Saf maddeler, elementler ve bileşikler olmak üzere iki gruba ayrı¬labilir. Bileşikler belirli bileşimde maddeler olup kimyasal değişmelerle bozulur. İki veya daha çok basit maddeye ayrılabilir. Farklı özeliklerde maddelere ayrılamayan saf maddelere ise elementler, ya da basit mad¬deler denir. Doğada 89 element vardır. Laboratuarlarda bugüne değin yapılmış olanlarla bu sayı 105'e çıkmıştır. Bunlar katı, sıvı ve gaz ha¬linde olabilirler. Doğada bulunan 89 elementin 15'i oda sıcaklığında gaz, 2'si sıvı (brom ve cıva), geri kalan 72 element ise katıdır.
Günümüzde elementlerin sınıflandırılması temelde iletkenliklerine dayandırılmaktadır. Buna göre metaller ısı ve elektriği iyi iletirler, ame¬taller ise normal koşullarda iletken değildirler. Bir kısım elementler ise ısı ve elektriği bir miktar iletirler, ancak iletkenlikleri metallerin tersi¬ne sıcaklıkla artar. Bunlara yarı metaller denir.
Metaller, metalik bağlı kristaller oluştururlar, koordinasyon sayılan yüksektir. (8 veya 12) Metal atomlarının en dış elektronları (değerlik elektronları) ametallerde olduğu gibi Kovalent bağ yapmak üzere çiftlenmezler. Katı hal¬deki bir metalde atomlar birbirine çok yakın olduğundan, bir atomun de¬ğerlik elektronları diğer atomların etki alanına girer.
Yarı metallerde dolu ve boş molekül bantları arasındaki enerji farkı oldukça küçüktür ve bir miktar iletkenlik vardır. Bu iletkenlik elektron¬ların enerjisini artıran bir dış etki ile (ışık veya ısı) artırılabilir. Bun¬lar tabaka yapısında veya uzun zincirler halinde büyük moleküller oluş¬tururlar. Koordinasyon sayıları oldukça küçüktür (4 veya 4 ten az). Me¬tallerde ise molekül bantları kısmen dolu olup elektronların serbestçe hareketi sonucu iletkenlik fazladır.
Birkaçı dışında oda sıcaklığında hepsi katı halde bulunan metaller kristal denilen belirli geometrik şekiller oluştururlar.
KRİSTAL YAPI
Kristaller, düzlem yüzeylerin kristale özgü belirli açılar altında bir¬leşmesiyle oluşur. Kristal katılar üzerinde yapılan çalışmalar kristal ör¬güyü oluşturan atom, molekül veya iyonların uzayda bütün örgü boyun¬ca düzenli olarak tekrarlandığını göstermektedir. Bir kristal örgünün, kristalin bütün özelliklerini taşıyan en küçük parçasına birim hücre denir.
Birim hücrede atom sayısı ve koordinasyon sayısının çeşitli şekillerde bulunması ile çeşitli türlerde kristal yapılar oluşur. Bunlara örnek olarak Basit Küp, Hacim Merkezli Küp, Yüzey Merkezli Küp gösterilebilir.
Metal kristallerinde tekrarlanan birimler artı yüklü iyonlardır. Değerlik elektronları yalnız kendi atom çekirdeklerinin değil bütün komşu çekirdeklerinin etkisi altında bulunur. Her yöne doğru hareket edebilir. Bu nedenle metal kristallerinin bir elektron denizi için¬de düzenli bir şekilde yerleşmiş artı yüklü iyonlardan oluştuğu söylene¬bilir. Kolaylıkla akabilen elektron denizi metale elektriksel iletkenlik ka¬zandırır. Artı yüklü iyonlar elektriksel yük dengesini bozmadan yer de¬ğiştirebildiklerinden metaller tel ve levha haline getirilebilirler ve yu¬muşaktırlar. Mekanik bir kuvvetin etkisi altında yeni metalik bağlar oluşacağından metalin özellikleri değişmez.
