18.1 Lotubundnir eiginleikar

Lotubundnir eiginleikar

Námsmarkmið

Í lok þessa kafla muntu geta:

Flokkað frumefni
Spáð fyrir um lotubundna eiginleika aðalflokka frumefna

Við hefjum þennan kafla á því að skoða hegðun aðalflokkamálma í tengslum við stöðu þeirra í lotukerfinu. Megináhersla þessa kafla verður á hagnýtingu lotubundinna eiginleika á aðalflokkamálma.

Hægt er að skipta frumefnum í hópa eftir rafeindaskipan þeirra. Aðalflokka frumefni (e. representative elements) eru frumefni þar sem s- og p-svigrúm eru að fyllast. Hliðarmálmar eru frumefni þar sem d-svigrúm (hópar 3–11 í lotukerfinu) eru að fyllast og innri hliðarmálmar eru frumefni þar sem f-svigrúm eru að fyllast. d-svigrúmin fyllast með frumefnunum í hóp 11; þess vegna teljast frumefnin í hóp 12 til aðalflokka frumefna því síðasta rafeindin fer á s-svigrúm. Málmar meðal aðalflokka frumefna eru aðalflokkamálmar (e. representative metals). Málmkenndir eiginleikar stafa af getu frumefnis til að tapa ytri gildisrafeindum sínum og leiða meðal annars til mikillar varma- og rafleiðni, auk annarra eðlis- og efnaeiginleika. Það eru 20 ógeislavirkir aðalflokkamálmar í hópum 1, 2, 3, 12, 13, 14 og 15 í lotukerfinu (frumefnin sem eru skyggð gul á Mynd 18.2). Geislavirku frumefnin kópernikíum, fleróvíum, pólon og lifermoríum eru einnig málmar en eru utan gildissviðs þessa kafla.

Mynd 18.2 Staðsetning aðalflokkamálma er sýnd í lotukerfinu. Málmleysingjar eru sýndir með grænu, málmungar með fjólubláu og hliðarmálmar og innri hliðarmálmar með bláu.

Auk aðalflokkamálma eru sum aðalflokka frumefnanna málmungar. Málmungur (e. metalloid) er frumefni sem hefur eiginleika sem eru mitt á milli eiginleika málma og málmleysingja; þessi frumefni eru yfirleitt hálfleiðarar.

Hin aðalflokka frumefnin eru málmleysingjar. Ólíkt málmum (e. metals), sem venjulega mynda katjónir og jónaefni (sem innihalda jónatengi), hafa málmleysingjar tilhneigingu til að mynda anjónir eða sameindasambönd. Almennt séð myndar samsetning málms og málmleysingja salt. Salt er jónaefni sem samanstendur af katjónum og anjónum.

Flestir aðalflokkamálmar finnast ekki náttúrulega í óbundnu ástandi vegna þess að þeir hvarfast auðveldlega við vatn og súrefni í loftinu. Hins vegar er hægt að einangra beryllíum, magnesíum, sink, kadmíum, kvikasilfur, ál, tin og blý úr náttúrulegum steindum þeirra og nota þau vegna þess að þau hvarfast mjög hægt við loft. Ein af ástæðunum fyrir því að þessi frumefni hvarfast hægt er að þau hvarfast við loft og mynda verndandi húð. Myndun þessarar verndandi húðar er kölluð húðun (e. passivation). Húðin er óhvarfgjörn filma af oxíði eða einhverju öðru efnasambandi. Frumefnin magnesíum, ál, sink og tin eru mikilvæg við framleiðslu margra kunnuglegra hluta, þar á meðal víra, eldunaráhalda, álpappírs og margra heimilis- og persónulegra muna. Þrátt fyrir að beryllíum, kadmíum, kvikasilfur og blý séu aðgengileg eru takmarkanir á notkun þeirra vegna eituráhrifa.

Hópur 1: Alkalímálmar

Alkalímálmarnir litíum, natríum, kalíum, rúbidíum, sesíum og fransíum mynda hóp 1 í lotukerfinu. Þrátt fyrir að vetni sé í hóp 1 (og einnig í hóp 17) er það málmleysingi og verðskuldar sérstaka umfjöllun síðar í þessum kafla. Nafnið alkalímálmur vísar til þess að þessir málmar og oxíð þeirra hvarfast við vatn og mynda mjög basískar (alkalískar) lausnir.

