Chemické prvky, ktoré tvoria vo voľnom stave jednoduché látky s kovovou väzbou (pozri Chemická väzba). Zo 110 známych chemických prvkov (pozri Periodickú tabuľku chemických prvkov) je 88 kovov a len 22 nekovov.

Kovy ako zlato, striebro a meď poznal človek už od praveku. V staroveku a stredoveku sa verilo, že existuje iba 7 kovov (zlato, striebro, meď, cín, olovo, železo a ortuť). M. V. Lomonosov definoval kov ako „ľahké teleso, ktoré sa dá kovať“ a kovom pripísal zlato, striebro, meď, cín, železo a olovo. A. Lavoisier vo svojom „Základnom kurze chémie“ (1789) spomínal už 17 kovov. Na začiatku XIX storočia. nasledoval objav platinových kovov, potom alkálií, kovov alkalických zemín a množstvo ďalších.

Triumfom periodického zákona bol objav kovov, ktoré na jeho základe predpovedal D. I. Mendelejev – gálium, skandium a germánium. V polovici XX storočia. pomocou jadrových reakcií sa získali transuránové prvky - rádioaktívne kovy, ktoré sa v prírode nevyskytujú.

Moderná metalurgia prijíma viac ako 60 kovov a viac ako 5 000 zliatin na ich základe.

Štruktúra kovov je založená na kryštálovej mriežke kladných iónov, ponorených do hustého plynu mobilných elektrónov. Tieto elektróny kompenzujú elektrické odpudzujúce sily medzi kladnými iónmi a tým ich viažu na pevné látky.

Tento typ chemickej väzby sa nazýva kovová väzba. Určila najdôležitejšie fyzikálne vlastnosti kovov: plasticitu, elektrickú vodivosť, tepelnú vodivosť, kovový lesk.

Plasticita je schopnosť kovov zmeniť tvar po náraze, zvinúť sa do tenkých plátov a natiahnuť sa na drôt. V tomto prípade sú atómy a ióny kryštálovej mriežky premiestnené, ale väzby medzi nimi nie sú prerušené, pretože elektróny, ktoré tvoria väzbu, sa tiež pohybujú zodpovedajúcim spôsobom. Plasticita kovov klesá v rade Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe. Zlato sa dá napríklad zvinúť do plátov s hrúbkou až 0,003 mm, ktoré sa používajú na pozlátenie.

Vysoká elektrická vodivosť kovov sa vysvetľuje prítomnosťou voľných elektrónov, ktoré sa pod vplyvom aj malého potenciálového rozdielu pohybujú zo záporného pólu na kladný. Ako teplota stúpa, vibrácie kovových iónov a atómov sa zvyšujú, čo bráni pohybu elektrónov a tým vedie k zníženiu elektrickej vodivosti. Pri nízkych teplotách sa vibračný pohyb iónov a atómov naopak výrazne znižuje a elektrická vodivosť sa zvyšuje. V blízkosti absolútnej nuly elektrický odpor kovov prakticky chýba. Najlepším vodičom elektriny je striebro, po ňom nasleduje meď, zlato, hliník a železo. Mení sa aj tepelná vodivosť kovov, čo je spôsobené jednak vysokou pohyblivosťou voľných elektrónov a jednak oscilačným pohybom iónov, vďaka čomu sa teplota v hmote kovu rýchlo vyrovnáva. Kovový lesk je tiež spojený s prítomnosťou voľných elektrónov.

Z ostatných fyzikálnych vlastností kovov má najväčší praktický význam hustota, teplota topenia a tvrdosť. Najľahším z kovov je lítium (hustota 0,53 g/cm3), najťažším osmium (22,6 g/cm3). Kovy s hustotou menšou ako 5 g / cm3 sa nazývajú ľahké, zvyšok - ťažký. Teploty topenia kovov sa veľmi líšia: cézium a gálium sa dajú roztaviť teplom dlaní a bod topenia volfrámu je +3410 °C. Za normálnych podmienok je jediným tekutým kovom ortuť. V parnom stave sú všetky kovy monatomické, ich kryštálová mriežka je zničená.

Kovy sa líšia tvrdosťou. Najtvrdší z nich - chróm - reže sklo a najjemnejší - draslík, rubídium a cézium - sa ľahko krája nožom. Pevnosť, teplota topenia a tvrdosť závisia od pevnosti kovového spoja. Je obzvlášť vysoký pre ťažké kovy.

V technológii sa zliatiny na báze železa, t. j. liatina, oceľ a samotné železo nazývajú železné kovy, všetky ostatné kovy sa nazývajú neželezné. Existujú aj iné klasifikácie kovov (pozri Periodický systém chemických prvkov).

Chemické vlastnosti kovov určuje slabá väzba valenčných elektrónov s atómovým jadrom. Atómy ich relatívne ľahko rozdávajú a menia sa na kladne nabité ióny. Preto sú kovy dobrými redukčnými činidlami. Toto je ich hlavná a najbežnejšia chemická vlastnosť.

Je zrejmé, že ako redukčné činidlá musia kovy reagovať s rôznymi oxidačnými činidlami, medzi ktorými môžu byť jednoduché látky (nekovy), kyseliny, soli menej aktívnych kovov a niektoré ďalšie látky. Zlúčeniny kovov s kyslíkom sa nazývajú oxidy, s halogénmi halogenidy, so sírou - sulfidy, s dusíkom - nitridy, s fosforom - fosfidy, s uhlíkom - boridy, s vodíkom - hydridy atď. Mnohé z týchto zlúčenín našli významné uplatnenie v technike.

Keď kovy interagujú s kyselinami, oxidačným činidlom je vodíkový ión H +, ktorý prijíma elektrón z atómu kovu:

Mg - 2e - \u003d Mg 2+

_________________

Mg + 2H+ = Mg2+ + H2

Kovy stojace v sérii štandardných elektródových potenciálov (séria napätí) naľavo od vodíka zvyčajne vytláčajú (redukujú) vodík zo zriedených kyselín, ako je HCl alebo H2SO4, a kovy napravo od vodíka ho nevytláčajú.

Interakciu kovov s vodnými roztokmi solí menej aktívnych kovov možno ilustrovať na príklade:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Сu

V tomto prípade sa elektróny oddeľujú od atómov aktívnejšieho kovu, zinku, a dochádza k ich adícii menej aktívnymi iónmi Cu2+. Na základe množstva štandardných elektródových potenciálov môžeme povedať, že kov vytláča (obnovuje) mnohé z nasledujúcich kovov z roztokov ich solí.

Aktívne kovy (alkalické a alkalické zeminy) tiež interagujú s vodou, ktorá v tomto prípade pôsobí ako oxidačné činidlo.

Kovy, hydroxidy, ktoré sú amfotérne (pozri Amfoterickosť), spravidla interagujú s roztokmi kyselín aj zásad.

Kovy môžu navzájom vytvárať chemické zlúčeniny. Takéto zlúčeniny zvyčajne tvoria typické kovy s kovmi so slabými kovovými vlastnosťami, ako sú určité zlúčeniny sodíka s olovom:

Na5Pb2, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

Zlúčeniny niektorých kovov s inými sa súhrnne nazývajú intermetalické zlúčeniny, intermetalické zlúčeniny alebo metalidy.

Uvažované vlastnosti kovov spojené so spätným rázom elektrónov pri chemických reakciách sa nazývajú kovové. Všetky chemické prvky ich majú v rôznej miere. Kovové vlastnosti sa posudzujú porovnaním elektronegativity prvkov. Táto hodnota, vyjadrená v ľubovoľných jednotkách, charakterizuje schopnosť atómu v molekule priťahovať elektróny. Relatívne hodnoty elektronegativity prvkov sú uvedené v tabuľke. Čím nižšia je elektronegativita, tým výraznejšie sú kovové vlastnosti prvkov.

Viete, že väčšina chemických prvkov je klasifikovaná ako kovy – 92 zo 114 známych prvkov.

Kovy - sú to chemické prvky, ktorých atómy darujú elektróny vonkajšej (a niektoré predvonkajšej) elektrónovej vrstvy a menia sa na kladné ióny.

Táto vlastnosť atómov kovu, ako viete, je určená skutočnosťou, že majú relatívne veľké polomery a malý počet elektrónov (hlavne od 1 do 3) na vonkajšej vrstve.

Výnimkou je 6 kovov: atómy germánia, cínu, olova na vonkajšej vrstve majú 4 elektróny, atómy antimónu, bizmutu -5, atómy polónia - 6.

Atómy kovov sa vyznačujú nízkymi hodnotami elektronegativity (od 0,7 do 1,9) a výlučne redukčnými vlastnosťami, to znamená schopnosťou darovať elektróny.

Už viete, že v Periodickej tabuľke chemických prvkov D. I. Mendelejeva sú kovy pod bór-astatínovou uhlopriečkou, ja som tiež nad ňou vo vedľajších podskupinách. V periódach a podskupinách hliny sú vám známe zákonitosti pri zmene kovových, a teda redukčných vlastností atómov prvkov.

Chemické prvky nachádzajúce sa v blízkosti diagonály bór-astat majú dvojaké vlastnosti: v niektorých zlúčeninách sa správajú ako kovy, v iných vykazujú vlastnosti nekovu.

V sekundárnych podskupinách redukčné vlastnosti kovov najčastejšie klesajú so zvyšujúcim sa sériovým číslom. Porovnajte aktivitu kovov I. skupiny Vám známej vedľajšej podskupiny: Cu, Ag, Au; II skupina sekundárnej podskupiny - a uvidíte sami.

V minerálnom a organickom „živote“ Zeme hrajú dôležitú úlohu jednoduché látky tvorené chemickými prvkami – kovmi, a zložité látky s obsahom kovov. Stačí pripomenúť, že atómy (žiadne) kovových prvkov sú neoddeliteľnou súčasťou zlúčenín, ktoré určujú metabolizmus v tele ľudí, zvierat a rastlín.

Sodíkové ióny napríklad regulujú obsah vody v tele, prenos nervových vzruchov. Jeho nedostatok vedie k bolestiam hlavy, slabosti, zlej pamäti, strate chuti do jedla a jeho nadbytok vedie k zvýšeniu krvného tlaku, hypertenzii a srdcovým chorobám. Odborníci na výživu odporúčajú skonzumovať maximálne 5 g (1 čajová lyžička) kuchynskej soli (NaCl) na dospelého a deň. Vplyv kovov na stav zvierat a rastlín možno nájsť v tabuľke 16.

Jednoduché látky - kovy
S rozvojom výroby kovov (jednoduchých látok) a zliatin súvisel aj vznik civilizácie („doba bronzová“, doba železná).

Obrázok 38 ukazuje diagram kryštálovej mriežky kovového sodíka. V ňom je každý atóm sodíka obklopený ôsmimi susednými. Atómy sodíka, ako všetky kovy, majú veľa voľných valenčných orbitálov a málo valenčných elektrónov.

