Τι είναι τα ευγενή μέταλλα;

Τα ευγενή μέταλλα είναι μια ομάδα μετάλλων που είναι ανθεκτικά στην οξείδωση και τη διάβρωση όταν εκτίθενται στον αέρα. Λόγω των σχετικιστικών επιδράσεων που παρουσιάζουν αυτά τα μέταλλα, έχουν την ικανότητα να είναι σταθερά σε διαφορετικές συνθήκες.

Κάποια στιγμή, μπορεί να έχετε ακούσει κάποιον να λέει, «Είναι τόσο ευγενής» ή να ρωτάει «Γνωρίζατε για την ευγενή ιστορία αυτής της χώρας;». Ωστόσο, σπάνια ακούμε κάποιον να λέει, "Κοίτα, υπάρχει ένα ευγενές μέταλλο εδώ!" Όπως ήδη γνωρίζετε, τα αγγλικά είναι μια αρκετά περίεργη γλώσσα και η λέξη "ευγενής" έχει διαφορετικές σημασίες σε διαφορετικούς τομείς ή τομείς σπουδών. Στη χημεία, ο όρος ορίζεται ως ένα μέταλλο που είναι ανθεκτικό στη διάβρωση και την οξείδωση, ενώ στην ατομική φυσική, ο ορισμός αφορά την ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός ατόμου (κατανομή ηλεκτρονίων σε διαφορετικά κελύφη του ατόμου).

Τα 8 πιο κοινά ευγενή μέταλλα περιλαμβάνουν τον Χρυσό (Ag), τον Ασήμι (Au), την Πλατίνα (Pt), το Ρόδιο (Rh), το Ιρίδιο (Ir), το Ρουθήνιο (Ru), το Όσμιο (Os) και το Παλλάδιο (Pd). Όπως πιθανότατα γνωρίζετε, τα πρώτα 3 χρησιμοποιούνται συχνά για την κατασκευή κοσμημάτων ή άλλων διακοσμητικών. Ο μόνος λόγος για αυτό είναι η αδράνεια και η αντοχή τους στις αλλαγές όταν εκτίθενται στον αέρα. Για να καταλάβουμε τι κάνει αυτά τα μέταλλα «ευγενή», ας ξεκινήσουμε με τα βασικά της χημείας!

Πού βρίσκονται τα ευγενή μέταλλα στον περιοδικό πίνακα;

Ο περιοδικός πίνακας δημιουργήθηκε από έναν Ρώσο χημικό, τον Dimitri Mendeleev, το 1869. Είναι μια απεικόνιση χημικών στοιχείων που είναι διατεταγμένα σύμφωνα με τον ατομικό τους αριθμό, τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων και τις ομοιότητες στις χημικές τους ιδιότητες. Σήμερα, ο περιοδικός πίνακας έχει 118 γνωστά στοιχεία. Τα στοιχεία είναι ταξινομημένα σε ομάδες και περιόδους με βάση τη χημική τους συμπεριφορά. Τα ευγενή μέταλλα βρίσκονται στο κέντρο του τραπεζιού και ανήκουν στην ομάδα των μεταβατικών μετάλλων. Όλα τα μέταλλα μετάπτωσης έχουν μεταλλικά χαρακτηριστικά και είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού.

Θέση των 8 κοινών ευγενών μετάλλων στον περιοδικό πίνακα (Photo Credit :Sandbh / Wikipedia Commons)

Ποια είναι η χημεία πίσω από τα ευγενή μέταλλα;

Για να κατανοήσουμε γιατί τα ευγενή μέταλλα είναι μερικά από τα λιγότερο αντιδραστικά μέταλλα, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την ηλεκτρονική τους διαμόρφωση. Η χημική αντιδραστικότητα των στοιχείων επηρεάζεται από τη διάταξη των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα, η οποία επιτρέπει στο άτομο να παραμένει σταθερό. Η σταθερότητα επιτυγχάνεται όταν το στοιχείο έχει γεμίσει πλήρως τα κελύφη ηλεκτρονίων.

