מתכת

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

המתכות היא קבוצה של יסודות כימיים. מתכות מאופיינות באנרגיית יינון נמוכה יחסית, מאחר שהאלקטרונים, המאכלסים את רמת האנרגיה החיצונית של יסוד מתכתי, קשורים אל גרעין האטום בצורה חלשה.

המילה הלועזית למתכת היא מטאל (שורש זה, שמקורו ביוונית, מצוי במספר מונחים הקשורים למתכות ("גוון מטאלי", בעל ברק מתכתי) וגם בכאלו בעלי קשר עקיף ורעיוני בלבד: הבי מטאל, למשל (סגנון מוזיקה המאופיין בשימוש בגיטרות בעלות צליל מתכתי - המזכיר את הצליל הנוצר מחיכוך שתי פיסות מתכת האחת בשנייה או מהפעלת לחץ על מתכת). הענף בכימיה העוסק בחקר המתכות נקרא מטלורגיה.

[עריכה] מבנה ותכונות

מתכות הן אחת משלוש הקבוצות המרכיבות את יסודות הטבלה המחזורית. הקבוצות האחרות הן אל-מתכות ומתכות למחצה (מטלואידים). בטבלה המחזורית נמצאות המתכות בצד השמאלי; הן מסתיימות בקו האלכסוני המתחיל מהיסוד בורון ונמשך עד לאסטטין.

רוב המתכות מתאפיינות במספר תכונות בולטות:

• הן בדרך-כלל מבריקות (החזרת אור כמעט שלמה מפני המתכת) תופעה המכונה ברק מתכתי.
• מוצקות בטמפרטורת החדר (מלבד הכספית (Hg) הנמצאת בטמפרטורת החדר במצב נוזל).
• בעלות צפיפות גבוהה (ולכן יוצרות צליל גבוה לאחר הקשה עליהן)
• קשיחות
• בעלות טמפרטורת התכה ורתיחה גבוהות,
• בעלות מוליכות תרמית במצב צבירה מוצק ונוזל.
• בעלות מוליכות חשמלית במצב צבירה מוצק ונוזל.
• ניתנות לריקוע ולמתיחה.
• תכונות מאפיינות נוספות הן יכולת שינוי הצורה, חוזק רב וצמיגות גבוהה.

אטומיהן של כל המתכות (מלבד כספית) מסודרים בצורה של סריג מתכתי, כך שהאלקטרונים ברמה האחרונה עוברים מאטום לאטום. מבנה זה הוא הגורם לחוזקן הרב של מתכות ולטמפרטורת ההיתוך שלהן. המתכת כולה עשויה להיות מורכבת סריגים שונים, הסדורים בכיוונים שונים, המכונים "גרעינים". בין הסריגים ועל גבולותיהם יכולים להיווצר תכלילים: זיהומים מחומרים אחרים.

פעילותן הכימית של מתכות נעה בין אדישות (כמו בזהב או פלטינה) לבין פעילות מאוד (מתכות אלקליות). בעת התרכבות עם אל-מתכות, האטומים שלהם מוסרים את אלקטרוני הערכיות והופכים ליונים חיוביים (קטיונים). היונים החיוביים של המתכת והיונים השליליים (האניונים) של האל-מתכת יוצרים סריג יוני. רוב המתכות מגיבות עם חמצן, ולתרכובת הנוצרת תכונות בסיסיות. מתכות לא נוטות להגיב בינן לבין עצמן, אלא יוצרות תערובת הקרויה סגסוגת, בעלת תכונות של מתכות.

[עריכה] היסטוריה

ההערכה היא שעוד לפני שנת 4000 לפנה"ס האדם השתמש במתכות אשר נמצאו על פני הקרקע, למשל מתכות שמקורן בשרידי מטאור, לייצור תכשיטים, ולעתים אף לייצור כלים. המתכות שבהן השתמשו בזמנים קדומים אלו היו נחושת, זהב וברזל, והעיבוד שלהן כלל ריקוע באמצעות פטיש.

בסביבות שנת 4000 לפנה"ס פיתח האדם שיטות לצרוף את הנחושת מעפרותיה, ובכך התאפשר שימוש נרחב יותר בנחושת על ידי כרייה של הנחושת מהאדמה במקומות שבהם הנחושת מעורבבת בחומרים אחרים. הנחושת הותכה בכור ושימשה ליציקה בתבניות. באותה תקופה החל גם השימוש בכסף טבעי. בסביבות שנת 3500 לפנה"ס נצרפו עפרות מעורבות של נחושת ובדיל באזור ארם־נהריים על־מנת לייצר ארד (ברונזה). כ-500 שנה לאחר מכן נעשה שימוש בתהליך "השעווה הנעלמת" לביצוע יציקות מסובכות.

בסביבות שנת 1500 לפנה"ס התחילו החיתים לצרוף ברזל בהיקף נרחב באנטוליה. התהליך מניב ברזל ספוגי, המקביל לברזל החשיל בן ימינו. בסביבות שנת 1000 לפנה"ס יוצרו כלים מפלדה קשה על ידי חימום מחדש של הברזל הספוגי, הבא במגע עם פחם, המלווה בצינון במים. בסביבות שנת 600 לפנה"ס התחילו הסינים לצרוף ברזל בכבשנים משופרים, ויצרו מתכת מותכת, הניתנת ליציקה. ההתכה אפשרית משום שלעפרה יש תכולה זרחנית גדולה, והברזל הנוצר נמס בקלות רבה יותר.

