Kovy a ich vlastnosti – fyzikálne a chemické vlastnosti, korózia a výroba kovov

Kovy a ich vlastnosti – fyzikálne a chemické vlastnosti, korózia a výroba kovov

Kovy tvoria približne 80 % známych chemických prvkov. Väčšina z nich sa vyznačuje charakteristickým kovovým leskom, dobrou elektrickou a tepelnou vodivosťou, kujnosťou a ťažnosťou.

V pôvodných poznámkach sa ako orientačná pomôcka uvádza, že prvok je kov, ak počet elektrónov jeho najvyššie zapĺňanej vrstvy je menší alebo rovný číslu periódy, v ktorej sa nachádza. Ide však iba o zjednodušenie, nie o všeobecne platné pravidlo.

Fyzikálne vlastnosti kovov

• Elektrická a tepelná vodivosť: kovy sú dobrými vodičmi elektrického prúdu a tepla. Na vedení elektrického prúdu sa podieľajú pohyblivé (delokalizované) elektróny.
• Kovový lesk: čisté a hladké plochy kovov odrážajú dopadajúce svetlo.
• Farba: väčšina kovov je sivobiela alebo striebristá. Výnimkami sú napríklad zlato (Au) a cézium (Cs) so žltkastým sfarbením či meď (Cu) s červenkastým sfarbením. Kovy v práškovej forme bývajú často sivé až tmavé.
• Nepriehľadnosť: kovy sú spravidla nepriehľadné.
• Tvrdosť: mnohé kovy sú tvrdé, ale existujú výnimky, napríklad mäkké alkalické kovy.
• Teploty topenia a varu: mnohé kovy majú vysoké teploty topenia a varu, pričom hodnoty sa medzi jednotlivými kovmi výrazne líšia.
• Kujnosť: mnohé kovy možno vykovať alebo vyvalcovať na tenké plechy a lístky.
• Ťažnosť: mnohé kovy sa dajú vytiahnuť na tenký drôt. Pri mechanickom namáhaní sa môžu vrstvy atómov v kryštálovej mriežke navzájom posúvať.
• Hustota: podľa hustoty rozlišujeme ľahké kovy (napr. alkalické kovy) a ťažké kovy (napr. platinové kovy). Väčšina kovov má väčšiu hustotu ako mnohé nekovy.
• Tvorba zliatin: mnohé kovy môžeme v roztavenom stave zmiešať a po ochladení získať zliatinu.
• Reakcie s kyselinami: mnohé kovy reagujú s kyselinami, kým ušľachtilé kovy sú voči viacerým kyselinám odolnejšie.
• Koordinačné zlúčeniny: mnohé kovy vytvárajú koordinačné (komplexné) zlúčeniny.

Príklad kujnosti a ťažnosti: zlato (Au) možno vykovať na veľmi tenké lístky. V pôvodnom materiáli sa uvádza hrúbka až 0,000 09 mm a možnosť vytiahnuť 1 g zlata približne na 166 m drôtu.

Zliatiny kovov

Zliatiny sú materiály zložené z dvoch alebo viacerých prvkov, z ktorých aspoň jeden je kov. Často vznikajú spoločným tavením zložiek a následným ochladením. Okrem kovov môžu obsahovať aj nekovy alebo polokovy, napríklad uhlík (C), kremík (Si), síru (S), fosfor (P) alebo bór (B).

Zliatiny majú kovový charakter a ich vlastnosti môžu byť pre praktické využitie výhodnejšie než vlastnosti čistých kovov. Preto sa v technickej praxi často používajú zliatiny namiesto čistých kovov.

Zliatina	Hlavné zložky	Poznámka
Oceľ	Fe, C; podľa druhu aj Cr, Ni, V a ďalšie prvky	Napr. nehrdzavejúca, vanádová či pružinová oceľ.
Bronz	Cu, Sn	Zliatina medi a cínu.
Alpaka	Cu, Ni, Zn	Zliatina medi, niklu a zinku.
Mosadz	Cu, Zn	Zliatina medi a zinku.
Dural	Al, Cu, Mg, Mn	Zliatina na báze hliníka.
Spájky	Tradične Sn, Pb	Používajú sa aj bezolovnaté spájky.
Amalgámy	Hg s iným kovom, napr. Au alebo Na	Zliatiny s obsahom ortuti.

