2. 0 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH ZKOUŠENÍ

Transkript

1 -1-

2 1.0 ÚVOD Učebnice nauka o materiálech má sloužit nově zavedenému předmětu Nauka o materiálech, který je obsažen v rámcovém vzdělávacím programu Geotechnika a navazujících školních vzdělávacích programech Těžba a zpracování ropy a zemního plynu a Těžba a zpracování kamene. Důvodem zavedení předmětu je skutečnost, že obor materiálového inženýrství se postupně vyděluje z obecných poznatků. Vývoj nových materiálů je neobyčejně dynamický a ukazuje se, že zevrubná znalost technických materiálů představuje velmi důležitou kompetenci u stupně vzdělání střední s maturitou. Technické materiály dnes nejsou vyvíjeny pouze s ohledem na užitné vlastnosti, ale nově se zde objevuje aspekt udržitelného rozvoje, kdy se předpokládá, že každý výrobek či stavba v budoucnu doslouží a bude nutné materiál posuzovat nikoli jako odpad, ale surovinový zdroj. Tzv. R materiály jsou zajímavou skupinou materiálů a vývoj technologií jejich dalšího využití je předmětem výzkumu na všech úrovních. Technický a technologický vývoj je naprosto nemyslitelný bez vývoje nových materiálů. Věk informačních technologií je podmíněn vývojem materiálů, které jsou schopny plnit požadavky na integrované obvody, počítačové paměti apod. s exponenciálním růstem jejich parametrů. U klasických materiálů se hledají další možnosti zlepšení jejich užitných vlastností a vývoj se ubírá k materiálům, které se obnovují v přírodě a po skončení jejich životnosti nekontaminují životní prostředí. V době globalizace dochází i k horečné normotvorné činnosti, která umožňuje zlepšit komunikaci v technické praxi. Proto se kniha, až na výjimky u slitin železa, vyhýbá označování některých materiálů, protože v krátké budoucnosti dojde ke změnám. Změny jsou výrazné i v oblasti zkoušení materiálů, zejména kamene. Škola pro tento účel vydává speciální učebnici Úvod do zkoušení kameniva. Je to proto, že řada zkoušek je do nových podmínek netransformovatelná, protože mají úplně jiný princip. Zkoušení materiálů a hledání jejich vlastností nebo prohlašování shody je rovněž novým aspektem technického rozvoje. Učebnice zařazuje do materiálů i zeminy a kámen, což není úplně obvyklé. S ohledem na orientaci rámcového vzdělávacího programu jsou i tyto materiály používány ke stavbám hrází, svahování, uložišť odpadu apod. Velkou perspektivu zaměstnanosti má i environmentální geotechnika, kdy sledujeme cíl sanovat vytěžené přírodní prostředí a dát mu jinou funkci v designu krajiny. Přeji všem, kteří budou tuto učebnici užívat, aby získali ucelené široké vědomosti o materiálech užívaných v oboru i mimo něj. Získané vědomosti by následně měly motivovat absolventy k vyhledávání bližších a speciálních informací v následné praxi, kterou život přinese. Josef Moravec -2-

3 2. 0 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH ZKOUŠENÍ K pochopení materiálního světa je třeba určité metriky, která srozumitelným a dohodnutým způsobem dává informaci o vlastnostech technického materiálu. To platí obecně o každé hmotě ať je ve formě matérie nebo pole. U technických materiálů můžeme členit vlastnosti na: - fyzikální vlastnosti - mechanické vlastnosti - technologické vlastnosti 2.1 FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI Jsou vlastnosti materiálu, které udáváme v základních jednotkách mezinárodní měrové soustavy. Jejich oddělení od vlastností mechanických není zcela prosté. Způsob provádění měření je standardizován a jde o samostatnou technickou disciplínu. Není cílem tohoto textu vyjmenovat všechny, protože některé fyzikální vlastnosti nemají pro obor vzdělání uplatnění a některé jsou dokonce běžně nedostupné. Především se jedná o technické materiály související s jadernou fyzikou. Měrná hmotnost (dříve také hustota) je fyzikální veličina, která dává informaci o hmotnosti jednoho krychlového metru libovolného materiálu. Hodnota měrné hmotnosti dává informaci o atomové stavbě látky, chemickém složení a případné krystalické stavbě, pokud se jedná o pevné skupenství. m ρ = [kg. m -3 ] V hmotnost materiálu [kg] objem materiálu [m³] Měrný objem je fyzikální veličina, která dává informaci o objemu jednoho kilogramu materiálu. Jde tedy o obrácenou veličinu měrné hmotnosti. V technické praxi se s touto veličinou pracuje u plynů, kde je výhodná pro matematické modelování tepelných jevů. V v = [m³. kg -1 ] m objem materiálu [m³] hmotnost materiálu [kg] Teplota tání a teplota tuhnutí θ [ºC] je teplota, při které materiál (látka) mění své skupenství. U čistých kovů nastává tavení a tuhnutí při jedné hodnotě teploty, která se při předpokládaném pomalém ohřevu v průběhu tavení nemění (přestane růst teplota i když je materiál zahříván). U slitin tomu obecně tak není (pokud se nejedná o tzv. eutektika) a teplota tavení má určitý teplotní interval. Teplota varu a kondenzace θ [ºC] je teplota, při které dochází ke změně skupenství látky z kapalného na plynné a naopak. Poznámka: Teplota varu a kondenzace závisí také na tlaku, při kterém je látka zkoumána. Platí, že čím vyšší tlak, tím vyšší teplota varu a naopak. V praxi to znamená u vody, že varu dosahujeme za rozdílných teplot ve vysokohorském prostředí (nízký tlak) a např. v tlakovém hrnci. Ve vakuu voda vře při teplotě 0 ºC. -3-