בסביבות שנת 200 לפנה"ס הקימו הרומאים תעשיית פליז פורחת, ולראשונה משתמשים בסגסוגת בהיקף נרחב. בסביבות שנת 100 לפנה"ס מבוצע זיקוק הכספית מתוך עפרותיה. הכספית משמשת לאמלגמציה - טיפול באמצעות כספית היוצר אמלגמה - ומשמש להוצאת זהב מעפרותיו.

במאות הראשונות לספירה, אלכימאים ביצעו מחקרים רבים על מתכות יסוד במטרה להפוך מתכות יסוד לזהב. מחקרים אלו משמשים יסוד למטלורגיה. בסביבות שנת 700 לספירה, חרשי ברזל בקטלוניה, ספרד, פיתחו כבשן משופר לצריפת ברזל, הידוע כיום בשם מפוח קטלוני.

במאה ה־14 התחיל השימוש באירופה באב טיפוס של כבשן ההפחה. בכבשן ההפחה, הברזל נשאר במגע עם פחם עץ לזמן ממושך יותר. הוא סופח יותר פחם, המוריד את נקודת ההתכה שלו אל מתחת לטמפרטורת הכבשן. כך מייצר הכבשן ברזל מותך, אותו אפשר לצקת.

במאה ה-17 בבוהמיה פותחה טכניקה של ציפוי ברזל בשכבת בדיל.

במהלך המאה ה-18 השתככלו שיטות עיבוד הברזל. ב-1709 אברהם דרבי, חרש ברזל אנגלי, הציג צריפת ברזל באמצעות פחמי אבן, המחליפים את פחמי העץ, אותם קשה היה אז למצוא באנגליה. כתוצאה מכך, נבנו כבשנים גדולים יותר, משום שפחמי האבן חזקים יותר מפחמי העץ ויכולים לתמוך בכמויות גדולות יותר של עפרת ברזל. ב-1740 המציא שען אנגלי בשם בינימין הוסטר את תהליך הצריפה לייצור פלדה. המטלורגיסט האנגלי ויליאם צ'אמפיון פיתח את צריפת אבץ. ב-1779 השלים אברהם דרבי (נכדו של חרש הברזל שהוזכר ב-1709) את בנייתו של גשר עשוי ברזל יצוק בשרופשייר שבאנגליה. גשר הברזל הראשון, שאורכו 43 מטר, שימש למעבר תנועה עד לשנות ה-50 של המאה העשרים. ב-1784 פיתח חרש הברזל האנגלי הנרי קורט את "תהליך המירוס" (או: תהליך הביסה), להפיכת ברזל גולמי לברזל חשיל, על ידי חימום הברזל הגולמי יחד עם עפרת הברזל, וערבובו במצקת.

במהלך המאה ה-19 מחקר מדעי הוביל למספר פריצות דרך בהבנת תכונות המתכות ועיבודן. במהלך השנים 1807-1808 פיתח הכימאי אנגלי, המפרי דייוי, את תהליך האלקטרוליזה לבידוד מתכות מתרכובותיהן מותכות. הוא בודד את הנתרן, האשלגן, הסידן, המגנזיום והבריום. ב-1825 התגלה החמרן על ידי המדען הדני האנס כריסטיאן ארסטד. בשנת 1828 מהנדס סקוטי, ג'יימס נילסון, השתמש במשב אוויר חם בתוך הכבשן מפוח ובכך הצליח להקטין את צריכת הדלק. ב-1839 ממציא אמריקאי, יצחק באביט, פיתח את מתכת הבעץ-סגסוגת של בדיל.

[עריכה] פרטי טריוויה

• המתכת הקלה ביותר היא ליתיום, בעלת צפיפות של 0.53 גרם לסנטימטר מעוקב, כמחצית מצפיפות המים.
• המתכת הכבדה ביותר היא אירידיום בעלת צפיפות של 22.65 לסנטימטר מעוקב, כבדה פי שניים מן העופרת.
• המתכת בעלת נקודת ההתכה הנמוכה ביותר היא הכספית. נקודת ההתכה שלה היא (38.9-) מעלות צלזיוס.
• מבין המתכות המופיעות במצב מוצק בטמפרטורת החדר, נקודת התכתה של הצסיום היא הנמוכה ביותר - 28.9 מעלות צלזיוס.
• המתכת בעלת נקודת ההתכה הגבוהה ביותר היא הטונגסטן, נקודת התכתה היא 3,380 מעלות צלזיוס.
• המתכת הנפוצה ביותר היא אלומיניום, המהווה 8% מקליפת כדור הארץ. הברזל (המהווה בערך 5% מן הקליפה) יכול להיחשב כמתכת הנפוצה ביותר בכדור הארץ, אם נכונה ההשערה שהברזל מהווה את עיקר הליבה המותכת של כדור הארץ.
• המתכת הניתנת למתיחה הרבה ביותר היא הזהב. קילוגרם אחד של זהב ניתן למשיכה עד ליצירת תיל דק מאוד, באורך של למעלה מ-2,000 קילומטר.
• הזהב היא גם המתכת הרקיעה (הניתנת לריקוע) ביותר. מקילוגרם אחד של זהב ניתן לרקוע יריעה דקה מאוד, ששטחה כ-1,000 מטר רבוע.
• המתכת הרעילה ביותר הפלוטוניום. בליעה או שאיפה של פחות ממיליונית הגרם מן החומר גורמת למחלת הסרטן. הפלוטוניום נשאר קטלני במשך עשרות אלפי שנים.
• המתכת טנטלום היא המתכת העמידה ביותר מכל המתכות מבחינת עמידות בפני חומצה.
• כסף - מוליך החשמל הטוב ביותר מבין המתכות.
• כרום - מוליך החשמל הגרוע ביותר מבין המתכות.