Jediný valenčný elektrón atómu sodíka Zs 1 môže obsadiť ktorýkoľvek z deviatich voľných orbitálov, pretože sa energetickou hladinou príliš nelíšia. Keď sa atómy približujú k sebe, keď sa vytvorí kryštálová mriežka, valenčné orbitály susedných atómov sa prekrývajú, vďaka čomu sa elektróny voľne pohybujú z jedného orbitálu do druhého a vytvárajú spojenie medzi všetkými atómami kovového kryštálu.

Tento typ chemickej väzby sa nazýva kovová väzba. Kovovú väzbu tvoria prvky, ktorých atómy na vonkajšej vrstve majú málo valenčných elektrónov v porovnaní s veľkým počtom vonkajších energeticky blízkych orbitálov. Ich valenčné elektróny sú slabo držané v atóme. Elektróny, ktoré vykonávajú spojenie, sú socializované a pohybujú sa v kryštálovej mriežke neutrálneho kovu ako celku.

Látky s kovovou väzbou sú charakterizované kovovými kryštálovými mriežkami, ktoré sú zvyčajne schematicky znázornené ako kliešte, ako je znázornené na obrázku, uzly sú katióny a atómy kovov. Zdieľané elektróny elektrostaticky priťahujú kovové katióny nachádzajúce sa v uzloch ich kryštálovej mriežky, čím zabezpečujú jej stabilitu a pevnosť (zdieľané elektróny sú zobrazené ako malé čierne guľôčky).
Kovová väzba je väzba v kovoch a zliatinách medzi kovovými atómovými iónmi umiestnenými v uzloch kryštálovej mriežky, ktorá je realizovaná socializovanými valenčnými elektrónmi.

Niektoré kovy kryštalizujú v dvoch alebo viacerých kryštalických formách. Táto vlastnosť látok - existovať v niekoľkých kryštalických modifikáciách - sa nazýva polymorfizmus. Polymorfizmus jednoduchých látok je vám známy ako alotropia.

Cín má dve kryštalické modifikácie:
. alfa - stabilný pod 13,2 ºС s hustotou р - 5,74 g/cm3. Toto je sivý plech. Má kryštálovú mriežku ako diamant (atómový):
. betta - stabilná nad 13,2 ºС s hustotou p - 6,55 g/cm3. Toto je biely plech.

Biely cín je veľmi mäkký kov. Pri ochladení pod 13,2 ºС sa rozpadá na sivý prášok, pretože pri prechode | 1 » n sa jeho špecifický objem výrazne zvyšuje. Tento jav sa nazýva cínový mor. Samozrejme, mal by ich určiť a vysvetliť špeciálny typ chemickej väzby a typ kryštálovej mriežky kovov. fyzikálne vlastnosti.

Čo sú zač? Sú to kovový lesk, plasticita, vysoká elektrická vodivosť a tepelná vodivosť, nárast elektrického odporu so zvyšujúcou sa teplotou, ako aj také prakticky významné vlastnosti, ako je hustota, body topenia a varu, tvrdosť a magnetické vlastnosti.
Pokúsme sa vysvetliť dôvody, ktoré určujú základné fyzikálne vlastnosti kovov. Prečo sú kovy plastové?

Mechanické pôsobenie na kryštál s kovovou kryštálovou mriežkou spôsobuje vzájomné posunutie vrstiev iónových atómov, pretože elektróny sa pohybujú v kryštáli, väzby sa nelámu, preto sa kovy vyznačujú väčšou plasticitou.

Podobný účinok na pevnú látku s kovalentnými väzbami (atómová kryštálová mriežka) vedie k rozpadu kovalentných väzieb. Rozbitie väzieb v iónovej mriežke vedie k vzájomnému odpudzovaniu podobne nabitých iónov (obr. 40). Preto sú látky s atómovými a iónovými kryštálovými mriežkami krehké.

Najplastickejšie kovy sú Au, Af, Cu, Sn, Pb, Zn. Ľahko sa ťahajú do drôtu, dajú sa kovať, lisovať, zvinúť do plátov.Napríklad zlatú fóliu s hrúbkou 0,008 nm možno vyrobiť zo zlata a z 0,5 g tohto kovu vytiahnuť niť dlhú 1 km.

Dokonca aj ortuť, ktorá, ako viete, je pri izbovej teplote kvapalná, sa pri nízkych teplotách v pevnom stave stáva tvárnou ako olovo. Len Bi a Mn nemajú plasticitu, sú krehké.

Prečo majú kovy charakteristický lesk a sú aj nepriehľadné?
Elektróny, ktoré vyplňujú medziatómový priestor, odrážajú svetelné lúče (a neprepúšťajú, ako sklo) a väčšina kovov rovnako rozptyľuje všetky lúče viditeľnej časti spektra. Preto majú striebristo bielu alebo sivú farbu. Stroncium, zlato a meď vo väčšej miere absorbujú krátke vlnové dĺžky (blízko fialovej) a odrážajú dlhé vlnové dĺžky svetelného spektra, preto majú svetložltú, žltú a medenú farbu.

Hoci v praxi, viete, kov sa nám vždy nezdá byť ľahkým telom. Po prvé, jeho povrch môže oxidovať a stratiť lesk. Preto natívna meď vyzerá ako zelenkastý kameň. A po druhé, ani čistý kov sa nemusí lesknúť. Veľmi tenké pláty striebra a zlata majú úplne nečakaný vzhľad – majú modrozelenú farbu. A jemné kovové prášky sa javia ako tmavosivé, dokonca čierne.

Najvyššiu odrazivosť majú striebro, hliník, paládium. Používajú sa pri výrobe zrkadiel vrátane reflektorov.
Prečo majú kovy vysokú elektrickú vodivosť a tepelnú vodivosť?

Chaoticky sa pohybujúce elektróny v kove pod vplyvom aplikovaného elektrického napätia získavajú usmernený pohyb, to znamená, že vedú elektrický prúd. So zvyšujúcou sa teplotou metamošiek sa zvyšujú amplitúdy vibrácií atómov a iónov nachádzajúcich sa v uzloch kryštálovej mriežky. To sťažuje pohyb elektrónov a znižuje sa elektrická vodivosť kovu. Pri nízkych teplotách sa kmitavý pohyb naopak výrazne znižuje a elektrická vodivosť kovov sa prudko zvyšuje. V blízkosti absolútnej nuly nie je v kovoch prakticky žiadny odpor a vo väčšine kovov sa objavuje supravodivosť.

Treba poznamenať, že nekovy s elektrickou vodivosťou (napríklad grafit) pri nízkych teplotách naopak nevedú elektrický prúd kvôli absencii voľných elektrónov. A až so zvýšením teploty a zničením niektorých kovalentných väzieb sa ich elektrická vodivosť začne zvyšovať.

Najvyššiu elektrickú vodivosť má striebro, meď, ale aj zlato, hliník, najnižšiu mangán, olovo a ortuť.

Najčastejšie sa s rovnakou pravidelnosťou ako elektrická vodivosť mení tepelná vodivosť kovov.

Sú spôsobené vysokou pohyblivosťou voľných elektrónov, ktoré si pri zrážke s vibrujúcimi iónmi a atómami vymieňajú energiu. Preto dochádza k vyrovnaniu teploty v celom kuse kovu.

Mechanická pevnosť, hustota, teplota topenia kovov sú veľmi odlišné. Okrem toho so zvýšením počtu elektrónov, ktoré viažu ióny-atómy, a znížením medziatómovej vzdialenosti v kryštáloch sa ukazovatele týchto vlastností zvyšujú.

Takže alkalické kovy, ktorých atómy majú jeden valenčný elektrón, sú mäkké (rezané nožom), s nízkou hustotou (lítium je najľahší kov s p - 0,53 g / cm3) a topia sa pri nízkych teplotách (napríklad bod topenia cézia je 29 "C) Jediný kov, ktorý je za bežných podmienok kvapalný - ortuť - má teplotu topenia 38,9 "C.

Vápnik, ktorý má dva elektróny na vonkajšej energetickej úrovni atómov, je oveľa tvrdší a topí sa pri vyššej teplote (842 ° C).

Ešte viac klenutá je kryštálová mriežka tvorená atómami skandia, ktoré majú tri valenčné elektróny.

Ale najsilnejšie kryštálové mriežky, vysoké hustoty a teploty topenia sú pozorované v kovoch sekundárnych podskupín skupín V, VI, VII, VIII. Toto je vysvetlené tým. že pre kovy postranných podskupín s neuloženými valenčnými elektrónmi na d-podúrovni je okrem kovovej charakteristická tvorba veľmi silných kovalentných väzieb medzi atómami, uskutočňovaná elektrónmi vonkajšej vrstvy z s-orbitálov.

Pamätajte, že najťažším kovom je osmium (súčasť supertvrdých zliatin odolných voči opotrebovaniu), najžiaruvzdornejším kovom je volfrám (používa sa na výrobu vlákien lámp), najtvrdším kovom je chróm Cr (poškriabaniu skla). Sú súčasťou materiálov, z ktorých sa vyrábajú kovoobrábacie nástroje, brzdové doštičky ťažkých strojov a pod.

Kovy sa líšia vzhľadom na magnetické polia. Ale toto znamenie sú rozdelené do troch skupín:
. feromagnetické Schopné magnetizovať pod vplyvom aj slabých magnetických polí (železo - alfa forma, kobalt, nikel, gadolínium);

Paramagnetické vykazujú slabú schopnosť magnetizovať (hliník, chróm, titán, takmer všetky lantanoidy);

Diamagnetické magnety nie sú priťahované, dokonca sa od neho mierne odpudzujú (cín, vlákna, bizmut).

Pripomeňme, že pri uvažovaní o elektrónovej štruktúre kovov sme kovy rozdelili na kovy hlavných podskupín (k- a p-prvky) a kovy sekundárnych podskupín.

V strojárstve je obvyklé klasifikovať kovy podľa rôznych fyzikálnych vlastností:

a) hustota - svetlo (str< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);

b) teplota topenia - taviteľné a žiaruvzdorné.

Existujú klasifikácie kovov podľa chemických vlastností.
Kovy s nízkou chemickou aktivitou sa nazývajú ušľachtilé (striebro, zlato, platina a jej analógy - osmium, irídium, ruténium, paládium, ródium).
Podľa blízkosti chemických vlastností, alkálie (kovy skupiny I hlavnej podskupiny), alkalické zeminy (vápnik, stroncium, bárium, rádium), ako aj kovy vzácnych zemín (skandium, ytrium, lantán a lantanidy, aktínium a aktinidy) sa rozlišujú.

Všeobecné chemické vlastnosti kovov
Atómy kovov sa relatívne ľahko vzdávajú valenčných elektrónov a prechádzajú do kladne nabitých non, to znamená, že sú oxidované. Toto, ako viete, je hlavnou spoločnou vlastnosťou atómov aj jednoduchých kovových látok.