Kovy a ich postavenie v periodickej tabuľke

Typické kovy sa nachádzajú najmä v ľavej a dolnej časti periodickej tabuľky prvkov. Pri postupe z ľavej dolnej časti smerom doprava hore kovový charakter prvkov spravidla slabne.

Na rozhraní kovov a nekovov sa nachádzajú polokovy, ku ktorým sa tradične zaraďujú napríklad bór (B), kremík (Si), germánium (Ge), arzén (As) a telúr (Te). V pôvodnom materiáli sa medzi nimi uvádza aj selén (Se), ktorého zaradenie sa v jednotlivých klasifikáciách líši.

Chemické vlastnosti kovov

• Nízka elektronegativita: kovy majú spravidla nižšiu elektronegativitu (v pôvodnom materiáli sa uvádza orientačná hranica X ≤ 1,8).
• Odovzdávanie elektrónov: atómy kovov pomerne ľahko odovzdávajú valenčné elektróny a vytvárajú kladne nabité ióny – katióny.
• Reakcie s kyslíkom: mnohé kovy sa priamo zlučujú s kyslíkom za vzniku oxidov. Niektoré reagujú už pri bežnej teplote (napr. vápnik), iné výraznejšie až pri zahrievaní (napr. meď).
• Ušľachtilé kovy: zlato a platina sú voči kyslíku a mnohým chemickým činidlám pomerne stále. Reaktivita však závisí aj od konkrétnych podmienok.

Elektrochemický rad napätia kovov

Elektrochemický rad napätia kovov usporadúva kovy podľa ich elektrochemickej reaktivity. V školskom zjednodušení pomáha odhadnúť, ktoré kovy môžu vytláčať vodík z neoxidujúcich kyselín alebo iné kovy z roztokov ich solí.

Rad uvedený v pôvodnom materiáli:

K – Ca – Na – Mg – Al – Mn – Zn – Fe – Co – Ni – Sn – Pb – H – Cu – Hg – Au – Pt

Vodík (H) tu tvorí orientačnú hranicu medzi kovmi, ktoré ho za vhodných podmienok vytláčajú zo zriedených neoxidujúcich kyselín, a ušľachtilejšími kovmi, ktoré ho bežne nevytláčajú.

• Kovy naľavo od vodíka spravidla reagujú so zriedenými neoxidujúcimi kyselinami za uvoľňovania vodíka. Reaktivita sa však riadi aj pasiváciou, koncentráciou a ďalšími podmienkami.
• Kovy napravo od vodíka spravidla nevytláčajú vodík z takýchto kyselín. Môžu však reagovať s oxidujúcimi kyselinami, napríklad s kyselinou dusičnou (HNO₃), koncentrovanou kyselinou sírovou (H₂SO₄) alebo s lúčavkou kráľovskou.
• Reaktívnejší kov môže vytláčať menej reaktívny kov z roztoku jeho soli.

Príklady chemických reakcií kovov

Železo vytláča meď z roztoku síranu meďnatého:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Meď reaguje so zriedenou kyselinou dusičnou:

3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 2 NO + 4 H₂O

Meď reaguje s horúcou koncentrovanou kyselinou sírovou:

Cu + 2 H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2 H₂O

Pri posledných dvoch reakciách vznikajú oxidy dusíka alebo síry; tieto rovnice slúžia na teoretické vysvetlenie chemických vlastností kovov.

Vplyv povrchu na reakčnú rýchlosť

Reakčná rýchlosť kovov v pevnom skupenstve závisí od stavu ich povrchu, mechanického opracovania, kompaktnosti materiálu a ďalších faktorov.

• Nikel (Ni) a chróm (Cr) s hladkým, vylešteným alebo pasivovaným povrchom môžu reagovať s kyselinami veľmi pomaly; na vzduchu sa pri bežnej teplote často pokrývajú ochrannou vrstvou. Tento jav súvisí aj s využitím niklovania a chrómovania.
• Jemne rozptýlený nikel môže reagovať výrazne rýchlejšie. Niektoré veľmi jemné niklové prášky sú na vzduchu samozápalné.

Kryštálová mriežka kovov a kovová väzba

Atómy mnohých kovov majú v najvonkajšej elektrónovej vrstve malý počet valenčných elektrónov, často jeden alebo dva elektróny v orbitáli s, prípadne aj elektróny v orbitáloch p.

Kovová väzba vzniká pôsobením príťažlivých elektrostatických síl medzi kladne nabitými atómovými jadrami s vnútornými elektrónmi (iónovými zvyškami kovu) a spoločnými delokalizovanými valenčnými elektrónmi, ktoré sa môžu pohybovať v rámci kryštálu.

