Wyniki najnowszych badań wskazują na to, że metale trafiły na naszą planetę przypadkowo, jako część składowa asteroidów, które w nią uderzały. W trakcie powstawania Ziemi płynne żelazo oraz inne substancje o dużej gęstości, w tym metale, takie jak nikiel, złoto i platyna, przemieszczały się w stronę środka planety, formując jej jądro. Prawdopodobnie zawiera ono tyle metali, że wystarczyłoby ich na pokrycie całej powierzchni Ziemi warstwą o grubości czterech metrów.
MetalemetaleMetale są wykorzystywane przez człowieka od wieków, mimo że co roku odnotowuje się straty spowodowane korozją materiałów wykonanych z żelaza i jego stopów. W jaki sposób można zapobiegać procesom rdzewienia? Czy samonaprawiające się materiały pozostają w sferze marzeń, czy może już są rzeczywistością?

Już wiesz

jakie właściwości ma materia w różnych stanach skupienia;
co to są symbole pierwiastków chemicznych i jak się nimi posługiwać;
w jaki sposób można określić i rozróżnić właściwości fizyczne od chemicznych;
według jakich kryteriów klasyfikuje się mieszaniny;
jakie zasady bezpieczeństwa należy zachować w szkolnej pracowni chemicznej.

Nauczysz się

wskazywać metale w układzie okresowym pierwiastków;
podawać przykłady zastosowania metali w życiu codziennym;
projektować doświadczenia pozwalające badać właściwości metali;
wyjaśniać, na czym polega proces korozji i proponować sposoby zabezpieczania przed rdzewieniem wyrobów zawierających w swoim składzie żelazo;
planować doświadczenia pozwalające porównywać właściwości metali.

iHRxJuo0Jw_d5e223

1. Od kiedy były znane metale i czy są one użyteczne?

Polecenie 1

Zastanów się:

Jakie znasz zastosowania: złota, srebra i miedzi w życiu codziennym?
Czym różnią się między sobą te metale?

Człowiek zaczął stosować metale już pod koniec epoki kamienia. Do najwcześniej poznanych metali należą m.in.: złoto, miedź i srebro. Wykonywano z nich ozdoby i biżuterię, ale przede wszystkim metalowe narzędzia. Dziś nie wyobrażamy sobie życia bez metali.

Złoto (łac. aurum) to jeden z najbardziej pożądanych pierwiastków na Ziemi, cenny ze względu na rzadkość występowania. Ma dużą gęstość (19,28 g/cmIndeks górny 3) – sześcian o boku 10 cm wykonany ze złota waży aż 19,28 kg. Jest miękkim i najbardziej ciągliwym metalem – z 30 g złota można uzyskać drut o długości nawet 100 km!

R18bceRotOWQI1

Źródło: Dariusz Adryan, Tomorrow Sp. z o.o., Małgorzata Bartoszewicz, Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

Srebro (łac. argentum) to metal szlachetny popularny od czasów starożytnych, stosowany do wyrobu biżuterii, naczyń i sztućców. Jest najlepszym przewodnikiem prądu elektrycznego i ciepła, dlatego używa się go do produkcji styków elektrycznych oraz paneli słonecznych. Ze względu na właściwości antybakteryjne srebra wykonuje się z niego implanty. W postaci silnie rozdrobnionej, jako tzw. nanosrebro (1–5 nm), srebro jest stosowane m.in. do produkcji materiałów opatrunkowych i kosmetyków o szczególnych wymaganiach antybakteryjnych.