4 Existují i látky, které mění za normálního tlaku ( Pa) skupenství pevné přímo na skupenství plynné. Tento jev se nazývá sublimace. Z čistých prvků sublimuje berylium a jód, ze sloučenin např. voda (led) při změně tlaku. T K[K] tavení -prodleva tavení - prodleva čas t [s] tavení čistého kovu nebo eutektika Obr. 1. Průběh měření teploty při tavení pevných látek tavení slitiny Poznámka: U plynu je změna objemu v závislosti na teplotě složitější jev, který bude Délková a objemová roztažnost je prodloužení délky nebo zvětšení objemu vlivem zvýšení teploty. Pro všechny materiály platí, že se zvyšující teplotou zvětšují své délkové rozměry. Teplotní součinitel délkové roztažnosti α l [K -1 ] a teplotní součinitel objemové roztažnosti α V [K -1 ] podává informaci o kolik se zvětší délkový rozměr, nebo objem při změně teploty o 1 K. předmětem stavby a provozu strojů. Takže uvedené platí pro pevné skupenství a pro skupenství kapalné, kde pojem délková změna nemá smysl a předpokládá se změna pouze objemová. Tepelná vodivost l [W. m -1. K -1 ] je teplo Q [J], které při ustáleném stavu projde za jednotku času mezi dvěma protilehlými stěnami krychle o délce hrany 1 m při rozdílu teplot mezi těmito stěnami 1K. Tepelná vodivost u kovů je díky tzv. kovové vazbě velmi vysoká. U materiálů s vazbou převážně kovalentní nebo iontovou je menší. Elektrická vodivost G [S] (siemens). Podle vodivosti materiály dělíme na vodiče a nevodiče (izolanty). Mezi těmito mezními hodnotami existují ještě polovodiče, které vedou elektrický proud za určitých podmínek. Měrný elektrický odpor ρ [ Ω. m] je veličina charakterizující schopnost vést elektrický proud. Existují kovy a látky, které za nízkých teplot dosahují vlastnosti nazývané supravodivost. Tyto mají měrný elektrický odpor nulový. Magnetické vlastnosti (permeabilita) bez bližšího popisu je rozdělujeme na: - Diamagnetické, které nezesilují účinek vnějšího magnetického pole (většina organických sloučenin a z kovů měď, stříbro, zlato, rtuť, cín, olovo), - Paramagnetické nezesilují ani příliš nezeslabují vnější magnetické pole (kyslík a soli vzácných zemin), -4-

5 - Feromagnetické velmi silně zesilují vnější magnetické pole (železo, nikl, kobalt a slitiny chrómu a manganu). Poznámka: Materiály feromagnetické lze přitáhnout magnetem s velkou silou u diamagnetického materiálu je to s malou silou (lamda sonda ve spalovacích motorech). Vedle taxativně vyjmenovaných fyzikálních vlastností lze na materiálech měřit řadu dalších elektrických vlastností, optických vlastností, radioaktivitu apod. Tyto však nejsou s ohledem na studovaný obor důležité a lze se o nich dočíst v odborné literatuře. 2.2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI MECHANICKÉ VLASTNOSTI STATICKÉ ZKOUŠKY Jsou vlastnosti vyplývající z požadavků techniků na namáhání strojních součástí. Hodnoty se získávají, podobně jako u vlastností fyzikálních, jejich měřením. Každá zkouška musí podléhat standardizovanému postupu, kde jsou definovány všechny podmínky. Obvykle to bývá normou. Základní mechanické vlastnosti vycházejí z jednotlivých druhů namáhání. Mechanické namáhání je tah, tlak, střih, krut a ohyb. Tato namáhání často působí v kombinacích. Konstrukční materiál musí odolávat těmto druhům namáhání a jejich kombinaci. Mechanické vlastnosti proto dělíme na: F Pevnost je schopnost materiálu přenášet vnější zatížení bez ztráty konzistence, tj. bez rozdělení vzorku nebo součásti na více kusů. Pevnost materiálu se určuje především v tahu a tlaku. Získané hodnoty lze použít pro posouzení chování daného materiálu k ostatním druhům materiálu. Pevnost je udávána v jednotkách [MPa]. Při zkouškách se hodnoty vypočítají podle vztahu: síla v tahu [N] Napětí v tahu σ t = [MPa] S průřez kolmý k vektoru síly [m 2 ] F síla v tlaku [N] Napětí v tlaku σ d [MPa] S průřez kolmý k vektoru síly [m 2 ] Poznámka: na obrázku 2 jsou znázorněny průběhy zkoušky tahem a tlakem pro různé materiály. Kromě skutečnosti, že některé materiály jsou pevnější (snesou větší zatížení) je zde patrný i rozdílný průběh deformace v závislosti na zatěžující síle. U oceli je zřejmý v tahové i tlakové větvi lineární charakter (přímka) části. Dále je zřejmé, že pevnost v tahu i tlaku je u oceli stejná. U některých materiálů jako je šedá litina, kámen, beton, keramika apod. je hodnota pevnosti v tlaku několikanásobně vyšší (3 20), než je tomu v tahu. To má velký význam, pro konstrukci strojů a zařízení, ale i staveb. -5-