Metallerin birçoğunda iyon-elektron denizi etkileşiminden başka ar¬tı yüklü iyonlar arasında kovalent bağlar (elektron ortaklaşması) da olu¬şur. Böyle metaller serttirler. Demir ve tungsten buna örnek olarak ve¬rilebilir.
MANYETİK ÖZELLİK
Maddeler manyetik özelliklerine göre üç gruba ayrılabilir. Genellikle manyetik alandan kaçan, dış manyetik alan tarafından itilen maddelere diyamanyetik, manyetik alana doğru çekilen maddelere de paramanyetik maddeler denir. Ayrıca demir, kobalt, nikel ve bunların ala¬şımları, Fe3O4 bazı bakır-mangan alaşımları gibi maddeler paramanyetik maddelerden en az bin kez daha fazla bir kuvvetle manyetik alana çekilirler. Bu tür maddelere de ferromanyetik maddeler denir.
Manyetik özellik, elektronların kendi ekseni çevresindeki hareket¬leri (spinleri) ile ilişkilidir. Elektronları eşleşmiş olan atomlar manye¬tik özellik göstermezler. Çünkü bunlarda eşlenmiş elektronlar birbirine karşıt yönde döneceğinden manyetik alanları birbirini yok eder. Sonuç¬ta madde diyamanyetik özellikte olur.
Eşlenmemiş bir tek elektronu bulunan maddeler zayıf bir manye¬tik etki gösterirler. Eşlenmemiş elektron sayısı arttıkça manyetik özel¬lik artar. Bir elementin ferromanyetik olması için aşağıda¬ki koşulları sağlaması gerekir.
1)Tam dolu olmayan d ve f yörüngeçlerine sahip olmalıdır.
2)Kristal örgüde atomlar birbirine çok yakın olmamalıdır. Aksi durumda, birbirine komşu atomlardaki tek elektronlar etkileşerek zıt yönde dönme kazanır ve böylece elektron eşlenmesi yaparak etkilerini yok ederler.
3)Atomlar kristalde birbirinden çok uzakta olmamalıdır. Aksi halde bir atomdaki eşlenmemiş elektronlar komşu atomlardaki elektronlar¬la etkileşip aynı bir doğrultuda düzenlenemezler.
METALLERİN AKTİFLİK SIRASI
Bilindiği gibi metaller elektron vererek bileşik yaparlar, yani elek¬tropozitiftirler. Ancak, elektron verme eğilimleri birbirinden farklıdır. Metaller elektron verme yatkınlıklarına yani yükseltgenme potansiyel¬lerinin azalışına göre sıralanırsa aktiflik sırası elde edilir. Metallerin en aktifi potasyum, en az aktifi ise altındır. Genellikle bir metal, sırada kendisinden aşağıda bulunan herhangi bir metali bileşik¬lerinden açığa çıkarır. Metallerin oksijen, kükürt ve halojenlerle tepkimeye girme eğilimi aşağıya doğru inildikçe azalır. Aynı şekilde bileşiklerin oluşması ve ka¬rarlılığı da aşağıya inildikçe azalır.
METALLERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
a) Metallerin fiziksel özelliklerinden en önemlileri şu şekilde sıralanabilirler.
b) Isıyı ve elektriği iyi iletirler.
c) Dövülüp şekil verilebilir, tel ve levha haline getirilebilirler.
d) Işığı geçirmezler fakat metalik parlaklık gösterirler.
e) Yoğunlukları fazladır.
f) Oda sıcaklığında çoğu katıdır. (civa sıvıdır)
g) Bir kısmı paramanyetik özelliktedir.
h) Vurma ve çekmeye dayanıklıdırlar.
METALLERİN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ
a) Metallerin en önemli kimyasal özellikleri şu şekilde sıralanabilir.
b) Metal atomlarının en dış yörüngelerinde az sayıda (en çok 4) elektron bulunur ve bunlar serbest elektronlardır.
c) iyonlaşma potansiyelleri düşüktür, yani değerlik elektronlarını kolaylıkla verirler.
d) İyi indirgendirler.
e) Hidroksitleri bazik veya amfoterik özellik gösterir.
f) Elektropozitiftirler, yani oksitlenme sayıları pozitiftir.
