Metallers hårdhet och antalet valenselektroner
Hej
Jag har förstått att metallers hårdhet beror på antalet valenselektroner, fler betyder att det är en hårdare metallbindning och en hårdare metall. Hårdast är Wolfram med sina 6 valenselektroner. Fast det jag inte förstår är varför Iridium nämndes som näst hårdast med sina endast 2 valenselektroner här: https://bortec.de/en/blog/the-hardest-metals-in-the-world/
Här är en fin lista där man kan se valenselektroner hos atomerna: https://sv.wikipedia.org/wiki/Lista_%C3%B6ver_atomernas_elektronkonfiguration
Varför är inte Gadolinium hårdare än Iridium med sina 3 valenselektroner istället för Iridiums 2 valenselektroner?
Vem har gjort påståendet att hårdhet beror av antalet valenselektroner? (och hur var det påståendet formulerat?)
(finns även olika typer av hårdhet)
Från sida 58 i boken: Andersson, Stig; Sonesson, Artur; Svahn, Ola. och Tullberg, Aina. 2021. Gymnasie KEMI 1. 4. uppl. Stockholm: Liber AB.
Ju fler delokaliserade elektroner det finns i elektronmolnet, desto starkare blir metallbindningen.
Även om jag har mina problem med själva begreppet 'metallbindning' så säger påståendet inget om själva materialets hårdhet.
En bindnings styrka eller typ säger inget om mekaniska egenskaper som hårdheter utan endast om kemiska och termofysiska egenskaper.
Bindningars styrka relaterar till egenskaper så som smältpunkt eller förväntade entalpiförändringar vid kemiska reaktioner, reaktivitet osv, men inte mekanisk hårdhet som bulkmoduli eller reptålighet osv.
Okej. Vad är det som skiljer i metallerna som gör att de har olika hårdhet?
Du får invänta någon med en högre grad av expertis men makroskopisk hårdhet hos en metall är inte en endast beroende av kemiska sammansättningen utan dess kristallstruktur och förekomsten av så kallade korn och gränser mellan olika typer av kristallstrukturer och element inom metallen spelar också en (ibland avgörande) roll.
Om du tänker efter så vet du flera exempel där hårdhet uppenbarligen inte kan bero av ämnena och deras valenselektroner i sig utan beror av intern geometri. Två exempel:
(1) Legeringar (blandningar av olika metaller) kan vara hårdare än de individuella metallerna. Kommer du ihåg bronsåldern? Koppar och tenn är båda mjuka metaller men om man blandar 88% koppar med 12% tenn får man en legering, brons, som är betydligt hårdare.
(2) Härdning. En metalls hårdhet kan modifieras genom härdning. Vid en typ av härdning så hettar man upp en metall till en högre temperatur för att sedan kyla av det snabbt genom att doppa det i vatten. Genom härdning kan hårdheten hos en metall (främst stål och järn) förändras utan att förändra den kemiska sammansättningen. Allt som ändras är hur atomerna sitter ihop geometriskt.
Dessa exempel betyder inte att bidningsteori inte har någon nytta men bindningsteori kan inte ersätta ren fakta om metallerna från ett rent praktiskt perspektiv. I slutändan kan du inte återfinna i det periodiska systemet huruvida tenn eller bly är hårdast utan du måste veta vilka metallerna är och hur de fungerar. Man bör vara nyfiken och undersöka och hitta samband snarare än att försöka förklara allt från en teori.
Jaha så kristallstrukturerna packas liksom hårdare när man gör legeringar eller härdar. Intressant. Det verkar inte så svårt att förstå att det är som att kristallstrukturerna liksom packas hårdare bara då.
Jag undrar var Teraeagle är, Isaks son är väl metallurg?
Det är inte helt korrekt att säga att kristallstrukturen packas hårdare utan det handlar i grunden om att motverka plastisk deformation vilket är synonymt med rörelser hos kristalldefekter eller dislokationer (https://sv.wikipedia.org/wiki/Dislokation_(metallurgi)). Hårdhet är i de enklaste modellerna relaterat till metallens sträckgräns vilket är punkten då deformationen övergår från elastisk (återgående) till plastisk (bestående/"permanent").
Genom att störa strukturen på olika sätt kan man göra det svårare för dessa kristalldefekter att fortplanta sig genom strukturen, höja sträckgränsen (samt brottgränsen) och därmed göra materialet starkare. Detta kan åstadkommas genom i huvudsak dessa sätt:
- Deformationshärdning (https://sv.wikipedia.org/wiki/Kallbearbetning)
- Lösningshärdning (https://www.metallkompetens.se/handbok/om-aluminium/aluminiums-metallograf/losningshardning/)
- Utskiljningshärdning (https://sv.wikipedia.org/wiki/Utskiljningsh%C3%A4rdning)
- Anodisering (https://www.alumeco.se/kunskap-teknik/ytbehandling/anodisering)
- Sätthärdning (https://www.bodycote.com/sv/tjanster/varmebehandling/satthardning-och-karbonitrering/satthardning/)
- Släckhärdning (https://sv.wikipedia.org/wiki/Sl%C3%A4ckh%C3%A4rdning)
- Kulhamring (https://sv.m.wikipedia.org/wiki/Kulhamring)
Okej Ebola. Ett långt svar, tack för det.