6 schéma namáhání a deformace namáhání zatížení výpočet napětí tah síla F σ t = [MPa] S tlak síla F σ d = [MPa] S krut střih kroutící moment síla M k τ k = [MPa] W k F τ s = [MPa] S ohyb ohybový moment M o σ o = [MPa] W o Tabulka 1. Druhy mechanického namáhání -6-

7 σ [MPa] ε[-] ocel hliníková slitina šedá litina, beton, keramika Obr. 2 Závislost vnějšího zatížení na deformaci Tvrdost je odolnost materiálu proti vnikání cizího tělesa do jeho povrchu. Tvrdost lze zkoušet několika způsoby. V mineralogii se používá desetistupňová stupnice tvrdosti (Mohse), kde se u zkoušeného minerálu určuje poloha ve vztahu ke známé tvrdosti řady minerálů, které mají známé chemické a krystalografické složení: 1. mastek 2. sůl kamenná 3. kalcit 4. fluorid 5. apatit 6. živec (ortoklas) 7. křemen 8. topaz 9. korund 10. diamant Pro technické materiály je třeba exaktnějšího měření tvrdosti. Proto se do povrchu zkušebních vzorků, ale i reálných konstrukčních součástí vtlačují za přesně definovaných podmínek tělíska. Měří se tak průměr, úhlopříčka, nebo hloubka otisku. Pokud se při měření nepřipouští otisk, nebo materiál je velmi pružný, používají se k měření zkoušky odrazem, nebo se měří hloubka zatlačení tělíska na jakési jehle. schéma zkoušky zkušební tělísko název zkoušky podmínky měření kulička ø 1 mm ø 2,5 mm ø 5 mm ø 10 mm Brinell HB měří se ø otisku ve zkoušeném materiálu měkké materiály -7-

8 kulička ø 1/16 tj. 1,5875mm diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120º čtyřboký diamantový jehlan s vrcholovým úhlem 136º Rockwell HRB (kulička) HRC (kužel) Vickers HV měří se hloubka otisku zkoušeného materiálu měkké materiály (kulička) tvrdé a velmi tvrdé materiály (kužel) měří se úhlopříčka otisku tvrdé a velmi tvrdé materiály Tab. 2 Statické měření tvrdosti kovových materiálů odrazové tělísko 100 g zátěž t = 5 s průměr 1 mm výška pádu výška odrazu měří se hloubka zaboření v 0,1 mm zkoušený materiál Obr. 3 Měření tvrdosti asfaltu a pryže Pružnost je schopnost materiálu navrátit se do původního tvaru a rozměru po odeznění účinků vnějších sil. Poznámka: Pružnost může být v čase velmi rychlá, např. u ocelové pružiny, ale navrácení do původního tvaru a rozměru může trvat i relativně dlouho. Pokud se deformace odehrávají v delším čase beze změny vnějšího zatížení, tak se jedná o tzv. reologii což je chování materiálu při deformaci. Houževnatost je schopnost materiálu zachovat si konzistenci (celistvost) (nerozdělit se na více částí) v důsledku účinku vnějších sil. Křehkost je opakem houževnatosti, tedy schopnost materiálu reagovat na účinky vnějších zatěžujících sil ztrátou konzistence (rozpadem). -8-

9 Poznámka: Většina materiálů má mechanické vlastnosti určitým způsobem zastoupené v různé míře. Neexistuje materiál s nulovou nebo nekonečnou hodnotou libovolné mechanické vlastnosti. Jako příklady s vysokou mírou jedné mechanické vlastnosti lze uvést sklo. Je křehké, ale má určitou míru pružnosti. Na mechanické vlastnosti nelze pohlížet jako na žádoucí a nežádoucí, ale na jejich míru. Křehkost u ocelové konstrukce mostu je vlastnost absolutně nežádoucí, ale u pojistky proti přetížení např. u spojky motoru, vzpěrné desky drtiče apod. je to vlastnost žádoucí MECHANICKÉ VLASTNOSTI DYNAMICKÉ ZKOUŠKY Mechanické vlastnosti ověřované dynamickými zkouškami se od zkoušek statických odlišují rychlostí s jakou rostou účinky vnějšího zatížení. Je obtížné najít ostrou hranici mezi zkouškami statickými a dynamickými. Pro snadnější pochopení statická zkouška např. měření tvrdosti znamená, že zatěžující síla působí v trvání desítek sekund. Dynamická zkouška by trvala v řádu setin sekundy. Na rychlosti nárůstu vnějších silových účinků závisí deformace a chování materiálu velmi dramaticky. Při extrémních rychlostech, např. při srážce kovových předmětů rychlostí v řádu 10 3 m.s -1,se jinak křehký materiál, např. šedá litina, chová jako materiál tvárný a ocel jako nestlačitelná kapalina. Mechanické vlastnosti ověřované dynamickými zkouškami dělíme na: Zkouška rázem v ohybu kdy jde o nejpoužívanější zkoušku. Lze samozřejmě provádět rázovou zkoušku v tahu, tlaku, krutu apod. Tato však poskytuje výsledky, které lze použít i pro jiné druhy materiálu. Nejčastějším měřením je měření tzv. vrubové houževnatosti materiálu. U této zkoušky se neměří vnější zatížení silou nebo napětím, ale spotřebovaná energie k přeražení nebo ohnutí vzorku. Vrubová se nazývá proto, že vzorek má vrub ve tvaru písmene V nebo U. Kinetická energie se získává nejčastěji pádem kladiva známé hmotnosti, nebo pádem kladiva v podobě kyvadla (Charpyho kyvadlové kladivo). Kinetická energie m.v 2 E k = [J] 2 Zkoušky opětovným namáháním jsou zkoušky kdy ověřujeme počet cyklů, které materiál vydrží do jeho lomu. Tyto jsou nutné pro součásti cyklicky namáhané. Cyklické namáhání může být jednosměrné např. namáhání tahem u šroubů hlav spalovacích motorů. Při každé expanzi jsou namáhané tahem. Další možností je střídavé namáhání, např. tah - tlak, které nastává na povrchu rotujících hřídelí namáhaných ohybem. Cyklické namáhání může být také asymetrické, kdy hodnoty napětí v jednom směru jsou jiné, než ve směru opačném. Existuje však tzv. mez únavy materiálu, kdy zkušební vzorek a po přepočtení reálná součást vydrží nekonečný počet zatěžujících cyklů. Zabývá se jimi tzv. Wőhlerova křivka. -9-