Eiginleikar alkalímálma eru svipaðir hver öðrum eins og við er að búast af frumefnum í sömu fjölskyldu. Alkalímálmar hafa stærstu atómradíusana og lægstu fyrstu jónunarorkuna í sínum lotum. Þessi samsetning gerir það mjög auðvelt að fjarlægja einu rafeindina í ysta (gildis)hvolfinu á hverju þeirra. Auðvelt tap þessarar gildisrafeindar þýðir að þessir málmar mynda auðveldlega stöðugar katjónir með hleðsluna 1+. Hvarfgirni þeirra eykst með hækkandi sætistölu vegna þess hve auðvelt er að tapa einu gildisrafeindinni (minnkandi jónunarorka). Þar sem oxun er svo auðveld er hið gagnstæða, afoxun, erfitt, sem útskýrir hvers vegna erfitt er að einangra frumefnin. Alkalímálmar í föstu formi eru mjög mjúkir; litíum, sýnt á Mynd 18.3, hefur lægsta eðlismassa allra málma (0,5 g/cm³).

Allir alkalímálmar hvarfast kröftuglega við vatn og mynda vetnisgas og basíska lausn af málmhýdroxíði. Þetta þýðir að þeir eru auðveldari að oxa en vetni. Sem dæmi er efnahvarf litíums við vatn:

2Li (s) + {2H}_{2} O (l) ⟶ 2LiOH (a q) + H_{2} (g)

A glass container that is half filled with a colorless liquid is shown. Blocks of a shiny silver solid float on top of the liquid in the container. — Mynd 18.3 Litíum flýtur í paraffínolíu vegna þess að eðlismassi þess er minni en eðlismassi paraffínolíu.

Alkalímálmar hvarfast beint við alla málmleysingja (nema eðallofttegundir) og mynda tvíundar jónaefni sem innihalda 1+ málmjónir. Þessir málmar eru svo hvarfgjarnir að nauðsynlegt er að forðast snertingu við bæði raka og súrefni í loftinu. Þess vegna eru þeir geymdir í lokuðum ílátum undir steinolíu, eins og sýnt er á Mynd 18.4, til að koma í veg fyrir snertingu við loft og raka. Hreinu málmarnir finnast aldrei fríir (óbundnir) í náttúrunni vegna mikillar hvarfgirni þeirra. Auk þess gerir þessi mikla hvarfgirni það nauðsynlegt að framleiða málmana með rafgreiningu á efnasamböndum alkalímálma.

A sealed, tube-like glass container is shown. The container is partially filled with a colorless liquid and contains two metallic spheres. — Mynd 18.4 Til að koma í veg fyrir snertingu við loft og vatn er kalíum til notkunar á rannsóknarstofu afhent sem stangir eða perlur geymdar undir steinolíu eða í lokuðum ílátum. (heimild: http://images-of-elements.com/potassium.php)

Ólíkt mörgum öðrum málmum gerir hvarfgirni og mýkt alkalímálmanna þá óhentuga í burðarvirki. Hins vegar eru til not þar sem hvarfgirni alkalímálmanna er kostur. Til dæmis byggir framleiðsla málma eins og títans og sirkons að hluta til á getu natríums til að afoxun efnasambanda þessara málma. Við framleiðslu margra lífrænna efnasambanda, þar á meðal ákveðinna litarefna, lyfja og ilmvanta, er notast við afoxun með litíum eða natríum.

Natríum og efnasambönd þess gefa skærgulan lit í loga, eins og sést á Mynd 18.5. Ef rafstraumi er hleypt í gegnum natríumgufu myndast þessi litur einnig. Í báðum tilfellum er þetta dæmi um útblástursróf eins og fjallað er um í kaflanum um rafeindaskipan. Götuljós nota stundum natríumgufulampa vegna þess að natríumgufan smýgur betur í gegnum þoku en flest önnur ljós. Þetta er vegna þess að þokan dreifir ekki gulu ljósi jafn mikið og hún dreifir hvítu ljósi. Hinir alkalímálmarnir og sölt þeirra gefa einnig lit í loga. Litíum myndar skæran, karmínrauðan lit, en hinir mynda fölfjólubláan lit.

A photo of a lit Bunsen burner is shown. A wooden splint is placed in the flame, and a yellow flame is produced. — Mynd 18.5 Ef vír er dýft í lausn af natríumsalti og síðan hitaður veldur það útblæstri skærguls ljóss, sem er einkennandi fyrir natríum.