Kovy v chemických reakciách sú vždy redukčným činidlom. Prirodzene sa mení redukčná schopnosť atómov jednoduchých látok – kovov, tvorených chemickými prvkami jedného obdobia alebo jednej hlavnej podskupiny Periodickej sústavy D. I. Mendelejeva.

Redukčná aktivita kovu v chemických reakciách, ktoré sa vyskytujú vo vodných roztokoch, odráža jeho pozíciu v elektrochemickej sérii kovových napätí.

1. Čím viac vľavo je kov v tomto rade, tým silnejšie je redukčné činidlo.
2. Každý kov je schopný vytesniť (obnoviť) zo solí v roztoku tie kovy, ktoré sú za ním (vpravo) v sérii napätí.
3. Kovy, ktoré sú v sérii napätí naľavo od vodíka, sú schopné vytesniť ho z kyselín v roztoku.
4. Kovy, ktoré sú najsilnejšími redukčnými činidlami (alkalické a alkalické zeminy), v akýchkoľvek vodných roztokoch interagujú primárne s vodou.

Redukčná aktivita kovu stanovená z elektrochemického radu nie vždy zodpovedá jeho pozícii v periodickej tabuľke. Toto je vysvetlené tým. Že pri určovaní polohy kovu v sérii napätí sa berie do úvahy nielen energia odtrhnutia elektrónov od jednotlivých atómov, ale aj energia vynaložená na deštrukciu kryštálovej mriežky, ako aj energia uvoľnená pri hydratácia iónov.

Po zvážení všeobecných ustanovení charakterizujúcich redukčné vlastnosti kovov sa obraciame na špecifické chemické reakcie.

Interakcia s jednoduchými nekovovými látkami
1. S kyslíkom väčšina kovov tvorí oxidy – zásadité a amfotérne.

Lítium a kovy alkalických zemín reagujú so vzdušným kyslíkom za vzniku zásaditých oxidov.
2. S halogénmi tvoria kovy soli halogenovodíkových kyselín.

3. Najaktívnejšie kovy tvoria s vodíkom hydridy - iónové soli, jednu z bežných látok, v ktorých má vodík oxidačný stav -1, napríklad: hydrid vápenatý.

4. Kovy tvoria so sírou soli – sulfidy.

5. Kovy reagujú s dusíkom o niečo ťažšie, pretože chemická väzba v molekule dusíka Г^r je veľmi silná a tvoria sa nitridy. Pri bežných teplotách interaguje s dusíkom iba lítium.
Interakcia s komplexnými látkami
1. S vodou. Alkalické kovy a kovy alkalických zemín za normálnych podmienok vytláčajú vodík z vody a tvoria rozpustné alkalické zásady.

Iné kovy, stojace v sérii napätí až po vodík, môžu tiež za určitých podmienok vytlačiť vodík z vody. Ale hliník násilne interaguje s vodou iba vtedy, ak je z jeho povrchu odstránený oxidový film.
Horčík interaguje s vodou iba pri varení a tiež sa uvoľňuje vodík. Ak sa do vody pridá horiaci horčík, spaľovanie pokračuje, ako reakcia prebieha: vodík horí. Železo interaguje s vodou iba pri zahrievaní.
2. Kovy, ktoré sú v sérii napätí až po vodík, interagujú s kyselinami v roztoku. To produkuje soľ a vodík. Ale olovo (a niektoré ďalšie kovy) sa napriek svojej polohe v sérii napätia (naľavo od vodíka) takmer nerozpúšťa v zriedenej kyseline sírovej, pretože výsledný síran olovnatý PbSO je nerozpustný a vytvára na povrchu kovu ochranný film. .

3. So soľami menej aktívnych kovov v roztoku. V dôsledku takejto reakcie sa vytvorí soľ aktívnejšieho kovu a menej aktívny kov sa uvoľní vo voľnej forme.

4. S organickými látkami. Interakcia s organickými kyselinami je podobná reakciám s minerálnymi kyselinami. Alkoholy na druhej strane môžu pri interakcii s alkalickými kovmi vykazovať slabé kyslé vlastnosti.
Kovy sa zúčastňujú reakcií s halogénalkánmi, ktoré sa používajú na získanie nižších cykloalkánov a na syntézy, pri ktorých sa uhlíkový skelet molekuly stáva zložitejším (reakcia A. Wurtz):

5. Kovy, ktorých hydroxidy sú amfotérne, interagujú s alkáliami v roztoku.
6. Kovy môžu medzi sebou vytvárať chemické zlúčeniny, ktoré sa súhrnne nazývajú intermetalické zlúčeniny. Najčastejšie nevykazujú oxidačné stavy atómov, ktoré sú charakteristické pre zlúčeniny kovov s nekovmi.

Intermetalické zlúčeniny zvyčajne nemajú stále zloženie, chemická väzba je v nich najmä kovová. Tvorba týchto zlúčenín je typickejšia pre kovy sekundárnych podskupín.

Oxidy a hydroxidy kovov
Oxidy tvorené typickými kovmi sú klasifikované ako soľotvorné, majú zásaditý charakter vlastností.

Oxidy a hydroxidy niektorých kovov sú amfotérne, to znamená, že môžu vykazovať zásadité aj kyslé vlastnosti v závislosti od látok, s ktorými interagujú.

Napríklad:

Mnohé kovy sekundárnych podskupín, ktoré majú v zlúčeninách premenlivý oxidačný stav, môžu vytvárať viaceré oxidy a hydroxidy, ktorých povaha závisí od oxidačného stavu kovu.

Napríklad chróm v zlúčeninách vykazuje tri oxidačné stavy: +2, +3, +6, preto tvorí tri série oxidov a hydroxidov a s nárastom oxidačného stavu sa kyslý charakter zväčšuje a zásaditý oslabuje.

Korózia kovov
Pri interakcii kovov s látkami prostredia vznikajú na ich povrchu zlúčeniny, ktoré majú úplne iné vlastnosti ako kovy samotné. V normálnom duchu často používame slová „hrdzavá“, „hrdzavejúci“, pričom na výrobkoch vyrobených zo železa a jeho zliatin vidíme hnedočervený povlak. Hrdzanie je bežnou formou korózie.

Korózia- ide o proces samovoľnej deštrukcie kovov a zliatin vplyvom vonkajšieho prostredia (z lat. - korózia).

Takmer všetky kovy však podliehajú deštrukcii, v dôsledku čoho sa mnohé z ich vlastností zhoršia (alebo sa úplne stratia): pevnosť, ťažnosť, lesk, znižuje sa elektrická vodivosť a zvyšuje sa trenie medzi pohyblivými časťami stroja, menia sa rozmery častí, atď.

Korózia kovov môže byť súvislá a lokálna.

Najbežnejšie typy korózie sú chemická a elektrochemická.

I. Chemická korózia vzniká v nevodivom prostredí. Tento typ korózie sa prejavuje v prípade interakcie kovov so suchými plynmi alebo kvapalinami - neelektrolyty (benzín, petrolej atď.) Takejto deštrukcii sú vystavené časti a súčasti motorov, plynových turbín, raketometov. Chemická korózia sa často pozoruje pri spracovaní kovov pri vysokých teplotách.

Väčšina kovov je oxidovaná vzdušným kyslíkom, pričom sa na povrchu vytvárajú oxidové filmy. Ak je tento film silný, hustý, dobre spojený s kovom, potom chráni kov pred ďalším zničením. V železe je sypký, pórovitý, ľahko sa oddelí od povrchu a preto nie je schopný ochrániť kov pred ďalšou deštrukciou.

II. Elektrochemická korózia sa vyskytuje vo vodivom médiu (elektrolyte) s výskytom elektrického prúdu vo vnútri systému. Kovy a zliatiny sú spravidla heterogénne a obsahujú inklúzie rôznych nečistôt. Keď prídu do kontaktu s elektrolytmi, niektoré časti povrchu začnú hrať úlohu anódy (darujú elektróny), zatiaľ čo iné hrajú úlohu katódy (prijímajú elektróny).

V jednom prípade bude pozorovaný vývoj plynu (Hg). V druhej - tvorba hrdze.

Elektrochemická korózia je teda reakcia, ktorá sa vyskytuje v médiách, ktoré vedú prúd (na rozdiel od chemickej korózie). Proces nastáva, keď sa dva kovy dostanú do kontaktu alebo na povrchu kovu obsahujúceho inklúzie, ktoré sú menej aktívnymi vodičmi (môže ísť aj o nekov).

Na anóde (aktívnejší kov) sa atómy kovu oxidujú za vzniku katiónov (rozpúšťanie).

Na katóde (menej aktívny vodič) sú vodíkové ióny alebo molekuly kyslíka redukované za vzniku H2 alebo OH-hydroxidových iónov.

Katióny vodíka a rozpustený kyslík sú najdôležitejšie oxidačné činidlá, ktoré spôsobujú elektrochemickú koróziu.

Rýchlosť korózie je tým väčšia, čím viac sa kovy (kov a nečistoty) líšia svojou aktivitou (u kovov čím ďalej od seba sú umiestnené v sérii napätí). So zvyšujúcou sa teplotou sa výrazne zvyšuje korózia.

Elektrolytom môže byť morská voda, riečna voda, skondenzovaná vlhkosť a samozrejme známe elektrolyty – roztoky solí, kyselín, zásad.

Iste si pamätáte, že v zime sa na odstraňovanie snehu a ľadu z chodníkov používa technická soľ (chlorid sodný, niekedy chlorid vápenatý a pod.), ktorý sa odvádza do kanalizačných potrubí, čím vytvára priaznivé prostredie pre elektrochemickú koróziu podzemných inžinierskych sietí.

Metódy ochrany proti korózii
Už pri navrhovaní kovových konštrukcií ich výroba zabezpečuje opatrenia na ochranu proti korózii.

1. Brúsenie povrchov výrobku tak, aby na nich nezostávala vlhkosť.

2. Použitie legovaných zliatin obsahujúcich špeciálne prísady: chróm, nikel, ktoré pri vysokých teplotách vytvárajú na povrchu kovu stabilnú vrstvu oxidu. Známe sú legované ocele - nehrdzavejúce ocele, z ktorých sa vyrábajú predmety pre domácnosť (vidličky, lyžice), časti strojov a nástroje.

3. Aplikácia ochranných náterov. Zvážte ich typy.

Nekovové - neoxidujúce oleje, špeciálne laky, farby. Je pravda, že sú krátkodobé, ale sú lacné.

Chemické - umelo vytvorené povrchové filmy: oxid, citrón, silicid, polymér atď. Napríklad všetky ručné zbrane Podrobnosti mnohých presných prístrojov sú leštené - to je proces získania najtenšieho filmu oxidov železa na povrchu ocele produkt. Výsledný umelý oxidový film je veľmi odolný a dodáva produktu krásnu čiernu farbu a modrý odtieň. Polymérne povlaky sú vyrobené z polyetylénu, polyvinylchloridu, polyamidových živíc. Aplikujú sa dvoma spôsobmi: zahriaty produkt sa vloží do polymérového prášku, ktorý sa roztaví a privarí ku kovu, alebo sa povrch kovu ošetrí roztokom polyméru v nízkoteplotnom rozpúšťadle, ktorý sa rýchlo odparí, a polymérnym filmom zostáva na produkte.

