metale

Metale — Metale – pierwiastki chemiczne, które ze względu na własności fizyczne oraz chemiczne odróżnia się od pozostałych pierwiastków, tzw. niemetali. Większość pierwiastków w układzie okresowym to metale. Metale są substancjami, które w stanie skondensowanym odznaczają się posiadaniem w sieci krystalicznej niezwiązanych z określonymi atomami elektronów (swobodnych elektronów) zdolnych do poruszania się w całej objętości danego metalu. Ich elektrododatni charakter wynika z posiadania powłoki zawierającej niewielką liczbę elektronów obok całkowicie wypełnionych wewnętrznych powłok elektronowych. Metale dzieli się ze względu na ich miejsce w układzie okresowym oraz właściwości na: metale lekkie, ciężkie, szlachetne, przejściowe oraz metale ziem rzadkich.

Właściwości metali

Wśród większości metali wymienia się następujące ich własności:

• bardzo dobre przewodnictwo elektryczne;
• bezwonność;
• brak przezroczystości;
• dobre przewodnictwo cieplne;
• dodatni współczynnik temperatury oporu;
• duża gęstość;
• kowalność i ciągliwość;
• metaliczny połysk;
• odczucie zimna przy dotyku co spowodowane jest odprowadzaniem energii przez dotykaną część ciała jako konsekwencja dobrego przewodnictwa metali;
• przeważnie wysoka temperatura topnienia;
• stały stan skupienia w temperaturze pokojowej (oprócz rtęci Hg), a krystalizacja odbywa się głównie w trzech typach sieci (heksagonalna, regularna przestrzennie centrowana i regularna płasko centrowana);
• tlenki metali wraz z wodą tworzą wodorotlenki (zasadowy charakter powstałego związku chemicznego).

Metale lekkie

Do metali lekkich zalicza się pierwiastki chemiczne o gęstości mniejszej niż 4,5 g/cm3. Są to pierwiastki z I (oprócz wodoru) i II grupy układu okresowego pierwiastków jak również skand (Sc), tytan (Ti), itr (Y) i glin (Al.). Metale z pierwszej grupy układu okresowego pierwiastków nazywane są także litowcami, potasowcami lub metalami alkalicznymi. Zalicza się tutaj cez (Cs), frans (Fr), lit (Li), potas (K), rubid (Rb) i sód (Na). Pierwiastki te z wodą tworzą silne alkaliczne (zasadowe) wodorotlenki. Natomiast metale z drugiej grupy układu okresowego pierwiastków nazywane są berylowcami, wapniowcami lub metalami ziem alkalicznych. Zalicza się do nich bar (Ba), beryl (Be), magnez (Mg) rad (Ra), stront (Sr) oraz wapń (Ca). Berylowce wraz z wodą tworzą także zasadowe wodorotlenki. Najpowszechniej występującymi metalami lekkimi są wapń i magnez. Wapń pod postacią węglanu wapnia można spotkać w takich minerałach jak kreda, marmur i wapień, natomiast magnez pod postacią następujących minerałów: dolomit, kainit, kizeryt, oliwin, serpentyn i talk. Bar, beryl i stront są mniej rozpowszechnione, natomiast w śladowych ilościach w rudach uranu występuje rad. Pierwiastki z drugiej grupy układu okresowego nie występują w środowisku w stanie wolnym.

Metale ciężkie

W odróżnieniu do metali lekkich metale ciężkie to pierwiastki chemiczne, których gęstość przekracza 4,5 g/cm3. Jednakże w literaturze można znaleźć także inne podziały odróżniające metale ciężkie od metali lekkich. Metale ciężkie wyróżnia się także ze względu na ich zastosowania i toksyczności. Do metali ciężkich zaliczane są m.in. arsen (As), bizmut (Bi), chrom (Cr), cynk (Zn), kadm (Cd), miedź (Cu), nikiel (Ni), ołów (Pb), rtęć (Hg), selen (Se) i tellur (Te). Największą gęstość w warunkach standardowych posiadają: iryd (Ir) (22,61 g/cm3), osm (Os) (22,57 g/cm3), platyna (Pt) (21,41 g/cm3), ren (Re), neptun (Np), pluton (Pu), złoto (Au), wolfram (W) oraz uran (U). Wśród źródeł emisji metali ciężkich do środowiska znajdują się m.in. emisje przemysłowe z hut, elektrociepłowni, cementowni i silników spalinowym jak również komposty ze śmieci miejskich i osadów ściekowych, jeziornych i rzecznych, a także pestycydy zawierające niektóre metale. Wszystkie te emisje mogą się przyczyniać do akumulacji metali ciężkich u roślin, w ciele roślinożerców oraz konsumentów wyższych rzędów, gdzie koncentracja zwiększa się wraz z kolejnym ogniwem łańcucha pokarmowego (akumulacja metali ciężkich). Dla człowieka największym zagrożeniem jest kadm i ołów.