10 σ [MPa] počet cyklů log n Obr. 4 Wőhlerova křivka MECHANICKÉ VLASTNOSTI ZKOUŠENÍ ZA VYŠŠÍCH A NIŽŠÍCH TEPLOT z teorie pružnosti pevnosti lze řadu vlastností prostě z výsledku bezpečně přepočítat. Pro konstrukci součástí, které mají pracovat za vyšších nebo naopak nižších teplot, nemají výše uvedené zkoušky význam, protože jejich výsledky nelze použít pro např. dimenzování. Nejčastějšími zkouškami statickými za jiných teplot je zkouška tahem, protože Z dynamických zkoušek je to nejčastěji zkouška vrubové houževnatosti. Obecně platí, že u kovů se vzrůstající teplotou klesá jejich pevnost, ale roste tažnost a naopak. Při klesajících teplotách řada materiálů považovaných za houževnaté křehne. 20 C 100 C 200 C 300 C 450 C Obr. 5 Pracovní diagramy zkoušky tahem měkké oceli v závislosti na teplotách -10-

11 2. 3 TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI Technologické vlastnosti souvisejí s vlastnostmi technologickými, tedy jak materiál zpracovat. Zda je možné jej odlévat, tvářet za tepla (kovat), nebo za studena (tvářet), tepelně zpracovat (kalit, popouštět, patentovat, cementovat, nitridovat apod.). Bez bližšího vysvětlení nejdůležitější z nich: - tvárnost je schopnost materiálu zachovat si tvar daný působením vnějších sil, - lámavost posuzuje tvárnost s ohledem na lámavost, kdy vznikne trhlina, - kovatelnost je schopnost materiálu zachovat si tvar daný působením vnějších sil za tepla, - svařitelnost je schopnost materiálu ke sváření za určitých podmínek, - obrobitelnost je schopnost materiálu být obráběn ve vztahu k určitému etalonu, - slévatelnost je schopnost materiálu vyplnit dokonale formu MAKROSKOPICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ Materiály lze posuzovat z mnoha dalších hledisek pro jejich speciální vlastnosti, které jsou dány povahou jejich složení. Pro účely této učebnice jsou uvedeny jenom některé: Polymorfie znamená mnohotvárnost. U pevných látek, které mají krystalickou mřížku (nejsou amorfní), se polymorfie projevuje tím, že chemicky stejná látka krystalizuje ve více než jedné krystalické soustavě. Záleží na podmínkách krystalizace. Nejznámějším příkladem je krystalizace uhlíku. Ten může krystalizovat v podobě grafitu, který je měkký. Může však za jistých podmínek vysokých teplot a tlaků krystalizovat v kubické soustavě v podobě diamantu, který je nejtvrdším nerostem. Polymorfie velmi závisí na teplotě a také na tlaku. Při výrobě technických materiálů se tlak uplatňuje velmi obtížně, ale teplota a rychlost chlazení mohou měnit krystalickou stavbu materiálu. Polymorfním materiálem je železo a jeho slitina s uhlíkem ocel. Strukturou krystalů oceli lze měnit zásadně vlastnosti. Toho lze docílit např. tepelným zpracováním. V mineralogii známe celou řadu minerálů, které krystalizují v různých soustavách. Zde se při jejich vzniku uplatňoval vedle vysokých teplot i vysoký tlak. Při změně teplot dochází k překrystalizaci u polymorfních materiálů. To se projevuje spotřebou nebo uvolňováním latentního tepla (skryté teplo). Průběh překrystalizace se projeví v diagramu T - t (teplota čas) změnou směrnice oteplovacích a ochlazovacích přímek. Výjimkou jsou tzv. eutektika. Těleso z polymorfního materiálu mění také svůj objem a tím i měrnou hmotnost. -11-

