Kovy, které tvoří většinu chemických prvků v periodické tabulce, patří mezi nejuniverzálnější a nejužitečnější známé látky. Vývoj technologií zpracování kovů k vytváření materiálů byl pravděpodobně jedním z nejdůležitějších pokroků v historii lidstva. Kovy jsou v moderním světě všudypřítomné. Mosty, mrakodrapy, přehrady a auta – většina průmyslových a velkých staveb se skládá zcela nebo alespoň částečně z kovů a kovy jsou nezbytnou součástí většiny moderní elektroniky.
Přesto je pojem „kov“ velmi široký a zahrnuje řadu látek s různými vlastnostmi, například olovo (hustý těžký kov), rtuť (kov, který je kapalný) a sodík (měkký kov, který lze krájet nožem). Co tedy dělá kov kovem a jaké jsou některé vlastnosti kovů, které je činí tak užitečnými?
Co jsou to kovy?
V chemii se termín „kov“ obvykle používá pro prvky, které zaujímají skupiny 3-12 v d-bloku periodické tabulky. Tyto prvky se někdy nazývají „přechodné kovy“. Kovy se od nekovů odlišují svými vlastnostmi. Mezi běžné vlastnosti kovů patří:
- Tvrdost – kovy bývají tvrdé a odolné proti deformaci
- Kujnost & Tažnost – kovy se mohou ohýbat a měnit tvar bez porušení
- Vodivost – kovy bývají dobrými vodiči tepla a elektřiny
- Lesk – kovy mají jedinečný, lesklý vzhled
- Magnetismus – mnoho kovů je feromagnetických nebo paramagnetických
Kromě těchto fyzikálních vlastností mají kovy také specifické chemické vlastnosti. Kovy mají obvykle nízké ionizační energie a snadno tvoří kladné ionty. Většina kovů má zásaditý charakter a reaguje s kyselinami za vzniku solí a vody.
Kovy tvoří naprostou většinu prvků v periodické tabulce prvků. Asi 91 ze 118 známých prvků je klasifikováno jako kovy. Šest prvků (bór, křemík, germanium, arsen, antimon a tellur) se běžně klasifikuje jako metaloidy a mají směs kovových a nekovových vlastností.
Co dělá kov kovem?“
Zatím jsme uvedli jen několik společných vlastností, které mají kovy. Další otázka zní: Proč mají kovy vlastnosti, které mají? To znamená, co je to za strukturu kovových prvků, která vysvětluje jejich běžně pozorované vlastnosti?
Jedinečné vlastnosti kovů lze vysvětlit pomocí jejich atomové a elektronové struktury. Prvky v d-bloku periodické tabulky mají tendenci mít v elektronovém obalu více prázdných orbitalů. Když se atomy kovů spojí, jejich elektrony se delokalizují a jsou rovnoměrně rozděleny mezi atomy. Kov si můžeme představit jako mřížku kladně nabitých kationtů obklopenou „mořem“ elektronů. Velký počet prázdných elektronových orbitalů znamená, že elektrony mohou snadno přecházet z atomu na atom. Právě delokalizovaná povaha kovových vazeb vysvětluje jedinečné vlastnosti kovů.
V následující části se podrobně podíváme na některé klíčové vlastnosti kovů a vysvětlíme, jak vyplývají z jejich atomové a elektronové struktury
5 Úžasné vlastnosti kovů
Tvrdost
Přímo řečeno, ne všechny kovy jsou za standardních teplot a tlaků tvrdé. Rtuť je při pokojové teplotě kapalná a galium se vám za horkého dne roztaví v dlani. Některé kovy, například sodík a draslík, jsou velmi měkké a dají se krájet nožem jako koláč.
Mnoho kovů je však známých tím, že jsou houževnaté a odolné vůči mechanické deformaci. Tato houževnatost je jedním z důvodů, proč jsou kovy tak užitečné pro průmyslové a rozsáhlé aplikace. Tvrdost kovů lze vysvětlit způsobem uspořádání jejich atomů vůči sobě. Většina kovů má velmi silnou mezimolekulární přitažlivost, která způsobuje, že se jejich atomy k sobě velmi těsně přitahují. Protože jsou atomy tak blízko u sebe, je mezi nimi velmi málo místa a při působení vnější síly se nemohou příliš pohybovat. Stejný princip vysvětluje typicky vysokou pevnost kovů v tahu.
Těsné fyzikální uspořádání atomů také vysvětluje, proč jsou kovy obvykle husté a těžké. Hustota je mírou množství hmoty na jednotku objemu. Když jsou atomy velmi blízko u sebe, připadá na jednotku objemu velké množství hmoty, proto jsou kovy husté
Tvárnost &Tvárnost
Jednou z klíčových vlastností kovů, která je činí tak užitečnými, je to, že je lze tvarovat a tvarovat, aniž by se lámaly nebo ztrácely houževnatost. Kovy jsou velmi kujné, což znamená, že je lze stlačit nebo zploštit, aniž by praskly nebo se roztříštily. Například zlato je velmi kujný kov. Jediný kus zlata o velikosti krabičky od sirek lze zploštit na plát o velikosti tenisového kurtu. Tvárnost označuje schopnost látky tvarovat se, aniž by ztratila houževnatost. Kovy jsou tvárné, protože je lze tvarovat do nových struktur bez ztráty pevnosti.
