Metall

Eisen, hier als Fragmente und 1 cm gezeigt3 Würfel ist ein Beispiel für a Chemisches Element Das ist ein Metall.
Ein Metall in Form eines Soßeboots aus Edelstahl, und ein Legierung weitgehend aus Eisen, Kohlenstoff und Chrom bestehen

A Metall (aus griechisch μέταλλον Métallon, "mein, Steinbruch, Metall") ist a Material Das zeigt, wenn er frisch zubereitet, poliert oder gebrochen ist, ein glänzendes Aussehen und leitet Elektrizität und Wärme relativ gut. Metalle sind normalerweise formbar (Sie können in dünne Blätter gehämmert werden) oder dehnbar (kann in Drähte gezogen werden). Ein Metall kann ein sein Chemisches Element wie zum Beispiel Eisen; ein Legierung wie zum Beispiel rostfreier Stahl; oder eine molekulare Verbindung wie z. Polymerschwefelnitrid.[1]

In der Physik wird ein Metall allgemein als jede Substanz angesehen, die bei einer Temperatur von Strom leiten kann Absoluter Nullpunkt.[2] Viele Elemente und Verbindungen, die normalerweise nicht als Metalle eingestuft werden, werden unter hohem Druck metallisch. Zum Beispiel das Nichtmetall Jod wird allmählich ein Metall bei einem Druck zwischen 40 und 170 Tausend Mal Luftdruck. Ebenso können einige Materialien, die als Metalle angesehen werden, zu Nichtmetallen werden. NatriumZum Beispiel wird ein Nichtmetall mit einem Druck von knapp zwei Millionen Mal atmosphärisch.

In der Chemie zwei Elemente, die sich ansonsten als spröde Metalle qualifizieren würden (in Physik) -Arsen und Antimon- werden allgemein als anerkannt als als Metalloide Aufgrund ihrer Chemie (überwiegend nicht metallisch für Arsen und zwischen Metallizität und Nichtmetallizität für Antimon). Rund 95 der 118 Elemente in der Periodensystem sind Metalle (oder sind wahrscheinlich so). Die Zahl ist ungenau als Grenzen zwischen Metallen, Nichtmetalle, und Metalloide schwankt etwas aufgrund des Mangels an allgemein anerkannten Definitionen der beteiligten Kategorien.

Im Astrophysik Der Begriff "Metall" wird in einem Stern, die schwerer sind als Helium, und nicht nur traditionelle Metalle. In diesem Sinne sammeln die ersten vier "Metalle", die sich in Sternkernen durch Nucleosynthese sammeln, sind Kohlenstoff, Stickstoff-, Sauerstoff, und Neon-alle sind streng nicht in der Chemie. Ein Stern Sicherungen Leichtere Atome, hauptsächlich Wasserstoff und Helium, in schwerere Atome im Laufe seines Lebens. In diesem Sinne verwendet, die Metallizität eines astronomischen Objekts ist der Anteil seiner Materie aus den schwereren chemischen Elementen.[3][4]

Metalle als chemische Elemente machen 25% der Erdkruste aus und sind in vielen Aspekten des modernen Lebens vorhanden. Die Stärke und Widerstandsfähigkeit einiger Metalle hat dazu geführt Konstruktionsowie die meisten Fahrzeuge, viele Haushaltsgeräte, Werkzeuge, Pfeifen und Eisenbahnschienen. Edelmetalle wurden historisch als verwendet als Prägung, aber in der modernen Ära, Münzmetalle haben sich auf mindestens 23 der chemischen Elemente erweitert.[5]

Die Geschichte raffinierter Metalle wird vor etwa 11.000 Jahren mit der Verwendung von Kupfer angenommen. Gold, Silber, Eisen (als Meteorikeisen), Blei und Messing wurden ebenfalls vor dem ersten bekannten Auftritt von Bronze im 5. Jahrtausend v. Chr. Verwendet. Nachfolgende Entwicklungen umfassen die Produktion früherer Stahlformen; Die Entdeckung von Natrium-Der Erste Leichtmetall- in 1809; Der Aufstieg der Moderne Legierte stähle; und seit dem Ende des Zweiten Weltkriegs die Entwicklung von anspruchsvolleren Legierungen.

Eigenschaften

Form und Struktur

Gallium Kristalle

Metalle sind glänzend und glänzendzumindest wenn frisch zubereitet, poliert oder gebrochen. Blätter aus Metall dicker als ein paar Mikrometer aussehen, aber undurchsichtig, aber Gold Blatt Überträgt grünes Licht.

Der feste oder flüssige Zustand der Metalle stammt hauptsächlich aus der Kapazität der betroffenen Metallatome, um leicht ihre äußeren Schalenelektronen zu verlieren. Im Großen und Ganzen sind die Kräfte, die die Außenschalenelektronen eines einzelnen Atoms halten, schwächer als die attraktiven Kräfte auf denselben Elektronen, die sich aus Wechselwirkungen zwischen den Atomen im festen oder flüssigen Metall ergeben. Die beteiligten Elektronen werden delokalisiert und die Atomstruktur eines Metalls kann effektiv als Sammlung von Atomen sichtbar gemacht werden, die in eine Wolke relativ mobiler Elektronen eingebettet sind. Diese Art von Interaktion wird a genannt metallische Bindung.[6] Die Stärke der metallischen Bindungen für verschiedene elementare Metalle erreicht ein Maximum um die Mitte der Übergangsmetall Serien, da diese Elemente eine große Anzahl delokalisierter Elektronen haben.[n 1]

Obwohl die meisten elementaren Metalle höher sind Dichten als die meisten Nichtmetalle,[6] Es gibt eine große Abweichung in ihren Dichten, Lithium die am wenigsten dichte (0,534 g/cm3) und Osmium (22,59 g/cm3) das dichteste. Magnesium, Aluminium und Titan sind Leichte Metalle von erheblicher kommerzieller Bedeutung. Ihre jeweiligen Dichten von 1,7, 2,7 und 4,5 g/cm3 kann mit denen der älteren Strukturmetalle verglichen werden, wie Eisen bei 7,9 und Kupfer bei 8,9 g/cm3. Eine Eisenkugel würde also ungefähr drei Aluminiumkugeln mit gleichem Volumen wiegen.

Eine Metallstange mit einer heiß gearbeiteten Öse. Heiße Arbeit nutzt die Kapazität von Metall, um plastisch deformiert zu werden.

Metalle sind typischerweise formbar und duktil und verformt sich unter Stress ohne Spalten.[6] Es wird angenommen, dass die nicht leitende Natur der metallischen Bindung erheblich zur Duktilität der meisten metallischen Festkörper beiträgt. Im Gegensatz dazu in einer ionischen Verbindung wie Tischsalz, wenn die Ebenen eines Ionenverbindung Schieben Sie aneinander vorbei, die resultierende Änderung der Position verschiebt Ionen derselben Ladung in unmittelbarer Nähe, was zu der führt Dekollete des Kristalls. Eine solche Verschiebung wird in a nicht beobachtet kovalent gebunden Kristall wie ein Diamant, bei dem Fraktur- und Kristallfragmentierung auftritt.[7] Reversibel elastische Verformung in Metallen können von beschrieben werden durch Hookes Gesetz zur Wiederherstellung der Kräfte, wo die betonen ist linear proportional zur Beanspruchung.

Wärme oder zwingt größer als ein Metall Elastizitätsgrenze kann eine dauerhafte (irreversible) Deformation verursachen, bekannt als als Plastische Verformung oder Plastizität. Eine angewendete Kraft kann a sein Zug (Ziehen) Kraft, a komprimiert (drängen) Kraft oder a scheren, Biegen, oder Drehung (verdrehen) Kraft. Eine Temperaturänderung kann die Bewegung oder Verschiebung von beeinflussen Strukturfehler im Metall wie z. Korngrenzen, Point Leerstellen, Leitungs- und Schraubenversetzungen, Stapelfehler und Zwillinge sowohl kristallin und nicht kristallin Metalle. Intern Unterhose, kriechen, und Metallmüdung kann folgen.

Die Atome von metallischen Substanzen sind Typisch angeordnet in einem von drei gemeinsamen Kristallstrukturen, nämlich körperzentrierter Kubikum (BCC), Gesicht zentriertes Kubikum (FCC) und hexagonal eng gepackt (HCP). In BCC befindet sich jedes Atom im Zentrum eines Würfels von acht anderen. In FCC und HCP ist jedes Atom von zwölf anderen umgeben, aber das Stapeln der Schichten unterscheidet sich. Einige Metalle verwenden je nach Temperatur unterschiedliche Strukturen.[8]

Das Einheitszelle Für jede Kristallstruktur ist die kleinste Gruppe von Atomen, die die Gesamtsymmetrie des Kristalls aufweist und aus dem das gesamte kristalline Gitter in drei Dimensionen durch Wiederholung aufgebaut werden kann. Bei der oben gezeigten körperzentrierten kubischen Kristallstruktur besteht die Einheitszelle aus dem zentralen Atom plus ein- und acht der acht Eckatome.

