Metalli
Metallit ovat alkuaineita tai seoksia, joilla on useita seuraavista, epämetalleista poikkeavista ominaisuuksista:
Alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä metallit sijaitsevat vasemmalla tai rivien keskivaiheilla, epämetallit oikealla. Rajalinjan läheisyydessä on myös muutamia puolimetalleiksi luokiteltuja alkuaineita.
Kiinteitä metalleja pitää koossa atomien välinen metallisidos. Metallien yleensä hyvät sähkön- ja lämmönjohto-ominaisuudet perustuvat ns. vapaiden elektronien liikkeeseen. Myös metallinen kiilto on seurausta vapaista elektroneista, jotka estävät fotonien kulun metallihilan läpi.
Metallit ja metalliseokset ovat kiinteässä olomuodossa mikrorakenteeltaan yleensä kiteisiä toisin kuin esimerkiksi amorfinen lasi. Useimpien metallien kiderakenne on joko "tilakeskinen kuutiollinen" (body-centered cubic, BCC), "pintakeskinen kuutiollinen" (PKK, face-centered cubic, FCC) tai "heksagonaalinen tiivispakkaus" (hexagonal close-packing, HCP). Jotkin metalliseokset voivat esiintyä myös amorfisina.
Metalliatomeilla on seuraavia ominaisuuksia
Metallit ovat yhdisteissään tavallisimmin positiivisina kationeina, eli ne ovat luovuttaneet valenssielektronejaan epämetalleille. Jotkin metallit voivat kuitenkin muodostaa myös kovalenttisia sidoksia epämetallien kanssa, tai olla jopa osana useammasta atomista koostuneessa negatiivisessa anionissa, esimerkiksi mangaani permanganaatti-ionissa MnO.
Metallit voidaan järjestää sähkökemialliseksi sarjaksi niiden jalouden mukaan. Jaloilla metalleilla on heikoin taipumus muodostaa yhdisteitä. Useimmat metallit reagoivat varsinkin happojen kanssa muodostaen suoloja sekä myös hapen kanssa muodostaen oksideja. Voimakkaimmin hapen kanssa reagoivat alkalimetallit, sen jälkeen voimakkaimmin maa-alkalimetallit. Luonnossa kulta ei muodosta yhdisteitä, siksi se esiintyy puhtaana metallina. Myöskään palladium ja platina eivät reagoi ilman hapen kanssa. Muut metallit muodostavat enemmän tai vähemmän pysyviä yhdisteitä kuten oksideja, sulfideja sekä eri happojen suoloja kuten klorideja, sulfaatteja, sulfiitteja ja nitraatteja. Metallien oksidit ovat emäksisiä, sillä ne reagoivat veden kanssa muodostaen hydroksideja, kun taas monet epämetallien oksidit muodostavat veden kanssa reagoidessaan happoja.
Käytännön kannalta monet metallien reaktiot ovat haitallisia, ja niitä sanotaan korroosioksi. Korroosioreaktioita ovat esimerkiksi raudan ruostuminen ja kuparin patinoituminen. Jotkin metallit (alumiini ja titaani) muodostavat pinnalleen suojaavan oksidikerroksen, mikä estää hapettumisen. Oksidikerros ei kuitenkaan suojaa metallia korkeissa lämpötiloissa.
Sähköä johtavissa vesiliuoksissa eri metallit muodostavat keskenään sähkökemiallisia pareja. Sinkki epäjalompana suojaa rautaa muodostamalla sen pinnalle uhrautuvan anodin. Tähän perustuu galvaaninen korroosionesto.
Monet metallit ovat erittäin tärkeitä materiaaleja mitä erilaisimpien esineiden valmistamiseen. Ne tekee erityisen käyttökelpoisiksi se, että ne toisaalta ovat kovia ja kestäviä, toisaalta kuitenkin ainakin korkeissa lämpötiloissa helposti muokattavia valamalla tai takomalla. Erityisen suuri merkitys niillä on esihistoriallisista ajoista ollut aseiden ja työkalujen, nykyisin myös koneiden raaka-aineena. Niistä valmistetaan myös esimerkiksi astioita, putkia ja koruja. Myös sähkötekniikassa niillä on suuri merkitys sähkönjohtavuutensa vuoksi. Jalometallit ovat tulleet tärkeiksi myös sijoituskohteina, ja aikaisemmin ne olivat rahajärjestelmänkin perustana. Viime vuosikymmeninä muovit ovat kuitenkin osittain syrjäyttäneet metallit joistakin niiden vanhoista käyttötarkoituksista.
