Sólin Sólin Rís 10:41 • sest 15:51 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 15:52 • Sest 09:11 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 05:49 • Síðdegis: 18:04 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 12:02 • Síðdegis: 24:09 í Reykjavík

Hvaða skilyrði þarf frumefni að uppfylla svo það teljist málmur?

Emelía Eiríksdóttir

Spurningin í fullri lengd hljóðaði svona:

Hvaða skilyrði þarf frumefni að uppfylla svo það teljist málmur? (t.d.efnaeiginleikar og svo framvegis.)

Frumefni (e. element eða chemical element) eru grunnefni heimsins sem allt annað efni er samsett úr. Alls eru 118 frumefni þekkt í dag; 94 þeirra (frumefni 1-94) hafa fundist í náttúrunni en 24 hafa verið búin til í eindahröðlum (e. particle accelerators). Öll frumefnin má finna í lotukerfinu (e. periodic table).

Hvert frumefni er samsett úr frumeindum (e. atoms) sem eru uppbyggð af kjarna (með róteindum og nifteindum) og rafeindum í kringum kjarnann; allar frumeindir sérhvers frumefnis hafa sama fjölda róteinda í kjarnanum og sama fjölda rafeinda í kringum kjarnann en það er róteindafjöldi frumeindarinnar sem skilgreinir hvaða frumefni er um að ræða. Þannig hafa allar frumeindir áls 13 róteindir á meðan platína hefur 78 róteindir og gull 79 róteindir. Sætistala (e. atomic number) frumefnanna í lotukerfinu segir til um fjölda róteinda í frumeind frumefnisins.

Mynd 1. Öllum 118 frumefnum heimsins er raðað niður í lotukerfið eftir sætistölu (fjölda róteinda) og eiginleikum frumefnanna, eins og sjá má hér.

Frumefnunum í lotukerfinu má skipta gróflega niður í þrennt: málma, hálfmálma (e. metalloids eða semimetals) og málmleysingja (e. nonmetals). Flest frumefnanna eru málmar en til þeirra teljast alkalímálmar (e. alkali metals), jarðalkalímálmar (e. alkaline earth metals), hliðarmálmar (e. transition metals), lantaníðar (e. lanthanides), aktiníðar (e. actinides) og tregir málmar (e. post-transition metals eða basic metals). Skilin milli tregu málmanna, hálfmálmanna og málmleysingjanna eru ekki skýr en samtals eru um 91-95 frumefni sem flokkast sem málmar, 7-10 sem hálfmálmar og 17-21 sem málmleysingjar en innan málmleysingjaflokksins eru meðal annars halógenar (e. halogens) og eðallofttegundirnar (e. noble gases).

Eiginleikar málmanna eru mjög svipaðir. Það fyrsta sem fólk tekur eftir varðandi málmana er útlit þeirra en það er dæmigert fyrir málma að vera gljáandi, sérstaklega ef þeir eru nýpússaðir.

Lág rafdrægni (einnig kallað rafneikvæðni, e. electronegativity) er einnig einkenni málmanna en rafdrægni er mælikvarði á tilhneigingu frumeindar til að draga til sín rafeindir úr efnatengi. Fransín hefur lægstu rafdrægni (0,7) frumefnanna og eykst rafdrægnin almennt upp lotukerfið og til hægri að flúor, sem er með hæstu rafdrægnina (4,0), sjá mynd 2.

Mynd 2. Lotukerfið þar sem rafdrægni frumefnanna er gefin til kynna. Því hærri sem talan inni í rammanum fyrir hvert frumefni er, því rafdrægnara er frumefnið.

Málmar hafa líka lága jónunarorku (e. ionization energy) en það er orkan sem þarft til að rífa orkuhæstu rafeindina frá frumeind í gasformi. Málmar eiga því auðvelt með að oxast, það er að segja gefa frá sér eina eða fleiri rafeindir í efnahvörfum og mynda þannig plúshlaðnar jónir (katjónir). Sama leitni (e. trend) ríkir hér eins og með rafdrægnina, almennt hækkar jónunarorkan þegar farið er upp lotukerfið og til hægri eftir því.