Elektrisch und thermisch

Die Energiezustände, die Elektronen in verschiedenen Arten von Feststoffen zur Verfügung stehen Thermodynamisches Gleichgewicht.
 
Hier ist die Größe Energie, während die Breite die ist Dichte der verfügbaren Zustände für eine bestimmte Energie in dem aufgelisteten Material. Die Schattierung folgt der Fermi -Dirac -Verteilung (Schwarz= alle Zustände gefüllt, Weiß= kein Zustand gefüllt).
 
Das Fermi -Spiegel EF ist der Energieniveau, bei dem die Elektronen in der Lage sind, mit Energieniveaus über ihnen zu interagieren. In Metallen und Semimetal das Fermi -Spiegel EF liegt in mindestens einer Gruppe von Energiezuständen.
 
Im Isolatoren und Halbleiter Der Fermi -Level befindet sich in a Bandabstand; In Halbleitern sind die Bänder jedoch nahezu genug bis zum Fermi -Niveau thermisch besiedelt mit Elektronen oder Löcher.

Die elektronische Struktur von Metallen bedeutet, dass sie relativ gut sind Stromleiter. Elektronen in Materie können nur eher feste als variable Energieniveaus haben, und in einem Metall entsprechen die Energieniveaus der Elektronen in seiner Elektronenwolke zumindest bis zu einem gewissen Grad den Energieniveaus, bei denen eine elektrische Leitung auftreten kann. In einem Halbleiter wie Silizium oder einem nichtmetalischen Schwefel besteht eine Energielücke zwischen den Elektronen in der Substanz und dem Energieniveau, bei dem elektrische Leitung auftreten kann. Folglich sind Halbleiter und Nichtmetalle relativ schlechte Leiter.

Die elementaren Metalle haben elektrische Leitfähigkeitswerte von 6,9 × 103 S/cm für Mangan bis 6,3 × 105 S/cm für Silber-. Dagegen a Halbleiter Metalloid wie Bor hat eine elektrische Leitfähigkeit von 1,5 × 10–6 S/cm. Mit einer Ausnahme reduzieren metallische Elemente ihre elektrische Leitfähigkeit beim Erhitzen. Plutonium Erhöht seine elektrische Leitfähigkeit, wenn er im Temperaturbereich von etwa –175 bis +125 ° C erhitzt wird.

Metalle sind relativ gut Leiter der Wärme. Die Elektronen in der Elektronenwolke eines Metalls sind hoch mobil und leicht in der Lage, wärmeinduzierte Schwingungsenergie weiterzugeben.

Der Beitrag der Elektronen eines Metalls zu seiner Wärmekapazität und thermischen Leitfähigkeit sowie die elektrische Leitfähigkeit des Metalls selbst kann aus dem berechnet werden freies Elektronenmodell. Dies berücksichtigt jedoch nicht die detaillierte Struktur des Ionengitters des Metalls. Unter Berücksichtigung des positiven Potenzials, das durch die Anordnung der Ionenkerne verursacht wird, ermöglicht die Berücksichtigung des elektronische Bandstruktur und Bindungsenergie eines Metalls. Verschiedene mathematische Modelle sind anwendbar, die einfachste sind die Fast freies Elektronenmodell.

Chemisch

Metalle neigen normalerweise zu formen Kationen Durch Elektronenverlust.[6] Die meisten reagieren mit Sauerstoff in der Luft, um zu bilden Oxide über verschiedene Zeitskalen (Kalium Brennt in Sekunden Rost über Jahre). Einige andere, mögen Palladium, Platin, und Goldreagieren Sie überhaupt nicht mit der Atmosphäre. Das Oxide von Metallen sind im Allgemeinen Basicim Gegensatz zu denen von Nichtmetalle, welche sind saur oder neutral. Ausnahmen sind weitgehend Oxide mit sehr hoch Oxidationszustände wie cro3, Mn2O7und oso4, die streng saure Reaktionen haben.

Malerei, Anodisierung, oder Überzug Metalle sind gute Möglichkeiten, um ihre zu verhindern Korrosion. Ein reaktiveres Metall in der jedoch Elektrochemische Serie Muss für die Beschichtung ausgewählt werden, insbesondere wenn die Beschichtung abgehackt wird. Wasser und die beiden Metalle bilden eine Elektrochemische Zelle Und wenn die Beschichtung weniger reaktiv ist als das zugrunde liegende Metall, die Beschichtung tatsächlich fördert Korrosion.

Verteilung der Periodenstischverteilung

In der Chemie werden die Elemente, die normalerweise als Metalle unter normalen Bedingungen betrachtet werden, gelb in der folgenden Periodenverkehrstabelle angezeigt. Die verbleibenden Elemente sind entweder Metalloiden (B, Si, Ge, AS, SB und TE, die allgemein als solche erkannt werden) oder Nichtmetalle. Astatine (AT) wird normalerweise entweder als Nichtmetall oder als Metalloid klassifiziert, aber einige Vorhersagen erwarten, dass es sich um ein Metall handelt. Daher wurde es aufgrund des nicht schlüssigen Zustands des experimentellen Wissens leer gelassen. Die anderen Elemente, die unbekannte Eigenschaften haben, sind wahrscheinlich Metalle, aber es gibt Zweifel an Copernicium (CN) und Oganesson (OG).

Legierungen

Proben von Babbitt Metaleine Legierung von Zinn, Antimon, und Kupfer, verwendet in Lagern, um die Reibung zu reduzieren

Eine Legierung ist eine Substanz mit metallischen Eigenschaften und besteht aus zwei oder mehr Elemente Mindestens eines davon ist ein Metall. Eine Legierung kann eine variable oder feste Zusammensetzung haben. Zum Beispiel bilden Gold und Silber eine Legierung, in der die Proportionen von Gold oder Silber frei eingestellt werden können; Titan und Silizium bilden eine Legierung ti2Si, in dem das Verhältnis der beiden Komponenten festgelegt ist (auch als als bekannt intermetallische Verbindung).

Eine Skulptur in Nickel Silber- Eine Legierung von Kupfer, Nickel und Zink, die wie Silber aussieht

Die meisten reinen Metalle sind entweder zu weich, spröde oder chemisch reaktiv für den praktischen Gebrauch. Kombination verschiedener Verhältnisse von Metallen als Legierungen verändert die Eigenschaften reiner Metalle, um wünschenswerte Eigenschaften zu erzeugen. Das Ziel, Legierungen herzustellen, ist es im Allgemeinen, sie weniger spröde, härter, korrosionsbeständig oder eine wünschenswertere Farbe und einen wünschenswerteren Glanz zu machen. Von allen heute verwendeten metallischen Legierungen, die Legierungen von Eisen (Stahl, rostfreier Stahl, Gusseisen, Werkzeugstahl, legierter Stahl) Machen Sie den größten Anteil sowohl nach Menge als auch nach kommerziellem Wert. Eisen, die mit verschiedenen Kohlenstoffanteilen legiert wurden, ergeben mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt die Duktilität und Zähigkeit. Das Hinzufügen von Silizium wird gegossene Eisen produzieren, während die Hinzufügung von Chrom, Nickel, und Molybdän Zu Kohlenstoffstählen (mehr als 10%) führt zu rostfreien Stählen.

Andere bedeutende metallische Legierungen sind die von denen von Aluminium, Titan, Kupfer, und Magnesium. Kupferlegierungen sind seit der Vorgeschichte bekannt -Bronze- gab das Bronzezeit Sein Name - und haben heute viele Anwendungen, vor allem in der elektrischen Verkabelung. Die Legierungen der anderen drei Metalle wurden vor kurzem entwickelt. Aufgrund ihrer chemischen Reaktivität benötigen sie Elektrolyt Extraktionsprozesse. Die Legierungen von Aluminium, Titan und Magnesium werden für ihre Hochfestigkeits-Gewicht-Verhältnisse geschätzt. Magnesium kann auch liefern elektromagnetische Abschirmung. Diese Materialien sind ideal für Situationen, in denen ein hohes Verhältnis von Stärke zu Gewicht wichtiger ist als die materiellen Kosten, z. B. in der Luft- und Raumfahrt und einigen Automobilanwendungen.

Legierungen, die speziell für hoch anspruchsvolle Anwendungen entwickelt wurden, wie z. Jet -Motoren, kann mehr als zehn Elemente enthalten.

Kategorien

Metalle können nach ihren physikalischen oder chemischen Eigenschaften kategorisiert werden. Kategorien, die in den folgenden Unterabschnitten beschrieben wurden Eisen Eisen und Nichteisen Metalle; spröde Metalle und feuerfeste Metalle; weiße Metalle; schwer und hell Metalle; und Base, edel, und kostbar Metalle. Das Metallische Elemente Die Tabelle in diesem Abschnitt kategorisiert die Elementarmetalle auf der Grundlage ihrer chemischen Eigenschaften in Alkali und Alkalische Erde Metalle; Überleitung und Nachübertragung Metalle; und Lanthanides und Actinides. Andere Kategorien sind möglich, abhängig von den Kriterien für die Aufnahme. Zum Beispiel die ferromagnetisch Metalle - diese Metalle, die bei Raumtemperatur magnetisch sind - sind Eisen, Kobalt und Nickel.