Tieto elektróny tvoria akoby elektrónový oblak prestupujúci celým kryštálom. Kovová väzba zabezpečuje súdržnosť kryštálovej mriežky a vysvetľuje viaceré typické vlastnosti kovov, najmä elektrickú vodivosť a tvárnosť.

V bežných kovových kryštálových štruktúrach môže mať atóm napríklad 8 alebo 12 najbližších susedov, podľa typu kryštálovej mriežky.

Korózia kovov

Korózia kovov je postupné chemické alebo elektrochemické narúšanie kovov vplyvom prostredia, v ktorom sa nachádzajú.

Kovy nie sú na vzduchu rovnako stále. Niektoré si dlhodobo zachovávajú kovový lesk a neporušený povrch, iné podliehajú účinkom vzdušného kyslíka, vodných pár, kyselín či zásad.

Pri korózii môže dôjsť k strate lesku, zmene farby a vzniku vrstvy oxidov, hydroxidov alebo iných zlúčenín na povrchu kovu.

Príklady korózie

• Železo (Fe): na vlhkom vzduchu alebo vo vode postupne stráca lesk a pokrýva sa žltohnedou hrdzou, ktorú tvoria najmä hydratované oxidy a oxyhydroxidy železa.
• Alkalické kovy: sú veľmi reaktívne. Sodík (Na) na čerstvom reze rýchlo stráca svoj kovový lesk a jeho povrch sa pôsobením vzduchu a vlhkosti premieňa na zlúčeniny vrátane hydroxidu a uhličitanu sodného.
• Hliník (Al), zinok (Zn) a cín (Sn): na ich povrchu môže vznikať tenká súvislá vrstva produktov oxidácie, ktorá spomaľuje ďalšie chemické zmeny a pôsobí ako ochrana kovu.

Ochrana kovov pred koróziou

Spôsob ochrany	Podstata a príklady
Ochranné nátery	Najjednoduchší spôsob ochrany. Používajú sa farby, laky a ďalšie povrchové vrstvy, napríklad na zábradliach či mostoch. Pôvodné poznámky spomínajú aj fermežové farby s míniom, ktoré je však toxickou zlúčeninou olova a dnes sa nahrádza bezpečnejšími nátermi.
Smaltovanie	Povrch predmetu, napríklad kovového riadu, je chránený odolnou smaltovou vrstvou.
Pokovovanie	Na povrch menej stáleho kovu sa nanáša vrstva iného kovu. Používa sa napríklad galvanické pokovovanie (niklovanie, chrómovanie). Oceľový plech možno tiež chrániť pozinkovaním vrátane ponárania do roztaveného zinku.
Pasivovanie	Na povrchu kovu sa vytvorí ochranná vrstva, ktorá spomaľuje ďalšiu reakciu. Príkladom je pasivácia železa pôsobením koncentrovanej HNO3.
Použitie odolných zliatin	Zliatiny na báze železa s chrómom alebo niklom môžu lepšie odolávať poveternostným vplyvom a viacerým chemickým činidlám. Ani odolné zliatiny však nie sú za všetkých podmienok úplne chránené pred koróziou.

Pri pozinkovaní sa zinok na povrchu postupne pokrýva ochrannou vrstvou zlúčenín (napríklad oxidov, hydroxidov a zásaditých uhličitanov zinku), ktoré obmedzujú ďalšiu koróziu. Zinok zároveň poskytuje oceľovému podkladu aj elektrochemickú ochranu.

Výskyt kovov v prírode

Rýdze kovy

Rýdze kovy sa v prírode nachádzajú v nezlúčenom stave, pomerne zriedkavo. Ide najmä o niektoré ušľachtilé kovy. Môžu byť vrastené v horninách v podobe šupiniek či drôtikov. Ortuť (Hg) sa môže vyskytovať v drobných kvapôčkach a meď (Cu) aj vo forme kryštálov.

Kovy v zlúčeninách a rudách

Väčšina kovov sa v prírode vyskytuje v zlúčeninách, ktoré tvoria minerály (nerasty) a horniny. Niektoré minerály sa nachádzajú vo veľkých ložiskách a tvoria významnú časť horninového prostredia.

