4 Luku Erilaisia materiaaleja Metallien valmistus ominaisuudet ja












- Slides: 12

4. Luku, Erilaisia materiaaleja • Metallien valmistus, ominaisuudet ja reaktioita • Siirtymämetallien erityisominaisuuksia • Keraamien ja komposiittien ominaisuudet ja käyttö

4. 1 Metallit materiaalina • Metalleille tyypillisiä ominaisuuksia: – – – Hapettuvia Ei vesiliukoisia Kiinteitä Sähkön- ja lämmönjohteita Taottavia ja muokattavia Korkeat sulamis- ja kiehumispisteet • Maan kuoren yleisimpiä metalleja ovat alumiini, rauta, natrium ja kalsium • Yleensä metallit esiintyvät luonnossa yhdisteinä(mineraaleina) • Malmimineraali on mineraali, josta metallia voi ja kannattaa valmistaa. Malmissa mineraalia on oltava myös riittävä pitoisuus, jotta jalostus on kannattavaa

Metallien jalostus 1. Malmin louhinta kaivoksesta 2. Rikastuksessa malmi murskataan ja mineraalit ja sivukivi erotetaan toisistaan (esim. rautaoksidit erotetaan magneettien avulla muusta kiviaineksesta) 3. Metalli-ionit pelkistetään metalliatomeiksi epäjalomman metallin, hiilen, hiilimonoksidin tai elektrolyysin avulla. Esim. raudan valmistuksessa masuunissa tapahtuvat seuraavat reaktiot: 2 C + O 2 2 CO Fe 2 O 3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO 2 Elektrolyysiä käytetään esim. litiumin, natriumin, magnesiumin ja alumiinin valmistuksessa.

Metallien jalostus 4. Joskus pelkistyksessä syntyneitä metalleja puhdistetaan. Esim. raakaraudasta saadaan terästä, kun siitä poistetaan hiiltä johtamalla sulatettuun rautaan happea, jolloin hiili ja happi reagoivat hiilidioksidiksi. Kuparin puhdistuksessa käytetään elektrolyysiä. 5. Tarvittaessa metallien ominaisuuksia voidaan muokata valmistamalla metalliseoksia. Esim. ruostumatonta terästä valmistetaan sekoittamalla raudan sekaan kromia.

Metallien korroosio • Korroosio tarkoittaa metallien hapettumista ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta • Sähkökemiallisessa korroosiossa kaksi eri metallia muodostavat sähkökemiallisen parin, jossa epäjalompi metalli hapettuu. • Joidenkin metallien (esim. alumiini, tina, lyijy) pintaan syntyy korroosiossa tiivis oksidikerros, joka suojaa sen alla olevaa metallia. Korroosio pysähtyy • Raudan korroosiossa (ruostumisessa) rauta, happi ja vesi muodostavat huokoista kidevedellistä rauta(III)oksidia. Huokoisuuden takia happi ja vesi pääsevät yhä syvemmälle rautaan ja rauta ruostuu puhki

Raudan korroosion hidastaminen • Raudan korroosiota hidastetaan erilaisilla menetelmillä • Rauta voidaan pinnoittaa toisella metallilla – Epäjalommalla (esim. sinkki) pinnoittaminen perustuu siihen, epäjalompi hapettuu ja rauta pysyy ehjänä – Jalommalla pinnoittamisessa pinnan tulee pysyä ehjänä. Jos pintaan tulee esim. naarmu, rauta alkaa hapettua. • Uhrimetallin (uhrianodin) käytössä raudan pintaan kiinnitetään epäjalomman metallin palasia, jotka hapettuvat ja rauta säästyy. Kuluneita palasia uusitaan säännöllisesti • Rautaa voidaan suojata myös maalilla, lakalla, vahalla, öljyllä, muovilla, kumilla • Vähentämällä veden seisomista raudan pinnalla esim. kuivaamalla, hiomalla pinta tasaiseksi tai muotoilulla

