מתכות- רקע כללי

 

 

המתכות הן שם כולל לקבוצה גדולה מאד של חומרים בעלי מאפיינים פיסיקאליים וכימיים דומים. את היסודות בטבלה המחזורית מחלקים לשתי קבוצות עיקריות מתכות ואל-מתכות.  מרבית היסודות שייכים לקבוצת המתכות ( כ- 75% מכלל היסודות הן מתכות).   המתכות הנפוצות ביותר הן ברזל (Fe), אלומיניום(Al), סידן(Ca), נתרן(Na), אשלגן(K) ומגנזיום(Mg).  המתכות תופסות תפקיד חשוב בכל תחומי החיים.  חפצים רבים העשויים מתכות, או תערובות של מספר מתכות מוכרים מחיי היום-יום ( סירי אלומיניום במטבח, תכשיטים העשויים כסף או זהב, תיילי הנחושת שבמערכות החשמל, כלי רכב, ועוד).  המתכות היו ידועות לאדם עוד בימים הקדמונים.  מהם היה האדם הקדמון עושה לו קישוטים, קמיעות, כלים ונשק.    על שם מתכות אחדות נקראות התקופות ההיסטוריות בחיי המין האנושי:  תקופת הברונזה החלה כ- 4500 שנים לפני הספירה בה השתמש האדם במסג הנחושת והבדיל.   ותקופת הברזל בה השתמש האדם בברזל לבניית כליו ונשקו.

 

תכונות המתכות

 תכונות פיסיקליות:

מצב צבירה:     בטמפרטורת החדר (C 25 ) נמצאות המתכות במצב מוצק  פרט לכספית(Hg) שהיא נוזל. נקודת ההיתוך של מרביתן היא גבוהה.

מוליכות חשמלית: המתכות מוליכות היטב זרם חשמלי הן במצב מוצק והן במצב נוזלי.  הכסף(Ag)  הוא הטוב שבמוליכים החשמליים.

מוליכות חום:    המתכות מוליכות חום בצורה טובה.  מוליך החום הטוב בין המתכות הוא הכסף.

צפיפות:          למרבית המתכות צפיפות גבוהה מהמים. לליתיום, אשלגן ונתרן צפיפות נמוכה מהמים ולכן הן נקראות " מתכות קלות"  שאר המתכות נקראות "מתכות כבדות".  המתכת הכבדה ביותר היא אוסמיום בעלת צפיפות של 22.5 סמ"ק/גרם.

ברק:             למתכות ברק אופייני  הנקרא "ברק מתכתי" למרות זאת אין להם צבע זהה, לרובן גוון כסוף, אך לאחדות מהן גוון זהוב ( כמו לזהב) או כתום ( כמו נחושת)

.

תכונות מכניות:

קשיות:   מתכות הן על-פי-רוב מוצקים קשים למדי.  הכללה זו נכונה בעיקר שדנים במתכות המשמשות בחיי היום-יום( ברזל, אלומיניום, נחושת ועוד), אך אינה מדויקת כלל כאשר דנים ביסודות מתכתיים אחרים.  כל המתכות האלקליות לדוגמא הליתיום האשלגן והנתרן הם חומרים רכים ביותר הניתנים לשריטה בציפורן האצבע.

רקיעות:   מרבית המתכות ניתנות לריקוע.   אפשר לרקע את המתכות לפחים דקים.  המתכת הרקיעה ביותר היא זהב(Au) את הזהב ניתן לרקע עד לעובי של 0.0001 מ"מ.

כפיפות:   ניתן לכופף מוטות, פחים וחוטים של מרבית המתכות מבלי שיישברו.

גמישות:  למתכות אחדות גמישות ניכרת, ניתן לשנות את צורתן בהפעלת כוח- לכופף אותן או לפתל אותן אך הן שבות לצורתן המקורית עם סילוקו של הכוח המופעל עליהן.

משיכות: ממרבית המתכות ניתן למתוח חוטים.  מן המתכת פלטינה(Pt) ניתן לייצר חוטים שעוביים 0.00005 מ"מ.מ- ק"ג אחד של זהב ניתן לקבל חוט תיל דק באורך 2000 ק"מ.

