חומרים מתכתיים

התרגול בסוף הדף

מהם חומרים מתכתיים? מהו הסריג המתכתי?

חומרים מתכתיים הם חומרים המורכבים ממתכות בלבד. אטומי המתכות יוצרים סריג יחסית חזק ולכן יש מתכות עם נקודת ההתכה של אלפי מעלות צלזיוס.
אטומי המתכת משתפים את אלקטרוני הערכיות שלהם עם כל שאר אטומי הסריג וכך מצליחים ליצור סריג ייחודי בעל כוחות משיכה חזקים בין החלקיקים המרכיבים אותו.
ניתן לתאר את הסריג המתכתי בצורה ציורית הבאה: סריג של יונים חיובים ב-“ים של אלקטרונים”.
הכוונה היא: אטומי המתכת המוסרים את אלקטרוני הערכיות שלהם לכלל אטומי הסריג הופכים ליונים חיוביים. האלקטרונים המשותפים בכל הסריג מסתובבים במהירות עצומה ביון כל היונים החיוביים, מושכים את היונים החיובים אחד כלפי השני וכך הם מחזיקים את היונים החיובים ביחד ומונעים מהם לדחות אחד את השני.

הקשר הכימי מסוג זה נקרא קשר מתכתי והגביש הנוצר הוא הסריג המתכתי.
בציור משמאל מוצג תיאור ברמה המיקרוסקופית של הסריג המתכתי של היסוד נתרן בעזרת מודלים

מודל הסריג המתכתי של נתרן
מודל הסריג המתכתי - נתרן

האלקטרונים חופשיים לנוע באורביטלים סביב כל אטומי הגביש

סרטון על הסריג המתכתי

תכונות של חומרים מתכתיים

מהם מצבי הצבירה של חומרים מתכתיים בטמפרטורת החדר?

חומרים מתכתיים הם מוצקים בטמפרטורת החדר חוץ מכספית שהוא נוזל
נק’ ההתכה נע בין עשרות מעלות צלזיוס לאלפי מעלות צלזיוס.
הסיבה לכך היא שהקשרים המתכתיים הם יחסית חזקים מכיוון שמדובר בקשרים  בין מטענים שלמים: מטען יוני המתכות ומטעני האלקטרונים שביניהם.
להלן תיאור תהליך ההתכה של ברזל ברמת הסמל (האות היוונית דלטא מעל החץ מסמל הוספת אנרגיה למערכת בצורה של חימום):

למה מתכות מוליכות חשמל? מהם אלקטרונים חופשיים?

חומרים מתכתיים מולכים חשמל הן במצב מוצק הן במצב נוזל. לחומרים המתכתיים יש אלקטרונים חופשיים המסוגלים לנוע בחופשיות בכל אזורי הגביש המתכתי. מטענים ניידים אלה אחראיים על ההולכה החשמלית של המתכות.

האלקטרונים המשותפים לכלל אטומי הסריג, יכולים לנוע בחופשיות באורביטלים המתפרשים על כל נפח הגביש. אלקטרונים אלה נקראים אלקטרונים חופשיים.

למה מתכות יכולות לעבור ריקוע?

חומרים מתכתיים יכולים לעבור ריקוע, כלומר, בהפעלת לחץ על אזור מסוים של הגביש, החומר יכול לשנות את הצורה שלו מבלי להישבר, להיסדק או להתפורר.
הסיבה לכך היא שהשינוי בגביש הנגרם מהפעלת לחץ לא משנה את מבנה החומר ולכן כוחות המשיכה בין אלקטרונים החופשיים ליונים החיוביים נשמר בצורה החדשה ואין נתק בין אטומי הגביש. נתן לראות מודל של סריג נתרן לאחר הפעלת לחץ בתיור מצד שמאל.

בסרטון מצד שמאל מתוארים כל התכונות הנ”ל בעזרת סימולציות ברמה המיקרוסקופית.

תהליך התכה של ברזל ברמת הסמל
תהליך התכת ברזל ברמת הסמל
סרטון על תכונות של חומרים מתכתיים
מודל של סריג של נתרן לאחר הפעלת לחץ
ריקוע של מתכות

מהן סגסוגות?

סגסוגות הן תערובות של מתכות. לרוב הן תערובות הומוגניות כלומר לא ניתן להבדיל בין המתכות השונות אפילו תחת המיקרוסקופ.
יש דוגמאות רבות של סגסוגות כגון: פליז (נחושת עם אבץ), ארד (נחושת עם מתעות אחרות כגון בדיל, עופרת,אלומיניום ועוד), פלדת אל חלד (ברזל עם כרום ופחמן).

בציור בצד שמאל, מתואר מודל של סריג הפלדה.