Eisen- und Nichteisenmetalle

Der Begriff "Eisen" leitet sich aus dem ab Latein Wort, das "Eisen enthält" bedeutet. Dies kann reines Eisen beinhalten, wie z. Schmiedeeisenoder eine Legierung wie z. Stahl. Eisen Metalle sind oft magnetisch, aber nicht ausschließlich. Nichteisen Metalle und Legierungen fehlen eine angenehme Menge an Eisen.

Spröde Metall

Während fast alle Metalle formbar oder duktil sind, sind einige - Beryllium, Chrom, Mangan, Gallium und Wismut - spröder.[9] Arsen und Antimon sind, wenn sie als Metalle zugelassen sind, spröde. Niedrige Werte des Verhältnisses von Masse Elastizitätsmodul zu Schermodul (Pughs Kriterium) sind auf eine intrinsische Brechung hinweist.

Refraktäres Metall

In Materialwissenschaft, Metallurgie und Ingenieurwesen ist ein feuerfestes Metall ein Metall, das außerordentlich gegen Hitze und Verschleiß resistent ist. Welche Metalle zu dieser Kategorie gehören; Die häufigste Definition umfasst Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und Rhenium. Sie alle haben Schmelzpunkte über 2000 ° C und ein Hoch Härte bei Raumtemperatur.

Weißes Metall

A Weißes Metall ist eine Reihe von weiß gefärbten Metallen (oder deren Legierungen) mit relativ niedrigen Schmelzpunkten. Zu solchen Metallen gehören Zink, Cadmium, Zinn, Antimon (hier als Metall gezählt), Blei und Wismut, von denen einige ziemlich giftig sind. In Großbritannien verwendet der Kunsthandel den Begriff "Weißmetall" in Auktionskatalogen, um ausländische Silbergegenstände zu beschreiben, die keine britischen Assay -Büromarken tragen, aber dennoch als Silber verstanden werden und entsprechend den Preis sind.

Schwere und leichte Metalle

Ein Schwermetall ist ein relativ dichter Metall oder Metalloid.[10] Es wurden spezifischere Definitionen vorgeschlagen, aber keine haben eine weit verbreitete Akzeptanz erhalten. Einige Schwermetalle haben Nischenanwendungen oder sind insbesondere giftig; Einige sind für Spurenmengen unerlässlich. Alle anderen Metalle sind leichte Metalle.

Basis, edle und kostbare Metalle

Im Chemie, der Begriff unedles Metall wird informell verwendet, um sich auf ein Metall zu beziehen, das leicht ist oxidiert oder korrodiert, wie z. B. leicht mit verdünntem Reagieren Salzsäure (HCl) um ein Metallchlorid zu bilden und Wasserstoff. Beispiele sind Eisen, Nickel, führenund Zink. Kupfer wird als Basismetall angesehen, da es relativ leicht oxidiert wird, obwohl es nicht mit HCl reagiert.

Rhodium, a Edelmetall, hier als 1 g Pulver gezeigt, ein 1 g gepresster Zylinder und ein 1 g Pellet

Der Begriff Edelmetall wird üblicherweise im Gegensatz zu Gegenständen verwendet unedles Metall. Edelmetalle sind resistent gegen Korrosion oder Oxidation,[11] anders als die meisten Grundmetalle. Sie neigen dazu, kostbare Metalle zu sein, oft aufgrund der wahrgenommenen Seltenheit. Beispiele sind Gold, Platin, Silber, Rhodium, Iridium und Palladium.

Im Alchimie und NumismatikDer Begriff Basismetall steht im Gegensatz zu Edelmetalldas heißt, die von hohem wirtschaftlicher Wert.[12] Ein langjähriges Ziel der Alchemisten war die Umwandlung von Basismetallen in Edelmetalle, einschließlich solcher Münzmetalle als Silber und Gold. Die meisten Münzen sind heute aus Grundmetallen mit Niedriger innerer Wert; In der Vergangenheit leiten Münzen häufig ihren Wert hauptsächlich von ihrem ab Edelmetall Inhalt.

Chemisch gesehen sind die Edelmetalle (wie die edlen Metalle) weniger reaktiv als die meisten Elemente, haben hoch Lüster und hohe elektrische Leitfähigkeit. Historisch gesehen waren Edelmetalle wichtig als Währung, werden aber jetzt hauptsächlich als Investition und Industrie angesehen Waren. Gold, Silber-, Platin, und Palladium jeweils hat ein ISO 4217 Währungscode. Die bekanntesten Edelmetalle sind Gold und Silber. Während beide industrielle Verwendungszwecke haben, sind sie besser bekannt für ihre Verwendung in Kunst, Schmuck, und Prägung. Andere kostbare Metalle sind die Platingruppe Metalle: Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridiumund Platin, von denen Platin am häufigsten gehandelt ist.

Die Nachfrage nach kostbaren Metallen wird nicht nur durch ihren praktischen Gebrauch, sondern auch durch ihre Rolle als Investitionen und a bestimmt Wertspeicher.[13] Palladium und Platinum im Herbst 2018 wurden mit etwa drei Vierteln den Goldpreis bewertet. Silber ist wesentlich günstiger als diese Metalle, wird jedoch häufig als kostbares Metall angesichts seiner Rolle bei Münz- und Schmuck angesehen.

Ventilmetalle

In der Elektrochemie ist ein Ventilmetall ein Metall, das Strom nur in eine Richtung übergeht.

Lebenszyklus

Formation

Fülle und Hauptaufkommen oder Quelle nach Gewicht[n 2]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H Er
2 Li Sei B C N O F Ne
3 N / A Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca. Sc Ti V Cr Mn Fe CO Ni Cu Zn Ga Ge Wie Se Br Kr
5 RB Sr Y Zr NB MO Ru Rh PD Ag CD Im Sn Sb Te ich Xe
6 CS Ba 1 asterisk Lu Hf Ta W Betreff OS Ir Pt AU Hg Tl Pb Bi
7 1 asterisk
 
1 asterisk La Ce Pr Nd Sm EU Gd TB Dy Ho Ähm Tm Yb
1 asterisk Th U
 
 Am häufigsten (bis zu 82000 ppm)
 Reichlich vorhanden (100999 ppm)
 Ungewöhnlich (1–99 ppm)
 Selten (0,010,99 ppm)
 Sehr selten (0,00010,0099 ppm)
 
Metalle, die von der Trennlinie übrig sind (oder werden bezogen), hauptsächlich als als Lithophile; die rechts, als Chalkophile außer Gold (a Siderophile) und Zinn (ein Lithophilen).
Dieser Unterabschnitt befasst sich mit der Bildung von Elementarmetallen mit periodischer Tabelle, da diese die Grundlage für metallische Materialien bilden, wie in diesem Artikel definiert.

Metalle bis zur Nähe von Eisen (in der Perioden Tabelle) werden größtenteils über durch Stern Nucleosynthese. In diesem Prozess leichtere Elemente von Wasserstoff nach Silizium aufeinanderfolgend werden Verschmelzung Reaktionen in Sternen, Leicht- und Wärme freisetzen und schwerere Elemente mit höheren Atomzahlen bilden.[14]

Schwerere Metalle werden normalerweise nicht auf diese Weise gebildet, da Fusionsreaktionen, die solche Kerne beinhalten, eher konsumieren als Energie freizusetzen.[15] Vielmehr werden sie weitgehend synthetisiert (aus Elementen mit einer niedrigeren Atomzahl) von Neutronenaufnahme, mit den beiden Hauptmodi dieser sich wiederholenden Erfassung der S-Prozess und die R-Prozess. In der S-Prozess ("S" steht für "Slow") Singularcorpers durch Jahre oder Jahrzehnte, was die weniger stabilen Kerne zulässt Beta -Verfall,[16] Während im R-Prozess ("Schnell") werden die Einnahmen schneller geschehen, als Kerne zerfallen können. Daher geht der S-Prozess einen mehr oder weniger klaren Weg: Zum Beispiel werden stabile Cadmium-110-Kerne durch freie Neutronen in einem Stern nacheinander bombardiert (was fast stabil ist, mit einer Halbwertszeit 30000 mal das Alter des Universums). Diese Kerne fangen Neutronen ein und bilden Indium-116, das instabil ist und sich um Tin-116 usw. abfällt.[14][17][n 3] Im Gegensatz dazu gibt es keinen solchen Weg im R-Prozess. Der S-Prozess hält aufgrund der kurzen Halbwertszeiten der nächsten beiden Elemente Polonium und Astatine, die auf Wismut oder Blei verfallen, in Wismut an. Der R-Prozess ist so schnell, dass er diese Instabilitätszone überspringen und weiterhin schwerere Elemente wie z. Thorium und Uran.[19]