Miedź (łac. cuprum) to metal, którego nazwa pochodzi od miejsca, gdzie był wydobywany w starożytności, czyli Cypru. Jest metalem miękkim, kowalnym i ciągliwym. Gęstość miedzi wynosi 8,93 g/cmIndeks górny 3. Dzięki swoim właściwościom, takim jak bardzo dobre przewodnictwo prądu elektrycznego i ciepła, miedź jest stosowana m.in. w przemyśle elektrotechnicznym, elektroenergetycznym i budownictwie. Stopów miedzi używa się do wyrobu armatury wodnej, okuć budowlanych, aparatury chemicznej, łożysk, instrumentów muzycznych, przedmiotów ozdobnych (patery, sztućce, sztuczna biżuteria), w przemyśle stoczniowym (np. śruby okrętowe), obronnym (np. łuski), precyzyjnym (np. wagi, zegary mechaniczne). Stopy miedzi są składnikami monet, m.in. euro oraz polskich złotych. Ze względu na znaczenie biologiczne miedź jest wykorzystywana w biomedycynie.

RCYdwjQjPyEYz1

Polecenie 2

Wyszukaj w układzie okresowym pierwiastki chemiczne: złoto, srebro, miedź. Zapoznaj się z ich charakterystyką.
Wypisz kilka cech każdego z tych metali.

RfRKQkUafMKCX1

Miedź, srebro i złoto w układzie okresowym pierwiastków chemicznych

Co zajmie więcej miejsca: kilogram srebra czy kilogram złota? Kilka słów o gęstości.

R1AhlM17z1XBX1

Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Jaką ma masę oraz jaką powierzchnię zajmuje wydobyte dotychczas złoto? Kilka słów na temat złota.

R14kkUx2yuLuJ1

Źródło: Dariusz Adryan, Kevin MacLeod (http://incompetech.com), Krzysztof Jaworski, Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Czy znasz historię srebra? Kilka słów na temat srebra.

R12yjUhZALv9y1

Źródło: Cristiano64 (http://commons.wikimedia.org), Saperaud~commonswiki (http://commons.wikimedia.org), James Cridland (https://www.flickr.com), Medium69 (http://commons.wikimedia.org), CNG (http://commons.wikimedia.org), Berlin-George (http://commons.wikimedia.org), Magnus Manske (http://commons.wikimedia.org), EnLorax (http://commons.wikimedia.org), OgreBot (http://commons.wikimedia.org), Armin Kübelbeck (http://commons.wikimedia.org), Unit 5~commonswiki (http://commons.wikimedia.org), NordNordWest (http://commons.wikimedia.org), Huebi~commonswiki (http://commons.wikimedia.org), Hoodinski (http://commons.wikimedia.org), DebashisM (http://commons.wikimedia.org), William Warby (https://www.flickr.com), Bibi Saint-Pol (http://commons.wikimedia.org), Materialscientist (http://commons.wikimedia.org), Ikiwaner (http://commons.wikimedia.org), Alchemist-hp (http://commons.wikimedia.org), Zorion (http://commons.wikimedia.org), AnonMoos (http://commons.wikimedia.org), Jungpionier (http://commons.wikimedia.org), Aquaman8488 (http://commons.wikimedia.org), Elie plus (http://commons.wikimedia.org), Aleksey Gnilenkov (https://www.flickr.com), Schwiki (http://commons.wikimedia.org), (Kaldari) (http://commons.wikimedia.org), Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Ciekawostka

Złoto, jakiego nie znamy

R1cr0YhO9OydK1

Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., Dean Hochman (https://www.flickr.com), Saya Muncil (https://www.flickr.com), NASA/Paolo Nespoli (http://commons.wikimedia.org), James St. John (https://www.flickr.com), NJo (http://commons.wikimedia.org), See-ming Lee (https://www.flickr.com), Manos (https://www.flickr.com), licencja: CC BY-SA 3.0.

R1AZady6eEiOi1

Zdjęcie przedstawia złoty samorodek. Obok widnieje napis złoto i jego symbol Au. — Źródło: Rob Lavinsky (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.

RxamIrQgxzZHX1

Zdjęcie przedstawia krystaliczne srebro. Obok widnieje napis srebro i jego symbol Ag. — Źródło: Alchemist-hp (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.

R16LGONNSgzmM1

Zdjęcie przedstawia bryłkę miedzi rodzimej. Obok widnieje napis miedź i jej symbol Cu. — Źródło: Jonathan Zander (Digon3), http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.

