Metalli

Kultaharkkoja, Sveriges Riksbank

Metallit ovat alkuaineita tai seoksia, joilla on useita seuraavista epämetalleista poikkeavista ominaisuuksista:

• luovuttavat helposti elektroneja muodostaen positiivisia ioneja.
• metallikiilto
• hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky (vapaita elektroneja)
• yleensä hyvä muokattavuus ja sitkeys (suuri murtovenymä ja iskusitkeys)
• useilla metalleilla korkea sulamispiste (liki kaikki kiinteitä huoneenlämpötilassa)
• reagoivat happojen kanssa muodostaen suoloja ja vapauttaen vetyä

Fysikaaliset ominaisuudet

Metallien yleensä hyvät sähkön- ja lämmönjohto-ominaisuudet perustuvat ns. vapaiden elektronien liikkeeseen. Myös metallinen kiilto on seurausta vapaista elektroneista, jotka estävät fotonien kulun metallihilan läpi. Kulta omaa parhaan sähkönjohtokyvyn.

Metallit ja metalliseokset ovat yleensä kiteisiä mikrorakenteeltaan kiinteässä olomuodossa toisin kuin esimerkiksi amorfinen lasi.

Kemialliset ominaisuudet

Metalliatomeilla on seuraavia ominaisuuksia

• Uloimman kuoren elektronien luku on pienempi kuin koordinaatioluku
• Ionisoitumisenergia on pieni

Metallit ovat yhdisteissään kationeja eli luovuttavat valenssielektronejaan epämetalleille.

Metallit voidaan järjestää sähkökemialliseksi sarjaksi niitten jalouden mukaan. Jaloilla metalleilla on heikoin taipumus muodostaa yhdisteitä. Luonnossa kulta ei muodosta yhdisteitä, siksi se esiintyy puhtaana metallina. Myöskään palladium ja platina eivät reagoi ilman hapen kanssa. Muut metallit muodostavat enemmän tai vähemmän pysyviä yhdisteitä kuten oksideja, sulfideja (hapetusasteesta riippuen myös sulfiitteja ja sulfaatteja) sekä eri happojen suoloja (esim. klorideja, sulfaatteja ja nitraatteja). Metallien oksidit ovat emäksisiä toisin kuin epämetallien oksidit, jotka muodostavat puolestaan happoja. Voimakkaimmin hapen kanssa reagoivat alkalimetallit, sen jälkeen voimakkaimmin maa-alkalimetallit. Jotkin metallit (alumiini ja titaani) muodostavat pinnalleen suojaavan oksidikerroksen, mikä estää hapettumisen. Oksidikerros ei kuitenkaan suojaa metallia korkeissa lämpötiloissa.

Sähköä johtavissa vesiliuoksissa eri metallit muodostavat keskenään sähkökemiallisia pareja. Sinkki epäjalompana suojaa rautaa muodostamalla sen pinnalle uhrautuvan anodin. Tähän perustuu galvaaninen korroosionesto.

Metallisten materiaalien lujittumismekanismit

Metallisten materiaalien lujittumismekanismit voidaan jakaa viiteen eri osaprosessiin, jotka ovat:

• Liuoslujittuminen, eli seosainelujitus

Liuoslujittumisella tarkoitetaan matriisimetallin hilaan liuenneiden seosaineatomien aiheuttamaa lujittumista. Seosaineatomit, jotka ovat sijoittuneet atomihilaan korvausatomeiksi lujittavat metallia, koska kokoero seosaine- ja matriisiatomien välillä aiheuttaa jännityskentän hilaan. Mikäli seosaineatomi on sijoittunut välitilaan on sen aiheuttama lujitus 10–100-kertainen verrattuna korvausatomien aiheuttamaan lujittamiseen. Välisija-atomien aiheuttama lujittaminen perustuu niin ikään niiden aiheuttamaan jännityskentään metallihilassa. Lisäksi välisija-atomeilla on taipumus suotatua dislokaatioihin, jolloin ne lukittuvat.