12 T [K] tavení kapalná fáze tuhnutí modifikace δ tuhá fáze modifikace β modifikace α čas t [s] Obr. 6 Průběhy teplot při ohřevu a ochlazování polymorfních materiálů čistých kovů nebo eutektika a eutektoidu Izotropie a anizotropie. Izotropní materiál má ve všech směrech stejné vlastnosti. Vlastnostmi jsou zde myšleny fyzikální, mechanické, technologické apod. Anizotropní materiál nemá ve všech směrech stejné vlastnosti. Anizotropie může být vlastností přirozenou dané látce díky např. chemickým vazbám. Jako příklad nechť poslouží např. slída nebo dřevo. Dají se štípat pouze v jednom směru, v ostatních směrech k jejich dělení musíme použít jinou technologii. Horniny s ohledem na svůj vznik mají také anizotropní vlastnosti (hont, dobrá a špatná strana). Anizotropie je i vyrobitelná s ohledem na technologii zpracování, plechy válcování, drát tažení, vlasec tažení a tuhnutí, fólie válcování a tuhnutí. Znalost anizotropních vlastností do značné míry určuje technologii např. těžby a zpracování materiálů. Homogenita a heterogenita (stejnorodost a nestejnorodost). Homogenní materiál je takový materiál (bez ohledu na jeho skupenství), který se skládá z jedné nebo více látek určitého chemického složení. Částice s různým chemickým složením jsou však menší než 0, mm. Pokud jsou částice větší jde o heterogenní látku. Jde o tzv. disperzní soustavu. Ta může obecně existovat podle tabulky. disperzní prostředí tuhé dispergovaná fáze název disperzní soustavy tuhá tuhá směs kapalná tuhá pěna plynná tuhá pára příklady šedá litina, sklo, žula formela, tmely pemza kapalné tuhá kapalná plynná suspenze emulze pěna hašené vápno, barviva, maziva mléko, asfaltová emulze mýdlová pěna plynné tuhá kapalná plynná dým, kouř mlha, déšť neexistuje popel a prach ve vzduchu mlha neexistuje Tabuka 3. Disperzní soustavy -12-

13 3.0 KOVOVÉ MATERIÁLY - CHEMICKÉ PRVKY Kovové materiály, přes nepochybný nárůst moderních materiálů jako jsou kompozity a speciální slitiny, představují největší podíl na konstrukci strojů a zařízení ve většině oborů spojených s hornickou činností a činnostmi vykonávanými hornickým způsobem. Jaké prvky Mendělejevovy periodické soustavy lze považovat za kovy? Pojem kov v sobě zahrnuje alkalické kovy, kovy alkalických zemin, přechodné kovy, aktinoidy, lanthanoidy a kovy. Bližší poznatky nabízí právě Mendělejevova tabulka. Ta existuje tzv. zkrácená a je častěji používaná při výuce, a prodloužená. Prodlouženou lze považovat za exaktně přesnější. Tisk lanthanoidů a aktinoidů mimo tabulku je přípustný, protože jejich použití je v praxi vzácné. Výjimkou bude prvek cer u tvárných litin. Obě tabulky jsou v textu spolu s tabulkou základních vlastností a použití některých prvků tabulky. Kov je prvek, který má většinu těchto vlastností: - charakteristický lesk, tj. vysokou odrazivost pro viditelnou část spektra. Jinak kovy jsou neprůhledné i pro velmi tenké vrstvy což je důsledek velmi husté struktury, kdy na jednotku plochy resp. objemu se vyskytuje velký počet atomů. - vysokou tažnost a kujnost. Neboli lze je natahovat nebo jim měnit tvar - obecně jsou houževnaté. Je to důsledek kovové vazby, která dovoluje mřížkovým rovinám se navzájem přeskupovat. - vysokou tepelnou a elektrickou vodivost. To je důsledkem dostatečného počtu nabitých částic, které se snadno pohybují krystalickou mřížkou. - vysoký elektropozitivní charakter, který dovoluje relativní snadnost odtržení valenčních elektronů, kdy vzniká např. iontová vazba. Mezi kovy a nekovy neexistuje nějaká ostrá hranice. Existují prvky, které svými vlastnostmi hraničí mezi kovy a nekovy. -13-

14 MENDĚLEJEVOVA TABULKA PRVKŮ ("ZKRÁCENÁ") H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Te Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo *Lanthanoidy La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tn Yb Lu ** Aktinoidy Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr kapaliny plyn -14-

15 MENDĚLEJEVOVA TABULKA PRVKŮ ("PRODLOUŽENÁ") H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Te Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tn Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo -15-