R1S8ruDILQlj61

Zdjęcie przedstawia rudę żelaza. Obok widnieje napis żelazo i jego symbol Fe. — Źródło: Siim Sepp (https://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.

RRWnNpXWv0TU11

Zdjęcie przedstawia kawałek metalicznego chromu. Obok widnieje napis chrom i jego symbol Cr. — Źródło: Jurii (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

R1bUYoYwPIJDy1

Zdjęcie przedstawia bryłki metalicznego sodu. Obok widnieje napis sód i jego symbol Na. — Źródło: Dnn87 (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.

RlYpVuvER81Aa1

Zdjęcie przedstawia kawałek metalicznego molibdenu. Obok widnieje napis molibden i jego symbol Mo. — Źródło: Hi-Res Images of Chemical Elements (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

R1eAFEAPKWGDn1

Zdjęcie przedstawia kroplę rtęci. Obok widnieje napis rtęć i jego symbol Hg. — Źródło: А (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, public domain.

Rk2tpZiCRbAOd1

Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Tomihahndorf (http://commons.wikimedia.org), Transpassive (http://commons.wikimedia.org), Robert Lavinsky (http://commons.wikimedia.org), Unknown (http://commons.wikimedia.org), Svdmolen (http://commons.wikimedia.org), DidierDescouens (http://commons.wikimedia.org), Hi-Res Images of Chemical Elements (http://commons.wikimedia.org), James St. John (https://www.flickr.com), Bionerd (http://commons.wikimedia.org), Andrew Silver (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

R1NwANsZHNDeY1

Ciekawostka

Samonaprawiający się metal
Naukowcom z Massachusetts Institute of Technology udało się odkryć materiał, który przez swe właściwości przypomina słynny samonaprawiający się metal T‑1000, znany z filmu Terminator w reżyserii (1984 r.) Jamesa Camerona (czyt. dżejmsa kamerona).
Odkrycia tego dokonali prof. Michael Demkowicz (czyt. majkel dimkowicz) i jego student Guoqiang Xu (czyt. głokjang zu). Prowadząc badania, zauważyli, że pęknięty kawałek stopu niklu pod wpływem rozciągania scala się zamiast ulegać dalszemu uszkodzeniu. Początkowo uważali obserwowane zjawisko za błąd laboratoryjny, jednak kolejne testy wykazały, iż badany przez nich stop potrafi sam się naprawić.

R1I7hfeT4znYx1

Ilustracja przedstawia symulację obrazu mikroskopowego uszkodzonego kawałka metalu. Obraz ten przypomina wyglądem fragment plastra miodu, złożonego z kulistych cząstek. Na zdjęciu z lewej strony w dolnej części kadru prezentowany jest zaznaczony czerwonym okręgiem fragment z przerwą w strukturze metalu. Na zdjęciu po prawej stronie ten sam zaznaczony fragment uległ zasklepieniu z wykorzystaniem otaczających go cząstek. — Komputerowa symulacja zjawiska „samoleczenia”

iHRxJuo0Jw_d5e337

2. Jakie właściwości mają metale?

Informacje o metalach można pozyskać:

na podstawie przeprowadzonych doświadczeń (np. badających właściwości fizyczne i chemiczne za pomocą zmysłów),
odczytując dane z układu okresowego pierwiastków lub tablic chemicznych.

Metale mają wiele cech wspólnych – metaliczny połysk, dzięki któremu odbijają światło, dając efekt błyszczenia, oraz barwę srebrzystobiałą lub srebrzystoszarą. Wyjątek stanowi złoto – o barwie żółtej, oraz miedź – o barwie od srebrzystoróżowej (dobrze oczyszczona) do czerwonobrunatnej. Wszystkie metale oprócz ciekłej rtęci w temperaturze pokojowej są substancjami stałymi.
Związki niektórych metali powodują zabarwienie płomienia, np.: sodu – na żółto, strontu – na karminowo, wapnia – na ceglastoczerwono, a baru i miedzi – na zielono. Właściwość ta umożliwia wykrycie obecności metalu w badanej próbce (próba płomieniowa). Zdolność barwienia płomienia jest wykorzystywana w produkcji ogni sztucznych.