Metalle in Planeten durch Sternentwicklung und Zerstörungsprozesse kondensieren. Sterne verlieren einen Großteil ihrer Masse, wenn es ist ausgeworfen spät in ihrem Leben und manchmal danach aufgrund von a Neutronenstern Zusammenschluss,[20][n 4] Dadurch erhöhen Sie die Fülle von Elementen, die schwerer als Helium in der Interstellares Medium. Wenn die Gravitationsanziehung dazu führt, dass diese Angelegenheit zusammenbricht und zusammenbricht Es werden neue Sterne und Planeten gebildet.[22]

Fülle und Ereignis

Eine Probe von Diaspore, ein Aluminiumoxidhydroxidmineral, α-Alo (OH)

Die Erdkruste besteht aus ungefähr 25% der Metalle, von denen 80% Lichtmetalle wie Natrium, Magnesium und Aluminium sind. Nichtmetalle (~ 75%) machen den Rest der Kruste aus. Trotz der allgemeinen Knappheit einiger schwererer Metalle wie Kupfer können sie sich infolge von Bergaufbau, Erosion oder anderen geologischen Prozessen auf wirtschaftlich extrahierbare Größen konzentrieren.

Metalle werden hauptsächlich als lithophile (steinliebende) oder chalkophile (orzliebende) gefunden. Lithophile Metalle sind hauptsächlich die S-Blockelemente, die die D-Block-Elemente reaktiv und die F-Block-Elemente. Sie haben eine starke Affinität zu Sauerstoff und existieren hauptsächlich als relativ niedrige Silikatmineralien. Chalkophile Metalle sind hauptsächlich die weniger reaktiven D-Block-Elemente und die 4–6 P-Block-Metalle. Sie werden normalerweise in (unlöslichen) Sulfidmineralien gefunden. Die Chalkophile sind dichter als die Lithophilen, die zum Zeitpunkt ihrer Verfestigung niedriger in die Kruste sinken, und sind tendenziell weniger häufig als die Lithophilen.

Andererseits ist Gold ein Siderophiler oder ein eisenliebendes Element. Es bildet weder mit Sauerstoff noch Schwefel Verbindungen. Zum Zeitpunkt der Bildung der Erde und als der edelste (inerte) Metalle sank Gold in den Kern, weil er metallische Legierungen mit hoher Dichte bildet. Folglich ist es ein relativ seltenes Metall. Einige andere (weniger) Edelmetalle - Molybdän, Rhenium, die Platingruppenmetalle (Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platinum), Germanium und Zinn - können als Siderophile gezählt werden, jedoch nur im Sinne ihres Hauptvorkommens in Die Erde (Kern, Mantel und Kruste), eher die Kruste. Diese Metalle treten ansonsten in der Kruste auf, in kleinen Mengen, hauptsächlich als Chalkophile (weniger in ihrer nativen Form).[n 5]

Der rotierende flüssige äußere Kern des Erdinnenraums, der hauptsächlich aus Eisen besteht, wird als Quelle des schützenden Magnetfelds der Erde angesehen.[n 6] Der Kern liegt über der festen inneren Kern der Erde und unter seinem Mantel. Wenn es in eine Säule mit 5 m umgeordnet werden könnte2 (54 m²) Fußabdruck Es hätte eine Höhe von fast 700 Lichtjahren. Das Magnetfeld schützt die Erde vor den geladenen Partikeln des Sonnenwinds und kosmische Strahlen, die sonst die obere Atmosphäre entfernen würden (einschließlich der Ozonschicht, die die Übertragung von Ultraviolettstrahlung begrenzt).

Extraktion

Metalle werden häufig durch Bergbauerze aus der Erde extrahiert, die reichhaltige Quellen der erforderlichen Elemente sind, wie z. Bauxit. Erz befindet sich durch Prospektion Techniken, gefolgt von der Untersuchung und Untersuchung von Einlagen. Mineralquellen sind im Allgemeinen unterteilt in Oberflächenminen, die durch Ausgrabung mit schweren Geräten abgebaut werden, und Untergrundminen. In einigen Fällen macht der Verkaufspreis der betroffenen Metall es wirtschaftlich machbar, niedrigere Konzentrationsquellen abzubauen.

Sobald das Erz abgebaut ist, müssen die Metalle sein extrahiert, normalerweise durch chemische oder elektrolytische Reduktion. Pyrometallurgie verwendet hohe Temperaturen, um Erz in Rohmetalle umzuwandeln Hydrometallurgie beschäftigt wässrig Chemie zum gleichen Zweck. Die verwendeten Methoden hängen vom Metall und ihren Verunreinigungen ab.

Wenn ein Metallerz eine ionische Verbindung dieses Metalls und ein Nichtmetall ist, muss das Erz normalerweise sein geschmolzen- mit einem Reduktionsmittel erhitzt -, um das reine Metall zu extrahieren. Viele übliche Metalle wie Eisen werden verwendet Kohlenstoff als Reduktionsmittel. Einige Metalle wie Aluminium und Natriumhaben kein kommerziell praktisches Reduktionsmittel und werden mit Verwendung extrahiert Elektrolyse stattdessen.[23][24]

Sulfid Die Erze werden nicht direkt auf das Metall reduziert, sondern in Luft geröstet, um sie in Oxide umzuwandeln.

Verwendet

A Neodym Verbundlegungsmagnet der Zusammensetzung nd2Fe14B auf a Nickeleisen Klammer aus einem Computer Festplatte

Metalle sind in fast allen Aspekten des modernen Lebens vorhanden. Eisen, a Schwermetall, kann am häufigsten sein, da es 90% aller raffinierten Metalle ausmacht. Aluminium, a Leichtmetall, ist das nächsthäufiger raffinierte Metall. Reines Eisen kann das billigste metallische Element aller zu einem Preis von etwa 0,07 US -Dollar pro Gramm sein. Seine Erze sind weit verbreitet; es ist einfach zu verfeinern; Und die Technologie wurde über Hunderte von Jahren entwickelt. Gusseisen ist sogar billiger, bei einem Bruchteil von 0,01 US -Dollar pro Gramm, da keine nachfolgende Reinigung erforderlich ist. Platin kann zu einem Preis von etwa 27 US -Dollar pro Gramm der allgegenwärtigste sein, da er sehr hoher Schmelzpunkt, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Haltbarkeit widerspricht. Es soll in 20% aller Konsumgüter in oder zur Herstellung von 20% aller Konsumgüter gefunden werden. Polonium ist wahrscheinlich das teuerste Metall, zu einem fiktiven Preis von etwa 100.000.000 USD pro Gramm, da er die Produktion von Knappheit und Mikromaßstäben betrifft.

Einige Metalle und Metalllegierungen besitzen eine hohe strukturelle Festigkeit pro Masse der Einheit, wodurch sie nützliche Materialien zum Tragen großer Lasten oder zum Widerstand gegen den Aufprallschäden machen. Metalllegierungen können so konstruiert werden, dass sie eine hohe Beständigkeit gegen Scher, Drehmoment und Verformung aufweisen. Das gleiche Metall kann jedoch auch anfällig für Ermüdungsschäden durch wiederholtes Gebrauch oder durch plötzliches Spannungsversagen sein, wenn eine Belastungskapazität überschritten wird. Die Stärke und Widerstandsfähigkeit von Metallen hat zu ihrem häufigen Einsatz bei Hochhäusern und Brückenbau sowie zu den meisten Fahrzeugen, vielen Geräten, Werkzeugen, Pfeifen und Eisenbahnschienen geführt.

Metalle sind gute Leiter, die sie in Elektrogeräten wertvoll machen und einen elektrischen Strom über eine Entfernung mit wenig Energie verloren haben. Elektrische Stromnetze sind auf Metallkabel angewiesen, um Strom zu verteilen. Home Electrical Systems werden größtenteils mit Kupferdraht für seine guten leitenden Eigenschaften verdrahtet.

Die thermische Leitfähigkeit von Metallen ist nützlich, damit Container Materialien über einer Flamme erwärmen. Metalle werden auch für verwendet Temperatur fällt sensible Geräte vor Überhitzung zu schützen.

Das hohe Reflexionsvermögen einiger Metalle ermöglicht ihre Verwendung in Spiegeln, einschließlich präzis -astronomischer Instrumente, und trägt zur Ästhetik des metallischen Schmucks bei.

Einige Metalle haben spezielle Verwendungen; Quecksilber ist eine Flüssigkeit bei Raumtemperatur und wird in Schalter verwendet, um eine Schaltung zu vervollständigen, wenn sie über die Schalterkontakte fließt. Radioaktive Metalle wie z. Uran und Plutonium sind Kraftstoff für Atomkraftwerke, die Energie durchführen über Kernspaltung. Form-Memory-Legierungen werden für Anwendungen wie Rohre, Befestigungselemente und Gefäße verwendet Stents.

