Vi starter med brugen af metal

Metaller (jordens skatte)

Uden metaller – ingen køkkenmaskiner, surt

The metals contained in PC’s commonly include aluminum, antimony, arsenic, barium, beryllium, cadmium, chromium, cobalt, copper, gallium, gold, iron, lead, manganese, mercury, palladium, platinum, selenium, silver, and zinc.

Metaller, der bruges i en PC

Metal scarcity is pushing some of the world's biggest industries into a regular Battle Royale, as they struggle to obtain enough raw materials to continue operations. Metals are chemical elements, and prized for their unique properties; usually no synthetic replacement can be developed. New Scientist magazine reports that the world is running out of several rare metals used to form key components in high-tech devices, including cell phones and semiconductors. The article mentions that supplies of indium, used in liquid-crystal displays, and of hafnium, a critical element for next-generation semiconductors, could be exhausted by 2017.

• De almindeligste brugsmetaller er jern, kobber, zink, aluminium, tin, bly

• Legeringer er blandinger af metaller for at opnå andre egenskaber

• Legeringer er, f.eks. stål, messing, bronze m.m.

• Messing er en blanding af kobber og zink

• De mest værdifulde metaller kaldes ædelmetaller, f.eks. platin, sølv og guld.

Metaller (og deres legeringer)

 Metal Pris kr/kg

Fe 2

Zn 7

Pb (Bly) 8

Al 12

Cu 25

Sn (Tin) 67

Ni 94

Ag 2000

Pd 36200

Au 153700

Pt 175500

Ag, Pd, Au og Pt er jo ganske dyre.De handles derfor i en mindre “ounce” som er 28,35 g

Priserne er fundet d. 22 okt 2008.Disse ændres dagligt, især i en tid med finanskrise! (se næste side)

Flere data:http://www.sloejd-kbh.dk/teknik/Metal/metaller.htm

Kobber som

tagbelægning

vvs grej

ledninger

Natrium - eksposivt I vand

Messing

Guld

Zink

Tin

Sø

lv

Almindelige brugsmetaller

Jern

Almindelige brugsmetaller – her flere eksempler på anvendelser af metaller

• Gode elektriske ledere (altså strømledende)• Gode varmeledere • Reflekterer lys (metalglans)• De fleste er relativt tunge (høj massefylde).• Kan formes, bearbejdes og støbes • Ved hærdning bliver metal hårdt og uformeligt• Metalionerne sidder i et gitter• Ligner i sin opbygning salte – og dog ikke!• Metaller danner altid positive ioner – f.eks Cu++, Na+

• Metaller opløses i syre og der udskilles brint – ikke de ædle metaller (til højre for H)

Metaller (og deres egenskaber)

• Gode elektriske ledere (fælles metalegenskab)

• Gode varmeledere (fælles metalegenskab)

• Reflekterer lys (fælles metalegenskab)

• De fleste er relativt tunge (gælder netop de fleste …. ).• Kan formes, bearbejdes og støbes (gælder de fleste ).

Metaller (fælles og næsten fælles egenskaber)

Bukkemaskine

Svejsning

Drejebænk

Boring

Ekstrudering (aluminium)

Gode elektriske ledere

Sættes der strøm (vandrende elektroner) til et metal vil strømmen (de vandrende elektroner) blot gå gennem metallets elektrongas.

Det er derfor vigtigt at forstå, hvad en ”elektrongas” er – se det efterfølgende.

Man kan sige, at valenselektronerne ved et metal, der ikke leder strøm, ”fiser tilfældigt rundt”.

I et strømledende metal vil alle elektroner derimod vandre den samme vej.

Se de følgende 5 dias.

Et Na atom. Der er 11 protoner

12 neutroner.11 elektroner, heraf 1 elektron i yderste skal (somer speciel interessant – kaldes valenselektron).

23 Na11

Proton Neutron Elektron

En

led

er

Jeg bruger Na som eksempel, da den er let et tegne – I praksis er den ikke velegnet i ledninger, da den er ret ustabil. Valenselektronerne (den yderste) hænger sammen som en elektrongas.

En elektron på rejse.

Vi holder øje med en elektron. Elektronen kan vandre frit mellem de forskellige “tredie-skaller”.

Elektroner på rejse.

Når mange elektroner “fiser rundt” på denne måde taler vi om en elektrongas.

Vi bruger ordet “gas” fordi elektronerne – på samme måde som molekylerne i en gas – kan bevæge sig frit rundt.

Vi har nu “reserveret” alle de yderste elektroner (valenselektroner) til elektrongassen. Det betyder at det tilbageværende skal opfattes som en positiv ion (metalionen)

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

metal-ion

17

Elektron-gassen, nochmal.

Her et profbillede, hvor elektrongassen vises med respekt for den faktiske elektronfordelingen,

og her et, hvor elektron-gassen netop vises som en ensartet gas.

Og her endeligt bogensbillede….