16 VYBRANÉ CHEMICKÉ PRVKY značka název at.hmotn. vlastnosti použití ALKALICKÉ KOVY IA Lithium 6,941 Kov s velmi malou měrnou Pro výrobu akumulátorů, chladící hmotností (lehčí než voda), médium jaderných reaktorů, velmi měkký, zvyšuje u skla index lomu Li ρ = 534 kg.m -3, teplota tání optická skla, speciální slitiny s Mg, 180 C. Al a pod. Součást plastických maziv kovové mýdlo L-V-2-3, Na Sodík 22,989 Kov s velmi malou měrnou hmotností (lehčí než voda i než lithium), velmi měkký. váže na sebe oxid uhličitý. Chladící médium jaderných reaktorů, sloučeniny pro výrobu skla, silné redukční činidlo, kovová mýdla, váže na sebe oxid uhličitý. K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Draslík Rubidium Cesium Francium Berylium Hořčík Vápník 39,098 Kov s velmi malou měrnou hmotností (lehčí než voda i než lithium a sodík), velmi měkký podle Moohse 0,5. 85,468 Velmi měkký stříbrný kov, Organogenní prvek, vyskytuje se hojně v minerálech, součást ledku, hnojiv, kovových mýdel (mazlavé), při výrobě skla. s nízkou teplotou tání 39,31 C. 132,90 Velmi měkký nažloutlý kov, s nízkou teplotou tání 28,44 C. 223,019 Má největší měrnou hmotnost ze skupiny ρ = 1870 kg.m -3, teplota tání 27 C. KOVY ALKALICKÝCH ZEMIN IIA 9,012 Křehký kov velmi tvrdý, měrná hmotnost ρ = 1850 kg.m -3, teplota tání 1287 C. 24,305 Tažný středně lehký stříbřitý kov ρ = 1738 kg.m -3, teplota tání 650 C. 40,06 Poměrně lehký reaktivní kov ρ = 1550 kg.m -3, teplota tání 842 C. Stroncium 87,62 Velmi reaktivní kov ρ = 2640 kg.m -3, teplota tání 777 C. Vyskytuje se v minerálech vedle dalších alkalických kovů, v zábavné pyrotechnice, fotočláncích, používá se jako getr. Vyskytuje se v minerálech spolu s ostatními alkalickými kovy, pro výrobu katodových trubic, fotočlánků apod. Vyskytuje se v uranových a thoriových rudách, jeho izotopy jsou velmi nestabilní. Vyskytuje se hojně v minerálech, ve slitinách se železem zabraňuje jiskření ( beryliové bronzy), v rentgenové optice jako čočka, moderátor v jaderných reaktorech. Vyskytuje se hojně v minerálech, používá se v metalurgii, ve slitinách s Cu, Al, Mn. Jeho některé chemické reakce se vyznačují intenzivními světelnými efekty. Je pátým prvkem s největším výskytem v přírodě, hojně v minerálech, redukční činidlo při výrobě kovů U, Zr, Th v materiálech typu sádra, cement. Vyskytuje se v minerálech, barví plamen pyrotechnika, zvyšuje index lomu skla až k indexu diamantu. -16-

17 Ba Ra Sc Ti Zr V Nb Ta Cr Mo Baryum 137,34 Poměrně lehký reaktivní kov ρ = 3510 kg.m -3, teplota tání 727 C. Radium 226,02 Velmi reaktivní kov ρ = 5500 kg.m -3, teplota tání 700 C. Skandium Titan Zirkonium Vanad Niob Tantal Chrom Molybden PRVKY OSTATNÍCH SKUPIN 44,95 Stříbřitě bílý měkký kov na vzduchu oxiduje a vlastnostmi se podobá Al a Ti ρ = 2985 kg.m -3, teplota tání 1541 C. 47,88 Šedý až stříbřitě bílý kov s mimořádnou chemickou stálostí, vysokou pevností a malou měrnou hmotností ρ = 4506 kg.m -3, teplota tání 1668 C. 91,22 Šedý až stříbřitě bílý tvrdý Vyskytuje se v minerálech, jako suspenze ve vodě má velkou měrnou hmotnost a využívá se u ropných vrtů jako výplach, v optice, a pyrotechnice barví plamen. Vyskytuje se ve smolinci a je produktem rozpadu uranové i thoriové řady, má luminiscenční vlastnosti, v čistém stavu několik gramů ročně pro veškerou spotřebu. Vyskytuje se při zpracování uranových rud, používá se u výkonných zdrojů světla, při rafinaci ropy a ve speciálních slitinách pro kosmonautiku. Vyskytuje se hojně v minerálech, chemický a kosmický průmysl tam, kde nevyhovují levnější slitiny, velmi těžce se získává z rud, hojný v barvivech a keramice. kov s mimořádnou chemickou stálostí, ρ = 6520 kg.m -3 teplota tání 1855 C. 50,94 Šedobílý tvrdý kujný kov s vysokou teplotou tání ρ = 6110 kg.m -3, teplota tání 1915 C. 92,90 Šedý kujný za nízké teploty chemicky stálý kov ρ = 8570 kg.m -3, teplota tání 2477 C. 180,94 Tvrdý modrošedý vysoce inertní kov, ρ = kg.m -3, teplota tání 3017 C. 51,99 Nejtvrdším elementárním kovem, mimořádná chemická stálost ρ = 7150kg.m -3, teplota tání 2670 C. 95,94 Stříbřitý tvrdý a křehký kov, ρ = kg.m -3, teplota tání 2623 C. Vyskytuje se v minerálech, použití v jaderné energetice, pro speciální účely, keramika. Je 19 tým nejrozšířenějším prvkem, ale je velmi rovnoměrně zastoupen, používá se ve slitinách s hliníkem a ocelí s vysokou pevností a žárupevností, pro supravodivé materiály. Je velmi rovnoměrně zastoupen a těžce se hledají těžitelné rudy, pro supravodivé materiály, slitiny. V minerálu tantalitu, použití ve speciálních slitinách pro chemický, letecký a kosmický průmysl. V minerálech drahokamech, doprovodné sloučeniny železných rud, použití ve slitinách oceli, na geologické vrtné nástroje a speciální materiály. Minerál molybdenit a měďnaté rudy, legující prvek v oceli, jako katalyzátor při odsiřování ropy, v chemickém průmyslu. W Wolfram 183,85 Šedý až stříbřitě bílý kov s nejvyšší teplotou tavení elementárního kovu, ρ = kg.m -3, teplota tání 3422 C. V minerálech, použití v elektrotechnice, technologiích svařování, jako legující prvek v ocelích, v chemickém průmyslu, prášková metalurgie WC. -17-

