מתכת

מתכות הן קבוצת יסודות כימיים שמרביתם מוצקים בטמפרטורת החדר (למעט כספית). הן מוליכות חשמל וחום היטב. דוגמאות נפוצות הן אלומיניום, ברזל ונחושת. סגסוגת היא מתכת שעשויה כמה יסודות יחד, ומקנה תכונות שונות מהמתכות המקוריות. דוגמה מוכרת היא פלדת אל-חלד, המורכבת ברוב המקרים מברזל וכרום; הכרום מקשה ומונע חלודה.

אטומי המתכות מאופיינים בכך שלאלקטרונים החיצוניים שלהם יש חיבור חלש לגרעין. זה מאפשר לאלקטרונים לנוע בקלות בתוך הסריג המתכתי. תנועה זו היא שמעניקה למתכות מוליכות חשמלית וחוזק. המבנה המוצק של מתכת מורכב מרב-גבישים הנקראים "גלעינים" או "גרעינים"; כל גרעין הוא אזור שבו הסריג מסודר בכיוון מסוים. על גבולות הגרעינים עלולים להיווצר תכלילים, זיהומים מחומרים אחרים.

כימית, למתכות יש בדרך כלל אנרגיית יינון יחסית נמוכה. בעת תרכובת עם אל-מתכות, הן נוטות לאבד אלקטרונים ולהפוך ליונים חיוביים, שנקראים קטיונים. ביחד עם אניונים (יונים שליליים) של האל-מתכת, הם בונים סריג יוני. רוב המתכות מגיבות עם חמצן ויוצרות תחמוצות שבדרך כלל הן בסיסיות.

מתכות גם נוטות ליצירת סגסוגות זו עם זו, במקום להגיב כימית אחת עם השנייה. אפשרותם של סדקים או עיוות במתכות מוסברת בכך שאטומים (או יונים טעונים) נעים זה מול זה תחת כוח חיצוני בלי שאיבדו את הסביבה הכימית שלהם, וכך נשמרת הצמיגות והכושר לעבודה (עיבוד מכני). ראיית המבנה במיקרוסקופ ובדיקות אחרות חשובה להבנת התנהגות החומר.

שימוש במתכות החל כבר בתקופות קדומות. מוצרי מתכות ראשונים נוצרו גם ממתכות שמקורן במטאורים, לשעווה תכשיטים וכלים. נחושת, זהב וברזל היו בין המתכות הראשונות בשימוש. במשך אלפי שנים פותחו טכניקות חדשות: המסגרות הראשונות לצריפת נחושת ופיתוח יציקה, יצירת ארד (ברונזה) על ידי ערבוב נחושת עם בדיל, ויציקות מסובכות בעזרת תהליך השעווה המתכלה.
לאחר מכן הגיע עידן הברזל, ובאזורים שונים פותחו שיטות להפיק ברזל ולעבדו לפלדה, מתכת קשה יותר המתאימה לכלים וחלקים. בתקופות המאוחרות יותר, בשנים 1700, 1800, חלו התפתחויות חשובות: החלפת פחם עץ בקוק בהיתוך הברזל שינתה את הייצור התעשייתי, ופיתוח תהליכים כמו תהליך בסמר והפקת מתכות באלקטרוליזה הביאו לירידת מחיר הפלדה ולהרחבת השימוש בה.

מטלורגיה היא התחום העוסק בחקר תכונותיהן של מתכות ובשיטות להפקתן ולעיבודן. המילה מגיעה מיוונית ופירושה מעבד מתכות. המטלורג משלב ידע בכימיה ובמהנדסי חומרים כדי לשפר תכונות, כמו חוזק, קשיחות ועמידות בפני קורוזיה.

ההפקה מתחילה בכרייה, שבה מוציאים את העפרה, הצורה הטבעית שבה נמצאת המתכת לרוב. מרבית המתכות אינן טהורות בטבע, ולכן יש להפיקן מהעפרות באמצעות תהליכים תרמיים וכימיים.

עיבוד נותן מתכת הצורה והתכונות הרצויות. יש שיטות תרמיות, כמו התכה בתנור ויציקה, ושיטות מכניות, כמו חישול וערגול. שילוב של טכניקות אלה מאפשר לקבל חלקים חזקים ומדויקים.

מעבדה ומכשירי בדיקה מודדים תכונות כמו קשיות וחוזק. מטלוגרפיה היא טכניקה שמדגימה את מבנה הגרעינים במתכת באמצעות מיקרוסקופ. כך מבינים אילו פאזות קיימות בחומר ואיך לשפר את עיבודו.

מתכות הן יסודות כימיים שמרגישים קשים בדרך כלל. רק כספית היא נוזלית בטמפרטורת החדר. מתכות מעבירות חשמל וחום טוב. דוגמאות פשוטות הן נחושת, ברזל וזהב.

במתכת, אלקטרונים (חלקיקי חשמל קטנים) נעים בקלות בין האטומים. תנועה זו נותנת למתכת תכונות כמו הובלת חשמל וחוזק. המתכת בנויה ממספר "גרעינים", אזורים קטנים של סריגים סדורים. לפעמים יש בתוך המתכת זיהומים שקרויים "תכלילים".

"סגסוגת" היא מתכת שעשויה משילוב של שתי מתכות או יותר. למשל, ברונזה היא נחושת עם בדיל. סגסוגת יכולה להיות חזקה יותר מהמתכות לבדן.

אנשים השתמשו במתכות כבר מאוד מזמן. בתחילה שאבו מתכות ממטאורים ויצרו תכשיטים. אחר כך למדו לצרוף נחושת מהאדמה ולהתכה אותה. בהמשך פיתחו ברונזה (נחושת ובדיל) ואחר כך התחילו לעבוד ברזל.

מטלורגיה היא החקר של מתכות. המילה מתארת אנשים שלומדים איך להפיק מתכות ולעבד אותן.

כדי להפיק מתכת מוציאים אותה מהאדמה בצורת עפרה. לאחר מכן מחממים את העפרה כדי להוציא את המתכת.

עובדים על המתכת כדי לשנות את צורתה. חישול הוא הכהת המתכת עם פטיש. ערגול מושך את המתכת ונותן לה צורה שטוחה.

במעבדה בודקים את הקשיות והחוזק של המתכת. מדענים גם מסתכלים על הגרעינים במיקרוסקופ כדי להבין איך להתקין אותה טוב יותר.