RLqJs4JbQUbax1

Źródło: Dariusz Adryan, Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.

Badanie właściwości fizycznych wybranych metali

Doświadczenie 1

Problem badawczy

Czy metale mają takie same właściwości fizyczne?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Metale różnią się właściwościami fizycznymi.
Metale mają podobne właściwości fizyczne.

Co będzie potrzebne

nóż,
pęseta,
magnes,
cynk,
sód,
magnez,
glin,
żelazo.

Instrukcja

Określ stan skupienia, barwę, połysk wszystkich metali.
Do próbek: cynku, sodu (osuszonego z nafty), magnezu, glinu i żelaza zbliż magnes.

Podsumowanie

Cynk jest ciałem stałym o srebrzystoszarej barwie i metalicznym połysku. Sód także jest ciałem stałym o srebrzystobiałej barwie i metalicznym połysku zaraz po przekrojeniu jego próbki. Jest miękki, można go kroić nożem. Magnez i glin są stałymi, srebrzystobiałymi substancjami o metalicznym połysku. Cynk, sód, magnez i glin nie mają właściwości magnetycznych. Żelazo jest stałą, srebrzystoszarą substancją o metalicznym połysku. Żelazo jest silnie przyciągane przez magnes, ma właściwości magnetyczne.
Cynk, sód, magnez, żelazo i glin to metale. Niektóre ich właściwości są podobne, innymi się różnią, np. spośród badanych metali tylko żelazo ma właściwości magnetyczne.

Badanie przewodnictwa cieplnego metali

Doświadczenie 2

Problem badawczy

Czy metale przewodzą ciepło?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Metale przewodzą ciepło.
Metale nie przewodzą ciepła.

Co będzie potrzebne

zlewka,
gorąca woda,
zagięta metalowa płytka miedziana,
parafina.

Instrukcja

Do zlewki wlej gorącą wodę.
Włóż zagiętą metalową płytkę tak, aby jeden jej koniec był zanurzony w wodzie. Na drugim jej końcu umieść kawałek parafiny.
Obserwuj zachodzące zmiany.
R1KKmnFi0diRf1
Ilustracja przedstawia dwie fazy tego samego eksperymentu. Zestaw składa się ze zlewki stojącej na podstawce i napełnionej w dwóch trzecich gorącą wodą, zagiętego w kształt odwróconej litery L kawałka miedzi umieszczonego w zlewce taki sposób, że poziomy kawałek opiera się o krawędź zlewki, a pionowy zanurzony jest w wodzie oraz kawałka żółtej substancji, którą według opisu jest parafina, leżącą na poziomej części kawałka miedzi. Na obrazku po prawej stronie, przedstawiającego końcową fazę eksperymentu, parafina uległa stopieniu pod wpływem ciepła pochodzącego z kawałka miedzi, na którym leżała.
Źródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.

Podsumowanie

Parafina umieszczona na miedzianej płytce po pewnym czasie zaczyna się topić.
Stopniowe nagrzewanie się płytki przez jej zanurzenie w gorącej wodzie spowodowało topienie się parafiny. Oznacza to, że miedź, z której wykonana była płytka, przewodzi ciepło. Metale są dobrymi przewodnikami ciepła.

Badanie przewodnictwa elektrycznego metali

Doświadczenie 3

Problem badawczy

Czy metale przewodzą prąd elektryczny?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Metale przewodzą prąd elektryczny.
Metale nie przewodzą prądu elektrycznego.

Co będzie potrzebne

bateria,
żarówka,
drucik miedziany,
przewody elektryczne.