Hópur 2: Jarðalkalímálmar

Jarðalkalímálmarnir (e. alkaline earth metals) (beryllín, magnesín, kalsín, strontín, barín og radín) mynda hóp 2 í lotukerfinu. Nafnið jarðalkalímálmur kemur frá því að oxíð þyngri frumefna hópsins hvarfast við vatn og mynda basískar lausnir. Kjarnhleðslan eykst þegar farið er úr hópi 1 í hóp 2. Vegna þessarar hleðsluaukningar eru atóm jarðalkalímálmanna minni og hafa hærri fyrstu jónunarorku en alkalímálmarnir á sama lotubili. Hærri jónunarorka gerir jarðalkalímálmana minna hvarfgjarna en alkalímálmana; þó eru þeir enn mjög hvarfgjörn frumefni. Hvarfgirni þeirra eykst, eins og við er að búast, með aukinni stærð og minnkandi jónunarorku. Í efnahvörfum tapa þessir málmar auðveldlega báðum gildisrafeindum sínum og mynda efnasambönd þar sem þeir sýna oxunarástandið 2+. Vegna mikillar hvarfgirni þeirra er algengt að framleiða jarðalkalímálma, líkt og alkalímálma, með rafgreiningu. Jafnvel þótt jónunarorkan sé lág mynda málmarnir tveir með hæstu jónunarorkuna (beryllín og magnesín) efnasambönd sem sýna nokkra samgilda eiginleika. Líkt og alkalímálmarnir gefa þyngri jarðalkalímálmarnir lit í loga. Eins og í tilfelli alkalímálmanna er þetta hluti af útblástursrófi þessara frumefna. Kalsín og strontín gefa rauða litatóna en barín gefur grænan lit.

Magnesín er silfurhvítur málmur sem er mótanlegur og teygjanlegur við hátt hitastig. Aðgerðaleysi dregur úr hvarfgirni magnesínmálms. Við snertingu við loft myndast fastloðandi lag af magnesínoxýkarbónati á yfirborði málmsins og hindrar frekari efnahvörf. (Karbónatið kemur frá efnahvarfi koldíoxíðs í andrúmsloftinu.) Magnesín er léttastur þeirra burðarmálma sem eru mikið notaðir og þess vegna er mestur hluti magnesínframleiðslu fyrir léttar málmblöndur.

Magnesín (sýnt á Mynd 18.6), kalsín, strontín og barín hvarfast við vatn og loft. Við stofuhita sýnir barín öflugasta efnahvarfið. Afurðir efnahvarfsins við vatn eru vetni og málmhýdroxíð. Myndun vetnisgass gefur til kynna að þyngri jarðalkalímálmarnir séu betri afoxarar (oxast auðveldar) en vetni. Eins og við er að búast hvarfast þessir málmar bæði við sýrur og málmleysingja og mynda jónísk efnasambönd. Ólíkt flestum söltum alkalímálmanna eru mörg af algengum söltum jarðalkalímálmanna torleyst í vatni vegna hárrar grindarorku þessara efnasambanda, sem innihalda tvígilda málmjón.

Three glass containers with lids are shown in a photo. A plus sign is drawn between the first two containers and a right-facing arrow is drawn between the second and third containers. The left container holds a black granular solid while the center container holds a clear, colorless liquid. The right container holds a clear, pink liquid. — Mynd 18.6 Magnesínmálmur (vinstri krukka) hvarfast hægt við heitt vatn (miðkrukka) og gefur af sér Mg²⁺ og OH^- og basíska lausn (hægri krukka eftir að fenólftaleín-litvísi hefur verið bætt við). (Heimild: breyting á verki eftir Sahar Atwa)

Hinn öflugi afoxunarmáttur heits magnesíns er gagnlegur við framleiðslu sumra málma úr oxíðum þeirra. Reyndar er sækni magnesíns í súrefni svo mikil að brennandi magnesín hvarfast við koldíoxíð og myndar hreint kolefni:

2Mg (s) + {CO}_{2} (g) ⟶ 2MgO (s) + C (s)

Af þessari ástæðu mun CO₂ slökkvitæki ekki slökkva magnesíneld. Auk þess gerir hið skærhvíta ljós sem brennandi magnesín gefur frá sér það gagnlegt í neyðarblysum og flugeldum.