Metalle können sein dotiert mit fremden Molekülen - organische, anorganische, biologische und Polymere. Dieses Dotieren beinhaltet das Metall mit neuen Eigenschaften, die von den Gastmolekülen induziert werden. Anwendungen in Katalyse, Medizin, elektrochemischen Zellen, Korrosion und mehr wurden entwickelt.[25]

Recycling

Ein Stapel verdichteter Stahlabfälle, bereit zum Recycling

Die Nachfrage nach Metallen ist aufgrund ihrer Verwendung in der Infrastruktur, im Bau, in der Fertigung und im Konsumgüter eng mit dem Wirtschaftswachstum verbunden. Während des 20. Jahrhunderts wuchs die Vielfalt der in der Gesellschaft verwendeten Metalle rasant. Die Entwicklung großer Nationen wie China und Indien und der technologischen Fortschritte steigern heute immer mehr Nachfrage. Das Ergebnis ist, dass die Bergbauaktivitäten expandieren und immer mehr der Metallbestände der Welt über dem Boden im Gebrauch und nicht unter dem Boden als nicht verwendete Reserven sind. Ein Beispiel ist der In-Use-Bestand von Kupfer. Zwischen 1932 und 1999 stieg Kupfer in den USA von 73 g auf 238 g pro Person.[26]

Metalle können von Natur aus recycelbar sind, weshalb im Prinzip immer wieder verwendet werden kann, um diese negativen Umweltauswirkungen zu minimieren und Energie zu sparen. Beispielsweise werden 95% der Energie, die zur Herstellung von Aluminium aus Bauxiterz verwendet wird, durch Verwendung von recyceltem Material gespeichert.[27]

Weltweit ist das Metallrecycling im Allgemeinen niedrig. Im Jahr 2010 die Internationales Ressourcengremium, gehostet von der Umweltprogramm der Vereinten Nationen veröffentlichte Berichte über Metallaktien, die in der Gesellschaft existieren[28] und ihre Recyclingquoten.[26] Die Autoren des Berichts stellten fest, dass die Metallbestände in der Gesellschaft als riesige Minen über der Erde dienen können. Sie warnten, dass die Recyclingraten einiger seltener Metalle, die in Anwendungen wie Mobiltelefonen, Akku für Hybridautos und Brennstoffzellen verwendet werden Verwendung in moderner Technologie.

Biologische Wechselwirkungen

Die Rolle metallischer Elemente bei der Entwicklung der Zellbiochemie wurde überprüft, einschließlich eines detaillierten Abschnitts zur Rolle von Kalzium In Redoxenzymen.[29]

Ein oder mehrere der Elemente Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, und Zink sind für alle höheren Lebensformen von wesentlicher Bedeutung. Molybdän ist eine wesentliche Komponente von Vitamin B12. Verbindungen aller anderen Übergangselemente und nach dem Übergangselement Antimon und Zinn. Mögliche Quellen für Metallvergiftungen umfassen Bergbau, Tailings, Industrielle Abfälle, landwirtschaftlicher Abfluss, Exposition durch Beruf, Farben, und behandeltes Holz.

Geschichte

Vorgeschichte

Kupfer, das in nativer Form auftritt, kann das erste Metall gewesen sein, das angesichts seiner charakteristischen Aussehen, Schwere und Formbarkeit im Vergleich zu anderen Steinen oder Kieselsteinen entdeckt wurde. Gold, Silber und Eisen (als meteorisches Eisen) und Blei wurden ebenfalls in der Vorgeschichte entdeckt. Arten von Messing, eine Legierung von Kupfer und Zink, die durch gleichzeitiges Schmelzen der Erze dieser Metalle hergestellt wurden, stammen aus dieser Zeit (obwohl reines Zink erst im 13. Jahrhundert isoliert wurde). Die Formbarkeit der festen Metalle führte zu den ersten Versuchen, Metallschmuck, Werkzeuge und Waffen herzustellen. Von Zeit zu Zeit wurde meteorisches Eisen entdeckt, das Nickel enthielt, und in gewisser Hinsicht war dies jedem Industriestahl überlegen, der bis in die 1880er Jahre hergestellt wurde, als Legierungsstähle prominent wurden.[30]

Antike

Das Artemision Bronze[n 7] entweder zeigen Poseidon oder Zeus, c. 460 v. Chr., Nationales archäologisches Museum, Athen. Die Abbildung ist mehr als 2 m hoch.

Die Entdeckung von Bronze- (Eine Kupferlegierung mit Arsen oder Zinn) ermöglichte es Menschen, Metallobjekte zu erstellen, die härter und langlebiger als bisher möglich waren. Bronzewerkzeuge, Waffen, Rüstung und Baumaterial wie dekorative Fliesen waren härter und haltbarer als ihr Stein und Kupfer ("Chalkolithikum") Vorgänger. Zunächst wurde Bronze aus Kupfer gemacht und Arsen (Bildung Arsenbronze) durch natürliche oder künstlich gemischte Kupfer- und Arsenerze.[31] Der Frühste Artefakte So weit bekannt von der Iranisches Plateau im 5. Jahrtausend v. Chr.[32] Erst später das Zinn wurde verwendet und wurde im späten 3. Jahrtausend v.[33] Reines Zinn selbst wurde erstmals 1800 v. Chr. Von chinesischen und japanischen Metallarbeitern isoliert.

Merkur war den alten Chinesen und Indianern vor 2000 v. Chr. Bekannt und fand in ägyptischen Gräbern aus 1500 v. Chr.

Die früheste bekannte Produktion von Stahl, eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, ist in Eisenstücken zu sehen, die aus einem ausgegraben wurden archäologische Fundstätte in Anatolien (Kaman-Kalehöyük) und sind fast 4.000 Jahre alt, aus dem Jahr 1800 v. Chr.[34][35]

Ab etwa 500 v. Chr. Schwerthersteller von Toledo, Spanien, machten frühe Formen von legierter Stahl durch Hinzufügen eines Minerals genannt Wolframit, der Wolfram und Mangan enthielt, zu Eisenerz (und Kohlenstoff). Das resultierende Toledo Stahl kam auf Rom aufmerksam, als er von Hannibal in der verwendet wurde Punische Kriege. Es wurde bald die Grundlage für die Waffe der römischen Legionen; Ihre Schwerter sollen "so scharf gewesen sein, dass es keinen Helm gibt, der von ihnen nicht durchgeschnitten werden kann".[n 8]

Im präkolumbianischen Amerika, Objekte aus TumbagaEine Legierung von Kupfer und Gold wurde in Panama und Costa Rica zwischen 300 und 500 n. Chr. Produziert. Kleine Metallskulpturen waren häufig und eine umfassende Auswahl an Tumbaga- (und Gold-) Ornamenten umfasste die üblichen Innereien von Personen mit hohem Status.

Etwa zur gleichen Zeit kombinierten die indigenen Ecuadorianer Gold mit einer natürlich vorkommenden Platinlegierung, die kleine Mengen Palladium, Rhodium und Iridium enthielt, um Miniaturen und Masken zu produzieren, die aus einer Weißgold-Platin-Legierung bestanden. Die Metallarbeiter waren erhitztes Gold mit Körner Von der Platinlegierung, bis das Gold geschmolzen war, wurde die Metalle der Platingruppe innerhalb des Goldes gebunden. Nach dem Abkühlen wurde die resultierende Konglomeration wiederholt gehämmert und wiederholt wieder erwärmt, bis es so homogen wurde, als wären alle betroffenen Metalle zusammengeschmolzen worden (erreichte die Schmelzpunkte der betreffenden Platingruppen -Metalle über die Technologie des Tages).[36][n 9]

Mittelalter

Gold ist für die Geliebte - Silver für die Dienstmädchen -
Kupfer für den Handwerker in seinem Handel.
"Gut!" sagte der Baron, sitze in seiner Halle,
"Aber Eisen - kalte Eisen - ist Meister von allen."

aus Kaltes Eisen durch Rudyard Kipling[37]

Arabisch und Mittelalter Alchemisten glaubte, dass alle Metalle und Materie aus dem Prinzip des Schwefels, dem Vater aller Metalle und dem brennbaren Eigentum und dem Prinzip des Quecksilbers, der Mutter aller Metalle, bestanden[n 10] und Träger der Liquiditäts-, Schmelz- und Volatilitätseigenschaften. Diese Prinzipien waren nicht unbedingt die gemeinsamen Substanzen Schwefel und Merkur in den meisten Labors gefunden. Diese Theorie verstärkte die Überzeugung, dass alle Metalle in den Darm der Erde Gold durch die richtigen Kombinationen von Wärme, Verdauung, Zeit und Beseitigung von Verunreinigungen werden, die alle durch das Wissen und die Methoden der Alchemie entwickelt und beschleunigt werden konnten .[n 11]

Arsen, Zink, Antimon und Wismut wurden bekannt, obwohl diese aufgrund ihrer Absolventen zunächst Semimetale oder Bastardmetalle bezeichnet wurden. Alle vier könnten in früheren Zeiten übrigens verwendet worden sein, ohne ihre Natur zu erkennen. Albertus Magnus Es wird angenommen Arsen -Trisulfid. Das metallische Zink, das in Indien unrein ist, wurde bis 1300 n. Chr. Isoliert. Die erste Beschreibung eines Verfahrens zum Isolieren von Antimon ist im Buch 1540 De la pirotechnia durch Vannoccio Biringuccio. Wismut wurde von Agricola in beschrieben De Natura Fossilium (c. 1546); Es war in frühen Zeiten mit Zinn und Blei wegen seiner Ähnlichkeit mit diesen Elementen verwirrt worden.