 

 

 

מבנה המתכות

המודל , כלומר הדימוי המחשבתי"  המקובל היום להסבר הקשר המתכתי הוא של שכבת אטומים אשר מוסרים את אלקטרוני הערכיות שלהם לטובת "מאגר משותף" ונותרים כיונים חיוביים.  אלקטרוני הערכיות נעים באופן חופשי, ובלתי מכוון כענן סביב היונים החיוביים מבטלים את הדחייה החשמלית שבין היונים החיוביים וקושרים אותם יחד לגוף מוצק.  מודל זה מכוונה "מודל ים האלקטרונים" כדורים חיוביים המוקפים ב "ים אלקטרונים"  שלילים המשמש כ"דבק" המחבר את היונים ( ראה איור 2).  בעזרת מודל זה ניתן להסביר את תכונותיהם השונות של המתכות:  בשל המשיכה החשמלית החזקה  בין היונים החיובים והאלקטרונים  נמצאות מרבית המתכות, בטמפרטורת החדר, במצב צבירה מוצק.  המוליכות החשמלית והחומנית של המתכות היא הודות לניידות האלקטרונים.  אם מפעילים כוח חיצוני על מתכת, עשויים היונים החיוביים להחליף את מקומם עם יונים חיוביים אחרים.  תזוזה זו אומנם תגרום לשינוי מבנה המתכת אולם האלקטרונים השלילים ימשיכו "להדביק" גם את הסידור החדש.  זו הסיבה שניתן לרקע ולעבד מתכות.

 

 

 

 

 

 

 

איור 2:  מבנה המתכת

 

 

 

 

 

מסגים-סגסוגות

 

מרבית המתכות המשמשות אותנו בחיי היום-יום אינן מתכות טהורות אלא תערובות של מספר מתכות או תערובת של מתכת נתונה עם אל-מתכת כדוגמת הפחמן.  לחומרים אלו הקרויים מסגים או סגסוגות תכונות השונות מן התכונות של כל אחד מן החומרים שבהן והן מאפשרות לכימאי לקבל חומרים המתאימים למטרה נתונה. להלן מספר דוגמאות למסגים שימושים:

·       פלדה: המסג הנפוץ ביותר בשימוש הוא הפלדה.  הפלדה הוא מסג של ברזל עם יסודות שונים.  קיימים סוגים רבים של פלדות, בהתאם לחומרים שמוסיפים לברזל.  פלדת אל-חלד ( "נירוסטה") היא מסג של ברזל עם ניקל וכרום.  פלדה זו קשה יותר מן הברזל, נמשכת למגנט ואינה מחלידה מסג זה משמש, בין השאר, לייצור כלי מטבח שונים.  כאשר מוסיפים לברזל מנגן מתקבלת פלדה בעלת תכונות קשיות מיוחדות, המשמשת לשיניים של דחפור.

·       ארד ( ברונזה): הארד, הוא מסג של נחושת ובדיל.  זהו המסג הראשון שהשתמש בו האדם.  בברונזה, כמו גם במסגים אחרים ניתן לקבל ברונזות שונות בהתאם לכמות הבדיל המוספת לנחושת. הברונזה משמשת לייצור פעמונים, מסבי מכוניות, גלגלי שיניים ועוד.

·       פליז: הפליז הוא מסג של נחושת ואבץ.  הפליז מכונה "זהב לשוטים" מאחר וצבעו מזכיר את צבע הזהב.

·       תכשיטי זהב:  זהב טהור אינו מתאים להכנת תכשיטים מאחר שהוא חומר רך ולכן לא ישמור על צורתו לאורך ימים.  לכן נהוג לערבב בזהב מתכות נוספות כדוגמת כסף ונחושת לקבלת מסגים קשים יותר מן הזהב אך בעלי הצבע והברק של הזהב.  ההרכב של מסגי הזהב מבוטא, מסיבות היסטוריות, כמספר החלקיקים של זהב בתוך 24 חלקים של המסג.  היחס הזה קרוי קאראט. זהב טהור הוא זהב של 24 קאראט.  מסג המכיל 75% זהב הוא  ו- 25% נחושת, הוא זהב של 18 קאראט וכך הלאה.