Metalionerne (Na+) holdes på plads af elektrongassen. Elektrongassen holdes tilsvarende på plads af metalionerne. Denne gensidige ”holden på plads” er en metalbinding.

Na+ ioner

Metallet natriumSaltet NaCl

Saltet er sprød og leder ikke strømMetallet er sejt og leder strøm

Sammenligning

En god leder har en lille modstand.

Når du trykker på en kontakt vil elektronerne “strømme rundt i kredsløbet”. Derved afsættes en del at deres energi i lederen som varme (dog ikke i superledere).

Jo mindre modstand der er i metallet (se tabellen), jo bedre en leder er metallet – og jo mindre energi afsættes I metallet.

I kan se hvorfor vi bruger kobber til ledninger (bl.a. fordi kobber er næsten lige så godt som sølv, og ikke så dyrt!).

Superledere, f.eks.

Hg (superledende ved 4 K, dvs. -269 oC)

eller

Yttrium barium copper oxide, (superledende ved 77K, dvs.

ved -196oC )

Et materiales Resistivitet er lig modstanden i ohm i en tråd, der er 1 meter lang og som har tværsnitsarealet 1 mm2 og temperaturen 20°C

Gode varmeledere.

Varmelednings-koefficient

(W/m · K)Sølv 406

Kobber 385

Guld 314

Aluminum 205

Messing 109

Jern 79,5

Steel 50,2

Bly 34,7

Is 1,6

Beton 0,8

Glas 0,8

Mursten, massiv 0,6

Vand v 0,6

Mursten, hul 0,15

Træ ca. 0,1

Asbest 0,08

Fiberglass 0,04

Kork 0,04

Rockwool 0,04

Uld 0,04

Flamingo 0,033

Air at 0° C 0,024

Gryden har håndtag af et materiale med en lav varmeledningsevne (en dermed en lav varmeledningskoefficient).

Når et del af metallet opvarmes vil metalionerne/elektronerne i dette område vibrere begynde at vibrere. (… eller mere præcist: begynde at vibrere kraftigere……..alle atomer, der ikke er nedkølet til detabsolutte nulpunkt, vil altid vibrere lidt).

Elektronerne (og til dels metalionerne) vil nu sætte de nærliggende elektroner (og metal ioner) i vibrationer, og energien forplantes således.

Det ses af tabellen at metallerne er langt bedre til at lede varme, end de øvrige materialer.

Transformeren har fået en køleplade. Den er lavet af aluminium. Aluminium har en rimelig god varmeledningsevne.”Pladen” har ribber, der skal sikre en stor overflade, så ”kølepladen” kan overføre varmen til luften.Et andet materialevalg kunne have været kobber, men valget er sandsynligvis faldet på aluminium da dette er billigt (kobber er dobbelt så dyrt) og let at forme (det kan estruderes).

23

Varmeledningskoefficienterne,Her vist grafisk.

Reflekterer lys

Alle metaller har jo metalglans.

Du hapser en jernstang, der er lidt gusten og uregelmæssig.

Du saver stangen over, og voila, du har metalglans.

Det skyldes at metalioner sidder i et regelmæssig gitter, og dermed tilsvarende kan sende lyset ”regelmæssigt” tilbage (=metalglans).

Efter et styrt kan metalglansen tydeligt ses. Metallet er aluminium.

4197,1Zink

6592,7Aluminium

15357,8Jern

9408,4Messing

10838,9Kobber

96110,5Sølv

32711,3Bly

106319,3Guld

Massefyldeg/cm3

Massefylden kan findes ved:

Eller den enkle udgave:

Du finder en centicube af det aktuelle metal, f.eks. aluminium

….og vejer den!.

Du har fundet massefylden.

De fleste er relativt tunge

SmeltepunktoC

Massefylde

Grundstoffernes massefylde.Her vist grafisk.

28

Udgangspunktet er en alm. Jernstang, her vist ved vores metalmodel.

Kan formes, bearbejdes og støbes

Jernstangen varmes op i essen, og kan efterfølgende bearbejdes

Jernstangen vises her med vores metalmodel. Det ses at jernet er fleksibelt da elektrongassen blot vil ændre form. Elektrongassen er ”ligeglad” med om geometrien ændres.

Jernet siges at være ”sejt” – det kan ændre form uden at der kommer brud.

Tilsvarende kan jernstangen bøjes. Elektrongassen indretter sig…….

Endnu et eksempel på at jernet er ”sejt” (modsat ”sprødt” – se de følgende sider).

Metaller kan også formes mere avanceret, her ved dybttrækning.Et rustfri stålplade formes til en håndvask.

Metallernes ”fleksibilitet” (se de forudgående sider) er ganske forskellig fra et saltkrystals egenskaber. Et saltkrystal er sprødt – det går let i stykker.

Saltets ioner sidder i et fast gitter. Det er stabilt, men kun hviskrystallet ikke udsættes for slag.

Her er tiltrækningskræfterne mellem ionerne vist.