Fast ärligt talat jag måste kunna formulera en ganska kort förklaring på varför vissa metaller är hårdare än andra metaller med en bra källa eller flera bra källor. Skulle vara perfekt om ni hittade förklaringen i denna bok så att jag förstår bättre: Andersson, Stig; Sonesson, Artur; Svahn, Ola. och Tullberg, Aina. 2021. Gymnasie KEMI 1. 4. uppl. Stockholm: Liber AB.
Annars kanske ni kan hitta svaret i Nationalencyklopedin (NE) åt mig?
Det som hänt i tråden är att SeriousCephalopod vid 2022-05-17 20:30 tagit tråden in på metaller som blandas med andra ämnen eller påverkas av andra ämnen och fortfarande fattar jag inte vart i atomstrukturen i t.ex. Bly och Koppar man ser att den ena metallen är starkare...
En fråga i början:
Blir du frågat i kemiboken eller i din kemikurs varför vissa metaller är hårdare än andra och det ska förklaras av metallens egenskaper eller är det en fråga som du undrar på personligen?
Jag går en Kemi 1 kurs genom Komvux och där kom en uppgift som slutade såhär:
... varför en del metaller är hårdare än andra metaller.
Några ord i en mening, men svaret är ganska komplicerat.
Ok, för en mycket enkel svar:
Desto fler elektroner deltar i metallbindningen, desto starkare håller atomerna ihop.
Men sedan blir det komplicerat eftersom inte alla elektroner deltar i metallbindning eftersom inte alla orbitaler ligger i rätt riktning för att kunna delar.
(Exempelvis 2 av järns elektroner i d orbitaler deltar inte i metallbindning och därför kan järn vara magnetisk.)
Som en generell tendens: desto fler elektroner i d och f orbitaler desto mer elektroner kan delta i metallbindning.
Detta leder också till en högre densitet och högre smältpunkt.
Platin ligger vid ca 20 g/cm3. Där ligger också volfram, iridium och osmium som dock är ännu hårdare. Osmium var också på grund av sin hög smälttemperatur populär i glödlampor.
Hårdhet mäts ju som motstånd att ett föremål genomtränger metallytan. Det är relaterat hur lätt skikten kan förskjutas mot varandra. Om det finns en barriär så blir metallen hårdare. Därför är de hårdaste metaller legeringar och kombinationer med karbid (kol) som blockerar rörelse av lager i metallen mot varandra.
Passar det bättre? :)
Okej. Två saker:
- Iridium är inte näst hårdast enligt någon skala och minst av allt enligt Mohs hårdhetsskala. Den är bara nummer två på listan du länkade till av ren tillfällighet. Se en korrekt lista här:
https://alansfactoryoutlet.com/the-hardness-of-metals-a-visual-representation-of-mohs-scale/ - Skillnaden mellan rena metaller rör främst styrkan hos metallbindningen (kan härledas från antal valenselektroner), effektiva kärnladdningen och kristallstrukturens arrangemang samt "densiteten" som uppnås. Det du däremot verkar missförstått är det faktum att metallbindningen allmänt är som svagast vid få eller många valenselektroner. Den är starkast någonstans runt grupp 6 vid Wolfram.
Enkel jämförelse mellan kristallstrukturerna BCC, FCC och HCP:
BCC - Packningsfaktor 0.68 (hårda metaller som wolfram, krom etc.)
FCC - Packningsfaktor 0.74 (mindre hårda metaller som aluminium, guld etc.)
HCP - Packningsfaktor 0.74 (mindre hårda metaller som titan, magnesium etc.)
Vi ser att högre densitet (högre packningsfaktor) innebär generellt lägre hårdhet. Detta är intuitivt därför att det då finns fler sätt för materialet att deformeras om det är packat tätare. Det finns fler "glidplan". Som med allt här i livet är det mycket som påverkar resultatet vilket är varför till exempel Rhenium är mycket hårt trots sina få valenselektroner och HCP-struktur. Då har det med densiteten på bindningar, bindningslängd och liknande saker som mest kemister bryr sig om.
Sammanfattning
Allt du lär dig i Kemi 1 kan ifrågasättas med "Men, här hittar jag ett undantag; varför kan vi då säga detta generellt?". Det man brukar säga till er gymnasieelever är att ni bara ska blunda och plugga samt låta förståelsen komma senare. Sådana som Smaragdalena kan säkert ge mer pedagogiska beskrivningar än jag kring det då hon är ganska duktig på det.
Min rekommendation är att du svarar:
Generellt är metaller hårdast när de är i eller nära grupp 6. Den vanligaste trenden från grupp 6 sett är att hårdheten minskar till höger och vänster i periodiska tabellen.
