Μερικές ιδιότητες και χρήσεις των μετάλλων ⚙️

Η προϊστορία και η ιστορία του ανθρώπου συνδέθηκαν στενά με τη χρήση των υλικών. Ο προϊστορικός άνθρωπος χρησιμοποιούσε αρχικά την πέτρα ως μοναδικό υλικό για εργαλεία και όπλα, ώσπου ανακάλυψε ότι η ζωή του γινόταν πιο εύκολη με τη χρήση των μετάλλων. Η «Εποχή του χαλκού» και η «Εποχή του σιδήρου» που ακολούθησαν σηματοδότησαν την αυγή του πολιτισμού όπως τον ξέρουμε σήμερα.

3.1 Μέταλλα και αμέταλλα 🌍

Τα μέταλλα βρίσκονται στο αριστερό τμήμα του περιοδικού πίνακα. Είναι μη ανανεώσιμοι φυσικοί πόροι και βρίσκονται στον στερεό φλοιό της Γης, συνήθως με τη μορφή ενώσεων με οξυγόνο ή θείο. Τα μέταλλα που δεν είναι δραστικά, όπως ο άργυρος και ο χρυσός, βρίσκονται σε ελεύθερη κατάσταση ως αυτοφυή.

Τα μέταλλα είναι στερεά σώματα, με εξαίρεση τον υδράργυρο που είναι υγρός. Έχουν γενικά αργυρόλευκο χρώμα (εκτός από τον χρυσό που είναι κιτρινωπός και τον χαλκό που έχει κόκκινη απόχρωση) και «μεταλλική» λάμψη, και είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας.

Παρουσιάζουν επίσης ένα σύνολο κοινών χαρακτηριστικών ιδιοτήτων:

3.2 Οι αντιδράσεις των μετάλλων με αραιά διαλύματα οξέων 🧪

Σε διαλύματα υδροχλωρίου, $HCl$, υπάρχουν ιόντα $H^+(aq)$ και $Cl^-(aq)$. Όταν σε τέτοιο διάλυμα προστεθούν ρινίσματα μαγνησίου, αργιλίου ή σιδήρου, παρατηρούνται φυσαλίδες αερίου, ενώ αν προστεθεί χαλκός δεν παρατηρείται κανένα φαινόμενο. Το μαγνήσιο, το αργίλιο και ο σίδηρος αντιδρούν με τα κατιόντα υδρογόνου, $H^+(aq)$, που έχουν παραχθεί από τη διάλυση του υδροχλωρίου στο νερό.

Με αυτόν τον τρόπο τα κατιόντα υδρογόνου του διαλύματος αντικαθίστανται από ιόντα $Mg^{2+}(aq)$, $Al^{3+}(aq)$ και $Fe^{2+}(aq)$ αντίστοιχα. Από την αντίδραση παράγονται μόρια υδρογόνου, $H_2(g)$, τα οποία φεύγουν από το διάλυμα με τη μορφή φυσαλίδων. Ταυτόχρονα ο δοκιμαστικός σωλήνας θερμαίνεται, γιατί η αντίδραση είναι εξώθερμη. Οι ιοντικές εξισώσεις που περιγράφουν τα φαινόμενα είναι:

Με παρόμοιο τρόπο τα μέταλλα αυτά αντιδρούν και με αραιό διάλυμα θειικού οξέος, ενώ ο χαλκός δεν αντιδρά ούτε με διάλυμα $HCl$ ούτε με αραιό διάλυμα $H_2SO_4$.

Η αντίδραση δεν πραγματοποιείται με την ίδια ένταση σε όλες τις περιπτώσεις: η παραγωγή φυσαλίδων και η άνοδος της θερμοκρασίας είναι πιο έντονη με το μαγνήσιο, λιγότερο έντονη με το αργίλιο, και ακόμα λιγότερο έντονη με τον σίδηρο.

Οι αντιδράσεις αυτές ονομάζονται αντιδράσεις απλής αντικατάστασης.