Hópur 12

Frumefnin í hópi 12 eru hliðarmálmar; hins vegar er síðasta rafeindin sem bætist við ekki d-rafeind, heldur s-rafeind. Þar sem síðasta rafeindin sem bætist við er s-rafeind, teljast þessi frumefni til aðalmálma, eða eftir-hliðarmálma. Frumefni hóps 12 hegða sér meira eins og jarðalkalímálmar en hliðarmálmar. Hópur 12 inniheldur frumefnin fjögur sink, kadmín, kvikasilfur og kópernikín. Hvert þessara frumefna hefur tvær rafeindir í ystu skel sinni (ns²). Þegar atóm þessara málma mynda katjónir með hleðsluna 2+, þar sem ytri rafeindirnar tvær tapast, hafa þær rafeindaskipan sem líkist eðalgasi. Kvikasilfur er stundum undantekning því það sýnir einnig oxunarástandið 1+ í efnasamböndum sem innihalda tvíatóma ${{{\text{Hg}}}_{2}^{{2+}}}$ jón. Í hreinu formi og í efnasamböndum eru bæði kadmín og kvikasilfur eitruð.

Sink er hvarfgjarnast í hópi 12 og kvikasilfur er síst hvarfgjarnt. (Þetta er andstætt hvarfgirniþróun málma í hópum 1 og 2, þar sem hvarfgirni eykst niður hópinn. Aukning hvarfgirni með hækkandi sætistölu á sér aðeins stað fyrir málma í hópum 1 og 2.) Minnkun hvarfgirni stafar af myndun jóna með gervieðalgasstillingu og öðrum þáttum sem eru utan gildissviðs þessarar umfjöllunar. Efnafræðileg hegðun sinks og kadmíums er nokkuð svipuð en ólík hegðun kvikasilfurs.

Sink og kadmíum hafa lægri afoxunarspennu en vetni og, líkt og alkalímálmar og jarðalkalímálmar, mynda þau vetnisgas þegar þau hvarfast við sýrur. Efnahvarf sinks við saltsýru, sýnt á Mynd 18.7, er:

Zn (s) + {2H}_{3} O^{+} (a q) + {2Cl}^{−} (a q) ⟶ H_{2} (g) + {Zn}^{2+} (a q) + {2Cl}^{−} (a q) + {2H}_{2} O (l)

A glass tube holding a metallic solid in a colorless liquid is shown laying on a black background with white lettering. — Mynd 18.7 Sink er virkur málmur. Það leysist upp í saltsýru og myndar lausn af litlausum Zn²⁺ jónum, Cl^– jónum og vetnisgasi.

Sink er silfurlitaður málmur sem fellur fljótt á og fær blágrátt yfirbragð. Þessi litabreyting stafar af fastloðandi húð af basísku karbónati, Zn₂(OH)₂CO₃, sem gerir málminn óvirkan til að hindra frekari tæringu. Þurrrafhlöður og alkalírafhlöður innihalda sinkanóðu. Messingur (Cu og Zn) og sum brons (Cu, Sn og stundum Zn) eru mikilvægar melmi sinks. Um helmingur sinkframleiðslu er notaður til að verja járn og aðra málma gegn tæringu. Þessi vörn getur verið í formi fórnaranóðu (einnig þekkt sem galvanísk anóða, sem er leið til að veita ýmsum málmum katóðuvörn) eða sem þunn húð á málminum sem á að verja. Galvaníserað stál er stál með verndandi sinkhúð.

Efnafræði í daglegu lífi

Fórnaranóður

Fórnaranóða, eða galvanísk anóða, er leið til að veita ýmsum málmum katóðuvörn. Katóðuvörn vísar til þess að koma í veg fyrir tæringu með því að breyta málminum sem tærist í katóðu. Sem katóða stenst málmurinn tæringu, sem er oxunarferli. Tæring á sér stað við fórnaranóðuna í stað katóðunnar.

Smíði slíks kerfis hefst með því að festa virkari málm (neikvæðari afoxunarspennu) við málminn sem þarfnast verndar. Festingin getur verið bein eða með vír. Til að loka rafrásinni er saltbrú nauðsynleg. Þessi saltbrú er oft sjór eða grunnvatn. Þegar rafrásin er lokuð á oxun (tæring) sér stað við anóðuna en ekki katóðuna.