Ástæðan fyrir þessari leitni í rafdrægninni og jónunarorkunni liggur í stærð frumeindanna, það er að segja radíus frumeindanna (e. atomic radius) en hann er skilgreindur sem fjarlægðin frá miðju kjarnans að ystu rafeindunum (gildisrafeindunum, e. valence electrons). Þegar farið er frá vinstri til hægri í einhverri röð (einnig kallað lota, e. period) í lotukerfinu bætist við ein róteind og ein rafeind fyrir hvert frumefni. Hér helst meginskammtatalan (e. quantum number) n sú sama og fara rafeindirnar því í svigrúm (e. orbital) sem eru svipað orkuhá og í svipaðri fjarlægð frá kjarnanum, sjá mynd 3. Róteindirnar eru plúshlaðnar og þegar þeim fjölgar (þegar farið er frá vinstri til hægri í lotukerfinu) toga þær meira í allar gildisrafeindirnar (sem eru mínushlaðnar) sem færast þá örlítið nær kjarnanum og þannig minnkar radíus frumeindanna þegar farið er til hægri eftir röðinni, sjá mynd 4. Þar sést til dæmis að frumeind kalíns (K með sætistöluna 19) er stærri en frumeind kalsíns (Ca með sætistöluna 20).

Mynd 3. Orka viðbótarrafeindar í atómi eftir því í hvaða svigrúm hún sest. Myndin skýrir í hvaða röð rafeindirnar raðast í svigrúmin. Pílurnar sýna röðun rafeindanna í atómum frumefnisins kísils (Si) sem hefur sætistöluna 14.

Þegar farið er niður eftir dálki (einnig kallað flokkur, e. period) í lotukerfinu eykst stærð frumeindanna umtalsvert með hverju frumefni. Fjöldi róteinda eykst nefnilega töluvert með hverju frumefni niður dálkinn (eins og sést á sætistölunni þeirra) og rafeindirnar aukast að sama skapi þar sem fjöldi róteinda og rafeinda er ávallt jafn í óhlaðinni frumeind. Meginskammtatalan hækkar hins vegar með hverju frumefni niður dálkinn og fara gildisrafeindirnar því í svigrúm sem eru orkuhærri og fjær kjarnanum en gildisrafeindir næsta frumefnis ofar í dálkinum.

Rafeindirnar sem eru fyrir innan gildisrafeindirnar í frumeind eru nær kjarnanum og skerma (e. shield) gildisrafeindirnar frá plúshlöðnu róteindunum. Þannig að þó að róteindunum fjölgi þegar neðar dregur í dálkinn eykst líka fjöldi innri rafeindanna (og skermun þeirra) og því verða gildisrafeindirnar ekki fyrir eins miklum áhrifum frá róteindunum sem verður til þess að radíus frumeindanna eykst niður dálkinn, sjá mynd 4. Þar sést til dæmis glögglega að frumeind sesíns (Cs með sætistöluna 55) er mun stærri en frumeind natríns (Na með sætistöluna 11).

Mynd 4. Radíus frumeinda minnkar almennt upp lotukerfið og hægri.

Fleira sem einkennir málma er að þeir eru allir á föstu formi við stofuhita (nema kvikasilfur sem er vökvi) og þeir hafa almennt hátt bræðslumark (nema kvikasilfur) og háan eðlismassa.

Það er frekar auðvelt að móta málma og sveigja án þess að þeir brotni eða komi sprunga í þá, málmar eru því almennt með fremur háan brotstyrk (e. fracture toughness). Málmar eru tiltölulega þanþolnir (e. ductile), það er að segja það er auðvelt að draga þá út í víra. Málmar eru líka hamranlegir (e. malleable) og því auðvelt að fletja þá út í þynnur (e. sheets). Auk þess leiða málmar vel hita og rafmagn.

Ástæðan fyrir öllum þessum eiginleikum er að gildisrafeindirnar í málmjónunum í málmklumpi eru ekki staðbundnar heldur deila málmjónirnar gildisrafeindum sínum með öllum hinum málmjónunum í málmklumpnum, gildisrafeindirnar eru því frekar frjálsar; málmjónirnar geta þar af leiðandi hliðrast auðveldlega til og dæld myndast í málmklumpinn ef málmklumpurinn fær á sig högg, sjá mynd 5. Þessar frjálsu gildisrafeindir eru einnig ástæðan á bak við gljáa málma.

Efnatengin í málmum kallast málmtengi (e. metallic bonds) og einkennast af því að tengirafeindirnar (gildisrafeindirnar) dreifast milli margra málmjóna í málmkristallinum í stað þess að vera staðbundnar milli tveggja frumeinda eins og í jónatengi og samgildu tengi.

Mynd 5. Málmjónir í málmklumpi geta flust til þegar málmklumpurinn fær á sig högg eða þegar hann er sveigður eða teygður.

Heimildir:

Myndir:

Höfundur

Emelía Eiríksdóttir

efnafræðingur og starfsmaður Vísindavefsins

Útgáfudagur

2.11.2020

Spyrjandi

Friðrik Garðarsson

Tilvísun

Emelía Eiríksdóttir. „Hvaða skilyrði þarf frumefni að uppfylla svo það teljist málmur?“ Vísindavefurinn, 2. nóvember 2020. Sótt 29. nóvember 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=15371.