Metalliesineitä tehdään vain harvoin puhtaista, seostamattomista metallialkuaineista. Melkein kaikki käyttömetallit ovat kahden tai useamman metallin seoksia. Metalleista ylivoimaisesti eniten käytettyjä ovat rautaa sisältävät metalliseokset, joista tärkeimpiä ovat teräs ja valurauta. Rautaa käytetään maailmassa enemmän kuin kaikkia muita metalleja yhteensä. Muista metalleista tärkeimpiä ovat alumiini ja kupari.
Metallurgia käsittelee metallien valmistustekniikoita ja käyttöominaisuuksia.
Metalleja esiintyy vain harvoin luonnossa vapaina alkuaineina. Niitä runsaasti sisältävät mineraalit eli malmit ovat usein metallioksideja tai -sulfideja. Niistä valmistetaan metalleja sopivien pelkistimien avulla, joitakin myös elektrolyyttisesti. Malmeja louhitaan kaivoksista.
Metallisten materiaalien lujittumismekanismit voidaan jakaa viiteen eri osaprosessiin, jotka ovat:
Yhteistä näille lujittumisprosesseille on se, että niiden vaikutuksesta dislokaatioiden liike vaikeutuu.
Harvoin materiaalilta vaaditaan pelkästään lujuutta. Muidenkin materiaaliominaisuuksien, kuten sähkönjohtavuuden, sitkeyden, kuumalujuuden tai korroosionkestävyyden, tulee olla optimissaan.
Metallinkäsittely keksittiin mahdollisesti Lähi-idässä. Ensimmäinen muokattu metalli oli kulta, joka esiintyy luonnossa metallisena. Kuparia opittiin valmistamaan sulattamalla kuparipitoista malmia, valamaan sitä muotteihin. Kuparista tehtiin muun muassa vasarakirveitä. Niiden malli kopioitiin pohjolan kivisiin vasarakirveisiin. Kuparia myös taottiin kuumana. Kupariin opittiin sekoittamaan tinaa ja sinkkiä, jolloin syntyi kuparia huomattavasti lujempi ja kovempi pronssi. Näin keksitty, aikaisempia tunnettuja teknisesti käyttökelpoisempi lejeerinki antoi nimen kokonaiselle historialliselle aikakaudelle, pronssikaudelle. Rautaa alettiin yleisesti käyttää vasta muutamia tuhansia vuosia myöhemmin, jolloin alkoi rautakausi.
Jotkin metallialkuaineet kuten magnesium, kalium ja rauta ovat ihmiselle tärkeitä kivennäis- tai hivenaineita, joita on saatava ravinnosta. Ravinnossa ne esiintyvät erilaisina yhdisteinä, yleensä ioneina.
Toisaalta monet metallit ja niiden yhdisteet ovat myrkyllisiä. Myrkyllisistä raskasmetalleista huomattavimpia ovat lyijy, elohopea ja kadmium
Tähtitieteessä ja astrofysiikassa, esimerkiksi puhuttaessa tähden metallipitoisuudesta, metallilla usein tarkoitetaan kaikkia muita alkuaineita paitsi vetyä ja heliumia.
Tämä jako perustuu siihen käsitykseen, että vety, helium ja vähäinen määrä litiumia olivat ensimmäiset alkuräjähdyksen synnyttämät alkuaineet, ja edelleenkin tähdissä on vetyä ja heliumia monin verroin enemmän kuin kaikkia muita alkuaineita yhteensä. Raskaammat alkuaineet ovat syntyneet myöhemmin tähtien sisäisissä fuusioreaktioissa tai supernovissa.