Hva er overgangsmetaller? Definisjon, egenskaper og bruksområder

Overgangsmetaller kommer fra de forskjellige kjemiske elementene som har valanselektroner. Disse elementene finnes i de midtre delene av periodesystemet. De fleste overgangsmetaller er vanskelige å CNC-maskinere. Les denne veiledningen for å lære hva overgangsmetaller er og hvorfor de er vanskelige å maskinere, slik at du kan velge det best egnede for prosjektet ditt.

Hva er overgangsmetaller?

Overgangsmetalliske elementer har atomer som har et delvis fylt d-underskall. Disse kan danne stabile kationer med et ufullstendig fylt d-underskall. Overgangsmetallserien viser variable oksidasjonstilstander. De danner fargede forbindelser og fungerer som katalysatorer i kjemiske reaksjoner.

Hvor er overgangsmetallene i periodesystemet?

Overgangsmetaller finnes i d-blokken i periodesystemet. De dekker den sentrale delen mellom gruppe 3 og 12, og periode 4, 5, 6 og 7. D-blokken har fire hovedserier av overgangsmetaller. Disse er 3d (Sc-Zn), 4d (Y-Cd), 5d (La-Hg) og 6d (Ac-Cn). De indre overgangsmetallene inneholder 14 elementer etter lantan og 14 elementer etter aktinium. De kalles "f-blokkelementer".

Er overgangsmetaller alltid magnetiske?

Nei, overgangsmetaller er ikke alltid magnetiske i sin elementære form. De fleste overgangsmetaller er paramagnetiske. Dette betyr at de er svakt tiltrukket av et magnetfelt. Dette er forårsaket av tilstedeværelsen av uparede elektroner i deres (n-1) d-orbital. Men visse overgangsmetaller har fylte eller helt tomme d-orbitaler i spesifikke forbindelser. Disse er diamagnetiske som Cu+ eller Sc3+.

Er overgangsmetaller reaktive?

Ja, overgangsmetaller er reaktive. De reagerer relativt med metaller som Ti eller Fe til ekstremt ureaktive "edle" metaller som gull eller sølv. Reaktiviteten er definert av elektronkonfigurasjonen og deres atomstabilitet. Reaktivitet påvirker materialvalg og prosessering av elementene i overgangsmetallserien.

For eksempel har noen metaller som krom eller nikkel sitt eget beskyttende lag og gir bedre korrosjonsbestandighet, mens ikke-reaktive metaller som gull eller sølv brukes som beskyttende belegg på mer reaktive forbindelser. På samme måte trenger høyreaktive metaller spesialiserte kjølevæsker under CNC-maskinering for å forhindre oksygenreaksjon ved høye temperaturer.

Hvorfor kalles overgangsmetaller for «overgangsmetaller»?

Overgangsmetaller viser «overgang» i elektronkonfigurasjon og kjemiske egenskaper. De har for eksempel svært reaktive metaller på venstre side av periodesystemet (s-blokken) og ikke-metaller på høyre side (p-blokken).

Er overgangsmetaller metalloider?

Nei, overgangsmetaller er ikke metalloider . Overgangsmetaller er plassert i den sentrale d-blokken. De er skinnende, duktile og er utmerkede ledere av elektrisitet og varme, mens metalloider er plassert langs en sikksakklinje som skiller metaller og ikke-metaller. De har egenskaper mellom metaller og ikke-metaller, og er ofte halvledere. Fra diagrammet kan vi enkelt se at B, SI, Ge, As, Sb og Te definitivt regnes som metalloider, mens Po og At i noen retningslinjer ikke regnes som metalloider.

Overgangsmetaller vs. metalloid

Forskjellen mellom elementene i overgangsmetallserien og metalloider er som:

Hva er egenskapene til overgangsmetaller?

I CNC-maskinering kan noen vanlige egenskaper ved overgangsmetaller påvirke maskinbarheten deres. De viktigste egenskapene inkluderer:

Høye smeltepunkter

De fleste har høye smeltepunkter og kokepunkter på grunn av sterke metallbindinger. Bindingen mellom s- og d-elektroner øker smeltetemperaturen med mer enn 1000 °C. Men det finnes et bemerkelsesverdig unntak av kvikksølv, som er flytende ved romtemperatur. Vanligvis har wolfram det høyeste smeltepunktet. Høye smeltepunkter krever høyere skjærehastighet under CNC-maskinering av overgangsmetaller fordi de ikke lett mykner opp.

Høy tetthet

Overgangsmetaller er mye tettere enn andre metaller. Disse er vanligvis metaller i gruppe 1 og 2, fordi atomene deres er tettpakket og har et høyt masse-til-volum-forhold.

Hard og sterk

Overgangsmetaller viser høy hardhet og strekkfasthet. Derfor er de mer holdbare for strukturell bruk og legeringer som stål.