Kovové povlaky sú povlaky s inými kovmi, na povrchu ktorých sa pôsobením oxidačných činidiel vytvárajú stabilné ochranné filmy.

Aplikácia chrómu na povrch - chrómovanie, niklovanie - niklovanie, zinok - zinkovanie, cínovanie - cínovanie atď. Povlak môže slúžiť aj ako chemicky pasívny kov - zlato, striebro, meď.

4. Elektrochemické metódy ochrany.

Ochranná (anodická) - na chránenú kovovú konštrukciu je pripevnený kúsok aktívnejšieho kovu (protektor), ktorý slúži ako anóda a v prítomnosti elektrolytu sa ničí. Horčík, hliník, zinok sa používajú ako ochrana pri ochrane lodných trupov, potrubí, káblov a iných štýlových výrobkov;

Katóda - kovová konštrukcia je napojená na katódu externého zdroja prúdu, čím sa eliminuje možnosť jej zničenia anódy

5. Špeciálna úprava elektrolytu alebo prostredia, v ktorom sa nachádza chránená kovová konštrukcia.

Je známe, že Damaskskí remeselníci na odstraňovanie vodného kameňa a
hrdza použité roztoky kyseliny sírovej s prídavkom pivovarských kvasníc, múky, škrobu. Tie prinášajú a patrili medzi prvé inhibítory. Nedovolili kyseline pôsobiť na kov zbrane, v dôsledku toho sa rozpustili iba vodný kameň a hrdza. Uralskí zbrojári na tento účel používali nakladacie polievky - roztoky kyseliny sírovej s prídavkom múčnych otrúb.

Príklady použitia moderných inhibítorov: pri preprave a skladovaní je kyselina chlorovodíková dokonale „skrotená“ derivátmi butylamínu. a kyselina sírová - kyselina dusičná; prchavý dietylamín sa vstrekuje do rôznych nádob. Všimnite si, že inhibítory pôsobia iba na kov, čo ho robí pasívnym vo vzťahu k médiu, napríklad voči roztoku kyseliny. Veda pozná viac ako 5 tisíc inhibítorov korózie.

Odstránenie kyslíka rozpusteného vo vode (odvzdušnenie). Tento proces sa používa pri príprave vody vstupujúcej do kotolní.

Spôsoby získavania kovov
Výrazná chemická aktivita kovov (interakcia so vzdušným kyslíkom, inými nekovmi, vodou, soľnými roztokmi, kyselinami) vedie k tomu, že sa v zemskej kôre nachádzajú najmä vo forme zlúčenín: oxidy, sulfidy, sírany, chloridy, uhličitany atď.
Vo voľnej forme sú kovy umiestnené v sérii napätí napravo od vodíka, hoci oveľa častejšie sa meď a ortuť nachádzajú v prírode vo forme zlúčenín.

Nerasty a horniny obsahujúce kovy a ich zlúčeniny, z ktorých je ťažba čistých kovov technicky možná a ekonomicky realizovateľná, sa nazývajú rudy.

Získavanie kovov z rúd je úlohou hutníctva.
Hutníctvo je tiež veda o priemyselných metódach získavania kovov z rúd. a priemyselný sektor.
Akýkoľvek metalurgický proces je proces redukcie kovových iónov pomocou rôznych redukčných činidiel.

Na realizáciu tohto procesu je potrebné vziať do úvahy aktivitu kovu, vybrať redukčné činidlo, zvážiť technologickú realizovateľnosť, ekonomické a environmentálne faktory. V súlade s tým existujú nasledujúce spôsoby získavania kovov: pyrometalurgické. hydrometalurgický, elektrometalurgický.

Pyrometalurgia- získavanie kovov z rúd pri vysokých teplotách pomocou uhlíka, oxidu uhoľnatého (II). vodík, kovy.- hliník, horčík.

Napríklad cín sa redukuje z kasiteritu a meď z kupritu kalcináciou s uhlím (koks). Sulfidové rudy sa predbežne pražia za prístupu vzduchu a potom sa výsledný oxid redukuje uhlím. Kovy sa tiež izolujú z uhličitanových rúd čerpaním a uhlím, pretože uhličitany sa pri zahrievaní rozkladajú, menia sa na oxidy a tie sa redukujú uhlím.
Hydrometalurgia je redukcia kovov na ne ich soľami v roztoku. Proces prebieha v 2 stupňoch: 1) prírodná zlúčenina sa rozpustí vo vhodnom činidle, čím sa získa roztok soli tohto kovu; 2) z výsledného roztoku sa tento kov vytlačí aktívnejším alebo sa obnoví elektrolýzou. Napríklad na získanie medi z rúd obsahujúcich oxid meďnatý, CuO, sa na ňu pôsobí zriedenou kyselinou sírovou.

Meď sa extrahuje zo soľného roztoku buď elektrolýzou, alebo sa vytesňuje zo síranu železom. Týmto spôsobom sa získava striebro, zinok, molybdén, zlato, urán.

Elektrometalurgia— získavanie kovov v procese elektrolýzy roztokov alebo tavenín ich zlúčenín.

Elektrolýza
Ak sú elektródy spustené do roztoku elektrolytu alebo taveniny a prechádza cez ne jednosmerný elektrický prúd, ióny sa budú pohybovať v smere: katióny - ku katóde (záporne nabitá elektróda), anióny - k anóde (kladne nabitá elektróda) .

Na katóde katióny prijímajú elektróny a na anóde sa redukujú, anióny darujú elektróny a sú oxidované. Tento proces sa nazýva elektrolýza.
Elektrolýza je redoxný proces, ku ktorému dochádza na elektródach, keď elektrický prúd prechádza cez roztok alebo roztok elektrolytu.

Najjednoduchším príkladom takýchto procesov je elektrolýza roztavených solí. Zvážte proces elektrolýzy taveniny chloridu sodného. V tavenine prebieha proces tepelnej disociácie. Pri pôsobení elektrického prúdu sa katióny pohybujú smerom ku katóde a prijímajú z nej elektróny.
Kovový sodík sa tvorí na katóde a plynný chlór na anóde.

Hlavná vec na zapamätanie je, že v procese elektrolýzy dochádza k chemickej reakcii v dôsledku elektrickej energie, ktorá nemôže spontánne pokračovať.

Zložitejšia situácia je v prípade elektrolýzy roztokov elektrolytov.

V roztoku soli sú okrem kovových iónov a kyslého zvyšku molekuly vody. Preto pri zvažovaní procesov na elektródach je potrebné brať do úvahy ich účasť na elektrolýze.

Na stanovenie produktov elektrolýzy vodných roztokov elektrolytov existujú nasledujúce pravidlá.

1. Proces na katóde nezávisí od materiálu katódy, na ktorej je vyrobená, ale od polohy kovu (katión elektrolytu) v elektrochemickom rade napätí, a ak:
1.1. Katión elektrolytu sa nachádza v sérii napätí na začiatku série (spolu s Al vrátane), potom na katóde prebieha proces redukcie vody (uvoľňuje sa vodík). Kovové katióny sa neredukujú, zostávajú v roztoku.
1.2. Katión elektrolytu je v sérii napätí medzi hliníkom a vodíkom, potom sa na katóde redukujú kovové častice aj molekuly vody.

1.3. Katión elektrolytu je po vodíku v sérii napätí, potom sa na katóde redukujú katióny kovov.
1.4. Roztok obsahuje katióny rôznych kovov, potom sa stiahnutý katión kovu obnoví a stojí v sérii napätí
Tieto pravidlá sú znázornené na obrázku 10.

2. Proces na anóde závisí od materiálu anódy a od charakteru anódy (schéma 11).
2.1. Ak je anóda rozpustená (železo, zinok, meď, striebro a všetky kovy, ktoré sa oxidujú počas elektrolýzy), potom sa oxiduje kov anódy bez ohľadu na povahu aniónu. 2. Ak sa anóda nerozpustí (nazýva sa inertná - grafit, zlato, platina), potom:
a) pri elektrolýze roztokov solí anoxických kyselín (prome fluoridov) dochádza k oxidácii aniónu na anóde;
b) pri elektrolýze roztokov solí kyseliny obsahujúcej kyslík a fluoridov na anóde dochádza k procesu oxidácie vody. Anióny nie sú oxidované, zostávajú v roztoku;

Elektrolýza tavenín a roztokov látok je široko používaná v priemysle:
1. Získať kovy (hliník, horčík, sodík, kadmium sa získavajú len elektrolýzou).
2. Získať vodík, halogény, alkálie.
3. Na čistenie kovov - rafinácia (čistenie medi, niklu, olova sa vykonáva elektrochemickou metódou).
4. Na ochranu kovov pred koróziou - nanášanie ochranných náterov vo forme tenkej vrstvy iného kovu, ktorý je odolný voči korózii (chróm, nikel, meď, striebro, zlato) - galvanické pokovovanie.

5. Získavanie kovových kópií, platní - galvanické pokovovanie.
1. Ako súvisí štruktúra kovov s ich umiestnením v hlavnej a vedľajšej podskupine Periodickej tabuľky chemických prvkov D. I. Mendelejeva?
2. Prečo majú alkalické kovy a kovy alkalických zemín v zlúčeninách jeden oxidačný stav: (+1) a (+2), zatiaľ čo kovy sekundárnych podskupín spravidla vykazujú v zlúčeninách rôzne oxidačné stavy? 8. Aké oxidačné stavy môže vykazovať mangán? Aké oxidy a hydroxidy zodpovedajú mangánu v týchto oxidačných stavoch? Aký je ich charakter?
4. Porovnajte elektrónovú štruktúru atómov prvkov VII. skupiny: mangánu a chlóru. Vysvetlite rozdiel v ich chemických vlastnostiach a prítomnosť rôznych stupňov oxidácie atómov v oboch prvkoch.
5. Prečo postavenie kovov v elektrochemickom rade napätí nie vždy zodpovedá ich polohe v Periodickom systéme D. I. Mendelejeva?
9. Zostavte rovnice pre reakcie sodíka a horčíka s kyselinou octovou. V akom prípade a prečo bude rýchlosť reakcie rýchlejšia?
11. Aké spôsoby získavania kovov poznáte? Čo je podstatou všetkých metód?
14. Čo je korózia? Aké druhy korózie poznáte? Ktorý z nich je fyzikálny a chemický proces?
15. Za koróziu možno považovať tieto procesy: a) oxidáciu železa pri elektrickom zváraní, b) interakciu zinku s kyselinou chlorovodíkovou pri získavaní leptanej kyseliny na spájkovanie? Uveďte odôvodnenú odpoveď.
17. Mangánový produkt je vo vode a neprichádza do kontaktu s medeným produktom. Zostanú obe nezmenené?
18. Bude železná konštrukcia chránená pred elektrochemickou koróziou vo vode, ak je na nej vystužená platňa z iného kovu: a) horčíka, b) olova, c) niklu?