18 Mn Mangan 54,98 Světle šedý tvrdý a křehký kov ρ = 7210kg.m -3, teplota tání 1246 C, tři modifikace. Vyskytuje se v minerálech a je doprovodným prvkem v železných rudách, většinou se používá jako legující prvek u ocelí Hadfieldova ocel, pro speciální slitiny a usměrňovače hoření u raket na pevná paliva. Fe Os Co Ir Ni Pd Pt Železo Osmium Kobalt Iridium Nikl Palladium Platina 55,847 Poměrně měkký, světle šedý až bílý feromagnetický kov, dvě modifikace ρ = 7860 kg.m -3, teplota tání 1538 C 190,2 Ušlechtilý značně tvrdý a křehký kov s druhou nejvyšší měrnou hmotností ρ = kg.m -3, teplota tání 3033 C, patří do skupiny platinových kovů. Vyskytuje se hojně v minerálech a železných rudách, používá se ve slitinách v obrovském množství, v elektrotechnice pro magnetické vlastnosti. Vyskytuje se jako doprovodný prvek v platinových a iridiových rudách, v čistém stavu se nepoužívá, pouze ve slitinách pro chirurgické použití, hroty per apod. Vyskytuje se v olověných a měděných rudách, používá se do slitin, slinutin, keramik, skla, glazur a barev pigmentů, jaderných technologiích hojně jeho izotopy. 58,93 Stříbrolesklý velmi tvrdý a pevný prvek s feromagnetic- vlastnostmi ρ = 8900kg.m -3, teplota tání 1495 C, dvě modifikace. kými 192,22 Ušlechtilý, tvrdý a křehký kov, velmi odolný vůči chemickým vlivům nejvyšší hodnota měrné hmotnosti ρ = 22650kg.m -3, teplota tání 2446 C. 58,69 Stříbrolesklý tvárný feromagnetický kov ρ = 8908kg.m -3, teplota tání 1455 C. 106,4 Drahý kov šedivé barvy, s vysokým stupněm reakcivity ρ = 12023kg.m -3, teplota tání 1555 C. 195,09 Ušlechtilý kujný a tažný kov ρ = 21450kg.m -3, teplota tání 1768 C. Vyskytuje se v rudách platinových kovů, ve speciálních slitinách, na stroje sklářských technologií při tažení optických vláken, elektrody zapalovacích svíček, etalony měr a vah. Vyskytuje se v mořské vodě, železných rudách a minerálech, používá se jako legující prvek do slitin, při galvanickém pokovování, Monelův kov apod. Vyskytuje se v platinových rudách, použití jako katalyzátor v organických syntézách, v automobilovém průmyslu apod. Vyskytuje se v ryzím stavu, použití katalyzátory, konstrukční materiál pro sklářské pece na tažení optických vláken, v medicíně cytostatika. Cu Ag Měď Stříbro 63,546 Typický kov červenohnědé barvy ρ = 8960kg.m -3, teplota tání 1084 C. 107,86 Ušlechtilý kov bílé barvy ρ = 10490kg.m -3, teplota tání 961 C. Vyskytuje se v ryzím stavu, častěji v minerálech a rudách, použití v elektrotechnice, slitiny (mosaz, bronzy, dělovina), legura u ocelí. Vyskytuje se v ryzím stavu, v mořské vodě a jako příměs zlata, nejlepší tepelná a elektrická vodivost, optika optoelektronika, speciální slitiny. -18-

