Metallide füüsikalised omadused

Kuna metallilisi elemente on väga palju, on palju ka vastavaid liht­aineid – metalle. Metallide omadused varieeruvad küll väga laiades piirides, kuid sellegi­poolest tunneme metalle kergesti ära nende ise­loomulike omaduste järgi.

Tavatingimustes on metallid tahked ained (peale elav­hõbeda). Nad on head elektri- ja soojus­juhid ning sile metalli­pind peegeldab hästi valgust. Enamik metalle on küllaltki plastilised ja kergesti töödeldavad.

Metallide ise­loomulikud füüsikalised omadused on tingitud aatomeid ühendavast metallilisest sidemest, mis võimaldab aatomite väliskihi­elektronidel suhteliselt kergesti liikuda ühe aatomi juurest teise juurde üle kogu metalli­kristalli.

Metalliline side annab metallidele plastilisuse – see side ei katke ka aatomi­kihtide nihkumisel üks­teise suhtes. Metallilise sideme tõttu on metallid head elektri- ja soojus­juhid – kergesti liikuvad elektronid kannavad hästi edasi nii laengut kui ka soojust.

Metallide sulamistemperatuur ($T_{\mathrm{sul}}$) oleneb nii vastava elemendi aatomi­ehitusest kui ka metallilise sideme osatähtsusest keemilises sidemes. Metalliline side on küllaltki nõrk ja seetõttu on valdavalt metallilise sidemega metallide sulamis­temperatuur suhteliselt madal. Seepärast ongi leelis­metallide sulamis­temperatuur reeglina oluliselt madalam kui teistel sama perioodi metallidel. A-rühmade metallide sulamis­temperatuur perioodis vasakult paremale reeglina kasvab, sest samas suunas kasvab ka välis­kihi­elektronide arv ja kovalentse sideme osa­tähtsus. (Erandiks on vaid IIIA rühma metallid alates galliumist, mille sulamis­temperatuur on oluliselt madalam kui eelnevatel leelismuld­metallidel. Üks olulisimaid kõrvale­kalde põhjusi on see, et nende vahel asuvad siirde­metallid.)

Kõige suurem on kovalentse sideme osatähtsus siirde­metallides, eriti 5. ja 6. perioodi kesk­osas. Seetõttu ongi kõrgeima sulamis­temperatuuriga metallid volfram ($T_{\mathrm{sul}}>3400 ℃$) ja tema lähi­naabrid perioodilisus­tabelis ($\mathrm{Ta}$, $\mathrm{Re}$, $\mathrm{Nb}$, $\mathrm{Mo}$ jt). Praktikas tähtsaim metall – raud – kuulub samuti küllaltki kõrge sulamis­temperatuuriga metallide hulka ($T_{\mathrm{sul}}>1500 ℃$). Suur erand on elav­hõbe, milles aatomite­vaheline keemiline side on väga nõrk ja mille sulamis­temperatuur on seetõttu eriti madal ​($T_{\mathrm{sul}}\approx -39 ℃$).

Praktikas on ots­tarbekas jaotada metalle madala, keskmise ja kõrge sulamis­temperatuuriga metallideks.

Tähistused: punane – kuni 100 ℃; ​ oranž – 100 kuni 500 ℃; ​kollane​ – 500 kuni 1100 ℃; ​ roheline – 1100 kuni 1500 ℃; ​sinine – 1500 kuni 2000 ℃; ​ lilla – üle 2000 ℃​.

Metalli tihedus on üld­reeglina seda suurem, mida suurem on vastava elemendi aatommass ja mida väiksem on aatomi raadius. Perioodilisus­tabeli rühmades ülevalt alla metallide tihedus üldiselt kasvab, sest aatom­mass selles suunas suureneb (kuigi ka aatomi­raadius selles suunas suureneb, on selle mõju tihedusele väiksem kui aatommassi muutusel).