3.3 Η απλή αντικατάσταση 🔄

Αντιδράσεις απλής αντικατάστασης ονομάζονται αυτές στις οποίες ένα μέταλλο αντικαθιστά κατιόντα υδρογόνου, $H^+(aq)$, σε ορισμένα διαλύματα οξέων, ή τα ιόντα ενός άλλου μετάλλου λιγότερο δραστικού από αυτό, σε διαλύματά του.

Το διάλυμα θειικού χαλκού, $CuSO_4(aq)$, είναι μπλε, διότι περιέχει ιόντα $Cu^{2+}(aq)$, τα οποία προκύπτουν κατά τη διάλυση του $CuSO_4(s)$ στο νερό. Αν σε τέτοιο διάλυμα βυθιστεί ένα σιδερένιο καρφί, το τμήμα του που είναι βυθισμένο αποκτά καστανοκόκκινο χρώμα, γιατί επιχαλκώνεται εξωτερικά, ενώ το διάλυμα αποκτά σταδιακά πράσινη απόχρωση.

Οι αλλαγές αυτές οφείλονται στο ότι τα ιόντα $Cu^{2+}(aq)$ αντικαθίστανται από ιόντα $Fe^{2+}(aq)$, σύμφωνα με την εξίσωση:

Τα άτομα χαλκού που παράγονται επικάθονται στο σιδερένιο καρφί και το επιχαλκώνουν. Καθώς στο διάλυμα λιγοστεύουν συνεχώς τα ιόντα χαλκού και αυξάνονται τα ιόντα σιδήρου, το αρχικό μπλε χρώμα μετατρέπεται σταδιακά σε πρασινωπό. Η πραγματοποίηση αυτής της αντίδρασης απλής αντικατάστασης οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο σίδηρος είναι δραστικότερο μέταλλο από τον χαλκό.

Με τη βοήθεια ανάλογων πειραμάτων, τα μέταλλα μαζί με το υδρογόνο διατάχθηκαν σε μια σειρά δραστικότητας, η οποία ονομάζεται ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων:

Κάθε μέταλλο μπορεί να αντικαταστήσει σε ένα διάλυμα, με μια αντίδραση απλής αντικατάστασης:

• τα ιόντα των μετάλλων που είναι λιγότερο δραστικά από αυτό,
• τα κατιόντα υδρογόνου σε ορισμένα διαλύματα οξέων, εφόσον το μέταλλο είναι δραστικότερο από το υδρογόνο.

Έτσι, η αντίδραση $Cu(s) + 2Ag^+(aq) \rightarrow Cu^{2+}(aq) + 2Ag(s)$ πραγματοποιείται, επειδή ο χαλκός είναι πιο δραστικός από τον άργυρο, ενώ η αντίδραση $Ag(s) + H^+(aq) \rightarrow$ δεν πραγματοποιείται, επειδή ο άργυρος είναι λιγότερο δραστικός από το υδρογόνο.

3.4 Τα κράματα 🛠️

Αν ένα σιδερένιο καρφί μείνει εκτεθειμένο στον αέρα για μερικές εβδομάδες θα σκουριάσει, γιατί αντιδρά με το οξυγόνο του αέρα. Ένα ατσάλινο αντικείμενο, όμως, πρακτικά δεν θα αλλοιωθεί το ίδιο εύκολα. Αυτό συμβαίνει γιατί το ατσάλι δεν είναι καθαρός σίδηρος, αλλά ένα μείγμα σιδήρου με άνθρακα, δηλαδή ένα κράμα.

Από τη 2η χιλιετία π.Χ. οι άνθρωποι άρχισαν να κατασκευάζουν νέα υλικά με καλύτερες ιδιότητες, τα κράματα, αναμειγνύοντας κατάλληλα διάφορα μέταλλα. Ένα από τα πρώτα κράματα που χρησιμοποιήθηκαν είναι ο μπρούντζος, μείγμα χαλκού και κασσίτερου.

Κράματα είναι τα υλικά που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα στοιχεία, από τα οποία το ένα τουλάχιστον είναι μέταλλο, και εμφανίζουν τις ιδιότητες των μετάλλων.