Så det är alltså 4 faktorer som påverkar hårdheten hos metaller.
... metallbindningen (kan härledas från antal valenselektroner), effektiva kärnladdningen och kristallstrukturens arrangemang samt "densiteten" som uppnås. ...
Jag skulle dock gärna skriva en fin källa till ett svar som jag skulle kunna skapa och hittils har jag inte sett något lärare anse användaren Ebola på Pluggakuten som en bra källa. Fast du har ju källor, kan du dela med dig?
Helt underbart!
Da kan jag bara föreslå att vi kombinera våra hypoteser och modeller.
Det finns 5 d-orbitaler. 3 deltar i metallbindning och 2 inte.
Om man utgår ifrån den strukturen här, så pekar dxy, dxz och dyz direkt till en granne och kan därför interagera.
dx2y2 och dz2 däremot pekar inte direkt åt en granne, och bidrar inte till metallbindning. Elektroner här skulle antagligen höjer repulsionskrafter mellan atomerna och sänker bindningskrafter.
Den som har mest elektroner in de 3 metallbindande d-orbitaler håller mest ihop, är tätast packad och har högsta smältpunkt
:)
Manoel skrev:Så det är alltså 4 faktorer som påverkar hårdheten hos metaller.
... metallbindningen (kan härledas från antal valenselektroner), effektiva kärnladdningen och kristallstrukturens arrangemang samt "densiteten" som uppnås. ...
Jag skulle dock gärna skriva en fin källa till ett svar som jag skulle kunna skapa och hittils har jag inte sett något lärare anse användaren Ebola på Pluggakuten som en bra källa. Fast du har ju källor, kan du dela med dig?
Nja. Det är fler saker än så. Det finns generella trender att peka på men variationerna är för stora och undantagen är många. Jag föreslår att du läser och använder denna källa:
Här beskriver de tydligt att modellen för metallbindning som ett hav av elektroner inte kan förklara hur hårdheten varierar mellan olika rena metaller. Man måste implementera molekylär orbitalteori. Alltså, ungefär det som Zockimon försökt göra med varierande succé. De skriver exempelvis:
"Filling the lower energy MOs (bonding MOs) makes the bonds stronger, which is why alkali metals have low melt points and are soft (not many bonding MOs filled). Filling the higher energy MOs (antibonding MOs) makes the bonds weaker, which is why Cu, Ag, Au and Zn are soft and melt at low temperatures (Hg is a liquid at RT!)."
Detta är en bra beskrivning av det jag påpekade översiktligt om generella trenden till höger och vänster kring grupp 6 i periodiska systemet. Smaragdalena har skrivit i en annan tråd att:
"En bit metall kan man säga är uppbyggd av positiva metalljoner och negativa elektroner. Då kan två lager metalljoner glida i förhållande till varandra, och elektronerna finns däremellan nästan som ett smörjmedel. Därför är många metaller mjuka. Rent guld är väldigt mjukt. Vill man göra det hårdare, så att t ex ringar inte slits lika snabbt, kan man blanda in någon annan metall med en annan storlek på atomerna. Då blir inte atomlagren så regelbundna utan glider sämre, och legeringen blir hårdare."
I samma tråd skrev oggih att:
"(Metallbildningar är komplicerade historier och deras styrka beror bland annat på hur metallatomerna är packade och hur många elektroner som delokaliserats. Antalet delokaliserade elektroner tror jag är lika med antalet valenselektroner för metaller i grupp 1 och grupp 2 och kanske även några av de sista grupperna, men för övergångsmetallerna är det mycket mer komplicerat.)"
Du måste nöja dig med att det inte finns något enkelt svar och att du måste nyansera när du skriver. Läs i din bok på följande ställen:
Kapitel 3 - Stegvis förändring av egenskaper i en period
Kapitel 4, 5 - Metallbindning
Ebola skrev:
Alltså, ungefär det som Zockimon försökt göra med varierande succé.
Vad menar du här med varierande succé?
Zockimon skrev:Vad menar du här med varierande succé?
MO-teori är framgångsrik i att förutsäga egenskaper men naturligtvis inte 100 %-ig. Precis som så mycket annat finns flera undantag. För detaljer kring det kan du läsa närmre i Libretexts-länken i mitt senaste inlägg.
Uff, vilken lättnad!
För mig är det baskunskap att kemiska teorier mestadels bara kan ge ledtrådar. Det finns alltid undantag.
Haha, det är kemi, inte fysik :)
Här handlar det för det allra mesta om att hitta en plausibel modell som förklara på så sätt att man har lätt att förstå modellen.
Orbitalmodellen är mycket användbar i det syfte att man ska ha enkelt att förstå vad pågå.
Att visualisera är en mycket framgångsrik strategi inom kemin och underlätta att hitta lösningar i kemiska frågeställningar.
Så antar jag att meningen "med varierande succé" hänvisade till MO-teorin.
