Metallien kemiaaKE5

1. Malmista metalliksi

Yleensä metallit esiintyvät erilaisissa yhdisteissä eli mineraaleissa Esim. Hematiitti (Fe2O3) ja

kuparihohde (Cu2S) Jalot metallit voivat esiintyä myös

puhtaana luonnossa Malmi on kiviainesta, jossa on

jotakin hyödyllistä mineraalia niin paljon, että on taloudellisesti kannattavaa erottaa se

Jalostuksessa hyödyllinen metalli erotetaan muista mineraalin sisältämistä alkuaineista

2

1. Malmista metalliksi

Raudan jalostus1) Rautamalmi louhitaan kaivoksissa

tai avolouhoksissa2) Se jauhetaan ja siitä poistetaan

arvoton aines eli se rikastetaan3) Rikastetusta rautaoksidista

erotetaan rauta kuilu-uunissa eli masuunissa hiilimonoksidin avulla

4) Kalkkikiven avulla poistetaan jäljelle jäänyt sivukivi ja saadaan sulaa raakarautaa

5) Lopuksi raakaraudasta poistetaan hapen avulla riittävästi hiiltä, että saadaan taottavaksi kelpaavaa rautaa

3

1. Malmista metalliksi

Teräs on rautaa, jossa on hiiltä enää alle 1,7%

Metalliseokset ovat usein käyttökelpoisempia puhtaisiin metalleihin verrattuna Ruostumaton teräs = Rauta +

Kromi Pronssi = Tina + Kupari Messinki = Kupari + Sinkki Juotostina = Lyijy + Tina

4

2. Metallien ominaisuudet

Metalliatomeilla on yleensä 1 tai 2 ulkoelektronia, joten niillä on samankaltaisia ominaisuuksia Metalleilla on hyvä sähkönjohtavuus

• Metallirakenteessa on ns. vapaita elektroneja jotka kuljettavat sähkövarausta

Metalleilla on hyvä lämmönjohtavuus ja korkea sulamispiste

Metalleilla on yleensä hyvä muokkautuvuus• Metallin rakenteessa ionikerrokset

voivat liukua lähes esteettä toistensa suhteen

5

2. Metallien ominaisuudet

Metallit eivät hajoa luonnossa Ag, Pb ja Cd ovat ympäristölle erittäin

haitallisia! Kaikki metallit ovat suurina

määrinä myrkyllisiä, mutta erittäin pieninä määrinä useimmat ovat kuitenkin hyödyllisiä ja välttämättömiä ihmiselle Esim. Fe, Mg ja Zn

Jotkut metallit ovat erityisen hyödyllisiä teollisuudelle Esim. Ti, Fe ja Cu

6

3. Metallien reaktiokyky

Metallien reaktiot ovat siis samankaltaisia, mutta reaktion kiivaus vaihtelee metallista riippuen

Metalli on sitä kiivaampi reagoimaan, mitä helpommin se luovuttaa elektronejaan

Metallien palamisreaktio Metalliatomit hapettuvat eli

luovuttavat elektronejaan Happiatomit pelkistyvät eli

vastaanottavat elektroneja

7

3. Metallien reaktiokyky

Metallioksidin vesiliuokset ovat usein emäksisiä

Metallien liukeneminen happoihin Metalliatomit hapettuvat Hapon vesiliuoksessa olevat

oksoniumionit (H3O+) pelkistyvät ja hajoavat vedeksi ja vedyksi

Metallit voidaan järjestää reaktiokykynsä perusteella…

8

4. Sähkökemiallinen jännitesarja

…sähkökemialliseksi jännitesarjaksiLi-K-Ba-Ca-Na-Mg-Al-Zn-Cr-Fe-Co-Ni-Sn-Pb-

(H)-Cu-Hg-Ag-Pt-Au

Vedyn (H) oikealla puolella ovat jalot metallit Ne eivät reagoi happojen kanssa

vetyä vapauttaen Vedyn vasemmalla puolella ovat

epäjalot metallit Ne reagoivat happojen kanssa vetyä

vapauttaen Mitä kauempana vasemmalla metalli

on, sitä helpommin se luovuttaa elektroneja ja sitä epäjalompi se on

9

4. Sähkökemiallinen jännitesarja

Epäjalompi metalli pystyy pelkistämään liuoksessa olevia jalomman metallin ioneja Esim. jos rautajauhetta (Fe) laittaa

koeputkeen, joka sisältää kuparisulfaattiliuosta (CuSO4), rautajauheen pinnalle alkaa pelkistyä kuparia (Cu)

Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu

Reaktio on nimeltään hapettumis-pelkistymisreaktio

10

5. Sähkökemiaa Metallien erisuurta kykyä

luovuttaa elektronejaan käytetään hyväksi sähkövirran synnyttämisessä

Yksinkertainen sähkökemiallinen pari saadaan, kun kaksi erilaista metallisauvaa laitetaan ioneja sisältävään liuokseen ja yhdistetään toisiinsa johtimella. Ioneja sisältävä liuos on nimeltään elektrolyyttiliuos

11

5. Sähkökemiaa Sähkökemiallisessa parissa,

metallien välillä on ns. sähköisen tilan ero eli jännite

Mitä kauempana metallit ovat toisistaan sähkökemiallisessa jännitesarjassa, sitä suurempi jännite niiden välillä on

Sähkökemiallisessa parissa hapettumis-pelkistymisreaktion kemiallinen energia voidaan muuntaa syntyvän sähkövirran avulla esim. valoksi ja lämmöksi

12

5. Sähkökemiaa Korroosiossa epäjalo metalli

syöpyy ilmassa olevan hapen ja kosteuden vaikutuksesta

Jalot metallit eivät syövy kosteissakaan olosuhteissa Huom! Kuparin patinoituminen ja

alumiinioksidin synty… Sähkökemiallisessa korroosiossa

kaksi eri metallia muodostaa sähkökemiallisen parin, jolloin epäjalompi metalli syöpyy

13

5. Sähkökemiaa Korroosiolta voidaan suojautua eri

tavoin Suojataan metallin pinta kosteudelta

• Maalaaminen• Päällystäminen muovilla, kumilla tai

toisella metallilla• Vettä hylkivällä öljyllä• Muilla korroosionestoaineilla

Käytetään ns. uhrimetallia• Käytetty uhrimetalli (esim. sinkki tai

magnesium) syöpyy ensin ja suojaa siten arvokkaampaa metallia

14

6. Elektrolyysi Elektrolyysi on ilmiö, jossa tasavirta

saa aikaan hapettumis-pelkistymisreaktion elektrolyyttiliuoksessa (työkirja s. 59) Negatiiviset ionit luovuttavat

(hapettuvat) positiivisella sauvalla ylimääräiset elektroninsa ja muuttuvat atomeiksi

Positiiviset ionit saavat (pelkistyvät) negatiivisella sauvalla puuttuvat elektroninsa ja muuttuvat atomeiksi

Elektrolyysillä on suuri käytännön merkitys metallien valmistuksessa ja korroosiolta suojaamisessa Puhdistaminen ja päällystäminen

elektrolyysin avulla.

15

Metallien kemiaaKE5