Die Renaissance

Platinkristalle
Eine Scheibe mit hoch angereichertem Uran, das aus Schrott geborgen wurde, die am verarbeitet wurden Y-12 Nationaler Sicherheitskomplex, in Oak Ridge, Tennessee
Ultrat Cerium unter Argon, 1,5 g

Der erste systematische Text über die Künste des Bergbaus und der Metallurgie war De la pirotechnia (1540) von Vannoccio Biringuccio, der die Untersuchung, Fusion und Arbeit von Metallen behandelt.

16 Jahre später, Georgius Agricola veröffentlicht De Re Metallica 1556 ein klarer und vollständiger Bericht über den Beruf des Bergbaus, der Metallurgie und der Accessoire Arts and Sciences sowie der Qualifikation als größte Abhandlung über die chemische Industrie bis zum 16. Jahrhundert.

Er gab die folgende Beschreibung eines Metalls in seinem De Natura Fossilium (1546):

Metall ist von Natur aus ein Mineralkörper, entweder flüssig oder etwas hart. Letzteres mag durch die Hitze des Feuers geschmolzen werden, aber wenn es wieder abgekühlt ist und jede Hitze verloren hat, wird es wieder hart und nimmt seine richtige Form wieder auf. In dieser Hinsicht unterscheidet es sich von dem Stein, der im Feuer schmilzt, obwohl letztere seine Härte wiedererlangen, doch seine unberührte Form und Eigenschaften verliert.

Traditionell gibt es sechs verschiedene Arten von Metallen, nämlich Gold, Silber, Kupfer, Eisen, Zinn und Blei. Es gibt wirklich andere, denn Quecksilber ist ein Metall, obwohl die Alchemisten mit uns zu diesem Thema nicht einverstanden sind, und Wismut ist auch. Die alten griechischen Schriftsteller scheinen Wismuts nicht zu unwissend gewesen zu sein, weshalb Ammonius zu Recht viele Arten von Metallen, Tieren und Pflanzen gibt, die uns unbekannt sind. Stibium Wenn im Schmelztiegel und raffiniert geschmiert ist, hat es das Recht, als richtiges Metall angesehen zu werden, wie es von Schriftstellern geführt wird. Wenn beim Schmelzen ein bestimmter Teil zu Zinn hinzugefügt wird, wird die Legierung eines Buchhändlers hergestellt, aus dem der Typ hergestellt wird und von denen diejenigen verwendet werden, die Bücher auf Papier drucken.

Jedes Metall hat seine eigene Form, die es bei Trennung von den Metallen, die damit gemischt wurden, bewahrt. Deshalb auch nicht Elektrum Noch Stannum [bedeutet nicht, dass unser Zinn] für sich selbst ein echtes Metall ist, sondern eine Legierung von zwei Metallen. Elektrum ist eine Legierung aus Gold und Silber, Stannum aus Blei und Silber. Und doch, wenn Silber vom Elektrum getrennt werden, bleibt Gold und nicht Elektrum; Wenn Silber von Stannum weggenommen werden, bleibt die Blei und nicht das Stannum.

Ob Messing jedoch als einheimisches Metall gefunden wird oder nicht, kann nicht mit einer Bürgschaft ermittelt werden. Wir kennen nur das künstliche Messing, der aus Kupfer besteht, die mit der Farbe des Minerals getönt sind Calamin. Und doch, wenn irgendetwas ausgegraben werden sollte, wäre es ein richtiges Metall. Schwarz -Weiß -Kupfer scheint sich von der roten Art zu unterscheiden.

Metall ist daher von Natur aus entweder fest, wie ich angegeben habe, oder flüssig, wie im einzigartigen Fall von Quicksilver.

Aber jetzt genug über die einfachen Arten.[38]

Platinum, das dritte Edelmetall nach Gold und Silber, wurde in Ecuador im Zeitraum 1736 bis 1744 vom spanischen Astronomen Antonio de Ulloa und seinem Kollegen, dem Mathematiker Jorge Juan Y Juan Y Santacilia, entdeckt. Ulloa war die erste Person, die 1748 eine wissenschaftliche Beschreibung des Metalls schrieb.

1789 isolierte der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth ein Uranoxid, das er für das Metall selbst hielt. Klaproth wurde anschließend als Entdecker von Uran zugeschrieben. Erst 1841 herstellte der französische Chemiker Eugène-Melchior Péligot die erste Probe von Uranmetall. Henri Becquerel entdeckte anschließend 1896 die Radioaktivität unter Verwendung von Uran.

In den 1790er Jahren beobachteten Joseph Priestley und der niederländische Chemiker Martinus van Marum die transformative Wirkung von Metalloberflächen auf die Dehydrierung von Alkohol, eine Entwicklung, die anschließend 1831 zur industriellen Skala -Synthese von Schwefelsäure unter Verwendung eines Platinkatalysators führte.

Im Jahr 1803 war Cerium das erste der Lanthanidmetalle, die in Bastns, Schweden von Jöns Jakob Berzelius und Wilhelm Hissinger und unabhängig von Martin Heinrich Klaproth in Deutschland entdeckt wurden. Die Lanthanidmetalle wurden bis in die 1960er Jahre weitgehend als Kuriositäten angesehen, als Methoden entwickelt wurden, um sie effizienter voneinander zu trennen. Anschließend haben sie Verwendungszwecke in Mobiltelefonen, Magneten, Lasern, Beleuchtung, Batterien, Katalysatoren und in anderen Anwendungen gefunden, die moderne Technologien ermöglichen.

Andere Metalle, die in dieser Zeit entdeckt und vorbereitet wurden, waren Kobalt, Nickel, Mangan, Molybdän, Wolfram und Chrom; und einige der Platingruppe Metalle, Palladium, Osmium, Iridium und Rhodium.

Leichte Metalle

Alle bis 1809 entdeckten Metalle hatten relativ hohe Dichten; Ihre Schwere wurde als ein einzigartiges Unterscheidungskriterium angesehen. Ab 1809 wurden leichte Metalle wie Natrium, Kalium und Strontium isoliert. Ihre niedrigen Dichten forderten die konventionelle Weisheit in Bezug auf die Natur von Metallen heraus. Sie verhielten sich jedoch chemisch als Metalle und wurden anschließend als solche erkannt.

Aluminium wurde 1824 entdeckt, aber erst 1886 wurde eine industrielle Produktionsmethode entwickelt. Die Preise für Aluminium fielen und Aluminium wurde in den 1890er und frühen 20. Jahrhundert in Schmuck, Alltagsartikeln, Brillenrahmen, optischen Instrumenten, Tabellengeschirr und Folien verwendet. Aluminiums Fähigkeit, harte, aber leichte Legierungen mit anderen Metallen zu bilden, sorgte für das Metall, das viele zu dieser Zeit verwendeten. Während des Ersten Weltkriegs forderten große Regierungen große Sendungen von Aluminium für leichte, starke Flugzeugzellen. Das häufigste Metall, das heute für die elektrische Stromübertragung verwendet wird, ist heute Aluminium-Leitungsstahlverstärkte. Es ist auch ein All-Aluminium-Alloy-Dirigent zu sehen. Es wird Aluminium verwendet Spezifische Leitfähigkeit) und billiger zu sein. Kupfer war in der Vergangenheit beliebter und wird immer noch verwendet, insbesondere bei niedrigeren Spannungen und zur Erdung.

Während reine Metallic -Titan (99,9%) erstmals 1910 vorbereitet wurde, wurde es erst 1932 außerhalb des Labors verwendet Krieg. Ab den frühen 1950er Jahren wurde Titan in militärischer Luftfahrt ausgiebig eingesetzt, insbesondere bei Hochleistungsjets, beginnend mit Flugzeugen wie dem F-100 Super Sabre und Lockheed A-12 und SR-71.

Metallic Scandium wurde 1937 erstmals produziert. Das erste Pfund von 99% reinem Scandium-Metall wurde 1960 produziert. Die Produktion von Aluminium-Scandium-Legierungen begann 1971 nach einem US-Patent. Aluminium-Scandium-Legierungen wurden auch in der UdSSR entwickelt.

