Bilimi Derneği,2005, s.  655-688
  8. G. Solomons and C. Fryhle , Organik Kimya ["Organik Kimya (John Wiley & Sons, Inc.)"], Mont-Royal, Modulo Editörü,2000, s. 483-484
  9. BG 2010 , s.  24-25
  10. BG 2010 , s.  29
  11. BG 2010 , s.  39
  12. "  Bakır hırsızlığı  " , Environnement-online'da ,25 Ocak 2011
  13. 26 Ocak 2011 tarihinde Enerji Bakanı tarafından açıklanan kararname
  14. Y. Ge , P. Murray ve WH Hendershot , "  Kentsel Topraklarda İz Metal Türleri ve Biyoyararlanım  ", Çevre Kirliliği , cilt.  107, n o  1,2000, s.  137-144
  15. B. Cances , M. Ponthieu vd. , "  Bir Toprakta Metal İyon Türleri ve Çözümü: Deneysel Veriler ve Model Sonuçları  ", Geoderma , cilt.  113 n kemik  3-4,2003, s.  341-355
  16. R. Naidu , VVSR Gupta ve ark. , Ekosistemlerde Biyoyararlanım, Toksisite ve Risk İlişkileri , Endfield: Science Publishers, Inc.,2003, s.  58-82
  17. L. L'Herroux , S. Le Roux ve diğerleri. , "  Brittany'deki Doğal Alan Arıtma İşlemine Yoğun Domuz Bulamacı Uygulamalarını Takip Eden Metallerin Davranışı  ", Çevre Kirliliği , cilt.  97, no .  1-2,1997, s.  119-130
  18. BG 2010 , s.  81-83
  19. BG 2010 , s.  84-87
  20. BG 2010 , s.  88-89

Ayrıca görün

Kaynakça

Makaleyi yazmak için kullanılan belge : Bu makale için kaynak olarak kullanılan belge.

İlgili Makaleler

Dış bağlantılar