Lav termisk ledningsevne

Noen overgangsmetaller som sølv og kobber er de mest ledende metallene og har overlegen varmeledningsevne. I CNC-maskinering er imidlertid vanlige overgangsmetaller med lav varmeledningsevne vanskelige å maskinere fordi varmen som produseres av kuttere ikke kan avgis raskt, noe som fører til forkortet levetid for skjæreverktøy på grunn av den akkumulerte varmen. Enda verre er det at varmen også kan forårsake deformasjon av deler.

Hva er de vanlige overgangsmetallene?

Vanlige d-blokk overgangsmetaller som brukes til CNC-maskinering inkluderer jern (Fe), kobber (Cu), titan (Ti) og mangan (Mn). Disse finnes i d-blokkgruppene 3–12 i periodesystemet.

Titan (Ti)

Titan er kjent for sitt høye styrke-til-vekt-forhold og korrosjonsbestandighet. Det er et av de viktigste materialene som brukes i luftfart og medisinske implantater på grunn av sin biokompatibilitet. I tillegg er titanbildeler vanlige.

Mangan (mn)

Mangan er viktig for stålproduksjon. Det forbedrer hardheten og styrken til strukturen. Mn fungerer også som et viktig biologisk næringsstoff.

Kobber (Cu)

Kobber er ikke magnetisk og høyt verdsatt for sin overlegne elektriske ledningsevne. Det er det primære materialet som brukes til elektriske ledninger og rørleggerarbeid.

Jern (Fe)

Jern er det mest forekommende overgangsmetallet på jorden målt i vekt. Det er grunnlaget for byggebransjen. Jern er også nøkkelkomponenten i hemoglobin for oksygentransport i blodet.

Hvordan velge overgangsmetaller for applikasjoner?

Det er mange faktorer som spiller inn når man skal velge riktig overgangsmetall for ulike applikasjoner. Det avhenger av å matche spesifikke materialegenskaper med kravene, samtidig som man balanserer kostnader og produksjonsbegrensninger.

Identifiser nødvendige egenskaper

For å matche egenskapene med bruksområdene, må man kjenne til overgangsmetallenes oppførsel. For eksempel er jern, stål og titan egnet for høy strukturell styrke og hardhet. Wolfram og molybden er egnet for høytemperaturapplikasjoner. Kobber har høy elektrisk ledningsevne. Og titan og nikkel er best for korrosjonsbestandighet.

Vurder kostnad

Kostnaden bestemmer faktorer som produksjon i store mengder, kostnadsfølsomhet eller spesialiserte bruksområder for materialet. Jern og kobber er rimelige valg for massemarkedsinfrastruktur. Nikkel og krom er også rimelige. Men platina, palladium og rhodium er svært dyre på grunn av sjeldenhet. Titan er også rimelig, men den vanskelige maskineringsprosessen øker den endelige kostnaden.

Hva brukes overgangsmetaller til?

Overgangsmetaller brukes i mange bransjer fordi de er tøffe, holdbare og kan legeres for å forbedre spesifikke egenskaper som korrosjonsbestandighet.

Katalyse

Overgangsmetaller brukes til å fremskynde reaksjoner uten å bli forbrukt. Fordi de har delvis fylte d-orbitaler med flere oksidasjonstilstander. Platina og palladium brukes i bilkatalysatorer, jern i Haber-prosessen og nikkel brukes i hydrogenering.

Luftfartkomponenter

Disse er valgt for høyt styrke-til-vekt-forhold og tåler ekstreme temperaturer. Titan brukes i jetmotorer, flyskrog og landingsunderstell, og niob brukes i raketter.

Bildeler

Overgangsmetaller foretrekkes på grunn av holdbarhet, korrosjonsbestandighet og varmebestandighet. Rustfritt stål brukes i eksosanlegg, og koboltlegert stål brukes i girkomponenter.

Medisinsk utstyr

D-blokk overgangsmetaller har biokompatibilitet, styrke og motstand mot kroppsvæsker. Titan brukes hovedsakelig til ortopediske implantater og tannimplantater. Platina er også foretrukket i kreftmedisiner, og sølv er foretrukket til antimikrobielle belegg.

Robotkomponenter

Overgangsmetaller er nødvendige for høy presisjon, holdbarhet og styrke. Høyfast stål eller titan brukes i robotledd /-lemmer, nikkelbaserte legeringer brukes for strukturell stabilitet i varme miljøer.

Tilpasset prototyping

Overgangsmetaller har utmerket maskinbearbeidbarhet og holdbarhet i prototypetesting. Maskinbearbeidet rustfritt stål brukes i braketter, messingkomponenter, og deler av titan eller aluminium-skandium-legering brukes i tilpasset prototyping.

Er overgangsmetaller enkle å maskinere?

Overgangsmetaller er ikke ensartet enkle å maskinere. Maskinbarheten deres varierer mye basert på hardhet, duktilitet, varmeledningsevne og kjemisk reaktivitet. Noen er enkle å skjære, som kobber. Mens noen er notorisk vanskelige, som titan. De krever spesialiserte teknikker innen CNC-maskinering.

