metalli

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 (kaikki kiinteitä huoneenlämmössä elohopeaa lukuun ottamatta)
• useimmat reagoivat happojen kanssa muodostaen suoloja ja vapauttaen vetyä

Alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä metallit sijaitsevat vasemmalla tai rivien keskivaiheilla, epämetallit oikealla. Rajalinjan läheisyydessä on myös muutamia puolimetalleiksi luokiteltuja alkuaineita.

Fysikaaliset ominaisuudet

Kiinteitä metalleja pitää koossa atomien välinen metallisidos. 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.

Metallit ja metalliseokset ovat yleensä kiteisiä mikrorakenteeltaan kiinteässä olomuodossa toisin kuin esimerkiksi amorfinen lasi. Useimpien metallien kiderakenne on joko tilakeskinen kuutiollinen (body-centered cubic, BCC), pintakeskinen kuutiollinen (PKK, face-centered cubic, FCC) tai heksagonaalinen tiivispakkaus (hexagonal close-packing, HCP).

Kemialliset ominaisuudet

Metalliatomeilla on seuraavia ominaisuuksia

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

Metallit ovat yhdisteissään tavallisimmin positiivisina kationeina, eli ne ovat luovuttaneet valenssielektronejaan epämetalleille. Jotkin metallit voivat kuitenkin muodostaa myös kovalenttisia sidoksia epämetallien kanssa, tai olla jopa osana useammasta atomista koostuneessa negatiivisessa anionissa, esimerkiksi mangaani permanganaatti-ionissa MnO₄^-.

Metallit voidaan järjestää sähkökemialliseksi sarjaksi niiden jalouden mukaan. Jaloilla metalleilla on heikoin taipumus muodostaa yhdisteitä. Useimmat metallit reagoivat varsinkin happojen kanssa muodostaen suoloja sekä myös hapen kanssa muodostaen oksideja. Voimakkaimmin hapen kanssa reagoivat alkalimetallit, sen jälkeen voimakkaimmin maa-alkalimetallit. 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 sekä eri happojen suoloja kuten klorideja, sulfaatteja, sulfiitteja ja nitraatteja. Metallien oksidit ovat emäksisiä, sillä ne reagoivat veden kanssa muodostaen hydroksideja, kun taas monet epämetallien oksidit muodostavat veden kanssa reagoidessaan happoja.

Käytännön kannalta monet metallien reaktiot ovat haitallisia, ja niitä sanotaan korroosioksi. Korroosioreaktioita ovat esimerkiksi raudan ruostuminen ja kuparin patinoituminen. 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.

Käyttö

Monet metallit ovat erittäin tärkeitä ja materiaaleja mitä erilaisimpien esineiden valmistamiseen. Ne tekee erityisen käyttökelpoisiksi se, että ne toisaalta ovat kovia ja kestäviä, toisaalta kuitenkin ainakin korkeissa lämpötiloissa helposti muokattavia valamalla tai takomalla. Erityisen tärkeä merkitys niillä on esihistoriallisista ajoista ollut aseiden ja työkalujen, nykyisin myös koneiden raaka-aineena. Niistä valmistetaan myös esimerkiksi astioita, putkia ja koruja. Myös sähkötekniikassa niillä on tärkeä merkitys sähkönjohtavuutensa vuoksi. Jalometallit ovat tulleet tärkeiksi myös sijoituskohteina, ja aikaisemmin ne olivat rahajärjestelmänkin perustana. Viime vuosikymmeninä muovit ovat kuitenkin osittain syrjäyttäneet metallit joistakin niiden vanhoista käyttötarkoituksista.

Metalliesineitä tehdään vain harvoin puhtaista, seostamattomista metallialkuaineita. Melkein kaikki käyttömetallit ovat kahden tai useamman metallin seoksia. Metalleista ylivoimaisesti eniten käytettyjä ovat rautaa sisältävät metalliseokset, joista tärkeimpiä ovat teräs ja valurauta. Rautaa käytetään maailmassa enemmän kuin kaikkia muita metalleja yhteensä. Muista metalleista tärkeimpiä ovat alumiini ja kupari.

Metallurgiset valmistusprosessit

Metallurgia käsittelee metallien valmistustekniikoita ja käyttöominaisuuksia.

Metalleja esiintyy vain harvoin luonnossa vapaina alkuaineina. Niitä runsaasti sisältävät mineraalit eli malmit ovat usein metallioksideja tai -sulfideja. Niistä valmistetaan metalleja sopivien pelkistimien avulla, joitakin myös elektrolyyttisesti. Malmeja louhitaan kaivoksista.

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. Tämän vuoksi metalliseokset ovat usein kovempia kuin niissä olevat metallit puhtaina. 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 jännityskenttään metallihilassa. Lisäksi välisija-atomeilla on taipumus suotatua dislokaatioihin, jolloin ne lukittuvat.

• Dislokaatiolujittuminen, eli muokkauslujittuminen

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

• 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. Rautaa alettiin yleisesti käyttää vasta muutamia tuhansia vuosia myöhemmin, jolloin alkoi rautakausi.

Fysiologinen merkitys

Jotkin metallialkuaineet kuten magnesium, kalium ja rauta ovat ihmiselle tärkeitä kivennäis- tai hivenaineita, joita on saatava ravinnosta. Ravinnossa ne esiintyvät erilaisina yhdisteinä, yleensä ioneina.

Toisaalta monet metallit ja niiden yhdisteet ovat myrkyllisiä. Myrkyllisistä raskasmetalleista huomattavimpia ovat lyijy, elohopea ja kadmium

Esimerkkejä metalleista

Tähtitieteessä

Tähtitieteessä ja astrofysiikassa, esimerkiksi puhuttaessa tähden metallipitoisuudesta, metallilla usein tarkoitetaan kaikkia muita alkuaineita paitsi vetyä ja heliumia. Tämä jako perustuu siihen käsitykseen, että vety, helium ja vähäinen määrä litiumia olivat ensimmäiset alkuräjähdyksen synnyttämät alkuaineet, ja edelleenkin tähdissä on vetyä ja heliumia monin verroin enemmän kuin kaikkia muita alkuaineita yhteensä. Raskaammat alkuaineet ovat syntyneet myöhemmin tähtien sisäisissä fuusioreaktioissa tai supernovissa.

Katso myös

• siirtymämetalli
• metallisidos
• metalliesineiden erilaiset valmistustekniikat

Aiheesta muualla

• Lindroos, Sulonen, Veistinen: Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi ISBN 951-666-216-1