Algengustu fórnaranóðurnar eru magnesíum, ál og sink. Magnesíum hefur neikvæðustu afoxunarspennuna af þessum þremur og hentar best þegar saltbrúin er ekki eins skilvirk vegna lágs styrks rafkleyfis, eins og í ferskvatni. Sink og ál virka betur í saltvatni en magnesíum. Ál er léttara en sink og hefur meiri afkastagetu; hins vegar getur oxíðhúð gert álið óvirkt. Í sérstökum tilfellum eru önnur efni gagnleg. Til dæmis mun járn verja kopar.

Kvikasilfur er mjög frábrugðið sinki og kadmíum. Kvikasilfur er eini málmurinn sem er vökvi við 25 °C. Margir málmar leysast upp í kvikasilfri og mynda lausnir sem kallast amalgam (sjá kaflann um amalgam), sem eru melmi kvikasilfurs með einum eða fleiri öðrum málmum. Kvikasilfur, sýnt á Mynd 18.8, er óhvarfgjarnt frumefni sem er erfiðara að oxa en vetni. Þess vegna ryður það ekki vetni úr sýrum; hins vegar hvarfast það við sterkar oxandi sýrur, eins og saltpéturssýru:

Hg (l) + HCl (a q) ⟶ no hvarf

3Hg (l) + {8HNO}_{3} (a q) ⟶ 3Hg {({NO}_{3})}_{2} (a q) + {4H}_{2} O (l) + 2NO (g)

Hið tæra NO sem myndast í upphafi oxast fljótt áfram í rauðbrúnt NO₂.

Three test tubes are shown in a photo. The left tube contains a metallic liquid. The middle tube contains a metallic liquid under a layer of clear, colorless liquid. The third tube contains a whitish solid under a layer of yellowish liquid. — Mynd 18.8 Frá vinstri til hægri: Hg(l), Hg + þétt HCl, Hg + þétt HNO₃. (heimild: Sahar Atwa)

Flest kvikasilfurssambönd brotna niður við hitun. Flest kvikasilfurssambönd innihalda kvikasilfur með 2+ oxunarástand. Þegar um mikið umframmagn af kvikasilfri er að ræða er hægt að mynda sambönd sem innihalda ${{{\text{Hg}}}_{2}^{{2+}}}$ jónina. Öll kvikasilfurssambönd eru eitruð og nauðsynlegt er að gæta mikillar varúðar við myndun þeirra.

Efnafræði í daglegu lífi

Amalgam

Amalgam er melmi kvikasilfurs með einum eða fleiri öðrum málmum. Þetta er svipað því að líta á stál sem melmi járns með öðrum málmum. Flestir málmar mynda amalgam með kvikasilfri, en helstu undantekningarnar eru járn, platína, wolfram og tantal.

Vegna eituráhrifa kvikasilfurs hefur notkun amalgams minnkað verulega. Sögulega séð voru amalgam mikilvæg í rafkerum og við vinnslu gulls. Amalgam alkalímálma eru enn notuð vegna þess að þau eru sterk afoxunarefni og auðveldari í meðhöndlun en hreinir alkalímálmar.

Gullgrafarar áttu í vandræðum þegar þeir fundu fíndreift gull. Þeir lærðu að með því að bæta kvikasilfri á pönnurnar sínar söfnuðu þeir gullinu í kvikasilfrið til að mynda amalgam til að auðvelda söfnun. Því miður hefur tap á litlu magni af kvikasilfri í gegnum árin valdið því að margir lækir í Kaliforníu eru mengaðir af kvikasilfri.

Tannlæknar nota amalgam sem innihalda silfur og aðra málma til að fylla í tannskemmdir. Það eru nokkrar ástæður fyrir notkun amalgams, þar á meðal lágur kostnaður, auðveld meðhöndlun og langlífi í samanburði við önnur efni. Tannfyllingaramalgam eru um 50% kvikasilfur miðað við þyngd, sem á undanförnum árum hefur orðið áhyggjuefni vegna eituráhrifa kvikasilfurs.

Eftir að hafa farið yfir bestu fáanlegu gögnin telur Matvæla- og lyfjaeftirlit Bandaríkjanna (FDA) að fyllingar úr amalgami séu öruggar fyrir fullorðna og börn eldri en sex ára. Jafnvel með margar fyllingar er kvikasilfursmagn í sjúklingum langt undir lægstu mörkum sem tengjast skaða. Klínískar rannsóknir hafa ekki fundið neina tengingu milli tannfyllinga úr amalgami og heilsufarsvandamála. Heilsufarsáhrif gætu verið önnur hjá börnum yngri en sex ára eða þunguðum konum. Niðurstöður FDA eru í samræmi við álit Umhverfisverndarstofnunar Bandaríkjanna (EPA) og Sóttvarnastofnunar Bandaríkjanna (CDC). Eina heilsufarslega athugasemdin sem tekin er fram er að sumir eru með ofnæmi fyrir amalgami eða einhverjum af íhlutum þess.