METALLERİN SINIFLANDIRILMASI
Metalleri sınıflandırmak için, periyodik çizelgeyi kullanmak yararlı olacaktır. Buna göre metaller; geçiş öncesi metalleri, geçiş metalleri, B metalleri ve lantanid ve aktinitler olmak üzere dört ana sınıfa ayrılabliir.
GEÇİŞ ÖNCESİ METALLERİ
Grup IA ile grup IIA elementleriyle grup IIIA elementlerinden alü¬minyum, skandiyum ve yitriyum bu sınıfa girer. Bu metaller en dış yörüngeçlerindeki s elektronlarıyla da belirlenir. Bu nedenle onlara s bloğu elementleri de denir. Bu metaller en dış s elektronlarını kolaylıkla vererek soy gaz elektron dizilişinde olan iyonlarını oluşturur.
GEÇİŞ METALLERİ
Grup IIA ile grup IB arasında yer alan elementlerden oluşur. An¬cak skandiyum, yitriyum ve lantanyumda geçiş metali özelliği tam ola¬rak belirgin olmadığı gibi grup IB elementlerinde B metali özelliği de görülür. Bu metaller birçok yönleriyle aktinitlere benzerler. Bunlarda d yörüngeçleri bileşik yapmada önemli rol oynar. Bu nedenle bunlara genellikle d bloku elementleri de denir.
B METALLERİ
Bu sınıf grup IB elementlerinden ametallere kadar olan elementleri kapsar. Bu metaller ametallerle metaller arasında bir geçiş yaparlar. Bunların çoğu metallere özgü sık istiflenmiş örgü yapısı göstermez. Koor¬dinasyon sayılan 2,4 ve en çok 6 olur.
LANTANİD VE AKTİNİDLER
Lantanitler içteki 4f, aktinitler ise 5f yörüngeçlerinin doldurulma¬sıyla karakterize edilir. Bu nedenle bunlara f bloğu elementleri de de¬nir. Lantanidlerde +3 ve daha fazla değerlikli iyonlar kimyasal tepki¬melere karşı ilgisiz olarak kabul edilir. Aktinitlerde ise elektronlar kim¬yasal bağ yapmaya daha yatkındır.
METALLERİN DOĞADA BULUNUŞU
Hidrojenden daha az aktif olan metaller doğada çoğunlukla serbest halde bulunurlar. Bakır, gümüş gibi bazı metaller ise hem serbest halde hem de bileşikleri halinde bulunabilir. Beklenildiği gibi suda az çözünen metal bileşikleri yer kabuğunda, suda çok çözünenler ise deniz suyunda veya iç denizlerin buharlaşmasıyla oluşan geniş tuz yataklarında bulunur.
Yeryüzündeki metal ve metal bileşiklerinden oluşan, içlerindeki me¬tal ekonomik olarak elde edilebilen doğal maddelere maden veya maden cevheri denir. Serbest halde bulunan metallerin dışında maden cevher¬leri, metalin bağlı bulunduğu ametal veya asit köküne göre isimlendi¬rilir. Maden cevherleri aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir.
1. Basit cevherler: Altın, gümüş, platin, bakır, cıva, arsenik, anti¬mon, bizmut cevherleri gibi.
2. Oksit cevherleri: Demir, alüminyum, mangan, kalay oksit cev¬herleri gibi.
3. Sülfür cevherleri: Çinko, kadmiyum, cıva, bakır, kurşun, nikel, kobalt, gümüş, arsenik, antimon sülfür cevherleri gibi.
4. Karbonat cevherleri: Demir, kurşun, çinko, bakır, kalsiyum, baryum, stronsiyum, magnezyum karbonat cevherleri gibi.
5. Halojenür cevherleri: Potasyum, magnezyum, kalsiyum, gümüş halojenür cevherleri gibi.
6. Sülfat cevherleri: Kalsiyum, baryum, kurşun sülfat cevherleri gibi.
7. Silikatlar: Silikatların çoğu, içlerindeki metallerin elde edilme¬sindeki güçlük nedeniyle, çok önemli değildir. Berilyum, çinko ve nikel silikat cevherleri en önemlileridir.