Emelía Eiríksdóttir. (2020, 2. nóvember). Hvaða skilyrði þarf frumefni að uppfylla svo það teljist málmur? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=15371

Emelía Eiríksdóttir. „Hvaða skilyrði þarf frumefni að uppfylla svo það teljist málmur?“ Vísindavefurinn. 2. nóv. 2020. Vefsíða. 29. nóv. 2020. <http://visindavefur.is/svar.php?id=15371>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvaða skilyrði þarf frumefni að uppfylla svo það teljist málmur?
Spurningin í fullri lengd hljóðaði svona:

Hvaða skilyrði þarf frumefni að uppfylla svo það teljist málmur? (t.d.efnaeiginleikar og svo framvegis.)

Frumefni (e. element eða chemical element) eru grunnefni heimsins sem allt annað efni er samsett úr. Alls eru 118 frumefni þekkt í dag; 94 þeirra (frumefni 1-94) hafa fundist í náttúrunni en 24 hafa verið búin til í eindahröðlum (e. particle accelerators). Öll frumefnin má finna í lotukerfinu (e. periodic table).

Hvert frumefni er samsett úr frumeindum (e. atoms) sem eru uppbyggð af kjarna (með róteindum og nifteindum) og rafeindum í kringum kjarnann; allar frumeindir sérhvers frumefnis hafa sama fjölda róteinda í kjarnanum og sama fjölda rafeinda í kringum kjarnann en það er róteindafjöldi frumeindarinnar sem skilgreinir hvaða frumefni er um að ræða. Þannig hafa allar frumeindir áls 13 róteindir á meðan platína hefur 78 róteindir og gull 79 róteindir. Sætistala (e. atomic number) frumefnanna í lotukerfinu segir til um fjölda róteinda í frumeind frumefnisins.

Mynd 1. Öllum 118 frumefnum heimsins er raðað niður í lotukerfið eftir sætistölu (fjölda róteinda) og eiginleikum frumefnanna, eins og sjá má hér.

Frumefnunum í lotukerfinu má skipta gróflega niður í þrennt: málma, hálfmálma (e. metalloids eða semimetals) og málmleysingja (e. nonmetals). Flest frumefnanna eru málmar en til þeirra teljast alkalímálmar (e. alkali metals), jarðalkalímálmar (e. alkaline earth metals), hliðarmálmar (e. transition metals), lantaníðar (e. lanthanides), aktiníðar (e. actinides) og tregir málmar (e. post-transition metals eða basic metals). Skilin milli tregu málmanna, hálfmálmanna og málmleysingjanna eru ekki skýr en samtals eru um 91-95 frumefni sem flokkast sem málmar, 7-10 sem hálfmálmar og 17-21 sem málmleysingjar en innan málmleysingjaflokksins eru meðal annars halógenar (e. halogens) og eðallofttegundirnar (e. noble gases).

Eiginleikar málmanna eru mjög svipaðir. Það fyrsta sem fólk tekur eftir varðandi málmana er útlit þeirra en það er dæmigert fyrir málma að vera gljáandi, sérstaklega ef þeir eru nýpússaðir.

Lág rafdrægni (einnig kallað rafneikvæðni, e. electronegativity) er einnig einkenni málmanna en rafdrægni er mælikvarði á tilhneigingu frumeindar til að draga til sín rafeindir úr efnatengi. Fransín hefur lægstu rafdrægni (0,7) frumefnanna og eykst rafdrægnin almennt upp lotukerfið og til hægri að flúor, sem er með hæstu rafdrægnina (4,0), sjá mynd 2.

Mynd 2. Lotukerfið þar sem rafdrægni frumefnanna er gefin til kynna. Því hærri sem talan inni í rammanum fyrir hvert frumefni er, því rafdrægnara er frumefnið.

Málmar hafa líka lága jónunarorku (e. ionization energy) en það er orkan sem þarft til að rífa orkuhæstu rafeindina frá frumeind í gasformi. Málmar eiga því auðvelt með að oxast, það er að segja gefa frá sér eina eða fleiri rafeindir í efnahvörfum og mynda þannig plúshlaðnar jónir (katjónir). Sama leitni (e. trend) ríkir hér eins og með rafdrægnina, almennt hækkar jónunarorkan þegar farið er upp lotukerfið og til hægri eftir því.

