Metale — właściwości, stopy i aktywność

Metale stanowią większość pierwiastków układu okresowego. Łączy je nie skład, lecz sposób, w jaki połączone są ich atomy.

Wspólne właściwości

• Połysk metaliczny na świeżym przełomie
• Przewodzenie prądu i ciepła
• Kowalność i ciągliwość — dają się kuć i rozciągać w drut
• Stan stały w temperaturze pokojowej, z jednym wyjątkiem

Wyjątkiem jest rtęć, ciekła w warunkach pokojowych. Blisko granicy jest też gal, który topi się w dłoni, bo jego temperatura topnienia wynosi około trzydziestu stopni.

Skąd biorą się te właściwości

Decyduje wiązanie metaliczne. Atomy oddają elektrony walencyjne do wspólnej puli, tworząc coś w rodzaju chmury swobodnie poruszających się ładunków między dodatnimi rdzeniami.

To wyjaśnia wszystkie cechy naraz. Ruchliwe elektrony przenoszą ładunek i ciepło, stąd przewodnictwo. Odbijają światło, stąd połysk. A ponieważ nie są przypisane do konkretnych atomów, warstwy mogą się względem siebie przesuwać bez rozpadu materiału — dlatego metal daje się kuć, a kryształ soli pęka.

Aktywność chemiczna

Metale różnią się skłonnością do reakcji. Szereg aktywności porządkuje je od najbardziej reaktywnych, jak potas i sód, po najmniej, jak srebro, platyna i złoto.

Reguła praktyczna: metal aktywniejszy wypiera mniej aktywny z roztworu jego soli. Dlatego gwóźdź żelazny zanurzony w roztworze siarczanu miedzi pokrywa się warstwą miedzi.

Ta sama zależność tłumaczy, dlaczego złoto występuje w przyrodzie w postaci rodzimej, a żelazo wyłącznie w związkach — metale nieaktywne nie łączą się z tlenem, więc przetrwały w postaci czystej.

Stopy

Czyste metale bywają zbyt miękkie albo zbyt podatne na korozję. Dodanie innego pierwiastka zaburza regularność sieci krystalicznej, utrudniając przesuwanie się warstw — a to zwiększa twardość.

Stal to żelazo z węglem, brąz to miedź z cyną, mosiądz miedź z cynkiem. Zmiana zawartości dodatku o ułamek procenta potrafi istotnie zmienić właściwości, dlatego gatunków stali jest kilka tysięcy.

Metale ciężkie

Nazwa obejmuje pierwiastki o dużej gęstości, wśród nich ołów, kadm i rtęć. Ich szkodliwość wynika z tego, że organizm nie potrafi ich wydalić — kumulują się w tkankach latami.

Stąd zakaz stosowania ołowiu w rurach wodociągowych i benzynie, wprowadzony dopiero w drugiej połowie XX wieku, gdy rozpoznano skalę zatruć.

Metale w organizmie

Część metali jest niezbędna do życia, choć w ilościach śladowych. Żelazo wchodzi w skład hemoglobiny i bez niego krew nie przenosiłaby tlenu. Magnez uczestniczy w setkach reakcji enzymatycznych, wapń buduje kości i uczestniczy w skurczu mięśni, a cynk warunkuje działanie wielu enzymów.

Granica między niezbędnością a toksycznością bywa przy tym wąska. Miedź jest konieczna w mikrogramach, a szkodliwa w miligramach — organizm reguluje jej ilość, wydalając nadmiar. Metale ciężkie różnią się właśnie tym, że takiego mechanizmu dla nich nie ma.