Instrukcja

Zmontuj z baterii, żarówki i przewodów elektrycznych zestaw do badania przewodzenia prądu elektrycznego.
Umieść miedziany drucik w układzie elektrycznym, zamykając w ten sposób jego obwód. Obserwuj, kiedy żarówka się zaświeci.

Podsumowanie

Po zamknięciu obwodu przez umieszczenie w nim miedzianego drucika żarówka zaświeciła się.
Miedź przewodzi prąd elektryczny. Metale są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego.

RhcAWltEFfCEm1

Źródło: Michał Szymczak, Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

R19BZ2mxBwbDh1

Źródło: Michał Szymczak, Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.

Właściwości metali
Metal (symbol)	Barwa	Połysk	Gęstość [kg/m³]	Temperatura topnienia [°C]	Temperatura wrzenia [°C]
cynk ( $Zn$ )	srebrzystobiała	metaliczny	7140	419	907
glin ( $Al$ )	srebrzystobiała	metaliczny	2700	660	2520
miedź ( $Cu$ )	srebrzystoróżowa (łososiowa)	metaliczny	8930	1085	2570
ołów ( $Pb$ )	srebrzystoszara	metaliczny	11340	327	1756
potas ( $K$ )	srebrzystobiała	metaliczny	860	63	757
rtęć ( $Hg$ )	srebrzystobiała	metaliczny	13534	−39	357
sód ( $Na$ )	srebrzystobiała	metaliczny	970	98	883
srebro ( $Ag$ )	srebrzystobiała	metaliczny	10500	962	2155
wapń ( $Ca$ )	srebrzystobiała	metaliczny	1550	842	1490
złoto ( $Au$ )	żółta	metaliczny	19280	1064	2856
żelazo ( $Fe$ )	srebrzystoszara	metaliczny	7870	1538	2861

Metale i ich zastosowanie
Nazwa metalu	Zastosowanie
lit	dodatek do lekkich stopów metali, stosowany w ogniwach litowych i akumulatorach
magnez	składnik związków wykorzystywanych do produkcji obudowy przedmiotów, elementów karoserii, składnik stopów o małej gęstości
glin	puszki, folia aluminiowa, składnik stopów o małej gęstości
miedź	przewody elektryczne, składnik stopów (m.in. mosiądz, brąz)
srebro	jubilerstwo, do produkcji luster i bombek choinkowych
rtęć	wypełnienia w stomatologii, baterie do telefonów, lampy jarzeniowe, termometry
wolfram	żarniki w żarówkach, składnik stopów

Ciekawostka

Region bogaty w żelazo
Pilbara to region w Australii cechujący się niewielkim zaludnieniem i dużym znaczeniem gospodarczym. Stąd pochodzi około 45% wydobywanej obecnie na świecie rudy żelaza. Zasoby te nadają tamtejszej glebie charakterystyczną (rdzawą) barwę, dobrze widoczną z dużej wysokości.

R13bBTjQp58Bq1

Zdjęcie kopalni żelaza — Pilbara – złoża żelaza i manganu

iHRxJuo0Jw_d5e571

3. Na czym polega proces korozji?

Polecenie 3

Zastanów się:

Czy znasz doświadczenie obrazujące zjawisko korozji? W jaki sposób można doświadczalnie zobrazować przebieg korozji? Czy wiesz, czym jest rdzardzardza?
Jakie znasz metody zapobiegania korozji? W jaki sposób chroni się metalowe części przed korozją?
Gdzie w najbliższym otoczeniu można zaobserwować zjawisko korozji?

KorozjakorozjaKorozja to proces niszczenia materiałów spowodowany działaniem powietrza, wody i innych czynników środowiska. Niszczenie rozpoczyna się na powierzchni metalu i postępuje w głąb, zmieniając jego właściwości. Najbardziej narażone na korozję są łączenia z innym metalem, np. miejsca spawania lub lutowania. Korozja żelaza i stali to rdzewienie.
Przedmioty wykonane z miedzi, jak np. pokrycia dachów zabytkowych budowli, z biegiem czasu pokrywają się zielonym nalotem, zwanym patynąpatynapatyną, który chroni miedź przed dalszym niszczeniem. Proces ten nazywamy pasywacjąpasywacjapasywacją.