Ástæðan fyrir þessari leitni í rafdrægninni og jónunarorkunni liggur í stærð frumeindanna, það er að segja radíus frumeindanna (e. atomic radius) en hann er skilgreindur sem fjarlægðin frá miðju kjarnans að ystu rafeindunum (gildisrafeindunum, e. valence electrons). Þegar farið er frá vinstri til hægri í einhverri röð (einnig kallað lota, e. period) í lotukerfinu bætist við ein róteind og ein rafeind fyrir hvert frumefni. Hér helst meginskammtatalan (e. quantum number) n sú sama og fara rafeindirnar því í svigrúm (e. orbital) sem eru svipað orkuhá og í svipaðri fjarlægð frá kjarnanum, sjá mynd 3. Róteindirnar eru plúshlaðnar og þegar þeim fjölgar (þegar farið er frá vinstri til hægri í lotukerfinu) toga þær meira í allar gildisrafeindirnar (sem eru mínushlaðnar) sem færast þá örlítið nær kjarnanum og þannig minnkar radíus frumeindanna þegar farið er til hægri eftir röðinni, sjá mynd 4. Þar sést til dæmis að frumeind kalíns (K með sætistöluna 19) er stærri en frumeind kalsíns (Ca með sætistöluna 20).

Mynd 3. Orka viðbótarrafeindar í atómi eftir því í hvaða svigrúm hún sest. Myndin skýrir í hvaða röð rafeindirnar raðast í svigrúmin. Pílurnar sýna röðun rafeindanna í atómum frumefnisins kísils (Si) sem hefur sætistöluna 14.

Þegar farið er niður eftir dálki (einnig kallað flokkur, e. period) í lotukerfinu eykst stærð frumeindanna umtalsvert með hverju frumefni. Fjöldi róteinda eykst nefnilega töluvert með hverju frumefni niður dálkinn (eins og sést á sætistölunni þeirra) og rafeindirnar aukast að sama skapi þar sem fjöldi róteinda og rafeinda er ávallt jafn í óhlaðinni frumeind. Meginskammtatalan hækkar hins vegar með hverju frumefni niður dálkinn og fara gildisrafeindirnar því í svigrúm sem eru orkuhærri og fjær kjarnanum en gildisrafeindir næsta frumefnis ofar í dálkinum.

Rafeindirnar sem eru fyrir innan gildisrafeindirnar í frumeind eru nær kjarnanum og skerma (e. shield) gildisrafeindirnar frá plúshlöðnu róteindunum. Þannig að þó að róteindunum fjölgi þegar neðar dregur í dálkinn eykst líka fjöldi innri rafeindanna (og skermun þeirra) og því verða gildisrafeindirnar ekki fyrir eins miklum áhrifum frá róteindunum sem verður til þess að radíus frumeindanna eykst niður dálkinn, sjá mynd 4. Þar sést til dæmis glögglega að frumeind sesíns (Cs með sætistöluna 55) er mun stærri en frumeind natríns (Na með sætistöluna 11).

Mynd 4. Radíus frumeinda minnkar almennt upp lotukerfið og hægri.

Fleira sem einkennir málma er að þeir eru allir á föstu formi við stofuhita (nema kvikasilfur sem er vökvi) og þeir hafa almennt hátt bræðslumark (nema kvikasilfur) og háan eðlismassa.

Það er frekar auðvelt að móta málma og sveigja án þess að þeir brotni eða komi sprunga í þá, málmar eru því almennt með fremur háan brotstyrk (e. fracture toughness). Málmar eru tiltölulega þanþolnir (e. ductile), það er að segja það er auðvelt að draga þá út í víra. Málmar eru líka hamranlegir (e. malleable) og því auðvelt að fletja þá út í þynnur (e. sheets). Auk þess leiða málmar vel hita og rafmagn.

Ástæðan fyrir öllum þessum eiginleikum er að gildisrafeindirnar í málmjónunum í málmklumpi eru ekki staðbundnar heldur deila málmjónirnar gildisrafeindum sínum með öllum hinum málmjónunum í málmklumpnum, gildisrafeindirnar eru því frekar frjálsar; málmjónirnar geta þar af leiðandi hliðrast auðveldlega til og dæld myndast í málmklumpinn ef málmklumpurinn fær á sig högg, sjá mynd 5. Þessar frjálsu gildisrafeindir eru einnig ástæðan á bak við gljáa málma.

Efnatengin í málmum kallast málmtengi (e. metallic bonds) og einkennast af því að tengirafeindirnar (gildisrafeindirnar) dreifast milli margra málmjóna í málmkristallinum í stað þess að vera staðbundnar milli tveggja frumeinda eins og í jónatengi og samgildu tengi.

Mynd 5. Málmjónir í málmklumpi geta flust til þegar málmklumpurinn fær á sig högg eða þegar hann er sveigður eða teygður.

Heimildir:

Myndir:...