Overgangsmetaller som er enkle å maskinere

Metaller som er enkle å bearbeide er kobber, messing og mange lavlegerte ståltyper. De har egenskaper som gir høye skjærehastigheter, lavere verktøyslitasje og god overflatefinish. Disse egenskapene er lav hardhet, høy duktilitet og god varmeledningsevne. Lavlegert stål er frittbearbeidende kvaliteter. De produserer små, sprø spon som lett knekker og forhindrer sponsammenfiltring i CNC-maskiner. 

Overgangsmetaller som er vanskelige å maskinere

Titan og Inconel er vanskelige å maskinere. Fordi de har høye styrke-til-vekt-forhold, høy hardhet eller høy reaktivitet. Titan er også en dårlig varmeleder. Under CNC-maskinering forblir varmen som genereres ved skjæreverktøyets egg. Dette forårsaker rask termisk skade og økt verktøyslitasje. Ved høyere temperaturer er titan også reaktivt. Spon kan sveises fast på skjæreverktøyet og forårsake for tidlig verktøysvikt.

Forbedring av materialytelse gjennom overgangsmetalllegering

Overgangsmetaller kan ikke bare brukes som maskineringsmaterialer, men også som metallelementer for å forbedre materialenes ytelse. Vurder hvilke overgangsmetallelementer som trengs å legge til basert på ytelseskravene.

Overgangsmetaller vs. andre metaller

Overgangsmetaller kjennetegnes av delvis fylte d-orbitaler, variable oksidasjonstilstander og katalytiske egenskaper. D-blokkmetallene skiller seg fra s-blokkmetaller og post-overgangsmetaller.

D-blokkmetaller vs. S-blokkmetaller

D-blokkmetaller er harde og tette, mens S-blokk-elementer er myke og mindre tette metaller, plassert i gruppe 1 og 2. D-blokker har høyere smeltepunkter relativt til S-blokk-elementer. S-blokker er svært reaktive. D-blokker er mindre reaktive og mer edle, spesielt høyresidede metaller som Pt og Au. D-blokkmetaller danner fargede forbindelser, og S-blokkmetaller danner generelt fargeløse forbindelser.

Overgangsmetaller vs. edelmetaller

Edelmetaller er Au, Ag, Pt og Pd. Disse er en delmengde av overgangsmetaller med høy økonomisk verdi. De har ekstrem motstand mot oksidasjon og korrosjon, og høy adel. De fleste edelmetaller er overgangsmetaller, mens ikke alle overgangsmetaller er edle. For eksempel er noen overgangsmetaller som Fe eller Ni uedle metaller som oksiderer lett.

Overgangsmetaller vs. post-overgangsmetaller

Alle overgangsmetaller er d-blokkelementer, men ikke alle d-blokkelementer er overgangsmetaller. Overgangsmetaller har delvis fylte d-orbitaler. Og post-overgangsmetaller har fylte d-orbitaler. De er Al, Ga, Sn, Pb og er plassert til høyre for d-blokken. Post-overgangsmetaller er mykere og har lavere smeltepunkter.

Konklusjon

Overgangsmetaller befinner seg i d-blokken i det periodiske systemet. Disse er definert ved å ha delvis fylte d-orbitaler. Dette gjør at de viser variable oksidasjonstilstander, danner fargede forbindelser og fungerer som katalysatorer. Overgangsmetalliske elementer er generelt harde, sterke og har metaller og smeltepunkter med høy tetthet. De har også utmerket elektrisk og varmeledningsevne. Vanlige overgangsmetaller er jern, kobber, gull, sølv og titan.

FAQ

Hva er de mest nyttige overgangsmetallene?

De mest nyttige overgangsmetallene er jern, kobber, titan, nikkel og platina på grunn av deres høye konduktivitet, styrke og legeringsevne.

Hva er forskjellen mellom et metall og et overgangsmetall?

Alle overgangsmetaller er også metaller. De er et spesifikt sett med metaller som ligger i midten av periodesystemet. D-blokkmetallene har variable oksidasjonstilstander, danner fargede forbindelser og fungerer som katalysatorer. Mens standardmetaller, som alkalimetaller, generelt er mykere, mer reaktive og danner fargeløse forbindelser.

Er aluminium et overgangsmetall?

Nei, aluminium er ikke et overgangsmetall. Det er klassifisert som et post-overgangsmetall. Det skiller seg fra overgangsmetaller fordi det mangler en fylt d-orbital og viser færre oksidasjonstilstander.

Er sink et overgangsmetall?

Sink er ikke et overgangsmetall. Det er klassifisert som et post-transisjonsmetall. Fordi det har et fullstendig fylt 3d ¹⁰ elektronskall i både atomtilstand (4S ²³ , d ¹⁰ ) og iontilstand (Zn ²⁺ ,3d ¹⁰ ).