Rudy sú nerasty, horniny alebo iné prírodné materiály, z ktorých je možné hospodársky získavať kovy. Významné sú najmä:

• Oxidové rudy – obsahujú oxidy kovov.
• Sulfidové rudy – obsahujú sulfidy kovov.
• Uhličitanové rudy – obsahujú uhličitany kovov.

Metalurgia – spôsoby získavania kovov

Metalurgia je vedný a technický odbor zaoberajúci sa získavaním kovov z rúd, ich čistením a spracovaním na praktické použitie.

1. Ryžovanie a získavanie rýdzich kovov

Ryžovanie je mechanický spôsob oddeľovania ťažších častíc kovu od ľahšieho okolitého materiálu. Používa sa napríklad pri získavaní zlata (Au) zo zlatonosného piesku.

Pôvodný materiál uvádza aj ďalšie spôsoby získavania zlata a striebra:

• Amalgámový spôsob: využíva vznik amalgámu, teda zliatiny s ortuťou (Hg). Ide o historicky používaný postup, ktorý predstavuje závažné zdravotné a environmentálne riziká.
• Kyanidový spôsob: pri priemyselnom získavaní zlata a striebra z rúd sa využíva ich vylúhovanie pomocou kyanidových roztokov; následne sa získava kov, napríklad pomocou zinku. Kyanidy sú prudko toxické a proces podlieha prísnym bezpečnostným opatreniam.

2. Redukcia zlúčenín kovov

Technicky významné kovy sa často získavajú redukciou ich oxidov. Niektoré sulfidové a uhličitanové rudy sa preto najprv upravujú, napríklad pražením alebo tepelným rozkladom, aby vznikla vhodná zlúčenina na následnú redukciu.

Redukcia uhlíkom alebo oxidom uhoľnatým

Na redukciu sa často používa uhlík (C) vo forme koksu alebo oxid uhoľnatý (CO). Tento princíp sa využíva napríklad pri výrobe železa (Fe) a pri spracovaní niektorých rúd zinku (Zn) a cínu (Sn).

Aluminotermia – redukcia hliníkom

Aluminotermia je redukcia oxidov kovov pomocou hliníka (Al). Hliník má veľkú afinitu ku kyslíku, preto pri zvýšenej teplote môže odoberať kyslík oxidom niektorých kovov, napríklad chrómu (Cr).

Príklad – získavanie chrómu z oxidu chromitého:

Cr₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Cr

Elektrolytická redukcia

Elektrolýza sa využíva pri výrobe veľmi reaktívnych kovov, ktoré nie je vhodné získavať bežnými redukčnými postupmi. Pôvodný materiál uvádza najmä zlúčeniny:

• Oxidy: napríklad Al₂O₃ pri výrobe hliníka (v priemysle sa oxid hlinitý rozpúšťa v tavenine vhodných fluoridov).
• Hydroxidy: napríklad NaOH alebo KOH pri niektorých elektrolytických postupoch.
• Chloridy: napríklad NaCl alebo KCl pri elektrolýze ich tavenín.

Komplexné spracovanie rúd

Niektoré rudy a minerály obsahujú zlúčeniny viacerých kovov, napríklad germánia, titánu alebo uránu. Preto sa pri ich spracovaní získavajú aj cenné vedľajšie produkty.

Príkladom je chalkopyrit (CuFeS₂), významná medená ruda, ktorá obsahuje meď (Cu) a železo (Fe). V prírodných rudách sa môžu nachádzať aj menšie množstvá ďalších kovov, napríklad striebra (Ag), zlata (Au), ortuti (Hg), niklu (Ni) alebo zinku (Zn). Tieto zložky sa môžu pri výrobe medi oddeliť, osobitne vyčistiť a ďalej spracovať.

Na zapamätanie

• Kovy predstavujú väčšinu známych chemických prvkov a sú dobrými vodičmi tepla a elektrického prúdu.
• Kujnosť a ťažnosť umožňujú tvarovať kovy na plechy a drôty.
• Zliatiny často poskytujú výhodnejšie vlastnosti než čisté kovy.
• Elektrochemický rad napätia kovov pomáha vysvetliť rozdiely v reaktivite kovov.
• Kovová väzba súvisí s delokalizovanými elektrónmi v kryštálovej mriežke.
• Korózia je narúšanie kovov pôsobením prostredia. Spomaľujú ju ochranné nátery, pokovovanie, pasivácia či vhodné zliatiny.
• Metalurgia zahŕňa získavanie kovov z rúd a ich spracovanie; využíva napríklad redukciu či elektrolýzu.