R1Em4VTh6yN1K1

Źródło: Marcin Sadomski, licencja: CC BY 3.0.

RMVEOK40ZT8jN1

Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Théo (https://commons.wikimedia.org), Roger McLassus (https://commons.wikimedia.org), Oxfordian Kissuth (https://commons.wikimedia.org), Rodney (https://commons.wikimedia.org), Stephan Brunker (https://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

iHRxJuo0Jw_d5e622

Podsumowanie

Pierwiastki chemiczne dzielimy na metale i niemetale.
Metale w temperaturze pokojowej charakteryzują się:
- stałym stanem skupienia (z wyjątkiem rtęci),
- srebrzystobiałą lub srebrzystoszarą barwą (z wyjątkiem złota, miedzi),
- połyskiem metalicznym,
- przewodnictwem cieplnym,
- przewodnictwem prądu elektrycznego,
- ciągliwością,
- tym, że są kowalne.

Praca domowa

Polecenie 4.1

Przygotuj infografikę ilustrującą właściwości i zastosowania trzech wybranych metali.

Polecenie 4.2

Wykonaj ulotkę reklamującą sposoby zapobiegania korozji.

Polecenie 4.3

Korzystając z różnych źródeł informacji wyjaśnij, na czym polega zjawisko zwane zarazą cynową.

Polecenie 4.4

Folia aluminiowa z jednej strony jest błyszcząca, a z drugiej – matowa. Błyszcząca strona chroni przed utratą ciepła (odbija je), podczas gdy matowa je przepuszcza (pochłania). Która strona folii (błyszcząca czy matowa) powinna przylegać do zawijanej gorącej potrawy, aby była ona ciepła jak najdłużej? Odpowiedź uzasadnij.

Polecenie 4.5

*Na podstawie książki Guziki Napoleona – jak 17 cząsteczek zmieniło historię lub innych źródeł informacji historycznych odpowiedz na pytania:
Czy klęskę armii Napoleona podczas wojny z Rosją w roku 1812 można wytłumaczyć kruszeniem się guzików przy mundurach? Co mogło spowodować tę niedogodność?

Dowiedz się więcej

iHRxJuo0Jw_d683t378

iHRxJuo0Jw_d5e856

Słowniczek

korozja

niszczenie materiałów (głównie żelaza) spowodowane wpływem czynników środowiska (wywołane jednoczesnym działaniem tlenu zawartego w powietrzu oraz wody, a nawet wilgoci); korozję przyspiesza obecność soli kamiennej

metale

substancje o metalicznym połysku, bardzo dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny

rdza

krucha, żółtobrunatna warstwa pokrywająca wyroby z żelaza i stali, powstaje w procesie ich korozji (rdzewienia)

patyna

cienka, zielonkawa, szczelnie przylegająca warstwa związków chemicznych powstająca w wyniku działania czynników atmosferycznych na miedź

pasywacja

proces powstania na powierzchni metalu cienkiej, szczelnie przylegającej warstewki związku (*np. glin jest pokryty tlenkiem glinu), która chroni metal przed korozją

iHRxJuo0Jw_d5e961

Zadania

Ćwiczenie 1

R1T6jPO1pPrnG1

Uzupełnij zdania. Wybierz właściwe określenia spośród podanych.

połysk, Nie, brom, złoto, złoto, rtęć, Słabo, srebro, brąz, rtęć, mat, Czasem, Dobrze, blask, cynk

W temperaturze pokojowej metale są substancjami stałymi. Wyjątek pod tym względem stanowi ............... Większość metali ma srebrzystobiałą lub srebrzystoszarą barwę. Wyjątkami są tylko .............. i miedź. Metale mają metaliczny ............... .............. przewodzą ciepło i prąd elektryczny.