Σήμερα σπάνια κατασκευάζονται αντικείμενα από καθαρά μέταλλα. Με την κατάλληλη ανάμειξη δημιουργούνται υλικά με επιθυμητές ιδιότητες, όπως μεγάλη σκληρότητα, αντοχή στη διάβρωση και στη σκουριά, ιδιαίτερη μαγνητική και ηλεκτρική συμπεριφορά κ.ά.

Ο ορείχαλκος, κράμα χαλκού και ψευδαργύρου, είναι πιο σκληρός τόσο από τον καθαρό χαλκό όσο και από τον καθαρό ψευδάργυρο. Ο χάλυβας (ατσάλι), κράμα σιδήρου-άνθρακα, είναι πιο σκληρός και ανθεκτικός από τον σίδηρο. Συνήθως περιέχει σε μικρά ποσοστά και άλλα μέταλλα, όπως το χρώμιο, που τον μετατρέπει σε ανοξείδωτο, και το νικέλιο, που τον καθιστά ελατό και όλκιμο. Χρησιμοποιείται κυρίως ως δομικό υλικό στην κατασκευή κτιρίων, γεφυρών κ.ά. Στην αεροναυπηγική, αλλά και στην κατασκευή παραθυρόφυλλων, χρησιμοποιούνται κράματα του αλουμινίου, τα οποία είναι ελαφριά, σκληρά και δεν σκουριάζουν, αλλά είναι πολύ πιο ακριβά από το ατσάλι.

Είναι θέμα... Χημείας: η οικογένεια των Αλχημιστών ⚗️

Η Χημεία, η επιστήμη της ύλης και των μεταβολών της, πέρασε από πολλά διαφορετικά στάδια. Η μεγαλύτερη χρονική περίοδος μελέτης των ιδιοτήτων της ύλης είναι αυτή της Αλχημείας. Η λέξη είναι αραβική ή ελληνοαραβική: ορισμένοι υποστηρίζουν ότι προέρχεται από το αραβικό άρθρο «αλ» και την ελληνική λέξη «χυμός», ενώ άλλοι από την αραβική ρίζα «Khem», που σημαίνει μαύρη γη, δηλαδή εύφορη γη.

Στην Αλεξάνδρεια της Αιγύπτου, σημείο συνάντησης ελληνικών, αιγυπτιακών και ανατολικών παραδόσεων, συγκεντρώθηκαν πρακτικές γνώσεις αιώνων και γεννήθηκε ένα σύνολο τεχνικών συνταγών με κύριο σκοπό τη μετατροπή κοινών μετάλλων σε άλλα πολύτιμα, όπως άργυρος και χρυσός. Οι Αλχημιστές περιέβαλλαν τις τεχνικές τους με μυστικότητα και χρησιμοποιούσαν αλληγορική γλώσσα. Η εμμονή τους στον στόχο τους είχε ως αφετηρία τη φιλοσοφική άποψη του Αριστοτέλη ότι όλα τα υλικά σώματα προέρχονται από μια πρωταρχική ουσία· πίστευαν λοιπόν ότι η μετατροπή ενός στοιχείου σε άλλο ήταν δυνατή, αρκεί να βρεθεί το κατάλληλο μέσο μεταστοιχείωσης, η φιλοσοφική λίθος. Παράλληλα πίστευαν ότι θα εξασφάλιζαν στον άνθρωπο την αθανασία, ανακαλύπτοντας το ελιξίριο της ζωής, μια ουσία που θα θεράπευε όλες τις ασθένειες.

Η Χημεία οφείλει πολλά στους Αλχημιστές: σε αυτούς αποδίδεται η πρωταρχική ιδέα του χημικού συμβολισμού, η ανακάλυψη αρκετών χημικών στοιχείων, η απομόνωση και μελέτη πολλών χημικών ενώσεων, και η παρασκευή αρκετών κραμάτων. Η μεγαλύτερη παρακαταθήκη τους στη σύγχρονη επιστήμη είναι όμως οι εργαστηριακές τεχνικές που ανέπτυξαν, πρόδρομες των σημερινών.