Fémrácsos kristályok

Beszéljünk egy kicsit a szilárd fémekről! Ez itt egy példa arra, hogyan is néz ki egy szilárd fém. Általában ilyen fényes, akár csillogónak is mondhatjuk. Azt gondolhatnánk, hogy ez esetleg alumínium vagy ezüst, de valójában nátrium. Ugyanaz a nátrium, amit láttunk a klórral nátrium-kloridot képezni, és más ionos kristályok alkotórészeként, de önmagával is tud fémes kötést létesíteni. Ezt itt esetleg ezüstnek vagy valami hasonlónak gondolhatnád. Pedig valójában kalcium. Esetleg azt hiheted, hogy a kalcium, az egy krétaszerű fehér por. Nem így van; az a por kalciumvegyületekből áll, olyanokból, mint a kalcium-oxid. Ez itt viszont elemi kalcium. Azért kell ebben a zárt edényben tartani, mert oxigénnel azonnal reagálna. Az edényben nem oxigén van, hanem valamilyen inert gáz. Amikor csak önmagához kapcsolódik a kalcium a fémes kötésekkel, amelyekről hamarosan szó lesz, hasonlóan néz ki (mint az előző fém). Ugyanaz a fényes, fémes, csillogó kinézet. És ez vajon mi lehet? Ez az, ami a fémekről gyakran eszünkbe jut: arany. Itt is láthatjuk ugyanazt a csillogást. Vajon minek köszönhető a fémek csillogása, és más tulajdonságaik, amiket mindjárt megmutatunk? Ahhoz, hogy ezeket megértsük, a periódusos rendszerre van szükségünk. A periódusos rendszer elemeinek többsége valamilyen fém. Itt vannak pirossal az 1. csoport elemei, kivéve a hidrogént. Ezek az alkálifémek, és vannak még az alkáliföldfémek, az átmenetifémek, a p-mező fémei, valamint a félfémek. Csak a sárgával és kékkel jelölt elemek nem fémesek. Hogyan alkotnak szilárd anyagot a fémek tiszta állapotukban? Az általános elvet nézzük meg az alkálifémeknél! Egy vegyértékelektronjuk van, a stabil külső héj létrehozásához a legegyszerűbb lehetőség az, ha azt az egy elektront leadják. Ezért fordulnak elő gyakran ionkötésben. Elég könnyen ionizálhatók. De ha tiszta állapotban vannak, akkor leadhatják elektronjaikat úgy, hogy minden atom egyet ad a szabad elektron-felhőbe. Az alkáliföldfémeknek két vegyértékelektronjuk van. Ezeket is lehet ionizálni, illetve tiszta állapotban, mint pl. a kalciumban, két elektronnal járulhatnak hozzá az elektronok „tengeréhez”. Hasonlóan képesek az átmenetifémek is beadni vegyértékelektronokat a közösbe. Általánosan tehát azt mondhatjuk, hogy a fémrácsos szilárd anyagokban pozitív töltésű kationok rácsában szabadon mozoghat az elektronok "tengere". Itt van ez a sok elektron, berajzolom a negatív töltéseket. Honnan jönnek ezek az elektronok? Az alkálifémeknél minden atom be tud adni egy elektront a „tengerbe”, mert fém képződésekor nem tartja meg a vegyértékelektronját. Az alkáliföldfémeknél minden atom két elektront tud beadni a szabad elektronok „tengerébe”. Adottak tehát a pozitív töltésű ionok, és köztük az elektronok „tengere”. Milyenek lehetnek az ilyen anyagok tulajdonságai? Vajon mennyire vezetik jól az elektromos áramot vagy a hőt? Ha pl. villanydrótra gondolunk, kitalálhatjuk, hogy a vezetékek azért készülnek fémből, mert azok jól vezetik az áramot, mivel ott van bennük a sok szabadon mozgó elektron. Ha feszültséget kapcsolunk a drót végeire, az elektronok elmozdulnak, azaz vezetik az áramot. A termikus energiát, azaz a hőt is jól vezetik ezek az elektronok. Beszéltünk arról, hogy a fémek fényesek, csillogóak, de vajon mennyire hajlíthatók? Az ionvegyületekről megbeszéltük, hogy kemények, de törékenyek. Ha megpróbáljuk alakítani őket, eltörhetnek. Mit gondolsz, mi történik a fémekkel? Ha itt erősen nyomom jobbra, fölül pedig ugyanúgy nyomom balra, vajon törékenynek találjuk, vagy inkább formálhatónak, könnyen hajlíthatónak? A tiszta fémes anyagok eléggé képlékenyek. Ha a felső részét balra toljuk, nem okoz feszültséget. Itt vannak a kationok, továbbra is az elektronok „tengerében”. Ez általánosan igaz a fémekre. Képlékenyek, nem törékenyek. Sokszor annyira, hogy örülnénk neki, ha keményebbek lennének. Ezért szoktak más elemeket hozzákeverni a fémekhez. Például a tiszta vas képlékeny, de erősebbé, szilárdabbá tehető, ha szénatomok is kerülnek bele. Például ideteszünk egy szénatomot, meg oda. Ez valamelyest széttagolja az elektronok „tengerét”. Ettől a fém kevésbé lesz képlékeny, erősebb, merevebb lesz. Ennyivel akartam kiegészíteni amit eddig megtanultunk a fémekről és a fémes kötésről; azért, hogy lásd, miért ilyen tulajdonságú az elemek túlnyomó része tiszta, szilárd formájában.