Metale przejściowe

Metalami przejściowymi nazywane są pierwiastki chemiczne znajdujące się w grupach pobocznych układu okresowego pierwiastków. Definicja obejmuje pierwiastki, których kationy lub atomy zawierają niecałkowicie zapełnioną powłokę d. Metale te mają zmienną wartościowość. Do tej grupy zalicza się m.in. chrom (Cr), kobalt (Co), niob (Nb), skand (Sc) oraz wolfram (W).

Metale szlachetne

Metale szlachetne to substancje, które ze względu na niską reaktywność (odporność chemiczna) mogą występować w przyrodzie w budowie jednorodnej składającej się z atomów tego samego pierwiastka (budowa rodzima). W szeregu napięciowym przyjmują wartości dodatnie (dodatni potencjał standardowy). Ciężar właściwy metali szlachetnych przekracza 3,6 g/cm3 stąd zalicza się je do metali niezależnych ciężkich. Wyróżnia się wśród nich platynowce takie jak iryd (Ir), osm (Os), pallad (Pd), platynę (Pt), rod (Rh) oraz ruten (Ru), jak również dwa metale spośród miedziowców, takie jak srebro (Ag) i złoto (Au). Ze względu na specyficzne właściwości (nie ulegają korozji, nie reagują z wodą, parą wodną oraz z kwasami beztlenowymi, natomiast ulegają działaniu wody królewskiej) metale szlachetne mają zastosowanie nie tylko w jubilerstwie ale także w przemyśle. Na przykład platynę stosuje się w przemyśle samochodowym i elektronicznym, gdzie wchodzi w skład katalizatorów samochodowych oraz produkuje się z niej rezystory stosowane do pomiaru temperatury.

Metale ziem rzadkich

Do metali ziem rzadkich zalicza się 17 pierwiastków chemicznych, do których należą wszystkie lantanowce: cer (Ce), dysproz (Dy), erb (Er), europ (Eu), gadolin (Gd), holm (Ho), iterb (Yb), lantan (La), lutet (Lu), neodym (Nd), prazeodym (Pr), promet (Pm), samar (Sm), terb (Tb) i tul (Tm) oraz dwa skandowce takie jak itr (Y) oraz skand (Sc). Dzieli się je na metale lekkie i metale ciężkie. Pierwiastki te występują głównie z innymi minerałami z tej grupy w minerałach w skorupie ziemskiej. Podczas wytapiania się skał lub krystalizacji magmy koncentrują się w stopie co oznacza, że są pierwiastkami niekompatybilnymi. Metale ziem rzadkich występują w formie tlenków, węglanów, krzemianów oraz fosforanów. A ich złoża dzieli się na pierwotne i wtórne. Do złóż pierwotnych należą karbonatyty, skały pealkaliczne, pegmatyty oraz granitoidy. Alternatywnym źródłem pozyskiwania metali ziem rzadkich jest m.in. recykling. A największym rozpoznanym źródłem zasobów i zarazem producentem są Chiny. Wśród zastosowań metali ziem rzadkich można wymienić: produkcję katalizatorów (cer, lantan), produkcję magnesów (dysproz, holm, prazeodym), wzmacniacze optyczne i lasery (erb), oświetlenie fluorescencyjne i wyświetlacze ciekłokrystaliczne (europ),  pręty sterujące reaktora (gadolin, samar), płyty ogniw słonecznych i światłowody (iterb), baterie i klisze rentgenowskie (lantan), rentgenoluminatory (lutet), źródło promieniowania beta (promet), przemysł lotniczy i kosmiczny (skand), luminofory do wyświetlaczy i lamp (terb), ceramiczne materiały magnetyczne (tul).

Rudy metali w Polsce

W Polsce występują spore zasoby rud metali. Jednakże są to głównie rudy metali kolorowych, a rudy żelaza ze względu na niską jego zawartość w rudzie (syderyty i limonity) są obecnie nieeksploatowane. Do najważniejszych ekonomicznie w kraju należą złoża rudy miedzi (rejon Bolesławca i Złotoryi oraz Legnicko-Głogowskie Zagłębie Miedziowe) oraz rudy cynkowo-ołowiowe (Tarnowskie Góry-Bytom, Chrzanów-Trzebinia oraz Olkusz-Zawiercie). Ponadto w Polsce występują bogate złoża magnetytów. Jednak ze względu na m.in. głębokość złóż, lokalizację (Suwalszczyzna), spadek zapotrzebowania w stosunku do innych minerałów, są obecnie nieeksploatowane.