19 Au Zlato 196,96 Ušlechtilý chemicky velmi odolný kov typické barvy ρ = 19300kg.m -3, teplota tání 1064 C. Vyskytuje se v ryzím stavu (minerál 1. skupiny), použití v mikroelektronice, sklářský průmysl (barví sklo do rubínové barvy), šperkařství. Zn Cd Hg Al Ga C Zinek Kadmium Rtuť Hliník Gallium Uhlík 65,39 Kovový prvek se silným leskem za vyšších teplot kujný a tažný, ρ = 6570 kg.m -3, teplota tání 419 C. 112,41 Měkký lehce tavitelný bílý toxický kov, ρ = 8650kg.m -3, teplota tání 321 C 200,59 Stříbřitě bílý kapalný kov nápadně velké měrné hmotnosti, ρ = 13534kg.m -3, teplota tání -38,83 C. 26,98 Stříbřitě šedý nestálý kujný kov, ρ = 2700kg.m -3, teplota tání 660 C. Vyskytuje se v minerálech, použití jako ochrana před korozí galvanicky nebo žárově nanášený na kovy, ve slitinách. Vyskytuje se v rudách olova a zinku jako příměs nikoli v minerálech, použití jako ochrana proti korozi (galvanické pokovování), v akumulátorech apod. Vyskytuje se jako ryzí kov nebo v minerálu cinabaritu (rumělka), používá se ve rtuťové metalurgii, elektrotechnice, amalgám je kov rozpuštěný ve rtuti. Je nejčastěji se vyskytujícím prvkem v zemské kůře, díky své reaktivitě zásadně ve sloučeninách a minerálech (rubín, safír, smaragd), použití v lehkých slitinách, elektrotechnice. 69,72 Velmi řídce se vyskytující kov s nízkou teplotou tavení, ρ = 5910kg.m -3, teplota tání 29,74 C 12,011 Je typicky nekovový prvek, vyskytuje se ve dvou modifikacích jako grafit ρ = 2267kg.m -3 teplota tání 3527 C a jako diamant, ρ = 3513kg.m -3. Vyskytuje se jako příměs v rudách zinku a železných rudách, použití v polovodičové elektronice, ve speciálních teploměrech Vyskytuje se v anorganických i organických sloučeninách, ve kterých tvoří základ, v čisté formě grafitu v technických disciplínách, ve formě diamantu u špičkových technologií, v jaderné fyzice, optice, samostatnou kapitolou jsou organické látky (ropa, zemní plyn, uhlí). Si Sn Pb Křemík 28,08 Polokovový prvek, ρ = 2330kg.m -3, teplota tání 1410 C. Cín Olovo 118,69 Stříbrolesklý kov vyskytující se ve třech alotropiích modifikacích, základní ρ = 7260kg.m -3, teplota tání 231 C. 207,2 Šedý, měkký, těžký a toxický kov, ρ = 11340kg.m -3, teplota tání 327 C. Vyskytuje se v zemské kůře velmi hojně a ve velkém množství minerálů, použití je elektrotechnika (polovodiče), silikátová chemie, legující prvek řady slitin, keramika apod. Vyskytuje se v několika rudách, použití v potravinářství, sklářský průmysl, ve slitinách (bronz). Vyskytuje se v rudách stříbra a několika minerálech, používá se v akumulátorech, slitinách a jaderných zařízeních. -19-

20 N Dusík 14,01 Je plyn bez barvy, chuti a zápachu, málo reaktivní, teplota varu -195,8 C. Vyskytuje se v atmosféře země, používá se v kapalném stavu jako chladivo, chemicky vázaný ve výbušninách, v pevných a kapalných palivech raket, jako ochranná atmosféra v hutnictví apod. P As Bi Fosfor Arsen Bizmut 30,97 Nekovový prvek v pevné fázi, vyskytuje se ve třech alotropních modifikacích, teplota tání 44,2 C. 74,92 Polokov vyskytující se ve čtyřech alotropních modifikacích. 208,98 Kov bílé barvy, křehký a hrubě krystalický, ρ = 9780kg.m -3, teplota tání 271 C. V přírodě se vyskytuje výhradně ve sloučeninách a minerálech, používá se do slitin (bronzy) a v pyrotechnických aplikacích, je jedovatý. Vyskytuje se jako doprovodný prvek v několika rudách a v uhlí, používá se v polovodičové elektronice (vodivost typu N). Vyskytuje se v minerálech, používá se do slitin a díky teplotě tání a varu pro bezpečnostní zařízení, při výrobě glazur, v metalurgii tvárná litina. O S Se Te Kyslík Síra Selen Tellur 15,99 Je plynný biogenický prvek, teplota varu -218 C. Vyskytuje se v atmosféře, ve vodě jako sloučenině, minerálech apod., používá se v metalurgii a je základním okysličovadlem v řadě technologicky využívaných reakcí (hoření). 32,066 Nekovový prvek vyskytující se v několika alotropních modifikacích. 78,96 Nekovový prvek vyskytující se ve čtyřech modifikacích, ρ = 4810kg.m -3, teplota tání 221 C. 127,6 Patří spíše mezi kovy, stříbřité barvy vyskytuje se vzácně, ρ = 6240kg.m -3, teplota tání 449 C. Vyskytuje se v mořské vodě a minerálech, použití v chemii a biochemii. Vyskytuje se poměrně vzácně, obvykle doprovází rudy síry a telluru, používá se při výrobě fotočlánků. Vyskytuje se v rudách, kde doprovází síru a selen, používá se k barvení skla, jako mikrolegura v metalurgii, k výrobě fotočlánků. F Cl Fluor Chlor 18,99 Zelenožlutý dráždivý plyn, extrémně reaktivní, teplota varu -188 C. 35,453 Toxický světlezelený plyn s velmi vysokou reaktivitou, teplota varu -101 C. Vyskytuje se v minerálech, používá se pro extrémní reaktivnost v chemické výrobě, jako součást raketových paliv s velkým specifickým impulsem, v organické chemii, chladírenské technologie -(freony). Vyskytuje se v mořské vodě (soli) a minerálech, používá se v chemii při výrobě kyselin. Br Brom 79,904 Toxická červenohnědá kapalina, ρ = 3102kg.m -3, teplota tání -7,3 C. Vyskytuje se v mořské vodě a minerálech, použití v jaderných technologiích a klasické fotografii. -20-