Et saltkrystal (modsat et metal)

Saltkrystallet får et slag, og ionerne forskubber sig – og kommer derved til at frastøde hinanden

Saltkrystallet får et slag, og ionerne forskubber sig – og kommer derved til at frastøde hinanden og krystallet går i stykker…… KNÆK

….så derfor laver man cykelstel af metaller… (KNÆK-lyden er ubehagelig)….

Hvid guld – guld med

nikkel/palladium.

Bronze.normalt 90% kobber og 10% tin

Stål.Kulstofindholdet i moderne stål er normalt omkring 0,50%. (varierer dog)

Woods metal, smeltepunkt på 70 oC

50% bismuth, 26.7% bly, 13.3% tin, and 10% cadmium

Rustfrit stål (mindst 10% krom).Bestikket her indeholder 74% Fe,

18 % krom og 8 % nikkel Legeringer

Spændingsrækken

• Spændingsrækken fortæller om hvilke metaller, der afgiver elektroner til hinanden.

• Dem længst til venstre afgiver lettest ioner – dvs går i opløsning.

Et stykke magnesium og et stykke kobber puttes ned i saltsyre.Der er rigtig mange Mg++ioner, der går ud i væsken. Det gør den tilbageværende stykke magnesium meget negativ – ses ved de mange elektroner, der er tilbage.

Der er nogle få Cu++ioner, der går ud i væsken. Det gør den tilbageværende stykke kobber en smule negativ – ses ved de ganske få elektroner, der er tilbage.

Magnesium er mere tilbøjelig til at gå i opløsning end kobber – vi siger det er mindre ædelt.

Elektronerne sidder tæt på vores stykke magnesium, og de vil gerne have lov til at strømme over til kobberet, hvor der kun er ganske få elektroner. Hvis elektronerne får lov til at strømme over til kobberet gennem ledningen så vil pæren lyse.

Metal-ion. Mere præcis Mg++

Elektronsky. Når metalionerne ”hopperud af metallet” vil der være en overvægt af elektroner, og metalstykket bliver negativt.

Et batteri. Se videoen ” Galvanic cell” på you-tube

Metaller i opløsning• Vi har et (forholdsvis) ædelt metal i

opløsning (f.eks. CuSO4). Hvis du putter et mindre ædelt metal (f.eks. jern) ned i opløsningen vil det ædle metal lægge sig som et lag (kobber i eksemplet) på det mindre ædle. Kobberionerne i opløsningen “stjæler” elektroner fra jernet, som derved bliver til jern ioner. Se………billederne

• Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

• Reaktionen ses med det samme.• Ved sølvnitrat og kobber dannes frit sølv

på kobberets overflade

• Cu + 2AgNO3 → 2Ag + Cu(NO3)2

• Vi har igen et (forholdsvis) ædelt metal i opløsning (CuSO4). Du putter et mindre metal (zink) ned i opløsningen, og det ædle metal vil lægge sig som et lag på det mindre ædle.

• Når kobberet har lagt sig som et lag på zinkén er der kun ganske lidt kobber tilbage I vandet, og den blå farve forsvinder.

Uddybning af reaktionen fra forrige side

Ved processen, der er beskrevet på de to forudgående sider, afgiver zink elektronerne til kobber uden at der frigives elektrisk energi. Dette skyldes at de er i fysisk kontakt med hinanden. Her ses det afgørende sekund, hvor elektronerne overgives.

Hvis vi havde tvunget elektronerne til at vandre fra zinken til kobberet gennem en ledning, ja så havde vi mulighed for at indfange en elektrisk energi

Glas med CuSO4 (for at sammenligne farven med næste glas)

CuSO4 med Fe-søm. Cu sætter sig som et lag på sømmet. Hvis glasset ”dunkes” falder Cu ned i bunden. Den blå farve er forsvundet da Cu++ ionerne i CuSO4 opløsningen nu er omdannet til et Cu lag.Processen finder sted da Cu er mere ædel end Fe (Cu ligger til højre for Fe på spændingsrækken, se side 51 i bogen)

FeSO4 med Cu-tråd. Der sker intet, da Cu-tråden er mere ædel end Fe++ ionerne

En Cu-tråd i en AgNO3-opløsning (AgNO3 = sølvnitrat). Overvej selv hvad der er sket…!

4 Fe + 3 O2 + 6 H2O → 4Fe(OH)3

Rust og rustbeskyttelse• Forskellige korrosionsmiljøer = forskellige rust angreb.• Fx syre, forskellige konc. af saltvand, demineraliseret vand, kogt vand

(luftboblerne er væk)• Kan også vises ved at have forskellige metaller sammen.

Spændingsrækken gør sit indtog• Rustbeskyttelse: Vi lægger kobberlag ved en elektrolyse – på samme

måde kan galvanisering foregå. Elektrolyse bruges også til at få metallerne til at se dyre ud – forkromning f.x. (fx kølergitter på mercedesbiler)

Husk at se videoen ”Fysik til søs ”: Galvanisk tæring.