Κάποια στιγμή κατά τη διάρκεια μιας από αυτές τις νυσταγμένες διαλέξεις χημείας στο κολέγιο, μπορεί να έχετε το όνομα Niels Bohr, ο άνθρωπος πίσω από το μοντέλο Bohr. Δήλωσε ότι ένα άτομο έχει έναν πυρήνα που περιέχει νετρόνια και πρωτόνια, ενώ τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε κελύφη ηλεκτρονίων σε συγκεκριμένες αποστάσεις.

Απεικόνιση του μοντέλου Bohr. (Φωτογραφία:Sharon Bewick/Wikimedia Commons)

Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε διαφορετικά κελύφη και διαθέτουν ένα ορισμένο επίπεδο ενέργειας. αυτό το επίπεδο ενέργειας αυξάνεται καθώς απομακρυνόμαστε περισσότερο από τον πυρήνα. Αυτά τα επίπεδα ενέργειας αριθμούνται 1, 2, 3, 4 και ούτω καθεξής. Επιπλέον, κάθε ένα από τα κύρια ενεργειακά επίπεδα ή κελύφη ηλεκτρονίων που ορίζονται ως K, L, M και N περιέχει 2n2 ηλεκτρόνια, όπου το n αντιστοιχεί στον αριθμό του επιπέδου.

Το πρώτο επίπεδο έχει 2(12) ηλεκτρόνια =2 ηλεκτρόνια

Το δεύτερο επίπεδο έχει 2(22) ηλεκτρόνια=8 ηλεκτρόνια

Το τρίτο και το τέταρτο επίπεδο έχουν 18 και 32 ηλεκτρόνια, που υπολογίζονται με τον ίδιο τρόπο. Τα ηλεκτρόνια έχουν υψηλότερα επίπεδα ενέργειας καθώς απομακρυνόμαστε από τον πυρήνα. Επομένως, ένα ηλεκτρόνιο στο έκτο ενεργειακό επίπεδο θα έχει περισσότερη ενέργεια από ένα ηλεκτρόνιο στο πρώτο επίπεδο. Τα ηλεκτρόνια γεμίζουν πρώτα τα χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα και μετά κινούνται προς τα έξω. Μερικές φορές, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ολοκληρωθούν y γεμίζουν τα κελύφη, γεγονός που δημιουργεί ηλεκτρόνια σθένους. αυτά τα εξώτατα ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα για την αντιδραστικότητα του ατόμου. Αυτή είναι μια από τις πιο σημαντικές πτυχές που πρέπει να λάβετε υπόψη όταν μιλάμε για επίπεδα ενέργειας ηλεκτρονίων.

Δεν είναι μόνο αυτό, καθώς υπάρχουν μερικά ακόμη βασικά που πρέπει να καλύψουμε πριν προχωρήσουμε στην απάντηση στην κύρια ερώτηση. Ας μπούμε σε μερικές περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τα κελύφη ηλεκτρονίων.

Τι είναι τα δευτερεύοντα κελύφη και τα τροχιακά;

Κάθε κέλυφος (K, L, M ή N) περιέχει ένα ή περισσότερα υπο-κέλυφος και κάθε υποκέλυφος περιέχει ατομικά τροχιακά. Είναι σχεδόν σαν μια σκηνή από την ταινία Inception, όπου κινούμαστε από το ένα κέλυφος στο άλλο και το άλλο μέχρι να καταλάβουμε επιτέλους τη χημεία πίσω από τα ευγενή μέταλλα. Για να απλοποιήσετε τα πράγματα, φανταστείτε τα ηλεκτρόνια ως παίκτες σε ένα παιχνίδι Tug-o'-War. Κάθε ηλεκτρόνιο θέλει το κεντρικό σημείο της γραμμής (πυρήνα) κοντά τους. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται πιο μακριά από τον πυρήνα παράγουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να είναι πιο κοντά στον πυρήνα, παρόμοια με το να βάζεις τους ισχυρότερους παίκτες στο τέλος του σχοινιού στο παιχνίδι. Ωστόσο, οι παίκτες στο Tug-o'-War είναι τοποθετημένοι σε ευθεία γραμμή, αντί να στριμώχνονται γύρω από το σχοινί, όπως συμβαίνει στα κελύφη ηλεκτρονίων.