לרוב, סגסוגות בעלות תכונות שונות מהמתכות מהן הן עשויות: הן חזקות יותר ובעלות מוליכות חשמלית נמוכה יותר.

בסרטון המצורף מתואר מודלים, הרכב ותכנות של סגסוגות.

מודל של פלדה
מודל של פלדה
סרטון על סגסוגות

 

  1. הסיבה שמתכות מוליכות חשמל במצב מוצק היא:

א. במבנה של הגביש יש אלקטרונים לא קשורים לאטומים המסוגלים לנוע בחופשיות
ב. במבנה של הגביש יש יונים חיובים המסוגלים לנוע בחופשיות
ג. במבנה של הגביש יש יונים חיובים ושליליים המסוגלים לנוע בחופשיות
ד. תחת מתח חשמלי יש מעבר של אלקטרונים קשורים מאטום אחד לשכנו

2. מושג אלקטרון חופשי טוען ש…

א. האלקטרון יכול להימצא בכל רמת אנרגיה אפשרית באטום המתכת
ב. האלקטרון יכול לקבל רק ערכים מוגדרים של אנרגיה
ג. האלקטרון יכול לנוע בחופשיות כל כיוון בגביש
ד. האלקטרון נקשר לאטומי הגביש באופן אקראי

3. המודל המתאר בצורה הכי טובה את מבנה המתכות במצב המוצק הוא:

א. יונים חיובים ושליליים הנעים בחופשיות בגביש
ב. גרעינים של מתכות (חיוביים) מוקפות ב-“ים של אלקטרונים”
ג. יונים שליליים בעלי אלקטרוני ערכיות חופשיים לנוע בגביש
ד. יונים חיוביים מוקפים באלקטרוניים החופשיים לנוע בגביש


4. הכוחות המחזיקים את אטומי המתכות ביחד הם:

א. כוחות משיכה חזקים עד בינוניים הנובעים ממטענים חלקיים הפוכים הנוצרים בין האלקטרונים חופשיים וגלעיני המתכת (היונים החיוביים)
ב. כוחות משיכה בין מטענים הפוכים של האלקטרונים החופשיים והגלעינים של אטומי המתכת
ג. כוחות דחייה בין גלעיני המתכות ובין האלקטרונים החופשיים
ד. כוחות משיכה בין יונים חיובים ושליליים הנוצרים לסירוגין על ידי מעבר אלקטרונים בין אטומי המתכת

5. הסיבה שמתכות יכולות לעבור ריקוע היא:

א. המבנה לא משתנה כתוצאה מתזוזה של שורות סמוכות בגביש
ב. לא נוצרים סדקים כי האלקטרונים החופשיים נעים בחופשיות ומחזיקים יחד את גלעיני האטומים
ג. האלקטרונים החופשיים נעים כל כך מהר בין גלעיני האטומים שמונעים מהם ניתוק הקשרים בזמן הפעלת לחץ על המתכת
ד. כל התשובות נכונות

6. מתכות אינן מתמוססות במים מכיוון ש…

א. אינטראקציות ואן דר ואלס בין האטומים חזקים מאוד
ב. אינן יוצרות קשרי מימן עם המים
ג. מולקולות המים אינן יוצרות קשרים חזקים עם אטומי פני השטח של המתכת
ד. המים מגיבים עם פני שטח המתכת ויוצרות שכבת חומר יוני קשה תמס

7. לרוב, סגסוגות קשות יותר מהמתכות המרכיבות אותן. הסיבה היא…

א. יש גידול במספר האלקטרונים המחזיקים יחד את גלעיני הגביש
ב. המתכות השונות מגיבות ביניהן ויוצרות חומר יוני בעל גביש קשה מאד
ג. האלקטרונים נעים מהר יותר ומצליחים למנוע תנודות הגלעינים
ד. גודל השונה של הגלעינים גורם לשכבות הגביש להיתקע בתזוזה בזמן הפעלת הלחץ חיצוני (כגון ריקוע)

8.מהו ההיגד הנכון

א. כל המתכות במצב מוצק בטמפרטורת החדר
ב. מתכות מוליכות חשמל מצוינות במצב מוצק אך גרועות במצב נוזל
ג. מתכות יכולות ליצור יונים חיוביים ושליליים בטבע
ד. מתכות אלקליות מגיבות עם מים והופכות ליונים 

9. ציירו מודל גביש של מתכת אופיינית ותסבירו במילים שלכם את עובדות הבאות:

א. מתכות מוליכות חשמל טוב במצב מוצק ובמצב נוזל
ב. מתכות יכולות לעבור ריקוע
ג. נקודת ההתכה של מתכות גבוהות ויכולה להגיע למאות ועד אלפי מעלות צלזיוס

10. נסחו את תהליך ההתכה של המתכות הבאות: נחושת זהב וניקל.