Hópur 13

Hópur 13 inniheldur hálfmálminn bór og málmana ál, gallín, indín og þallín. Léttasta frumefnið, bór, er hálfleiðandi og tvíundarsambönd þess hafa tilhneigingu til að vera samgild en ekki jónísk. Hin frumefnin í hópnum eru málmar, en oxíð þeirra og hýdroxíð breyta um eðli. Oxíð og hýdroxíð áls og gallíns sýna bæði súra og basíska eiginleika. Efni, eins og þessi tvö, sem hvarfast bæði við sýrur og basa, er amfóterískt. Þessi eiginleiki sýnir blöndu af málmleysingja- og málmeiginleikum þessara tveggja frumefna. Oxíð og hýdroxíð indíns og þallíns sýna aðeins basíska eiginleika, í samræmi við augljóst málmeðli þessara tveggja frumefna. Bræðslumark gallíns er óvenju lágt (um 30 °C) og það bráðnar í hendi þér.

Ál er amfóterískt vegna þess að það hvarfast bæði við sýrur og basa. Dæmigert efnahvarf við sýru er:

2Al (s) + 6HCl (a q) ⟶ {2AlCl}_{3} (a q) + {3H}_{2} (g)

Afurðir efnahvarfs áls við basa eru háðar aðstæðum efnahvarfsins, þar sem eftirfarandi er einn möguleiki:

2Al (s) + 2NaOH (a q) + {6H}_{2} O (l) ⟶ 2Na [Al {(OH)}_{4}] (a q) + {3H}_{2} (g)

Bæði með sýrum og bösum myndar efnahvarfið með áli vetnisgas.

Frumefni í hópi 13 hafa rafeindaskipan í gildishvolfi sem er ns²np¹. Ál notar venjulega allar gildisrafeindir sínar þegar það hvarfast og myndar sambönd þar sem það hefur oxunartöluna 3+. Þótt mörg þessara sambanda séu samgild eru önnur, eins og AlF₃ og Al₂(SO₄)₃, jónaefni. Vatnslausnir álsalta innihalda katjónina ${{{{[ {\text{Al}{{({\text{H}2\text{O}})}}6} ]}}}^{{3+}},}$ , skammstafað sem Al³⁺(aq). Gallín, indín og þallín mynda einnig jónaefni sem innihalda M³⁺ jónir. Þessi þrjú frumefni sýna ekki aðeins vænta oxunartölu 3+ frá þremur gildisrafeindum, heldur einnig oxunartölu (í þessu tilfelli 1+) sem er tveimur lægri en væntanleg tala. Þetta fyrirbæri, tregrafeindaparsáhrif, vísar til myndunar stöðugrar jónar með oxunartölu sem er tveimur lægri en búist er við fyrir hópinn. Rafeindaparið er gildis-s-svigrúmið fyrir þessi frumefni. Almennt séð eru tregrafeindaparsáhrif mikilvæg fyrir neðri frumefnin í p-blokkinni. Í vatnslausn er Tl⁺(aq) jónin stöðugri en Tl³⁺(aq). Almennt hvarfast þessir málmar við loft og vatn og mynda 3+ jónir; þallín hvarfast hins vegar og myndar þallín(I) afleiður. Málmar í hópi 13 hvarfast allir beint við málmleysingja eins og brennistein, fosfór og halógena og mynda tvíundarsambönd.

Málmarnir í hópi 13 (Al, Ga, In og Tl) eru allir hvarfgjarnir. Hins vegar verður yfirborðshömlun þegar sterk, hörð og þunn filma af málmoxíði myndast við snertingu við loft. Ef þessi filma rofnar getur það unnið gegn yfirborðshömluninni og leyft málmnum að hvarfast. Ein leið til að rjúfa filmuna er að láta yfirborðshamlaða málminn komast í snertingu við kvikasilfur. Hluti málmsins leysist upp í kvikasilfrinu og myndar amalgam, sem losar sig við verndandi oxíðlagið og afhjúpar málminn fyrir frekara efnahvarfi. Myndun amalgams gerir málmnum kleift að hvarfast við loft og vatn.