• Dislokaatiolujittuminen, eli muokkauslujittuminen

Metallia kylmämuokatessa tapahtuu lujittumista ja muodonmuutoskyvyn heikkenemistä. Monirakeisessa kappalessa on aktiivisena useita liukutasoja. Liukuminen toisiaan leikkaavilla liukutasoilla synnyttää kiteeseen esteitä, jotka vaikeuttavat dislokaatioiden liikkumista. Näitä kutsutaan dislokaatiometsiksi. Kun dislokaatiometsän aiheuttama paine kasvaa suuremaksi kuin Frank-Reedin generaattorin käytiinpanovastus, pysähtyy generaattorin toiminta.

• Raerajalujittuminen, eli pienemmän raekoon aiheuttama lujitus

Raerajat vastustavat dislokaatioiden liikettä. Rakenne, jonka tilavuudesta on mahdollisimman paljon raerajaa, on luja. Useimmissa tapauksissa pyritään metalleissa rakenteeseen, missä raerajan suhteellinen määrä on mahdollisimman suuri - eli raekoko on pieni.

• Erkautuslujittuminen, eli rakenteessa olevien partikkelien aiheuttama lujittuminen

Erkautuslujitetun metalliseoksen lujuus perustuu erkautuneen faasin kykyyn hidastaa tai jopa kokonaan estää dislokaatioiden liike. Koherenteilla erkaumilla on suurempi lujittava vaikutus kuin epäkoherenteilla erkaumilla, jotka eivät synnytä matriisissa ympärilleen jännityskenttää.

• Transformaatiolujittuminen

Transformaatiolujittuminen on terästen hallitsevin lujittumismekanismi ja siihen perustuu esimerkiksi teräksen karkaisu.

Yhteistä näille lujittumisprosesseille on se, että niiden vaikutuksesta dislokaatioiden liike vaikeutuu.

Harvoin materiaalilta vaaditaan pelkästään lujuutta. Muidenkin materiaaliominaisuuksien, kuten sähkönjohtavuuden, sitkeyden, kuumalujuuden tai korroosionkestävyyden, tulee olla optimissaan.

Metallinkäsittelytaidon kehitys

Metallinkäsittely keksittiin mahdollisesti Lähi-idässä. Ensimmäinen muokattu metalli oli kulta, joka esiintyy luonnossa metallisena. Kuparia opittiin valmistamaan sulattamalla kuparipitoista malmia, valamaan sitä muotteihin. Kuparista tehtiin muun muassa vasarakirveitä. Niiden malli kopioitiin pohjolan kivisiin vasarakirveisiin. Kuparia myös taottiin kuumana. Kupariin opittiin sekoittamaan tinaa ja sinkkiä, jolloin syntyi kuparia huomattavasti lujempi ja kovempi pronssi. Näin keksitty, aikaisempia tunnettuja teknisesti käyttökelpoisempi lejeerinki antoi nimen kokonaiselle historialliselle aikakaudelle, pronssikaudelle.

Metallurgiset valmistusprosessit

Metallurgia käsittelee metallien valmistustekniikoita ja käyttöominaisuuksia.

Esimerkkejä metalleista

Metalli	Merkki	Sulamispiste
Alumiini	Al	660,4 °C
Elohopea	Hg	-38,9 °C
Hopea	Ag	961,8 °C
Kromi	Cr	1907 °C
Kulta	Au	1063 °C
Kupari	Cu	1085 °C
Lyijy	Pb	327,5 °C
Molybdeeni	Mo	2623 °C
Nikkeli	Ni	1455 °C
Platina	Pt	1772 °C
Rauta	Fe	1538 °C
Sinkki	Zn	419.5 °C
Tina	Sn	231,9 °C

Tähtitieteessä

Tähtitieteessä ja astrofysiikassa metallilla usein tarkoitetaan mitä tahansa heliumia raskaampaa alkuainetta. Tämä jako perustuu siihen käsitykseen, että vety, helium ja vähäinen määrä litiumia olivat ensimmäiset alkuräjähdyksen synnyttämät metallit. Raskaammat alkuaineet ovat syntyneet myöhemmin tähtien sisäisissä fuusioreaktioissa tai supernovissa.

Katso myös

• siirtymämetalli
• metallisidos