Kõige suurema tihedusega metall on osmium ($\rho =22,6 \mathrm{g}/{\mathrm{cm}}^3$). Ka teised 6. perioodi rea keskosas olevad metallid on väga suure tihedusega (ka sulamistemperatuur on neil enamasti üsna kõrge). Kõige väiksema tihedusega, s.t „kõige kergem“ metall on liitium ($\rho =0,53 \mathrm{g}/{\mathrm{cm}}^3$).

Kuna praktikas on metallide tihedus väga oluline, siis on ots­tarbekas jaotada metalle väikese, keskmise ja suure tihedusega metallideks. Igapäeva­elus nimetatakse metalle tavaliselt kerg­metallideks ($\rho <5 \mathrm{g}/{\mathrm{cm}}^3$) ja rask­metallideks ($\rho >5 \mathrm{g}/{\mathrm{cm}}^3$). Tuntuimad kerg­metallid on magneesium, alumiinium ja titaan.

Tähistused: p​unane – kuni 2,0 g/cm³; ​oranž – 2,0 kuni 5,0 g/cm³; roheline – 5,0 kuni 10,0 g/cm³; sinine –10,0 kuni 15,0 g/cm³; violetne – üle 15,0 g/cm³.

Tänu heale elektri­juhtivusele on metallid olnud ligi kaks sajandit asendamatu materjal nii elektri­juhtmete valmistamiseks kui ka kasutamiseks elektri- ja elektroonika­seadmetes. Ilma metallideta ei oleks võimalik käivitada autosid või lennukeid, jälgida tele- või raadio­saateid, kasutada mobiil­telefone jne.

Kõigist metallidest parim elektri­juht on hõbe, paremuselt teine on vask. Paremate elektri­juhtide hulka kuuluvad ka kuld ja alumiinium.

Praktikas kasutatakse elektri­juhtidena kõige enam vaske ja alumiiniumi. Alumiinium juhib elektrit vasest märgatavalt halvemini, pealegi kipuvad alumiiniumi ühendused vähem­aktiivsete metallidega (nt vasega) kergesti korrodeeruma, mis halvendab elektri­juhtivust veelgi. Seepärast eelistatakse elektri­juhtmete materjalina enamasti vaske, hoolimata tema märgatavalt kõrgemast hinnast.

Hõbedat ja kulda nende kõrge hinna tõttu tavalistes elektri­juhtmetes ei kasutata. Korrosiooni­kindluse tõttu on hõbe ja eriti kuld aga asendamatud materjalid kontaktide loomiseks elektroonika­seadmetes. Kuigi ka mitmed s-metallid on küllaltki head elektri­juhid, ei sobi nad elektri­juhtmetena kasutamiseks oma suure keemilise aktiivsuse tõttu.

Metalli kõvadus iseloomustab tema vastu­pidavust kriimustamise suhtes. Metallid, milles aatomite vahel on valdavalt metalliline side, on üsna pehmed ja plastilised. Seetõttu on leelis­metallid ja mõnevõrra ka leelismuld­metallid küllaltki pehmed. Leelis­metalle saab üsna kergesti noaga lõigata. Suhteliselt pehmed on ka mõned p-metallid ja siirde­metallid – tuntuimad neist on plii ja kuld, mida saab isegi küünega kriimustada.

Mida suurem on kovalentsete sidemete osatähtsus, seda kõvem on ka vastav metall. Sellepärast tüüpilised siirde­metallid ongi väga kõvad, eriti need, mis asuvad d-metallide reas suhteliselt keskel.

Lisandid enamasti tõstavad metallide kõvadust. Puhas raud pole nt kaugeltki nii kõva kui malm ja teras. Kuigi kroomi peetakse sageli kõige kõvemaks metalliks – ta kriimustab isegi klaasi –, on temagi suur kõvadus tingitud põhiliselt lisanditest. Väga puhas kroom on suhteliselt plastiline ja hästi töödeldav metall.

Metalli kõvadust saab mõjutada ka vastava töötlusega. Hästi tuntud on raua (terase) „karastamine“ – tugevasti (punase hõõguseni) kuumutatud raud­ese visatakse järsult külma vette. Kiirel jahtumisel metalli struktuur muutub ja ta kõvadus suureneb.