 

הפקת מתכות

בטבע מופיעות המתכות במינרלים שונים.  המינרלים הם חומרים אורגנים טבעיים בעלי הרכב כימי מוגדר וקבוע ובעל מבנה גבישי מוגדר.  המינרלים הם הבונים את סלעי כדור-הארץ ואת קרקעותיו ומרביתם מכילים מתכות בתרכובת זו או אחרת.  מינרלים כאלו המכילים מתכות וחומרים אחרים קרויים- עפרות מתכת.  אולם, לא כל מינרל המכיל מתכת בהרכבו יכול להיות מקור להפקתה של מתכת.  על מנת שיהיה ניתן להפיק מתכת ממינרל צריכה להופיע המתכת בתרכובת שניתן לפרקה בקלות.  האלומיניום למשל מופיע בשפע של מינרלים כמו מינרלי החרסית הנפוצים מאד על-פני כדה"א אולם , במינרלי החרסית קשור האלומינים בתרכובות קשות לפירוק כימי, ועל כן לא ניתן להפיק אלומיניום בצורה מסחרית ממינרלי-חרסית.  רוב המינרלים המהווים מקור להפקת מתכות מורכבים מתחמוצות של מתכות או מתרכובות של מתכות עם גופרית.  מתכות בודדות כדוגמת הפלטינה והזהב מופיעות בטבע בצורתן הטהורה , במקרה כזה מכילה עופרת המתכת את המתכת המבוקשת בלבד ואז די בהפרדה פיסיקלית פשוטה על מנת לקבל את גרגירי המתכת מתוך העפרה.

תהליכי ההפקה של המתכות מן העפרות רבים ומגוונים.  בתהליך ההפקה מפרקים את התרכובת שבה מופיעה המתכת ומתקבלת המתכת עצמה.  תהליך ההפקה הנפוץ ביותר הוא הצריפה.  בתהליך זה מחממים את עופרת המתכת עם חומרים נוספים בעיקר גיר ופחם עד לקבלת המתכת הרצויה.  ניתן להפיק את המתכת מהעפרה גם על-ידי העברת זרם חשמלי דרך התרכובת- תהליך המכונה אלקטרוליזה וגם על-ידי תהליכים כימיים שונים.

 

 

עיבוד המתכות

 

המתכות ניתנות לעיבוד בדרכים רבות ומגוונות.  צורת עיבוד המתכת נקבעת לפי צורת המוצר המבוקש, תכונותיו המכניות והדיוק הדרוש לפעולתו:

 יציקה:  היציקה היא צורת עיצוב עתיקה מאד המקובלת במתכות עד היום.  בתהליך זה מחממים את המתכת ולאחר מכן יוצקים אותה כנוזל לתבנית.  לאחר הקירור מופרדת התבנית ומתקבלת הצורה הרצויה.

סנטור:  תהליך הסנטור מבוסס על חימום ודחיסה של אבקות מתכתיות.  הסנטור מאפשר לערבב אבקות מחומרים שונים ולקבל חומר בעל קשיות גבוהה ביותר העומד בטמפרטורות גבוהות.  בעזרת סנטור ניתן לייצר סכיני גילוח.

ערגול:  שיטה לעיצוב מוטות או פסים תוך כדי הפחתת עובי החומר וקבלת הצורה הרצויה בעזרת גלגליות.

משיכה:  שיטת המשיכה משמשת לעיצוב תייילים ומוטות.  המוט שנוצר מושחל דרך חור ונמשך לאורך הרצוי.

ריתוך:  חיבור חלקי מתכות על-ידי התכתם.  במהלך הריתוך מצמידים את חלקי המתכת זה לזה, מחממים את שטח המגע לטמפרטורה גבוהה עד שהמתכות ניתכות באותו מקום.  כאשר המתכות מתקררות הופכים החלקים לגוש מוצק אחד.

עיבוד שבבי:  כל תהליך עיבוד אשר במהלכו מסירים שבבים מגוש המתכת נקרא עיבוד שבבי.  לא כל המתכות נוחות לעיבוד שבבי.  עופרת למשל, אינה נוחה לעיבוד כזה מאחר והיא יוצרת שבבים גדולים מאד.  הפליז, לעומת זאת, יוצר שבבים קטנים ועדינים ולכן הו נוח לעיבוד שבבי.   תהליך זה משמש להתאמתם המדויקת של חלקים המתקבלים בכל תהליכי העיבוד.

השחזה וליטוש:  שיטות אלו משמשות לעיבוד מתכות קשות להשגת גמר עיבוד נקי ביותר.