Kujnost a tažnost kovů se vysvětluje delokalizovanou povahou kovových vazeb. Protože jsou elektrony delokalizované, mohou se pláty kovových atomů posouvat proti sobě, aniž by se porušily chemické vazby. To je přesný opak toho, co by se mohlo stát například v křehké iontové sloučenině. V iontové sloučenině jsou atomy uzamčeny do pevné struktury, kde jsou kladné a záporné ionty vzájemně vyrovnány. Když se jedna vrstva silou posune, kladné a záporné ionty se rozladí a odpuzují se. Odpuzování způsobuje, že se látka láme.
Tepelná & Elektrická vodivost
Kovy jsou také známé jako vodivé, což znamená, že mohou dobře uchovávat a přenášet teplo a elektřinu. Schopnost kovů uchovávat a přenášet teplo a elektřinu se nazývá tepelná a elektrická vodivost.
Tepelná vodivost
Kovy jsou známé jako dobré tepelné vodiče. Tepelná vodivost vysvětluje, proč můžete kovovou pánev zahřát na sporáku a použít ji k vaření. Teplo ze sporáku se přenáší na kovovou pánev. Toto teplo se pak při vaření přenáší na jídlo. Kovy jsou dobrými tepelnými vodiči, protože jejich těsná atomová struktura velmi účinně absorbuje kinetickou energii. Teplo je v podstatě jen pohyb molekul. Zahřívání je totéž jako zrychlení pohybu molekul, ze kterých se skládá. Protože atomy kovů jsou velmi těsně u sebe, pohyb (teplo) jakéhokoli atomu se snadno přenáší na jeho sousedy.
Elektrická vodivost
Kovy jsou dobrými vodiči elektřiny díky svým volně se pohybujícím delokalizovaným elektronům. Když na kov přivedeme elektrické napětí, vyvolá elektrické pole pohyb elektronových nábojů. Protože jsou elektrony delokalizované, pohybují se pod vlivem elektronového pole velmi snadno. Ve vodivých kovech proudí elektrony vždy od záporného pólu ke kladnému.
Lesk
Kovy jsou také známé svým jedinečným vizuálním vzhledem. Na světle mají kovy charakteristický lesklý vzhled. Tento estetický lesk kovů, jako je zlato, stříbro a platina, vysvětluje jejich hodnotu a použití ve šperkařství a při zdobení.
Lesk kovů lze vysvětlit interakcí světla a elektronů. V kovech jsou elektrony delokalizované a mohou se volně pohybovat. Když na jejich povrch dopadne světlo (jakékoli EM záření), elektrony absorbují fotony a přejdou do excitovaného energetického stavu. Když se elektron vrátí do základního stavu, uvolní část energie ve formě fotonu. Protože množství energie v systému musí zůstat konstantní, má foton vyzářený elektronem stejnou frekvenci jako foton, který byl původně elektronem pohlcen. Lidské oko tento proces vnímá jako lesklý reflexní odlesk spojovaný s kovy.
Magnetismus
Další charakteristickou vlastností kovů je jejich schopnost vytvářet magnetické pole a nechat se jím ovlivňovat. Základním aspektem elektronů je, že vytvářejí magnetický dipól; tj. oblast magnetického působení s kladným a záporným pólem. Za normálních podmínek jsou elektrony v kovech rozházené, takže jejich dipóly nejsou navzájem v jedné linii.
Vlivem vnějšího magnetického pole se však elektrony orientují tak, že všechny jejich dipóly směřují stejným směrem. Výsledkem kumulativního působení dipólů je makroskopické magnetické pole, které může objekty tlačit a přitahovat. Kovy jsou náchylné ke zmagnetování, protože mají mnoho otevřených elektronových orbitalů. Protože je v kovech mnoho otevřených orbitalů, mohou se elektrony často pohybovat a měnit orientaci, takže je snazší jejich magnetické pole vyrovnat.
Materiály, které se vlivem vnějšího magnetického pole zmagnetují, se nazývají paramagnetické. Vyzkoušejte si tento pokus doma: Vezměte si šroubovák, několik jehel a kuchyňský magnet. Dotyk jehel s hrotem šroubováku nic neudělá, protože nedochází k žádné přitažlivosti. Poté jehly na minutu nebo dvě přidržte u kuchyňského magnetu. Když jehly sundáte, měli byste zjistit, že jsou nyní přitahovány k hrotu šroubováku. Je to proto, že magnetické pole kuchyňského magnetu přeskupí elektrony v jehle tak, že se všechny jejich magnetické póly srovnají.
Většina paramagnetických materiálů nezůstane zmagnetizovaná donekonečna. Náhodné tepelné fluktuace v materiálu nakonec způsobí, že se dipóly opět nesrovnají. Některé materiály jsou schopny zachovat si své magnetické vlastnosti i po odstranění magnetického pole. Tyto druhy materiálů se nazývají feromagnetické. Nikl a železo jsou dva druhy feromagnetických kovů.