Metale to rodzaj materiałów, które były używane przez człowieka od czasów starożytnych. Ta grupa substancji jest bardzo liczna, ale wszystkie mają wspólne właściwości fizyczne, które są powszechnie nazywane właściwościami metalicznymi.
Twardość między nimi jest powszechna, ale nie decydująca. Bardziej szczegółowe są inne, które posiada najdelikatniejszy metal. Właściwości te są determinowane przez specyfikę ich struktury na poziomie molekularnym.
Właściwości metali
Żelazo i jego stopy (stal, żeliwo), miedź, aluminium… Stosowanie tych materiałów oznaczało przełom w postępie naukowym i technologicznym na różnych etapach rozwoju cywilizacji. Każdy z tych metali posiada właściwości, które nadają mu wyjątkową wartość praktyczną. Cechami wspólnymi dla nich są wysoka przewodność cieplna i elektryczna, plastyczność – zdolność do zachowania integralności podczas odkształcania, metaliczny połysk.
Adamaszkowe ostrze, które przecina żelazną zbroję i najdelikatniejszy metal, na którym pozostają ślady po najmniejszym uderzeniu, ma podobną strukturę wewnętrzną. Opiera się na sieci krystalicznej, w której węzłach znajdują się atomy oładunek dodatni i obojętny, pomiędzy którymi znajduje się „gaz elektronowy” – cząstki, które opuściły zewnętrzne powłoki atomów na skutek osłabienia wiązania z jądrem. Specjalne wiązanie metaliczne między jonami dodatnimi znajdującymi się w węzłach sieci krystalicznej powstaje dzięki siłom przyciągania, które powstają w „gazu elektronowym”. Twardość, gęstość, temperatura topnienia metalu zależą od stężenia tego „gazu”.
Kryteria oceny
Odpowiedź na pytanie, który metal jest najbardziej miękki, zawsze będzie przedmiotem dyskusji, chyba że zostaną uzgodnione kryteria oceny i zdefiniowana jest sama koncepcja miękkości. Opinia o tej charakterystyce materiału będzie inna dla specjalistów z różnych branż. Metalurg może rozumieć miękkość jako zwiększoną ciągliwość, skłonność do przyjmowania odkształceń od materiałów ściernych itp.
Dla naukowców zajmujących się materiałami ważne jest, aby móc obiektywnie porównać różne właściwości substancji. Miękkość powinna mieć również ogólnie przyjęte kryteria oceny. Najmiększy metal na świecie powinien mieć ogólnie uznane wskaźniki świadczące o jego „rekordowych” właściwościach. Istnieje kilka metod, które mają na celu pomiar miękkości różnych materiałów.
Metody pomiarowe
Większość certyfikowanych metod pomiaru twardości opiera się na działaniu kontaktowym na badanym materiale, mierzonym precyzyjnymi przyrządami, z twardszym korpusem zwanym wgłębnikiem. W zależności od rodzaju wgłębnika i metody pomiaru, istnieje kilka głównychmetody:
- Metoda Brinella. Określa się średnicę odcisku pozostawionego przez metalową kulkę po wciśnięciu w powierzchnię substancji badanej.
- Metoda Rockwella. Mierzy się głębokość wgłębienia w powierzchnię kuli lub stożka diamentowego.
- Metoda Vickersa. Określa się obszar odcisku pozostawionego przez diamentową piramidę czworościenną.
- Twardość Shore'a. Istnieją skale do bardzo twardych i bardzo miękkich materiałów - mierzy się głębokość zanurzenia specjalnej igły lub wysokość odbicia od powierzchni specjalnego bijaka.
Skala twardości Mohsa
Ta skala do określania względnej twardości minerałów i metali została zaproponowana na początku XIX wieku przez Niemca Friedricha Moosa. Opiera się na metodzie drapania, w której twardsza próbka pozostawia ślad na bardziej miękkiej i jest bardzo wygodna do określenia, który metal jest najbardziej miękki. W stosunku do 10 minerałów odniesienia, którym przypisano warunkowy wskaźnik twardości, dla badanej substancji wyznacza się miejsce na skali oraz wskaźnik cyfrowy. Najdelikatniejszym minerałem odniesienia jest talk. Ma twardość Mohsa 1, a najtwardszy diament ma 10.
Ocena twardości w skali Mohsa opiera się na zasadzie „miększe – twardsze”. Można dokładnie określić, ile razy np. aluminium, które ma wskaźnik w skali Mohsa 2,75, jest bardziej miękkie niż wolfram (6,0), tylko przy wynikach pomiarów opartych na innych metodach. Ale aby określić najbardziej miękki metal w układzie okresowym, wystarczy ta tabela.
Najdelikatniejsze są metale alkaliczne
Z skali mineralogicznej Mohsa widać, że najdelikatniejsze są substancje związane z metalami alkalicznymi. Nawet rtęć, znana wielu z cieczy z termometru, ma wskaźnik twardości 1,5. Bardziej miękkie niż kilka substancji o podobnych właściwościach fizycznych, mechanicznych i chemicznych: lit (0,6 w skali Mohsa), sód (0,5), potas (0, 4), rubid (0, 3). Najdelikatniejszym metalem jest cez, którego twardość w skali Mohsa wynosi 0,2.
Właściwości fizyczne i chemiczne metali alkalicznych są określone przez ich konfigurację elektroniczną. Różni się tylko nieznacznie od budowy gazów obojętnych. Elektron znajdujący się na zewnętrznym poziomie energetycznym ma ruchliwość, co warunkuje wysoką aktywność chemiczną. Najmiększe metale charakteryzują się szczególną lotnością, są trudne do wydobycia i zachowania w niezmienionej postaci. Mają gwałtowne interakcje chemiczne z powietrzem, wodą, tlenem.
Pozycja 55
Nazwa „cez” pochodzi od łacińskiego cezjusza – „błękitny”: w widmie emitowanym przez bardzo gorącą substancję w zakresie podczerwieni widoczne są dwa jasne niebieskie paski. W czystej postaci dobrze odbija światło, wygląda jak jasne złoto i ma srebrzystożółty kolor. Cez jest najdelikatniejszym metalem na świecie, o wskaźniku twardości Brinella 0,15 MN/m2 (0,015 kgf/cm2). Temperatura topnienia: +28,5°C, więc w normalnych warunkach, w temperaturze pokojowej, cez jest w stanie półpłynnym.
To rzadkiedrogi i niezwykle reaktywny metal. W elektronice, radiotechnice i zaawansowanych technologicznie przemyśle chemicznym cez i oparte na nim stopy są coraz częściej wykorzystywane, a zapotrzebowanie na niego stale rośnie. Jego aktywność chemiczna, zdolność do tworzenia związków o najwyższej przewodności elektrycznej są pożądane. Cez jest ważnym składnikiem w produkcji specjalnych urządzeń optycznych, lamp o unikalnych właściwościach oraz innych produktów high-tech. Jednocześnie miękkość nie jest najbardziej pożądaną cechą.