19. Na aký účel sa povrch nádrží na skladovanie ropných produktov (benzín, petrolej) natiera striebrom - zmesou hliníkového prášku s niektorým z rastlinných olejov?

Strana 2

Železo, meď a hliník majú charakteristický kovový lesk.

Pri štúdiu pevných látok, ktoré nemajú charakteristický kovový lesk, si všimneme, že ich elektrická vodivosť je veľmi nízka. Patria sem látky, ktoré nazývame iónové – chlorid sodný, chlorid vápenatý, dusičnan strieborný a chlorid strieborný, ale aj molekulárne kryštály, napríklad ľad. Ľad znázornený na obr. 5 - 3, pozostáva z rovnakých molekúl, ktoré existujú v plynnej fáze, ale usporiadaných v kryštálovej mriežke. Tieto slabé vodiče elektrického prúdu sa takmer vo všetkých vlastnostiach veľmi líšia od kovov. Na klasifikáciu látok teda možno použiť elektrickú vodivosť, ktorá je jednou z najrozumnejších.

Kovy sa nazývajú jednoduché kryštalické látky, ktoré majú charakteristický kovový lesk, dobre vedú teplo a elektrický prúd, sú schopné pôsobením vonkajších síl meniť svoj tvar a po odstránení záťaže si ho udržia bez známok deštrukcie. Z celkového počtu v súčasnosti známych chemických prvkov je osemdesiat prvkov kovy. Najbežnejšie kovy v zemskej kôre vo forme chemických zlúčenín sú hliník, železo, horčík, draslík, sodík a vápnik. Čisté kovy majú v technológii obmedzené využitie, pretože sú v prírode mimoriadne vzácne a ich výroba z chemických zlúčenín (rúd) je spojená s veľkými ťažkosťami.

V dôsledku vodíkovej korózie stráca oceľový povrch svoj charakteristický kovový lesk a stáva sa matným.

Polyméry sú jemne rozptýlené farebné prášky s charakteristickým kovovým leskom, rozpustné iba v koncentrovanej kyseline sírovej.

Všetky d - prvky sú kovy s charakteristickým kovovým leskom. V porovnaní so s-kovmi je ich pevnosť oveľa vyššia.

Nerozpustený jód vytvára jasne viditeľný film s charakteristickým kovovým leskom (plávajúci na povrchu roztoku) alebo sa zhromažďuje na dne banky vo forme čiernych častíc. Keďže roztok jódu je sfarbený do sýtočervena a je takmer nepriehľadný, treba ho veľmi pozorne preskúmať, pričom banku držte pri svetlej elektrickej lampe visiacej na strope. Aby ste to dosiahli, musíte sa postaviť pod lampu, držať banku za hrdlo v naklonenej polohe medzi lampou a tvárou a pokúsiť sa v nej vidieť jasný obraz lampy. Na takomto pozadí sú jasne viditeľné nerozpustené kryštály jódu. Potom sa kryštály oboch látok zhromaždia na jednom mieste a okolo kryštálikov jódu sa vytvorí zóna koncentrovaného roztoku KJ, v ktorej sa jód rýchlo rozpustí.

Všetky alkalické kovy sú látky strieborno-bielej farby, s charakteristickým kovovým leskom, dobrou elektrickou a tepelnou vodivosťou, nízkymi bodmi topenia a relatívne nízkymi bodmi varu, nízkou hustotou a veľkým objemom atómov. V parnom stave sú ich molekuly monatomické; ióny sú bezfarebné.

Autor: vzhľad tmavofialové, takmer čierne kryštály s charakteristickým kovovým leskom. Dobre sa rozpúšťa vo vode. Manganistan draselný patrí medzi silné oxidačné činidlá, čo je dôvodom jeho dezinfekčných vlastností.

V procese výroby výrobkov umeleckým spracovaním kovov sa používajú drahé aj drahé kovy a ich zliatiny. Medzi drahé kovy patrí zlato, striebro, platina a kovy skupiny platiny: paládium, ruténium, irídium, osmium a nevzácne - železné kovy - oceľ, liatina - a neželezné kovy - meď, mosadz, bronz, hliník, horčík, kupronikel , nikel striebro, nikel, zinok, olovo, cín, titán, tantal, niób. Kadmium, ortuť, antimón, bizmut, arzén, kobalt, chróm, volfrám, molybdén, mangán, vanád sa používajú aj vo forme drobných prísad na zmenu vlastností zliatin alebo ako povlaky.

hliník. Tento mäkký, striebristo biely kov sa ľahko valcuje, ťahá a rezá. Na zvýšenie pevnosti sa do hliníkových zliatin pridáva kremík, meď, horčík, zinok, nikel, mangán, chróm. Zliatiny hliníka sa používajú na výrobu odlievaných architektonických detailov a sôch, ako aj šperkov.

Bronzová. Je to zliatina medi so zinkom, cínom, olovom. Vyrábajú sa aj bezcínové bronzy. V histórii ľudstva sa celá éra nazýva doba bronzová, keď sa ľudia naučili taviť bronz a vyrábali z neho domáce potreby, zbrane, bankovky (mince) a šperky. V súčasnosti sú z bronzu pamätníky, monumentálne sochy, ako aj výzdoba interiéru divadiel, múzeí, palácov, podzemných vestibulov stanice metra.

Zlato. Od staroveku až po súčasnosť bolo zlato najbežnejším kovom na výrobu šperkov, stolového riadu a dekorácie interiéru. Je široko používaný na pozlátenie železných a neželezných kovov, ako aj na prípravu spájok. Zlato vo svojej najčistejšej podobe je krásny žltý kov. Zliatiny zlata môžu byť biele, červené, zelené a tiež čierne. Zlato je veľmi viskózny, tvárny a kujný kov. Zliatiny zlata sú dobre brúsené, brúsené a leštené. Zlato neoxiduje. Rozpúšťa sa iba v kyseline selénovej a aqua regia - zmesi koncentrovaných kyselín: jeden diel dusičnej a tri diely chlorovodíkovej.

Iridium. Tento kov vyzerá ako cín, ale líši sa od neho vysokou tvrdosťou a krehkosťou. Iridium sa dobre leští, ale ťažko sa opracúva. Nie je ovplyvnený zásadami, kyselinami alebo ich zmesami. Iridium sa používa v šperkoch.

Mosadz. Ide o zliatinu medi a zinku, ktorá sa používa na výrobu stolového riadu a interiérovej výzdoby, ako aj rôznych šperkov, často postriebrených alebo pozlátených. Mosadz sa úspešne spracováva rezaním, ľahko sa spájkuje, valcuje, razí, razí, ponikluje, postriebrí, pozláti, zoxiduje", oproti čistej medi sú pevnejšie a tvrdšie, oveľa lacnejšie a farebne elegantnejšie. Mosadz s nízky obsah zinku (od 3 do 20 %), nazývaný tombac, má červenožltú farbu.

horčík. Tento kov je štyrikrát ľahší ako bronz. Zliatiny pozostávajúce z horčíka, hliníka, mangánu, zinku, ako aj medi a kadmia sa v poslednom čase používajú na výrobu interiérových dekoračných predmetov pre priemyselné zariadenia.

Meď. Je to mäkký, výnimočne ťažný a viskózny kov, ľahko prístupný tlakovému spracovaniu: ťahanie, valcovanie, razenie, razenie. Meď je dobre brúsená a leštená, ale rýchlo stráca svoj lesk; ťažko sa brúsi, vŕta, frézuje. Čistá alebo červená meď sa používa na výrobu šperkových filigránových a interiérových dekoračných predmetov - razenie mincí. Meď sa používa na prípravu spájok (meď, striebro, zlato), ako aj ako prísada do rôznych zliatin.

nikel. Biely, vysoko lesklý kov, chemicky odolný, žiaruvzdorný, odolný a tvárny; sa vo svojej čistej forme v zemskej kôre nevyskytuje. Nikel sa používa hlavne na dekoratívne a ochranné nátery stolových predmetov a šperkov a zliatiny na báze niklu (kupronikel a nikel striebro), ktoré majú dostatočnú odolnosť proti korózii, pevnosť, ťažnosť a schopnosť ľahkého valcovania, razenia, razenia a leštenia. , sa používajú na výrobu predmetov prestieranie a interiérové ​​dekorácie, ako aj šperky.

niób. Veľmi podobný tantalu. Odolný voči kyselinám: neovplyvňuje ho aqua regia, kyselina chlorovodíková, sírová, dusičná, fosforečná, chloristá. Niób je rozpustný iba v kyseline fluorovodíkovej a jej zmesi s kyselinou dusičnou. V poslednej dobe sa používa v zahraničí na výrobu šperkov.

Cín. V dávnych dobách sa mince razili z cínu a vyrábali sa nádoby. Tento mäkký a tvárny kov má tmavšiu farbu ako striebro a svojou tvrdosťou prevyšuje olovo. V šperkárstve sa používa pri príprave spájok a ako súčasť zliatin neželezných kovov a v poslednom čase aj na výrobu šperkov a predmetov interiérovej výzdoby.

Osmium. Je to lesklý, modrosivý kov, veľmi tvrdý a ťažký. Osmium sa nerozpúšťa v kyselinách a ich zmesiach. Používa sa v zliatinách s platinou.

paládium. Tento viskózny tvárny kov možno ľahko kovať a valcovať. Farba paládia je tmavšia ako striebro, ale svetlejšia ako platina. Rozpúšťa sa v kyseline dusičnej a aqua regia. Paládium sa používa na výrobu šperkov a používa sa aj ako prísada do zliatin so zlatom, striebrom a platinou.

Platina. Platina sa používa na výrobu šperkov a ako dekoratívny náter. Plastickosť, pevnosť, odolnosť proti opotrebovaniu, hra farieb – to sú vlastnosti platiny, ktoré klenotníkov tak priťahujú. Platina je lesklý, biely kov, veľmi tvárny, ťažko sa rozpúšťa aj vo vriacom aqua regia - zmes troch dielov dusičnej a piatich dielov kyseliny chlorovodíkovej. V prírode sa platina vyskytuje s prímesou paládia, ruténia, ródia, irídia a osmia.

Rhodium. Dostatočne tvrdý, ale krehký kov, ktorý farbou pripomína hliník. Ródium sa nerozpúšťa v kyselinách a ich zmesiach. Rhódium sa používa na dekoratívne poťahovanie šperkov.

ruténium. Kov, ktorý sa navonok takmer nelíši od platiny, ale je krehkejší a tvrdší. Používa sa v zliatine s platinou.

Viesť. Veľmi mäkký a tvárny kov, ľahko valcovaný, razený, lisovaný, dobre odlievaný. Olovo je známe už od staroveku a bolo široko používané na výrobu sôch a dekoratívnych detailov architektúry. V klenotníctve sa olovo používa na výrobu spájok a ako súčasť zliatin.