Κέλυφος ηλεκτρονίων που δείχνει διάφορα επίπεδα ενέργειας. (Φωτογραφία:Nasky/ Shutterstock)

Ομοίως, τα ηλεκτρόνια δεν υπερφορτώνουν τα κελύφη και ακολουθούν μια πολιτική live and let live! Είναι καλά κατανεμημένα σε δευτερεύοντα κελύφη, που ορίζονται ως s, p, d και f, που περιέχουν 2 ή περισσότερα τροχιακά. Κάθε τροχιακό περιέχει μόνο 2 ηλεκτρόνια, δημιουργώντας πολλά τροχιακά στο ίδιο υποκέλυφος. Τα 2 ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις στο ίδιο τροχιακό, προκαλώντας μια διαφορά ενέργειας. Ηλεκτρόνια στο τροχιακό του f Το υποκέλυφος είναι πιο ενεργητικό από αυτά του s υποκέλυφος.

Αυτά τα στοιχεία με πλήρως γεμισμένα κελύφη ηλεκτρονίων είναι πιο σταθερά από άλλα στοιχεία, λόγω της απουσίας ηλεκτρονίων σθένους.

Γιατί τα ευγενή μέταλλα είναι τα λιγότερο δραστικά;

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα ηλεκτρόνια σθένους είναι υπεύθυνα για την ικανότητα ενός στοιχείου να αλληλεπιδρά με άλλα στοιχεία και να σχηματίζει ενώσεις. Για καλύτερη κατανόηση, ας περιορίσουμε τα πράγματα για να κατανοήσουμε τη χημεία του χρυσού. Όταν παρατηρείτε προσεκτικά τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων του χρυσού (79Au), [Xe] 4f14 5d10 6s1 (όπου Xe σημαίνει Xenon το πλησιέστερο ευγενές αέριο· 4, 5 και 6 είναι για τα ενεργειακά επίπεδα και ο εκθέτης απεικονίζει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που υπάρχουν σε κάθε υπο-φλοιός), βλέπουμε ότι έχει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο στο 6ο φλοιό. Επομένως, ο χρυσός δεν πρέπει να είναι αντιδραστικός, καθώς έχει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό περίβλημά του;

Ηλεκτρονική διαμόρφωση του Χρυσού με το μοναδικό του ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό περίβλημα. (Φωτογραφία :gstraub/ Shutterstock)

Ο χρυσός έχει ατομικό αριθμό 79, δίνοντάς του την ικανότητα να παρουσιάζει σχετικιστικό αποτέλεσμα. Λόγω του βαρύ πυρήνα του χρυσού, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν εξαιρετικά γρήγορα, έτσι τα s Τα ηλεκτρόνια συνδέονται ισχυρότερα από το d και f ηλεκτρόνια κελύφους. Αυτά τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια αποκτούν μάζα, προκαλώντας τα 6s τροχιακό να συστέλλεται. Αυτή η συστολή έχει ως αποτέλεσμα το ηλεκτρόνιο να είναι πιο στενά συνδεδεμένο με τον πυρήνα και έτσι να μην είναι διαθέσιμο για αντιδράσεις. Επομένως, παρά το γεγονός ότι έχει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό του περίβλημα, ο χρυσός έχει το μοναδικό χαρακτηριστικό της αντίστασης στην οξείδωση.

Συμπερασματικά, τα ευγενή μέταλλα είναι λιγότερο αντιδραστικά στην οξείδωση και τη διάβρωση λόγω της χημικής τους διάταξης και της θέσης των ηλεκτρονίων στα αντίστοιχα κελύφη τους. Αυτό επιτρέπει σε ορισμένα μέταλλα να χρησιμοποιούνται ως οδοντικά καλούπια και επίσης για την κατασκευή διαφόρων διακοσμητικών, χωρίς φόβο ότι το μέταλλο θαμπώσει, διαβρωθεί ή αντιδράσει με ανεπιθύμητους τρόπους!