Mikilvægustu notin fyrir ál eru í byggingar- og samgönguiðnaði og við framleiðslu á áldósum og álpappír. Þessi notkun byggir á léttleika, seiglu og styrk málmsins, auk tæringarþols hans. Þar sem ál er frábær varmaleiðari og þolir tæringu er það gagnlegt við framleiðslu á eldunaráhöldum.

Ál er mjög gott afoxunarefni og getur komið í stað annarra afoxunarefna við einangrun ákveðinna málma úr oxíðum þeirra. Þótt það sé dýrara en afoxun með kolefni er ál mikilvægt við einangrun Mo, W og Cr úr oxíðum þeirra.

Hópur 14

Málmarnir í hópi 14 eru tin, blý og fleróvín. Kolefni er dæmigerður málmleysingi. Hin frumefnin í hópnum, kísill og german, eru dæmi um hálfleiðara eða hálfmálma. Tin og blý mynda stöðugar tvígildar katjónir, Sn²⁺ og Pb²⁺, með oxunartölur sem eru tveimur lægri en oxunartala hópsins sem er 4+. Stöðugleiki þessarar oxunartölu er afleiðing tregrafeindaparsáhrifa. Tin og blý mynda einnig samgild sambönd með formlega 4+ oxunartölu. Til dæmis eru SnCl₄ og PbCl₄ samgildir vökvar með lágt suðumark.

Two photos are shown and labeled “a” and “b.” Photo a shows a watch glass holding a fine, white powder. Photo b shows a sealed glass vial holding a clear, colorless liquid. — Mynd 18.9 (a) Tin(II)klóríð er jónískt fast efni; (b) tin(IV)klóríð er samgildur vökvi.

Tin hvarfast auðveldlega við málmleysingja og sýrur og myndar tin(II)-efnasambönd (sem gefur til kynna að það oxist auðveldar en vetni) og við málmleysingja og myndar annaðhvort tin(II)- eða tin(IV)-efnasambönd (sýnt í Mynd 18.9), allt eftir hlutfallaefnafræði og hvarfskilyrðum. Blý er minna hvarfgjarnt. Það er aðeins örlítið auðveldara að oxa en vetni og oxun krefst venjulega heitrar, þéttrar sýru.

Mörg þessara frumefna eru til sem fjölmyndir. Fjölmyndir (e. allotropes) eru tvö eða fleiri form sama frumefnis í sama eðlisástandi með mismunandi efna- og eðliseiginleika. Tvær algengar fjölmyndir tins eru til. Þessar fjölmyndir eru grátt (stökkt) tin og hvítt tin. Eins og með aðrar fjölmyndir er munurinn á þessum formum tins í fyrirkomulagi atómanna. Hvítt tin er stöðugt yfir 13,2 °C og er mótanlegt eins og aðrir málmar. Við lágt hitastig er grátt tin stöðugra formið. Grátt tin er stökkt og hefur tilhneigingu til að brotna niður í duft. Þar af leiðandi munu hlutir úr tini molna í köldu veðri, sérstaklega ef kuldakastið er langvinnt. Breytingin gengur hægt frá upphafsstaðnum og gráa tinið sem myndast fyrst hvetur til frekari breytinga. Að vissu leyti líkist þessi áhrif útbreiðslu sýkingar í plöntu- eða dýralíkama, sem hefur leitt til þess að fólk kallar þetta ferli tinpest.

Helsta notkun tins er í húðun á stáli til að mynda tinhúðaðar járnplötur, sem er tinið í niðursuðudósum. Mikilvægar tinblöndur eru brons (Cu og Sn) og lóðmálmur (Sn og Pb). Blý er mikilvægt í blýgeymum í bifreiðum.

Hópur 15

Bismút (e. bismuth), þyngsti meðlimur hóps 15, er minna hvarfgjarn málmur en aðrir aðalmálmar. Það gefur auðveldlega frá sér þrjár af fimm gildisrafeindum sínum til virkra málmleysingja til að mynda þríjákvæðu jónina, Bi³⁺. Það myndar efnasambönd með oxunartölu hópsins 5+ aðeins þegar það er meðhöndlað með sterkum oxunarefnum. Stöðugleiki 3+ oxunarástandsins er annað dæmi um tregrafeindaáhrifin.