Strieborná. Tento kov je veľmi široko používaný na výrobu riadu a predmetov na dekoráciu interiéru, rôznych šperkov a používa sa aj na prípravu spájok, ako dekoratívny povlak a ligatúra v zliatinách zlata, platiny a paládia. Striebro má vysokú ťažnosť a ťažnosť, je dobre rezané, leštené, valcované. Je tvrdšia ako zlato, ale mäkšia ako meď, rozpúšťa sa len v dusičnej a horkej kyseline sírovej.

Oceľ. Oceľ sa získava pretavením surového železa. Pri výrobe umeleckých výrobkov sa používa nehrdzavejúca oceľ a modrená oceľ - tmavej farby (špeciálne spracovaná). Nerezová oceľ sa používa na výrobu riadu a interiérových dekorácií a v poslednom čase aj na šperky, na výrobu šperkov sa používa modrá oceľ. Aby výrobky z nehrdzavejúcej ocele získali elegantnejší vzhľad, sú pozlátené alebo postriebrené.

tantal.Šedý kov s mierne olovnatým odtieňom, druhý za volfrámom, pokiaľ ide o žiaruvzdornosť. Vyznačuje sa plasticitou, pevnosťou, dobrou zvariteľnosťou, odolnosťou proti korózii. Klenotnícke firmy v západných krajinách používajú tantal na výrobu určitých druhov šperkov.

titán. Jedná sa o lesklý kov striebornej farby, ľahko prístupný rôznym druhom spracovania: možno ho vŕtať, brúsiť, frézovať, brúsiť, spájkovať, lepiť. Z hľadiska odolnosti proti korózii je titán porovnateľný s drahými kovmi. Má vysokú pevnosť, nízku hustotu a je pomerne ľahký. V poslednej dobe sa v cudzích krajinách vyrába široká škála najrôznejších šperkov z titánu.

Zinok. Ide o sivobiely kov s modrastým nádychom. Prvé umelecké výrobky zo zinku - dekoratívne plastiky, basreliéfy - sa objavili v 18. storočí. Koncom 19. storočia sa zo zinku umeleckým odlievaním vyrábali svietniky, stolové svietniky, svietniky a ozdobné plastiky, ktoré boli často tónované do bronzu alebo pozlátené. V klenotníctve sa zinok používa na prípravu spájok a tiež ako jedna zo zložiek rôznych zliatin.

Liatina. Existujú tieto druhy liatiny: zlievarenská (sivá), konverzná (biela) a špeciálna. Na výrobu umeleckých výrobkov sa používa iba zlievarenská alebo sivá liatina. Sivá liatina je hlavným materiálom pre umelecké odlievanie. Odlievajú sa z nej vázy a drobné plastiky, rakvy a rakvy, popolníky a svietniky, krajinárske predmety a mnohé ďalšie výrobky.

Edelman V. Kovy // Kvant. - 1992. - č. 2. - S. 2-9.

Po osobitnej dohode s redakčnou radou a redakciou časopisu "Kvant"

Čo sú kovy?

„Kov je ľahké telo, ktoré sa dá kovať,“ napísal Lomonosov v roku 1763. Nahliadnite do svojej učebnice chémie a uvidíte, že kovy majú charakteristický kovový lesk („jasné telo“) a sú dobrými vodičmi tepla a elektriny. Pravda, práve tam sa dočítate, že existujú prvky, ktoré vykazujú vlastnosti kovov aj nekovov. Inými slovami, neexistuje žiadna jasná čiara oddeľujúca jedno od druhého. Chemik, ktorého zaujímajú predovšetkým chemické reakcie a pre ktorého je každý prvok jeho zvláštnym svetom, sa z takejto nejednoznačnosti veľmi hanbí. Ale fyzika nie je spokojná. Ak fyzika rozdeľuje telesá na kovy a nekovy, potom musíte pochopiť, aký je ich zásadný rozdiel. Preto je potrebné definovať, čo je kov, tak, aby, ako aj v iných prípadoch v oblasti exaktných vied, boli splnené dve požiadavky:

1. všetky kovy musia mať bez výnimky všetky atribúty, ktoré sa im pripisujú;
2. iné predmety by nemali mať aspoň jednu z týchto vlastností.

Vyzbrojení týmito úvahami sa pozrime, či všetky kovy bez výnimky majú všetky vlastnosti, ktoré im pripisuje učebnica. Začnime tým, že „môžeš kovať“, teda plasticitou, moderne povedané. A potom si súzvukom pripomíname plasty: veď nie nadarmo sa tak volajú, mnohé z nich sa vyznačujú plasticitou – schopnosťou nenávratne meniť tvar bez zničenia. Samozrejme, meď, železo, hliník sa kutia ľahko, s olovom ešte ľahšie, indium je pomerne vzácny a drahý kov - dá sa drviť takmer ako vosk (a vosk nie je kov!), alkalické kovy sú ešte mäkšie. A skúste udrieť na obyčajnú liatinu – a tá sa rozbije na kúsky! Nuž, potom hutníci povedia: to preto, že liatina nie je jednoduchá látka. Pozostáva z kryštálov železa oddelených medzivrstvami uhlíka, teda grafitu. Práve na týchto vrstvách sa liatina láme. No to je v poriadku. Len tu je problém - krehký grafit, ako sa ukazuje, moderná fyzika označuje kovy! Áno, a nejeden grafit: medzi kovmi sú zaradené napríklad arzén, antimón a bizmut, no dajú sa kovať s rovnakým úspechom ako sklo – roztrieštia sa na malé kúsky!

Urobte tento jednoduchý experiment: rozbite balónik vyhorenej lampy, vyberte odtiaľ volfrámovú cievku a skúste ju roztočiť. Nič z toho nebude, rozpadne sa na prach! Ale nejako to dokázali prekrútiť vo fabrike? To znamená, že to môže byť niečo také - buď sa môže zdeformovať, alebo nie, v závislosti od toho, čo sa stalo so vzorkou v minulosti. Zdá sa, že je potrebné rozlúčiť sa s týmto znakom - plasticitou. Okrem toho je súčasťou mnohých nekovov; koniec koncov, to isté sklo - zahrejte ho a bude mäkké a poddajné.

Takže skrátime formuláciu a ideme ďalej.

Ďalším v poradí je „brilancia“ alebo, vedecky povedané, optické vlastnosti. Existuje veľa lesklých predmetov: voda, sklo, leštené kamene a nikdy neviete, čo ešte. Takže len „brilancia“ nestačí, preto sa hovorí: kovy sa vyznačujú kovovým leskom. No, toto je celkom dobré: ukázalo sa, že kov je kov. Pravdaže, intuitívne cítime, že leštená meď, zlato, striebro a železo sa lesknú kovovým leskom. A rozšírený minerál pyrit - neleskne sa ako kovy? O typických polovodičoch germániu a kremíku sa netreba baviť, vzhľadom sa nedajú odlíšiť od kovov. Na druhej strane, nie tak dávno sa naučili, ako získať dobré kryštály takých zlúčenín, ako je oxid molybdénový; tieto kryštály sú hnedofialové a len málo sa podobajú na obyčajný kov. Ukazuje sa, že táto látka by sa mala považovať za kov. Prečo - to bude jasné o niečo ďalej.

Takže lesk ako čisto "kovový" znak zmizne.

Ďalej je to tepelná vodivosť. Možno je možné toto znamenie okamžite zlikvidovať - ​​bez výnimky všetky telesá vedú teplo. Pravda, o kovoch sa hovorí, že oni dobre viesť teplo. Obávam sa však, že na otázku "čo je dobré a čo zlé?" v tomto prípade neodpovie žiadny otec.

Vedie meď dobre teplo? Pozrime sa na tabuľku a hneď narazíme na protiotázku: aký druh medi a pri akej teplote? Ak napríklad zoberiete čistú meď, z ktorej sa vyrábajú drôty pre rádiové zariadenia, a zahrejete ju na červené teplo, to znamená žíhate, potom pri izbovej teplote, a dokonca aj čisté striebro, bude viesť teplo lepšie ako akékoľvek iné. iný kov. Ale ohnite takú medenú vzorku, udrite ju alebo ju upnite do zveráka - a jej tepelná vodivosť sa výrazne zhorší. A čo sa stane, ak kúsok žíhanej medi začne chladnúť? Najprv sa tepelná vodivosť zvýši, desaťnásobne zvýši pri teplote asi 10 K a potom začne rýchlo klesať a po dosiahnutí absolútnej nuly by sa mala stať nulovou (obr. 1).

Ryža. 1. Závislosť tepelnej vodivosti od teploty pre rôzne látky. (Špecifická tepelná vodivosť je množstvo tepla, ktoré pretečie medzi protiľahlými stenami kocky so stranou 1 cm pri teplotnom rozdiele medzi týmito stenami 1 K za 1 s.)

Vezmime si teraz ďalší kov - bizmut. Obrázok pre neho je veľmi podobný tomu, ktorý sme videli pre meď, iba maximálna tepelná vodivosť je 3 K a pri izbovej teplote bizmut vedie teplo zle, nie oveľa lepšie ako kryštál kremeňa. Ale kremeň nie je kov! A ten istý kremeň, ako je možné vidieť na obrázku 1, sa niekedy ukáže, že nie je horší ako meď, pokiaľ ide o jeho tepelne vodivé vlastnosti. A tavený kremeň, teda kremenné sklo, vedie teplo zle, ako nehrdzavejúca oceľ.

Quartz nie je výnimkou. Všetky kryštály dobrá kvalita správať sa podobne, len čísla sa budú mierne líšiť. Diamant má napríklad už pri izbovej teplote lepšiu tepelnú vodivosť ako meď.

S čistým srdcom odmietnime tepelnú vodivosť a nebudeme ľutovať. A to nielen preto, že na tomto základe nie je také ľahké rozlíšiť kov od nekovu, ale aj preto, že sa ukazuje, že špecifické vlastnosti tepelnej vodivosti kovov (a také existujú) sú dôsledkom jeho elektrická vodivosť - posledná zostávajúca vlastnosť.

A opäť, v znení uvedenom na začiatku článku, objasnenie nie je len elektrická vodivosť, ale dobre elektrická vodivosť. Ale pokiaľ ide o tepelnú vodivosť, prívlastok „dobrý“ nás upozornil a, ako sa ukázalo, nie nadarmo. Čo - a posledná nehnuteľnosť v podozrení? Bezpodmienečne to treba zachrániť, inak ostaneme úplne bez kovov a zároveň bez polovodičov, bez izolantov. Takto funguje veda! Vo väčšine prípadov každý študent bez váhania povie, s čím má do činenia, no zaryli sa hlbšie – zarazili sa v zmätku.

