metal

Ca. 75 % af grundstofferne er metaller, hvortil kommer en lang række legeringer. I det periodiske system findes metallerne i venstre side og kan inddeles i følgende grupper:

• alkalimetaller
• overgangsmetaller
• lanthanider
• actinider
• ædelmetaller

Metaller indgår i forbindelser og udgør ca. 20 % af jordskorpen. Ved legering kan man skabe en række andre metaller, men de typiske egenskaber træder da noget tilbage. Fx har rustfrit stål (en jern-chrom-nikkel-legering) dårligere ledningsevne end jern, og støbejern har ingen duktilitet og mindre glans end jern.

Et metal består af atomer ordnet i et krystalgitter. Ofte er krystalgitteret en simpel struktur som vist på figuren. Der findes få undtagelser, fx martensit. Atomerne i gitteret har én eller flere løst bundne elektroner. De løst bundne elektroner betegnes valenselektroner kan bevæge sig frit gennem krystallen som helhed. Elektronerne danner en negativt ladet elektronsky, som holder de positivt ladede metalatomer sammen. Metalbindingen er uden den retningsbestemthed, som findes ved andre typer bindinger som f.eks. ion- og kovalente bindinger. Dette medfører, at atomerne kan pakkes til stor tæthed med høj symmetri. Den største tæthed, der kan opnås med lige store atomer, forekommer for gitterstrukturerne kfc og hex, hvor hvert atom har 12 nærmeste naboer. Talrige metaller forekommer netop med disse strukturer.

Adskillige metaller optræder i flere allotrope former: jern således i to kubiske, rumcentreret (krc) og fladecentreret (kfc), samt en heksagonal (hex) gitterform; titan og cobalt i to, henholdsvis (hex, krc) og (hex, kfc). Faseomdannelserne mellem disse former finder sted ved høj temperatur og har stor teknisk betydning; fx danner faseomdannelsen mellem krc og kfc ved ca. 900 °C for ståls vedkommende grundlaget for hærdning.

De metaller, som anvendes teknisk, er polykrystallinske, dvs. sammensat af små krystaller, korn, der normalt er 0,005-0,5 mm i diameter. Kornene kan være tilfældigt lejret i forhold til hinanden eller udvise tekstur. Ved særlige metoder kan man fremstille cm-store enkrystaller af jern, kobber og aluminium.

En markant egenskab ved et metal er plasticiteten, dvs. evnen til formforandring ved såvel lav som høj temperatur. De plastiske egenskaber kan henføres til en manglende perfektion i krystallernes opbygning (se dislokationer). Når et metallisk emne belastes ud over elasticitetsgrænsen, bevæger dislokationerne sig på en sådan måde, at emnet giver sig efter kræfternes retning; det strækkes, bøjes eller vrides, og deformationerne kan føres langt, før der indtræder brud.

En anden karakteristisk egenskab er evnen til friktionssvejsning, som udføres ved at gnide rene, plane metaloverflader hårdt mod hinanden, hvorved de kommer til at hænge sammen.

Elektronerne i et metal kan eksistere i tilladte tilstande, som kan beregnes udfra kvantemekanikken og udgør den såkaldte elektronstruktur. Disse tilstande beskriver elektronernes energi og bevægelse inde i materialet. Valenselektronernes frie bevægelse gennem metallet kan forstås udfra fraværet af et energigab i elektronstrukturen. Dette gør det muligt at inducere bevægelse af elektronerne ved hjælp af selv svage elektriske felter, hvorved der skabes en strøm gennem metallet.

Metaller danner ofte faste, basiske hydroxider, og ved reaktion med luftens ilt danner de oxider. Nogle metaller danner kun ét oxid, det gælder fx aluminium (Al₂O₃); andre danner to eller flere: kobber således Cu₂O og CuO, og jern FeO, Fe₃O₄ og Fe₂O₃. Disse reaktioner spiller en stor rolle for metallernes tekniske anvendelse; se fx korrosion og anodisering.

Metallerne kan grupperes på mange måder, fx: Alkalimetallerne omfatter seks metaller i det periodiske systems 1. gruppe (lithium til francium). Alkaliske jordartsmetaller er seks metaller i 2. gruppe (beryllium til radium). Jernmetallerne er jern, cobalt og nikkel, som er de eneste ferromagnetiske metaller. De sjældne jordarters metaller omfatter scandium, yttrium, lanthan og hele gruppen fra cerium til lutetium (numrene 58-71 i det periodiske system, se lanthanider). Af disse har neodym og samarium fået betydning i moderne magnetteknologi, mens cerium i mange år har været anvendt som tændstift i lightere. Platinmetallerne omfatter de seks metaller ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium og platin. Ædelmetallerne er en noget løsere betegnelse for guld, sølv og nogle af platinmetallerne. Letmetallerne omfatter aluminium, magnesium, beryllium og titan, alle med densitet mindre end 4,5 g/cm³. Tungmetaller er en upræcis betegnelse, som i forureningssammenhæng især omfatter bly, cadmium og kviksølv.

Elektronforbindelser kan dannes mellem metaller, som ligner hinanden elektrokemisk og i atomstørrelse, men har forskellig valens. Man kender elektronforbindelser, hvor forholdet mellem valenselektroner og atomer er 3/2, 21/13 og 7/4; fx er forbindelsen Cu₃Sn, der findes i tinbronze, en elektronforbindelse af typen 7/4, idet tre kobberatomer leverer tre valenselektroner og et tinatom fire, dvs. i alt syv valenselektroner til fire atomer. Sådanne forbindelser, som har metalliske egenskaber, er almindelige i tekniske legeringer.

I et elektrisk felt vil de frie elektroner i et metal bevæge sig mod den positive pol og derved fremkalde en elektrisk strøm. Atomernes termiske bevægelse giver anledning til kollisioner, der forhindrer elektronerne i at accelerere mere end til en vis grænse, hvilket er i overensstemmelse med Ohms lov. Denne bevægelighed af valenselektronerne giver en kvalitativ forklaring på metallernes gode elektriske og termiske ledningsevne og forklarer også, at forholdet mellem disse to ledningsevner er næsten ens for alle metaller ved samme temperatur (Wiedemann-Franz' lov). Metallernes glans og uigennemsigtighed kan forstås som et resultat af et samspil mellem lysets elektromagnetiske bølger og metallets frie elektronsky.

Ledningsevnen varierer fra metal til metal og vokser med stigende temperatur pga. den stigende uorden i krystallen ved kraftigere termiske bevægelser af atomerne. Ved meget lave temperaturer bliver visse metaller superledere. Selv metaller som bly, tin og kviksølv, der ved stuetemperatur ikke er særlig gode ledere, bliver superledende ved temperaturer, der ligger få grader over det absolutte temperaturnulpunkt. En detaljeret forståelse af metallernes elektriske, magnetiske og strukturelle egenskaber kræver kvantemekaniske beregninger.

• letmetaller
• tungmetaller
• metallurgi
• resistivitet
• grundstof
• gedigne metaller