Das Alter von Stahl

Weiß heißer Stahl gießt wie Wasser aus einem 35-Tonnen-Elektroofen bei der Allegheny Ludlum Steel Corporation in Brackenridge, Pennsylvania.

Die moderne Ära in Stahlherstellung begann mit der Einführung von Henry Bessemer's Bessemer -Prozess Im Jahr 1855 war das Rohstoff, für das Schweineisen war. Seine Methode ließ ihn so billig in großen Mengen produzieren, also Baustahl wurde für die meisten Zwecke verwendet, für die früher Schmelzeisen verwendet wurde. Der Gilchrist-Thomas-Prozess (oder grundlegender Bessemer -Prozess) war eine Verbesserung des Bessemer -Prozesses, der durch Auskleide des Konverters mit a Basic Material zum Entfernen von Phosphor.

Wegen seiner hohen Zugfestigkeit und kostengünstige Kosten, Stahl wurde eine wichtige Komponente, die in verwendet wurde Gebäude, Infrastruktur, Werkzeug, Schiffe, Automobile, Maschinen, Geräte und Waffen.

1872 patentierten die Engländer Clark und Woods eine Legierung, die heute als Edelstahl angesehen wird. Die Korrosionsresistenz von Eisenchromlegierungen wurde 1821 vom französischen Metallurgen Pierre Berthier anerkannt. Er bemerkte ihren Widerstand gegen den Angriff einiger Säuren und schlug ihre Verwendung in Besteck vor. Metallurgen des 19. Jahrhunderts waren nicht in der Lage, die Kombination aus kohlenstoffarmem und hohem Chrom zu produzieren, die in den meisten modernen rostfreien Stählen gefunden wurden, und die hohen Chromlegierungen, die sie produzieren konnten, waren zu spröde, um praktisch zu sein. Erst 1912 ereignete sich die Industrialisierung von Edelstahllegierungen in England, Deutschland und den Vereinigten Staaten.

Die letzten stabilen metallischen Elemente

Um 1900 drei Metalle mit Atomzahlen Weniger als Blei (#82), das schwerste stabile Metall, blieb weiterhin entdeckt: Elemente 71, 72, 75.

Von Welelsbach, 1906, bewies, dass das alte Ytterbium auch ein neues Element (#71) enthielt, das er nannte Cassiopeiium. Urbain bewies dies gleichzeitig, aber seine Proben waren sehr unrein und enthielten nur Spurenmengen des neuen Elements. Trotzdem war sein gewählter Name Lutetium wurde adoptiert.

1908 fand Ogawa Element 75 in Thorianit, hat es aber als Element 43 statt 75 zugewiesen und genannt es Nipponium. 1925 kündigten Walter Noddack, Ida Eva Tacke und Otto Berg seine Trennung von Gadolinit an und gab ihm den heutigen Namen. Rhenium.

Georges Urbain behauptete, Element 72 in Seltenerdrücken gefunden zu haben, während Vladimir Vernadsky es unabhängig in Orthit fand. Keine Behauptung wurde aufgrund des Ersten Weltkriegs bestätigt, und später konnte keiner später bestätigt werden, da die Chemie, die sie berichteten, nicht übereinstimmt, für die jetzt bekannt ist Hafnium. Nach dem Krieg fanden Coster und Hevesy es 1922 durch röntgenspektroskopische Analyse im norwegischen Zirkon. Hafnium war somit das letzte stabile Element, das entdeckt wurde.

Bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs hatten Wissenschaftler vier nach der Uraniumelemente synthetisiert, die alle radioaktive (instabile) Metalle sind: Neptunium (1940), Plutonium (1940–41) und Curium und Americium (1944), die Elemente 93 repräsentieren 93 bis 96. Die ersten beiden davon wurden schließlich auch in der Natur gefunden. Curium und Americium waren Nebenprodukte des Manhattan-Projekts, das 1945 die erste Atombombe der Welt hervorbrachte. Die Bombe basierte auf der nuklearen Spaltung von Uranium, einem Metall, von dem angenommen wurde, dass er fast 150 Jahre zuvor entdeckt worden war.

Entwicklungen nach dem Zweiten Weltkrieg II

Superalloys

Superalloys bestehend aus Kombinationen von Fe, Ni, Co und CR, und weniger Mengen von W, Mo, Ta, Nb, Ti und Al wurden kurz nach dem Zweiten Weltkrieg zur Verwendung in Hochleistungsmotoren entwickelt, die bei erhöhten Temperaturen operieren (über 650 ° C (1.200 ° F)). Sie behalten den größten Teil ihrer Stärke unter diesen Bedingungen für längere Zeiträume und kombinieren eine gute Duktilität mit niedriger Temperatur mit Resistenz gegen Korrosion oder Oxidation. Superalloys finden sich nun in einer Vielzahl von Anwendungen wie Land-, Maritime- und Luft- und Raumfahrtturbinen sowie chemische und Erdölpflanzen.

Transcurium -Metalle

Die erfolgreiche Entwicklung der Atombombe am Ende des Zweiten Weltkriegs löste weitere Anstrengungen aus, um neue Elemente zu synthetisieren, von denen fast alle Metalle und alle radioaktiv sind oder werden. Erst 1949 wurde Element 97 (Berkelium), als nächstes nach Element 96 (Curium), durch Abfeuern von Alpha -Partikeln auf ein Americium -Ziel synthetisiert. Im Jahr 1952 wurde Element 100 (Fermium) in den Trümmern der ersten Wasserstoffbombenexplosion gefunden; Wasserstoff, ein Nichtmetall, wurde fast 200 Jahre zuvor als Element identifiziert. Seit 1952 wurden Elemente 101 (Mendelevium) bis 118 (Oganesson) synthetisiert.

Bulk Metallic Brille

Ein metallisches Glas (auch als amorphes oder glasartiges Metall bezeichnet) ist ein festes metallisches Material, normalerweise eine Legierung, mit einer ungeordneten Struktur des atomarischen Maßstabs. Die meisten reinen und legierten Metalle in ihrem Festzustand haben Atome in einer hoch geordneten kristallinen Struktur angeordnet. Amorphe Metalle haben eine nichtkristalline Glasstruktur. Im Gegensatz zu üblichen Brillen wie Fensterglas, bei denen es sich normalerweise um elektrische Isolatoren handelt, haben amorphe Metalle eine gute elektrische Leitfähigkeit. Amorphe Metalle werden auf verschiedene Arten hergestellt, einschließlich extrem schneller Kühlung, physikalischer Dampfabscheidung, Festkörperreaktion, Ionenbestrahlung und mechanischer Legierung. Das erste gemeldete Metallicglas war eine Legierung (AU75Si25) produziert bei Caltech 1960 wurden in jüngerer Zeit eine dreifache Festigkeit herkömmlicher Stahllegierungen hergestellt. Derzeit stützen sich die wichtigsten Anwendungen auf die speziellen magnetischen Eigenschaften einiger ferromagnetischer Metallgläser. Der niedrige Magnetisierungsverlust wird bei hocheffizienten Transformatoren verwendet. Diebstahl -Kontroll -ID -Tags und andere Artikelüberwachungsschemata verwenden aufgrund dieser magnetischen Eigenschaften häufig Metallgläser.

Form-Memory-Legierungen

Eine Form-Memory-Legierung (SMA) ist eine Legierung, die sich an seine ursprüngliche Form "erinnert" und wenn deformiert beim Erhitzen in ihre vorgeformte Form zurückkehrt. Während der Formgedächtniseffekt im Jahr 1932 in einer Au-CD-Legierung erstmals beobachtet wurde Anwendungen entstanden. SMAs verfügen über Anwendungen in Robotik und Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Biomedizin -Industrie. Es gibt eine andere Art von SMA, die als ferromagnetische Form-Memory-Legierung (FSMA) bezeichnet wird und die die Form unter starken Magnetfeldern verändert. Diese Materialien sind von besonderem Interesse, da die magnetische Reaktion tendenziell schneller und effizienter ist als temperaturinduzierte Reaktionen.