A je tu niečo z. Zoberme si tabuľky fyzikálnych veličín a pozrime sa na čísla. Tu, napríklad, pri izbovej teplote, odpor ρ (Ohm cm) meď ~1,55 10 -6 ; pri bizmute ρ ~ 10-4; grafit ρ ~ 10-3; pre čistý kremík a germánium ρ ~ 10 2 (ale pridaním nečistôt sa môže zvýšiť až na ~ 10 -3); pri mramore ρ = 107 - 1011; pri pohári ρ = 1010; a niekde na konci zoznamu - jantár s odporom do 1019. A kde končia kovy vodiča a začínajú dielektrika? A to sme ešte nespomenuli elektrolyty. Bežná morská voda dobre vedie prúd. Čo - a považovať to za kov?

Uvidíme, či nám pomôže teplota. Ak zvýšite teplotu, rozdiely medzi látkami sa začnú vyrovnávať: pre meď sa odpor začne zvyšovať, pre sklo napríklad klesať. Takže je potrebné sledovať, čo sa deje počas chladenia. A tu konečne vidíme kvalitatívne rozdiely. Pozrite sa na obrázok 2: pri teplotách kvapalného hélia blízko absolútnej nuly sa látky delia do dvoch skupín. Pre niektorých zostáva odpor malý, pre zliatiny alebo pre nie veľmi čisté kovy ρ chladnutím sa takmer nemení, v čistých kovoch odpor veľmi klesá. Čím čistejší a dokonalejší kryštál, tým väčšia je táto zmena. Niekedy je u pri teplote blízkej absolútnej nule státisíckrát menej ako pri izbovej teplote. V iných látkach, ako sú polovodiče, sa pri znižovaní teploty začína rýchlo zvyšovať odpor a čím je teplota nižšia, tým je väčšia. Ak by bolo možné dostať sa na absolútnu nulu, tak ρ stal by sa nekonečne veľkým. Stačí však, že odpor skutočne nadobudne takú veľkosť, že ho už nedokáže zmerať žiadny moderný prístroj.

Takže sme sa dostali k odpovedi: kovy sú látky, ktoré vedú elektrinu pri akejkoľvek teplote.

Ryža. 2. Závislosť merného odporu čistých kovov (meď a platina) a polovodiča (čisté germánium) od teploty.

Naproti tomu dielektriká prestanú viesť prúd, keď sa ochladia na absolútnu nulu. Pri použití tejto definície sú grafit aj oxid molybdénový kovy. Ale kam umiestniť polovodiče? Ak rozprávame sa o čistých, dokonalých kryštáloch, potom sú to, prísne vzaté, dielektrika. Ak však obsahujú veľa nečistôt, môžu sa stať kovmi, t.j. zachovajú si vodivosť pri najnižších teplotách.

Čo nám nakoniec ostáva? Podarilo sa nám identifikovať jediný podstatný znak, podľa ktorého vieme, ak už nie v každodennej praxi, tak aspoň v princípe vždy rozlíšiť kov od nekovu. A keďže toto znamenie je jediné, tak sú automaticky splnené obe podmienky, ktorých splnenie sme požadovali v úvode článku.

Prečo kovy vedú prúd?

Už dlho sa zistilo, že niektoré prvky, ako je meď, zlato, striebro, železo, olovo, cín, v čistej forme aj pri vzájomnom spojení tvoria kovy. Iné, ako napríklad fosfor, síra, chlór, dusík, kyslík, nielenže nie sú samotné kovy, ale v spojení s kovmi ich premieňajú na dielektrikum. Príkladom toho je obyčajná soľ. NaCl . Preto sa v chémii objavilo delenie prvkov na kovy a nekovy.

Takáto klasifikácia však nie je ničím iným ako konštatovaním faktov, hoci si na prvý pohľad nárokuje vysvetliť vlastnosti látok len na základe štruktúry atómov. V skutočnosti sa pozrime na periodickú tabuľku. Prvky nachádzajúce sa v tom istom stĺpci sú vo svojich chemických vlastnostiach veľmi podobné. Budú však kryštály alebo zliatiny z nich vyrobené viesť elektrický prúd? Pri pohľade na tabuľku nie je možné na túto otázku odpovedať. Takže všetky prvky prvej skupiny sú kovy, s výnimkou prvého - vodíka. Ale zákon, ktorý môže niekto porušiť, už nie je zákonom. Pravda, veci sú lepšie v druhej skupine: tu sú všetky prvky známe kovy; a v tretej skupine je opäť porucha: bór je polovodič a hliník je úžasný kov. Ďalej ešte horšie. Prvým prvkom štvrtej skupiny je uhlík; už sme spomenuli, že grafit, takzvaný uhlíkový kryštál, je kov. Diamant je ale tiež kryštál zložený z uhlíkových atómov, ale usporiadaný inak ako v grafite – izolant. Kremík a germánium sú klasické polovodiče. Cín – zdalo by sa, typický kov. Avšak... Ak sa známy biely lesklý cín drží dlhší čas pri teplote -30 °C, potom sa jeho kryštálová štruktúra zmení a navonok zošedne. A tento cín – nazývajú ho „sivý cín“ – je polovodič! A olovo je vždy kov.

Ak začnete miešať rôzne prvky, potom sa obraz úplne skomplikuje. Vezmite si napríklad a spojte dva kovy indium a antimón - v pomere jedna ku jednej. Získame polovodič široko používaný v technológii InSb . Na druhej strane sme už povedali, že oxid molybdénový MoO 2 pri T≈ 0 K vedie prúd, t.j. MoO 2 - kov. (A WO 2 a Re203 a niektoré ďalšie oxidy sú tiež kovy.) A ak sú kryštály vznikajúce z atómov silne stlačené, stlačené, potom sa ukáže, že takmer všetky látky sa stanú kovmi, dokonca aj také typické metaloidy, ako je síra. Je pravda, že tlak prechodu do kovového stavu je veľmi vysoký - niekoľko stoviek tisíc atmosfér (a ešte viac pre vodík).

Zdá sa, že delenie prvkov na kovy a nekovy nie je až taká jednoduchá úloha. V každom prípade je jasné, že vzhľadom na jednotlivé atómy nemôžeme povedať, či látka zložená z týchto atómov bude viesť prúd pri T≈ 0 K, pretože spôsob, akým sú atómy umiestnené voči sebe navzájom, zohráva obrovskú úlohu. Preto odpovedať na otázku "prečo kovy vedú prúd?" je potrebné študovať, ako atómy medzi sebou interagujú a vytvárajú pevné teleso.

Pozrime sa, ako je to s najjednoduchším z kovov – lítiom. Sériové číslo Li - tri. To znamená, že jadro atómu Li obsahuje tri protóny a kladný náboj jadra kompenzuje tri elektróny. Dve z nich tvoria vyplnenú s-plášť najbližšie k jadru a sú silne viazané na jadro. Zvyšný elektrón sa nachádza na druhom s-plášte. Vošiel by sa tam ešte jeden elektrón, ale lítium ho nemá. Všetky ostatné povolené stavy energie sú voľné a elektróny do nich vstupujú len vtedy, keď je atóm excitovaný (napríklad pri silnom zahriatí pary lítia). Schéma hladín v atóme lítia je znázornená na obrázku 3.

Ryža. 3. Schéma energetických hladín atómu lítia a ich premena na zóny pri spojení atómov do kryštálu. Rušné štáty sú označené červenou farbou.

Zvážte teraz súbor atómov lítia umiestnených v obmedzenom objeme. Môžu tvoriť plyn (para), kvapalinu alebo pevnú látku. Pri dostatočne nízkej teplote bránia sily vzájomnej príťažlivosti tepelnému pohybu atómov a vzniká kryštál. K tomu určite dochádza pri teplote absolútnej nuly, keď všetky známe látky okrem hélia sú kryštály.

Zo skúseností je teda známe, že pri nízkych teplotách je pevná látka stabilným stavom pre lítium. Ale ako je známe, taký stav hmoty je vždy stabilný, v ktorom je jej vnútorná energia menšia ako v iných možných stavoch agregácie pri rovnakej teplote. Celkový pokles energie pri prechode z jedného stavu do druhého sa dá ľahko zmerať – ide predsa o teplo vyparovania alebo topenia.

Z mikroskopického hľadiska je pri nízkych teplotách vnútorná energia látky v prvom rade súčtom energií elektrónov atómov, ktoré tvoria telo. Ale elektróny v atómoch zaberajú prísne definované energetické úrovne. To znamená, že môžeme očakávať, že keď sa atómy priblížia k sebe, energetické hladiny sa zmenia. V tomto prípade by distribúcia elektrónov na úrovniach mala byť taká, že ich celková energia je menšia ako súčet energií elektrónov v rovnakom počte atómov izolovaných od seba.

Čo sa stane s hladinami, možno pochopiť na základe analógie pohybu elektrónu v atóme s akýmkoľvek oscilačným systémom, napríklad s kyvadlom. Predpokladajme, že máme dve úplne identické kyvadla. Pokiaľ sa navzájom neovplyvňujú, frekvencia kmitov oboch kyvadiel je rovnaká. Poďme si teraz predstaviť interakciu medzi nimi – spojíme ich napríklad mäkkou pružinou. A hneď sa namiesto jednej frekvencie objavia dve. Pozrite sa na obrázok 4: združené kyvadla môžu oscilovať vo fáze alebo môžu oscilovať smerom k sebe. Je zrejmé, že v druhom prípade bude ich pohyb rýchlejší, t.j. frekvencia kmitov takéhoto systému je vyššia ako vlastná frekvencia kmitov jedného kyvadla. Väzba teda vedie k rozdeleniu frekvencie. Ak spojíte tri kyvadla, potom už budú existovať tri vlastné frekvencie, systém štyroch spojených kyvadiel má štyri vlastné frekvencie a tak ďalej do nekonečna.

Ryža. 4. Kmity spriahnutých kyvadiel.

Správanie akéhokoľvek iného oscilačného systému je podobné. Ak nahradíme kyvadla napríklad elektrickými oscilačnými obvodmi, potom, ako rádioamatéri dobre vedia, keď sa medzi nimi zavedie spojenie, rozdelia sa aj ich vlastné frekvencie. Elektróny v atóme sú tiež akýmsi oscilačným systémom. Rovnako ako kyvadlo, elektróny majú hmotnosť, existuje Coulombova sila, ktorá ich vracia do rovnovážnej polohy; a to určuje pohyb elektrónov v atóme, ktorý je podľa kvantovej mechaniky charakterizovaný vlastnou frekvenciou. Pre elektróny zahrnutie interakcie počas vzájomného priblíženia vedie k tomu, že frekvencie, ktoré boli predtým rovnaké, sa mierne líšia.