Yer yüzünün geniş bir bölümünü kaplayan okyanuslar en büyük maden yatağı olarak bilinmektedir, örneğin bir ton deniz suyunda yak¬laşık 28 kg. sofra tuzu, 1.3 kg. magnezyum, 0.9 kg, kükürt, 0.4 kg. po¬tasyum, 0.6 kg. brom ve az miktarda stronsiyum, bor, flor, iyot, demir, bakır, kurşun, çinko, uranyum, gümüş, altın ve hatta radyum gibi rad¬yoaktif metaller bulunmaktadır.
Deniz suyundan elde edilen ilk mineral şüphesiz sofra tuzudur. De¬niz suyunun kabarma zamanında (met-cezir olayı) önü kesilerek buhar¬laşmaya bırakılırsa tuz, diğer katı maddelerle birlikte geride kalır. Bu tuz aşamalı (fraksiyonlu) kristallendirme ile saflandırılabilir ve birçok maddeler için, özellikle alkali ve klor endüstrisinde, ham madde olarak kullanılır. Deniz suyundan bugün magnezyum ve brom da elde edilmek¬tedir. Bunun yanı sıra altın, gümüş, potasyum ve özellikle uranyum elde edilmesi de olasıdır. Ancak bu elementlerin deniz suyundan elde edilmesi ekonomik olmadığından bazı dolaylı yöntemler uygulanır. Okyanuslar büyük çapta uranyum kaynağıdır. Uranyum ise bilin¬diği gibi kömür ve petrol kaynaklarının tükenmesinden sonra en önemli enerji kaynaklarından birisi olacaktır.
ALAŞIMLAR
Endüstriyel önemi olan maddelerden çoğu birden fazla türde atom veya moleküllerden oluşur, yani bunlar tek ögeli sistemler değildir. Örneğin çeliğin ana öğeleri demir ve karbon olup bunlardan başka elementler de bulunabilir.
Maddeyi oluşturan öğeler madde içinde denge halinde bile çeşitli şekillerde dağılım gösterirler. Bunun sonucu olarak madde, sıcaklık ve bileşime bağlı olarak tek veya çok fazlı olarak görülür. Ayrıca uzun süre denge durumuna varmadan maddenin kararsız hallerde bulunması durumu daha da karıştırır. Maddenin mikro yapısının bilinmesi temeldir. Çünkü birçok özellikler (plâstiktik ve manyetik özellikler gibi) yapıya sıkıca bağlıdır.
ALAŞIMLARIN MEKANİK ÖZELLİKLERİ
Endüstride kullanılan kuvvetli bir malzemenin yer değiştirme ha¬reketine karşı direnç göstermesi istenirse, silisyum karbür gibi zaten sert olan katılar kullanılabilir. Ancak bu tür malzemeler kırılgandır, oy¬sa istenen, malzemenin hem şekil alabilir hem de dayanıklı olmasıdır. Şekil alırlık özelliği de kaybolmadan korunabilir. Bunun için elementle¬rin birbiri içinde dağılımı önemlidir. Bu dağılma birçok yöntemlerle yapılabilir. Bunlardan en önemlisi iç oksitlenme ve çökeltme yöntemleridir.
Endüstride en çok kullanılan alaşımlardan bakır-çinko sistemi ol¬dukça karışıktır. Çinko oranı % 0-50 olan pirinç alaşımları kolaylıkla şekil alabilen ve işlenebilen malzemeler olarak kullanılır. Bakır, % 38 e kadar çinkoyu çözerek yer değiştirme katı çözeltisi oluşturur. Bu katı çözeltilerin sertliği çinko oranı arttıkça artar. Bu tür alaşımlar kolaylıkla ve soğukta işlenebilir ve preslenebilir.