4. 2 Siirtymämetallit • Sivuryhmistä 3 -12 löytyvät monet tärkeä t käyttömetallit. Esim. Fe, Cu, Ti, Ni, Zn, Au, Ag, Cr • Suurin osa sivuryhmien metalleista ovat ns. siirtymämetalleja • Määritelmän mukaan siirtymämetallin atomilla tai ionilla on osittain täyttyneet d-orbitaalit • Ryhmän 12 metallit (Zn, Cd, Hg) eivät ole siirtymämetallija, koska niiden atomeilla ja ioneilla d-orbitaalit ovat täynnä

4. 2 Siirtymämetallit • Siirtymämetallien ominaisuuksia: – – – useita positiivisia hapettumislukuja (MAOL s. 144) katalyyttisesti aktiivisia tärkeitä hivenaineita paljon värillisiä yhdisteitä muodostavat kompleksiyhdisteitä • Joitakin erikoisuuksia: esim. raudan hapettumisessa elektronit lähtevät ensin 4 s-orbitaalilta sitten 3 d: ltä ja Cu ja Cr 4 s-orbitaalilla vain yksi elektroni (koska täysi dorbitaali, d 10, on varsin pysyvä rakenne ja 4 s ja 3 dorbitaalien energiaero on pieni)

4. 2 Siirtymämetallit • Siirtymämetalleilla on useita hapetuslukuja, koska sekä s-, että d-orbitaalien elektronit voivat osallistua reaktioihin • Värillisyys: näkyvän valon energia riittää elektronien virittymiseen d-orbitaalilta toiselle, jolloin joidenkin aallonpituuksien valo absorboituu aineeseen ja muut aallonpituudet menevät aineen läpi tai heijastuvat • Kolorimetria: absorboituvan valon määrä on suoraan verrannollinen aineen pitoisuuteen. Mitataan tunnettujen pitoisuuksien absorbanssit piirräteen kuvaaja määritetään tuntemattoman näytteen absorbanssin perusteelle sen pitoisuus

4. 2 Siirtymämetallit • Kompleksi-ionit(MAOL s. 151): keskusatomin tai –ionin ympärillä ligandeja. Ligandin ja keskusatomin välinen sidos on kovalenttinen koordinaatiosidos. Koordinaatioluku kertoo liittyneiden ligandien määrän. • Kompleksiyhdisteet ovat biokemiallisesti merkittäviä yhdisteitä (esim. veren hemoglobiini) • Katalyytti osallistuu reaktioon ja nopeuttaa sitä, mutta ei kulu tai muutu siinä. Esim. metalliionien hapetusluku voi muuttua reaktion edetessä, mutta palautuu lopuksi ennalleen

4. 3 Keraamit ja komposiitit • Keraamit: Epäorgaanisia lähtöaineita kuumennettu korkeissa lämpötiloissa • Yleisimpiä keraameissa esiintyviä alkuaineita: pii, happi, hiili, typpi ja alumiini • Joillakin on säännöllinen kiderakenne, jotkut amorfisia • Joissakin kovalenttisia sidoksia, joissakin ionisidoksia, joissakin molempia • Korkean teknologian keraameilla on korvattu metalleja monissa kohteissa esim. paremman mekaanisen ja korroosion kestävyyden, keveyden ja korkeamman sulamispisteen ansiosta • Käytetään koneissa, ydinvoima-, avaruus- ja tietokoneteknologiassa ja lääketieteellisissä sovelluksissa. • Ongelmana hauraus, josta seuraa hankala muotoiltavuus

4. 3 Keraamit ja komposiitit • Komposiitit: eri materiaaleja yhdistelemällä muokataan materiaalien ominaisuuksia eri kohteisiin sopiviksi • Niihin voidaan käyttää esim. metalleja, puuta, kiveä, keraameja, muoveja, hiili- ja lasikuituja
Vesimolekyylien väliset sidokset
Mitä korroosio tarkoittaa
Lammas valmistus
Puukon terän takominen
Sähköauto konversio
Ruokaetikka kaava
Siirtymämetallien ominaisuudet
Kolligatiivinen ominaisuus
Villan huonot ominaisuudet
Erittele kerrontaa
Miten gravitaatiovuorovaikutus ilmenee
Emäsvakiot
Pooliset molekyyliyhdisteet