V kvantovej mechanike existuje priamy vzťah medzi energiou a frekvenciou kmitov, vyjadrený vzorcom \(~E = h \nu\), kde h\u003d 6,6 10 -34 J s - Planckova konštanta a ν - frekvencia kmitov. Preto by sa malo očakávať, že keď sa dva atómy lítia priblížia ku každej z úrovní znázornených na obrázku 3, rozdelia sa na dva. Každá nová úroveň energie bude zodpovedať svojmu vlastnému elektrónovému obalu, teraz nie z jedného atómu, ale z „molekuly“. Obaly sú naplnené elektrónmi podľa rovnakého pravidla ako pre atóm - dva elektróny na obal. Ten pár škrupín, ktorý sa ukázal z najnižšej úrovne, bude úplne naplnený elektrónmi. V skutočnosti sa na ne dajú umiestniť štyri elektróny a dva atómy lítia ich majú šesť. Zostávajú dva elektróny, ktoré budú teraz umiestnené na spodnej úrovni druhého páru. Všimnite si kvalitatívny skok, ktorý nastal: predtým tieto dva elektróny obsadili dva zo štyroch stavov, ktoré mali rovnakú energiu. Teraz majú možnosť si vybrať a umiestnili sa tak, aby ich celková energia bola menšia. Nie je ťažké si predstaviť, čo sa stane, keď sa pridajú nasledujúce atómy: pre tri atómy sa každá počiatočná úroveň rozdelí na tri (pozri obr. 3). Deväť elektrónov bude umiestnených nasledovne: šesť na spodnej triáde úrovní, ktoré vznikli z úrovne vnútorného vyplneného obalu atómu najbližšie k jadru; ďalšie dva elektróny - na nižšej úrovni ďalšej triády; zostávajúci elektrón je na strednej úrovni tej istej triády. Ešte jedno miesto na tejto úrovni zostáva voľné a horná úroveň je úplne prázdna. Ak vezmete n atómy (\(~n \gg 1\)), potom sa každá úroveň rozdelí na n tesne rozmiestnené úrovne tvoriace, ako sa hovorí, pásmo alebo zónu povolených energetických hodnôt. V dolnom pásme sú obsadené všetky stavy av druhom - iba polovica a presne tie, ktorých energia je nižšia. Ďalší pruh je úplne prázdny.

Vzdialenosť medzi susednými úrovňami v zóne sa dá ľahko odhadnúť. Je prirodzené predpokladať, že pri priblížení atómov k sebe sa zmena energie elektrónov atómu približne rovná výparnému teplu látky, prepočítané na jeden atóm. Pre kovy je to zvyčajne niekoľko elektronvoltov, a teda celková šírka pásma Δ E, určený interakciou susedných atómov, musí mať rovnakú mierku, t.j. Δ E~ 1 eV ≈ 10 -19 J. Pre vzdialenosť medzi úrovňami dostaneme \(~\delta E \sim \dfrac(\Delta E)(n)\), kde n je počet atómov vo vzorke. Toto číslo je extrémne veľké: medziatómová vzdialenosť je len niekoľko angstromov a objem na atóm je iba ~ 10 -22 cm 3 . Ak má naša vzorka pre istotu objem 1 cm 3, tak pre ňu n≈ 10 22 . Preto číselne vychádza δ E≈ 10 -22 Δ E≈ 10 -41 J. Táto hodnota je taká malá, že je možné vždy zanedbať kvantovanie energie v rámci zóny a predpokladať, že v rámci zóny sú povolené akékoľvek hodnoty energie.

Takže v kryštáli sú energetické hladiny rozmazané do zón, ktoré majú šírku porovnateľnú so vzdialenosťou medzi nimi. Pre elektróny sú povolené stavy vo vnútri pásma a tu môžu mať elektróny takmer akúkoľvek energiu (samozrejme v rámci šírky pásma). Je však veľmi dôležité, aby počet miest v každej zóne bol prísne obmedzený a rovnal sa dvojnásobku počtu atómov, ktoré tvoria kryštál. A táto okolnosť spolu s princípom minimálnej energie určuje rozloženie elektrónov po zónach. Teraz sme všetci pripravení konečne pochopiť, prečo lítium vedie prúd. Pozrime sa znova na obrázok 3. Čo sa stalo? Zatiaľ čo atómy boli samy osebe, všetky elektróny boli v presne definovaných stavoch, striktne rovnakých pre všetky atómy. Teraz sa atómy spojili do kryštálu. Samotné atómy v kryštáli sú nielen rovnaké, ale aj úplne rovnako umiestnené vo vzťahu k svojim susedom (samozrejme s výnimkou tých, ktoré dopadnú na povrch kryštálu). A všetky elektróny majú teraz rôzne energie. To môže nastať len v prípade, že elektróny už nepatria jednotlivým atómom, ale každý elektrón sa „rozdelil“ medzi všetky atómy. Inými slovami, elektróny sa voľne pohybujú vo vnútri ideálneho kryštálu a vytvárajú takpovediac kvapalinu, ktorá vypĺňa celý objem vzorky. A elektrický prúd je usmernený tok tejto kvapaliny, podobne ako voda pretekajúca potrubím.

Aby voda pretekala potrubím, musí byť na koncoch potrubia vytvorený tlakový rozdiel. Potom pôsobením vonkajších síl molekuly nadobudnú smerovanú rýchlosť - voda bude prúdiť. Vzhľad usmernenej rýchlosti je tu veľmi dôležitý, pretože samotné molekuly sa pohybujú chaoticky obrovskou rýchlosťou – pri izbovej teplote je priemerná rýchlosť tepelného pohybu molekuly asi 10 3 m/s. Takže dodatočná energia získaná molekulou v toku je malá v porovnaní s energiou tepelného pohybu.

Dodatočná energia, ktorá musí byť odovzdaná elektrónu, aby sa zúčastnil na všeobecnom riadenom pohybe elektrónov v kryštáli (a to je prúd), je tiež malá v porovnaní s vlastnou energiou elektrónu. Dá sa to ľahko overiť. Už sme povedali, že energia elektrónu sa rovná rádovo 1 eV = 1,6 10 -19 J. Ak si pripomenieme, že pre voľný elektrón \(~E = \dfrac(m \upsilon^2)(2) )\) a m\u003d 9,1 10 -31 kg, potom je ľahké nájsť rýchlosť: υ ~ 106 m/s. Predpokladajme, že všetky elektróny sa podieľajú na prúde a sú v 1 m 3 vodiča n ~ 10 28 Z (Z je jadrový náboj). Potom v drôte s prierezom S\u003d 10 -6 m 2 pri prúde ja≈ 10 A (pri vyššom prúde sa drôt roztaví) smerová rýchlosť elektrónov je \(~\upsilon_H = \dfrac(I)(neS) \cca 10^(-2) - 10^(-3)\ ) pani. To znamená, že energia elektrónu zúčastňujúceho sa prúdu je väčšia ako energia E voľný elektrón iba o 10 -8 E t.j. o 1,6 10 -27 J.

A tu sa stretávame s prekvapivou skutočnosťou: ukazuje sa, že elektróny nachádzajúce sa v dolnom pásme, zvyčajne nazývanom valenčné pásmo, nedokážu zmeniť svoju energiu o malú čiastku. Ak totiž nejaký elektrón zvýši svoju energiu, znamená to, že sa musí presunúť na inú úroveň a všetky susedné úrovne vo valenčnom pásme sú už obsadené. Voľné miesta sú už len v ďalšej zóne. Ale aby sa tam dostal, elektrón musí zmeniť svoju energiu o niekoľko elektrónvoltov naraz. Takto sedia elektróny vo valenčnom pásme a čakajú na koláč na oblohe – energetické kvantum. A kvantá potrebnej energie sú vo viditeľnom alebo ultrafialovom svetle.

Existuje teda kvapalina, ale nemôže prúdiť. A ak by lítium malo v atóme iba dva elektróny, teda ak by sme vytvorili obrázok pre atómy lítia, dostali by sme izolátor. Ale pevné hélium je skutočne izolant, takže si už teraz môžeme gratulovať k nejakému úspechu: ešte sme nevysvetlili, prečo môže prúdiť prúd v kovoch, ale chápeme, prečo dielektriká, kde je veľa elektrónov a všetky sú „zamazané“ v celom kryštáli, neveďte prúd.

Ale čo lítium? Veď má druhú zónu, ktorá je vyplnená len z polovice. Energia oddeľujúca obsadenú a voľnú úroveň v tomto pásme sa nazýva Fermiho energia E f. Ako sme už povedali, energetický rozdiel medzi úrovňami v pásme je veľmi malý. Stačí, aby elektrón nachádzajúci sa v zóne blízko Fermiho hladiny mierne zvýšil svoju energiu – a je voľný, kde stavy nie sú obsadené. Nič nebráni elektrónom z hraničného pásu, aby pôsobením elektrického poľa zvýšili svoju energiu a nadobudli smerovanú rýchlosť. Ale toto je prúd! Pre tieto elektróny je však rovnako ľahké stratiť svoju smerovú rýchlosť, keď sa zrazia s atómami nečistôt (ktoré sú tam vždy) alebo s inými narušeniami ideálnej kryštálovej štruktúry. To vysvetľuje súčasný odpor.

Zdá sa jasné, prečo je hélium izolant a lítium je vodič. Skúsme naše nápady aplikovať na ďalší prvok – berýlium. A tu - zlyhanie zapaľovania, model nefungoval. Berýlium má štyri elektróny a zdalo by sa, že prvá a druhá zóna by mala byť úplne obsadená a tretia by mala byť prázdna. Ukazuje sa, že je to izolant, zatiaľ čo berýlium je kov.

Ide o to. Ak je šírka zón dostatočne veľká, môžu sa navzájom prekrývať. O takomto jave hovoria, že zóny sa prekrývajú. To je presne to, čo sa deje v berýliu: minimálna energia elektrónov v tretej zóne je menšia ako maximálna energia v druhej. Preto sa ukazuje ako energeticky priaznivé, aby elektróny opúšťali prázdnu časť druhého pásma a obsadzovali stavy na spodku tretieho. Tu prichádza na rad kov.

Čo sa stane s ostatnými prvkami? Či sa zóny prekrývajú alebo nie, nedá sa dopredu povedať, vyžaduje si to ťažkopádne počítačové výpočty a nie vždy je možné získať spoľahlivú odpoveď. Pozoruhodné je však toto: z našej schémy vyplýva, že ak vezmeme prvky s nepárnym počtom elektrónov, potom by mal byť vždy získaný kov, ak je štruktúrnou jednotkou v kryštáli iba jeden atóm. Ale vodík, napríklad dusík a fluór, nechcú kryštalizovať do takejto mriežky. Radšej sa najprv spoja do párov a už sa molekuly obsahujúce párny počet elektrónov zoradia do kryštálu. A zákony kvantovej mechaniky mu nebránia byť dielektrikom.

Takže teraz vieme, čo je kov z hľadiska fyziky, a prišli sme na samotnú podstatu tohto javu, pochopili sme, prečo v zásade existujú izolátory a vodiče. Videli sme, že neexistuje jednoduchý spôsob, ako vysvetliť, prečo je konkrétna látka izolant alebo kov. To sa dá urobiť iba vyzbrojením všetkými silami aparátu modernej kvantovej mechaniky a počítačovej techniky, ale to je už úlohou špecialistov.