Quasicyrstalline Legierungen

Eine HO-Mg-Zn-ikosaedrische Quasikristall Dodecaeder, das Dual des ICOSASADRON

1984 fand der israelische Chemiker Dan Shechtman eine Aluminium-manganische Legierung mit einer fünffachen Symmetrie, die zu dieser Zeit gegen kristallographische Konventionen verstößt, was besagte, dass kristalline Strukturen nur zwei, drei-, vier- oder sechsfache Symmetrie haben konnten. Aus Angst vor der Reaktion der wissenschaftlichen Gemeinschaft dauerte er zwei Jahre, um die Ergebnisse zu veröffentlichen, für die er 2011 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Seit dieser Zeit wurden Hunderte von Quasikristallen gemeldet und bestätigt. Sie existieren in vielen metallischen Legierungen (und einigen Polymeren). Quasicrystals werden am häufigsten in Aluminiumlegierungen (al-li-cu, al-Mn-si, al-ni-co, al-pd-mn, al-cu-fe, al-cu-v usw.) gefunden, aber Zahlreiche andere Kompositionen sind ebenfalls bekannt (CD-YB, Ti-ZR-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-SC, IN-Ag-YB, PD-U-Si usw.). Quasicristalle haben effektiv unendlich große Einheitenzellen. ICOSAHEDRITE Al63Cu24Fe13Die erste in der Natur gefundene Quasicrystal wurde 2009 entdeckt. Eigenschaften. Für die Entwicklung von Wärmeisolierung, LEDs, Dieselmotoren und neuen Materialien, die Wärme in Strom umwandeln, wurden Quasicrystals verwendet. Neue Anwendungen können den geringen Reibungskoeffizienten und die Härte einiger quasikristalliner Materialien nutzen, beispielsweise die Einbettung von Partikeln in Kunststoff, um starke, hartlebige Plastikgetriebe mit niedrigem Reiz zu machen. Andere potenzielle Anwendungen umfassen selektive Solarabsorber für Leistungsumwandlung, Reflektoren mit Breitwellenlängen sowie Knochenreparatur- und Prothesen Anwendungen, bei denen Biokompatibilität, geringe Reibung und Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.

Komplexe Metalllegierungen

Komplexe Metalllegierungen (CMAs) sind intermetallische Verbindungen, die durch große Zellen der Einheiten gekennzeichnet sind, die einige Zehn bis zu Tausende von Atomen umfassen; das Vorhandensein gut definierter Atomecluster (häufig mit ikosaedrischer Symmetrie); und teilweise Störung in ihren kristallinen Gitter. Sie bestehen aus zwei oder mehr metallischen Elementen, manchmal mit Metalloiden oder Chalkogenide hinzugefügt. Dazu gehören zum Beispiel NACD2 mit 348 Natriumatomen und 768 Cadmiumatomen in der Einheitszelle. Linus Pauling versuchte, die Struktur von NACD zu beschreiben2 1923, aber erst 1955 erfolgreich. Zunächst "Giant Unit Cell Crystals" genannt, hat das Interesse an CMAs, wie sie genannt wurden ", gegeben am 8. Internationale Konferenz über Quasikristall. Potenzielle Anwendungen von CMAs umfassen als Wärmeisolierung; Solarheizung; magnetische Kühlschränke; Verwenden von Müllwärme, um Strom zu erzeugen; und Beschichtungen für Turbinenklingen in Militärmotoren.

Hochentropielegierungen

Hochentropielegierungen (HEAS) wie Allimgscti ​​bestehen aus gleichen oder nahezu gleichen Mengen von fünf oder mehr Metallen. Im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen mit nur einem oder zwei Basismetallen haben HEAS erheblich bessere Verhältnisse zu Gewicht, höhere Zugfestigkeit und stärkere Resistenz gegen Frakturierung, Korrosion und Oxidation. Obwohl HEAS bereits 1981 beschrieben wurde, entwickelte sich erst in den 2010er Jahren ein erhebliches Interesse. Aufgrund ihres Potenzials für wünschenswerte Eigenschaften stehen sie weiterhin im Mittelpunkt der Forschung in der Materialwissenschaft und im Ingenieurwesen.

Max Phasenlegierungen

Maximale Phase
Legierungsbeispiele
Max M EIN X
Hf2SNC Hf Sn C
Ti4Aln3 Ti Al N
Ti3Sic2 Ti Si C
Ti2ALC Ti Al C
Cr2ALC2 Cr Al C
Ti3ALC2 Ti Al C

In einem Max Phasenlegierung, M ist ein frühes Übergangsmetall, A ist ein ein Gruppenelement (hauptsächlich Gruppe IIIa und IVA oder Gruppen 13 und 14) und X ist entweder Kohlenstoff oder Stickstoff. Beispiele sind HF2SNC und Ti4Aln3. Solche Legierungen haben einige der besten Eigenschaften von Metallen und Keramik. Diese Eigenschaften umfassen hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, thermische Stoßdämpferwiderstand, Schadenstoleranz, Bearbeitbarkeit, hohe elastische Steifheit und niedrige thermische Expansionskoeffizienten.[39] They can be polished to a metallic luster because of their excellent electrical conductivities. During mechanical testing, it has been found that polycrystalline Ti3Sic2 Zylinder können wiederholt bei Raumtemperatur bis zu Spannungen von 1 GPa komprimiert werden und sich bei der Entfernung der Last vollständig erholen. Einige maximale Phasen sind ebenfalls sehr resistent gegen chemische Angriffe (z. B. ti3Sic2) und Hochtemperaturoxidation in Luft (ti2ALC, Cr2ALC2und ti3ALC2). Potenzielle Anwendungen für maximale Phasenlegierungen umfassen: als harte, messbare, thermisch-schockresistente Refraktionen; Hochtemperaturheizungselemente; Beschichtungen für elektrische Kontakte; und Neutronenbestrahlungsresistent Teile für nukleare Anwendungen. Während in den 1960er Jahren maximale Phasenlegierungen entdeckt wurden, wurde das erste Papier zu diesem Thema erst 1996 veröffentlicht.

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Dies ist eine vereinfachte Erklärung; Andere Faktoren können umfassen Atomradius, Nuklearladung, Anzahl der Anleihen Orbitale, Überlappung von Orbitalenergien und Kristallform.[6]
  2. ^ Spurenelemente mit einer Fülle gleich oder viel weniger als ein Teil pro Billion (nämlich TC, PM, Po, Bei, Ra, AC, Pa, Np, und Pu) werden nicht gezeigt.
  3. ^ In einigen Fällen zum Beispiel in Gegenwart von Hochenergie -Gammastrahlen oder in a sehr hohe Temperaturwasserstoff reichhaltiger UmgebungDie Subjektkerne können Neutronenverlust oder Protonengewinn aufnehmen, was zur Produktion von (vergleichsweise selten) führt Neutronenmangelisotope.[18]
  4. ^ Das Ausstoß von Materie, wenn zwei Neutronensterne kollidieren Gezeitenkräfte, mögliche Krustenstörung und Stoßheizung (was passiert, wenn Sie den Gaspedal im Auto mit dem Kälte des Motors unterbinden).[21]
  5. ^ Eisen, Kobalt, Nickel und Zinn sind auch Siderophile aus einer ganzen Perspektive der Erde.
  6. ^ Eine andere lebensbetriebende Rolle für Eisen ist ein wichtiger Bestandteil von Hämoglobin, was den Transport von Sauerstoff aus der Lunge zum Rest des Körpers ermöglicht.
  7. ^ Bronze Ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Kupfer besteht, häufig mit etwa 12% Zinn und häufig mit anderen Metallen (wie Aluminium, Mangan, Nickel oder Zink) und manchmal Nichtmetallen oder Metalloiden wie Arsen, Phosphor oder Silizium.
  8. ^ Die chalischen Völker von Pontus in Kleinasien wurden gleichzeitig für die Arbeit in Eisen und Stahl gefeiert. Unbekannt für sie enthielt ihr Eisen eine hohe Menge Mangan, was die Produktion einer überlegenen Form von Stahl ermöglichte.
  9. ^ In Damaskus, Syrien, schmiedeten Blade-Schmiede, die Messer und Schwerter mit einem charakteristischen Oberflächenmuster aus wirbelnden Mustern von hellgeschärften Regionen auf einem nahezu schwarzen Hintergrund bestehen. Diese Klingen hatten legendäre Schneidfähigkeiten. Das Eisen, das die Schmiede benutzten wurde aus Indien bezogen und enthielt ein oder mehrere karbidbildende Elemente wie V, Mo, Cr, Mn und NB. Die moderne Analyse dieser Waffen hat gezeigt, dass diese Elemente die katalytische Bildung von Kohlenstoffnanoröhren unterstützten, was wiederum die Bildung von förderte Zementit (Fe3C) Nanodrähte. Die Formbarkeit der Kohlenstoffnanoröhrchen gleichen die spröde Natur des Zementits aus und verteilte den resultierenden Stahl mit einer einzigartigen Kombination aus Festigkeit und Flexibilität. Wissen darüber, wie man das macht, was zu Calling kam Damaskus Stahl starb im achtzehnten Jahrhundert möglicherweise aufgrund anstrengender Erzquellen mit der richtigen Kombination von Verunreinigungen. Die beteiligten Techniken wurden erst 2009 wiederentdeckt.
  10. ^ In der Antike wurde der Blei als Vater aller Metalle angesehen.
  11. ^ Paracelsus, eine spätere Deutsche Renaissance Der Schriftsteller fügte das dritte Salzprinzip hinzu und trug die nichtflüchtigen und unscharfbarer Eigenschaften in seinem Tria Prima Lehre. Diese Theorien behielten die vier klassischen Elemente als die Zusammensetzung von Schwefel, Quecksilber und Salz bei.

Verweise

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Weitere Lektüre

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Externe Links